EP4197643A1 - Nozzle with adjustable beam geometry, nozzle assembly and method for operating a nozzle - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a device for the adjustable influencing of a fluid when it passes into the free space from a nozzle outlet, in particular a nozzle with adjustable jet geometry, comprising a first fluid line, at least one second fluid line, a swirl chamber, into which the first fluid line runs centrally in the axial direction and the at least one second fluid line entering a cylinder wall of the swirl chamber on a tangential plane at an entry angle deviating from an axial direction in order to generate a swirling flow which is oriented towards the nozzle outlet, with a first fluid flow in the first fluid line being in the axial direction flows towards a nozzle outlet and at least one second fluid flow in the at least one second fluid line on the cylinder wall enters the swirl chamber, the combination of both fluid flows in the swirl chamber causing different fluid flows depending on the difference between the volume flows of the first fluid flow and the second fluid flow Jet geometries emerge into the free space from the nozzle outlet connected to the swirl chamber, which can be varied between a linear full jet and a conical spray.
- Hydraulic spray nozzles are used in many industrial processes, e.g. B. for cleaning, coating or cooling processes. Depending on the selected nozzle geometry, different jet shapes can be generated. While a full jet geometry generates a coherent full jet that enables large mechanical forces and mass flows in a small area, an atomizing nozzle can be used to create a droplet spray, hereinafter referred to as a spray, that wets a relatively large area in a short time. Atomizing nozzles usually have a geometry that causes an increase in turbulence and/or the creation of a swirl in the flow, so that a break-up of the jet can be induced as it leaves the nozzle exit.
- Measures to increase the turbulence are, for example, strong flow deflection, abrupt cross-sectional changes or a collision of several partial flows near the nozzle outlet.
- a swirl on the other hand, can be generated by swirl inserts or a flow introduced tangentially into a swirl chamber. Swirl atomization allows for more uniform sprays with smaller droplets than turbulence atomization.
- Full jet nozzles on the other hand, are designed in such a way that the exiting full jet remains coherent over as long a distance as possible. This can e.g. B. be realized by streamlined nozzle geometries and avoiding abrupt cross-sectional changes.
- jet shapes have different, sometimes conflicting properties
- changing the jet shape as needed makes sense for processes with, in particular, changing process conditions and requirements in order to make the process efficient.
- movable, z. B. rotating cleaning devices are used, for which a needs-based change in jet shape can be advantageous.
- the nozzle outlet is designed to be variable in its cross section and thereby enables a variable atomization behavior when additional outlet geometries are opened or the area of the existing opening is changed.
- a nozzle with a variable nozzle opening is more complex to produce, more prone to failure and places higher demands on the technical implementation and use in comparison to a nozzle with a fixed outlet opening. This involves increased effort in the hygienic design, maintenance, housing and complexity of the assembly.
- the pamphlets DE 102 34 872 A1 and DE 101 49 981 A1 have two fluid lines, one of which is controllable, and which open into a swirl chamber from different angles.
- the jet shape emerging from the nozzle is varied by alternating control, but also by the joint entry of the fluid from both fluid lines.
- the axial and tangential entry of the fluid lines into the swirl chamber is also described (cf. DE 101 49 981 A1 , 2 , Paragraphs [0018]-[0021]), but the axial feed line and the swirl chamber have significant differences in diameter.
- valves which are also designed as 3/2-way valves or 3/3-way valves, are required in order to achieve the change in jet shapes, at least in both cases there is no control over influencing the axial fluid line possible.
- the jet only occurs when the tangential flow is blocked and the axially introduced fluid runs through the swirl chamber with as little disruption and turbulence as possible in order to leave the nozzle as a directed jet.
- a superimposition of the axial flow with the tangential flow for jet generation, ie a change between spray and jet is not provided and only leads to a "mixed form" or in this case a relatively undisturbed superimposition of (hollow) cone spray and jet occurs and thus ultimately a full cone spray.
- the latter is possible in particular when the swirl chamber is significantly larger than the axial orifice, since the tangential flow can flow around the axial flow on the wall of the swirl chamber relatively unhindered, without the swirl being reduced.
- valves are used to affect fluid flow are from the references DE 102 59 563 A1 , DE 10 2007 054 673 B4 , EP 0 140 505 B1 , CN 206701530 UU , EP 2 059 347 B1 and DE 27 33 102 A1 known, also from the publications CN 108014935BB and DE 100 09 573 A1 .
- valves are always arranged either in both partial flows, so that two valves are required, or one valve is used exclusively for influencing the cross flow, the bypass. This makes the design of one valve more complex.
- control lines for signal transmission are often required or have to be operated manually. This will be in the pamphlets DE 100 09 573 A1 and EP 0 927 562 A2 disclosed.
- the integration of control lines or the implementation of a manual adjustment require increased effort in their technical implementation. This applies in particular to technical systems that are mobile or rotating, that have higher requirements in terms of tightness (e.g. protection against water jets) or that are out of reach for manual intervention due to the process or for reasons of occupational safety.
- a device for the adjustable influencing of a fluid as it passes into the free space from a nozzle outlet comprising a first fluid line, at least one second fluid line and a swirl chamber.
- the first fluid line enters the swirl chamber centrally in the axial direction and the at least one second fluid line enters in a cylinder wall of the swirl chamber on a tangential plane at an entry angle deviating from an axial direction. This is done to create a swirling flow oriented toward the nozzle exit.
- a first fluid flow flows in the first fluid line in the axial direction towards a nozzle outlet.
- At least one second fluid flow enters the swirl chamber in the at least one second fluid line at the cylinder wall.
- the combination of both fluid flows in the swirl chamber causes different jet geometries to exit into the free space from the nozzle outlet connected to the swirl chamber, depending on the difference between the volume flows of the first fluid flow and the second fluid flow.
- the jet geometries can be varied between a linear full jet and a conical spray.
- the cone-shaped spray emerges from the nozzle outlet as a full cone, with a hollow cone being provided according to an alternative embodiment.
- the first fluid line has a valve for adjusting the volume flow of the first fluid flow that reaches the swirl chamber.
- This makes it possible to control the jet shape with a single valve and to initiate the change between full jet and spray.
- influencing the first fluid flow is sufficient to bring about the change between full jet and spray.
- An additional influencing of the second fluid flow is not required.
- the device according to the invention be designed as a compact and simple nozzle with a single valve.
- the valve is also preferably designed as a simple 2/2-way valve that is sufficient for the desired function.
- the diameter of the axial channel, the first fluid line is equal to the diameter of the swirl chamber and the cross section across the first fluid line and the swirl chamber, viewed in the axial direction, is constant.
- the axial flow is not impeded and no geometry-related turbulences or pressure losses are generated during or until the axial flow enters the swirl chamber.
- the cross sections of the first fluid line and the swirl chamber are different and have a diameter ratio, the ratio of the diameter of the first fluid line to the diameter of the swirl chamber, between 1.5 and 0.5, preferably between 1.3 and 0.7 or more preferably between 1.1 and 0.9.
- the cross sections of the first fluid line and the swirl chamber are different, it is alternatively or additionally provided that the different cross sections of the first fluid line and the swirl chamber are connected via a flow-constant entry area with an angle of inclination ⁇ or ⁇ ′.
- the consequence of this is that the first fluid flow does not separate from the wall in the case of a laminar flow type, but instead flows laminarly along the wall and thereby eliminates the swirl of the incoming second fluid flow particularly effectively and with little loss.
- the value of the spray angle ⁇ is an indication of how much the swirl was reduced on the way through the nozzle under otherwise constant conditions (pressure, etc.): The smaller the angle at the exit, the more the swirl inside the nozzle was reduced.
- the diameter ratio of the swirl chamber to the first fluid line or the flow-constant transition only have a swirl-reducing effect in jet operation, since the first fluid line is only open here.
- the rest of the nozzle geometry can be designed favorably so that the swirl is hardly reduced and large spray angles are made possible when the spray emerges. As a result, it becomes possible to spray a large area and produce smaller, finer droplets that lead to better wetting behavior.
- the full jet emerges from the nozzle outlet when the valve releases the first fluid line.
- the spray emerges from the nozzle outlet when the valve blocks the first fluid line, so that only the at least one second fluid flow enters the swirl chamber.
- the valve is applied in accordance with the fluid pressure that is present at the inlet of the valve on its side pointing towards the fluid connection. It works pressure-dependent and is either open in a first fluid pressure range in relation to a narrow switching point pressure or a wider transition range (to be assigned to the "first fluid pressure range") of the valve and closed in a second fluid pressure range or vice versa by being closed in the first fluid pressure range and in the second fluid pressure area is open.
- a spray occurs at low pressures below the switching point pressure and a full jet at high pressures above the switching point pressure or vice versa.
- the valve can be designed in such a way that it opens at the switching point pressure when the fluid pressure increases and closes when the fluid pressure falls below the switching point pressure, or vice versa.
- An embodiment with a valve that always opens and closes at the same pressure, i.e. there is no hysteresis, and in which the valve starts at a first fluid pressure that is lower than the switching point pressure of the valve and in the entire first fluid pressure range is particularly preferred is closed while open from a second fluid pressure greater than the switch point pressure of the valve and throughout the second fluid pressure range.
- the first fluid pressure or fluid pressure range is higher than the second.
- a transition area with a partially closed valve is formed between the first fluid pressure area and the second fluid pressure area in place of the switching point.
- a cone-shaped spray forms in the transition area.
- the valve can be used in different versions, which are divided into different functional groups according to the type of preload (pneumatic, hydraulic, mechanical, inherent), the material properties of a closing body (elastic, rigid, compressible, incompressible) and the geometry (membrane-shaped, designed as a flap , slider, needle or cylinder) can be subdivided.
- a combination of the functional groups enables a large number of embodiments of the valve.
- the valve is designed as a pneumatically prestressed membrane valve which is filled with compressed air once before operation to determine a switching point pressure and is then sealed off.
- a pneumatically prestressed membrane valve which is filled with compressed air once before operation to determine a switching point pressure and is then sealed off.
- the valve is designed as a valve which is preloaded with a mechanical spring arrangement which acts on a rigid closing body (such as a flap, a slide, a needle or a cylinder).
- a rigid closing body such as a flap, a slide, a needle or a cylinder.
- an elastic closing body as z. B. embodies a membrane, are used.
- a valve that is designed as a compressible, elastic body.
- Other embodiments include rigid locking cylinders that are pneumatically preloaded, move and act as a valve.
- the valve instead of a mechanical spring arrangement, the valve has a pair of permanent magnets that attract one another and act on a rigid or flexible closing body.
- the fluid pressure p overcomes the magnetic force to open the valve, allowing the first fluid flow to pass through and into the swirl chamber.
- the valve can also be designed with a single magnet interacting with a ferromagnetic material.
- the magnet is preferably a permanent magnet because it is a very simple solution. Instead, however, an electromagnet can also be used.
- the entry angle ⁇ of the second fluid line or of the second fluid is between 60° and 90° in relation to the axial direction.
- the preferred swirl chamber is also designed to be flow-constant between the point at which the at least one second fluid line enters and the nozzle exit and without significant changes in geometry or cross-section that affect the flow and without abrupt changes. Accordingly, the cross section is essentially constant over the axial length of the swirl chamber.
- the first fluid line and the at least one second fluid line result from at least one branch, in which a fluid flow entering the nozzle via the fluid connection is divided into partial flows, the first fluid flow and at least one second fluid flow.
- the at least one branch is arranged in front of the valve, ie between the fluid connection and the valve. This means that only one fluid connection is necessary and there is no need for a number of fluid lines to be routed to the valve, which is also more compact and simpler in construction.
- the first fluid line preferably has a larger cross section than the second fluid line.
- the nozzle outlet can be designed as a known and commonly used solid jet nozzle outlet.
- This component can therefore be installed in the device according to the invention as a standardized, inexpensive component without having to produce a special part for the nozzle outlet.
- additional effects can be achieved with various different nozzle geometries.
- Another suitable nozzle geometry has a cross section that tapers and then widens along a chamfer, similar to a counterbore, referred to below as the chamfer nozzle outlet.
- the device is preferably designed as a cleaning nozzle and is provided for dispensing a cleaning liquid. As explained at the beginning, it is often necessary to change the jet shape during cleaning processes in order to be able to clean efficiently and with high effectiveness.
- a nozzle arrangement which comprises at least two nozzles of the type described above.
- a fluid enters this via a fluid connection which is at least fluidically connected to a supply line or alternatively via separate fluid connections with an adjustable fluid pressure in each supply line to one of the nozzles.
- At least two of the nozzle devices are as described above and have valves, each with separately adjustable switching point pressures, which can also be set differently in order to to achieve the desired function.
- the valves can be switched differently depending on the applied fluid pressure.
- the output of the solid jet and the cone-shaped spray can be varied in such a way that all or part of the devices emit the linear solid jet or the spray.
- a valve controlled by the pressure of the operating liquid, the fluid is used and several nozzles are connected to a pressure line, the fluid line.
- valves are designed as pneumatically preloaded membrane valves, the different switching point pressures can be preset variably and as required and also changed later.
- a further solution to the object of the invention consists in a method for operating a device for the adjustable influencing of a fluid when it passes into the free space from a nozzle outlet, as has been described above.
- the procedure includes two different settings or process stages.
- the linear full jet emerges in the first setting, in that the first fluid passes through the open valve and enters the swirl chamber together with the second fluid flow.
- the influence of the second flow in the swirl chamber does not lead to the full jet being destroyed.
- the collision of the fluid flows and the configuration of the nozzle geometry, in particular the taper in the nozzle outlet mean that the swirl introduced by the second fluid flow is greatly reduced in the subsequent nozzle section and the flow ultimately exits as a full jet.
- An additional Influencing of the second fluid flow can therefore be omitted, which leads to a significant simplification.
- the cone-shaped spray exits by preventing the first fluid flow through the closed valve from entering the swirl chamber and disturbing the formation of the swirl of the second fluid flow there.
- the swirl experienced by the second fluid flow results in the formation of the spray as the desired jet shape at the nozzle outlet.
- the closed valve opens at a switching point pressure when an opening pressure range is reached and the open valve is closed when the first fluid flow reaches a closing pressure range.
- the intermediate range between the opening pressure range and the closing pressure range with the intermediate range defining the switching point pressure, the process of switching the valve from the closed position to the open position or vice versa takes place. Accordingly, the switching process takes place when an opening pressure range is reached or when a closing pressure range is reached, depending on the direction in which the fluid pressure changes. From reaching the opening pressure range, the valve is opened with increasing fluid pressure and vice versa, with decreasing fluid pressure, closed from reaching the closing pressure range. This applies when the cracking pressure range is above the closing pressure range, otherwise the behavior is reversed.
- the first and the second adjustment of the jet shape are ultimately achieved via the control of the first fluid flow.
- the intermediate range between the opening pressure range and the closing pressure range is very small, which is why the minimal hysteresis resulting from the intermediate range can be neglected and the small intermediate range can be regarded as the switching point.
- a variant is preferred in which no hysteresis occurs and the closing pressure range directly borders the opening pressure range, so that the above-described switching point occurs, at which the switching process takes place.
- the opening pressure range of the first fluid flow is above the closing pressure range or alternatively the closing pressure range is above the opening pressure range.
- the first fluid flow advantageously has a higher volume flow than the second fluid flow. This can be realized at the crossing point of the lines when the flows enter the swirl chamber by choosing a suitable ratio of the line cross-sectional areas to one another.
- a cross-sectional area of the first fluid line that is, for example, 2.5 times to 4.2 times larger than the added circular area of all second fluid lines or the tangential bores is particularly advantageous.
- the self-pulsation is assumed to be triggered by a periodic blocking of the gas gap by the liquid film.
- the phenomenon is also known for single-substance nozzles. Investigations focused in particular on spill-return or spillback nozzles, in which the fluid is introduced tangentially into a swirl chamber and part of the fluid via one or more axial Openings can flow back against the outflow direction from the swirl chamber. Strong pulsation can occur even if there is no axial opening. The cause is assumed to be that in these cases the air core, which forms inside the swirl chamber of such nozzles, becomes unstable under certain conditions and thus causes self-pulsation.
- self-pulsation is regarded as a phenomenon to be avoided or as a useful one. If the focus is on atomization into the smallest possible droplets, it is not advisable to use pulsating sprays. If, however, a large-area, uniform wetting and the transfer of mechanical impact forces through the droplets to the surface being impacted are desired, self-pulsation is advantageous over non-pulsating sprays.
- the pulsation generally occurs preferentially in the transition area.
- the spray angle ⁇ of the spray without pulsation becomes increasingly smaller as the pressure increases, until the full jet is reached at a spray angle ⁇ of 0°.
- the transition area there is a pulsating spray and a pulsating solid jet.
- a pulsating spray is generated first and a further increase in pressure creates a pulsating full jet. This is caused by the approaching transition of the jet shape from spray to full jet.
- there are periodic pressure fluctuations inside the nozzle (up to 0.3 bar), so that the switching pressure point is exceeded and a full jet is created, at least for a short time.
- the non-pulsating, clearly recognizable jet is always designated as the full jet and the associated fluid pressure as the switching point pressure, which allows the transition to the jet area to be recognized.
- the pulsating jet that occurs in the transition area is associated with the first fluid pressure range since the transition range is a sub-range of the first fluid pressure range.
- the range of fluid pressure in which self-pulsation occurred depends on the nozzle geometry, in particular the diameter of the nozzle exit and the ratio of the summed cross-sectional areas of all second fluid lines to the cross-sectional area of the first fluid line. Furthermore, the preload of the valve has an impact on the range of fluid pressure in which self-pulsation occurs.
- the nozzle presented can be designed differently depending on the process requirements. Either the nozzle is designed so that it does not have a range of fluid pressure in which self-pulsation occurs, so that when the valve is closed only a non-pulsating spray is produced and when the valve is open a solid jet is produced. Or the nozzle is designed to have one or more ranges of fluid pressure in which self-pulsation occurs such that when the valve is closed a non-pulsating or a pulsating spray is produced depending on the operating pressure and when the valve is open a solid jet is produced.
- the use of a pulsating spray can offer advantages over a continuous spray, since some types of dirt typical of industry can be demonstrably cleaned more efficiently if the liquid hits the surface to be cleaned discontinuously.
- continuous sprays there is no stationary film flow on the exposed surface, but the amount of fluid flows off to the side after impacting the soiled surface.
- the amount of fluid that follows hits the dirt directly and undamped, thereby enabling the transmission of larger impact forces.
- the droplets which are on average larger than non-pulsating sprays, also enable the transfer of increased impulses to the dirt.
- the nozzle according to the invention enables an adjustable change between the jet forms “spray” and “full jet” even without pulsation effects, in order to be able to use the respective jet form as required.
- the opening at the nozzle exit remains unchanged in terms of area and geometry, but both spray and full jet can exit.
- the switching of the nozzle between the jet forms is controlled solely by the pressure of the fluid, the operating fluid (e.g. water or cleaning fluid), so that no additional control lines are necessary.
- the nozzle In parallel operation with several nozzles of the same type, the nozzle also allows hybrid operation of full jet and spray, especially when one of the pressure of the Operating fluid-controlled valve is used and the switching pressures of the individual nozzles are set differently, so that more than just two operating modes for the entire system can be set as required.
- the preferred embodiment of the valve enables pressure-controlled switching.
- the intermediate range between the opening pressure range and the closing pressure range, in which the switchover between open and closed valve takes place, or the switching point when the switchover between open and closed valve takes place hysteresis-free with practically no intermediate range worth mentioning, is determined by the geometric parameters of the nozzle or the preload of the spring element or by means of pneumatic pressure. After a one-off setting, reliable and repeatable switching takes place.
- the nozzle Due to the possibility of switching the jet shape by adjusting the pressure of the operating liquid, the nozzle can easily be retrofitted to existing devices.
- the desired switching pressure can be set very easily by changing the preload of the valve or the nozzle geometry (e.g. nozzle diameter) once. After that, switching is always reliable and repeatable at the same switching point pressure.
