DE3630536A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen einer spiralfluidstroemung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Spiralfluidströmung. Die Spiralfluidströmung ist in einem weiten Bereich verschiedener industrieller Gebiete zum Transportieren, Trennen, Mischen oder Hervorrufen chemischer Reaktionen von pulverförmigen Substanzen, partikelförmigen Substanzen, Flüssigkeiten, wie z. B. Erdöl, Gasen, wie z. B. Luft, Erdgas etc. einsetzbar.

Flüssigkeit und Gas werden im allgemeinen als Oberbegriff Fluid genannt. Das Fluid weist charakteristische Strömungseigenschaften auf, wobei die Strömungsform mit "Strömung" bezeichnet wird. Die Oberfläche einer mit einem Fluid in Kontakt stehenden Substanz ist dem Druck und der von dem Fluid ausgehenden Reibungskraft ausgesetzt, wobei dessen Größe in Abhängigkeit von den Strömungsbedingungen des Fluides variiert. Die Strömungsbildung und das Problem der Krafteinwirkung von der Strömung in der Fluidform auf eine Substanz haben eine ebenso große Bedeutung wie die Wechselwirkung zwischen der Strömung und einem Gegenstand.

In der Fluidform weist das Fluid Eigenschaften einer turbulenten Strömung auf, wenn die Strömungsgeschwindigkeit einen kritischen Wert übersteigt. D. h., das Fluid schlägt an einer Grenze zwischen der Oberfläche der Substanz und dem Fluid, in einer Wirbelschleppe einer Substanz oder in einer Strahlströmung, in den turbulenten Bereich über, wenn die Strömungsgeschwindigkeit ansteigt. Es wurde bislang vermutet, daß eine turbulente Strömung keine Regelmäßigkeit aufweist, obwohl vor kurzem mehr und mehr festgestellt wurde, daß sogar in der turbulenten Strömung ein systematischer Ablauf existiert.

Bei der Betrachtung des systematischen Aufbaus einer turbulenten Strömung wird der Aufbau der Natur als Vergleichsgegenstand herangezogen. In der Natur existiert ein Gleichgewicht und ein Ungleichgewicht, und man ist der Ansicht, daß sich ein Ungleichgewicht in ein Gleichgewicht umwandelt. Während dieses Prozesses gibt ein System im Ungleichgewicht freie Energie ab, um die Entropie im System zu erhöhen. In allgemeinen chemischen Reaktionen verändert sich das Reaktionsgebiet organisch auf der Grundlage der Gleichgewichtsbedingung zwischen Energie und Entropie, so daß ferner auf dieser Grundlage der Selbst-Aufbau bestimmt werden kann.

In diesem Prozeß des Selbst-Aufbaus wird angenommen, daß der Gleichgewichtszustand erreicht wird, wenn mikroskopische Schwankungen jeweils ausgeglichen werden, dagegen wird genauer vermutet, daß der makroskopische Aufbau ausgebildet werden kann, wenn die Schwankungen verstärkt auftreten. Dieser makroskopische Aufbau kann in der Turbulenz als der systematische Aufbau angesehen werden. Es wurde festgestellt, daß als ein makroskopischer oder systematischer Aufbau Spiralprofile existieren.

Das Entdecken der unterschiedlich zur herkömmlichen Turbulenz aufgebauten Spiralprofile liefert nicht nur einen neuen wissenschaftlichen Standpunkt in bezug auf die Fluidbewegung, sondern verursacht ebenso die große Erwartung, daß unter Verwendung der Spiralbewegung ein neues technisches Gebiet entwickelt werden kann.

Die Erfinder haben die wissenschaftliche Erkenntnis und das Wissen um die obenerwähnte neue Spiralfluidbewegung vertieft und Anstrengungen unternommen, eine Technik für die neue Fluidströmung zu entwickeln. Als ein Ergebnis wurde festgestellt, daß diese Spiralbewegung eine dynamische Grenzschicht an der Innenwand der Rohrleitung ausbildet, welche von der Turbulenz verschieden ist und zu einer Spiralfluidströmung in axialer Richtung der Rohrleitung mit hoher Geschwindigkeit führt. Zusätzlich wurde festgestellt, daß pulverisierte Substanzen bei hoher Geschwindigkeit transportiert werden können, wobei deren Zusammentreffen mit der Oberfläche der Innenwand der Rohrleitung unter Verwendung dieser Strömungsform verhindert wird.

