DE19715752C1 - Vortex tube with supply pipe, vortex generator and vortex duct - Google Patents

Vortex tube with supply pipe, vortex generator and vortex duct

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Abstract

Disclosed is a tubular vortical device comprising a vortex generator (1). The action of a rotor (39) provides a working fluid medium inside said vortex generator with a higher energy level and the working fluid medium proceeds therefrom into a vortex formation chamber (3). A central cold flow is drawn from one side of said chamber (3) through a diaphragm orifice (11) while, on the other side, a peripheral hot flow enters a hot flow pipe (21) which is equipped with slit-like slots. The vortex generator (1) is comprised of a stack (2) of plates disposed between two outer-shell plates (4, 5), wherein said stack comprises an alternately staggered arrangement of flow-orientating plates (13) as well as dividing plates (12). This structure corresponds to the layered structure of the rotor (39) which is comprised of vane rings (46) and annular separating discs (47) disposed between said rings. The global flow, which is pressurised and forced into a vortical movement, is divided into thin streams in the shape of layers.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Wirbel­ rohr, wie es zur Aufteilung eines unter Druck zugeführ­ ten Fluidstroms in einen kalten und einen heißen Teil­ strom Verwendung findet. Wirbelrohre dieser Art finden auf verschiedenen Gebieten Anwendung, insbesondere in der Wärme- und Kältetechnik, in Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungsanlagen, z. B. in Flugzeugen und in der Laboratoriumstechnik.The present invention relates to a vertebra pipe as it is fed to split a pressurized fluid flow into a cold and a hot part current is used. Find vortex tubes of this type application in various fields, particularly in of heating and cooling technology, in heating, ventilation and Air conditioning systems, e.g. B. in aircraft and in Laboratory technology.

Bekannte, mit Gasen, insbesondere Luft als Arbeitsmedium betriebene Wirbelrohre haben einen Wirbelerzeuger in Form eines Zyklons, der das durch eine Düse unter Druck zugeführte Gas in eine Wirbelströmung zwingt, in welcher eine Aufteilung derart stattfindet, daß sich im äußeren Teil des Wirbels der heiße Teil und im Kern der kalte Teilstrom sammelt. Beide Anteile werden durch eine Ring­ blende, die neben dem Düseneintritt angeordnet ist, ge­ trennt, wobei der Kaltstrom durch die Blende längs der Wirbelachse nach einer Seite und der Heißstrom längs der Wirbelachse nach der anderen Seite in ein Heißluftrohr abströmt. In diesem ist eine verschiebliche Drosselein­ richtung angeordnet, welche die Aufteilung der Durch­ satzmengen der Teilströme und damit auch deren Tempera­ turen zu ändern gestattet.Known, with gases, especially air as a working medium operated vortex tubes have a vortex generator in Form of a cyclone that is pressurized by a nozzle feed gas forces into a vortex flow, in which a division takes place in such a way that the outside Part of the vortex is the hot part and the core is the cold part Partial stream collects. Both parts are separated by a ring aperture, which is arranged next to the nozzle inlet, ge separates, the cold current through the orifice along the Vortex axis to one side and the hot stream along the Swirl axis to the other side in a hot air pipe flows out. In this is a movable choke direction arranged, which is the division of the through sets of partial flows and thus their tempera doors allowed to change.

Ein Nachteil dieser Wirbelrohre ist, daß sie nur mit Druckgas betrieben werden und somit bezüglich ihrer An­ wendungsgebiete beschränkt sind.A disadvantage of these vortex tubes is that they only work with Pressurized gas are operated and therefore with regard to their type application areas are limited.

Eines der vorliegend ins Auge gefaßten Anwendungsgebiete ist die Heizung von Gebäuden, Aufenthaltsräumen und Fahrzeugen, wobei das Fluid auch ein flüssiges Medium, insbesondere Wasser sein kann und der Kaltstromaustritt auch verschlossen sein kann.One of the areas of application envisaged here is the heating of buildings, common rooms and  Vehicles, the fluid also being a liquid medium, in particular can be water and the cold current outlet can also be locked.

Ein zur Wärmeerzeugung, nämlich zur Aufheizung von Was­ ser dienendes Wirbelrohr ist aus der RU 2 045 715 C1 bekannt. Bei dieser bekannten Ausbildung ist der Wirbel­ erzeuger ein einfacher Zyklon, dem das Wasser von einer elektromotorisch angetriebenen Pumpe über einen Injek­ torstutzen zugeführt wird und tangential in das Spiral­ gehäuse des Zyklons eintritt. Ein Teil des Stroms ver­ läßt das Zyklongehäuse als Heißstrom längs der Wirbel­ achse nach einer Seite in ein mit einer Bremsvorrichtung versehenes zylindrisches Heißstromrohr und der andere Teil verläßt das Gehäuse zur anderen Seite in ein Über­ strömrohr. Die im Heißstromrohr in einem Abstand vom Zyklon angeordnete Bremsvorrichtung besteht aus einer Mehrzahl von radial angeordneten Rippen, die sich zwi­ schen der Rohrinnenfläche und einer zentralen Einsatz­ buchse erstrecken. Stromabwärts von der Bremsvorrichtung endet das Heißstromrohr mit einem Boden, in dem eine Austrittsöffnung ausgeführt ist, deren Durchmesser klei­ ner als der des Heißstromrohrs ist. Die Austrittsöffnung mündet in eine Abfuhrleitung, welche ein mit Absperr­ ventilen versehenes System von Wärmetauschern speist. In die Abfuhrleitung mündet auch das Überströmrohr, in dem auch noch nahe der Anschlußstelle an den Zyklon eine zusätzliche Bremsvorrichtung angeordnet ist. Das Wasser wird im geschlossenen Kreislauf geführt und gelangt von den Wärmetauschern zurück zur Pumpe.One for heat generation, namely for heating what this serving vortex tube is from RU 2 045 715 C1 known. In this known training is the vortex a simple cyclone, which receives the water from a electric motor driven pump via one injek is fed and tangentially into the spiral housing of the cyclone enters. Part of the current ver leaves the cyclone housing as a hot stream along the vortex axis to one side with a braking device provided cylindrical hot flow tube and the other Part leaves the housing to the other side in an over flow tube. The in the hot flow pipe at a distance from Cyclone arranged braking device consists of a A plurality of radially arranged ribs, which are between the inner surface of the pipe and a central use extend socket. Downstream from the braking device the hot flow pipe ends with a bottom in which one Exit opening is executed, the diameter of which is small ner than that of the hot flow pipe. The exit opening flows into a discharge line, which is a with shut-off valve-supplied system of heat exchangers. In the discharge line also opens the overflow pipe in which also close to the connection point to the cyclone additional braking device is arranged. The water is carried out in a closed cycle and reaches from the heat exchangers back to the pump.