- atomization when generating the spray is based on a swirling flow
- similar atomization properties can be generated as with industrial, also swirl-based full cone nozzles or hollow cone nozzles. Uncontrolled atomization or pressure losses, as with atomization due to the collision of two flows, are thus avoided.
- Known nozzles usually emit a spray that has the shape of a hollow cone.
- the spray regularly has the shape of a full cone, with the result that the entire surface is wetted evenly overall.
- the shape of a hollow cone can also be aimed at, if this is desired.
- a hollow cone is achieved by making the cross section of the tangential flow very small or the taper at the nozzle exit very short, which would correspond to the design guidelines for hollow cone nozzles. Fundamentally allows a hollow cone opposite a full cone atomizes the spray into even smaller droplets because there is more opportunity for the droplets to interact and rub with the surrounding air. It is also planned to use appropriately designed nozzles to switch between the hollow cone and the solid jet, in order to combine the advantages of both jet shapes and use them alternately.
- Parallel operation with several nozzles, each of which has different switching points, enables other operating states in addition to spray and full jet, in which spray and full jet are generated simultaneously with different nozzles (hybrid operation).
- the pressure line for supplying the fluid is necessary in order to set the desired operating state in a targeted manner. This allows many new applications for an overall system in which the nozzles are embedded.
- Another advantage lies in the fact that there is only one nozzle outlet, the geometry of which cannot be changed.
- the jet axes of both jet forms are identical, so that no relative displacement between the system and the aimed local target has to be made and calculated, as is the case when a local target is to be hit successively with both jet forms of a nozzle. If a valve that opens at high pressure is used, a spray can be generated at low operating pressure and a full jet at high operating pressure. This has particular advantages for processes in which large mechanical forces are to be transmitted with the solid jet. This primarily includes cleaning processes.
- FIG. 1 shows schematically a longitudinal section view of an embodiment of a nozzle 1 according to the invention with a transverse section detail, the section AA, and a longitudinal section detail, the section from frame B, which illustrates what is happening in the swirl chamber 6 of the nozzle body 2.
- the representation was made appropriately for simplification and for a better overview of all essential lines in deviation from a standard representation by a second fluid line 10 being shown in section in the view on the left, although it is not in the centrally selected sectional plane.
- a swirl chamber 6 with a central section would also not show the vertical section of the second fluid line 10 in section, but only the opening of its entry into the swirl chamber 6, which would have an oval contour due to the tangential entry point when penetrating the wall of the swirl chamber 6 .
- the nozzle 1 includes a fluid port 3, which is the interface to the upstream device such. B. a tank cleaner or a robot, and a nozzle outlet 4, from which the fluid flows out in the desired jet shape 30, 32, as well as a branch 16 for dividing the fluid flow into two partial flows and a combination in the swirl chamber 6 for the partial flows to flow together again.
- a fluid port 3 which is the interface to the upstream device such. B. a tank cleaner or a robot, and a nozzle outlet 4, from which the fluid flows out in the desired jet shape 30, 32, as well as a branch 16 for dividing the fluid flow into two partial flows and a combination in the swirl chamber 6 for the partial flows to flow together again.
- the first fluid flow 12 runs approximately axially to the main flow direction along the axis direction 9
- another partial flow, the second fluid flow 14, at the branching 16 and the merging in the swirl chamber 6 is not axial to the main flow direction, here aligned perpendicularly is.
- the area between the merging of the fluid flows 12, 14 in the swirl chamber 6 and the nozzle outlet 4 is preferably designed to be approximately constant in flow, without sudden changes in geometry, and preferably has a constant cross-section over the entire course until the taper is reached near the nozzle outlet 4 in the axial direction 9 on. In the case of laminar flow, the flow does not detach from the wall and remains laminar. Even for cross sections of the first fluid line 8 and the swirl chamber 6 that differ from one another, a flow-constant entry region 7 is preferably implemented, via which the first fluid flow 12 enters the first fluid line 8 into the swirl chamber 6 in laminar flow without detaching from the wall.
- the entry area 7 has an angle of inclination ⁇ , ⁇ ′ which is selected as a function of the rheological parameters, above all the flow rate of the first fluid flow 12, so that the laminar flow maintains the laminar state.
- valve 20 Located between the branch 16 and the swirl chamber 6 in the first fluid line 8 is a valve 20 with which the axial partial flow, the first fluid flow 12, can either be blocked or switched through.
- the valve 20 preferably opens and closes as a function of a set constant preload and as a function of the fluid pressure of the operating liquid, the fluid.
- the nozzle outlet 4 can be designed as a commercial full jet nozzle outlet, so that available Purchased parts can be used to z. B. to be able to adjust the nozzle diameter very easily by retrofitting and using a different nozzle.
- the nozzle outlet 4 which is preferably designed as a full jet nozzle outlet, is arranged on the nozzle body 2, and the nozzle body 2 also has a first fluid line 8, in which the valve 20 is inserted, and a second fluid line 10, which bridges the valve 20.
- the fluid flow entering the nozzle 1 at the fluid connection 3 is divided at the branch 16 and a part flows via the second fluid line 10 until it enters the swirl chamber 6.
- the second fluid line 10 enters at the entry angle ⁇ , which is 90° in the illustrated embodiment ° is, in the area of the cylinder wall of the cylindrical swirl chamber 6 a.
- the valve 20 If the valve 20 is closed, the entire volume flow of the incoming fluid flow flows via the second fluid line 10. Since the second fluid line 10 enters the swirl chamber 6 in the area of a tangential surface, the entering second fluid flow 14 receives a twist, it flows around the Axis 9. On the tangential surface, the entry angle ⁇ is preferably set between 60° and 90°. The fluid retains its swirl when it progresses out of the swirl chamber 6 to the nozzle outlet 4 and leaves the nozzle outlet 4 there in the form of a conical spray 30 . However, as soon as the valve 20 is opened, the swirl of the second fluid flow 14 is influenced or disturbed by the first fluid flow 12 also entering the swirl chamber 6 . The jet pattern leaving the nozzle outlet 4 changes, as again in the following 2 explained in more detail.
- FIG. 2 shows schematically a longitudinal section view of an embodiment of a nozzle 1 according to the invention with two different positions of the valve 20 and the resulting jet shapes, the conical spray 30 and the full jet 32.
- the full jet 30 according to the illustration above results when the valve 20 is closed, which means that there is no flow can enter the swirl chamber 6 in the axial direction.
- the entire volume flow of the fluid is set into a swirl and generates the conical spray 30 with a spray angle ⁇ when it exits the nozzle outlet 4 .
- the lower illustration shows the open valve 20 through which the first fluid flow 12 enters the swirl chamber 6 and influences the swirl of the second fluid flow 14 there in such a way that a full jet leaves the nozzle outlet 4 .
- closing body of the valve 20 are a flexible, elastic membrane, a compressible closing body, a rigid closing body (e.g. flaps, sliders, needles, cylinders) or an elastic closing body, each in connection with a prestress.
- the valve mechanism is designed for repeatable and reliable opening and closing.
- the range of fluid pressure also referred to as fluid pressure range
- fluid pressure range in which switching takes place is very small and can therefore practically be ignored as a range, so that one can speak of a switching point or switching point pressure in relation to the entire working pressure range.
- the closing body of the prestressed diaphragm valve 22 is designed as an elastic diaphragm 21, with the prestressing being achieved by means of compressed air. This structure allows a simple design of the switching behavior for the industrial application of the nozzle 1.
- FIG. 3 shows schematically a longitudinally sectioned view of an embodiment of a nozzle 1 according to the invention with two different positions of a valve 20 with a prestressed membrane body 22 and the resulting jet shapes.
- the valve 20 is closed, in which the membrane body 22 was charged with compressed air via a compressed air supply 23 .
- the first fluid line 8 is closed and all of the fluid that enters the nozzle 1 flows via the second fluid line 10 into the swirl chamber 6, where it is swirled and leaves the nozzle outlet 4 as a conical spray 30.
- the valve 20 opens and the first fluid line 8 opens.
- the fluid line 8 which is larger than the second fluid line 10 , thus disrupts the formation of the swirl in the swirl chamber 6 , with the result that a full jet is produced at the nozzle outlet 4 .
- a space filled with compressed air can also be provided as a compressed air reservoir, the initial air pressure of which is only changed to change the operating point before the nozzle 1 is operated and remains sealed off during operation.
- the diaphragm valve 22 is controlled by the pressure of the fluid entering the nozzle. At a high fluid pressure p it opens, as soon as the fluid pressure p decreases below the set operating point, the membrane valve 22 (like any other valve 20 used with a preload) closes again, as shown in the illustration on the left.
- Figure 4a shows schematically a longitudinal section view of a further embodiment of a nozzle 1 according to the invention with a spring valve 24, with two different valve positions of the spring valve 24 being shown, and the resulting jet shapes, conical spray 30 and full jet 32.
- a spring 25 is used here, the force of which determines the operating point of the prestressed spring valve 24 .
- the axial first fluid flow 12 enters the swirl chamber 6 and generates the full jet 32 at the nozzle outlet 4. If the fluid pressure p falls below the operating point of the spring valve 24, then the spring valve 24 and closes the fluid flow takes its way as a second fluid flow 14 via the second fluid line 10 into the swirl chamber 6, where the swirl caused thereby leads to the exit of a conical spray 30.
- magnetic force is used instead of the spring force, which in the illustrated embodiment is caused and implemented as two mutually attracting magnets, a pair of permanent magnets 29.
- the fluid pressure p overcomes the magnetic force to open the valve 20, so that the first fluid flow 12 can enter the swirl chamber 6.
- a pair of permanent magnets 29 a single magnet can also be provided in interaction with a ferromagnetic material, with the permanent magnet being a very simple solution, but an electromagnet can also be used instead.
- the magnet-driven valve 20 is preferably designed in such a way that a flexible membrane or the like is prestressed by two magnetic bodies which are arranged in such a way that they attract each other, in particular due to their polarity, so that the first fluid line 8 is closed . As soon as the first fluid flow 12 reaches a higher pressure, the magnetic force is overcome and the valve opens.
- the valve is embodied as a "high pressure opening valve”.
- FIG 5 shows schematically a longitudinally sectioned view of an alternative embodiment of a nozzle 1 according to the invention with two different valve positions of a valve with a compressible valve body 26 and the resulting jet shapes, conical spray 30 and full jet 32, as also in FIGS Figures 2 to 4 shown.
- a compressible elastic valve body 26 closes against the pressure of the first fluid flow 12 in the first fluid line 8 and thereby blocks it. If, on the other hand, the fluid pressure p exceeds the working point of the valve 20 against the force of the elastic valve body 26, the valve 20 opens and the full jet 32 emerges from the nozzle outlet 4 after the first fluid flow 12 has flown through the swirl chamber 6 axially.
- FIG. 6 shows schematically three longitudinally sectioned views of an embodiment of a nozzle 1 according to the invention in a double arrangement with a common fluid supply for both nozzles 1.
- Two nozzles are connected to the same pressure line.
- the same pressure p is applied to both nozzles.
- the two valves 20 have different operating points, so that a variable jet pattern can be achieved at the two nozzles 1 (nozzle A and nozzle B).
- the pressure line which carries the fluid entering the nozzle, also serves as a control line, so that several states can be implemented very flexibly and easily with just one signal (pressure of the fluid).
- the pressure p at the entrance to the two nozzles 1 is in the closing pressure range, so that both valves 20 are closed and all of the fluid in enters the two swirl chambers 6 via the second fluid line 10 and generates the conical spray 30 in both nozzles 1 .
- the pressure p is chosen so that it is in the opening pressure range for one of the nozzles 1 and opens the valve 20, but remains closed for the other. As a result, a full jet 32 and a cone-shaped spray 30 emerge.
- valve 20 can be used which is closed at low pressure and open at high pressure.
- an inverse characteristic can also be provided, in which the valve is closed at high pressure and open at low pressure.
- the parallel operation is z. B. is particularly important for container cleaning.
- Several nozzles 1 are operated in parallel on a rotating cleaning device that has only one pressure line.
- FIG. 7 shows schematically four longitudinal section views of an embodiment of a nozzle 1 according to the invention in a double arrangement with a separate fluid supply, which differs from the illustration from 6 has the consequence that the spray pattern can be set individually for both nozzles 1, depending on the fluid pressure with which the fluid hits the nozzle 1.
- the fluid pressure p 1 is identified as a low fluid pressure and the fluid pressure p 2 as a high fluid pressure, in each case in relation to the operating point of the valve 20 .
- an alternative embodiment provides for the valve 20 to be closed at high pressure and open at low pressure.
- State 1 shows the low fluid pressure p 1 for both nozzles 1, which is below the operating point of the valve 20, so that the latter remains closed. The result is cone-shaped sprays 32 at both nozzle outlets 4.
- the left-hand nozzle 1 receives the higher fluid pressure p 2 so that the valve 20 allows the fluid flow to pass axially and a full jet 32 is produced at the nozzle outlet 4, while the right-hand nozzle 1 continues to deliver the spray 30 with the valve 20 closed.
- state 3 this is exactly the opposite with respect to state 2; the pressure conditions at the entrance of the two nozzles 1 are reversed.
- the higher fluid pressure p 2 is present at both nozzles 1, the valve opens and both nozzles emit the full jet 32.
- the full jet nozzle outlet 4 is a standard component that is easily and inexpensively available.
- the solid jet 32 emerges from the nozzle outlet 4 (cf. Figures 2 to 7 ) off when valve 20 (cf. Figures 1 to 7 ) the first fluid line 8 releases.
- the spray 30 emerges from the nozzle outlet 4 when the valve 20 blocks the first fluid line 8 , so that only the at least one second fluid flow 14 enters the swirl chamber 6 .
- FIG. 11 shows a sectional side view with details A(1) to A(5), the variants of the transition from the first fluid line 8 to the swirl chamber 6, and 12 shows a view from above of an embodiment of a nozzle 1 according to the invention.
- the fluid connection 3, where the fluid enters, can be seen on the left side of the nozzle body 2, followed in the direction of flow (arrow) by the branch 16 at which the fluid flows between the first fluid line 8 and the second fluid line 10 splits.
- a push-in fitting 17 is provided for this purpose, with which the second fluid line 10 is inserted on the nozzle body 2 .
- the second fluid line 10 is designed as a media hose 11 until it re-enters the nozzle body 2 in the area of the swirl chamber 6 by means of a further push-in screw connection 17 .
- the nozzle outlet 4 is attached to the right-hand side of the nozzle body 2 and, in the preferred embodiment shown here, is designed as a full jet nozzle that is available as standard.
- an inlet area 7 is provided between the first fluid line 8 and the swirl chamber 6, via which the first fluid flow from the first Fluid line 8 enters the swirl chamber 6 and its function already 1 was executed.
- the ratio of the diameter D8 of the first fluid line 8 to the diameter D6 of the swirl chamber 6 is shown as detail variant A(1) at 0.7 in the Detail variants A(2) and A(4) and 1.3 shown in detail variants A(3) and A(5).
- Diameter D8 and diameter D6 are also indicated in detail variant A(1), which has been omitted in the other representations of detail variants A(2) to A(5) and also in the associated description for the sake of a better overview.
- the design of the transition to A(1) to A(5) favors an effective superimposition of the first fluid flow with the second fluid flow in the swirl chamber.
- the first fluid flow 12 has predominantly axial velocity components and flows through the cross section of the swirl chamber 6 as a core flow primarily in the center, coaxially to the nozzle axis, the axis of symmetry of the nozzle 1, while the second fluid flow 14 has predominantly radial velocity components and the cross section of the swirl chamber 6 primarily at the outer edge area flows radially in a circular path.
- An "effective superimposition" of the fluid flows 12, 14 is characterized in that the axial velocity components of the first fluid flow 12 reduce the radial velocity components of the second fluid flow 14 sufficiently so that the resulting twist in the combined fluid flow (due to e.g.
- the fluid flows 12, 14 are also effectively superimposed if the entry area 7 is designed as a small jump with a ratio of the diameter of the first fluid line 8 to the diameter of the swirl chamber 6, the ratio being as shown in detail variant A(2) by way of example , is 0.7 or, as shown in detail variant A(3), is 1.3.
- the cross section of the first fluid line 8 is smaller in comparison to the swirl chamber 6, after the first fluid flow 12 enters the swirl chamber 6, flow separation and vortices are formed.
- the axial velocity components of the first fluid flow 12 therefore no longer penetrate the cross section of the swirl chamber 6 in the area of separation as effectively as they did in the first fluid line 8 , but are somewhat weakened in the edge region of the swirl chamber 6 .
- the area on which the first and second fluid flows 12, 14 overlap and an interaction of axial and radial velocity components takes place is somewhat reduced in terms of effective interaction compared to detail view A(1), but is still effective enough to reduce the swirl so to reduce far that this can be completely eliminated up to the nozzle outlet 4 (due to z.
- the effectiveness of the overlay can be increased by e.g. B.
- the swirl chamber 6 is lengthened in the area between the inlet region 7 and the junction to such an extent that the first fluid flow 12 rests against the wall of the swirl chamber 6 until it overlaps with the second fluid flow 14 .
- the first fluid flow 12 with its axial velocity components penetrates the swirl chamber 6 in the entire cross section without weakening in the edge region due to separation and can superimpose the radial velocity components of the second fluid flow 14 in the edge region of the swirl chamber 6 over a large area and very effectively.
- the cross section of the first fluid line 8 is larger in comparison to the swirl chamber 6, flow separation and vortex formation occur before the first fluid flow enters the swirl chamber.
- the separation area extends into the swirl chamber 6 .
- the axial velocity components of the first fluid flow 8 no longer penetrate the cross section of the swirl chamber 6 in the region of the separation as effectively as in the first fluid line 8 before the separation, but are somewhat weakened in the edge region of the swirl chamber 6 .
- the area on which the first and second fluid flows 12, 14 overlap and an interaction of axial and radial velocity components takes place is somewhat reduced in terms of effective interaction compared to detail view A(1), but is still effective enough to Swirl to reduce so far that this can be completely eliminated up to the nozzle outlet 4 (by z. B. wall friction) and a full jet 32 exits.
- the effectiveness of the overlay can be increased by e.g. B. the swirl chamber 6 is lengthened in the area between the inlet region 7 and the junction to such an extent that the first fluid flow 12 rests against the wall of the swirl chamber 6 until it overlaps with the second fluid flow 14 .
- the first fluid flow 12 with its axial velocity components penetrates the swirl chamber 6 in the entire cross section without weakening in the edge region due to separation and can superimpose the radial velocity components of the second fluid flow 14 in the edge region of the swirl chamber 6 over a large area and very effectively.
- a ratio of 0.7 to 1.3 of the diameter of the first fluid line 8 to the diameter of the swirl chamber 6 is particularly recommended when the diameter of the nozzle outlet 4 is between 0.85 and 3.2 mm and the ratio of the cross-sectional area of the first Fluid line 8 to cross-sectional area of all second fluid lines 14 combined is between 1.2 to 7.0.
- An effective superimposition of the fluid flows 12, 14 can also be realized with an entry region 7, which is designed according to the detail variants A(4) and A(5).
- the inlet area 7 is designed to be flow-constant, in that the transition from the first fluid line 8 to the swirl chamber 6 is designed via the angle of inclination ⁇ (decreasing towards the swirl chamber 6) or ⁇ ′ (decreasing towards the first fluid line 8, therefore increasing towards the swirl chamber 6). .
- the inclined transition avoids detachment of the fluid flow 12 and in the case of a laminar flow kept them in the laminar state.
- a laminar and non-viscous flow flows through a cross-sectional enlargement or a diffuser (the swirl chamber 6) without separation from the wall and the angle of inclination is sufficiently flat, there are no vortices or hardly any friction losses due to turbulence.
- the design of a diffuser is known per se from the prior art.