Die Erfinder haben bereits die nachfolgend genannte neue, zur Fluidbewegung gehörende Technik vorgeschlagen:

Die japanische veröffentlichte ungeprüfte Patentanmeldung No. 60-31 437 offenbart eine "Methode zum Transportieren partikelförmiger Gegenstände durch eine Spiralströmung", in der, wenn eine Spiralströmung in einer Rohrleitung erzeugt wird und Feststoffpartikel in den Bereich der Spiralströmung zugegeben werden, die Feststoffpartikel in der Rohrleitung in einer Spiralbewegung ohne Kontakt mit der Rohrleitungswand transportiert werden können.

Ferner werden andere Erfindungen, die sich auf eine Spiralströmung beziehen, im folgenden genannt:

Die japanische veröffentliche ungeprüfte Patentanmeldung No. 60-34 269 offenbart ein "Sprüh-Schleifverfahren mittels einer Spiralströmung".

Die japanische veröffentlichte ungeprüfte Patentanmeldung No. 60-48 825 offenbart ein "Verfahren zum Transportieren von Partikeln durch eine Komplementär-Spiralströmung".

Die japanische veröffentlichte ungeprüfte Patentanmeldung No. 60-48 473 offenbart ein "Verfahren zum Trocknen oder Konzentrieren pulverförmiger Substanzen inklusive flüchtiger Bestandteile oder Schlämme".

Die japanische veröffentlichte ungeprüfte Patentanmeldung No. 60-51 528 offenbart ein "Verfahren zum Trennen eines vermischten Gases durch eine Spiralströmung".

Die japanische veröffentlichte ungeprüfte Patentanmeldung No. 60-51 581 offenbart ein "Trennverfahren pulverförmiger Granulatsubstanzen".

Die japanische veröffentlichte ungeprüfte Patentanmeldung No. 60-53 792 offenbart ein "Trennverfahren durch Erwärmung mittels einer Spiralströmung".

Die japanische veröffentlichte ungeprüfte Patentanmeldung No. 60-54 729 offenbart ein "Verfahren zum Beschleunigen chemischer Reaktionen durch eine Spiralströmung".

Die japanische veröffentlichte ungeprüfte Patentanmeldung No. 60-59 238 offenbart ein "Schlämmverfahren unter Verwendung einer Spiralströmung".

Wie zuvor beschrieben, zeigt eine Spiralströmung in einer Rohrleitung ein höchst interessantes Verhalten, so daß dieses Phänomen auf einem weiten industriellen Gebiet anwendbar ist.

Obgleich die Idee einer Vorrichtung zum Erzeugen einer stabilen Spiralströmung in einer Rohrleitung in den obenerwähnten verschiedenen Schriften offenbart ist, ist die Vorrichtung ferner für die Praxis eher in der japanischen veröffentlichten ungeprüften Patentanmeldung No. 60-56 723 "Vorrichtung zum Erzeugen einer stabilen Strömung in Rohrleitungen" offenbart.

In den obenerwähnten, durch die gleichen Erfindungen vorgeschlagenen technischen Gegenständen beträgt die Geschwindigkeit der Spiralströmung im Mittel keine 10 bis 20 m/s, da die Spiralströmung in verschiedenen Wirtschaftszweigen verwendet wird. Außerdem weisen diese Vorrichtungen das Problem einer ungenügenden Stabilität der Spiralströmung auf. Das liegt daran, daß bei den bereits erwähnten Techniken eine nicht-komprimierte Strömung mit einem im wesentlichen nur in axialer Richtung der Rohrleitung weisenden Vektor in das Führungsrohr eingeführt wird.

Deshalb besteht eine starke Nachfrage nach einer neuentwickelten, die Spiralströmung, bekannt als eine neue Fluidbewegung, verwendende Technik für verschiedene Industriezweige.

Zur Vermeidung dieser Probleme liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen einer neuen Spiralströmung mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit und einer hervorragenden Stabilität in bezug auf die Spiralbewegung zum wirksamen Transportieren eines Fluids vorzusehen und eine Vorrichtung zum Verwirklichen der obenerwähnten Ausführungen unter Vermeidung der in den vorerwähnten herkömmlichen Techniken bestehenden Nachteile zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich das Verfahren durch die Verwendung einer Vorrichtung auszeichnet, die derart konstruiert ist, daß ein Hilfszylinder über einen ringförmigen Schlitz mit einem Ende einer Seite mit großem Durchmesser eines Hauptzylinders verbunden ist, welcher einen größeren Durchmesser als eine Rohrleitung aufweist, daß eine Wandfläche des ringförmigen Schlitzes auf der Seite des Hauptzylinders gleichmäßig gekrümmt ist, um in die Innenwand des Hauptzylinders überzugehen, daß eine Wandfläche des ringförmigen Schlitzes auf der Seite des Hilfszylinders so gekrümmt ist, daß sie in eine Innenwand des Hilfszylinders übergeht, daß das gegenüberliegende Ende des Hauptzylinders eine konische Gestalt zum Anschluß an die Rohrleitung mit einem allmählich soweit abnehmenden Durchmesser aufweist, bis dieser mit dem Durchmesser der Rohrleitung identisch ist, und daß ein unter Druck stehendes Fluid dem ringförmigen Schlitz zugeführt wird, um eine Spiralfluidströmung in der Rohrleitung zu erzeugen.

