Gasbetriebenes Gerat des persönlichen Bedarfs Gas powered device for personal use
Die Erfindung betrifft ein gasbetriebenes Gerät des persönlichen Bedarfs nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Ein derartiges Gerät ist bereits aus der US-PS 4 539 974 bekannt. Der bekannte Lockenstab weist eine katalytisch wirkende Heizeinrichtung auf, in der das aus einem Tank oder einer Kartusche austretende Gas oxidiert wird. Die dabei entstehende Wärme dient zur Aufheizung eines Rohrs, auf welches das zu wellende Haare gewickelt wird. Vor dem Eintritt in den Katalysator durchströmt das Gas eine Düse mit einer einzigen Düsenbohrung und eine sich stromaufwärts an die Düse anschließende Zone, in der eine Durchmischung des gas¬ förmigen Brennstoffs mit Sauerstoff stattfindet.The invention relates to a gas-powered device for personal use according to the preamble of the main claim. Such a device is already known from US Pat. No. 4,539,974. The known curling iron has a catalytically active heating device in which the gas emerging from a tank or a cartridge is oxidized. The resulting heat is used to heat a tube on which the hair to be curled is wound. Before entering the catalyst, the gas flows through a nozzle with a single nozzle bore and into a zone adjoining the nozzle upstream, in which the gaseous fuel is mixed with oxygen.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen katalytisch beheizten Lockenstab beschränkt, sondern auf alle mit Gas betriebenen Ge¬ räte des persönlichen Bedarfs anwendbar, beispielsweise auch auf ein gasbetriebenes Haarpflegerät mit einer Beheizung durch offene Flammen. Auch bei gasbetriebenen Lötkolben, Bügeleisen, Haar¬ trocknern, Warmluftbürsten oder anderen, eine Strahlpumpe bzw. Injektor aufweisenden Geräten ist die Erfindung vorteilhaft einsetzbar. Im Grunde handelt es sich um die Verbesserung einer Strahlpumpe für insbesondere gasförmige Medien, die auch bei geringen Durchflußraten betrieben wird.However, the invention is not limited to a catalytically heated curling iron, but can be used for all gas-operated devices for personal use, for example also for a gas-operated hair care device with heating by open flames. The invention can also be used advantageously in the case of gas-operated soldering irons, irons, hair dryers, warm air brushes or other devices having a jet pump or injector. Basically, it is an improvement of a jet pump for gaseous media in particular, which is also operated at low flow rates.
Für alle gasbetriebenen Geräte ist zur Gewährleistung eines optimalen Verbrennungsvorgangs zu fordern, daß das Verhältnis der Gas- bzw. Luftanteile im Luftgasgemisch in etwa ein stδchiometri- sches Verhältnis ist. Kommt beispielweise als Brennstoff Isobutan zur Anwendung, so liegt ein stöchio etrisches Verhältnis zwischen Luftanteilen und Gasanteilen dann vor, wenn auf einen Volumenan¬ teil gasförmigen Isobutans ca. 31 Volumenanteile Luft kommen.
Durch eine geeignete Bemessung insbesondere des Durchmessers einer Bohrung der Gaszumeßdüse und der Anpassung der an die Gas¬ zumeßdüse anschließenden Mischzone - beispielsweise in Form eines Venturirohres geeigneten Durchmessers - kann ein bestimmtes Mischverhältnis für festgelegte Gasdurchflußraten durchaus einge¬ stellt werden. In der Regel werden diese Geräte des persönlichen Bedarfs jedoch nicht mit einer konstanten, festgelegten Gasdurch¬ flußrate betrieben, diese variiert in Abhängigkeit von einer bei¬ spielsweise durch eine Temperaturregelung kontrollierten Ein¬ stellung danach, ob der Benutzer dem Gerät eine geringe oder eine große Wärmemenge entzieht. Um die Temperatur des Geräts konstant zu halten, muß dann natürlich auch die Gasdurchflußrate durch die Zumeßduse variiert werden.To ensure an optimal combustion process for all gas-operated devices, it must be required that the ratio of the gas and air fractions in the air-gas mixture is approximately a stoichiometric ratio. If, for example, isobutane is used as fuel, there is a stoichiometric ratio between air fractions and gas fractions when about 31 volume fractions of air are added to a volume fraction of gaseous isobutane. By means of a suitable dimensioning, in particular of the diameter of a bore in the gas metering nozzle and the adaptation of the mixing zone adjoining the gas metering nozzle - for example in the form of a diameter of a suitable Venturi tube - a certain mixing ratio can be set for fixed gas flow rates. As a rule, however, these devices for personal use are not operated with a constant, fixed gas flow rate, this varies depending on a setting controlled, for example, by a temperature control, depending on whether the user gives the device a small or a large amount of heat deprives. In order to keep the temperature of the device constant, the gas flow rate through the metering nozzle must of course also be varied.
Im großen und ganzen haben sich die eingangs beschriebenen gas¬ betriebenen Geräte des persönlichen Bedarfs in der Praxis recht gut bewährt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß das Mischungsver¬ hältnis des Gasluftgemisches bei den beschriebenen, herkömmlichen Strahlpumpen in gasbetriebenen Geräten eine starke Abhängigkeit von der absoluten Gasdurchflußrate durch die Düse aufweist. Durch theoretische wie auch experimentelle Untersuchungen konnte ge¬ zeigt werden, daß diese Abhängigkeit des Mischungsverhältnisses von der absoluten Gasdurchflußrate auf eine Änderung der strö¬ mungsdynamischen Eigenschaften des aus der Zumeßduse austretenden Gasstrahls zurückzuführen ist. Eine nicht erwünschte Änderung des Mischungsverhältnisses tritt insbesondere bei einer Abnahme des Gasdurchflusses auf kleine Werte in der Größenordnung 20 - 50 mg/min und weniger (Düsendurchmesser ca.50/tm - lOO m) auf.On the whole, the gas-operated devices of personal need described at the outset have proven themselves quite well in practice. However, it has been shown that the mixing ratio of the gas-air mixture in the conventional jet pumps described in gas-operated devices has a strong dependence on the absolute gas flow rate through the nozzle. It could be shown by theoretical as well as experimental investigations that this dependency of the mixing ratio on the absolute gas flow rate is due to a change in the flow dynamic properties of the gas jet emerging from the metering nozzle. An undesired change in the mixing ratio occurs in particular when the gas flow decreases to small values in the order of 20-50 mg / min and less (nozzle diameter approx. 50 / tm-100 m).
