IT202000027369A1 - Tubo vortex di ranque - hitsch (hrtv) modificato con tubo venturi (hrtv-v) - Google Patents

Tubo vortex di ranque - hitsch (hrtv) modificato con tubo venturi (hrtv-v) Download PDF

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Description

TUBO VORTEX DI RANQUE-HITSCH (HRTV) MODIFICATO CON TUBO VENTURI (HRTV-V)
La presente invenzione consiste nel modificare un classico tubo vortex di Ranque-Hitsch (RHTV) sostituendo il tubo cilindrico con un Tubo Venturi, cos? ottenendo un tubo composito "RHTV-V".
Con tale modifica si ottiene un dispositivo con funzionalit? completamente diverse daN'originale.
Infatti il Venturi ? percorso nella sezione convergente da un vortice con velocit? angolare che aumenta linearmente al diminuire del raggio.
se nel vortice vengono immesse particelle (m1), esse subiscono un fenomeno di "VIV" (Vortex Induced Vibrations) a frequenza linearmente crescente, e quando incontrano la propria frequenza caratteristica di risonanza, iniziano a pulsare accumulando energia sino a disgregarsi.
Nella zona cilindrica del Venturi possono inoltre essere aspirate altre particelle m2 (polveri, ovvero liquidi, vapore, etc.) creando una miscela intima (m1+m2).
Il dispositivo scarica da una parte polveri anidre micronizzate+ e dall'altra aeriforme.
DESCRIZIONE DEL DISPOSITIVO
Un tubo "VORTEX-RHTV" ? un dispositivo generatore di vortici che mediante iniezione tangenziale di aria compressa produce staticamente due volte ci concentrici di direzione opposta che fuoriescono ai due estremi: il vortice esterno ? caldo, mentre quello interno coassiale ? freddo.
La presente invenzione verr? ora descritta, a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue preferite forme di realizzazione, con particolare riferimento alle Figure dei disegni allegati, in cui:
la Figura 1 mostra una vista in sezione laterale di un tubo di Ranque-Hitsch della tecnica anteriore;
la Figura 2 mostra una vista frontale del tubo di cui a Figura 1;
la Figura 3 mostra una vista laterale di una ulteriore forma di realizzazione di un tubo Ranque-Hitsch della tecnica anteriore;
la Figura 4 mostra una vista frontale del tubo di cui a Figura 3;
la Figura 5 mostra una vista laterale di un tubo di Ranque-Hitsch secondo l'invenzione;
la Figura 6 mostra una vista frontale del tubo di cui a Figura 5;
La Figura 7 mostra una vista laterale di una ulteriore versione di un tubo di Ranque-Hitsch secondo l'invenzione.
Con riferimento a quanto illustrato nelle allegate Figure 1 e 2, un tubo RHTV ? costituito come segue:
un condotto di immissione (A) tangenziale immette aria compressa entro una camera cilindrica, detta "Camera del Vortice" (CV);
all'interno di CV per effetto "coanda" l'aria entra in rotazione formando un vortice V1 (Vortice libero principale).
V1 si propaga in aderenza alla parete del cilindro (C);
alla fine del cilindro C, il vortice VI incontra una valvola a spillo di efflusso S che ne impedisce la totale uscita dal tubo delimitando un ugello di uscita toroidale U1; quindi solo una parte del vortice pu? fuoriuscire.
La parte di vortice V1 che resta nel tubo viene forzata indietro ed inverte il moto, generando un "vortice forzato" V2 che ruota a velocit? inferiore e si muove all'interno di V1, cio? attraverso il nucleo cavo della corrente d'aria esterna ed ha una velocit? angolare inferiore;
V2 trasferisce sotto forma di calore la propria energia al vortice libero esterno V1, che quindi si riscalda a spese del vortice interno V2 che a sua volta si raffredda;
La turbolenza di entrambe le correnti d'aria calda e fredda (V1, V2) fa s? che gli strati siano bloccati insieme in un'unica massa rotazionale.
V2 di ritorno attraversa CV ed esce dall'ugello di uscita U2 a bassa temperatura.