Außerdem weist die erfindungsgemäße Vorrichtung Einrichtungen zum Zuführen eines unter Druck stehenden Fluids auf.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform, welche die Konstruktion der Vorrichtung verdeutlicht;

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Zuführleitung für eine in einer durch die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung erzeugten Spiralfluidströmung transportierte Substanz;

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung;

Fig. 4 einen Querschnitt durch ein Zuführleitung für eine in einer durch die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung erzeugten Spiralfluidströmung transportierte Substanz;

Fig. 5, 6, 7, 8 einen Schnitt durch vergrößerte Teilansichten der Konstruktion, welche nahe dem in der Vorrichtung ausgebildeten Schlitz angeordnet ist;

Fig. 9 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung, welche als ein in der Mitte der Rohrleitung befindlicher Beschleuniger verwendet wird; und

Fig. 10 u. 11 Teil-Darstellungen eines vertikalen, durchsichtigen Plastikrohres zum Erklären eines Experiments, das das Vorhandensein einer durch die Vorrichtung erzeugten Spiralfluidströmung verdeutlicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Spiralströmung werden in weiteren Einzelheiten unter bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.

Gemäß Fig. 1 ist an einem Ende der Seite mit großem Durchmesser eines Hauptzylinders 1 mit einem Hauptteil, dessen Durchmesser größer ist als jener einer Rohrleitung 9 (auf der rechten Seite in der Zeichnung) ein Hilfszylinder 2 mittels eines ringförmigen Schlitzes 3 mit dem Hauptzylinder verbunden. Eind Wandfläche 31 des ringförmigen Schlitzes 3 ist auf der Seite des Hauptzylinders gleichmäßig gekrümmt, um in eine Innenwand 11 des Hauptzylinders überzugehen, während eine Wandfläche 32 des ringförmigen Schlitzes 3 auf der Seite des Hilfszylinders so gebogen ist, daß sie in die Innenwand 21 des Hilfszylinders 2 übergeht. An dem gegenüberliegenden Ende des Hauptzylinders 1 (auf der linken Seite in der Zeichnung) ist eine Rohrleitung mit dem Hauptzylinder 1 verbunden, dessen Durchmesser sich allmählich bis zu einem der Rohrleitung entsprechenden Durchmesser konisch verringert.

Wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, kann der Hauptzylinder 1 unmittelbar ausgehend von dem ringförmigen Schlitz konisch ausgebildet sein. Wie andererseits in Fig. 3 und 4 dargestellt, kann der Hauptzylinder 1 in der gleichen Weise mit einem zwischen dem konischen Zylinder 1 und dem ringförmigen Schlitz 3 angeordneten zylindrischen Abschnitt 12 ausgebildet sein.

In dem Fall, daß eine Wandfläche 32 des Schlitzes 3 auf der Seite des Hilfszylinders in einem rechten Winkel so gekrümmt ist, daß sie in eine Innenwand 21 des Hilfszylinders 2 übergeht, ist der Hilfszylinder 2 ein rechtwinklig geformter Zylinder, wie in Fig. 1 dargestellt, während in dem Fall, daß die Wandaußenfläche 32 des Schlitzes 3 auf der Seite des Hilfszylinders mit einem spitzen Winkel so gekrümmt ist, daß sie in die Innenwand 21 des Hilfszylinders 2 übergeht, weist der Hauptzylinder 2 eine nach außen offene konische Gestalt auf, wie Fig. 3 zeigt. Außerdem weist der Hilfszylinder 2 in dem Fall, daß die Wandaußenfläche 32 des Schlitzes 3 auf der Seite des Hilfszylinders stumpfwinklig so gekrümmt ist, daß sie in die Innenwand 21 des Hilfszylinders 2 übergeht, eine außen geschlossene, konische Gestalt auf, wie Fig. 9 zeigt.

Fig. 5 bis 8 zeigen vergrößerte Querschnitte verschieden ausgeführter Schlitze, wenn die Wandaußenfläche 32 des Schlitzes 3 auf der Seite des Hilfszylinders rechtwinklig so gekrümmt ist (Fig. 5 bis 7), daß sie in die Innenwand 21des Hilfszylinders 2 übergeht.