Eine Lösung dieses Problems, nämlich über den gesamten Varia¬ tionsbereich der Gasdurchflußraten, also auch bei sehr kleinen Gasdurchflußmengen ein annähernd konstantes, nahezu stöchio- metrisches, einstellbares Gasluftgemisch zu gewährleisten, ist
dem bekannten Stand der Technik bezüglich gasbetriebener Geräte des persönlichen Bedarfs nicht zu entnehmen. Alle dort beschrie¬ benen Geräte arbeiten, soweit ersichtlich, mit herkömmlichen Ein¬ iochdüsen.One solution to this problem, namely to ensure an approximately constant, almost stoichiometric, adjustable gas / air mixture over the entire variation range of the gas flow rates, that is to say even with very small gas flow rates not to be found in the known state of the art with regard to gas-operated devices for personal use. All devices described there work, as far as can be seen, with conventional single-jet nozzles.
Auf dem Gebiet der Erfindung gibt es, soweit ersichtlich, keine Erfahrungen, die in der öffentlich zugänglichen Literatur be¬ schrieben werden. Die Erfahrungen mit Strahlpumpen beziehen sich ausnahmslos auf Massendurchsätze, und damit Reynolds-Zahlen, die um Größenordnungen oberhalb des hier interessierenden Bereiches liegen. Auch in der Monographie "Injection and Mixing in Turbulent Flow". von J. A. Schetz findet man keine Angaben über die Pumpwirkung bei derart niedrigen Reynolds-Zahlen.As far as can be seen, there is no experience in the field of the invention that is described in the publicly available literature. The experiences with jet pumps relate without exception to mass flow rates, and thus Reynolds numbers, which are orders of magnitude above the range of interest here. Also in the monograph "Injection and Mixing in Turbulent Flow". from J. A. Schetz there is no information about the pumping effect at such low Reynolds numbers.
Aber auch der weiter abliegende Stand der Technik bezüglich Strahlpumpen und ähnlichem offenbart keine brauchbaren Lösungen. Die FR-PS 14 10 801 beschäftigt sich mit dem Problem, Wasser¬ strahlpumpen von beträchtlichen Ausmaßen in ihrer Effektivität zu verbessern. Der Grundgedanke besteht darin, die StrahlOberfläche des Pumpstrahls dadurch zu vergrößern, daß statt eines Pump¬ strahls mehrere Pumpstrahlen mit geringerem Durchmesser einge¬ setzt werden. Beispielsweise werden statt eines Strahls von 20 mm Durchmesser 10 Strahlen von 6 mm Durchmesser verwendet, wodurch bei etwa gleicher Wassermenge eine dreifache Oberfläche der Pump¬ strahlen und eine entsprechende Leistungserhδhung erreicht werden soll. Zusätzlich können die unterschiedlichen Strahlen unter ent¬ sprechend festgelegten Winkeln ausgerichtet werden, so daß dem aus den Einzelstrahlen bestehenden Gesamtstrahl eine Rotationsbe¬ wegung aufgezwungen wird. Allerdings sollen sich die Einzel-
strahlen dieser Anordnung nicht beeinflussen, die Durchgangs¬ bohrungen der Düse sind gerade so angelegt, daß die Einzelstrah¬ len nicht miteinander in Wechselwirkung treten. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, daß diese Anordnung gerade bei sehr geringen Durchflußraten ungeeignet ist.However, the more distant prior art relating to jet pumps and the like also does not disclose any useful solutions. FR-PS 14 10 801 deals with the problem of improving the effectiveness of water jet pumps of considerable dimensions. The basic idea is to increase the jet surface of the pump jet by using several pump jets with a smaller diameter instead of one pump jet. For example, instead of one jet of 20 mm in diameter, 10 jets of 6 mm in diameter are used, as a result of which a threefold surface of the pump jets and a corresponding increase in output should be achieved with approximately the same amount of water. In addition, the different beams can be aligned at correspondingly defined angles, so that a rotational movement is forced on the overall beam consisting of the individual beams. However, the individual do not influence the rays of this arrangement, the through bores of the nozzle are designed so that the individual jets do not interact with one another. Experimental investigations have shown that this arrangement is unsuitable especially at very low flow rates.
Auf ähnlichen Überlegungen basiert der Gegenstand der GB-PS 875610, der eine Mehrkanaldüse offenbart, deren Einzelstrahlen derart angeordnet sind, daß sie annähernd auf einem einschaligen Hyperboloid zu liegen kommen. Es wird in dieser Schrift ausdrück¬ lich darauf hingewiesen, daß durch eine derartige Anordnung der Einzelstrahlen jegliche Interferenz bzw. Wechselwirkung der Ein¬ zelstrahlen vermieden werden soll.The subject of GB-PS 875610 is based on similar considerations, which discloses a multi-channel nozzle, the individual jets of which are arranged in such a way that they come to lie approximately on a single-shell hyperboloid. It is expressly pointed out in this document that any interference or interaction of the individual beams is to be avoided by such an arrangement of the individual beams.
Die DE-PS 496 640 offenbart eine Ringdüse zum Einblasen von Gas in das Fördergut einer Fördereinrichtung, bei der die einzelnen Gaslöcher in den einzelnen Teilen der Düse verschiedene Neigungen zur Düsenachse besitzen. Ein Hinweis darauf, daß sich die ein¬ zelnen Teilstrahlen in irgendeiner Weise beeinflussen, ist dieser Schrift nicht zu entnehmen. Die DE-PS 916 748 betrifft eine För¬ derpumpe zur Förderung von Flüssigkeiten, die mit Feststoffen vermengt sind. Es sind eine Mehrzahl von Treibdüsen vorgesehen, die ebenfalls eine Neigung bezüglich der Mittelachse der Fangdüse aufweisen. Hierdurch sollen Reibungsverluste vermieden werden, welche der Treibstrahl ansonsten an der Wand der Fangdüse er¬ fährt, da der Treibstrahl das zu fördernde Medium ringförmig um¬ gibt. Eine Wechselwirkung der Strahlen der einzelnen Treibdüsen miteinander ist dieser Schrift nicht zu entnehmen.DE-PS 496 640 discloses an annular nozzle for blowing gas into the conveyed material of a conveyor, in which the individual gas holes in the individual parts of the nozzle have different inclinations to the nozzle axis. This document does not indicate that the individual partial beams influence each other in any way. DE-PS 916 748 relates to a feed pump for delivering liquids which are mixed with solids. A plurality of driving nozzles are provided, which likewise have an inclination with respect to the central axis of the catching nozzle. This is intended to avoid frictional losses which the driving jet otherwise experiences on the wall of the collecting nozzle, since the driving jet surrounds the medium to be conveyed in a ring. An interaction of the rays of the individual driving nozzles with one another is not apparent from this document.
