SI23702A

SI23702A - Ĺ oba z ejektorskim vtokom medija

Info

Publication number: SI23702A
Application number: SI201100128A
Authority: SI
Inventors: DrstvenĹˇek Igor; PogaÄŤar DuĹˇan; Sever Peter
Original assignee: Ortotip, Razvoj, Svetovanje, Proizvodnja D.O.O.
Priority date: 2011-04-12
Filing date: 2011-04-12
Publication date: 2012-10-30
Also published as: WO2012166058A1

Abstract

Prednostna izvedba šobe po izumu obsega obodno in centralno Venturijevo šobo oziroma kanal za ustvarjanje zračnega klina, ki je ključen za efektivno delovanje šobe po principu Coanda efekta. Poglavitna značilnost delovanja take šobe je ustvarjanje nadzorovane mejne plasti zraka v okolici šobe, natančneje znotraj difuzorja, ki zaradi viskoznih efektov na mejni plasti deluje na molekule zraka s centripetalno silo, katera skozi stranske odprtine srka zrak iz okolice in ga nadalje skozi difuzor potiska do iztoka. V prednostni izvedbi šoba po izumu nadalje obsega centralno Venturijevo šobo, ki s tokom zraka v centralnem delu prispeva centralno komponento zračnega klina, s čimer se notranji efekt Coanda znotraj difuzorja intenzivno poveča.

Description

Predmet te patentne prijave se nanaša na področje tehničnih rešitev, natančneje nastavkov za uporabo v pnevmatskih in hidravličnih sistemih, ki delujejo po principu Coanda efekta.

Prikaz problema

Nastavki za pnevmatske in hidravlične sisteme, konkretno za kompresorske naprave, so konstrukcijsko izvedeni kot različni nastavki za splošno ali namensko uporabo v specialnih izvedbah. Tehnični problem, ki ga obravnava in rešuje predmet te patentne prijave je pomanjkanje nastavka za pnevmatske in hidravlične sisteme z intenzivnim ejektorskim dotokom medija iz okolice s stabilnim zračnim klinom.

Stanje tehnike

Obravnavan pojav je poznan iz stanja tehnike pod pojmom »Coanda efekt« in je v času pisanja tega dokumenta že širše uporabljen v industriji. Mednarodni patentni register obsega večje število relevantnih rešitev, ki po principu obravnavanega Coanda efekta predstavljajo bistvene tehnične izboljšave napram konvencionalnim izvedbam izdelkov, kot so recimo ventilatorji, sesalci in drugi elektrotehnični izdelki.

Šobe, ki delujejo po principu Coanda efekta lahko v grobem razdelimo na tiste, kjer deluje efekt Coanda na zunanji strani oziroma površini šobe (stožčaste oziroma konusne šobe) in na tiste, kjer Coanda efekt deluje na notranji strani oziroma površini šobe (difuzorji). Razume se, da obstajajo tudi take šobe, ki v enem konceptu združujejo oba načina ustvarjanja toka medija po Coanda efektu.

• ·

Skladno z obravnavnim področjem stanje tehnike najbolje opisuje patent US 3,316,657 iz leta 1967, ki nazorno prikazuje delovanje efekta Coanda. Glavna pomanjkljivost obravnavane rešitve po patentu US 3,316,657 se kaže kot specialna oziroma namenska izvedba profila za uporabo v strojih za izdelavo papirja, pri čemer šobe po obravnavanem patentu ni moč prosto uporabiti kot nastavek za klasične pnevmatske in hidravlične sisteme.

Naslednja tehnična rešitev, ki predstavlja stanje tehnike je znana po patentu US 4,055,870 iz leta 1977, po katerem je nastavek za pnevmatske sisteme izveden kot pištola z integrirano šobo, ki deluje po Coanda efektu. Primarna pomanjkljivost obravnavane rešitve se kaže v relativno komplicirani in ekonomsko neopravičljivi izvedbi.

Spet naslednja tehnična rešitev, ki predstavlja stanje tehnike je obravnavana v patentu US 4,195,780 iz leta 1980, po katerem je šoba, ki deluje kot ojačevalec zračnega toka po Coanda efektu, izvedena kot nastavek za pnevmatske sisteme. Poglavitna pomanjkljivost obravnavane rešitve iz patenta US 4,195,780 se kaže predvsem v nezadostni učinkovitosti zunanjega zračnega klina prisekane konusne šobe, ki ne more ustvariti Coanda efekta večjih razsežnosti z usmerjenim tokom zraka.