Gemäß Fig. 5 ist in einem Endbereich, wo die Wandaußenfläche 31 des Schlitzes 3 auf der Seite des Hauptzylinders gleichmäßig gekrümmt ist und vollständig zur Innenwand 11 des Hauptzylinders 1 übergeht, d. h. in einer der Innenwandfläche 11 des Hauptzylinders 1 entsprechenden Lage, die Wandaußenfläche 32 des Schlitzes 3 auf der Seite des Hilfszylinders so gekrümmt, daß sie in die Innenwand 21 des Hilfszylinders 2 übergeht. Gemäß Fig. 6 ist in einem Anfangsbereich, wo die Wandaußenfläche 31 des Schlitzes 3 auf der Seite des Hauptzylinders vor dem Übergang zur Innenwand 11 des Hauptzylinders eine gleichmäßige Krümmung beginnt, d. h. in einem dem Punkt A entsprechenden Bereich, die Wandaußenfläche 32 des Schlitzes 3 auf der Seite des Hilfszylinders so gekrümmt, daß sie in die Innenwand 21 des Hilfszylinders 2 übergeht. Gemäß Fig. 7 ist vor einem Anfangsbereich, wo die Wandaußenfläche 31 des Schlitzes 3 auf der Seite des Hauptzylinders vor dem Übergang zur Innenwand 11 des Hauptzylinders 1 eine gleichmäßige Krümmung beginnt, d. h. in einem dem Punkt B entsprechenden Bereich, die Innenwand 32 des Schlitzes 3 auf der Seite des Hilfszylinders so gekrümmt, da sie in die Innenwand 21 des Hilfszylinders 2 übergeht.

Eine der in Fig. 5 bis 7 gezeigten Schlitzkonstruktionen wird zweckmäßigerweise unter Berücksichtigung verschiedener Faktoren, wie z. B. der Abmessungen der Vorrichtung, des Druckes und der Strömungsmenge des verwendeten, unter Druck stehenden Fluides, der Art des Fluides, in welchem eine Spiralströmung erzeugt und die Spiralströmung zum Transport verwendet wird, der Art der zu transportierenden Substanzen, deren Dichte und deren Größe etc., so ausgewählt, daß das gewünschte Ziel bei minimalem Energieverbrauch erreicht werden kann.

Es ist ferner möglich, den ringförmigen Schlitz 3, wie in Fig. 8 gezeigt, geneigt auszubilden im Gegensatz zu jenen, in bezug zur Innenwand 11 des Hauptzylinders 1 in Fig. 5 bis 7 gezeigten, vertikal ausgebildeten Schlitze.

Vorzugsweise ist die Konstruktion so ausgebildet, daß die Weite des ringförmigen Schlitzes 3 an der Verbindungsstelle zwischen dem Hauptzylinder und dem Hilfszylinder frei einstellbar ist, da die Weite an die durch den Schlitz zu fördernde Menge des Fluids angepaßt sein sollte.

In der Praxis ist es, wie in Fig. 1, 3 oder 4 gezeigt, möglich, wenn ein direkt mit dem Hauptzylinder 1 verbundener Außenzylinder 4 mittels einer Schraubkonstruktion 41 mit dem Hilfszylinder 2 verbunden ist, die Weite des ringförmigen Spaltes 3 durch Drehen des Hilfszylinders 2 in den Außenzylinder 4 beliebig einzustellen.

In dem Fall, daß das betreffende, spiralförmig strömende Fluid Luft ist, kann die Außenseite des Hilfszylinders auf der von dem Schlitz abgelegenen Seite zur Atmosphäre geöffnet werden, wie Fig. 1, 3 und 4 verdeutlichen. Bei Verwendung eines anderen Fluids als Luft ist dessen Außenseite durch eine Bodenplatte 22 gemäß Fig. 2 verschlossen, und das Fluid kann durch ein Zweitrohr 5 einströmen.

Der Grund, weshalb ein Hauptzylinder mit einem größeren Durchmesser als derjenige der Rohrleitung verwendet und mit der Rohrleitung durch einen sich allmählich zum vorderen, vom Schlitz abgewandten Ende auf einen der Rohrleitung entsprechenden Wert konisch reduzierenden Durchmesser verbunden wird, ist, daß dadurch ein radialer Richtungsvektor auf das durch den Hauptzylinder in axialer Richtung der Rohrleitung strömende Fluid so aufgebracht werden kann, daß eine vollständige Spiralbewegung erzeugt wird.

Die Gestalt des konischen Abschnitts kann kegelig ausgebildet sein, wie in Fig. 1 bis 4 dargestellt; es ist jedoch günstiger, die Gestalt so auszubilden, daß gleichförmigere Stromlinien erhalten werden können.