Aus der GB-PS 15 69 736 ist eine Vorrichtung zum Schneiden oder Reinigen mittels eines Wasserstrahls bekannt, wozu dem Wasser¬ strahl ein Schleifmittel beigefügt wird. Das Schleifmittel wird bevorzugt durch drei, oberhalb der Wasserstrahldüsen angeordnete
Einlasse zugemessen. In einer Ausführungsform wird der Wasser¬ strahl durch drei , gegenüber den Schleifmitteleinlässen um 60° versetzte Düsen erzeugt. Die Kanal achsen sind derart ausgerich¬ tet, daß sie die Achsen der Schleifmitteleinlässe schneiden. Hierdurch erhäl t der Wasserstrahl eine Dral l - bzw. Rotations¬ komponente, so daß gesonderte Mittel zur Verhinderung von Drehbewegungen des Düsenträgers vorzusehen sind. DieseFrom GB-PS 15 69 736 a device for cutting or cleaning by means of a water jet is known, for which purpose an abrasive is added to the water jet. The abrasive is preferably provided by three above the water jet nozzles Inlet metered. In one embodiment, the water jet is generated by three nozzles offset by 60 ° with respect to the abrasive agent inlets. The channel axes are aligned such that they intersect the axes of the abrasive inlets. As a result, the water jet receives a twist or rotation component, so that separate means for preventing rotary movements of the nozzle carrier are to be provided. This
Vorrichtung arbeitet bei sehr großen Reynolds-Zahlen im BereichDevice works at very large Reynolds numbers in the range
5 RE ^ IO , in dem auf jeden Fall eine turbulente Strömung vorl iegt.5 RE ^ IO, in which there is definitely a turbulent flow.
Auch die Förderpumpen der deutschen Patentanmeldungen M 19576 Ia/59c und DE-OS 24 24 054 weisen Treibdüsen auf, deren Düsen¬ achsen einen spitzen Winkel mit der Achse der Fangdüse bilden. Diese Pumpen dienen ebenfalls zur Förderung von Feststoffen und sind dazu ausgelegt, die Stoßverluste an den Wandungen der Rand¬ düse vor allem deshalb zu minimieren, weil das zu fördernde Medium wiederum vom Treibstrahl ringförmig umfaßt wird. Insbe¬ sondere münden die Treibdüsen in taschenfδrmigen Ausbuchtungen des Treibdüsenträgers, wodurch die Forderungen nach einer aus¬ reichenden Weite des Düsenträgers und einer ausreichenden Vor¬ geschwindigkeit des Förderguts erfüllt werden sollen. Eine gegen¬ seitige Beeinflussung der einzelnen Düsenstrahlen der Treibdüsen ist in diesen Schriften nicht angesprochen.The feed pumps of German patent applications M 19576 Ia / 59c and DE-OS 24 24 054 also have driving nozzles, the nozzle axes of which form an acute angle with the axis of the collecting nozzle. These pumps also serve to convey solids and are designed to minimize the impact losses on the walls of the edge nozzle primarily because the medium to be conveyed is in turn surrounded by the propellant jet in a ring. In particular, the driving nozzles open into pocket-shaped bulges of the driving nozzle carrier, as a result of which the requirements for a sufficient width of the nozzle carrier and a sufficient forward speed of the conveyed material are to be met. Mutual influencing of the individual nozzle jets of the driving nozzles is not addressed in these documents.
Schließlich offenbart die US-PS 36 94 107 eine Fδrderpumpe mit einem ersten Treibstrahl und einer ersten Mischkammer, an deren Ende zusätzliche Treibstrahldüsen angeordnet sind, um Turbulenzen zu vermindern. Diese Treibstrahldüsen werden mit einem höheren Druck beaufschlagt als die erste Düse. Damit soll bewirkt werden, daß die erste Düse das zu fördernde Fluid ansaugt und die zusätzlichen, mit höherem Druck beaufschlagten Düsen für eine Kompression sorgen. Hierdurch können die Parameter jeder einzelnen Düse entsprechend den spezifischen Erfordernissen unabhängig von denen anderer Düsen eingestellt und jede der Einzeldüsen unter anderen Betriebsbedingungen als die anderenFinally, US Pat. No. 3,694,107 discloses a feed pump with a first drive jet and a first mixing chamber, at the end of which additional drive jet nozzles are arranged in order to reduce turbulence. These propulsion jet nozzles are subjected to a higher pressure than the first nozzle. This is intended to ensure that the first nozzle sucks in the fluid to be conveyed and the additional nozzles, which are subjected to higher pressure, ensure compression. As a result, the parameters of each individual nozzle can be set independently of those of other nozzles according to the specific requirements, and each of the individual nozzles under different operating conditions than the others
Düsen betrieben werden.
Alle Weiterbildungen der oben angegebenen Art dienen entweder da¬ zu, Reibungsverluste zu minimieren bzw. die Effektivität der Strahlpumpen zu erhöhen. Auf die Einhaltung eines bestimmten Mischungsverhältnisses zwischen Treibstrahl und Fördermedium kommt es hierbei nicht an.Nozzles are operated. All developments of the type specified above either serve to minimize friction losses or to increase the effectiveness of the jet pumps. It is not important to maintain a certain mixing ratio between the jet and the fluid.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Gerät der eingangs genannten Art bzw. die in diesen Geräten eingesetz¬ ten Strahlpumpen derart weiterzubilden, daß ein über weite, in der Praxis erforderliche Variationsbereiche der Gasdurchflußrate wenigstens annähernd konstantes Mischungsverhältnis zwischen dem Gas und der Luft, insbesondere auch bei geringen Gasdurchflu߬ raten, gewährleistet und etwa im Bereich des stöchiometrisehen Mischungsverhältnisses einstellbar ist.In contrast, the invention is based on the object of developing a device of the type mentioned at the outset or the jet pumps used in these devices in such a way that an over wide, in practice required variation ranges of the gas flow rate at least approximately constant mixture ratio between the gas and the air, in particular even with low gas flow rates, guaranteed and adjustable in the range of the stoichiometric mixture ratio.