Opis nove rešitve

Za doseganje želenega efekta in ekonomsko upravičljive izvedbe je v prednostni izvedbi šoba po izumu konstrukcijsko izvedena iz enega kosa, ki se načeloma izdela s tehnologijo hitre izdelave končnih izdelkov (angl. Rapid Manufacturing). Razume se, da je tako šobo brez geometrijskih omejitev moč izdelati v več konstrukcijskih izvedbah iz enega ali več sestavnih komponent oziroma elementov, kar pa ne spremeni bistva izuma, kot je to opredeljeno v nadaljevanju.

Šoba z ejektorskim vtokom medija (v nadaljevanju zraka) je v prednostni izvedbi konstrukcijsko zasnovana kot nastavek za pnevmatske naprave oziroma sisteme in obsega:

- zadnji del, ki predstavlja priključek oziroma adapter za priklop šobe na vir zraka pod visokim pritiskom;

- sredinski del, ki predstavlja ustje s stranskimi odprtinami za ejektorski vtok zraka iz okolice; ter

- sprednji del z difuzorjem zračnega toka.

Na predstavljen način šoba z ejektorskim vtokom medija ustvarja sestavljen zračni klin in nadzorovana frontalna področja visokega tlaka v področju difuzorja šobe po izumu ter analogno temu področja nizkega tlaka v območju stranskih odprtin. Podrobneje je bistvo izuma pojasnjeno v nadaljevanju z opisom priloženih risb izvedbenega primera, namenjenega za uporabo pri pnevmatskih sistemih.

Slika 1. prikazuje šobo v izometričnem pogledu od zgoraj. Označeni so: kanal (2), iztok (7), ter nastavek (8) z navojem za namestitev šobe na cev kompresorja.

Slika 2. prikazuje šobo v pogledu od zadaj. Označeni so: vtok (1), kanal (2), centralna Venturijeva šoba (5) z vstopno odprtino (5a) in izstopno odprtino (5b), stranska odprtina (6), ter nastavek (8) z navojem za namestitev šobe na cev kompresorja. Nadalje je na sliki 2. definirana ravnina A-A za prečni prerez, ki je prikazan na sliki 3.

Slika 3. prikazuje šobo v prečnem prerezu A-A. Označeni so: vtok (1), kanal (2), komora (3), obodna Venturijeva šoba (4) z vstopno zračno režo (4a) in izstopno zračno režo (4b), centralna Venturijeva šoba (5) z vstopno odprtino (5a) in izstopno odprtino (5b), stranska odprtina (6), iztok (7), ter nastavek (8) z navojem za namestitev šobe na cev kompresorja.

Slika 4. prikazuje šobo v prečnem prerezu A-A z izrisanimi vektorji hitrosti zračnega toka, pri čemer posamezni deli šobe zaradi jasnosti slike niso posebej še enkrat označeni, kot je to prikazano na sliki 3.

Učinek delovanja prednostne izvedbe šobe po izumu oziroma notranjega Coanda efekta take šobe se odraža kot razmerje med pretokom na vtoku (1) in pretokom na iztoku (7) iz šobe. Definirano razmerje je neposredno odvisno od geometrije difuzorja oziroma od geometrije in položaja centralne (5) in obodne Venturijeve šobe (4), pri čemer ima poleg opredeljenih parametrov na učinek in delovanje šobe po izumu velik vpliv hrapavost površine. Razume se, da je učinek delovanja šobe po izumu oziroma dotični Coanda efekt neposredno odvisen od pretoka zraka, kjer se izstopni zrak iz obodne Venturijeve šobe lepi na zaobljeno površino difuzorja, ki mora biti čim bolj gladka. Tehnična rešitev, ki je predmet te patentne prijave se nadalje neposredno navezuje na geometrijo komore (3) in difuzorja, kjer z dodatnim sredinskim tokom iz centralne Venturijeve šobe (5) nastane sestavljen zračni klin, ki povzroči intenzivni ejektorski vtok oziroma črpanja zraka iz okolice skozi šobo.