Ein Neigungswinkel R des konischen Abschnitts (s. Fig. 1) ist vorzugsweise bestimmt durch tanR = 1/4-1/8. Ein Drosselverhältnis des konischen Abschnitts, d. h. ein Verhältnis des inneren Durchmessers des Hauptzylinders zum inneren Durchmesser der Rohrleitung, ist vorzugsweise festgelegt auf etwa 1/2-1/5. Das Querschnittsverhältnis beträgt mit anderen Worten etwa 1/4-1/25. Damit steigt die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids in der Rohrleitung auf einen Wert an, der 4-25mal höher ist als derjenige innerhalb des Hauptzylinders.

Zum Zuführen eines unter Druck stehenden Fluids zur Außenseite des ringförmigen Schlitzes (die äußere Wandseite zwischen dem Hauptzylinder 1 und dem Hilfszylinder 2) kann eine geeignete Einrichtung vorgesehen sein. Bei einer solchen, in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Einrichtung ist eine Verteilerkammer 6 für das unter Druck stehende Fluid so angeordnet, daß sie den Hauptzylinder 1 umgibt (unter Verwendung des zwischen der Innenwand des mit dem Hauptzylinder 1 verbundenen Außenzylinders 4 und der Außenwand des Hauptzylinders 1 ausgebildeten Spalts), um eine Verbindung zwischen der Verteilerkammer 6 des unter Druck stehenden Fluids und der Außenseite des Schlitzes 3 durch einen Verbindungsabschnitt 61 herzustellen.

Wenn ein Fluid in die Fluidkammer 6 von der Außenseite durch eine Zuführleitung 7 für das unter Druck stehende Fluid zugeführt wird, wird das unter Druck stehende Fluid bei dieser Konstruktion gleichmäßig verteilt auf die Außenseite des ringförmigen Schlitzes 3 durch den Verbindungsabschnitt 61 aufgegeben.

Wie ferner in Fig. 9 dargestellt, ist es ebenso möglich, eine ringkammer-förmige Verteilerkammer 6 für das unter Druck stehende Fluid direkt mit der Außenseite des ringförmigen Schlitzes 3 zu verbinden.

Wird die das spiralförmig strömende Fluid erzeugende Vorrichtung für den Transport von Feststoffpartikeln oder anderen durch eine Rohrleitung zu fördernden Substanzen verwendet und zwar in Verbindung mit einem in den Einlaß des Hilfszylinders eingesaugten externen Fluid, so kann dann, wenn es sich bei der zu transportierenden Substanz um eine leichte, fein-pulverige Substanz handelt, die Substanz in der Richtung der Rohrleitung gefördert und die diese zusammen mit dem externen Fluid hineingesaugt werden, in dem die Substanz bloß in die Nähe der Einlaßöffnung des Hilfszylinders zugeführt wird. D Substanzen verwendet wird, so lang ein solches Phänomen, das ein außerhalb befindliches Fluid in den Hilfszylinder eingesogen wird, in dem Fall verwertet wird, wo die zu tranpsortierende Substanz leicht, fein verteilt ist, kann die Substanz in der Richtung der Rohrleitung transportiert werden, indem sie zusammen mit einem außen aufgegebenen Fluid durch einfaches Zuführen der Substanz nahe der Einlaßöffnung des Hilfszylinders eingesogen wird.

Vom Standpunkt der Steuerung der transportierten Substanzmenge oder der Staubverhinderung ist es jedoch vorteilhaft, die Zuführleitung 8 der transportierten Substanz von der Außenseite des Hilfszylinders in axialer Richtung des Hauptzylinders einzuführen, wie in Fig. 2 oder 4 dargestellt, um die transportierte Substanz durch die Leitung 8 einzuführen.

Zum Zuführen von Feststoffpartikeln durch die Zuführleitung 8 der transportierten Substanz können bekannte Maßnahmen, beispielsweise Schraubförderer, frei übernommen werden.

Der Betrieb der Vorrichtung wird nachfolgend anhand des typischen Falls beschrieben, daß das spiralförmig strömende Fluid Luft ist.