Diese Aufgabe wird durch ein gasbetriebenes Gerät nach den Merk¬ malen des Hauptanspruchs gelöst. Wie die Untersuchungen gezeigt haben, läßt sich bei einer erfindungsgemäßen Anordnung auch bei sehr geringen Gasdurchflußraten durch die Zwei- oder Mehrkanal- düse aufgrund der Wechselwirkung der einzelnen Strahlen miteinan¬ der ein Mischungsverhältnis von Gas zu Luft im geforderten Be¬ reich erzielen, welches über den in der Praxis erforderlichen Variationsbereich der Gasdurchflußrate annähernd konstant ist. Jedoch ist die Erfindung ganz allgemein auch auf jede Strahlpumpe übertragbar, die unter ähnlichen Bedingungen, d.h. insbesondere auch bei kleinen Durchflußraten bzw. Reynolds-Zahlen, betrieben werden soll.This object is achieved by a gas-operated device according to the features of the main claim. As the studies have shown, with an arrangement according to the invention, even with very low gas flow rates through the two- or multi-channel nozzle, a mixture ratio of gas to air in the required range can be achieved due to the interaction of the individual jets the range of variation of the gas flow rate required in practice is approximately constant. However, the invention is generally applicable to any jet pump operating under similar conditions, i.e. especially at low flow rates or Reynolds numbers.
Diese überraschende Wirkung läßt sich wie folgt erklären: Im Be¬ reich niedriger Gasdurchflußraten schlägt die Strömungscharak¬ teristik des Gasstrahls von einer turbulenten Strömungsform (bei hohen Gasdurchflußraten) in eine laminare Strömungsform um. Ein Maß für diesen Umschlagspunkt ist die Reynolds-Zahl, die für den
vorliegenden Fall kreisförmiger Austrittsöffnungen durch das Pro¬ dukt aus der mittleren Ausströmgeschwindigkeit und dem Durch¬ messer (bzw. hydraulischen Durchmesser für nichtkreisfδr ige Aus¬ trittsöffnungen) der Austrittsδffnung, dividiert durch die kine¬ matische Viskosität des Mediums, bestimmt wird. Im Falle sehr ge¬ ringer Gasdurchflußraten ergeben sich Werte der Reynolds-Zahl im Bereich von 400 und weniger, die unter den hier untersuchten Be¬ dingungen das Vorliegen eines laminaren Freistrahls charakteri¬ sieren. Für Werte der Reynolds-Zahl von etwa größer 1000 oder 1500 liegt praktisch immer ein turbulenter Freistrahl vor. Zwar kann für kleinere Reynolds-Zahlen im Bereich bis herab zu Re r- 50-100 der Freistrahl grundsätzlich auch turbulent werden, die Anfachung der immer vorhandenen Störungen des laminaren FreiStrahls ist jedoch so schwach, daß innerhalb der technisch brauchbaren Abmessungen der Vorrichtung, die im wesentlichen durch die Länge des Diffusors und den Abstand zwischen Diffusor und Düse bestimmt werden, kein Umschlag in die turbulente Stromungsform erfolgt. Zur Erreichung einer praktikablen Baugröße ist es erforderlich, auch in unmittelbarer Nähe der Düsenδffnung einen turbulenten Freistrahl bei kleinen Reynolds-Zahlen zu gewährleisten.This surprising effect can be explained as follows: In the range of low gas flow rates, the flow characteristics of the gas jet change from a turbulent flow form (at high gas flow rates) to a laminar flow form. A measure of this transition point is the Reynolds number, that for the In the present case, circular outlet openings are determined by the product of the mean outflow velocity and the diameter (or hydraulic diameter for non-circular outlet openings) of the outlet opening, divided by the kinetic viscosity of the medium. In the case of very low gas flow rates, values of the Reynolds number in the range of 400 and less are obtained, which characterize the presence of a laminar free jet under the conditions examined here. For values of the Reynolds number of approximately greater than 1000 or 1500 there is practically always a turbulent free jet. Although for smaller Reynolds numbers in the range down to Re r-50-100 the free jet can in principle also become turbulent, the accumulation of the disturbances of the laminar free jet which is always present is so weak that within the technically usable dimensions of the device, which in the are essentially determined by the length of the diffuser and the distance between the diffuser and nozzle, there is no change in the turbulent flow form. To achieve a practical size, it is necessary to ensure a turbulent free jet with small Reynolds numbers even in the immediate vicinity of the nozzle opening.
Eine laminare Strömung zeichnet sich im wesentlichen dadurch aus, daß in dem Fluidstrom praktisch keine zur Strahlrichtung senk¬ recht verlaufende Bahnbewegung einzelner Fluidpartikel auftritt. Im Gegensatz hierzu weisen die Fluidpartikel im Falle einer tur¬ bulenten Strömung durchaus erhebliche Geschwindigkeitskomponenten senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung auf, die zum einen be¬ wirken, daß innerhalb des Fluidstroms eine Durchmischung der ein¬ zelnen Fluidpartikel stattfindet und andererseits eine Durch¬ mischung dieses Fluidstrahls mit dem ihn umgebenen zweiten Medium gewährleistet ist.