Per queste caratteristiche il tubo HRTV viene oggi usato utilizzando la frazione calda ovvero preferibilmente la frazione fredda V2 ottenuta staticamente senza apparati frigoriferi, per il raffreddamento di componenti vari (utensili, quadri elettrici, etc.).
Con riferimento ai componenti del tubo illustrati nelle allegate Figure 1 e 2, gli stessi sono:
A ingresso aria compressa;
CV Camera del Vortice;
V1 vortice libero principale;
V2 vortice forzato di ritorno;
S valvola a spillo per regolazione efflusso V1;
U1 uscita vortice principale esausto;
U2 uscita vortice di ritorno interno forzato V2.
? possibile ottimizzare il funzionamento del tubo a vortice adottando i seguenti accorgimenti, con riferimento alla forma di realizzazione illustrata nelle allegate Figure 3 e 4:
2.1 uso di pi? ugelli tangenziali (A1, A2, A3, A4,...) allo scopo di distribuire pi? uniformemente l'immissione di aria compressa ed ottenere un vortice con minore attrito sulle pareti;
2.2 uso di ugelli di tipo laminare, per ottenere:
2.2.1 aumento dell'energia cinetica del vortice, dovuta sezione "schiacciata" di maggior raggio medio R, e quindi con maggiore velocit? V = ?R.
2.2.2 miglioramento dell'effetto "coanda" per aumentato contatto del vortice con la parete;
2.3 uso di ugelli supersonici (ad es. del tipo De Laval) anzich? subsonici, per ottenere:
2.3.1 aumento del rendimento di efflusso;
2.3.2 diminuzione del rumore e quindi di energia dissipata;
2.4 adozione di un "tubo Guida" (TG) in camera del vortice, come normalmente usato nei separatori a ciclone, allo scopo di:
2.4.1 agevolare inizialmente la formazione del vortice in CV creando meccanicamente la zona vuota interna;
2.4.2 intercettare il "vortice forzato di ritorno" che passer? quindi all'interno di TG, restando separato meccanicamente dal vortice libero principale, al quale ? connesso insieme in un'unica massa rotazionale. Con riferimento ai componenti del tubo illustrati nelle allegate Figure 3 e 4, gli stessi sono:
A1, A2, A3, A4 ugelli aria tangenziali;
CV Camera del Vortice;
TG Tubo Guida di formazione vortice libero V1 e successiva uscita vortice forzato V2
V1 vortice libero principale;
V2 vortice forzato di ritorno;
S valvola a spillo di efflusso;
U1 uscita vortice principale esausto;
U2 uscita vortice di ritorno interno forzato.
Il tubo "RHTV" ottimizzato come descritto nelle allegate Figure 1-4, viene ora modificato secondo il presente brevetto, sostituendo il cilindro C con un Tubo Venturi "tv" costituito dalle sue tre sezioni convergente/cilindrica/divergente (t'v, t"v, t'"v), nonch? dell'ugello di aspirazione Venturi "i".
Il tubo Venturi sar? anch'esso dotato della valvola a spillo di efflusso S. Usando l'acronimo originale, chiameremo "HRTV-V" il dispositivo cos? ottenuto.
Il Venturi in oggetto funziona differentemente da un Venturi tradizionale che ? percorso da un "flusso lineare", perch? - ricevendo un vortice e non un flusso lineare - al suo interno si genera un "flusso rotazionale caratterizzato da un vortice libero esterno e da un vortice forzato di ritorno coassiale": avremo quindi un "Venturi rotazionale a flussi concentrici".
Esso ? caratterizzato dal seguente funzionamento:
3.1 Il vortice V'1 uscente dalla Camera del Vortice CV passa nella sezione convergente del Venturi (t'v) dove per il principio della conservazione della quantit? di moto la velocit? angolare andr? linearmente aumentando lungo l'asse al diminuire del raggio;
3.2 nella sezione cilindrica ristretta (t"v) del Venturi si former? il vortice V'"1 che per l'aumentata velocit? e la diminuita pressione esercitata avr? un effetto di aspirazione dall'ugello "i".