Der Wirkungsgrad dieses bekannten Wirbelrohrs ist nicht befriedigend, vor allem deswegen, weil die von einem Elektromotor angetriebene Pumpe unabhängig vom Wirbel­ erzeuger des Wirbelrohrs arbeitet und nicht an die spe­ zifischen Bedingungen des Wirbelrohrbetriebs angepaßt ist. In der Rohrleitung von der Pumpe zum Injektorstut­ zen und in diesem selbst treten Verluste auf, die den Wirkungsgrad herabsetzen. Auch ist eine Regelung der Be­ triebszustände des Wirbelrohrs nicht möglich, da die Bremseinrichtung im Heißstromrohr fest eingebaut ist und nicht einstellbar ist. Es können instabile Betriebszu­ stände in der Pumpe und im Wirbelrohr auftreten, die von erheblicher Lärmentwicklung und Vibrationen begleitet werden, welche die zulässigen Grenzen überschreiten. Dadurch sind die Anwendungsmöglichkeiten eingeschränkt und die Wirksamkeit reduziert.The efficiency of this known vortex tube is not satisfactory, mainly because of one Electric motor driven pump independent of the vortex Producer of the vortex tube works and not on the spe adapted specific conditions of the vortex tube operation is. In the pipeline from the pump to the injector nozzle zen and in this itself losses occur, which the  Reduce efficiency. There is also a regulation of the Be drive states of the vortex tube not possible because the Braking device is permanently installed in the hot flow pipe and is not adjustable. Unstable operation can levels in the pump and in the vortex tube occur by accompanied by considerable noise and vibrations which exceed the permissible limits. This limits the possible applications and reduced effectiveness.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Wirbelrohres, mit dem ein hoher Wirkungsgrad der Wärmeerzeugung erzielt wird und das gut regelbar ist, so daß die Betriebszustände den Bedürfnissen optimal an­ gepaßt werden können. Auch soll der Betrieb keine Vi­ brationen und Lärmentwicklungen verursachen und die Schaufelfrequenz der Pumpe keine Resonanzzustände aus­ lösen.The object of the present invention is to create a vortex tube with which the efficiency of the Heat generation is achieved and that is easy to control, so that the operating conditions optimally to the needs can be fitted. Also, the company should not be a cause fractions and noise and that Bucket frequency of the pump no resonance conditions to solve.

Ausgehend von einem Wirbelrohr der vorstehend betrachte­ ten bekannten Art gelingt die Lösung dieser Aufgabe durch die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale. Die Integration der Pumpe in die Wirbelrohrkonstruktion in Verbindung mit der Wirbelerzeugung in Form von dünnen Schichtströmen ändert den Charakter der Strömung in Richtung einer erheblichen Erhöhung der Wirksamkeit der Wärmeerzeugung und der Vermeidung des Auftretens von Lärm und Pulsationen.Starting from a vortex tube consider the above ten known type succeeds in solving this problem by the features specified in the claims. The integration of the pump into the vortex tube construction in connection with the vortex generation in the form of thin Stratified flows change the character of the flow in Towards a significant increase in the effectiveness of the Heat generation and the prevention of the occurrence of Noise and pulsations.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigegebenen Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt:The invention will hereinafter be described by the description of an embodiment based on the attached Drawings explained further. It shows:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt des Wirbelrohrs in der Ebene, in der die Eintrittskanalachse und die Wirbelachse liegen; Fig. 1 is a vertical section of the vortex tube in the plane in which the inlet channel axis and the vortex axis are;

Fig. 2 den Querschnitt nach Linie 1-1 in Fig. 1; Fig. 2 shows the cross section along line 1-1 in Fig. 1;

Fig. 3 den Schnitt nach Linie 2-2 in Fig. 1; Fig. 3 is a section along line 2-2 in FIG. 1;

Fig. 4 die Draufsicht auf eine Trennplatte; Figure 4 is a top view of a partition plate.

Fig. 5 den Schnitt nach Linie 3-3 in Fig. 4; . Fig. 5 is a section along line 3-3 in Figure 4;

Fig. 6 die Draufsicht auf eine Strömungsleitplatte; Fig. 6 is a plan view of a baffle plate;

Fig. 7 den Schnitt nach Linie 4-4 in Fig. 6. Fig. 7 is a section along line 4-4 in FIG. 6.