Dadurch, daß anstelle eines einzigen Gasstrahls zwei Gasstrahlen erzeugt werden, die in der Weise ausgerichtet sind, daß sich die Einzelgasstrahlen im Bereich der Düsenaustrittsebene oder nach dem Austritt aus der Düse zumindest partiell schneiden, erfährt jeder der Einzel gasstrahlen durch den anderen Strahl eine Stö¬ rung, die die laminare Strömung der Einzel gasstrahlen nach dem Schneiden der Strahlen in eine turbulente Strömung umschlagen läßt. Zumindestens ab diesem Schnittpunkt liegt dann ein Frei¬ strahl vor, der das den Gasstrahl umgebende Fluid, nämlich Luft, zuverlässig mitreißt. Somit Ist, unabhängig von der Gasdurchflu߬ rate der Düse, selbst bei Reynolds-Zahlen im Bereich von 200, welche einen laminaren Frei strahl für herkömmliche Einkanaldüsen ergeben, bei der erfindungsgemäßen Anordnung für das Vorliegen einer turbulenten Strömung gesorgt.A laminar flow is essentially characterized in that practically no path movement of individual fluid particles perpendicular to the beam direction occurs in the fluid flow. In contrast to this, in the case of a turbulent flow, the fluid particles have quite considerable velocity components perpendicular to the direction of beam propagation, which on the one hand cause the individual fluid particles to be mixed within the fluid flow and on the other hand to mix this fluid jet with the surrounding second medium is guaranteed. Because, instead of a single gas jet, two gas jets are generated, which are oriented in such a way that the individual gas jets intersect at least partially in the area of the nozzle exit plane or after exiting the nozzle, each of the individual gas jets experiences an interference from the other jet tion that turns the laminar flow of the individual gas jets into a turbulent flow after the jets have been cut. At least from this point of intersection there is then a free jet which reliably entrains the fluid surrounding the gas jet, namely air. Thus, regardless of the gas flow rate of the nozzle, even with Reynolds numbers in the range of 200, which result in a laminar free jet for conventional single-channel nozzles, the arrangement according to the invention ensures a turbulent flow.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteran- spriϊchen in Verbindung mit der Beschreibung und zeichnerischen Darstellung der Ausführungsbeispiele.Further advantages of the invention emerge from the subclaims in connection with the description and graphic representation of the exemplary embodiments.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 einen gasbetriebenen Haarlockenstab,1 is a gas powered hair curling iron,
Fig. 2a eine herkömmliche Einkanaldüse,2a shows a conventional single-channel nozzle,
Fig. 2b eine erste Ausführungsform einer erfindungsge¬ mäßen Zwei analdüse im Längsschnitt und Drauf¬ sicht,2b shows a first embodiment of a two anal nozzle according to the invention in longitudinal section and plan view,
Fig. 2c eine zweite Ausführungsform einer erfindungsge¬ mäßen Zweikanaldüse im Längsschnitt,2c shows a second embodiment of a two-channel nozzle according to the invention in longitudinal section,
Fig. 3 a, b in einem Experiment erzeugte Freistrahlen mit den Düsen der Fig. 2a, b und
Fig. 4 a, b, c, d experimentell erzeugte Freistrahlen mit der3 a, b free jets generated in an experiment with the nozzles of FIGS. 2a, b and Fig. 4 a, b, c, d experimentally generated free rays with the
Düse der Fig. 2b, bei der der Para enter b (Normalabstand) variiert wurde.Nozzle of Fig. 2b, in which the Para enter b (normal distance) was varied.
Der Haarlockenstab nach Fig. 1 besteht aus einem Rohr 1, einem mit dem Rohr 1 verbundenen Griffteil 2, welches einen Brennstofftank aufweist und mit Brenngas 3 gefüllt ist. Mit der Bezugsziffer 4 ist eine Zündvorrichtung zur Einleitung des Verbrennungsvorganges In einem Brennraum 5 bezeichnet. Innerhalb des Rohres 1 wird ein Brenner von Federwindungen 7, 8 einer Spiralfeder 45 gehalten. In dem Brennraum 5 ist ein Brennerrohr 42 angeordnet. Der Brenner be¬ steht aus einem zwischen der Spiralfeder 45 liegenden Katalysator 43, der von einer Innenfeder 44 gehalten ist. In das Brennerrohr 42 gelangt das zu verbrennende Gas-Luft-Gemisch über ein Mischrohr 111, in dem das aus einem Ventilglied 13 austretende Gas eintritt und sich mit der Umgebungsluft mischt. Das Ventilglied 13 wird von einem in der Zeichnung nicht dargestellten Temperaturregler derart beaufschlagt, daß die aus dem Ventilglied 13 austretende Gasmenge zur Einhaltung eines vorbestimmten Temperatur-Sollwertes ent¬ sprechend zugemessen wird. Weitere Einzelheiten dieses Haarwell¬ gerätes sind beispielsweise der EP-Bl 0030257 zu entnehmen.1 consists of a tube 1, a handle part 2 connected to the tube 1, which has a fuel tank and is filled with fuel gas 3. Reference number 4 denotes an ignition device for initiating the combustion process in a combustion chamber 5. A burner is held within the tube 1 by spring windings 7, 8 of a spiral spring 45. A burner tube 42 is arranged in the combustion chamber 5. The burner consists of a catalyst 43 located between the spiral spring 45 and held by an inner spring 44. The gas-air mixture to be burned enters the burner tube 42 via a mixing tube 111, into which the gas emerging from a valve member 13 enters and mixes with the ambient air. The valve member 13 is acted upon by a temperature controller, not shown in the drawing, in such a way that the amount of gas emerging from the valve member 13 is metered accordingly in order to maintain a predetermined temperature setpoint. Further details of this hair waving device can be found, for example, in EP-Bl 0030257.
Die bisher bekannten, gasbetriebenen Geräte des persönlichen Be¬ darfs weisen eine Zumeßduse auf, wie sie prinzipiell in der Fig. 2a dargestellt ist. Es handelt sich um eine Einkanaldüse 21, deren Austrittsδffnung 22 zentrisch zur Düsenmittelachse angeord¬ net ist. Wie bereits eingangs dargestellt, weisen derartige Düsen (Durchmesser d. etwa 50-70/on) insbesondere bei kleinen Gas¬ durchflußraten (50 mg/min und weniger) die Eigenschaft auf, daß das Mischungsverhältnis zwischen Gas und Luft, wie es sich nach dem Durchlaufen des Mischrohrs 111 im Brennraum 5 einstellt, von dem für hohe Gasdurchflußraten eingestellten, optimalen Wert in der Nähe von \ , - 1 (dem stöchiometrisehen Verhältnis) erheblich in Richtung eines sauerstoffarmen Mischungsverhältnisses abweicht.