3.3 Nella sezione finale divergente del Venturi (t'"v) si avr? il vortice V"'1 nel quale all' uscita si ristabilisce la pressione iniziale che viene per? regolata dalla valvola a spillo di efflusso S che strozza l'uscita U1, innescando il vortice forzato di ritorno V2, di senso opposto.
3.4 Il vortice forzato di ritorno V2 nella camera del vortice CV viene intercettato dal tubo guida TG ed espulso dall'uscita U2.
In questa configurazione avremo di fatto ottenuto una variazione di velocit? angolare di V'1, V"1, V'"1, una diversa velocit? del vortice V2 ed un effetto di aspirazione dall'iniettore Venturi "i".
Di seguito si elencano i componenti illustrati nelle allegate Figure 5 e 6, omettendo i componenti descritti in precedenza in relazione alle restanti Figure 1-4 a cui si rimanda:
Tv tubo Venturi;
t'v, t"v, t'"v sezioni convergente, cilindrica, divergente del tubo Venturi; V'1, V"1, V'"1 modifiche del vortice principale all'interno delle sezioni del Venturi;
i ugello di aspirazione per effetto Venturi.
Alla configurazione di cui alle Figure 5 e6, apportiamo ora una ulteriore modifica operativa, illustrata nella allegata Figura 7, che ci consenta di immettere materiale particellato "mi" all'interno della Camera del Vortice CV, mediante un iniettore "i1" tangenziale al vortice V'1. (Tale immissione potr? essere anche realizzata mediante pre-miscelazione di "mi" al flusso di aria entrante dagli ugelli A1, A2,...).
Di seguito si elencano i componenti illustrati nella allegata Figura 7, omettendo i componenti descritti in precedenza in relazione alle restanti Figure 1-5 a cui si rimanda:
i1 Tubo di iniezione in CV;
m1 materiale da trattare immesso mediante "il";
CV Camera del Vortice entro cui si forma il vortice libero principale VI contenente mi;
tv Tubo Venturi con sezione convergente t'v, cilindrica t"v, divergente t'"v;
V'1 vortice convergente nella sezione t'v con aumento lineare di velocit? angolare;
V"1 vortice cilindrico ad alta velocit? e bassa pressione con effetto di aspirazione Venturi da i2;
12 aspiratore Venturi del materiale m2 (solido, liquido, vapore); m2 particelle, acqua, vapore, aeriformi aspirabili da i2;
V"'1 vortice in rallentamento nella sezione t'"v del Venturi;
S valvola a spillo di regolazione uscita vortice V"'1 e creazione del vortice di ritorno V2;
U1 uscita toroidale particelle (ml+m2) trasportate dal vortice principale livero V"'1;
V2 vortice di ritorno coassiale forzato contenente aeriforme;
TG tubo guida formazione V1 ed intercettazione uscita V2 che viene scaricato all'esterno da U2.
Si avranno i seguenti effetti:
4. a se immettiamo in CV particelle (mi) mediante un iniettore (il), queste verranno inglobate dal vortice principale V'1.
4.b In un flusso lineare, quando una particella ? immessa nel flusso, si formeranno a valle dei filetti fluidi simmetrici.
Questi, all'aumentare del numero di Reynolds (Re), diventeranno asimmetrici e si staccheranno dalla particella, con formazione quindi di un nuovo filetto e suo relativo distacco, e cos? via, generando in mi un'oscillazione vibrazionale di determinata frequenza.
Questo fenomeno viene definito come "strada del vortice di Von Karman" ed ? appunto caratterizzato da meccanismi di flusso oscillatorio, dove la frequenza di distacco dei vortici che formano a valle la cosiddetta "scia di Von Karman" ? definita dal "Numero di Strouhal".
L'oscillazione indotta nel corpo ? denominata "VIV" (Vortex Induced Vibrations).
4.c A causa della VIV il corpo entra in vibrazione, e - se incontra la propria "frequenza caratteristica di risonanza" - pulsa accumulando energia fino alla propria disgregazione.