Wenn unter Druck stehende Luft (als Primärfluid) in die Innenseite des Schlitzes 3 von dessen Außenseite mit hoher Geschwindigkeit eingeführt wird, beschreibt die Luft Stromlinien (wie durch die Pfeile α in Fig. 1 bis 4 dargestellt), welche zum Hauptzylinder am Auslaß des Schlitzes in Abhängigkeit der aerodynamischen Betriebsweise (bekannt als Coanda-Effekt) geneigt sind. Als Folge baut sich ein Vakuumbereich auf der Seite des Hilfszylinders der Stromlinien auf. Wenn Außenluft (als Sekundärfluid) von der entgegengesetzten Seite des Hilfszylinders dem Vakuumbereich (wie durch die Pfeile β in Fig. 1 bis 4 gezeigt) zugeführt wird, werden ein Bewegungsvektor der Luftströmung von dem Schlitz und jener der Luftströmung von der Außenseite des Hilfszylinders zu einer Luftströmung vermischt, die sich in Richtung zur Rohrleitung innerhalb der zylindrischen Leitung bewegt.

Der obenerwähnte Coanda-Effekt weist außerdem die Eigenschaft auf, daß eine Gas- oder Flüssigkeitsstrahlströmung nahe einer gekrümmten Wandaußenfläche in Richtung der Krümmung auch dann strömt, wenn die axiale Richtung der Strahlströmung von derjenigen der gekrümmten Wandaußenfläche wegweist, so daß dieser in Betracht zu ziehende Effekt für Fluidteilchen nutzbar ist.

Die Menge der durch die zylindrische Leitung strömenden Luft ist mehrere Male größer als jene in den Schlitz eingeführte, da die Menge der von der Seite des Hilfszylinders eingeführten Luft hinzugefügt wird.

Der Druck der in den Schlitz eingeführten Luft beträgt vorzugsweise etwa 2 bis 10 kg/cm².

Ein Vektor mit einer Radialkomponente wird auf die in Richtung zur Rohrleitung innerhalb des zylindrischen Rohres strömende Luftströmung aufgebracht, da sich der Strömungsdurchmesser allmählich verringert. Dieser radiale Richtungsvektor wird in einen Drehvektor umgewandelt, so daß in Kombination mit dem ebenen Richtungsvektor schließlich eine spiralförmige Bewegung erhalten wird.

Unter diesen Bedingungen wurde eine Spiralströmung erzeugt, die sich um den Rohrleitungsquerschnitt dreht und sich in axialer Richtung der Rohrleitung in einem mehrere 10 cm oder weniger von dem Einlaß der Rohrleitung entfernten oder am konischen Abschnitt des Hauptzylinders gelegenen Gebiet bewegt.

Da die Spiralströmung als solche aus Gas besteht, ist es möglich, obwohl deren Vorhandensein mit bloßem Auge direkt nicht beobachtet werden kann, das Vorhandensein der Spiralströmung durch die Verwendung einer nachfolgend beschriebenen Vorrichtung zu bestätigen.

Die Tatsache, daß eine Spiralströmung erzeugt wird, wenn ein Fluid durch einen konvergierenden Kanal mit kleinem Durchmesser strömt, kann aus der Tatsache abgeleitet werden, daß ein Wirbel z. B. nahe einer Abflußöffnung einer zu entleerenden Badewanne entsteht.

Obgleich das meist verbreitetste Fluid Luft ist, kann eine Spiralströmung mit verschiedenen Gasen, wie z. B. Stickstoff, Wasserstoff etc., oder Flüssigkeiten, wie z. B. Wasser, Schlamm etc., durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt werden.

Es ist unproblematisch, daß das durch den Schlitz eingeführte, unter Druck stehende Fluid (das Primärfluid) und das von der Außenseite in den Hilfszylinder eingesogene Fluid (das Sekundärfluid), gleich oder verschieden voneinander sind. Das Primärfluid könnte z. B. Wasserstoff und das Sekundärfluid Stickstoff sein. Es ist natürlich nötig, die zwei vermischten Fluide so zu vereinigen, daß keine unerwünschte chemische Reaktion, wie z. B. eine Explosion oder dgl., verursacht wird.

Wenn eine Spiralströmung bei einem Schlamm erforderlich wird, ist es vorteilhaft, Wasser als Primärfluid zu verwenden und den Schlamm als Sekundärfluid zuzuführen, um ein Verstopfen der Schlitze zu vermeiden.

Wie bereits beschrieben, erzeugt ein zur Fluidströmung senkrecht, d. h. in radialer Richtung gerichteter Vektor die Kraft zur Bildung der Spiralbewegung.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein radialer Richtungsvektor durch Drosselung der Fluidströmung innerhalb des konischen Abschnitts erhalten und schließlich in einen Drehvektor umgewandelt. Es ist jedoch unvermeidbar, der Drehvektor allmählich abschwächt, wenn er nur von dem konischen Abschnitt abhängt. Falls ein weiterer radialer Richtungsvektor in der Mitte der Rohrleitung aufgebracht wird, ist es möglich, die wirksame Länge der Spiralfluidströmung zu strecken.