In Fig. 2b ist eine erste erfindungsgemäße Lösung dargestellt. Der Gasstrom 23 tritt durch zwei Düsenöffnungen 27, 28 der Kanäle 35, 36 der Mehrkanaldüse 29 aus, deren Achsen miteinander einen Winkel ZQCeinschließen, so daß sich diese im Punkt 24 schneiden. Dieser Punkt 24 liegt stromabwärts der Düsenaustrittsebene 26 im Frei¬ strahlbereich, zumindest ab diesem Punkt 24 entsteht ein Frei¬ strahl, der die mit dem Pfeil 25 bezeichnete, den Gasstrahl um¬ gebende Luft zuverlässig in das Mischrohr 111 mitreißt. Unter¬ suchungen haben gezeigt, daß der Schnittwinkel 2o{der Kanalachsen bevorzugt auf Werte 10° = 2θ ='50° einzustellen ist. Erfolgreiche Versuche wurden insbesondere durchgeführt mit Werten von 2o = 20°, 40°. Der Abstand a der Kanalachsen, gemessen in der Düsenaustrittsebene 26, wird bevorzugt auf Werte in der Größenord¬ nung eines Kanaldurchmessers d. begrenzt, wie experimente le Untersuchungen zeigen. Der bevorzugte Bereich wird durch die Be¬ dingung d. = a - 5d. festgelegt.The previously known, gas-operated devices for personal use have a metering nozzle, as is shown in principle in FIG. 2a. It is a single-channel nozzle 21, the outlet opening 22 of which is arranged centrally to the central axis of the nozzle. As already mentioned at the beginning, such nozzles (diameter about 50-70 / on), especially at low gas flow rates (50 mg / min and less), have the property that the mixing ratio between gas and air, as is the case with the Passing through the mixing tube 111 in the combustion chamber 5, from which the optimum value set for high gas flow rates in the vicinity of 1 - 1 (the stoichiometric ratio) deviates considerably in the direction of a low-oxygen mixing ratio. 2b shows a first solution according to the invention. The gas stream 23 exits through two nozzle openings 27, 28 of the channels 35, 36 of the multi-channel nozzle 29, the axes of which form an angle ZQC with one another, so that these intersect at point 24. This point 24 is located downstream of the nozzle exit plane 26 in the free jet region, at least from this point 24 a free jet is created which reliably entrains the air surrounding the gas jet indicated by arrow 25 into the mixing tube 111. Unter¬ investigations have shown that the angle of intersection of the channel axes 2o {preferably to values of 10 ° 2θ = = 'should be set 50 °. Successful tests were carried out in particular with values of 2o = 20 °, 40 °. The distance a between the channel axes, measured in the nozzle exit plane 26, is preferably set to values in the order of a channel diameter d. limited, as experimental studies show. The preferred range is determined by the condition d. = a - 5d. fixed.
In der Figur 2c ist eine weitere Ausführungsform zur Veran¬ schaulichung der Erfindung dargestellt. Die Düse nach Fig. 2c weist wiederum zwei Kanäle 35, 36 auf, deren Achsen einen Winkel 2 bilden. Allerdings schneiden sich die Achsen der Kanäle 35, 36 nicht erst stromabwärts der Düsenaustrittsebene 26, sondern in der Düsenaustrittsebene 26. Auf diese Weise wird eine Mehrkanaldüse mit nur einer einzigen Düsenöffnung 37 gebildet, deren Durchmesser d. in etwa dem Durchmesser der Kanäle 35, 36 entspricht. Über¬ raschenderweise zeigen die experimentellen Untersuchungen an die¬ ser Mehrkanal-Einlochdüse ähnlich gute Ergebnisse, wie sie sich für die in Fig. 2b dargestellte Düsenanordnung einer Mehrkanal- Zweilochdüse ergeben. Mit der in Fig. 2c dargestellten Anordnung der Kanäle 35, 36 kann somit der Variationsbereich für den Parame¬ ter a bis auf Wert a = 0 unter Beibehaltung eines turbulenten Freistrahls auch bei kleinen Reynolds-Zahlen ausgedehnt werden.
Selbstverständlich kann der Schnittpunkt 24 der Achsen der Kanäle 35, 36 auch um ein gewisses Maß in der Größenordnung etwa eines Kanaldurchmessers d. stromaufwärts (a nimmt negative Werte an) oder stromabwärts (a nimmt positive Werte an) der Düsenaustritts¬ ebene 26 liegen. Solche kleinen, unter anderem auch fertigungs¬ technisch bedingte Variationen in der Lage des Schnittpunktes 24 der Kanalachsen beeinträchtigen nicht das vorteilhafte Verhalten dieser Zweikanal-Einlochdüse. Letztlich ändert sich die Form der Düsenöffnung 37, die anstelle einer Kreisform auch die Gestalt einer Ellipse bzw. zweier sich in den Randbereichen schneidenden Kreise haben kann.A further embodiment for illustrating the invention is shown in FIG. 2c. The nozzle according to FIG. 2c again has two channels 35, 36, the axes of which form an angle 2. However, the axes of the channels 35, 36 do not intersect only downstream of the nozzle exit plane 26, but in the nozzle exit plane 26. In this way, a multichannel nozzle with only a single nozzle opening 37 is formed, the diameter of which is d. corresponds approximately to the diameter of the channels 35, 36. Surprisingly, the experimental investigations on this multi-channel single-hole nozzle show results which are similar to the results obtained for the nozzle arrangement of a multi-channel two-hole nozzle shown in FIG. 2b. With the arrangement of the channels 35, 36 shown in FIG. 2c, the range of variation for the parameter a can thus be extended to the value a = 0 while maintaining a turbulent free jet even with small Reynolds numbers. Of course, the intersection 24 of the axes of the channels 35, 36 can also be a certain amount in the order of approximately a channel diameter d. upstream (a takes on negative values) or downstream (a takes on positive values) of the nozzle outlet plane 26. Such small, among other things also production-related variations in the position of the intersection 24 of the channel axes do not impair the advantageous behavior of this two-channel single-hole nozzle. Ultimately, the shape of the nozzle opening 37 changes, which instead of a circular shape can also have the shape of an ellipse or two circles intersecting in the edge regions.