Das Wirbelrohr hat einen Wirbelerzeuger 1, der aufgebaut ist als Plattenpaket 2 mit zwischen zwei Deckplatten 4 und 5 abwechselnd angeordneten Strömungsleitplatten 13 und Trennplatten 12. In einer der Deckplatten, vorlie­ gend in der unteren Deckplatte 4, ist eine Eintrittsöff­ nung 6 konzentrisch zur Eintrittskanalachse 7 vorhanden, durch welche das Arbeitsfluid aus einem Zufuhrstutzen 20 zugeführt oder angesaugt wird. In der gleichen Deckplat­ te 4 ist in einem Abstand konzentrisch zu einer Wirbel­ achse 9 eine Heißstrom-Austrittsöffnung 8 ausgeführt, an welche ein Heißstromrohr 21 angeschlossen ist. Die Ein­ trittskanalachse 7 und die Wirbelachse 9 liegen parallel zueinander. In der anderen, der oberen Deckplatte 5 ist eine Blendenöffnung 11 konzentrisch zur Wirbelachse 9 ausgeführt, an welche ein Kaltstrom-Austrittsstutzen 36 angeschlossen ist. Auf der Eintrittskanalachse 7 ist in dieser Deckplatte 5 eine Wellenbohrung 10 für die An­ triebswelle 43 einem Radialverdichterrotors 39 ausge­ führt.The vortex tube has a vortex generator 1 , which is constructed as a plate pack 2 with flow guide plates 13 and separating plates 12 arranged alternately between two cover plates 4 and 5 . In one of the cover plates, vorlie in the lower cover plate 4 , there is an inlet opening 6 concentric to the inlet channel axis 7 , through which the working fluid is supplied or sucked in from a supply nozzle 20 . In the same Deckplat te 4 is at a distance concentric to a vortex axis 9, a hot flow outlet opening 8 to which a hot flow tube 21 is connected. A tread axis 7 and the swirl axis 9 are parallel to each other. In the other, the upper cover plate 5 , an aperture 11 is made concentric to the swirl axis 9 , to which a cold flow outlet connection 36 is connected. On the inlet channel axis 7 is in this cover plate 5, a shaft bore 10 for the drive shaft 43 to a radial compressor rotor 39 leads out.

Jede Trennplatte 12 hat eine konzentrisch zur Eintritts­ kanalachse 7 liegende Eintrittskanalöffnung 14 und eine konzentrisch zur Wirbelachse 9 liegende Wirbelkanalöff­ nung 15. Jede Strömungsleitplatte 13 hat einen Kontur­ ausschnitt, dessen Berandung 16 einen Strömungsweg be­ grenzt, auf dem unterschieden werden können ein Spiral­ auslaufabschnitt 17, ein Konfusorabschnitt 19 und ein Spiraleinlaufabschnitt 18. Each partition plate 12 has an inlet channel opening 14 lying concentrically to the inlet channel axis 7 and an opening 15 lying concentrically to the vortex axis 9 . Each flow guide plate 13 has a contour section, the boundary 16 borders a flow path be, on which can be distinguished a spiral outlet section 17 , a confuser section 19 and a spiral inlet section 18th

Die kreisförmigen Eintrittskanalöffnungen 14 der Trenn­ platten 12 definieren eine Rotorkammer 38 für den Rotor 39. Die Strömungsberandung 16 der Strömungsleitplatten 13 geht von einer Umfangsstelle dieser Rotorkammer 38 tangential unter allmählicher Vergrößerung ihres Krüm­ mungsradius aus und bildet hier den Spiralauslauf 17, welcher übergeht in den Konfusorabschnitt 19 mit kon­ vergierenden Rändern des Strömungswegs, an welchen wie­ derum der Spiraleinlaufabschnitt 18 anschließt, der un­ ter allmählicher Verringerung des Krümmungsradius tan­ gential zu der von den Wirbelkanalöffnungen 15 definier­ ten Wirbelkammer 3 endet.The circular inlet channel openings 14 of the separating plates 12 define a rotor chamber 38 for the rotor 39 . The flow boundary 16 of the flow guide plates 13 starts from a circumferential point of this rotor chamber 38 tangentially with a gradual increase in its radius of curvature and here forms the spiral outlet 17 , which merges into the confusor section 19 with converging edges of the flow path, to which the spiral inlet section 18 is connected, the un ter gradual reduction of the radius of curvature tan potential to the vortex chamber defined by the vortex channel openings 15 ends 3 .

Der Radialverdichterrotor 39 besteht aus einer fliegend gelagerten Rotorbasisscheibe 40, in deren Rückenfläche 41 eine als Sackbohrung ausgeführte Paßbohrung 42 für das Ende der Antriebswelle 43 eingearbeitet ist. Die Vorderfläche 44 trägt eine der Anzahl der Strömungsleit­ platten 13 entsprechende Anzahl von Schaufelkränzen 46 aus Schaufeln 50. Diese Schaufelkränze sind voneinander getrennt durch Trennringscheiben 47 mit einer Zentral­ öffnung 48. Jeder Schaufelkranz 46 liegt auf der Höhe einer Strömungsleitplatte und ist von gleicher Dicke wie diese, und jede Trennscheibe 47 liegt auf der Höhe einer Trennplatte 12 und ist von gleicher Dicke wie diese.The radial compressor rotor 39 consists of a cantilevered rotor base disk 40 , in the back surface 41 of which a bore 42 designed as a blind bore for the end of the drive shaft 43 is machined. The front surface 44 carries a number of the flow guide plates 13 corresponding number of blade rings 46 from blades 50 . These blade rings are separated from one another by separating ring disks 47 with a central opening 48 . Each blade ring 46 lies at the level of a flow guide plate and is of the same thickness as this, and each cutting disk 47 lies at the level of a partition plate 12 and is of the same thickness as this.

Vom Zentrum der Rotorbasisscheibe 40 ragt ein nabenarti­ ger Umströmungskörper 45 auf, dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Zentralöffnungen 48 der Trennringscheiben 47. Dadurch ist ein Eintritts-Ring­ spalt 51 für das aus der Öffnung 6 eintretende Arbeits­ fluid vorhanden, aus dem dieses sich schichtenweise in die Schaufelkanäle des Rotors und die Strömungswege der Strömungsleitplatten 13 verteilen kann.A hub-like flow body 45 projects from the center of the rotor base disk 40 and its diameter is smaller than the diameter of the central openings 48 of the separating ring disks 47 . As a result, there is an entry ring gap 51 for the working fluid entering from the opening 6 , from which it can be distributed in layers into the blade channels of the rotor and the flow paths of the flow guide plates 13 .

Die Schaufelkanäle zwischen den Schaufeln 50 haben, wie aus Fig. 2 ersichtlich, einen Diffusor-Konfusor-Verlauf; bei gleichbleibender Höhe vergrößert sich ihre normal zur Strömungsrichtung zu messende Breite auf einen maxi­ malen Wert und nimmt danach bis zum Austritt am Rotor­ umfang wieder ab.As can be seen from FIG. 2, the blade channels between the blades 50 have a diffuser-confuser profile; if the height remains the same, its width, which is normal to the direction of flow, increases to a maximum value and then decreases again until it exits the rotor.