- the opening angle is a key figure for the broadening of the flow cross section of the diffuser. For centrifugal pumps, the critical value is usually around 8° to 10°. If the opening angle is too large (supercritical diffuser), dissipation occurs due to the flow detaching from the diffuser wall, which leads to strong turbulence in the transition areas to the dead spaces.
- the detailed variant A(4) shows a gradual enlargement of the cross section in the entry area 7, in which the axial velocity components decrease as the cross section enlarges.
- the detailed variant A(5) shows a gradual narrowing of the cross section in the entry area 7, in which the axial velocity components increase as the cross section decreases.
- the axial velocity components of the first fluid flow 12 which are pronounced throughout the cross section of the swirl chamber 6 , therefore superimpose the radial velocity components of the second fluid flow 14 in the edge region of the swirl chamber 6 over a large area and very effectively.
- detail variant A(2) is actually executed in the overall representation of the nozzle 1
- detail variants A(1), A(3), A(4) and A(5) can be used as alternatives take their place in each case and take their place depending on the requirement.
- Requirements can be, for example, a short installation space for the nozzle or a low pressure drop.
- valve 20 Arranged centrally in the nozzle body 2 is the valve 20 which, in the preferred embodiment shown, has a diaphragm sleeve 28 and the diaphragm 21 .
- the valve 20 is held by a nozzle fitting 3 which joins the two parts of the nozzle body 2 together.
- a sealing ring 5 is inserted between the nozzle screw connection 3 and the nozzle body 2 .
- the nozzle also has a non-return valve 18 which is also connected to the nozzle screw connection 3 via a push-in screw connection 17 .
- the check valve 18 is used for tool-free rapid filling of the valve with a gas such. B. compressed air, without this flowing back (locking function). Filling with compressed air is possible without tools, for venting a vent screw (not shown) is provided on the opposite side of the nozzle screw connection.
Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur einstellbaren Beeinflussung eines Fluids beim Übertritt aus einem Düsenaustritt (4), in die eine erste Fluidleitung (8) in einer Achsrichtung (9) und eine zweite Fluidleitung (10) in einer Zylinderwand der Drallkammer (6) eintreten. Eine erste Fluidströmung (12) strömt in axialer Richtung zu dem Düsenaustritt (4) hin und eine zweite Fluidströmung (14) tritt in die Drallkammer (6) ein. Die Vereinigung beider Fluidströmungen (12, 14) in der Drallkammer (6) bewirkt unterschiedliche Strahlgeometrien, die zwischen einem linearen Vollstrahl (32) und einem kegelförmigen Spray (30) variieren. Nach der Erfindung weist die erste Fluidleitung (8) ein Ventil (20, 22, 24) zur Einstellung des Volumenstroms auf. Die Querschnitte der ersten Fluidleitung (8) und der Drallkammer (6) stimmen überein und sind entlang der Achsrichtung (9) konstant. Alternativ weisen die Querschnitte der ersten Fluidleitung (8) und der Drallkammer (6) ein Durchmesserverhältnis zwischen 1,5 und 0,5 auf. Nach einer weiteren Alternative sind die Querschnitte der ersten Fluidleitung (8) und der Drallkammer (6) über einen strömungsstetigen Eintrittsbereich (7) mit einem Neigungswinkel β, β' verbunden, bei dem die Fluidströmung (12) sich nicht von der Wand ablöst. Die Erfindung betrifft auch eine Düsenanordnung mit wenigstens zwei Düsen.The invention relates to a device and a method for the adjustable influencing of a fluid as it exits a nozzle outlet (4), into which a first fluid line (8) flows in an axial direction (9) and a second fluid line (10) in a cylinder wall of the swirl chamber (6 ) enter. A first fluid flow (12) flows in the axial direction towards the nozzle outlet (4) and a second fluid flow (14) enters the swirl chamber (6). The combination of the two fluid flows (12, 14) in the swirl chamber (6) causes different jet geometries, which vary between a linear full jet (32) and a conical spray (30). According to the invention, the first fluid line (8) has a valve (20, 22, 24) for adjusting the volume flow. The cross sections of the first fluid line (8) and the swirl chamber (6) match and are constant along the axial direction (9). Alternatively, the cross sections of the first fluid line (8) and the swirl chamber (6) have a diameter ratio of between 1.5 and 0.5. According to a further alternative, the cross sections of the first fluid line (8) and the swirl chamber (6) are connected via a flow-constant entry area (7) with an angle of inclination β, β' at which the fluid flow (12) does not separate from the wall. The invention also relates to a nozzle arrangement with at least two nozzles.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur einstellbaren Beeinflussung eines Fluids beim Übertritt in den freien Raum aus einem Düsenaustritt, insbesondere eine Düse mit einstellbarer Strahlgeometrie, umfassend eine erste Fluidleitung, wenigstens eine zweite Fluidleitung, eine Drallkammer, in die die erste Fluidleitung zentral in Achsrichtung und die wenigstens eine zweite Fluidleitung in einer Zylinderwand der Drallkammer auf einer tangentialen Ebene in einem von einer Achsrichtung abweichenden Eintrittswinkel eintreten, um eine mit Drall behaftete Strömung zu erzeugen, die in Richtung Düsenaustritt orientiert ist, wobei eine erste Fluidströmung in der ersten Fluidleitung in axialer Richtung zu einem Düsenaustritt hin strömt und wenigstens eine zweite Fluidströmung in der wenigstens einen zweiten Fluidleitung an der Zylinderwand in die Drallkammer eintritt, wobei die Vereinigung beider Fluidströmungen in der Drallkammer bewirkt, dass in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den Volumenströmen der ersten Fluidströmung und der zweiten Fluidströmung unterschiedliche Strahlgeometrien in den freien Raum aus dem mit der Drallkammer verbundenen Düsenaustritt austreten, die zwischen einem linearen Vollstrahl und einem kegelförmigen Spray variierbar sind. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Düsenanordnung, die wenigstens zwei Düsen umfasst, sowie Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur einstellbaren Beeinflussung eines Fluids.The invention relates to a device for the adjustable influencing of a fluid when it passes into the free space from a nozzle outlet, in particular a nozzle with adjustable jet geometry, comprising a first fluid line, at least one second fluid line, a swirl chamber, into which the first fluid line runs centrally in the axial direction and the at least one second fluid line entering a cylinder wall of the swirl chamber on a tangential plane at an entry angle deviating from an axial direction in order to generate a swirling flow which is oriented towards the nozzle outlet, with a first fluid flow in the first fluid line being in the axial direction flows towards a nozzle outlet and at least one second fluid flow in the at least one second fluid line on the cylinder wall enters the swirl chamber, the combination of both fluid flows in the swirl chamber causing different fluid flows depending on the difference between the volume flows of the first fluid flow and the second fluid flow Jet geometries emerge into the free space from the nozzle outlet connected to the swirl chamber, which can be varied between a linear full jet and a conical spray. The invention further relates to a nozzle arrangement, which comprises at least two nozzles, as well as a method for operating a device for the adjustable influencing of a fluid.
In vielen industriellen Prozessen werden hydraulische Sprühdüsen genutzt, wie z. B. für Reinigungs-, Beschichtungs- oder Kühlvorgänge. Je nach gewählter Düsengeometrie lassen sich verschiedene Strahlformen erzeugen. Während eine Vollstrahlgeometrie einen kohärenten Vollstrahl erzeugt, der in einem kleinen Bereich große mechanische Kräfte und Masseströme ermöglicht, kann mit einer Zerstäubungsdüse ein Tropfenspray, nachfolgend kurz Spray genannt, realisiert werden, das eine verhältnismäßig große Fläche in kurzer Zeit benetzt. Zerstäubungsdüsen besitzen üblicherweise eine Geometrie, die eine Erhöhung der Turbulenz und/oder die Erzeugung eines Dralls in der Strömung verursacht, so dass ein Zerfall des Strahls herbeigeführt werden kann, wenn dieser den Düsenaustritt verlässt. Maßnahmen zur Steigerung der Turbulenz sind beispielsweise starke Strömungsumlenkung, abrupte Querschnittsänderungen oder eine Kollision von mehreren Teilströmungen nahe des Düsenaustritts. Ein Drall hingegen kann durch Dralleinsätze oder eine in eine Drallkammer tangential eingeleiteten Strömung erzeugt werden. Eine durch Drall verursachte Zerstäubung ermöglicht gleichmäßigere Sprays mit kleineren Tropfen als eine durch Turbulenz verursachte Zerstäubung. Vollstrahldüsen sind dem gegenüber so gestaltet, dass der austretende Vollstrahl auf eine möglichst große Distanz zusammenhängend bleibt. Dies kann z. B. durch strömungsgünstige Düsengeometrien und das Vermeiden abrupter Querschnittsänderungen realisiert werden.Hydraulic spray nozzles are used in many industrial processes, e.g. B. for cleaning, coating or cooling processes. Depending on the selected nozzle geometry, different jet shapes can be generated. While a full jet geometry generates a coherent full jet that enables large mechanical forces and mass flows in a small area, an atomizing nozzle can be used to create a droplet spray, hereinafter referred to as a spray, that wets a relatively large area in a short time. Atomizing nozzles usually have a geometry that causes an increase in turbulence and/or the creation of a swirl in the flow, so that a break-up of the jet can be induced as it leaves the nozzle exit. Measures to increase the turbulence are, for example, strong flow deflection, abrupt cross-sectional changes or a collision of several partial flows near the nozzle outlet. A swirl, on the other hand, can be generated by swirl inserts or a flow introduced tangentially into a swirl chamber. Swirl atomization allows for more uniform sprays with smaller droplets than turbulence atomization. Full jet nozzles, on the other hand, are designed in such a way that the exiting full jet remains coherent over as long a distance as possible. This can e.g. B. be realized by streamlined nozzle geometries and avoiding abrupt cross-sectional changes.
Weil die Strahlformen verschiedene, zum Teil gegensätzliche Eigenschaften aufweisen, ist ein bedarfsgerechter Wechsel der Strahlform für Prozesse mit insbesondere veränderlichen Prozessbedingungen und Anforderungen sinnvoll, um den Prozess effizient zu gestalten. Es bestehen zum Beispiel Potenziale bei der Reinigung von Behältern in der industriellen Lebensmittelproduktion oder bei der Reinigung von Bau- und Fahrzeugteilen, bei denen Verschmutzungen mit häufig wechselnden und inhomogenen Eigenschaften gereinigt werden müssen. Hierbei werden bewegliche, z. B. rotierende, Reinigungsgeräte genutzt, für die ein bedarfsgerechter Wechsel der Strahlform vorteilhaft sein kann.Because the jet shapes have different, sometimes conflicting properties, changing the jet shape as needed makes sense for processes with, in particular, changing process conditions and requirements in order to make the process efficient. There is potential, for example, in the cleaning of containers in industrial food production or in the cleaning of construction and vehicle parts where soiling with frequently changing and inhomogeneous properties has to be cleaned. Here are movable, z. B. rotating cleaning devices are used, for which a needs-based change in jet shape can be advantageous.
Bisher kommen jedoch in der Regel unveränderliche Düsengeometrien zum Einsatz, die keinen Wechsel zwischen Spray und Vollstrahl erlauben oder zusätzliche Steuerleitungen benötigen, um die notwendigen Schalt- bzw. Verstellvorgänge zu ermöglichen, was für insbesondere rotierende Systeme problematisch ist. Auf einen Wechsel der Strahlform wird gegenwärtig meist verzichtet. Stattdessen wird die Strahlform auch in unterschiedlichen Prozessschritten und bei verschiedenen Aufgaben beibehalten. Der Prozess ist infolgedessen oft ineffizient, da ein übermäßig hoher Verbrauch der Ressourcen Zeit, Wasser und Reinigungsflüssigkeit resultiert.So far, however, unchangeable nozzle geometries have generally been used, which do not allow a change between spray and full jet or require additional control lines to enable the necessary switching or adjustment processes, which is particularly problematic for rotating systems. Changing the jet shape is currently mostly avoided. Instead, the beam shape is retained in different process steps and for different tasks. As a result, the process is often inefficient, as the resources of time, water and cleaning fluid are consumed excessively.
Kann auf verschiedene Strahlformen nicht verzichtet werden, sind Prozesse oft mehrstufig gestaltet und es erfolgt eine bedarfsgerechte Umrüstung der Reinigungsgeräte für jeden Teilprozess. Dies erfordert einen hohen Zeit- und Personalaufwand zur Umrüstung der Düsen oder des ganzen Reinigungsgeräts und führt ebenfalls zu einem ineffizienten Prozess.If different jet shapes are indispensable, processes are often designed in several stages and the cleaning devices are converted as required for each sub-process. This requires a lot of time and personnel to change over the nozzles or the entire cleaning device and also leads to an inefficient process.
Weiterhin ist bekannt, neben einer axialen Strömung (Fluid) eine zweite Strömung (Fluid oder Luft) vor dem Düsenaustritt quer in die axiale Strömung einzuleiten, wodurch eine Zerstäubung hervorgerufen wird. Mit einer Zerstäubung, die durch eine Kollision von axialen und quer eingeleiteten Strömungen erzeugt wird, kann nicht die physikalische Zerstäubungscharakteristik einer Vollkegel- oder Hohlkegeldüse erreicht werden. Deren Zerstäubungscharakteristik beruht auf der Zerstäubung einer zuvor in Drall versetzten Strömung und weist keine Kollision mit axialen Strömungen auf. Dadurch kann eine gleichmäßige und feinere Zerstäubung realisiert werden. Dieses Konzept wird in den Druckschriften
Aus der Druckschrift
Weiterhin ist eine Lösung aus der Druckschrift
Der Düsenaustritt ist nach einer weiteren bekannten Lösung in seinem Querschnitt veränderlich gestaltet und ermöglicht dadurch ein veränderbares Zerstäubungsverhalten, wenn zusätzliche Austrittsgeometrien geöffnet werden bzw. die Fläche der bestehenden Öffnung verändert wird. Eine Düse mit veränderlicher Düsenöffnung ist aufwändiger herzustellen, störungsanfälliger und stellt höhere Anforderungen an die technische Umsetzung und die Nutzung im Vergleich zu einer Düse mit unveränderlicher Austrittsöffnung. Damit verbunden ist ein erhöhter Aufwand in der hygienegerechten Gestaltung, Wartung, Einhausung und Komplexität der Baugruppe. Eine derartige Lösung wird in den Druckschriften
Die Druckschriften
Weitere Druckschriften, die Möglichkeiten zur Veränderung einer Strahlform beleuchten, sind die
Dies trifft entsprechend auch auf die Druckschrift
Zur Verstellung von Mechanismen oder Ventilschaltungen werden häufig zusätzliche Steuerleitungen zur Signalübertragung benötigt oder müssen manuell betätigt werden. Dies wird in den Druckschriften
Eine weitere naheliegende und bereits praktizierte Lösung besteht im Einsatz von verschiedenen Düsengeometrien nebeneinander. Die beiden verschiedenen Düsengeometrien liegen in ihrer Geometrie unveränderlich, separat und nebeneinander vor, sodass über eine zuvor verzweigte Leitung ein gleichzeitiger Betrieb von Spray und Vollstrahl möglich ist oder diese durch Ventile bzw. einen Mechanismus so geschaltet werden, dass das Fluid nur aus einer der beiden Düsengeometrien austritt und entweder ein Spray oder ein Vollstrahl erzeugt wird. Der gleichzeitige Parallelbetrieb verschiedener Düsen geht mit einem übermäßig hohen Verbrauch an Wasser und Reinigungsflüssigkeit einher. Die paarweise Ausführung einer Vollstrahl- und einer Zerstäubungsdüse sowie das optionale Ventilsystem sind raumfordernd, da deren Strahlachsen nicht identisch sind, sondern nebeneinander vorliegen. Dadurch wäre eine Relativverschiebung zwischen Düse und anvisiertem Ziel notwendig ist, wenn nacheinander beide Strahlformen auf dasselbe Ziel gerichtet werden sollen. Dies erhöht den Auslegungs- und Steuerungsaufwand hinsichtlich der lokalen Zielgenauigkeit.Another obvious and already practiced solution is the use of different nozzle geometries side by side. The two different nozzle geometries are unchangeable in their geometry, separate and next to each other, so that a simultaneous operation of spray and full jet is possible via a previously branched line or they are switched by valves or a mechanism in such a way that the fluid only flows out of one of the two Nozzle geometries exits and either a spray or a full jet is generated. The simultaneous parallel operation of different nozzles is associated with an excessively high consumption of water and cleaning liquid. The paired design of a full jet and an atomizing nozzle as well as the optional valve system require space, since the jet axes are not identical, but side by side present. As a result, a relative shift between the nozzle and the intended target would be necessary if both jet shapes are to be directed at the same target one after the other. This increases the design and control effort with regard to local targeting accuracy.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Düse, eine Düsenanordnung und ein Verfahren zum Betrieb der Düse anzubieten, um damit eine einfache Möglichkeit zur Steuerung der Strahlform des aus der Düse austretenden Fluids zu erreichen.It is therefore the object of the present invention to offer a nozzle, a nozzle arrangement and a method for operating the nozzle in order to achieve a simple possibility of controlling the jet shape of the fluid exiting the nozzle.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur einstellbaren Beeinflussung eines Fluids beim Übertritt in den freien Raum aus einem Düsenaustritt, umfassend eine erste Fluidleitung, wenigstens eine zweite Fluidleitung und eine Drallkammer. In die Drallkammer treten die erste Fluidleitung zentral in Achsrichtung und die wenigstens eine zweite Fluidleitung in einer Zylinderwand der Drallkammer auf einer tangentialen Ebene in einem von einer Achsrichtung abweichenden Eintrittswinkel ein. Dies erfolgt, um eine mit Drall behaftete Strömung zu erzeugen, die in Richtung Düsenaustritt orientiert ist. Eine erste Fluidströmung strömt in der ersten Fluidleitung in axialer Richtung zu einem Düsenaustritt hin. Wenigstens eine zweite Fluidströmung tritt in der wenigstens einen zweiten Fluidleitung an der Zylinderwand in die Drallkammer ein. Die Vereinigung beider Fluidströmungen in der Drallkammer bewirkt, dass in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den Volumenströmen der ersten Fluidströmung und der zweiten Fluidströmung unterschiedliche Strahlgeometrien in den freien Raum aus dem mit der Drallkammer verbundenen Düsenaustritt austreten. Die Strahlgeometrien sind zwischen einem linearen Vollstrahl und einem kegelförmigen Spray variierbar. Das kegelförmige Spray tritt nach der bevorzugten Ausführungsform als Vollkegel aus dem Düsenaustritt, wobei nach einer alternativen Ausführungsform ein Hohlkegel vorgesehen ist.The object is achieved by a device for the adjustable influencing of a fluid as it passes into the free space from a nozzle outlet, comprising a first fluid line, at least one second fluid line and a swirl chamber. The first fluid line enters the swirl chamber centrally in the axial direction and the at least one second fluid line enters in a cylinder wall of the swirl chamber on a tangential plane at an entry angle deviating from an axial direction. This is done to create a swirling flow oriented toward the nozzle exit. A first fluid flow flows in the first fluid line in the axial direction towards a nozzle outlet. At least one second fluid flow enters the swirl chamber in the at least one second fluid line at the cylinder wall. The combination of both fluid flows in the swirl chamber causes different jet geometries to exit into the free space from the nozzle outlet connected to the swirl chamber, depending on the difference between the volume flows of the first fluid flow and the second fluid flow. The jet geometries can be varied between a linear full jet and a conical spray. According to the preferred embodiment, the cone-shaped spray emerges from the nozzle outlet as a full cone, with a hollow cone being provided according to an alternative embodiment.