Wesentlich ist für alle Ausführungsbeispiele, daß die Düse wenig¬ stens zwei Kanäle aufweist, deren Achsen sich im Bereich der Düsenaustrittsebene schneiden, derart, daß lediglich eine Düsen¬ austrittsöffnung vorhanden ist oder sich in einem Abstand von einigen Kanaldurch essern d. stromabwärts der Düsenaustritts¬ ebene schneiden, so daß wenigstens zwei Düsenaustrittsöffnungen vorhanden sind. Die im folgenden beschriebenen Variationen anderer Parameter der Düse, nämlich der Parameter h, b Ist für jedes Aus¬ führunsbeispiel der Mehrkanaldüsen gültig, unabhängig davon, ob es sich um eine Mehrkanal-Einlochdüse oder Mehrkanal-Zweilochdüse handelt.It is essential for all of the exemplary embodiments that the nozzle has at least two channels, the axes of which intersect in the region of the nozzle exit plane, in such a way that only one nozzle outlet opening is present or that the diameter is a few channels apart. Cut downstream of the nozzle exit plane so that there are at least two nozzle outlet openings. The variations of other parameters of the nozzle described below, namely the parameter h, b, are valid for every embodiment of the multi-channel nozzle, regardless of whether it is a multi-channel single-hole nozzle or multi-channel two-hole nozzle.
Die mit h gekennzeichnete Länge der Düsenbohrungen bzw. Dicke der Düsenplatte nimmt bevorzugt Werte zwischen 2d^ ^r h 4 6d.. an. Vorteilhaft erweist sich Insbesondere eine Festlegung auf Werte von h ungefähr gleich 4d., bei denen ein guter Kompromiß zwischen ausreichender Impulskanalisierung des Fluidstrahls und der Vermeidung eines zu großen Reibungswiderstandes innerhalb der Düsenbohrungen vorliegt.The length of the nozzle bores marked with h or the thickness of the nozzle plate preferably takes on values between 2d ^ ^ r h 4 6d .. In particular, it has proven advantageous to set values of h approximately equal to 4d., In which there is a good compromise between sufficient impulse channeling of the fluid jet and the avoidance of excessive frictional resistance within the nozzle bores.
Der mit b bezeichnete Normalabstand der Achsen wird andererseits durch die Bedingung begrenzt, daß b kleiner oder etwa gleich der
Summe der Radien der beiden Düsenöffnungen 27, 28 bzw. Kanaldurch- messer sein sollte. Also gilt für den Fall gleicher Düsendurch¬ messer die Bedingung b = d.. Eine maximale Störung beider Düsen¬ strahlen im Schnittpunkt 24 ergibt sich natürlich dann, wenn b den Wert 0 annimmt. Geht man jedoch von in der Praxis vorkommenden Düsenδffnungsdurchmessern d^ ungefähr 50J H aus, so wird die letztgenannte Bedingung für b unter Umständen bezüglich der Spezi¬ fikation von Fertigungstoleranzen bedeutsam. Wie die experimentel¬ len Untersuchungen zeigen, Ist eine Abweichung des Wertes b von 0 um d./2 durchaus tolerierbar. Nimmt b Werte ungleich Null an, so tritt neben der Turbulenzeinleitung stromabwärts des Schnittpunkts 24 zusätzlich auch eine Verwirbelung der Strömung im Mischrohr 111 auf. Für die erfindungsgemäße Wirkung der Düse nach Fig. 2b kommt es jedoch nicht entscheidend auf diese Verwirbelung bei Werten b 40 an. Wesentlich ist, daß sich die aus der Düse austretenden Strahlen zumindestens in Teilbereichen ihrer Strahlquerschnitte schneiden und somit gegenseitig stören, das heißt miteinander Wechselwirken. Diese Wechselwirkung der einzelnen Düsenstrahlen miteinander ist offenbar verantwortlich für die guten Resultate, die mit derart gestalteten Düsen gewonnen werden konnten. Insofern sollten Werte b = 0 in der Praxis angestrebt werden, wenngleich dieses aus konstruktiven oder fertigungstechnischen Gründen nicht immer ideal erreichbar sein kann.The normal distance between the axes designated b is on the other hand limited by the condition that b is less than or approximately equal to that The sum of the radii of the two nozzle openings 27, 28 or channel diameter should be. For the case of the same nozzle diameter, the condition b = d applies. A maximum disturbance of both nozzle jets at the intersection 24 naturally occurs when b assumes the value 0. However, if one assumes in practice nozzle opening diameters d ^ about 50J H, the last-mentioned condition for b may become important with regard to the specification of manufacturing tolerances. As the experimental investigations show, a deviation of the value b from 0 by d./2 is entirely tolerable. If b takes on values not equal to zero, in addition to the turbulence introduction downstream of the intersection point 24, the flow in the mixing tube 111 also swirls. For the effect of the nozzle according to FIG. 2b according to the invention, however, this turbulence at values b 40 is not critical. It is essential that the jets emerging from the nozzle intersect at least in partial areas of their jet cross sections and thus interfere with one another, that is to say they interact with one another. This interaction of the individual nozzle jets with one another is apparently responsible for the good results that could be obtained with such designed nozzles. In this respect, values b = 0 should be aimed for in practice, although this cannot always be achieved ideally for design or manufacturing reasons.
Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele der Fig. 2b, c beschränkt, sondern kann verschiedentlich abgewandelt werden. So ist es möglich und unter Umständen sinnvoll, mehr als zwei Kanäle vorzusehen, z.B. um die AxialSymmetrie des Strahls zu verbessern, oder auch den Normalabstand der Achsen der Düsenbohrungen in kleinen Bereichen zu variieren. In dem Fall, daß zum Beispiel drei um 120° in der Düsenaustrittsebene 26 versetzte Düsenδffnungen vorgesehen sind, wird der Winkel o durch die Mittelachse der Düse 29 und jeweils eine Kanalachse definiert. Schließlich können die Kanäle auch verschiedene Durchmesser aufweisen und dadurch den Verlauf des Freistrahls beeinflussen. Dann ist in den oben ange-
gebenen Relationen statt des Durchmessers d. der mittlere Düsen¬ durchmesser d bzw. hydraulische Durchmesser der Einzeldurchmesser d^, d , ... dR einzusetzen.The invention is not limited to the exemplary embodiments of FIGS. 2b, c, but can be modified in various ways. So it is possible and possibly useful to provide more than two channels, for example to improve the axial symmetry of the jet or to vary the normal distance between the axes of the nozzle bores in small areas. In the event that, for example, three nozzle openings offset by 120 ° in the nozzle exit plane 26 are provided, the angle o is defined by the central axis of the nozzle 29 and in each case one channel axis. Finally, the channels can also have different diameters and thereby influence the course of the free jet. Then in the above given relations instead of the diameter d. to use the mean nozzle diameter d or hydraulic diameter of the individual diameters d ^, d, ... d R.