Die Schaufeln 50 der einzelnen Schaufelkränze 46 sind in Umfangsrichtung zueinander gleichmäßig versetzt, so daß der Winkel zwischen der Eintrittskante 49 einer Schaufel 50 und der in Umfangsrichtung nächstfolgenden Eintritts­ kante einer zu einem anderen Schaufelkranz gehörenden Schaufel
The blades 50 of the individual blade rings 46 are evenly offset from one another in the circumferential direction, so that the angle between the leading edge 49 of a blade 50 and the next circumferential entry edge of a blade belonging to another blade ring

beträgt, wobei n1 für die Anzahl der Schaufeln eines Schaufelkranzes und n2 für die Anzahl der Schaufelkränze steht.is, where n 1 stands for the number of blades of a blade ring and n 2 for the number of blade rings.

In der aus den Spiraleinlaufabschnitten 18 in die Wir­ belkammer 3 eintretenden Strömung bildet sich ein inho­ mogenes Temperaturfeld und ein Temperaturgradient in der Weise, daß ein kalter Anteil das Zentrum einnimmt und ein heißer Anteil an der Peripherie rotiert. Dieser Heißstrom geht durch die mit der Wirbelkammer 3 fluch­ tende Heißstrom-Austrittsöffnung 8 über in den Wirbel­ raum des hier an die Deckplatte 4 angeschlossenen Heiß­ stromrohrs 21, welches als Schlitzrohr mit einer Mehr­ zahl von gleichmäßig auf dem Umfang verteilten Längs­ schlitzen 28 ausgeführt ist. Die Gesamtfläche aller Längsschlitze 28 ist vorzugsweise gleich der Fläche des lichten Querschnitts des Heißstrom-Schlitzrohrs 21. Das Heißstrom-Schlitzrohr 21 ist unter Belassung eines Ringspaltraums 26 umgeben von einem koaxialen Mantelrohr 22, das an seinem Ende von einem Deckel 23 abgeschlossen ist. An zwischen den Längsschlitzen 28 gelegenen Um­ fangsstellen erstrecken sich in dem Ringspaltraum 26 zwischen dem Schlitzrohr 21 und dem Mantelrohr 22 dünne Rippen 27, deren Längserstreckung der der Längsschlitze 28 entspricht und die auf geeignete Weise befestigt sind, beispielsweise am Schlitzrohr 21 zwischen dessen Schlitzen festgeschweißt sind. Diese Rippen vergrößern die Wärmeabgabefläche des Heißstrom-Schlitzrohrs 21 und fixieren es auch.In the entering from the spiral inlet sections 18 into the We belkammer 3 flow forms an inho mogeneous temperature field and a temperature gradient in such a way that a cold portion occupies the center and a hot portion rotates on the periphery. This hot flow passes through the swirl chamber 3 with the hot flow outlet opening 8 over into the swirl space of the hot flow tube 21 connected here to the cover plate 4 , which is designed as a slotted tube with a number of slots 28 distributed evenly over the circumference. The total area of all longitudinal slots 28 is preferably equal to the area of the clear cross section of the hot flow slot tube 21 . The hot-flow slot tube 21 is surrounded by a coaxial jacket tube 22 , leaving an annular gap space 26 , which is closed at its end by a cover 23 . At catch points located between the longitudinal slots 28 , thin ribs 27 extend in the annular gap 26 between the slotted tube 21 and the casing tube 22 , the longitudinal extent of which corresponds to that of the longitudinal slots 28 and which are fastened in a suitable manner, for example are welded to the slotted tube 21 between the slots thereof . These ribs increase the heat dissipation area of the hot-flow slot tube 21 and also fix it.

Am unteren Ende des Mantelrohrs 22 ist an dieses ein Heißstrom-Austrittsstutzen 25 angeschlossen, dessen Ach­ se im rechten Winkel zur Wirbelachse 9 steht und auf deren Höhe die unteren Enden der Längsschlitze 28 sowie die Rippen 27 liegen.At the lower end of the casing tube 22 , a hot flow outlet connection 25 is connected to it, the axis of which is at right angles to the swirl axis 9 and at the height of which the lower ends of the longitudinal slots 28 and the ribs 27 are located.

Am oberen Ende des Mantelrohrs 22 unterhalb der Deck­ platte 4 ist ein Zusatzstutzen 24 für einen Heißstrom­ austritt vorgesehen, welcher an das Heißstrom-Schlitz­ rohr 21 angeschlossen ist und den Ringspalt 26 und das Mantelrohr 22 durchquert. Die Durchquerung des Mantel­ rohrs ist abgedichtet. Der Innendurchmesser des Zusatz­ stutzens 24 ist kleiner als der Innendurchmesser des Heißstrom-Austrittsstutzens 25. Etwa auf dem Niveau der unteren Mantellinie dieses Heißstrom-Zusatzstutzens 24 liegen die oberen Enden der Längsschlitze 28 und der Rippen 27.At the upper end of the casing tube 22 below the cover plate 4 , an additional connection 24 for a hot flow emerges, which is connected to the hot flow slot tube 21 and crosses the annular gap 26 and the casing tube 22 . The crossing of the jacket tube is sealed. The inner diameter of the additional nozzle 24 is smaller than the inner diameter of the hot flow outlet nozzle 25 . The upper ends of the longitudinal slots 28 and the ribs 27 lie approximately at the level of the lower surface line of this hot flow additional connection piece 24 .