4.d Il medesimo fenomeno avviene anche se il flusso e elicoidale anzich? lineare, e quindi le particelle "mi" immesse nel vortice saranno soggette al fenomeno della VIV.
4. e Poich? il vortice V'1 entro la sezione convergente del Venturi t'v-come gi? detto in (3.1) - va aumentando linearmente la propria velocit? angolare, tutte le particelle trascinate saranno soggette a vibrazioni di frequenza crescente provocate dalla VIV, finch? esse incontreranno la propria frequenza di risonanza disgregandosi.
Quindi in questo modo abbiamo realizzato un dispositivo frantumatore per risonanza "HRTV-V".
Rispetto alla frantumazione meccanica per attrito (ad es. mulino Thor, mulini a sfere, mulini a cilindri orbitali, mulini ad attrito "air mill", etc.), la frantumazione per risonanza comporta i seguenti vantaggi:
5.1 Minima energia assorbita, perch? il materiale non subisce una frantumazione per strisciamento o per urto lungo le pareti o per urto reciproco tra particelle come negli "air-mill", ma viene micronizzato per eccesso di accumulo di energia interna e quindi senza nessuna cessione di energia alla macchina;
5.2 Il materiale iniziale ? salvaguardato, perch? non viene alterato per effetto "meccanochimico" dall'impianto della macinatura per attrito contro la parete e/o per urto reciproco delle particelle: il fenomeno meccanochimico pu? alterare sensibilmente molti tipi di materiale, come i polimeri ad alto peso molecolare.
5.3 in assenza di fenomeni meccanochimici, i materiali cristallini mantengono la loro struttura senza alterazioni.
5.4 i materiali multifase complessi subisco una "frammentazione differenziale selettiva" perch? i diversi componenti avranno diverse elasticit? e quindi tenderanno a risonare a frequenze diverse, separandosi l'uno dall'altro. Si avr? perci? un vero e proprio "frazionamento a secco".
Solo a titolo di esempio:
la fibra vegetale potr? essere liberata dai componenti infracellulari;
Sar? possibile separare i fili di acciaio e la gomma dai PFU o da tubi ad alta pressione;
si realizzer? la separazione di particelle d'oro dalla sabbia;
si potranno spaccare i materiali cristallini lungo i loro piani di struttura, etc. viene separata l'acqua interstiziale o di imbibizione contenuta nel materiale (dewatering).
Da tutto quanto su esposto il funzionamento del dispositivo ? evidente e viene qui riassunto con riferimento alla Fig.7.
6.1 Un materiale particellato (m1) viene immesso nel dispositivo attraverso l'iniettore tangenziale (i1) nella Camera del Vortice "CV", in cui viene tangenzialmente iniettata aria compressa dagli ugelli tangenziali laminari (A1, A2,...)
6.2 Il vortice V1 formatosi in CV per effetto Coanda e guidato dalla superficie esterna del Tubo di Guida TG ingloba le particelle "m1";
6.3 Dalla Camera del vortice CV, il vortice (V'1) contenente m1 passa nella sezione convergente (t'v) di un Venturi;
6.4 Le particelle "m1" immesse nel vortice (V'1) subiscono il fenomeno della "Vortex Induced Vibrations" entrando in vibrazione.
6.5 Al diminuire del raggio di "V'1" le frequenze di vibrazione aumentano linearmente.
6.6 Quando le particelle "m1" incontrano le proprie frequenze caratteristiche di risonanza esse accumulano energia fino alla loro disgregazione.
6.7 La disgregazione sar? "selettiva" se trattasi di particelle composite;
6.8 Se le particelle contengono acqua si avr? un fenomeno di "dewatering".
6.9 Nella sezione ristretta del Venturi si avr? (se voluta) una aspirazione di "m2", costituita da altre microparticelle, o liquidi, o gas, o vapore, o un loro mix;
6.10 La valvola di efflusso "S" consentir? solo una parziale uscita di V'"1 mediante l'uscita U1, dando origine ad un vortice forzato di ritorno "V2", che in "CV" viene intercettato dal Tubo Guida "TG" ed espulso.