Šoba z ejektorskim vtokom zraka obsega nastavek (8) oziroma adapter, s katerim se šoba pretočno poveže oziroma namesti na vir zraka pod visokim pritiskom. Primarna funkcija nastavka (8) kot adapterja oziroma povezovalnega člena med šobo in virom medija je zagotavljanje pretoka oziroma dotoka medija skozi vtok (1). V konkretnem obravnavanem primeru prednostne izvedbe šobe z ejektorskim vtokom medija, predstavlja vir medija pnevmatski sistem s kompresorjem za zrak, pri čemer se šoba v prednostni izvedbi z navojem na nastavku (8) namesti na cev oziroma priključek obravnavanega sistema. Nastavek (8) je za obravnavane pnevmatske oziroma hidravlične sisteme lahko konstrukcijsko podrejen ciljnemu sistemu z dotičnimi standardi, oziroma je izveden modularno, predvsem z namenom zagotavljanja univerzalne, enostavne in hitre menjave različnih šob.

Vtok (1) se v notranjosti šobe nadaljuje v mešalno komoro, kjer se primarni tok zraka razbije na centralni tok, ki napaja centralno Venturijevo šobo in na stranski tok, ki skozi kanal (2) napaja razbremenilno komoro (3), v kateri se tlak razporedi in napaja obodno Venturijevo šobo (4). Notranja obodna Venturijeva šoba (4) za ejektorsko črpanje medija iz okolice je pretočno povezana z vtokom (1) s tremi kanali (2), kateri so razporejeni okoli središčne osi v koraku 120°, pri čemer vsak od treh kanalov (2) napaja komoro (3) s tretjino zračnega pretoka obodne Venturijeve šobe (4). Komora (3) šobe po izumu je v prednostni izvedbi prostorsko omejena z obodno Venturijevo šobo (4), s konusnim plaščem šobe na zunanji strani in z difuzorjem šobe na notranji strani. Obodna Venturijeva šoba (4) s pripadajočo vstopno zračno režo (4a) in izstopno zračno režo (4b) je usmerjena v difuzor šobe pod kotom a, kjer se tok zraka zaradi viskoznih efektov prilepi na površino difuzorja in nadalje intenzivno pospeši proti iztoku (7) šobe, s čimer se generira notranji Coanda efekt. Omenjeni kot a glede na središčno os zračnega toka v prednostni izvedbi znaša 40°, pri čemer so relevantne izvedbe s kotom a med 30° in 95°.

Delovanje notranjega Coanda efekta v difuzorju povzroči sekundarni dotok zraka skozi stranske odprtine oziroma skozi ustje v srednjem delu šobe, pri čemer se koncept notranjega Coanda efekta na difuzorju napaja s primarnim tok zraka skozi obodno zračno režo oziroma obodno Venturijevo šobo (4) in nadalje tudi s pretokom zraka skozi centralno Venturijevo šobo (5), ki s središčnim tokom zraka prispeva k poganjanju oziroma k še bolj intenzivnemu ustvarjanju zračnega klina in s tem tudi notranjega Coanda efekta v difuzorju šobe.

Obodna Venturijeva šoba (4) ima v prednostni izvedbi lmm izstopno zračno režo (4b), kjer so relevantne izvedbe za ciljno aplikacijo šobe kot nastavka za kompresorske oziroma pnevmatske sisteme med 0,5mm in 3mm in podobno ima centralna Venturijeva šoba (5) v prednostni izvedbi za opredeljeno ciljno aplikacijo izstopno odprtino (5b) s premerom l,2mm pri čemer so relevantne izvedbe v območju med 0,5mm in 3mm premera.

Skladno s predhodno napisanim je difuzor na notranji strani šobe neposredno povezan z zračno režo obodne Venturijeve šobe, pri čemer se difuzor širi navzven pod kotom v območju med 3° in 30°, prednostno pod kotom 15° glede na središčno os toka tekočine na iztoku (7). V področju iztoka zraka iz kanala (2) je v notranjosti komore (3) umeščen deflektor zračnega toka, ki usmerja tok zraka proti zračni reži obodne Venturijeve šobe, s čimer preprečuje vrtinčenje zračnih tokov znotraj komore (3) in prispeva k zmanjševanju tlačnih izgub v komori (3).