Im unteren Ende des Heißstrom-Schlitzrohrs 21 ist eine Absperr- und Regelvorrichtung 29 eingebaut, zu der ein verschieblicher Einstellkolben 30 gehört, welcher das untere Ende des Wirbelkanalraums darstellt und die Ein­ stellung von dessen wirksamer Länge gestattet. Der Ein­ stellkolben 30 ist an einer Hohlstange 31 befestigt, die durch eine Zentralbohrung 32 des Deckels 23 durch diesen nach außen ragt. Die Durchführung der Hohlstange 31 durch den Deckel 23 ist von einer Dichtung 33 abgedich­ tet. Der Einstellkolben nimmt den lichten Querschnitt des Heißstrom-Schlitzrohrs 21 ein. In the lower end of the hot-flow slot tube 21 , a shut-off and control device 29 is installed, to which a displaceable adjusting piston 30 belongs, which represents the lower end of the spinal canal space and permits the setting of its effective length. The an adjusting piston 30 is attached to a hollow rod 31 which projects through a central bore 32 of the cover 23 through this to the outside. The implementation of the hollow rod 31 through the cover 23 is tet from a seal 33 . The adjusting piston takes up the clear cross section of the hot-flow slot tube 21 .

Das zweite, in gleicher Weise verschiebliche Element der Absperr- und Regelvorrichtung 29 ist eine Bremsscheibe 34 kleineren Durchmessers, die an einer Stange 35 be­ festigt ist, welche durch die Hohlstange 31 verläuft und mit der die Bremsscheibe unabhängig vom Einstellkol­ ben 30 in den Wirbelkanalraum eingeschoben werden kann. Im Einstellkolben 30 ist eine Ausnehmung für die Brems­ scheibe 34 ausgespart, so daß diese in ihrer vollständig zurückgezogenen Stellung im Einstellkolben versenkt ist und ihre Stirnfläche mit der des Einstell­ kolbens fluchtet.The second, in the same way displaceable element of the shut-off and control device 29 is a brake disc 34 of smaller diameter, which is fastened to a rod 35 , which extends through the hollow rod 31 and with which the brake disc ben independently of the setting piston 30 is inserted into the vertebral canal space can be. In the adjusting piston 30 , a recess for the brake disc 34 is recessed so that it is sunk in its fully retracted position in the adjusting piston and its end face is aligned with that of the adjusting piston.

Der an die Blendenöffnung 11 in der Deckplatte 5 an­ schließende Kanal des Kaltstrom-Austrittsstutzens 36 ist als Diffusorkanal 37 ausgebildet.The at the aperture 11 in the cover plate 5 to closing channel of the cold flow outlet 36 is formed as a diffuser channel 37 .

Alle Teile des Rotors 39 sowie die Strömungsleitplatten 13 und die Trennplatten 12 sind aus gleichen oder ver­ schiedenen Werkstoffen mit niedrigem Wärmeleitkoeffi­ zienten hergestellt. Die Dicke der Trennringscheiben 47 und der Trennplatten 12 kann wesentlich kleiner sein als die Dicke der Strömungsleitplatten 13 und der Schaufel­ kränze 46. Das Heißstrom-Schlitzrohr 21 und die dünnen Rippen 27 bestehen aus gleichen oder verschiedenen Werk­ stoffen hoher Wärmeleitfähigkeit.All parts of the rotor 39 as well as the flow guide plates 13 and the separating plates 12 are made of the same or different materials with a low coefficient of thermal conductivity. The thickness of the separating ring disks 47 and the separating plates 12 can be significantly smaller than the thickness of the flow guide plates 13 and the blade rings 46 . The hot flow slot tube 21 and the thin ribs 27 consist of the same or different materials with high thermal conductivity.

Im Betrieb des beschriebenen Wirbelrohrs wird der Rotor 39 von einem geeigneten Motor, insbesondere einem Elek­ tromotor über die Welle 43 angetrieben und das Arbeits­ fluid gelangt aus dem Zufuhrstutzen 20 über die sich kegelstumpfförmig verengende Eintrittsöffnung 6 in den Eintritts-Ringspalt 51 und verteilt sich in diesem auf die einzelnen Schaufelkränze 46. Unter der Wirkung der Zentrifugalkräfte strömt es in den Kanälen zwischen den Schaufeln 50 zum Umfang, wobei es auf dem letzten Ab­ schnitt des Wegs durch die Schaufelkanäle eine Beschleu­ nigung erfährt. Die durch den Rotorantrieb auf ein hö­ heres Energieniveau gebrachte Strömung geht über in den Spiralauslaufabschnitt 17 des Wirbelerzeugers 1.In the operation of the vortex tube described, the rotor 39 is driven by a suitable motor, in particular an electric motor via the shaft 43 , and the working fluid passes from the supply nozzle 20 via the cone-shaped constricting inlet opening 6 into the inlet annular gap 51 and is distributed therein on the individual blade rings 46 . Under the action of the centrifugal forces, it flows in the channels between the blades 50 to the circumference, and is accelerated on the last section of the path through the blade channels. The flow brought to a higher energy level by the rotor drive passes into the spiral outlet section 17 of the vortex generator 1 .

Die Versetzung der Schaufeln der mehreren Schaufelkränze um den genannten Winkel α bewirkt eine sehr gleichmäßige Förderung des Arbeitsfluids und verringert die vibroakus­ tische Aktivität des Rotors bei der Schaufelfrequenz.The displacement of the blades of the multiple blade rings around the angle α causes a very uniform Promote working fluid and reduce vibroacus table activity of the rotor at the blade frequency.

Das aus dem Rotor schichtartig austretende Arbeitsfluid ist schon erheblich aufgeheizt. Nach Passieren der Spi­ ralauslaufabschnitte 17 gelangen die Schichtströmungen in die Konfusorabschnitte 19, wo eine weitere Beschleunigung stattfindet. Bei der Durchströmung dieser Wege bilden sich auf Grund der geringen Dicke der Schichtströmungen Grenzflächen-Mikrostrukturen einer turbulenten Strömung, und es findet ein hocheffektiver Prozeß der Dissipation mechanischer Energie in Wärme mit hohem Umwandlungskoef­ fizienten statt.The working fluid emerging from the rotor in layers is already heated up considerably. After passing the spiral outlet sections 17 , the layer flows enter the confuser sections 19 , where further acceleration takes place. When flowing through these paths, interface microstructures of a turbulent flow are formed due to the small thickness of the layer flows, and a highly effective process of dissipating mechanical energy into heat takes place with a high conversion coefficient.