Nach der Erfindung weist die erste Fluidleitung ein Ventil zur Einstellung des Volumenstroms der ersten Fluidströmung, der die Drallkammer erreicht, auf. Damit wird es möglich, durch ein einziges Ventil die Strahlform zu steuern und den Wechsel zwischen Vollstrahl und Spray zu initiieren. Es hat sich überraschend gezeigt, dass die Beeinflussung der ersten Fluidströmung ausreicht, um den Wechsel zwischen Vollstrahl und Spray hervorzurufen. Eine zusätzliche Beeinflussung der zweiten Fluidströmung ist nicht erforderlich. Dadurch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung als kompakte und einfache Düse mit einem einzigen Ventil ausgeführt werden. Das Ventil ist zudem vorzugsweise als ein einfaches ein 2/2-Wege-Ventil ausgeführt, das für die gewünschte Funktion ausreicht.According to the invention, the first fluid line has a valve for adjusting the volume flow of the first fluid flow that reaches the swirl chamber. This makes it possible to control the jet shape with a single valve and to initiate the change between full jet and spray. Surprisingly, it has been shown that influencing the first fluid flow is sufficient to bring about the change between full jet and spray. An additional influencing of the second fluid flow is not required. As a result, the device according to the invention be designed as a compact and simple nozzle with a single valve. The valve is also preferably designed as a simple 2/2-way valve that is sufficient for the desired function.
Weiterhin ist nach einer ersten Alternative vorgesehen, dass der Durchmesser des axialen Kanals, der ersten Fluidleitung, gleich dem Durchmesser der Drallkammer und der Querschnitt über die erste Fluidleitung und die Drallkammer hinweg, in Achsrichtung betrachtet, konstant ist. Dadurch wird die axiale Strömung nicht behindert und es werden keine geometriebedingten Turbulenzen oder Druckverluste beim bzw. bis zum Eintritt der axialen Strömung in die Drallkammer erzeugt. Nach einer zweiten Alternative sind die die Querschnitte der ersten Fluidleitung und der Drallkammer unterschiedlich und weisen ein Durchmesserverhältnis, das Verhältnis des Durchmessers der ersten Fluidleitung zum Durchmesser der Drallkammer, zwischen 1,5 und 0,5, bevorzugt zwischen 1,3 und 0,7 oder besonders bevorzugt zwischen 1,1 und 0,9 auf.Furthermore, according to a first alternative, it is provided that the diameter of the axial channel, the first fluid line, is equal to the diameter of the swirl chamber and the cross section across the first fluid line and the swirl chamber, viewed in the axial direction, is constant. As a result, the axial flow is not impeded and no geometry-related turbulences or pressure losses are generated during or until the axial flow enters the swirl chamber. According to a second alternative, the cross sections of the first fluid line and the swirl chamber are different and have a diameter ratio, the ratio of the diameter of the first fluid line to the diameter of the swirl chamber, between 1.5 and 0.5, preferably between 1.3 and 0.7 or more preferably between 1.1 and 0.9.
Soweit die Querschnitte der ersten Fluidleitung und der Drallkammer unterschiedlich sind, ist es alternativ oder zusätzlich vorgesehen, dass die abweichenden Querschnitte der ersten Fluidleitung und der Drallkammer über einen strömungsstetigen Eintrittsbereich mit einem Neigungswinkel β bzw. β' verbunden sind. Das hat zur Folge, dass sich die erste Fluidströmung im Fall einer laminaren Strömungsart nicht von der Wand ablöst, sondern laminar an der Wand entlangströmt und dadurch den Drall der eintretenden zweiten Fluidströmung besonders effektiv und verlustarm eliminiert.If the cross sections of the first fluid line and the swirl chamber are different, it is alternatively or additionally provided that the different cross sections of the first fluid line and the swirl chamber are connected via a flow-constant entry area with an angle of inclination β or β′. The consequence of this is that the first fluid flow does not separate from the wall in the case of a laminar flow type, but instead flows laminarly along the wall and thereby eliminates the swirl of the incoming second fluid flow particularly effectively and with little loss.
Der Grenzfall für die Durchmesserverhältnisse an den Grenzen der oben angegebene Bereiche hängt bei weiterer Vergrößerung der Bereiche nicht mehr primär nur von dem Durchmesserverhältnis zwischen der Drallkammer und der ersten Fluidleitung ab, sondern auch von der übrigen Düsengeometrie, die ebenfalls einen Einfluss hat, da auch andere geometrische Größen den Drall reduzieren bzw. zur Eliminierung beitragen können. Diese sind z. B.:
- Querschnittsfläche aller zweiten Fluidleitungen (je größer, desto stärker wird der Drall reduziert);
- Anzahl der zweiten Fluidleitungen (bei gleicher Querschnittsgesamtfläche reduziert eine zweiten Fluidleitung den Drall stärker als zwei zweite Fluidleitungen);
- Eintrittswinkel α - Eintritt der zweiten Fluidleitung in die Zylinderwand der Drallkammer (je steiler der Eintrittswinkel α bzw. je näher an 90°, desto stärker wird der Drall reduziert im Vergleich zu flacherem Eintrittswinkel α, z. B. 60°);
- Länge des Abschnitts an der Düsenmündung mit kleinstem Durchmesser (je länger, desto mehr Reibung mit der Wand und desto stärker wird der Drall reduziert);
- Durchmesser des Düsenaustritts (je kleiner, desto stärker beeinflusst die Wandreibung die austretende Strömung und desto stärker wird Drall reduziert).
- Cross-sectional area of all second fluid lines (the larger, the more the swirl is reduced);
- Number of second fluid lines (with the same overall cross-sectional area, one second fluid line reduces the swirl more than two second fluid lines);
- Entry angle α - Entry of the second fluid line into the cylinder wall of the swirl chamber (the steeper the entry angle α or the closer to 90°, the more the swirl is reduced compared to a flatter entry angle α, e.g. 60°);
- length of the section at the nozzle mouth with the smallest diameter (the longer, the more friction with the wall and the more the swirl is reduced);
- Diameter of the nozzle outlet (the smaller, the more the wall friction influences the exiting flow and the more the swirl is reduced).
Der Wert des Sprühwinkels γ ist ein Indiz dafür, wie stark der Drall bei ansonsten gleichbleibenden Bedingungen (Druck etc.) auf dem Weg durch die Düse reduziert wurde: Je kleiner der Winkel beim Austritt ausfällt, desto stärker wurde der Drall im Düseninneren reduziert.The value of the spray angle γ is an indication of how much the swirl was reduced on the way through the nozzle under otherwise constant conditions (pressure, etc.): The smaller the angle at the exit, the more the swirl inside the nozzle was reduced.
Das heißt, für eine Düse mit kleinem Durchmesser des Düsenaustritts wird der Drall schon allein durch diesen stark reduziert, sodass auch ein eher ungünstiges Durchmesserverhältnis für Drallkammer zur ersten Fluidleitung von geschätzt beispielsweise 0,3 dazu führt, dass der Drall beim Zuschalten der ersten Fluidleitung trotzdem vollständig eliminiert wird, was bei einem größeren Austrittsdurchmesser nicht der Fall gewesen wäre. Ein kleiner Düsenaustrittsdurchmesser führt daneben zu einem insgesamt kleineren Sprühwinkel γ beim Spraybetrieb, der dann in Kauf genommen werden muss. Alle oben angegebenen geometrischen Größen beeinflussen damit den Drall sowohl im Strahl- als auch im Spraybetrieb, unabhängig von der Ventilstellung.This means that for a nozzle with a small diameter of the nozzle outlet, the swirl is already greatly reduced by this alone, so that even a rather unfavorable diameter ratio for the swirl chamber to the first fluid line of approximately 0.3, for example, results in the swirl nevertheless occurring when the first fluid line is switched on is completely eliminated, which would not have been the case with a larger outlet diameter. A small nozzle outlet diameter also leads to an overall smaller spray angle γ during spray operation, which then has to be accepted. All of the geometric variables specified above thus influence the twist both in jet and in spray operation, regardless of the valve position.
Die erfindungsgemäßen Merkmale, das Durchmesserverhältnis von Drallkammer zur ersten Fluidleitung bzw. der strömungsstetige Übergang, haben hingegen nur einen drallvermindernden Einfluss im Strahlbetrieb, da nur hier die erste Fluidleitung geöffnet ist. Das heißt, dadurch kann die restliche Düsengeometrie günstig gestaltet werden, so dass der Drall kaum reduziert wird und große Sprühwinkel ermöglich werden, wenn das Spray austritt. In der Folge wird es möglich, eine große Fläche zu besprühen und kleinere, feinere Tropfen zu erzeugen, die zu einem besserem Benetzungsverhalten führen.The features according to the invention, the diameter ratio of the swirl chamber to the first fluid line or the flow-constant transition, however, only have a swirl-reducing effect in jet operation, since the first fluid line is only open here. This means that the rest of the nozzle geometry can be designed favorably so that the swirl is hardly reduced and large spray angles are made possible when the spray emerges. As a result, it becomes possible to spray a large area and produce smaller, finer droplets that lead to better wetting behavior.
Auch wenn die Dralleliminierung bei einer laminaren Strömung besonders effizient zu erreichen ist, die darüber hinaus Druckverluste minimiert, hat sich überraschend gezeigt, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch dann noch den Wechsel zwischen Spray und Vollstrahl erreicht, wenn keine laminare Strömung mehr vorliegt. Bei höheren Drücken kommt es zu größeren Strömungsgeschwindigkeiten im Düseninneren, sodass die kritische Reynoldszahl überschritten wird und die Strömung turbulent wird. Die Dralleliminierung findet auch im Bereich der turbulenten Strömungen statt, wobei ein erfolgreicher Wechsel zum Vollstrahl vollzogen wird. Das Verhindern einer Strömungsablösung, bei der Turbulenzen entstehen, ist zwar vorteilhaft, aber nicht zwingend erforderlich für die Dralleliminierung.Even if the elimination of swirl can be achieved particularly efficiently with a laminar flow, which also minimizes pressure losses, it has surprisingly been shown that the device according to the invention can still make the change between the spray and the full jet when the flow is no longer laminar. Higher pressures result in higher flow velocities inside the nozzle, so that the critical Reynolds number is exceeded and the flow becomes turbulent. The elimination of swirl also takes place in the area of turbulent flows, with a successful change to the full jet being completed. Preventing flow separation, which causes turbulence, is advantageous, but not absolutely necessary for the elimination of swirl.
Zusammengefasst erfolgt die Dralleliminierung somit zuverlässig unter allen drei Grundkonstellationen:
- Variante 1: konstante Querschnitte (entspricht einem "Neigungswinkel=0°" beim Übergang der ersten Fluidleistung in die Drallkammer);
- Variante 2: Querschnittsverhältnis erste Fluidleistung/Drallkammer mit sprunghaftem
Übergang im Verhältnis 0,5... 1,5,vorzugsweise 0,7... 1,3; - Variante 3: Übergang der ersten Fluidleistung in die Drallkammer mit dem Neigungswinkel β, β'.
- Variant 1: constant cross-sections (corresponds to an "inclination angle=0°" when the first fluid power transitions into the swirl chamber);
- Variant 2: Cross-sectional ratio of the first fluid output/swirl chamber with an abrupt transition in the ratio 0.5...1.5, preferably 0.7...1.3;
- Variant 3: Transition of the first fluid output into the swirl chamber with the angle of inclination β, β'.
Nach der bevorzugten Ausführungsform tritt aus dem Düsenaustritt der Vollstrahl aus, wenn das Ventil die erste Fluidleitung freigibt. Aus dem Düsenaustritt tritt hingegen das Spray aus, wenn das Ventil die erste Fluidleitung sperrt, sodass nur die wenigstens eine zweite Fluidströmung in die Drallkammer eintritt.According to the preferred embodiment, the full jet emerges from the nozzle outlet when the valve releases the first fluid line. On the other hand, the spray emerges from the nozzle outlet when the valve blocks the first fluid line, so that only the at least one second fluid flow enters the swirl chamber.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das Ventil entsprechend dem Fluiddruck, der am Eingang des Ventils, an dessen zum Fluidanschluss hin weisenden Seite, anliegt. Es arbeitet druckabhängig und ist entweder in einem ersten Fluiddruckbereich in Bezug auf einen engen Schaltpunktdruck oder einen breiteren Übergangsbereich (dem "ersten Fluiddruckbereich" zuzuordnen) des Ventils geöffnet und in einem zweiten Fluiddruckbereich geschlossen oder umgekehrt, indem es in dem ersten Fluiddruckbereich geschlossen und in dem zweiten Fluiddruckbereich geöffnet ist. In der Folge entstehen beispielsweise bei geringen Drücken unterhalb des Schaltpunktdrucks ein Spray und bei hohen Drücken oberhalb des Schaltpunktdrucks ein Vollstrahl oder umgekehrt. Das Ventil kann jedenfalls so ausgeführt sein, dass es am Schaltpunktdruck bei Erhöhung des Fluiddrucks öffnet und bei Absinken des Fluiddrucks unter den Schaltpunktdruck schließt oder umgekehrt.It has proven to be particularly advantageous if the valve is applied in accordance with the fluid pressure that is present at the inlet of the valve on its side pointing towards the fluid connection. It works pressure-dependent and is either open in a first fluid pressure range in relation to a narrow switching point pressure or a wider transition range (to be assigned to the "first fluid pressure range") of the valve and closed in a second fluid pressure range or vice versa by being closed in the first fluid pressure range and in the second fluid pressure area is open. As a result, for example, a spray occurs at low pressures below the switching point pressure and a full jet at high pressures above the switching point pressure or vice versa. In any case, the valve can be designed in such a way that it opens at the switching point pressure when the fluid pressure increases and closes when the fluid pressure falls below the switching point pressure, or vice versa.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform mit einem Ventil, das stets beim gleichen Druck öffnet und schließt, es also keine Hysterese gibt, und bei der das Ventil von einem ersten Fluiddruck an, der kleiner ist als der Schaltpunktdruck des Ventils, und in dem gesamten ersten Fluiddruckbereich geschlossen ist, während es von einem zweiten Fluiddruck an, der größer ist als der Schaltpunktdruck des Ventils, und in dem gesamten zweiten Fluiddruckbereich geöffnet ist. Alternativ hierzu ist eine Ausführungsform vorgesehen, bei der der erste Fluiddruck bzw. Fluiddruckbereich höher ist als der zweite.An embodiment with a valve that always opens and closes at the same pressure, i.e. there is no hysteresis, and in which the valve starts at a first fluid pressure that is lower than the switching point pressure of the valve and in the entire first fluid pressure range is particularly preferred is closed while open from a second fluid pressure greater than the switch point pressure of the valve and throughout the second fluid pressure range. As an alternative to this, an embodiment is provided in which the first fluid pressure or fluid pressure range is higher than the second.
Alternativ wird zwischen dem ersten Fluiddruckbereich und dem zweiten Fluiddruckbereich ein Übergangsbereich mit einem teilweise geschlossenen Ventil anstelle des Schaltpunktes ausgebildet. In dem Übergangsbereich bildet sich ein kegelförmiges Spray aus.Alternatively, a transition area with a partially closed valve is formed between the first fluid pressure area and the second fluid pressure area in place of the switching point. A cone-shaped spray forms in the transition area.
Das Ventil kann in unterschiedlichen Ausführungen zum Einsatz kommen, die in unterschiedliche Funktionsgruppen nach Art der Vorspannung (pneumatisch, hydraulisch, mechanisch, inhärent), den Materialeigenschaften eines Schließkörpers (elastisch, starr, kompressibel, inkompressibel) und der Geometrie (membranförmig, ausgeführt als Klappe, Schieber, Nadel oder Zylinder) unterteilt werden können. Eine Kombination der Funktionsgruppen ermöglicht eine Vielzahl von Ausführungsformen des Ventils.The valve can be used in different versions, which are divided into different functional groups according to the type of preload (pneumatic, hydraulic, mechanical, inherent), the material properties of a closing body (elastic, rigid, compressible, incompressible) and the geometry (membrane-shaped, designed as a flap , slider, needle or cylinder) can be subdivided. A combination of the functional groups enables a large number of embodiments of the valve.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ventil als ein pneumatisch vorgespanntes Membranventil ausgebildet, das einmalig vor Betrieb zur Festlegung eines Schaltpunktdrucks mit Druckluft befüllt und dann abgeriegelt wird. Dies ist besonders vorteilhaft, weil eine variable Anpassung der Funktion durch Änderung des pneumatischen Drucks, damit des Schaltpunktdrucks, im einfachsten Fall des Luftdrucks, der gegen die Membran im Ventil wirkt, erzielt werden kann. Der Schaltpunktdruck des Ventils kann damit besonders komfortabel eingestellt werden.According to a preferred embodiment, the valve is designed as a pneumatically prestressed membrane valve which is filled with compressed air once before operation to determine a switching point pressure and is then sealed off. This is particularly advantageous because variable adjustment of the function can be achieved by changing the pneumatic pressure, and thus the switching point pressure, in the simplest case the air pressure that acts against the membrane in the valve. The switching point pressure of the valve can thus be set particularly conveniently.
Alternativ hierzu ist das Ventil als ein mit mechanischer Federanordnung, die auf einen starren Schließkörper (wie z. B. eine Klappe, einen Schieber, eine Nadel oder einen Zylinder) wirkt, vorgespanntes Ventil ausgebildet. Darüber hinaus kann auch ein elastischer Schließkörper, wie ihn z. B. eine Membran verkörpert, zum Einsatz kommen. Eine weitere, besonders einfache und robuste Alternative ist ein Ventil, das als kompressibler, elastischer Körper ausgeführt ist. Weitere Ausführungsformen umfassen starre Schließzylinder, die pneumatisch vorgespannt sind, bewegt werden und als Ventil fungieren.As an alternative to this, the valve is designed as a valve which is preloaded with a mechanical spring arrangement which acts on a rigid closing body (such as a flap, a slide, a needle or a cylinder). In addition, an elastic closing body, as z. B. embodies a membrane, are used. Another particularly simple and robust alternative is a valve that is designed as a compressible, elastic body. Other embodiments include rigid locking cylinders that are pneumatically preloaded, move and act as a valve.
Alternativ weist das Ventil anstelle einer mechanischen Federanordnung ein einander anziehendes Permanentmagnetenpaar auf, das auf einen starren oder flexiblen Schließkörper wirkt. Der Fluiddruck p überwindet zum Öffnen des Ventils die Magnetkraft, sodass die erste Fluidströmung hindurch und in die Drallkammer eintreten kann. Anstelle mit einem Permanentmagnetenpaar kann das Ventil auch mit einem einzelnen Magneten in Wechselwirkung mit einem ferromagnetischen Material ausgeführt werden. Der Magnet ist vorzugweise ein Permanentmagnet, weil er eine sehr einfache Lösung darstellt. Stattdessen kann aber auch ein Elektromagnet zum Einsatz kommen.Alternatively, instead of a mechanical spring arrangement, the valve has a pair of permanent magnets that attract one another and act on a rigid or flexible closing body. The fluid pressure p overcomes the magnetic force to open the valve, allowing the first fluid flow to pass through and into the swirl chamber. Instead of using a pair of permanent magnets, the valve can also be designed with a single magnet interacting with a ferromagnetic material. The magnet is preferably a permanent magnet because it is a very simple solution. Instead, however, an electromagnet can also be used.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Eintrittswinkel α der zweiten Fluidleitung bzw. des zweiten Fluids zwischen 60° und 90° bezogen auf die Achsrichtung beträgt. Die bevorzugte Drallkammer ist außerdem zwischen dem Ort des Eintritts der wenigstens einen zweiten Fluidleitung und dem Düsenaustritt strömungsstetig und ohne wesentliche, die Strömung beeinflussende und ohne sprunghafte Geometrie- bzw. Querschnittsänderungen ausgeführt. Der Querschnitt ist demnach im Wesentlichen konstant über die axiale Länge der Drallkammer.It has proven to be advantageous if the entry angle α of the second fluid line or of the second fluid is between 60° and 90° in relation to the axial direction. The preferred swirl chamber is also designed to be flow-constant between the point at which the at least one second fluid line enters and the nozzle exit and without significant changes in geometry or cross-section that affect the flow and without abrupt changes. Accordingly, the cross section is essentially constant over the axial length of the swirl chamber.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform gehen die erste Fluidleitung und die wenigstens eine zweite Fluidleitung aus wenigstens einer Verzweigung hervor, in der eine in die Düse über den Fluidanschluss eintretende Fluidströmung in Teilströme, die erste Fluidströmung und wenigstens eine zweite Fluidströmung, aufgeteilt wird. Die wenigstens eine Verzweigung ist vor dem Ventil, also zwischen Fluidanschluss und Ventil, angeordnet. Damit ist nur ein Fluidanschluss notwendig und es müssen nicht mehrere Fluidleitungen zu dem Ventil geführt werden und dieses wird zugleich kompakter und einfacher im Aufbau.In a preferred embodiment, the first fluid line and the at least one second fluid line result from at least one branch, in which a fluid flow entering the nozzle via the fluid connection is divided into partial flows, the first fluid flow and at least one second fluid flow. The at least one branch is arranged in front of the valve, ie between the fluid connection and the valve. This means that only one fluid connection is necessary and there is no need for a number of fluid lines to be routed to the valve, which is also more compact and simpler in construction.