Obodna Venturijeva šoba (4) je konstrukcijsko izvedena kot zračna reža z različnim vstopnim in izstopnim presekom, zaradi česar se tlačno polje v področju obodne Venturijeve šobe (4) dinamično spremeni, kar pomeni, da medij oziroma zrak v obodni Venturijevi šobi intenzivno pospeši v smeri proti iztoku (7), pri čemer zaradi nadzorovane mejne plasti, ki se lepi na difuzor oziroma na notranje stene šobe, nastane pojav poznan kot Coanda efekt. Skladno s predhodno napisanim se zaradi tlačne razlike oziroma razlike med presekom vstopne zračne reže (4a) in med presekom izstopne zračne reže (4b) tok tekočine izteka v zunanjo okolice skozi iztok (7), pri čemer zaradi zračnega klina oziroma nastalega področja nizkega tlaka za obodno Venturijevo šobo nadzorovan tok medija povzroči vlek, ki črpa oziroma skrka zrak iz okolice skozi stransko odprtino (6).

• ·

Obodna Venturijeva šoba (4) je v konkretnem obravnavanem primeru prednostno oblikovana kot cilindrična zračna reža, kar pa ne pomeni, da je to edina relevantna tehnična izvedba. Nasprotno, obodna Venturijeva šoba (4) je lahko oblikovana kot zračna reža poljubne oblike, s čimer se neposredno spremeni učinek Coanda efekta in oblika zračnega toka na iztoku (7). Skladno s predhodno zapisanim velja, da z obliko in širino zračne reže obodne Venturijeve šobe (4) neposredno vplivamo na obliko, jakost in gostoto zračnega toka na iztoku (7). Z drugimi besedami to pomeni, da z obliko obodne Venturijeve šobe (4) s pripadajočo zračno režo neposredno vplivamo na tlačno in hitrostno polje toka medija na iztoku.

Šoba za ejektorski vtok medija je nadalje na koncu v prednostni obliki oblikovana kot usmernik oziroma vodilnik, ki tok zraka umiri, usmeri in zgosti, s čimer skladno z vstopnimi parametri sistema nastane snop oziroma curek zraka glede na geometrijo šobe. Razmerje med volumskim oziroma masnim tokom medija skozi obodno Venturijevo šobo (4) in centralno Venturijevo šobo (5) je določeno s padci tlaka v šobi oziroma s premerom in obliko vstopne odprtine (5a) in izstopne odprtine (5b) centralne Venturijeve šobe, ter z minimalni prečnim presekom kanala (2) za napajanje komore (3). Vpliv toka medija skozi centralno Venturijevo šobo na tok medija skozi iztok (7) je skladno s predhodno napisanim odvisen od položaja izstopne odprtine (5b) glede na izstopno zračno režo (4b), pri čemer se s spreminjanjem relativne razdalje neposredno spreminja vpliv na intenzivnost Coanda efekta znotraj šobe oziroma na hitrost ter gostoto toka tekočine na iztoku (7).

Z napredno izvedbo šobe po izumu lahko delovanje notranjega Coanda efekta v difuzorju šobe nadgradimo z zunanjim Coanda efektom, ki ga s šobo po izumu lahko ustvarimo v dveh področjih. Z integracijo zračne reže na centralno Venturijevo šobo (5) se zunanji efekt Coanda pojavi v področju centralne Venturijeve šobe in nadalje v drugem primeru, lahko zunanji Coanda efekt ustvarimo na zunanjem konusnem plašču šobe, kjer se princip napaja iz komore (3) kot posledica zračnega toka na vtoku (1). V obeh primerih se zunanji Coanda efekt napaja s primarnim zračnim tokom iz pnevmatskega sistema z visokim tlakom. Razlika med prvim in drugim zunanjim Coanda efektom se kaže le v tem, da pri zunanjem Coanda efektu na centralni Venturijevi šobi sekundarni zrak iz okolice vstopa v šobo skozi stranske odprtine (6) in zapušča šobo na iztoku (7), pri zunanjem Coanda efektu na konusnem plašču šobe pa zrak iz okolice ne vstopa v difuzor šobe po izumu, ampak ga po Coanda efektu za seboj vleče tok zraka iz zunanje obodne zračne reže.