Die Ausführung der Platten des Plattenpakets 2 aus einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit erhöht dabei die Wirksamkeit dieses Prozesses der Umwandlung mechanischer Energie in Wärme und verringert den Wärmeverlust nach außen. Die von den Trennplatten gebildete verhältnismäßig sehr große Reibungsgesamtfläche erhöht ebenfalls die Ef­ fektivität des stattfindenden Prozesses.The execution of the plates of the plate pack 2 from a material with low thermal conductivity increases the effectiveness of this process of converting mechanical energy into heat and reduces the heat loss to the outside. The relatively large total friction area formed by the partition plates also increases the effectiveness of the process taking place.

Das im Mikrostruktur-Strömungszustand befindliche Ar­ beitsfluid tritt aus den Konfusorabschnitten 19 des Strö­ mungswegs mit erhöhter Geschwindigkeit in die Spiralein­ laufabschnitte 18 ein, wo es in eine rotierende Bewegung gezwungen wird, in deren Zentrum die Temperatur absinkt, während sie in den peripheren Bereichen ansteigt.The beitsfluid in the microstructure flow state occurs from the confusion sections 19 of the flow path at increased speed into the spiral inlet sections 18 , where it is forced into a rotating movement, in the center of which the temperature drops as it rises in the peripheral areas.

Der abgekühlte Kernbereich der Strömung wird durch die Blendenöffnung 11 in den Kaltstrom-Austrittsstutzen 36 abgeführt, in dem die niedrigsten Temperaturwerte er­ reicht werden, und gelangt durch den Diffusorkanal 37 zu einem (nicht gezeigten) Kälteverbraucher. The cooled core area of the flow is discharged through the orifice 11 into the cold flow outlet 36 , in which the lowest temperature values are reached, and passes through the diffuser channel 37 to a cold consumer (not shown).

Der zur anderen Seite hin aus der Wirbelkammer 3 in das Schlitzrohr 21 gelangende periphere Arbeitsfluidteil be­ hält seine Wirbelbewegung, deren Intensität längs des Schlitzrohrs 21 abnimmt. Die höchste Wirbelstärke und damit auch die höchsten Temperaturen der peripheren Strö­ mungsbereiche sind unmittelbar am Eintritt in das Heiß­ strom-Schlitzrohr 21 unterhalb der Deckplatte 4 vorhan­ den. Somit kann dem Heißstrom-Zusatzstutzen 24 ein be­ sonders hoch erhitzter Teilstrom entnommen werden.To the other side from the vortex chamber 3 in the slotted tube 21 peripheral working fluid part be keeps his vortex movement, the intensity of which decreases along the slotted tube 21 . The highest vortex strength and thus also the highest temperatures of the peripheral flow areas are immediately at the entry into the hot-flow slot tube 21 below the cover plate 4 . A particularly highly heated partial flow can thus be removed from the hot flow additional connection piece 24 .

Die Absperr- und Regelvorrichtung 29 im gegenüberliegen­ den Ende des Heißstrom-Schlitzrohrs 21 dient zur Anpas­ sung und Optimierung der Betriebsverhältnisse an den kon­ kreten Anwendungsfall. Das Arbeitsfluid kann eine Flüs­ sigkeit, ein Gas oder ein Dampf-Luft-Gemisch sein und dabei verschiedene physikalisch-mechanische Eigenschaften und Zustände aufweisen, insbesondere Dichte, Viskosität, Zufuhrdruck, Gegendruck, Geschwindigkeit. Eine Aufwärts­ bewegung des Einstellkolbens 30 verringert das Volumen des Wirbelkanalraums und verkürzt die wirksame Länge der Längsschlitze 28, so daß die Verteilung des Gesamtstroms auf Kaltstrom und Heißstrom sich unter entsprechende Än­ derung von deren Parametern ändert. Eine Aufwärtsbewegung der Bremsscheibe 34 bewirkt eine Abbremsung des kalten Kernbereichs der Wirbelströmung.The shut-off and control device 29 in the opposite end of the hot flow slot tube 21 is used to adapt and optimize the operating conditions to the specific application. The working fluid can be a liquid, a gas or a vapor-air mixture and can have various physico-mechanical properties and conditions, in particular density, viscosity, supply pressure, back pressure, speed. An upward movement of the adjusting piston 30 reduces the volume of the vertebral canal space and shortens the effective length of the longitudinal slots 28 , so that the distribution of the total flow of cold flow and hot flow changes with corresponding changes in their parameters. An upward movement of the brake disk 34 brings about a braking of the cold core area of the vortex flow.

Die heißen peripheren Teile der Strömung gelangen durch die Schlitze 28 in den Ringspalt 26 und strömen zwischen den die Wärmeübertragungsfläche des Schlitzrohrs 21 ver­ größernden Rippen 27 längs derselben zum Austrittsstutzen 25 und weiter zu einem (nicht gezeigten) Wärmeverbrau­ cher.The hot peripheral parts of the flow pass through the slots 28 into the annular gap 26 and flow between the ribs 27 increasing the heat transfer surface of the slotted tube 21 along the same to the outlet port 25 and further to a (not shown) heat consumer cher.

Durch die beschriebene Energiezufuhr in die Strömung mit­ tels des in die Konstruktion des Wirbelrohrs integrierten Rotor und die schichtweise Zerteilung und Mikrostruktu­ rierung der Strömung bei der Energiezufuhr und der Wir­ belbildung erhöht sich die Wirksamkeit und der Wirkungs­ grad des Wirbelrohrs. Es treten keine Pulsationen, Vi­ brationen oder Resonanzen auf und die Geräuschentwicklung des Betriebs bleibt gering. Durch die mehreren Regelmög­ lichkeiten kann der Betrieb optimal an die Einsatzbedin­ gungen angepaßt werden.By the described energy supply into the flow with of the integrated in the construction of the vortex tube Rotor and the layering and microstructure the flow of energy and the we Belbildung increases the effectiveness and effectiveness  degree of the vortex tube. There are no pulsations, Vi vibrations or resonances and the noise operation remains low. Due to the multiple rules The operation can optimally match the application conditions conditions are adjusted.