Vorzugsweise besitzt die erste Fluidleitung einen größeren Querschnitt als die zweite Fluidleitung. Damit und vor allem mit dem Verhältnis der Querschnitte beider Fluidleitungen wird bestimmt, dass die erste Fluidströmung als Vollstrahl den Düsenaustritt verlässt, ohne von der zweiten Fluidströmung in der Drallkammer beeinträchtigt zu werden. Die Berücksichtigung der Querschnitte ist eine Voraussetzung dafür, dass das Umschalten zwischen beiden Strahlformen allein mit einem einzigen Ventil im Sinne der Erfindung erreicht werden kann.The first fluid line preferably has a larger cross section than the second fluid line. With this and above all with the ratio of the cross sections of both fluid lines it is determined that the first fluid flow leaves the nozzle outlet as a full jet without being impaired by the second fluid flow in the swirl chamber. The consideration of the cross sections is one Prerequisite for switching between the two jet forms can be achieved solely with a single valve within the meaning of the invention.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass der Düsenaustritt als bekannter und üblicherweise verwendeter Vollstrahldüsenaustritt ausgebildet sein kann. Dieses Bauteil kann daher als standardisiertes, günstig verfügbares Bauteil in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbaut werden, ohne dass ein Spezialteil für den Düsenaustritt angefertigt werden muss. Darüber hinaus hat sich aber gezeigt, dass mit verschiedenen abweichenden Düsengeometrien zusätzliche Effekte erzielt werden können.Surprisingly, it has been shown that the nozzle outlet can be designed as a known and commonly used solid jet nozzle outlet. This component can therefore be installed in the device according to the invention as a standardized, inexpensive component without having to produce a special part for the nozzle outlet. In addition, however, it has been shown that additional effects can be achieved with various different nozzle geometries.
Als geeignete Düsengeometrie hat sich ein verjüngender und anschließend entlang eines Radius erweiternder Querschnitt erwiesen, ähnlich dem Schallstück einer Trompete, nachfolgend als Radiusdüsenaustritt bezeichnet. Eine weitere geeignete Düsengeometrie weist einen verjüngenden und sich anschließend entlang einer Fase erweiternden Querschnitt auf, ähnlich einer Senkbohrung, nachfolgend als Fasendüsenaustritt bezeichnet. Bei diesen Düsengeometrien löst sich der Vollstrahl an der Stelle mit dem kleinsten Querschnitt von der Wand ab und tritt weiterhin als Vollstrahl mit geringfügigen Einbüßen an Stabilität aus, während das Spray durch Entlanggleiten an der sich im Querschnitt nochmals erweiternden Austrittsgeometrie, Radius oder Fase, einen noch größeren Sprühwinkel erreichen kann.A cross section that tapers and then widens along a radius, similar to the bell of a trumpet, referred to below as the radius nozzle outlet, has proven to be a suitable nozzle geometry. Another suitable nozzle geometry has a cross section that tapers and then widens along a chamfer, similar to a counterbore, referred to below as the chamfer nozzle outlet. With these nozzle geometries, the full jet detaches from the wall at the point with the smallest cross-section and continues to emerge as a full jet with minor losses in stability, while the spray, by gliding along the outlet geometry, radius or bevel, which widens again in the cross-section, still can achieve a larger spray angle.
Vorzugsweise ist die Vorrichtung als eine Reinigungsdüse ausgeführt und zur Abgabe einer Reinigungsflüssigkeit vorgesehen. Wie eingangs erläutert, ist gerade bei Reinigungsvorgängen häufig ein Wechsel der Strahlform notwendig, um effizient und mit hoher Wirksamkeit reinigen zu können.The device is preferably designed as a cleaning nozzle and is provided for dispensing a cleaning liquid. As explained at the beginning, it is often necessary to change the jet shape during cleaning processes in order to be able to clean efficiently and with high effectiveness.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin gelöst durch eine Düsenanordnung, die wenigstens zwei Düsen der zuvor beschriebenen Art umfasst. In diese tritt ein Fluid über einen zumindest strömungstechnisch mit einer Zuleitung verbundenen Fluidanschluss oder alternativ über separate Fluidanschlüsse mit jeweils einstellbarem Fluiddruck in jeder Zuleitung zu einer der Düsen ein.The object of the invention is further achieved by a nozzle arrangement which comprises at least two nozzles of the type described above. A fluid enters this via a fluid connection which is at least fluidically connected to a supply line or alternatively via separate fluid connections with an adjustable fluid pressure in each supply line to one of the nozzles.
Nach der Erfindung sind wenigstens zwei der Düsen Vorrichtungen, wie sie zuvor beschrieben wurden, und weisen Ventile mit jeweils separat einstellbaren Schaltpunktdrücken auf, die auch unterschiedlich eingestellt sein können, um die gewünschte Funktion zu erreichen. In der Folge können die Ventile in Abhängigkeit vom anliegenden Fluiddruck unterschiedlich geschaltet werden. Der Austritt des Vollstrahls und des kegelförmigen Sprays kann in der Weise variiert werden, dass alle oder ein Teil der Vorrichtungen den linearen Vollstrahl oder das Spray abgeben.According to the invention, at least two of the nozzle devices are as described above and have valves, each with separately adjustable switching point pressures, which can also be set differently in order to to achieve the desired function. As a result, the valves can be switched differently depending on the applied fluid pressure. The output of the solid jet and the cone-shaped spray can be varied in such a way that all or part of the devices emit the linear solid jet or the spray.
Bei einer solchen Anwendung mehrerer Düsen im Parallelbetrieb wird ein vom Druck der Betriebsflüssigkeit, dem Fluid, gesteuertes Ventil eingesetzt und mehrere Düsen werden an eine Druckleitung, die Fluidleitung, angeschlossen. Damit können verschiedene Betriebszustände realisiert werden. Wenn alle Düsen den gleichen Schaltpunkt aufweisen, können alle Düsen entweder das Spray oder den Vollstrahl erzeugen. Wenn die einzelnen Düsen verschiedene Schaltpunkte aufweisen, gibt es zusätzliche Betriebszustände, bei denen Spray und Vollstrahl gleichzeitig mit verschiedenen Düsen erzeugt werden (Hybridbetrieb). Dabei ist nur eine Steuerleitung (die Fluidleitung) notwendig, um den gewünschten Betriebszustand gezielt einzustellen. Das Gesamtsystem ist dadurch noch flexibler einsetzbar.With such an application of several nozzles in parallel operation, a valve controlled by the pressure of the operating liquid, the fluid, is used and several nozzles are connected to a pressure line, the fluid line. This allows various operating states to be implemented. If all nozzles have the same switching point, all nozzles can produce either the spray or the full jet. If the individual nozzles have different switching points, there are additional operating states in which spray and full jet are generated simultaneously with different nozzles (hybrid operation). In this case, only one control line (the fluid line) is necessary in order to set the desired operating state in a targeted manner. The overall system can therefore be used even more flexibly.
Damit können beispielsweise unterschiedliche Reinigungsprozesse oder, im Fall von unterschiedlichen Zuleitungen, sogar die Anwendung verschiedener Reinigungsmittel zeitgleich vollzogen werden. Wenn die Ventile als pneumatisch vorgespannte Membranventile ausgebildet sind, können die unterschiedlichen Schaltpunktdrücke variabel und bedarfsgerecht voreingestellt und auch später noch verändert werden.For example, different cleaning processes or, in the case of different supply lines, even the use of different cleaning agents can be carried out at the same time. If the valves are designed as pneumatically preloaded membrane valves, the different switching point pressures can be preset variably and as required and also changed later.
Eine weitere Lösung der Aufgabe der Erfindung besteht in einem Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur einstellbaren Beeinflussung eines Fluids beim Übertritt in den freien Raum aus einem Düsenaustritt, wie sie zuvor beschrieben wurde. Der Verfahrensablauf umfasst zwei unterschiedliche Einstellungen bzw. Prozessstufen.A further solution to the object of the invention consists in a method for operating a device for the adjustable influencing of a fluid when it passes into the free space from a nozzle outlet, as has been described above. The procedure includes two different settings or process stages.
Nach der Erfindung tritt in der ersten Einstellung der lineare Vollstrahl aus, indem das erste Fluid das geöffnete Ventil passiert und zusammen mit der zweiten Fluidströmung in die Drallkammer eintritt. Dabei hat sich überraschenderweise gezeigt, dass der Einfluss der zweiten Strömung in der Drallkammer nicht zur Zerstörung des Vollstrahls führt. Die Kollision der Fluidströmungen und die Gestaltung der Düsengeometrie im Übrigen, insbesondere die Verjüngung im Düsenaustritt, führen dazu, dass der durch die zweite Fluidströmung eingebrachte Drall im nachfolgenden Düsenabschnitt stark verringert wird und die Strömung letztlich als Vollstrahl austritt. Eine zusätzliche Beeinflussung der zweiten Fluidströmung kann daher unterbleiben, was zu einer erheblichen Vereinfachung führt.According to the invention, the linear full jet emerges in the first setting, in that the first fluid passes through the open valve and enters the swirl chamber together with the second fluid flow. Surprisingly, it was shown that the influence of the second flow in the swirl chamber does not lead to the full jet being destroyed. The collision of the fluid flows and the configuration of the nozzle geometry, in particular the taper in the nozzle outlet, mean that the swirl introduced by the second fluid flow is greatly reduced in the subsequent nozzle section and the flow ultimately exits as a full jet. An additional Influencing of the second fluid flow can therefore be omitted, which leads to a significant simplification.
In der zweiten Einstellung tritt das kegelförmige Spray aus, indem die erste Fluidströmung durch das geschlossene Ventil gehindert wird, in die Drallkammer einzutreten und dort die Ausbildung des Dralls der zweiten Fluidströmung zu stören. Durch den Drall, den die zweite Fluidströmung erfährt, kommt es zur Bildung des Sprays als der gewünschten Strahlform am Düsenaustritt.In the second setting, the cone-shaped spray exits by preventing the first fluid flow through the closed valve from entering the swirl chamber and disturbing the formation of the swirl of the second fluid flow there. The swirl experienced by the second fluid flow results in the formation of the spray as the desired jet shape at the nozzle outlet.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das geschlossene Ventil an einem Schaltpunktdruck bei Erreichen eines Öffnungsdruckbereichs öffnet und das geöffnete Ventil bei Erreichen eines Schließdruckbereichs der ersten Fluidströmung geschlossen wird. In dem Zwischenbereich zwischen dem Öffnungsdruckbereich und dem Schließdruckbereich, wobei der Zwischenbereich den Schaltpunktdruck definiert, vollzieht sich der Prozess des Umschaltens des Ventils von der geschlossenen Stellung in die geöffnete Stellung oder umgekehrt. Demnach vollzieht sich der Prozess des Umschaltens bei Erreichen eines Öffnungsdruckbereichs bzw. bei Erreichen eines Schließdruckbereichs, je nach Änderungsrichtung des Fluiddrucks. Vom Erreichen des Öffnungsdruckbereichs an ist das Ventil bei ansteigendem Fluiddruck geöffnet und umgekehrt, bei sinkendem Fluiddruck, vom Erreichen des Schließdruckbereichs an geschlossen. Dies gilt, wenn der Öffnungsdruckbereich über dem Schließdruckbereich liegt, anderenfalls ist das Verhalten umgekehrt. Damit werden in Abhängigkeit vom Fluiddruck, der an dem drucksensitiven Ventil anliegt, wie oben beschrieben, über die Steuerung der ersten Fluidströmung letztlich die erste und die zweite Einstellung der Strahlform erreicht.It has proven to be advantageous if the closed valve opens at a switching point pressure when an opening pressure range is reached and the open valve is closed when the first fluid flow reaches a closing pressure range. In the intermediate range between the opening pressure range and the closing pressure range, with the intermediate range defining the switching point pressure, the process of switching the valve from the closed position to the open position or vice versa takes place. Accordingly, the switching process takes place when an opening pressure range is reached or when a closing pressure range is reached, depending on the direction in which the fluid pressure changes. From reaching the opening pressure range, the valve is opened with increasing fluid pressure and vice versa, with decreasing fluid pressure, closed from reaching the closing pressure range. This applies when the cracking pressure range is above the closing pressure range, otherwise the behavior is reversed. Thus, depending on the fluid pressure applied to the pressure-sensitive valve, as described above, the first and the second adjustment of the jet shape are ultimately achieved via the control of the first fluid flow.
Der Zwischenbereich zwischen dem Öffnungsdruckbereich und dem Schließdruckbereich ist sehr klein, weshalb die aus dem Zwischenbereich resultierende minimale Hysterese vernachlässigt und der kleine Zwischenbereich als Schaltpunkt betrachtet werden kann. Beispielhaft sei der Niederdruckbereich von p=1,0 bar bis p=6,0 bar genannt, der für die industrielle Reinigung bei der Konsumgüterproduktion primär relevant ist. In diesem Bereich schaltet das Membranventil bei einer Druckänderung des Fluids von p=0,1 bar, also in einem sehr kleinen Zwischenbereich bezogen auf den gesamten Arbeitsbereich, der somit als Schaltpunkt bzw. auf den Fluiddruck bezogen als Schaltpunktdruck angesehen wird. Bevorzugt ist demnach eine Variante, bei der keine Hysterese auftritt und der Schließdruckbereich unmittelbar an den Öffnungsdruckbereich grenzt, sodass es zu dem oben beschriebenen Schaltpunkt kommt, an dem sich der Prozess des Schaltens vollzieht. Dabei liegt entweder der Öffnungsdruckbereich der ersten Fluidströmung über dem Schließdruckbereich oder alternativ dazu der Schließdruckbereich über dem Öffnungsdruckbereich.The intermediate range between the opening pressure range and the closing pressure range is very small, which is why the minimal hysteresis resulting from the intermediate range can be neglected and the small intermediate range can be regarded as the switching point. An example is the low-pressure range from p=1.0 bar to p=6.0 bar, which is primarily relevant for industrial cleaning in consumer goods production. In this range, the diaphragm valve switches when the pressure of the fluid changes by p=0.1 bar, i.e. in a very small intermediate range in relation to the entire working range, which is therefore regarded as the switching point or, in relation to the fluid pressure, as the switching point pressure. Accordingly, a variant is preferred in which no hysteresis occurs and the closing pressure range directly borders the opening pressure range, so that the above-described switching point occurs, at which the switching process takes place. In this case, either the opening pressure range of the first fluid flow is above the closing pressure range or alternatively the closing pressure range is above the opening pressure range.
Vorteilhafterweise weist die erste Fluidströmung einen höheren Volumenstrom auf als die zweite Fluidströmung. Dies kann am Kreuzungspunkt der Leitungen beim Eintritt der Strömungen in die Drallkammer durch Wahl eines geeigneten Verhältnisses der Leitungsquerschnittsflächen zueinander realisiert werden. Besonders vorteilhaft ist eine Querschnittsfläche der ersten Fluidleitung, die beispielsweise um ein 2,5-faches bis 4,2-faches größer ist als die summierte Kreisfläche aller zweiten Fluidleitungen bzw. der tangentialen Bohrungen.The first fluid flow advantageously has a higher volume flow than the second fluid flow. This can be realized at the crossing point of the lines when the flows enter the swirl chamber by choosing a suitable ratio of the line cross-sectional areas to one another. A cross-sectional area of the first fluid line that is, for example, 2.5 times to 4.2 times larger than the added circular area of all second fluid lines or the tangential bores is particularly advantageous.
Insbesondere bei der Erzeugung von Sprays mittels Zweistoffdüsen, bei denen das Fluid mit einer Gasphase gemischt wird, treten Zustände ein, in denen das Spray ohne Einbringung von zusätzlicher Energie eigenständig periodisch pulsiert. Dieses Phänomen, das als "Selbstpulsation" bezeichnet wird, ist durch deutlich sichtbare und hörbare Oszillationen im Spray charakterisiert. Das pulsierende Spray formt dabei deutlich erkennbare Strukturen (häufig auch als eine "Weihnachtsbaum"-artige Struktur beschrieben).In particular when sprays are generated by means of two-component nozzles, in which the fluid is mixed with a gas phase, states arise in which the spray pulsates independently periodically without the introduction of additional energy. This phenomenon, called "self-pulsation", is characterized by clearly visible and audible oscillations in the spray. The pulsating spray forms clearly recognizable structures (often described as a "Christmas tree"-like structure).
Während der Selbstpulsation tritt eine periodische Variation des Massestroms und des Sprühwinkels auf. Dadurch wird im Vergleich zu nicht-pulsierenden Sprays eine über längere Zeit gleichmäßigere örtliche Verteilung des Massestroms ermöglicht und dadurch eine insgesamt größere Fläche benetzt. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Tropfengröße, gemessen am mittleren Sauter-Durchmesser (SMD), für pulsierende Sprays gegenüber nicht-pulsierenden Sprays durchschnittlich größer ausfällt.During self-pulsation, there is a periodic variation in mass flow and spray angle. In comparison to non-pulsating sprays, this enables a more uniform local distribution of the mass flow over a longer period of time and thus a larger area overall is wetted. Studies have shown that the droplet size, measured by Sauter Mean Diameter (SMD), is larger on average for pulsating sprays compared to non-pulsating sprays.
Für Zweistoffdüsen, bei denen die Betriebsflüssigkeit mit einer Gasphase gemischt wird, wird als Auslöser der Selbstpulsation, ein periodisches Blockieren des Gasspalts durch den Flüssigkeitsfilm angenommen. Auch bei Einstoffdüsen ist das Phänomen bekannt. Im Fokus von Untersuchungen standen insbesondere Rücklaufdüsen (englisch Spill-Return- oder Spillback-Düsen), bei denen das Fluid tangential in eine Drallkammer eingeleitet wird und ein Teil des Fluids über eine oder mehrere axiale Öffnungen entgegen der Ausströmungsrichtung aus der Drallkammer zurückfließen kann. Starke Pulsation kann auch dann auftreten, wenn keine axiale Öffnung vorhanden ist. Es wird als Ursache vermutet, dass in diesen Fällen der Luftkern, der sich im Inneren der Drallkammer solcher Düsen bildet, unter bestimmten Bedingungen instabil wird und so die Selbstpulsation hervorruft.For two-substance nozzles, in which the operating liquid is mixed with a gas phase, the self-pulsation is assumed to be triggered by a periodic blocking of the gas gap by the liquid film. The phenomenon is also known for single-substance nozzles. Investigations focused in particular on spill-return or spillback nozzles, in which the fluid is introduced tangentially into a swirl chamber and part of the fluid via one or more axial Openings can flow back against the outflow direction from the swirl chamber. Strong pulsation can occur even if there is no axial opening. The cause is assumed to be that in these cases the air core, which forms inside the swirl chamber of such nozzles, becomes unstable under certain conditions and thus causes self-pulsation.