6.11 Il vortice "V2" ? molto pi? debole di "V1" e quindi non potr? trasportare particelle ma solo aeriformi. Quindi tutte le particelle disgregate contenute nel vortice in uscita (V"'1) verranno scaricate all'uscita "U1", mentre l'aria compressa e gli aeriformi verranno scaricate all'uscita opposta U2 dal flusso di ritorno (V2) insieme all'umidit? separata selettivamente, ed immesse in atmosfera previo eventuale trattamento se necessario.
Il dispositivo suddetto ? quindi in grado:
di frantumare per risonanza particelle immesse in un vortice;
di effettuare una frantumazione selettiva dei materiali compositi con frazionamento a secco;
di miscelare al materiale frantumato altro materiale micronizzato, o liquidi, o vapore, o aeriformi;
di effettuare un'energica azione di "dewatering".
Le ricerche di anteriorit? effettuate non hanno evidenziato nessun dispositivo ottenuto sostituendo in un tubo a Vortice di Ranque-Hitsh il relativo Tubo di propagazione del Vortice "HRTV" con un Tubo Venturi, e di conseguenza nessuna applicazione pratica del suddetto dispositivo.
Il dispositivo secondo l'invenzione ? ottenuto modificando un tubo a vortice di Ranque-Hitsch sostituendo al tubo cilindrico di efflusso (c) un tubo Venturi (tv), allo scopo di ottenerne le seguenti prestazioni:
frantumare per risonanza particelle immesse in una corrente di aria compressa creante un vortice
effettuare una frantumazione selettiva dei materiali compositi con frazionamento a secco
miscelare al materiale frantumato altro materiale micronizzato, o liquidi, o vapore, o aeriformi
effettuare un'energica azione di "dewatering".
Gli effetti sopra indicati sono dovuti al fenomeno di VIV (Vortex Induced Vibrations) a frequenze linearmente crescenti, tali da eccitare per vibrazione i corpi introdotti fin quando incontrano la propria frequenza caratteristica di risonanza, a cui iniziano a pulsare accumulando energia sino alla loro disgregazione.
I materiali "m1" da microfrantumare vengono immessi in un flusso di aria ad alta pressione provocato da ugelli laminari tangenziali (preferibilmente supersonici) nella Camera del Vortice (CV), laddove per effetto Coanda e del Tubo Guida coassiale (TG) detti materiali (m1) vengono inglobati nel vortice (V'1) formatosi. Il vortice V'1 formatosi e contenente "m1" si propaga nella parte convergente (t'v) del tubo Venturi tv aumentando linearmente lungo l'asse la propria velocit? angolare, laddove per il fenomeno della "VIV-Vortex Induced Vibration" il materiale "m1" inizia a vibrare a frequenze sempre pi? alte al diminuire del raggio, fino ad incontrare la propria frequenza caratteristica di risonanza e disgregarsi per eccesso di accumulo di energia.
Il vortice con le particelle "m1" disgregate passa nella sezione cilindrica t"v del Venturi, dove (se richiesto) pu? aspirare dall'iniettore Venturi "i" altre particelle micronizzate o liquide o aeriformi o vapore, creando un'intima mescolanza m1+m2.
Si evidenzia poi che all'uscita della sezione divergente t'"v del Venturi, il vortice V'"1 incontra la valvola a spillo di regolazione "S" che ne consente solo una parziale uscita, dando origine ad un vortice forzato di ritorno (V2), che in "CV" viene intercettato dal Tubo Guida (TG) ed espulso.
Il dispositivo oggetto dell'invenzione realizza lo scarico separato delle particelle disgregate e dell'aeriforme o dell'acqua separata e vaporizzata per effetto dewatering. Infatti il vortice "V2" ? molto pi? debole di "V1" e quindi non trasporter? particelle ma solo aeriformi, mentre il vortice effluente (V'"1) scaricher? tutte le particelle disgregate all'uscita (U1), mentre gli aeriformi (inclusa l'acqua vaporizzata) verranno scaricati all'uscita opposta.