Claims (13)

1. Wirbelrohr mit einem Zufuhrstutzen (20), einem Wirbel­ erzeuger (1) und einem einen Wirbelkanal bildenden Heiß­ stromrohr (21), das wenigstens einen Heißstrom-Austritts­ stutzen aufweist und mit einer im Heißstromrohr (16) angeordneten Ab­ sperr- und Regelvorrichtung (29),
dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelerzeuger (1) ein von zwei Deckplatten (4, 5) begrenztes Plattenpaket (2) darstellt, in dem Strömungsleitplatten (13) und Trenn­ platten (12) abwechselnd aufeinanderfolgen,
wobei die Strömungsleitplatten (22) einen Konturaus­ schnitt aufweisen, in dem ein Spiralauslaufabschnitt (17), ein Konfusorabschnitt (19) und ein Spiraleinlauf­ abschnitt (18) aufeinanderfolgen
und die Trennplatten 12 eine Eintrittskanalöffnung (14) und eine Wirbelkanalöffnung (15) derart aufweisen, daß die Spiralauslaufabschnitte (17) und die Eintrittskanal­ öffnungen (14) übereinanderliegen und eine Rotorkammer (38) bilden, in die eine Eintrittsöffnung (6) in einer der Deckplatten (4) mündet,
und der von dem Spiraleinlaufabschnitt (18) und den Wir­ belkanalöffnungen (15) gebildete Raum eine Wirbelkammer (3) mit einer Wirbelachse (7) bildete die über eine Heißstrom- Austrittsöffnung (8) in einer der Deckplatten (4) mit dem Heißstromrohr (21) in Verbindung steht, des­ sen Achse mit der Wirbelachse (7) zusammenfällt,
wobei in der Rotorkammer (38) ein angetriebener Radial­ gebläserotor (39) angeordnet ist, der aufgebaut ist aus Schaufelkränzen (46), deren Anzahl der Anzahl der Strö­ mungsleitplatten (13) entspricht, und zwischen diesen liegenden Trennringscheiben (47), deren Anzahl der Anzahl der Trennplatten (12) entspricht, wobei die Schaufelkrän­ ze (46) und die Strömungsleitplatten (13) sowie die Trennringscheiben (47) und die Trennplatten (12) jeweils auf gleicher Höhe liegen.1. vortex tube with a supply nozzle ( 20 ), a vortex generator ( 1 ) and a vortex duct forming a hot flow tube ( 21 ), which has at least one hot flow outlet and with a arranged in the hot flow tube ( 16 ) from locking and control device ( 29 ),
characterized in that the vortex generators (1) represents one of two cover plates (4, 5) bounded plate package (2), records in the Strömungsleitplatten (13) and separator (12) follow one another alternately,
wherein the flow guide plates ( 22 ) have a Konturaus section, in which a spiral outlet section ( 17 ), a confuser section ( 19 ) and a spiral inlet section ( 18 ) follow one another
and the partition plates 12 have an inlet passage opening (14) and a swirl channel opening (15) such that the spiral outlet portions (17) and the inlet channel openings are superposed (14) and a rotor chamber (38) form, in which an inlet opening (6) in a Cover plates ( 4 ) opens,
and the space formed by the spiral inlet section ( 18 ) and the whirl channel openings ( 15 ) forms a swirl chamber ( 3 ) with a swirl axis ( 7 ) via a hot flow outlet opening ( 8 ) in one of the cover plates ( 4 ) with the hot flow pipe ( 21 ) is connected, whose axis coincides with the swirl axis ( 7 ),
wherein in the rotor chamber ( 38 ) a driven radial blower rotor ( 39 ) is arranged, which is constructed from blade rings ( 46 ), the number of which corresponds to the number of flow guide plates ( 13 ), and separating ring disks ( 47 ), the number of which lie between them The number of separating plates ( 12 ) corresponds, the vane rings ( 46 ) and the flow guide plates ( 13 ) as well as the separating ring disks ( 47 ) and the separating plates ( 12 ) each being at the same height. 2. Wirbelrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schaufelkränze (46) gleich der Dicke der Strömungsleitplatten (13) ist und die Dicke der Trennringscheiben (47) gleich der Dicke der Trennplatten (12) ist.2. Vortex tube according to claim 1, characterized in that the thickness of the blade rings ( 46 ) is equal to the thickness of the flow guide plates ( 13 ) and the thickness of the separating ring disks ( 47 ) is equal to the thickness of the separating plates ( 12 ). 3. Wirbelrohr nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Rotorbasisscheibe (40) des Rotors (39), auf der die Schaufelkränze (46) und die Trennringscheiben (47) abwechselnd angeordnet sind und von der ein zentra­ ler Umströmungskörper (45) aufragt, der zwischen sich und den Innenrändern der Trennringscheiben (47) sowie den Eintrittskanten (49) der Schaufeln (50) der Schaufelkrän­ ze (46) einen Eintritts-Ringspalt (51) bildet.3. Vortex tube according to claim 1 or 2, characterized by a rotor base disc ( 40 ) of the rotor ( 39 ) on which the blade rings ( 46 ) and the separating ring discs ( 47 ) are arranged alternately and from which a central flow body ( 45 ) rises, which forms an entry annular gap ( 51 ) between itself and the inner edges of the separating ring disks ( 47 ) and the entry edges ( 49 ) of the blades ( 50 ) of the blade rings ( 46 ). 4. Wirbelrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den Schaufeln (50) der Schaufelkränze (46) gebildete Kanal einen Diffusor-Konfusor-Verlauf aufweist.4. Vortex tube according to one of claims 1 to 3, characterized in that the channel formed between the blades ( 50 ) of the blade rings ( 46 ) has a diffuser-confuser profile. 5. Wirbelrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (50) jedes Schaufelkranzes (46) gegenüber den Schaufeln der anderen Schaufelkränze in Umfangsrichtung versetzt sind, und zwar um einen Versetzungswinkel von
mit n1 - Anzahl der Schaufeln eines Schaufelkranzes und n2 - Anzahl der Schaufelkränze. 5. Vortex tube according to one of the preceding claims, characterized in that the blades ( 50 ) of each blade ring ( 46 ) are offset in relation to the blades of the other blade rings in the circumferential direction, namely by an offset angle of