Je nach Anforderung an den Prozess wird die Selbstpulsation als zu vermeidendes oder nützliches Phänomen angesehen. Steht eine Zerstäubung in möglichst kleine Tropfen im Fokus, ist von der Anwendung pulsierender Sprays abzuraten. Wird jedoch eine großflächige, gleichmäßige Benetzung und die Übertragung mechanischer Stoßkräfte durch die Tropfen auf die beaufschlagte Oberfläche angestrebt, ist die Selbstpulsation gegenüber nicht-pulsierenden Sprays vorteilhaft.Depending on the requirements of the process, self-pulsation is regarded as a phenomenon to be avoided or as a useful one. If the focus is on atomization into the smallest possible droplets, it is not advisable to use pulsating sprays. If, however, a large-area, uniform wetting and the transfer of mechanical impact forces through the droplets to the surface being impacted are desired, self-pulsation is advantageous over non-pulsating sprays.
Da die Auslegung selbstpulsierender Düsen aufgrund der komplexen Zusammenhänge noch Gegenstand aktueller Forschung ist, werden pulsierende Sprays in industriellen Prozessen meist mittels vor der Düse im Zustrom platzierten Ventile erzeugt, die periodisch schalten und so die Flüssigkeitszufuhr unterbrechen. Damit gehen jedoch erhebliche Druckverluste einher und im Vergleich zur Selbstpulsation werden kleinere Tropfengrößen beobachtet, so dass eine andere Zerstäubungscharakteristik vorherrscht als beim Einsatz selbstpulsierender Düsen.Since the design of self-pulsating nozzles is still the subject of current research due to the complex interrelationships, pulsating sprays in industrial processes are usually generated by valves placed in front of the nozzle in the inflow, which switch periodically and thus interrupt the liquid supply. However, this is accompanied by considerable pressure losses and, compared to self-pulsation, smaller droplet sizes are observed, so that a different atomization characteristic prevails than when using self-pulsating nozzles.
Die Pulsation allgemein tritt bevorzugt im Übergangsbereich ein. In dem Bereich wird der Sprühwinkel γ des Sprays ohne Pulsation mit der Druckerhöhung zunehmend kleiner, bis bei 0° Sprühwinkel γ der Vollstrahl erreicht wird. In dem Übergangsbereich treten teils ein pulsierendes Spray und teils ein pulsierender Vollstrahl auf. Mitunter wird zunächst ein pulsierendes Spray erzeugt und bei weiterer Druckerhöhung entsteht ein pulsierender Vollstrahl. Dieser entsteht durch den nahenden Übergang der Strahlform von Spray zu Vollstrahl. Während der Pulsation kommt es im Inneren der Düse zu periodischen Druckschwankungen (bis zu 0,3 bar), sodass es zu einem Überschreiten des Schaltdruckpunkts kommt und zumindest kurzzeitig ein Vollstrahl entsteht.The pulsation generally occurs preferentially in the transition area. In this area, the spray angle γ of the spray without pulsation becomes increasingly smaller as the pressure increases, until the full jet is reached at a spray angle γ of 0°. In the transition area there is a pulsating spray and a pulsating solid jet. Sometimes a pulsating spray is generated first and a further increase in pressure creates a pulsating full jet. This is caused by the approaching transition of the jet shape from spray to full jet. During the pulsation, there are periodic pressure fluctuations inside the nozzle (up to 0.3 bar), so that the switching pressure point is exceeded and a full jet is created, at least for a short time.
Es wird immer erst der nicht-pulsierende, deutlich erkennbare Strahl als Vollstrahl und der zugehörige Fluiddruck als Schaltpunkdruck bezeichnet, der den Übergang zum Strahlbereich erkennen lässt. Der pulsierende Strahl, der im Übergangsbereich auftritt, wird dem ersten Fluiddruckbereich zugeordnet, da der Übergangsbereich ein Teilbereich des ersten Fluiddruckbereichs ist.The non-pulsating, clearly recognizable jet is always designated as the full jet and the associated fluid pressure as the switching point pressure, which allows the transition to the jet area to be recognized. The pulsating jet that occurs in the transition area, is associated with the first fluid pressure range since the transition range is a sub-range of the first fluid pressure range.
Es gibt Bereiche des Fluiddrucks, in denen die im Spray-Modus betriebene Düse, in dem nur die zweite Fluidströmung in die Drallkammer eintritt, das Phänomen der Selbstpulsation zeigt. Die Selbstpulsation am Düsenaustritt entsteht unter einem Pulsationsdruck, einem im Wesentlichen konstanten Fluiddruck in der zweiten Fluidleitung, der dennoch überraschenderweise dazu führt, dass das austretende Spray pulsiert. Da der Effekt nicht nur unter einem diskreten Fluiddruck, sondern über einen Druckbereich hinweg entsteht, wird der betreffende Druckbereich als Pulsationsdruckbereich bezeichnet. Je nach gewählter Düsengeometrie kann es keinen, einen oder mehrere solcher Pulsationsdruckbereiche geben, in denen der Pulsationseffekt auftritt. Häufig entstehen maximal zwei Pulsationsdruckbereiche.There are ranges of fluid pressure where the nozzle operated in spray mode, where only the second fluid flow enters the swirl chamber, exhibits the phenomenon of self-pulsation. The self-pulsation at the nozzle exit occurs under a pulsation pressure, a substantially constant fluid pressure in the second fluid line, which nevertheless surprisingly causes the exiting spray to pulsate. Since the effect occurs not only under a discrete fluid pressure but over a range of pressures, the pressure range in question is referred to as the pulsation pressure range. Depending on the selected nozzle geometry, there can be no, one or more such pulsation pressure ranges in which the pulsation effect occurs. There are often a maximum of two pulsation pressure ranges.
Es wurde festgestellt, dass der Bereich des Fluiddrucks, in dem Selbstpulsation auftrat, von der Düsengeometrie, insbesondere dem Durchmesser des Düsenaustritts sowie dem Verhältnis der summierten Querschnittsflächen aller zweiten Fluidleitungen zur Querschnittsfläche der ersten Fluidleitung, abhängt. Weiterhin hat die Vorspannung des Ventils einen Einfluss auf den Bereich des Fluiddrucks, in dem Selbstpulsation auftritt.It was found that the range of fluid pressure in which self-pulsation occurred depends on the nozzle geometry, in particular the diameter of the nozzle exit and the ratio of the summed cross-sectional areas of all second fluid lines to the cross-sectional area of the first fluid line. Furthermore, the preload of the valve has an impact on the range of fluid pressure in which self-pulsation occurs.
Wird für eine ansonsten gleichbleibende Düsengeometrie ausschließlich der Durchmesser des Düsenaustritts, beispielsweise durch Umrüsten, vergrößert, lässt sich eine tendenziell stärker ausgeprägte Pulsation realisieren.If only the diameter of the nozzle outlet is increased for an otherwise constant nozzle geometry, for example by retooling, a tendency towards more pronounced pulsation can be achieved.
Damit lässt sich die vorgestellte Düse je nach Prozessanforderung verschieden auslegen. Entweder wird die Düse so ausgelegt, dass sie keinen Bereich des Fluiddrucks aufweist, in dem Selbstpulsation auftritt, so dass bei geschlossenem Ventil ausschließlich ein nicht-pulsierendes Spray und bei geöffnetem Ventil ein Vollstrahl erzeugt werden. Oder die Düse wird so ausgelegt, dass sie einen oder mehrere Bereiche des Fluiddrucks aufweist, in dem Selbstpulsation auftritt, so dass bei geschlossenem Ventil je nach Betriebsdruck ein nicht-pulsierendes oder ein pulsierendes Spray und bei geöffnetem Ventil ein Vollstrahl erzeugt werden.This means that the nozzle presented can be designed differently depending on the process requirements. Either the nozzle is designed so that it does not have a range of fluid pressure in which self-pulsation occurs, so that when the valve is closed only a non-pulsating spray is produced and when the valve is open a solid jet is produced. Or the nozzle is designed to have one or more ranges of fluid pressure in which self-pulsation occurs such that when the valve is closed a non-pulsating or a pulsating spray is produced depending on the operating pressure and when the valve is open a solid jet is produced.
Die Möglichkeit, dass eine Auslegung zur Düse mit Selbstpulsation erfolgen kann, hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Ventile zur Realisierung der Pulsation eingesetzt werden müssen. Damit entfallen auch zusätzliche Steuerleitungen und der Zustand des pulsierenden Sprays kann komfortabel über die Druckleitung durch Anpassung des Fluiddrucks eingestellt werden, wie es auch für den Wechsel von Spray und Vollstrahl möglich ist.The possibility of designing a nozzle with self-pulsation has the advantage that no additional valves are used to implement the pulsation Need to become. This also eliminates the need for additional control lines and the state of the pulsating spray can be conveniently set via the pressure line by adjusting the fluid pressure, just as it is possible to switch between spray and full jet.
Insbesondere für Reinigungsprozesse, wie dies auch bei der vorliegenden Erfindung angestrebt wird, kann der Einsatz von pulsierendem Spray gegenüber einem kontinuierlichem Spray Vorteile bieten, da sich einige industrietypische Verschmutzungen nachweislich effizienter reinigen lassen, wenn die Flüssigkeit diskontinuierlich auf die zu reinigende Oberfläche trifft. Im Vergleich zu kontinuierlichen Sprays bildet sich dabei auf der beaufschlagten Oberfläche keine stationäre Filmströmung aus, sondern die Fluidmenge strömt nach ihrem Aufprall auf die verschmutzte Oberfläche zur Seite ab. Die nachfolgende Fluidmenge trifft somit ungedämpft direkt auf die Verschmutzung und ermöglicht dadurch die Übertragung größerer Stoßkräfte. Auch die im Vergleich zu nicht-pulsierenden Sprays durchschnittlich größeren Tropfen ermöglichen die Übertragung erhöhter Impulse auf die Verschmutzung. Diese Eigenschaften des pulsierenden Sprays wirken sich insbesondere auf Verschmutzungen, die sich unter Einwirkung mechanischer Kräfte verbessert reinigen lassen, vorteilhaft aus. Insbesondere für quellfähige Verschmutzungen werden beim Einsatz pulsierender Sprays weiterhin dank des größeren Sprühwinkels und der gleichmäßigeren Benetzung über einen großen Bereich der verschmutzten Fläche Quellungsprozesse verstärkt angeregt. Diese schwächen die Bindungskräfte innerhalb der Verschmutzungen und verringern die für die Reinigung benötigten mechanischen Kräfte zusätzlich.In particular for cleaning processes, as is also the aim of the present invention, the use of a pulsating spray can offer advantages over a continuous spray, since some types of dirt typical of industry can be demonstrably cleaned more efficiently if the liquid hits the surface to be cleaned discontinuously. In contrast to continuous sprays, there is no stationary film flow on the exposed surface, but the amount of fluid flows off to the side after impacting the soiled surface. The amount of fluid that follows hits the dirt directly and undamped, thereby enabling the transmission of larger impact forces. The droplets, which are on average larger than non-pulsating sprays, also enable the transfer of increased impulses to the dirt. These properties of the pulsating spray have an advantageous effect in particular on soiling that can be cleaned better under the influence of mechanical forces. In the case of swellable soiling in particular, swelling processes are increasingly stimulated when using pulsating sprays thanks to the larger spray angle and more even wetting over a large area of the soiled surface. These weaken the binding forces within the dirt and also reduce the mechanical forces required for cleaning.
Die erfindungsgemäße Düse ermöglicht auch ohne Pulsationseffekte einen einstellbaren Wechsel zwischen den Strahlformen "Spray" und "Vollstrahl", um die jeweilige Strahlform bedarfsgerecht nutzen zu können. Das hat zur Folge, dass die Öffnung am Düsenaustritt unverändert in Fläche und Geometrie bleibt, dennoch können sowohl Spray als auch Vollstrahl austreten. Das Umschalten der Düse zwischen den Strahlformen wird nach einer vorteilhaften Weiterbildung allein durch den Druck des Fluids, der Betriebsflüssigkeit (z. B. Wasser oder Reinigungsfluid), gesteuert, so dass keine zusätzlichen Steuerleitungen notwendig sind.The nozzle according to the invention enables an adjustable change between the jet forms "spray" and "full jet" even without pulsation effects, in order to be able to use the respective jet form as required. As a result, the opening at the nozzle exit remains unchanged in terms of area and geometry, but both spray and full jet can exit. According to an advantageous development, the switching of the nozzle between the jet forms is controlled solely by the pressure of the fluid, the operating fluid (e.g. water or cleaning fluid), so that no additional control lines are necessary.
Die Düse erlaubt im Parallelbetrieb mit mehreren gleichartigen Düsen auch einen Hybridbetrieb von Vollstrahl und Spray, insbesondere dann, wenn ein vom Druck der Betriebsflüssigkeit gesteuertes Ventil genutzt wird und die Schaltdrücke der einzelnen Düsen verschieden eingestellt werden, so dass mehr als nur zwei Betriebsmodi für das Gesamtsystem bedarfsgerecht einstellbar sind.In parallel operation with several nozzles of the same type, the nozzle also allows hybrid operation of full jet and spray, especially when one of the pressure of the Operating fluid-controlled valve is used and the switching pressures of the individual nozzles are set differently, so that more than just two operating modes for the entire system can be set as required.
Besondere Vorteile liegen in dem Wirkprinzip der Düse mit Verzweigung, Ventil und Zusammenführung in der Drallkammer, wobei je nach Richtung der Strömungseinleitung überlagerte Geometrien für Vollstrahl und Spray erzielt werden können. Bei ausschließlich tangentialer Einströmung wird das Spray erzeugt und bei überlagerter Einströmung von axialer und tangentialer Einströmung entsteht der Vollstrahl. Die bevorzugte Ausführungsvariante des Ventils ermöglicht das druckgesteuerte Schalten. Der Zwischenbereich zwischen dem Öffnungsdruckbereich und dem Schließdruckbereich, in dem das Umschalten zwischen geöffnetem und geschlossenem Ventil erfolgt, oder der Schaltpunkt, wenn das Umschalten zwischen geöffnetem und geschlossenem Ventil hysteresefrei praktisch ohne nennenswerten Zwischenbereich erfolgt, ist dabei durch geometrische Parameter der Düse bzw. die Vorspannung des Federelements oder mittels pneumatischen Drucks einstellbar. Nach einmaliger Einstellung erfolgt ein zuverlässiges und wiederholbares Umschalten.Particular advantages lie in the working principle of the nozzle with branching, valve and merging in the swirl chamber, whereby superimposed geometries for full jet and spray can be achieved depending on the direction of flow introduction. The spray is generated with an exclusively tangential inflow and the full jet is created with a superimposed inflow of axial and tangential inflow. The preferred embodiment of the valve enables pressure-controlled switching. The intermediate range between the opening pressure range and the closing pressure range, in which the switchover between open and closed valve takes place, or the switching point when the switchover between open and closed valve takes place hysteresis-free with practically no intermediate range worth mentioning, is determined by the geometric parameters of the nozzle or the preload of the spring element or by means of pneumatic pressure. After a one-off setting, reliable and repeatable switching takes place.
Im Unterschied zu vorbekannten Düsen entsteht bei Überlagerung der Teilströme jedoch ein Vollstrahl, was für die Funktionsweise und Handhabung der Düse einen entscheidenden Unterschied darstellt. Dadurch ist auch der Einsatz von nur einem Ventil im axialen Zulauf ausreichend, um die Funktion zu gewährleisten. Das Spray wird in der vorliegenden Erfindung außerdem ohne Strömungskollision realisiert, sodass dabei kollisionsverursachte Druckverluste vermieden werden können.In contrast to previously known nozzles, however, a full jet is created when the partial flows overlap, which represents a decisive difference for the function and handling of the nozzle. As a result, the use of just one valve in the axial inlet is sufficient to ensure the function. In addition, the spray is realized without flow collision in the present invention, so that pressure losses caused by collision can be avoided.
Weitere Vorteile bestehen in dem einfachen bedarfsgerechten Wechsel der Strahlform (Vollstrahl oder Spray), der direkt über die Druckleitung gesteuert werden kann, wenn ein vom Druck der Betriebsflüssigkeit gesteuertes Ventil verwendet wird. Der Druck der Betriebsflüssigkeit, der zur Betätigung des Ventils genutzt wird, ist eine sehr gut steuerbare Größe, die keine zusätzliche Steuerleitung benötigt und damit Vorteile gegenüber elektrischen Steuerleitungen oder manueller Verstellung aufweist.Further advantages are the simple need-based change of jet form (full jet or spray), which can be controlled directly via the pressure line if a valve controlled by the pressure of the operating liquid is used. The pressure of the operating fluid, which is used to actuate the valve, is a variable that can be controlled very easily, which does not require an additional control line and therefore has advantages over electrical control lines or manual adjustment.
Durch die Möglichkeit eines Umschaltens der Strahlform mittels Anpassung des Drucks der Betriebsflüssigkeit ist die Düse für bestehende Geräte gut nachrüstbar. Vorteile bieten sich insbesondere für Geräte, die beweglich bzw. rotierend arbeiten, wie rotierende Reinigungsgeräte oder Roboter, die höhere Anforderungen bezüglich der Dichtheit (z. B. Strahlwasserschutz) stellen oder sich prozessbedingt oder aus Gründen des Arbeitsschutzes außerhalb der Reichweite für einen manuellen Eingriff befinden.Due to the possibility of switching the jet shape by adjusting the pressure of the operating liquid, the nozzle can easily be retrofitted to existing devices. There are advantages in particular for devices that work mobile or rotating, such as rotating cleaning devices or robots, which have higher requirements in terms of tightness (e.g. jet water protection) or are out of reach for manual intervention due to the process or for reasons of occupational safety.
Da das Umschalten der Strahlform gemäß der besonders bevorzugten Ausführungsform in einem sehr kleinen Druckbereich erfolgt, kann dieser als ein Schaltpunkt betrachtet werden, der für die industrielle Auslegung des erfindungsgemäßen Systems Vorteile aufweist, da der gesamte einstellbare Druckbereich als Prozessfenster nutzbar ist. Es gibt praktisch keine Druckbereiche, die aufgrund des Umschaltens nicht für den Prozess nutzbar sind, denn es liegen stets Spray oder Vollstrahl vor.Since the jet shape is switched over in a very small pressure range according to the particularly preferred embodiment, this can be regarded as a switching point that has advantages for the industrial design of the system according to the invention, since the entire adjustable pressure range can be used as a process window. There are practically no pressure ranges that cannot be used for the process due to switching, because there is always a spray or full jet.
Durch einmalige Veränderung der Vorspannung des Ventils oder der Düsengeometrie (z. B. Düsendurchmesser) kann der gewünschte Schaltdruck sehr einfach eingestellt werden. Danach erfolgt das Schalten stets zuverlässig und wiederholbar beim selben Schaltpunktdruck.The desired switching pressure can be set very easily by changing the preload of the valve or the nozzle geometry (e.g. nozzle diameter) once. After that, switching is always reliable and repeatable at the same switching point pressure.
Als Düsenaustritt können, neben den oben beschriebenen Sondergeometrien, handelsübliche Vollstrahldüsen genutzt werden, die einfach austauschbar sind, wenn geometrische Eigenschaften des Düsenaustritts, zum Beispiel der Düsendurchmesser, geändert werden sollen.In addition to the special geometries described above, commercially available solid jet nozzles can be used as the nozzle outlet, which can be easily exchanged if the geometric properties of the nozzle outlet, for example the nozzle diameter, are to be changed.