Način industrijske uporabe

Predstavljena šoba z ejektorskim vtokom medija je uporabljiva v več možnih variantnih izvedbah. Nadalje lahko šobo z ejektorskim vtokom zraka nadgradimo z nastavljivo iglo, ki izstopno odprtino (5b) centralne Venturijeve šobe (5) pomika vzdolž središčne osi zračnega toka, s čimer neposredno dinamično vplivamo na intenziteto Coanda efekta v difuzorju. Podobno lahko šobo po izumu nadgradimo z integracijo Prandtlove cevi, s čimer izvedemo dve ločeni napajanji za centralno in obodno Venturijevo šobo, pri čemer lahko skozi ločeno napajanje dovajamo enak ali različen medij, ki ni nujno tekočina. Tako izvedbo šobe lahko uporabimo za peskanje, barvanje ali druge tehnološke procese in postopke.

Razume se, da lahko šobo po izumu brez posebnih zahtev funkcionalno in konstrukcijsko prilagodimo, kar pa ne spremeni bistva izuma, kot je to opredeljeno sledečih patentnih zahtevkih.

Claims

1. Šoba z ejektorskim vtokom medija, ki vstopa v difuzor šobe skozi ustje in obsega obodno zračno režo ter za svoje delovanje koristi efekt Coanda, kateri nastane kot posledica viskoznih efektov primarnega iztoka medija v zunanjo okolico značilna po tem, da obsega nastavek (8), s katerim se šoba namesti na izvor medija pod visokim tlakom, pri čemer se medij izteka v okolico skozi obodno zračno režo.

2. Šoba z ejektorskim vtokom medija po zahtevku 1 značilna po tem, da nadalje obsega centralno odprtino, skozi katero se primarni medij na katerega je priključena šoba izteka v področje difuzorja, s čimer primarni tok medija skozi difuzor šobe srka sekundarni medij iz okolice.

3. Šoba z ejektorskim vtokom medija po zahtevku 2 značilna po tem, da je obodna zračna reža na notranji strani difuzorja, s čimer nastane notranji Coanda efekt na notranji strani difuzorja šobe.

4. Šoba z ejektorskim vtokom medija po zahtevku 2 značilna po tem, da je obodna zračna reža na zunanji strani difuzorja, s čimer nastane zunanji Coanda efekt na zunanji strani difuzorja šobe.

5. Šoba z ejektorskim vtokom medija po zahtevku 2 značilna po tem, da obsega obodno zračno režo na notranji in zunanji strani difuzorja, s čimer nastane notranji Coanda efekt na notranji strani difuzorja šobe in zunanji Coanda efekt na zunanji strani difuzorja šobe.

···

6. Šoba z ejektorskim vtokom medija po zahtevkih 3, 4 in 5 značilna po tem, da obsega centralno odprtino, ki je konstrukcijsko oblikovana kot centralna Venturijeva šoba (5) z vstopno odprtino (5a) in izstopno odprtino (5b).

7. Šoba z ejektorskim vtokom medija po zahtevkih 3, 4 in 5 značilna po tem, da obsega centralno odprtino, kije konstrukcijsko oblikovana kot centralna zračna reža, ki ustvarja zunanji Coanda efekt v področju difuzorja.

8. Šoba z ejektorskim vtokom medija po zahtevkih 6 in 7 značilna po tem, da je primarni medij zrak iz sistema pod pritiskom in sekundarni medij zrak iz okolice.

9. Šoba z ejektorskim vtokom medija po kateremkoli izmed prejšnjih zahtevkov značilna po tem, da obsega nastavljivo iglo za spreminjanje pretoka skozi centralno odprtino.

10. Šoba z ejektorskim vtokom medija po kateremkoli izmed prejšnjih zahtevkov značilna po tem, da obsega Prandtlovo cev, skozi katero v šobo priteka drugi medij.

11. Šoba z ejektorskim vtokom medija po zahtevku 10 značilna po tem, da skozi Prandtlovo cev v šobo priteka tekočina

12. Šoba z ejektorskim vtokom medija po zahtevku 10 značilna po tem, da skozi Prandtlovo cev v šobo dovajamo trde delce.

13. Šoba z ejektorskim vtokom medija po zahtevku 12 značilna po tem, da skozi Prandtlovo cev v šobo dovajamo pesek.

14. Šoba z ejektorskim vtokom medija po kateremkoli izmed prejšnjih zahtevkov značilna po tem, da obsega kanal (2) za dovajanje medija v komoro (3).

15. Šoba z ejektorskim vtokom medija po zahtevku 14 značilna po tem, da obsega tri kanale razporejene okoli središčne osi v koraku 120°.