with n 1 - number of blades of a blade ring and n 2 - number of blade rings. 6. Wirbelrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufuhrstutzen (20) des Arbeitsfluids über eine sich düsenartig veren­ gende Eintrittsöffnung (6) in den Eintritt-Ringspalt (51) mündet.6. Vortex tube according to one of the preceding claims, characterized in that the feed connector ( 20 ) of the working fluid via a nozzle-like constricting inlet opening ( 6 ) opens into the inlet annular gap ( 51 ). 7. Wirbelrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (39) aus Schaufelkränzen (46) und Trennringscheiben (47) einstüc­ kig und aus einem Werkstoff niedriger Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist.7. Vortex tube according to one of the preceding claims, characterized in that the rotor ( 39 ) from vane rings ( 46 ) and separating ring disks ( 47 ) is made in one piece and is made of a material with low thermal conductivity. 8. Wirbelrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsweg­ berandung (16) der Strömungsleitplatten (13) auf dem Spi­ ralauslaufabschnitt (17) tangential von den Eintritts­ kanalöffnungen (14) der Trennplatten (12) mit etwa deren Radius entsprechendem Krümmungsradius ausgeht und auf dem Spiraleinlaufabschnitt (18) tangential an die von den Wirbelkanalöffnungen (15) definierte Wirbelkammer (3) mit etwa deren Radius entsprechendem Krümmungsradius endet.8. vortex tube according to one of the preceding claims, characterized in that the flow path boundary ( 16 ) of the flow guide plates ( 13 ) on the Spi ralauslaufabschnitt ( 17 ) tangentially from the inlet channel openings ( 14 ) of the partition plates ( 12 ) with approximately their radius corresponding radius of curvature starts and ends tangentially to the spiral run-in section (18) to the plane defined by the vertebral canal openings (15) swirl chamber (3) having approximately the radius of the corresponding radius of curvature. 9. Wirbelrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Heißstromrohr (21) gleichmäßig auf dem Umfang verteilte Längsschlitze (28) aufweist und mit Abstand umgeben ist von einem Man­ telrohr (22), wobei in dem durch den Abstand gebildeten Ringspalt (26) dünne Rippen (27) in Radialrichtung an­ geordnet sind und der Heißstrom-Austrittsstutzen (25) an das untere Ende des Mantelrohrs (22) angeschlossen ist.9. vortex tube according to one of the preceding claims, characterized in that the hot-flow tube ( 21 ) evenly distributed on the circumference longitudinal slots ( 28 ) and is surrounded by a distance from a man telrohr ( 22 ), wherein in the annular gap formed by the distance ( 26 ) thin ribs ( 27 ) are arranged in the radial direction and the hot flow outlet connection ( 25 ) is connected to the lower end of the casing tube ( 22 ). 10. Wirbelrohr nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (22) von einem Deckel (23) abgeschlos­ sen ist und in diesem eine Absperr- und Regelvorrichtung (29) eingebaut ist, welche einen den lichten Querschnitt des Heißstrom-Schlitzrohrs (21) überdeckenden und in die­ ses einschiebbaren Einstellkolben (30) aufweist. 10. Vortex tube according to claim 9, characterized in that the jacket tube ( 22 ) from a cover ( 23 ) is ruled out and in this a shut-off and control device ( 29 ) is installed, which has a clear cross section of the hot-flow slot tube ( 21st ) overlapping and insertable into this ses adjusting piston ( 30 ). 11. Wirbelrohr nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an das obere Ende des Heißstrom-Schlitz­ rohrs (21) ein Heißstrom-Zusatzstutzen (24) angeschlossen ist, welcher den Ringspaltraum (26) und das Mantelrohr (22) durchquert.11. Vortex tube according to claim 9 or 10, characterized in that at the upper end of the hot-flow slot tube ( 21 ) a hot-flow additional connector ( 24 ) is connected, which passes through the annular gap ( 26 ) and the jacket tube ( 22 ). 12. Wirbelrohr nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsschlitze (28) und die Rippen (27) des Heiß­ strom-Schlitzrohrs (21) von gleicher Länge sind und ihr oberes Ende etwa in Höhe der unteren Mantellinie des Heißstrom-Zusatzstutzens (24) und ihr unteres Ende etwa in Höhe der Achse des Heißstrom-Austrittsstutzens (25) liegt.12. Vortex tube according to claim 11, characterized in that the longitudinal slots ( 28 ) and the ribs ( 27 ) of the hot-flow slot tube ( 21 ) are of the same length and their upper end approximately at the level of the lower surface line of the hot-flow additional connector ( 24 ) and its lower end lies approximately at the level of the axis of the hot flow outlet connection ( 25 ). 13. Wirbelrohr nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der der Heißstrom-Austrittsöffnung (8) gegenüberliegenden Deck­ platte (5) konzentrisch zur Wirbelachse (9) eine Blenden­ öffnung (11) vorhanden ist, an die ein Austrittsstutzen (36) für einen Kaltstrom angeschlossen ist.13. Vortex tube according to one of the preceding claims, characterized in that in the hot-stream outlet opening ( 8 ) opposite cover plate ( 5 ) concentrically to the vortex axis ( 9 ) there is an aperture ( 11 ) to which an outlet connection ( 36 ) is connected for a cold current.
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DE102006006161A1 (en) * 2006-02-10 2007-08-16 Juri Steinhauer Device for producing cavitations in fluids by heating up has two chambers, and fluid arrives into chamber of impeller by feed pump

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