In Fig. 3a, b sind experimentell erzeugte Freistrahlen mit den Düsen der F1g. 2a, b dargestellt. Die Reynolds-Zahlen liegen bei Werten im Bereich von Re •*- 300, der Düsendurchmesser der Ein- strahldüse beträgt d. = 1,4 mm, der Düsendurchmesser jeweils einer Düsenbohrung der Zweistrahldüse beträgt d. = 0,75 mm,
40°, a = 1,25 mm und b = 0. Die Sichtbarmachung der Frei¬ strahlen erfolgt mittels sehr kleiner Partikel, welche durch pneu¬ matische Zerstäubung eines Wasser-Glycerin-Gemisches erzeugt wur¬ den. Mit Hilfe einer Zylinderlinse wurde der Strahl eines Argon¬ lasers zur Beleuchtung des FreiStrahls in einen ebenen Lichtfächer umgewandelt und der Freistrahl fotografisch aufgenommen. Die Figu¬ ren 3 und 4 sind zeichnerische Darstellungen dieser fotografischen Aufnahmen. Die Versuche mit Einstrahldüsen der Fig. 2a zeigen in Fig. 3a, daß der Strahl selbst für Reynolds-Zahlen bis etwa 1000-1500 im wesentlichen laminar bleibt. Unter gleichen strö¬ mungsdynamischen Bedingungen, das heißt bei gleicher Reynolds-Zahl erzeugt die Zweistrahldüse der Fig. 2b gemäß Fig. 3b deutlich sichtbar einen turbulenten Freistrahl unmittelbar nach dem Auf¬ einandertreffen beider Strahlen im Schnittpunkt 24.3a, b are experimentally generated free jets with the nozzles of F1g. 2a, b shown. The Reynolds numbers are in the range of Re • * - 300, the nozzle diameter of the jet nozzle is d. = 1.4 mm, the nozzle diameter of each nozzle bore of the two-jet nozzle is d. = 0.75 mm, 40 °, a = 1.25 mm and b = 0. The free rays are made visible by means of very small particles which were generated by pneumatic atomization of a water-glycerol mixture. With the help of a cylindrical lens, the beam of an argon laser for illuminating the free beam was converted into a flat fan of light and the free beam was photographed. Figures 3 and 4 are graphic representations of these photographic recordings. The experiments with single jet nozzles of FIG. 2a show in FIG. 3a that the jet remains essentially laminar even for Reynolds numbers up to about 1000-1500. Under the same dynamic flow conditions, that is to say with the same Reynolds number, the two-jet nozzle of FIG. 2b according to FIG. 3b clearly produces a turbulent free jet immediately after the two jets meet at the intersection 24.
In den Darstellungen der Figuren 4a, b, c und d wurde unter sonst im wesentlichen gleichen Bedingungen der Parameter b, also der Normalabstand der Achsen der Bohrungen variiert zwischen b = 0 mm, 0,4 mm, 0,8 mm und 1,5 mm. Deutlich wird sichtbar, daß für Werte b = 0 mm und 0,4 mm die erwünschte gegenseitige Störung der Strah¬ len mit der einhergehenden Turbulenzbildung auftritt. Kommt der Wert b jedoch in Bereiche, die einem einzelnen Strahldurchmesser d. entsprechen, so erfahren die einzelnen Strahlen nicht mehr eine gegenseitige Störung und behalten ihre laminare Strδmungs- dynamik bei.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die erfindungsgemäße Anordnung geeignet ist, einen turbulenten Freistrahl mit guter Förderwirkung auch bei Reynolds-Zahlen bis hinab zu Werten von etwa 200 sicher zu gewährleisten. Charakteristisch für die einge¬ setzten Düsen sind zwei oder mehrere Kanäle, deren Achsen mit¬ einander einen bestimmten Winkel 2oCeinschließen bzw. jeweils mit der Düsenmittelachse den Winkel bilden. Durch Geschwindigkeits¬ messungen und durch Bestimmung des Fδrdervolu enstroms konnte gezeigt werden, daß günstige Winkel im Bereich von 2< ungefähr 20° - 40° liegen. Ungenauigkeiten in der Herstellung der Düsen¬ bohrungen können zu einem Kreuzen der Strahlachsen anstelle des erwünschten Schneidens führen. Kleinere Abweichungen haben eine geringfügige Abnahme der Förderleistung zur Folge. Größere, in der Größenordnung der Kanaldurchmesser liegende Versetzungen der Strahlachsen führen zu einem Abfall der Förderleistung auf etwa die Werte, die sich bei einem laminaren Strahl einer Einstrahldüse ergeben, da die Einze strahlen miteinander nicht mehr in Wechselwirkung treten.
In the representations of FIGS. 4a, b, c and d the parameter b, that is to say the normal distance between the axes of the bores, was varied between b = 0 mm, 0.4 mm, 0.8 mm and 1.5 under otherwise essentially identical conditions mm. It is clearly visible that for values b = 0 mm and 0.4 mm the desired mutual interference of the rays with the accompanying turbulence formation occurs. However, the value b comes in areas that correspond to a single beam diameter d. correspond, the individual beams no longer experience mutual interference and maintain their laminar flow dynamics. In summary, it can be stated that the arrangement according to the invention is suitable for reliably guaranteeing a turbulent free jet with good conveying action even with Reynolds numbers down to values of approximately 200. Characteristic of the nozzles used are two or more channels, the axes of which enclose a certain angle 2oC with one another or respectively form the angle with the center axis of the nozzle. It was possible to show by speed measurements and by determining the flow rate that favorable angles are in the range of 2 <approximately 20 ° -40 °. Inaccuracies in the manufacture of the nozzle bores can lead to a crossing of the jet axes instead of the desired cutting. Smaller deviations result in a slight decrease in the output. Larger dislocations of the jet axes, which are in the order of magnitude of the channel diameter, lead to a drop in the delivery capacity to approximately the values which result in the case of a laminar jet from a single-jet nozzle, since the individual jets no longer interact with one another.