Ein Mittel zum Erzeugen eines radialen Richtungsvektors in der Mitte der Rohrströmung ist die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche nach Fig. 9 derart konstruiert ist, daß Beschleuniger an regelmäßig beabstandeten Intervallen in der Mitte einer langen Rohrleitung vorgesehen sind. In dieser Vorrichtung ist der Hilfszylinder 2, von der Seite des Schlitzes aus gesehen, gemäß Fig. 9 nach außen sich verjüngend, konisch ausgebildet. Ein Ende der ersten Rohrleitung 91 ist mit dem kleineren Durchmesserende des konischen Hilfszylinders 2 der Vorrichtung und ein Ende der zweiten Rohrleitung 92 mit dem kleineren Durchmesserende des konischen Hauptzylinders 1 der Vorrichtung verbunden.

Beim Erzeugen eines radialen Richtungsvektors in der Mitte der Rohrleitung, wenn die Rohrleitung aus einem elastischem Material, wie z. B. einem Plastik- oder Gummirohr (oder einem mit Gummi ausgekleideten Rohr) hergestellt ist, da die elastische Rohrleitung einen radialen Richtungsvektor auf der Grundlage einer Expansions- und Kontraktionsbewegung in radialer Richtung aufbringt, ist es ferner vorteilhaft, die wirksame Länge der Spiralfluidströmung durch Verbinden einer aus einem elastischen Material hergestellten Rohrleitung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu vergrößern.

Beispiel 1

Ein vertikaler Abschnitt 93 wurde als Rohrleitung unter Verwendung eines durchsichtigen Plastikrohres mit einem Innendurchmesser von 38,1 mm (1,5 inch), wie in Fig. 10 gezeigt, derart eingesetzt, daß eine durch die in Fig. 4 gezeigte Vorrichtung erzeugte Spiralströmung vom unteren zum oberen Teil strömen kann.

Synthetische Harzpellets (mit 5 mm Durchmesser und 5 mm langer zylindrischer Gestalt) wurden durch die Zuführleitung 8 der transportierten Substanz der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung zugeführt. Bei ausreichend hoher Strömungsgeschwindigkeit bewegen sich die Pellets augenblicklich von dem unteren zum oberen Abschnitt innerhalb des vertikal angeordneten Rohres 93. Falls die Strömungsgeschwindigkeit jedoch so eingestellt wurde, daß ein infolge der Schwerkraft der Pellets abwärtsgerichteter Richtungsvektor sich an einen infolge der Strömung aufwärts gerichteten Richtungsvektor angleicht, blieben die Pellets in einer konstanten Stellung innerhalb des senkrechten Rohres, z. B. an der Stelle A-A′ in Fig. 10, stehen, wobei die Bewegung mit bloßem Auge verfolgt werden konnte. Fig. 11 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-A′ in Fig. 10, und verdeutlicht, daß sich ein Pellet 94 in einer durch den Pfeil gezeigten Drehbewegung bewegt.

Wenn das Rohr an der Stelle A-A′ von Hand zusammengedrückt wurde, um den Rohrdurchmesser zu verringern und dadurch die Strömungsgeschwindigkeit in diesem Abschnitt zu erhöhen, sprang das Pellet nach oben und bewegte sich zu einem höheren Balancepunkt B-B′, wobei die Drehbewegung über den Querschnitt beibehalten wurde. In diesem Fall sollte betont werden, daß die Pellets nicht in direktem Kontakt mit der Rohrinnenwand 95 stehen, da eine ringförmige komprimierte Luftschicht 96 nahe der Rohrinnenwand 95 durch eine infolge der Drehströmung erzeugte Zentrifugalkraft ausgebildet ist (die Dicke der ringförmigen Luftschicht ist in der Zeichnung stark übertrieben dargestellt; in der Praxis liegt die Dicke vielmehr in der Größenordnung von einem Mikrometer).Die Pellets drehen sich deshalb auf einer konstanten ebenen Fläche im Grenzgebiet zwischen der ringförmigen Luftschicht und den Pellets vermittels eines Rotationsvektors der Spiralströmung im Gleichgewicht zwischen einem aufwärtsgerichteten Vektor der Spiralströmung und einem abwärtsgerichteten Vektor der Pelletschwerkraft befindlichen Pellets.

Wenn die Strömungsgeschwindigkeit über das Gleichgewicht gesteigert wird, ist es offensichtlich, daß sich die Pellets spiralförmig zum Auslaß bewegen.