Da die Zerstäubung bei der Erzeugung des Sprays auf einer in Drall versetzten Strömung beruht, können ähnliche Zerstäubungseigenschaften wie mit industriellen, ebenfalls drallbasierten Vollkegeldüsen oder Hohlkegeldüsen erzeugt werden. Unkontrolliertes Zerstäuben oder Druckverluste, wie bei der Zerstäubung durch Kollision von zwei Strömungen, werden damit vermieden. Bekannte Düsen geben zumeist ein Spray ab, das die Form eines Hohlkegels aufweist. Bei der Erfindung hingegen besitzt das Spray regelmäßig die Form eines Vollkegels mit der Folge, dass die gesamte Fläche insgesamt gleichmäßig benetzt wird.Since the atomization when generating the spray is based on a swirling flow, similar atomization properties can be generated as with industrial, also swirl-based full cone nozzles or hollow cone nozzles. Uncontrolled atomization or pressure losses, as with atomization due to the collision of two flows, are thus avoided. Known nozzles usually emit a spray that has the shape of a hollow cone. With the invention, on the other hand, the spray regularly has the shape of a full cone, with the result that the entire surface is wetted evenly overall.
Alternativ zur Form eines Vollkegels kann aber auch die Form eines Hohlkegels angestrebt werden, falls dies gewünscht ist. Ein Hohlkegel wird erreicht, indem der Querschnitt der tangentialen Strömung sehr klein oder die Verjüngung beim Düsenaustritt sehr kurz gestaltet wird, was den Gestaltungsrichtlinien für Hohlkegeldüsen entsprechen würde. Grundlegend ermöglicht ein Hohlkegel gegenüber einem Vollkegel eine Zerstäubung des Sprays in noch kleinere Tropfen, weil es mehr Möglichkeiten zur Interaktion und Reibung der Tropfen mit der Umgebungsluft gibt. Es ist darüber hinaus vorgesehen, durch den Einsatz entsprechend ausgebildeter Düsen einen Wechsel zwischen Hohlkegel und Vollstrahl hervorzurufen, um die Vorteile beider Strahlformen zu kombinieren und wechselweise abzurufen.As an alternative to the shape of a full cone, however, the shape of a hollow cone can also be aimed at, if this is desired. A hollow cone is achieved by making the cross section of the tangential flow very small or the taper at the nozzle exit very short, which would correspond to the design guidelines for hollow cone nozzles. Fundamentally allows a hollow cone opposite a full cone atomizes the spray into even smaller droplets because there is more opportunity for the droplets to interact and rub with the surrounding air. It is also planned to use appropriately designed nozzles to switch between the hollow cone and the solid jet, in order to combine the advantages of both jet shapes and use them alternately.
Durch den Parallelbetrieb mit mehreren Düsen, die jeweils verschiedene Schaltpunkte aufweisen, werden neben Spray und Vollstrahl weitere Betriebszustände ermöglicht, bei denen Spray und Vollstrahl gleichzeitig mit verschiedenen Düsen erzeugt werden (Hybridbetrieb). Dabei ist nach wie vor nur eine Steuerleitung, die Druckleitung zur Zuführung des Fluids, notwendig, um den gewünschten Betriebszustand gezielt einzustellen. Dies erlaubt viele neue Anwendungsfälle für ein Gesamtsystem, in das die Düsen eingebettet sind.Parallel operation with several nozzles, each of which has different switching points, enables other operating states in addition to spray and full jet, in which spray and full jet are generated simultaneously with different nozzles (hybrid operation). As before, only one control line, the pressure line for supplying the fluid, is necessary in order to set the desired operating state in a targeted manner. This allows many new applications for an overall system in which the nozzles are embedded.
Ein weiterer Vorteil liegt auch in nur einem Düsenaustritt, der in seiner Geometrie unveränderlich ist. Die Strahlachsen beider Strahlformen sind identisch, so dass keine Relativverschiebung zwischen dem System und dem anvisierten lokalen Ziel vorgenommen und berechnet werden muss, wie es der Fall ist, wenn ein lokales Ziel nacheinander mit beiden Strahlformen einer Düse getroffen werden soll. Wird ein bei hohem Druck öffnendes Ventil genutzt, kann bei kleinem Betriebsdruck ein Spray und bei großem Betriebsdruck ein Vollstrahl erzeugt werden. Dies hat insbesondere für Prozesse, bei denen große mechanische Kräfte mit dem Vollstrahl übertragen werden sollen, Vorteile. Hierzu zählen vor allem Reinigungsprozesse.Another advantage lies in the fact that there is only one nozzle outlet, the geometry of which cannot be changed. The jet axes of both jet forms are identical, so that no relative displacement between the system and the aimed local target has to be made and calculated, as is the case when a local target is to be hit successively with both jet forms of a nozzle. If a valve that opens at high pressure is used, a spray can be generated at low operating pressure and a full jet at high operating pressure. This has particular advantages for processes in which large mechanical forces are to be transmitted with the solid jet. This primarily includes cleaning processes.
Anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und ihrer Darstellung in den zugehörigen Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 : schematisch eine längs geschnittene Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse mit einem längs und einem quer geschnittenen Detail; -
Fig. 2 : schematisch eine längs geschnittene Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse mit zwei unterschiedlichen Ventilstellungen und den resultierenden Strahlformen; -
Fig. 3 : schematisch eine längs geschnittene Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse mit zwei unterschiedlichen Ventilstellungen eines Membranventils und den resultierenden Strahlformen; -
Fig. 4 : schematisch eine längs geschnittene Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse mit zwei unterschiedlichen Ventilstellungen eines Federventils und den resultierenden Strahlformen; -
Fig. 5 : schematisch eine längs geschnittene Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse mit zwei unterschiedlichen Ventilstellungen eines Ventils mit kompressiblem Ventilkörper und den resultierenden Strahlformen; -
Fig. 6 : schematisch drei längs geschnittene Ansichten einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse in Doppelanordnung mit einer Fluidzuführung; -
Fig. 7 : schematisch vier längs geschnittene Ansichten einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse in Doppelanordnung mit separater Fluidzuführung; -
Fig. 8 : schematisch eine geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform eines Düsenaustritts, ausgeführt als ein Vollstrahldüsenaustritt; -
Fig. 9 : schematisch eine geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform eines Düsenaustritts, ausgeführt als ein Fasendüsenaustritt; -
Fig. 10 : schematisch eine geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform eines Düsenaustritts, ausgeführt als ein Radiusdüsenaustritt; -
Fig. 11 : schematisch eine geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse und -
Fig. 12 : schematisch eine Ansicht von oben einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse.
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1 1: schematically a view in longitudinal section of an embodiment of a nozzle according to the invention with a detail in longitudinal section and a detail in transverse section; -
2 : schematically a longitudinal section view of an embodiment of a nozzle according to the invention with two different valve positions and the resulting jet shapes; -
3 : a schematic longitudinal section view of an embodiment of a nozzle according to the invention with two different valve positions of a membrane valve and the resulting jet shapes; -
4 : a schematic view of a longitudinal section of an embodiment of a nozzle according to the invention with two different valve positions of a spring valve and the resulting jet shapes; -
figure 5 1: schematically shows a longitudinally sectioned view of an embodiment of a nozzle according to the invention with two different valve positions of a valve with a compressible valve body and the resulting jet shapes; -
6 : schematically three longitudinally sectioned views of an embodiment of a nozzle according to the invention in a double arrangement with a fluid supply; -
7 : schematically four longitudinally sectioned views of an embodiment of a nozzle according to the invention in a double arrangement with separate fluid supply; -
8 1: schematically shows a sectional side view of an embodiment of a nozzle outlet, designed as a solid jet nozzle outlet; -
9 1: schematically a sectional side view of an embodiment of a nozzle outlet, designed as a chamfered nozzle outlet; -
10 1: schematically shows a sectional side view of an embodiment of a nozzle outlet, designed as a radius nozzle outlet; -
11 : schematically a sectional side view of an embodiment of a nozzle according to the invention and -
12 : schematic view from above of an embodiment of a nozzle according to the invention.
Die Düse 1 umfasst einen Fluidanschluss 3, der die Schnittstelle zum vorgeschalteten Gerät, z. B. einem Tankreiniger oder einem Roboter, darstellt, und einen Düsenaustritt 4, aus dem das Fluid in der gewünschten Strahlform 30, 32 ausströmt, sowie eine Verzweigung 16 für das Aufteilen der Fluidströmung in zwei Teilströme sowie eine Zusammenführung in der Drallkammer 6 für ein erneutes Zusammenfließen der Teilströme. Von den zwei Teilströmungen verläuft ein Teilstrom, die erste Fluidströmung 12, annähernd axial zur Hauptströmungsrichtung entlang der Achsrichtung 9, während ein anderer Teilstrom, die zweite Fluidströmung 14, bei der Verzweigung 16 und der Zusammenführung in der Drallkammer 6 nichtaxial zur Hauptströmungsrichtung, hier senkrecht ausgerichtet ist. Der nichtaxiale Teilstrom, die zweite Fluidströmung 14, läuft tangential in die Zusammenführung, die Drallkammer 6, ein, um eine mit Drall behaftete Strömung zum Austritt aus dem Düsenaustritt 4 die gewünschte Strahlform 30, 32 zu erzeugen.The
Der Bereich zwischen der Zusammenführung der Fluidströmungen 12, 14 in der Drallkammer 6 und dem Düsenaustritt 4 ist vorzugsweise annähernd strömungsstetig gestaltet, ohne sprunghafte Geometrieänderung, und weist vorzugsweise über den gesamten Verlauf bis zum Erreichen der Verjüngung nahe des Düsenaustritts 4 in Achsrichtung 9 einen konstanten Querschnitt auf. Im Fall einer laminaren Strömung löst sich die Strömung nicht von der Wand und bleibt laminar. Auch für voneinander abweichende Querschnitte der ersten Fluidleitung 8 und der Drallkammer 6 ist vorzugsweise ein strömungsstetiger Eintrittsbereich 7 ausgeführt, über den die erste Fluidströmung 12 aus der ersten Fluidleitung 8 in die Drallkammer 6 in laminarer Strömung eintritt, ohne sich von der Wand zu lösen. Das Fluid strömt dadurch störungsfrei und gleichmäßig in die Drallkammer 6 ein und eliminiert damit den Drall vollständig, so dass am Düsenaustritt 4 eine Strahlform Vollstrahl 32 ausgebildet wird. Um dies zu erreichen, weist der Eintrittsbereich 7 einen Neigungswinkel β, β' auf, der in Abhängigkeit von den rheologischen Parametern, vor allem der Strömungsgeschwindigkeit der ersten Fluidströmung 12, so gewählt wird, dass die laminare Strömung den laminaren Zustand beibehält.The area between the merging of the fluid flows 12, 14 in the
Zwischen der Verzweigung 16 und der Drallkammer 6 befindet sich in der ersten Fluidleitung 8 ein Ventil 20, mit dem der axiale Teilstrom, die erste Fluidströmung 12, entweder gesperrt oder durchgeschaltet werden kann. Das Ventil 20 öffnet und schließt vorzugsweise in Abhängigkeit einer eingestellten konstanten Vorspannung und in Abhängigkeit vom Fluiddruck der Betriebsflüssigkeit, des Fluids. Der Düsenaustritt 4 kann als handelsüblicher Vollstrahldüsenaustritt ausgeführt sein, so dass verfügbare Kaufteile genutzt werden können, um z. B. den Düsendurchmesser sehr einfach durch Umrüstung und dem Einsatz einer anderen Düse anpassen zu können.Located between the
Beim Einzelbetrieb der Düse treten folgende Betriebszustände auf:
- Zustand "Spray":
Das Ventil 20 ist geschlossen und nur die nichtaxiale Teilströmung, diezweite Fluidströmung 14, gelangt in die Zusammenführung, dieDrallkammer 6. Die aufgrund der tangentialen Einleitung in Drall versetzte zweite Fluidströmung 14 zerstäubt amDüsenaustritt 4 zu einemSpray 30. - Zustand "Vollstrahl":
Das Ventil 20 ist geöffnet, die beiden Teilströmungen, dieFluidströmungen 12und 14, treffen inder Drallkammer 6 aufeinander und das Fluidtritt als Vollstrahl 32aus dem Düsenaustritt 4 aus.
- "Spray" state: The
valve 20 is closed and only the non-axial partial flow, thesecond fluid flow 14, reaches the junction, theswirl chamber 6. Thesecond fluid flow 14, which is caused to swirl due to the tangential introduction, atomizes at thenozzle outlet 4 to form aspray 30. - "Full jet" state: the
valve 20 is open, the two partial flows, the fluid flows 12 and 14, meet in theswirl chamber 6 and the fluid emerges from thenozzle outlet 4 as afull jet 32.
Am Düsenkörper 2 ist der Düsenaustritt 4 angeordnet, der bevorzugt als Vollstrahldüsenaustritt ausgeführt ist und darüber hinaus weist der Düsenkörper 2 eine erste Fluidleitung 8 auf, in die das Ventil 20 eingesetzt ist, sowie eine zweite Fluidleitung 10, die das Ventil 20 überbrückt. Dazu wird die in die Düse 1 am Fluidanschluss 3 eintretende Fluidströmung an der Verzweigung 16 aufgeteilt und ein Teil strömt über die zweite Fluidleitung 10 bis zum Eintritt in die Drallkammer 6. Dazu tritt die zweite Fluidleitung 10 im Eintrittswinkel α, der in der dargestellten Ausführungsform 90° beträgt, im Bereich der Zylinderwand der zylindrischen Drallkammer 6 ein.The
Sofern das Ventil 20 geschlossen ist, strömt der gesamte Volumenstrom der eintretenden Fluidströmung über die zweite Fluidleitung 10. Da der Eintritt der zweiten Fluidleitung 10 in die Drallkammer 6 im Bereich einer Tangentialfläche erfolgt, erhält die eintretende zweite Fluidströmung 14 einen Drall, sie strömt um die Achse 9. Auf der Tangentialfläche wird der Eintrittswinkel α bevorzugt zwischen 60° und 90° eingestellt. Den Drall behält das Fluid bei, wenn es aus der Drallkammer 6 heraus zum Düsenaustritt 4 fortschreitet und dort in Form eines kegelförmigen Sprays 30 den Düsenaustritt 4 verlässt. Sobald jedoch das Ventil 20 geöffnet wird, wird der Drall der zweiten Fluidströmung 14 durch die ebenfalls in die Drallkammer 6 eintretende erste Fluidströmung 12 beeinflusst bzw. gestört. Das den Düsenaustritt 4 verlassende Strahlbild ändert sich, so wie nochmals nachfolgend in
Im Unterschied dazu zeigt die untere Darstellung das geöffnete Ventil 20, durch das die erste Fluidströmung 12 in die Drallkammer 6 eintritt, dort den Drall der zweiten Fluidströmung 14 derart beeinflusst, dass ein Vollstrahl den Düsenaustritt 4 verlässt.In contrast to this, the lower illustration shows the
Das Ventil 20 öffnet und schließt vorzugsweise in Abhängigkeit des Fluiddrucks der Betriebsflüssigkeit, des Fluids. Daraus ergeben sich mögliche Ausführungsvarianten zum Schaltverhalten:
- das Ventil ist bei niedrigem Fluiddruck geschlossen und ist bei hohem Fluiddruck geöffnet oder
- das Ventil ist bei niedrigem Fluiddruck geöffnet und bei hohem Fluiddruck geschlossen.
- the valve is closed at low fluid pressure and is open at high fluid pressure or
- the valve is open at low fluid pressure and closed at high fluid pressure.
Mögliche Ausführungsvarianten des Schließkörpers des Ventils 20 sind eine flexible, elastische Membran, ein kompressibler Schließkörper, ein starrer Schließkörper (z. B. Klappen, Schieber, Nadel, Zylinder) oder ein elastischer Schließkörper, jeweils in Verbindung mit einer Vorspannung. Der Ventilmechanismus ist so ausgelegt, dass das Öffnen bzw. Schließen wiederholbar und zuverlässig erfolgt. Der Bereich des Fluiddrucks (auch als Fluiddruckbereich bezeichnet), in dem das Umschalten erfolgt, ist sehr klein und damit praktisch als Bereich vernachlässigbar, so dass in Bezug auf den gesamten Arbeitsdruckbereich von einem Schaltpunkt oder Schaltpunktdruck gesprochen werden kann.Possible design variants of the closing body of the
Mögliche Ausführungsvarianten zur Realisierung der Vorspannung sind:
- pneumatisch vorgespanntes Ventil, das einmalig vor Betrieb mit Druckluft befüllt und dann abgeriegelt wird oder
- mit mechanischer Feder vorgespanntes Ventil oder
- mittels Magnetkraft vorgespanntes bzw. geschlossenes Ventil oder
- kompressibler, elastischer Körper mit inhärenter Vorspannung.
- Pneumatically preloaded valve that is filled with compressed air once before operation and then locked or
- valve preloaded with mechanical spring or
- valve prestressed or closed by means of magnetic force or
- compressible, elastic body with inherent prestress.
Die bevorzugte Ausführungsvariante für das Ventil 20 weist folgende wechselweise einstellbare Funktion auf:
- bei geringem Fluiddruck bleibt
das Ventil 20 geschlossen und nur der tangentiale Teilstrom oder die tangentialen Teilströme werden zusammengeführt. Die dadurch in Drall versetzte zweite Fluidströmung 14 erzeugt amDüsenaustritt 4eine Strahlform Spray 30 mit einem Sprühwinkel γ, - bei hohem Fluiddruck
ist das Ventil 20 geöffnet und das Fluidtritt als Vollstrahl 32 aus (entspricht Sprühwinkel γ=0°).
- when the fluid pressure is low, the
valve 20 remains closed and only the tangential partial flow or the tangential partial flows are combined. Thesecond fluid flow 14, which is caused to swirl as a result, generates ajet shape spray 30 with a spray angle γ at thenozzle outlet 4, - at high fluid pressure, the
valve 20 is open and the fluid emerges as a full jet 32 (corresponds to spray angle γ=0°).
Der Schließkörper des vorgespannten Membranventils 22 ist als elastische Membran 21 ausgeführt, wobei die Vorspannung mittels Druckluft erreicht wird. Dieser Aufbau erlaubt eine einfache Auslegung des Schaltverhaltens für die industrielle Anwendung der Düse 1.The closing body of the prestressed diaphragm valve 22 is designed as an
Alternativ kann zur Änderung des Luftdrucks im Membranventil 22 während des Betriebs auch ein mit Druckluft befüllter Raum als Druckluftspeicher vorgesehen sein, dessen initialer Luftdruck nur zur Änderung des Arbeitspunktes vor dem Betrieb der Düse 1 verändert wird und im Betrieb abgeriegelt bleibt. In dem Fall wird das Membranventil 22 durch den Druck des in die Düse eintretenden Fluids gesteuert. Bei einem hohen Fluiddruck p öffnet es, sobald sich der Fluiddruck p unter den eingestellten Arbeitspunkt vermindert, schließt das Membranventil 22 (wie auch jedes andere eingesetzte Ventil 20 mit einer Vorspannung) wieder, wie in der linken Darstellung gezeigt.Alternatively, to change the air pressure in the diaphragm valve 22 during operation, a space filled with compressed air can also be provided as a compressed air reservoir, the initial air pressure of which is only changed to change the operating point before the
Überwindet der Fluiddruck p die Federkraft, wie in der rechten Darstellung gezeigt, tritt die axiale erste Fluidströmung 12 in die Drallkammer 6 ein und erzeugt den Vollstrahl 32 am Düsenaustritt 4. Unterschreitet der Fluiddruck p den Arbeitspunkt des Federventils 24, dann schließt das Federventil 24 und die Fluidströmung nimmt ihren Weg als zweite Fluidströmung 14 über die zweite Fluidleitung 10 in die Drallkammer 6 hinein, wo der dadurch bewirkte Drall zum Austritt eines kegelförmigen Sprays 30 führt.If the fluid pressure p overcomes the spring force, as shown in the illustration on the right, the axial
Bei
Vorzugsweise ausgeführt ist das magnetgetriebene Ventil 20 in der Weise, dass eine flexible Membran o. ä. durch zwei magnetische Körper vorgespannt wird, die so angeordnet sind, dass sie sich, insbesondere aufgrund ihrer Polung, gegenseitig anziehen, sodass die erste Fluidleitung 8 verschlossen wird. Sobald die erste Fluidströmung 12 einen größeren Druck erreicht, wird die Magnetkraft überwunden und das Ventil geöffnet. Damit ist bei der dargestellten Ausführungsform das Ventil als ein "bei hohem Druck öffnendes Ventil" ausgeführt.The magnet-driven
Wenn ein vom Druck p des Fluids, der Betriebsflüssigkeit, gesteuertes Ventil 20 genutzt wird und die Düsen 1 verschiedene Schaltpunkte aufweisen, sind folgende Betriebszustände für das Gesamtsystem möglich:
- alle Düsen befinden sich im Zustand "Spray",
- alle Düsen befinden sich im Zustand "Vollstrahl",
- Düsen befinden sich in verschiedenen Zuständen "Spray und Vollstrahl liegen gleichzeitig und nebeneinander vor".