L'immissione in atmosfera avverr? (se necessario) previo eventuale trattamento dell'aeriforme.

Claims (9)

RIVENDICAZIONI
1. Dispositivo generatore di vortici comprendente un corpo cavo allungato, un corpo di immissione tangenziale per l'immissione di aria compressa all'interno di una camera (CV), in cui detto corpo di immissione tangenziale comprende una pluralit? di ugelli tangenziali (A1, A2, A3, A4) configurati per distribuire in modo uniforme l'immissione di detta aria compressa in detta camera (CV) in modo tale da determinare un vortice interno libero (VI) che si propaga lungo detto corpo cavo allungato, una valvola a spillo di efflusso (S) posizionata in corrispondenza di una estremit? libera di detto corpo cavo allungato in modo da delimitare un ugello di uscita toroidale (U1) attraverso cui pu? uscire una porzione di detto vortice interno libero (V1), in cui detta valvola a spillo di efflusso (S) determina una inversione di moto di una parte di detto vortice interno libero (V1) che origina un vortice forzato (V2), in cui detto vortice forzato (V2) ruota ad una velocit? inferiore rispetto a detto vortice interno libero (VI) e si propaga all'interno di detto vortice interno libero (V1) in direzione opposta a quest'ultimo, in cui detto corpo cavo allungato ? un tubo di Venturi (tv) che comprende una sezione convergente (t'v), una sezione cilindrica (t"v) e una sezione divergente (t'"v) in successione tra loro ed un ugello di aspirazione (i) posto in corrispondenza di detta sezione cilindrica (t"v), in cui detti ugelli tangenziali (A1, A2, A3, A4) sono posti in corrispondenza di detta porzione divergente (t'v).
2. Dispositivo generatore di vortici secondo la rivendicazione 1, in cui detta valvola a spillo di efflusso (S) ? posizionata lungo detto tubo di Venturi (tv) in posizione opposta a detti ugelli tangenziali (A1, A2, A3, A4), in corrispondenza di detta porzione divergente (t'"v).
3. Dispositivo generatore di vortici secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detti ugelli tangenziali (A1, A2, A3, A4) sono di tipo laminare.
4. Dispositivo generatore di vortici secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti ugelli tangenziali (a1, A2, A3, A4) sono ugelli supersonici.
5. Dispositivo generatore di vortici secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un tubo di guida (TG) posizionato concentrico all'interno di detta camera (CV) e configurato per intercettare detto vortice forzato (V2) lungo detta camera (CV) in modo da guidarlo fino ad una uscita (U2) delimitata in detto tubo di Venturi (tv) in corrispondenza di una estremit? libera prossima a detta porzione divergente (t'v), in posizione opposta a detta valvola a spillo di efflusso (S).
6. Dispositivo generatore di vortici secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un iniettore (il) configurato per immettere materiale particellato (m1) all'interno di detta camera (CV), detto materiale particellato (m1) essendo configurato per essere inglobato in detto vortice interno libero (V1).
7. Dispositivo generatore di vortici secondo la rivendicazione 6, in cui detto iniettore (i1) ? inclinato rispetto a detta camera (CV) per immettere detto materiale particellato (m1) lungo una direzione tangenziale a detta camera (CV).
8. Dispositivo generatore di vortici secondo la rivendicazione 7, in cui detto ugello di aspirazione (i) ? operativamente collegato ad una sorgente di alimentazione di ulteriori particelle micronizzate (m2) da miscelare all'interno di detto dispositivo generatore di vortici a dette particelle (m1) in modo da ottenere una mescolanza di particelle.
9. Dispositivo generatore di vortici secondo la rivendicazione precedente, in cui detto materiale particellato (m1) e dette ulteriori particelle micronizzate (m2) sono aeriformi o liquide o vapore o sostanze solide da frantumare.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20190291118A1 (en) * 2016-09-30 2019-09-26 Micro-Macinazione Sa Apparatus for the micronization of powdered material with the capacity to prevent incrustations

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