- all nozzles are in the "Spray" state,
- all nozzles are in the "full jet" state,
- Nozzles are in different states "spray and full jet are present simultaneously and next to each other".
Die Druckleitung, die das in die Düse eintretende Fluid führt, dient dabei zugleich als Steuerleitung, so dass mit nur einem Signal (Druck des Fluids) mehrere Zustände sehr flexibel und einfach realisiert werden können.The pressure line, which carries the fluid entering the nozzle, also serves as a control line, so that several states can be implemented very flexibly and easily with just one signal (pressure of the fluid).
In der linken Darstellung liegt der Druck p am Eingang zu den beiden Düsen 1 im Schließdruckbereich, sodass beide Ventile 20 geschlossen sind, das gesamte Fluid in die beiden Drallkammern 6 jeweils über die zweite Fluidleitung 10 eintritt und das kegelförmige Spray 30 in beiden Düsen 1 erzeugt.In the illustration on the left, the pressure p at the entrance to the two
In der mittleren Darstellung ist der Druck p so gewählt, dass er bei einer der Düsen 1 im Öffnungsdruckbereich liegt und das Ventil 20 öffnet, bei der anderen aber noch geschlossen bleibt. In der Folge tritt ein Vollstrahl 32 und ein kegelförmiges Spray 30 aus.In the middle illustration, the pressure p is chosen so that it is in the opening pressure range for one of the
Wird der Druck p weiter geändert, beispielsweise erhöht, ergibt sich ein Bild wie in der rechten Darstellung, wo der Öffnungsdruckbereich beider Ventile 20 erreicht ist, diese durchlässig sind und die gesamte Fluidströmung über die erste Fluidleitung 8 in die Drallkammer 6 eintritt und den Düsenaustritt 4 als Vollstrahl 32 bei beiden Düsen verlässt. Bei der dargestellten Ausführungsform kann ein Ventil 20 genutzt werden, das bei einem geringen Druck geschlossen und bei hohem Druck geöffnet ist. Alternativ hierzu kann auch eine umgekehrte Charakteristik vorgesehen sein, bei der das Ventil bei einem hohen Druck geschlossen und bei geringem Druck geöffnet ist.If the pressure p is changed further, for example increased, a picture as shown in the illustration on the right results, where the opening pressure range of both
Der Parallelbetrieb ist z. B. insbesondere für die Behälterreinigung von Bedeutung. Dabei werden mehrere Düsen 1 parallel an einem rotierenden Reinigungsgerät betrieben, das über nur eine Druckleitung verfügt.The parallel operation is z. B. is particularly important for container cleaning.
Zustand 1 zeigt bei beiden Düsen 1 den niedrigen Fluiddruck p1, der unterhalb des Arbeitspunktes des Ventils 20 liegt, sodass dieses geschlossen bleibt. Die Folge sind kegelförmige Sprays 32 an beiden Düsenaustritten 4. Bei Zustand 2 erhält die linke Düse 1 den höheren Fluiddruck p2, sodass das Ventil 20 die Fluidströmung axial durchlässt und am Düsenaustritt 4 ein Vollstrahl 32 entsteht, während die rechte Düse 1 bei geschlossenem Ventil 20 weiterhin das Spray 30 abgibt. Bei Zustand 3 ist dies genau umgekehrt in Bezug auf Zustand 2; die Druckverhältnisse am Eingang der beiden Düsen 1 sind umgekehrt. Bei Zustand 4 hingegen liegt an beiden Düsen 1 der höhere Fluiddruck p2 an, das Ventil öffnet und beide Düsen geben den Vollstrahl 32 ab.
Für den Eintrittsbereich 7 werden neben dem gleichmäßigen Übergang, bei identischen Durchmessern der ersten Fluidleitung 8 und der Drallkammer 6, dargestellt als Detailvariante A(1) das Verhältnis des Durchmessers D8 der ersten Fluidleitung 8 zum Durchmesser D6 der Drallkammer 6 mit 0,7 in den Detailvarianten A(2) und A(4) und 1,3 in den Detailvarianten A(3) und A(5) dargestellt. In Detailvariante A(1) ist auch Durchmessers D8 und Durchmessers D6 bezeichnet, worauf in den anderen Darstellungen der Detailvarianten A(2) bis A(5) sowie auch in der zugehörigen Beschreibung der besseren Übersicht wegen verzichtet wurde.For the
Die Gestaltung des Übergangs nach A(1) bis A(5) begünstigt eine effektive Überlagerung der ersten Fluidströmung mit der zweiten Fluidströmung in der Drallkammer. Die erste Fluidströmung 12 besitzt vorwiegend axiale Geschwindigkeitskomponenten und durchströmt den Querschnitt der Drallkammer 6 als Kernströmung primär im Zentrum, koaxial zur Düsenachse, der Symmetrieachse der Düse 1, während die zweite Fluidströmung 14 vorwiegend radiale Geschwindigkeitskomponenten besitzt und den Querschnitt der Drallkammer 6 primär am äußeren Randbereich kreisbahnförmig radial durchströmt. Eine "effektive Überlagerung" der Fluidströmungen 12, 14 ist dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Geschwindigkeitskomponenten der ersten Fluidströmung 12 die radialen Geschwindigkeitskomponenten der zweiten Fluidströmung 14 ausreichend stark reduzieren, so dass der resultierende Drall in der vereinten Fluidströmung (durch z. B. zusätzliche Reibverluste mit der Wand der Drallkammer 6) bis zum Düsenaustritt 4 vollständig eliminiert werden kann und im Ergebnis ein Vollstrahl 32 austritt. Eine "effektive Überlagerung" findet insbesondere dann statt, wenn sich die erste Fluidströmung 12 und die zweite Fluidströmung 14 bezogen auf den Querschnitt der Drallkammer 6 großflächig kreuzen bzw. überlagern können.The design of the transition to A(1) to A(5) favors an effective superimposition of the first fluid flow with the second fluid flow in the swirl chamber. The
Eine effektive Überlagerung der Fluidströmungen 12, 14 findet statt, wenn der Eintrittsbereich 7 als gleichmäßiger Übergang mit identischen Durchmessern gemäß Detailvariante A(1) ausgeführt ist. Die erste Fluidströmung 12 durchdringt mit ihren axialen Geschwindigkeitskomponenten die erste Fluidleitung 8 im gesamten Querschnitt. Beim Übergang zur Drallkammer 6 bleibt die erste Fluidströmung 12 aufgrund des gleichmäßigen Übergangs weitestgehend unverändert, so dass die erste Fluidströmung 12 mit ihren axialen Geschwindigkeitskomponenten auch die Drallkammer 6 im gesamten Querschnitt durchdringt. Damit überlagern die im gesamten Querschnitt der Drallkammer 6 ausgeprägten axialen Geschwindigkeitskomponenten der ersten Fluidströmung 12 die radialen Geschwindigkeitskomponenten der zweiten Fluidströmung 14 im Randbereich der Drallkammer 6 großflächig und sehr effektiv.An effective superimposition of the fluid flows 12, 14 takes place when the
Eine effektive Überlagerung der Fluidströmungen 12, 14 findet auch statt, wenn der Eintrittsbereich 7 als kleiner Sprung mit einem Verhältnis des Durchmessers der ersten Fluidleitung 8 zum Durchmesser der Drallkammer 6 ausgestaltet ist, wobei das Verhältnis, wie in der Detailvariante A(2) beispielhaft dargestellt, 0,7 beträgt oder, wie in der Detailvariante A(3) dargestellt, 1,3 beträgt.The fluid flows 12, 14 are also effectively superimposed if the
Wenn, wie in der Detailvariante A(2) dargestellt, der Querschnitt der ersten Fluidleitung 8 im Vergleich zur Drallkammer 6 kleiner ist, kommt es nach dem Eintritt der ersten Fluidströmung 12 in die Drallkammer 6 zur Strömungsablösung und Wirbelbildung. Damit durchdringen die axialen Geschwindigkeitskomponenten der ersten Fluidströmung 12 den Querschnitt der Drallkammer 6 im Bereich der Ablösung nicht mehr so effektiv wie noch in der ersten Fluidleitung 8, sondern sind im Randbereich der Drallkammer 6 etwas abgeschwächt. Die Fläche, auf der sich erste und zweite Fluidströmung 12, 14 überlagern und eine Interaktion von axialer und radialer Geschwindigkeitskomponente stattfindet, ist in Bezug auf die wirksame Interaktion gegenüber der Detailansicht A(1) etwas verringert, jedoch trotzdem effektiv genug, um den Drall so weit zu verringern, dass dieser bis zum Düsenaustritt 4 vollständig (durch z. B. Wandreibung beim weiteren Durchströmen der Drallkammer 6) eliminiert werden kann und ein Vollstrahl 32 austritt. Die Effektivität der Überlagerung kann in diesem Fall erhöht werden, indem z. B. die Drallkammer 6 im Bereich zwischen Eintrittsbereich 7 und Zusammenführung so weit verlängert wird, dass sich die erste Fluidströmung 12 bis zur Überlagerung mit der zweiten Fluidströmung 14 an die Wand der Drallkammer 6 anlegt. Nach Anlegen der Strömung durchdringt die erste Fluidströmung 12 mit ihren axialen Geschwindigkeitskomponenten die Drallkammer 6 im gesamten Querschnitt ohne ablösungsbedingte Abschwächung im Randbereich und kann die radialen Geschwindigkeitskomponenten der zweiten Fluidströmung 14 im Randbereich der Drallkammer 6 großflächig und sehr effektiv überlagern.If, as shown in detail variant A(2), the cross section of the
Wenn, wie in der Detailvariante A(3) dargestellt, der Querschnitt der ersten Fluidleitung 8 im Vergleich zur Drallkammer 6 größer ist, kommt es vor dem Eintritt der ersten Fluidströmung in die Drallkammer zur Strömungsablösung und Wirbelbildung. Das Ablösungsgebiet erstreckt sich bis in die Drallkammer 6 hinein. Damit durchdringen die axialen Geschwindigkeitskomponenten der ersten Fluidströmung 8 den Querschnitt der Drallkammer 6 im Bereich der Ablösung nicht mehr so effektiv wie noch in der ersten Fluidleitung 8 vor der Ablösung, sondern sind im Randbereich der Drallkammer 6 etwas abgeschwächt. Auch hier ist die Fläche, auf der sich erste und zweite Fluidströmung 12, 14 überlagern und eine Interaktion von axialer und radialer Geschwindigkeitskomponente stattfindet, in Bezug auf die wirksame Interaktion gegenüber der Detailansicht A(1) etwas verringert, jedoch trotzdem effektiv genug, um den Drall so weit zu verringern, dass dieser bis zum Düsenaustritt 4 vollständig (durch z. B. Wandreibung) eliminiert werden kann und ein Vollstrahl 32 austritt. Wie auch im Fall der Detailansicht A(2) kann die Effektivität der Überlagerung erhöht werden, indem z. B. die Drallkammer 6 im Bereich zwischen Eintrittsbereich 7 und Zusammenführung so weit verlängert wird, dass sich die erste Fluidströmung 12 bis zur Überlagerung mit der zweiten Fluidströmung 14 an die Wand der Drallkammer 6 anlegt. Nach Anlegen der Strömung durchdringt die erste Fluidströmung 12 mit ihren axialen Geschwindigkeitskomponenten die Drallkammer 6 im gesamten Querschnitt ohne ablösungsbedingte Abschwächung im Randbereich und kann die radialen Geschwindigkeitskomponenten der zweiten Fluidströmung 14 im Randbereich der Drallkammer 6 großflächig und sehr effektiv überlagern.If, as shown in detailed variant A(3), the cross section of the
Ein Verhältnis von 0,7 bis 1,3 des Durchmessers der ersten Fluidleitung 8 zum Durchmesser der Drallkammer 6 ist insbesondere dann empfehlenswert, wenn der Durchmesser des Düsenaustritts 4 zwischen 0,85 und 3,2 mm beträgt und das Verhältnis von der Querschnittsfläche der ersten Fluidleitung 8 zur Querschnittsfläche aller zweiten Fluidleitungen 14 zusammen zwischen 1,2 bis 7,0 liegt.A ratio of 0.7 to 1.3 of the diameter of the
Auch mit einem Eintrittsbereich 7, der gemäß den Detailvarianten A(4) und A(5) gestaltet ist, kann eine effektive Überlagerung der Fluidströmungen 12, 14 realisiert werden. Dabei ist der Eintrittsbereich 7 strömungsstetig ausgeführt, indem der Übergang von der ersten Fluidleitung 8 zur Drallkammer 6 über den Neigungswinkel β (zur Drallkammer 6 hin abfallend) bzw. β' (zur ersten Fluidleitung 8 hin abfallend, mithin zur Drallkammer 6 ansteigend) gestaltet ist. Durch den geneigten Übergang wird ein Ablösen der Fluidströmung 12 vermieden und im Fall einer laminaren Strömung wird diese im laminaren Zustand gehalten. Wenn eine laminare und nicht-viskose Strömung ohne Ablösung von der Wand durch eine Querschnittserweiterung bzw. einen Diffusor (die Drallkammer 6) strömt und der Neigungswinkel hinreichend flach ist, gibt es keine Wirbel bzw. kaum Reibverluste durch Turbulenzen. Die Ausführung eines Diffusors ist aus dem Stand der Technik an sich bekannt. So ist der Öffnungswinkel eine Kennzahl für die Verbreiterung des Strömungsquerschnitts des Diffusors. Bei Kreiselpumpen beträgt der kritische Wert zumeist etwa 8° bis 10°. Bei einem zu großen Öffnungswinkel (überkritischer Diffusor) entsteht eine Dissipation durch Ablösen der Strömung von der Diffusorwand, dadurch kommt es zu starken Verwirbelungen in den Übergangsgebieten zu den Toträumen. Bei einer plötzlichen starken Querschnittserweiterung spricht man auch von einem "Carnotschen Stoßverlust", den entsprechenden Diffusor nennt man Sprungdiffusor. In einem solchen Diffusor kommt die Strömung nach einer Distanz von etwa dem Acht- bis Zehnfachen des großen Durchmessers wieder zum AnliegenAn effective superimposition of the fluid flows 12, 14 can also be realized with an
Bei einer Ablösung der Strömung von der Wand im Eintrittsbereich 7 treten somit Turbulenzen auf. Die Detailvariante A(4) zeigt eine allmähliche Querschnittserweiterung im Eintrittsbereich 7, bei der sich die axialen Geschwindigkeitskomponenten mit zunehmender Querschnittsvergrößerung verringern. Die Detailvariante A(5) zeigt eine allmähliche Querschnittsverengung im Eintrittsbereich 7, bei der sich die axialen Geschwindigkeitskomponenten mit zunehmender Querschnittsverkleinerung erhöhen. Für beide Fälle gemäß den Detailvarianten A(4) und A(5) durchdringen die axialen Geschwindigkeitskomponenten der ersten Fluidströmung 12 den Querschnitt der Drallkammer 6 sehr effektiv, ohne dass es zu einer Strömungsablösung und somit Abschwächung der axialen Geschwindigkeitskomponenten im Randbereich der Drallkammer 6 kommt. Damit überlagern die im gesamten Querschnitt der Drallkammer 6 ausgeprägten axialen Geschwindigkeitskomponenten der ersten Fluidströmung 12 die radialen Geschwindigkeitskomponenten der zweiten Fluidströmung 14 im Randbereich der Drallkammer 6 großflächig und sehr effektiv. In der Folge wird es möglich, das Verhältnis des Durchmessers der ersten Fluidleitung 8 zum Durchmesser der Drallkammer 6 über die zuvor genannten Grenzen in beide Richtungen zu erweitern, ohne die ordnungsgemäße, erfindungsgemäße Funktion zu beeinträchtigen.When the flow detaches from the wall in the
Während die Detailvariante A(2) tatsächlich in der Gesamtdarstellung der Düse 1 ausgeführt ist, können die Detailvarianten A(1), A(3), A(4) und A(5) als Alternativen jeweils an deren Stelle treten und je nach Anforderung an deren Stelle treten. Anforderungen können beispielsweise ein kurzer Bauraum der Düse oder ein geringer Druckverlust sein.While the detail variant A(2) is actually executed in the overall representation of the
Zentral im Düsenkörper 2 angeordnet ist das Ventil 20, das bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform eine Membranhülse 28 und die Membran 21 aufweist. Das Ventil 20 wird durch eine Düsenverschraubung 3 gehalten, die die beiden Teile des Düsenkörpers 2 aneinander fügt. Zwischen Düsenverschraubung 3 und Düsenkörper 2 ist jeweils ein Dichtring 5 eingesetzt.Arranged centrally in the
Die Düse verfügt weiterhin über ein Rückschlagventil 18, das ebenfalls über eine Steckverschraubung 17 mit Düsenverschraubung 3 verbunden ist. Das Rückschlagventil 18 dient zur werkzeuglosen Schnellbefüllung des Ventils mit einem Gas, z. B. Druckluft, ohne dass dieses zurückströmt (Abriegelungsfunktion). Das Befüllen mit Druckluft ist werkzeuglos möglich, zum Entlüften ist eine nicht dargestellte Entlüftungsschraube auf der Gegenseite der Düsenverschraubung vorgesehen.The nozzle also has a
- 11
- Vorrichtung, Düsedevice, nozzle
- 22
- Düsenkörpernozzle body
- 33
- Fluidanschlussfluid connection
- 44
- Düsenaustritt, VollstrahldüsenaustrittNozzle outlet, full jet nozzle outlet
- 55
- Dichtringsealing ring
- 66
- Drallkammerswirl chamber
- 77
- Eintrittsbereichentry area
- 88th
- erste Fluidleitungfirst fluid line
- 99
- Achsrichtungaxis direction
- 1010
- zweite Fluidleitungsecond fluid line
- 1111
- Medienschlauchmedia hose
- 1212
- erste Fluidströmungfirst fluid flow
- 1414
- zweite Fluidströmungsecond fluid flow
- 1616
- Verzweigungbranch
- 1717
- Steckverschraubungpush-in fitting
- 1818
- Rückschlagventilcheck valve
- 2020
- VentilValve
- 2121
- Membranmembrane
- 2222
- vorgespanntes Membranventilpreloaded diaphragm valve
- 2323
- Druckluftzuführungcompressed air supply
- 2424
- vorgespanntes Federventilpreloaded spring valve
- 2525
- Federanordnungspring assembly
- 2626
- kompressibler, elastischer Ventilkörpercompressible, elastic valve body
- 2828
- Membranhülsemembrane sleeve
- 2929
- Permanentmagnetenpaarpair of permanent magnets
- 3030
- Strahlform kegelförmiges SpraySpray shape Cone-shaped spray
- 3232
- Strahlform VollstrahlJet form full jet
- 4242
- Austrittsdurchbruchexit breakthrough
- 4444
- Fasendüsenaustrittbevel nozzle outlet
- 4646
- Radiusdüsenaustrittradius nozzle exit
- αa
- Eintrittswinkelentry angle
- β, β'β, β'
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- Sprühwinkelspray angle
- pp
- Fluiddruckfluid pressure
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