Wenn das vertikale Rohr aus der obenerwähnten Lage allmählich geneigt wurde, begannen die auf einer konstanten ebenen Fläche rotierenden Pellets unter Fortsetzung der Rotationsbewegung aufzusteigen (d. h. es wurde eine Spiralbewegung geringeren Durchmessers ausgeführt). Wenn der Neigungswinkel einen Grenzwert erreichte, sprangen die Pellets zum Auslaß (d. h. in diesem Fall aufwärts).

Beispiel 2

Eine zoom-artige Rohrleitung wurde unter Verwendung eines durchsichtigen Plastikrohres mit einem Innendurchmesser von 38,1 mm (1,5 inch) mit der zur Atmosphäre geöffenten Auslaßöffnung festgelegt. Die Rohrleitung wurde mit einigen gekrümmten Abschnitten oder Höhendifferenzen ausgestattet. Die in Fig. 4 gezeigte Vorrichtung wurde an eine Einlaßöffnung der Rohrleitung angeschlossen, und die mittlere Strömungsgeschwindigkeit in der Rohrleitung auf 26 m/s eingestellt.

Die im ersten Beispiel verwendeten synthetischen Harzpellets wurden kontinuierlich durch die in axialer Richtung des Hauptzylinders eingesetzte Zuführleitung 8 der transportierten Substanz zugeführt, wobei die Pellets mit Hilfe eines auf die Rohrleitung blitzenden Stroboskops beobachtet wurden. In diesem Fall wurde festgestellt, daß sich die Pellets zum äußeren Abschnitt spiralförmig bewegen.

Ferner wurde beobachtet, daß die Geschwindigkeit der Pellets in der Nähe der Rohrmittellinie größer war als in der Nähe der Rohrwand; d. h. es wurde ein parabelförmiger Geschwindigkeitsverlauf ermittelt.

Außerdem wurden trotz des mehrstündigen Experiments keine Kratzer an der weichen Innenwand des Plastikrohres entdeckt.

Beispiel 3

Durch die Verwendung der in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung, in welcher die Außenseite des Hilfszylinders 2 geschlossen ist, wurde das Einführrohr 5 des Sekundärfluids an einen Wasserbehälter angeschlossen und unter Druck stehendes Wasser über die Zuführleitung 7 des unter Druck stehenden Fluids zugeführt, wodurch sich eine spiralförmige Wasserströmung in der durchsichtigen Rohrleitung einstellte. Wenn Reiskörner über die Zuführleitung 8 der transportierten Substanz zugeführt wurden, konnte eine spiralförmige Bewegung der Reiskörner zum Auslaß der Rohrleitung beobachtet werden.

Wie zuvor beschrieben, ist die Wirkung des Verfahrens zum Erzeugen einer Spiralströmung und der Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens augenfällig. Diese, durch den Stand der Technik nicht wahrnehmbaren Effekte können wie folgt zusammengefaßt werden:

(1) Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ohne weiteres eine stabile Spiralfluidströmung innerhalb einer Rohrleitung erzeugen.

(2) Feststoffpartikel können in Abhängigkeit von einer durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erzeugten Spiralströmung transportiert werden. Da außerdem die ringförmige, komprimierte Gasschicht an der Innenwand der Rohrleitung ausgebildet ist, um die durchströmenden Feststoffpartikel an dem direkten Kontakt mit der Rohrleitungswand zu hindern, ist das Rohrmaterial frei von Verschleiß.

(3) Da die transportierten Feststoffpartikel wegen dem Vorhandensein der ringförmigen Gasschicht nicht in direkten Kontakt mit dem Material der Rohrleitung treten, wird die innere Oberfläche der Rohranordnung nicht durch bestimmte Substanzen verschmutzt. Es ist daher möglich, verschiedene Arten von Feststoffpartikeln kontinuierlich durch Zuführen der transportierten Materialien ohne ein Reinigen der Rohrleitung zu transportieren.

(4) Es ist möglich, großformatige Feststoffpartikel zu transportieren, was mit den Luftförderern des Standes der Technik schwierig ist.

(5) Neue Anwendungsgebiete können z. B. auf dem Gebiet der Pulverisierung, Trocknung, Trennung, des Schleifens etc. zusätzlich zum obenerwähnten Transport erwartet werden.

Claims (7)

1. Verfahren zum Erzeugen einer Spiralfluidströmung, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Herstellen einer Vorrichtung, derart, daß ein ringförmiger Schlitz zwischen einem Ende mit großem Durchmesser eines konischen Hauptzylinders mit einem mit einer Rohrleitung verbindbaren Ende kleinen Durchmessers und einem Ende eines Hilfszylinders ausgebildet ist, mit einer inneren, gleichmäßig gekrümmten Wandfläche des ringförmigen Schlitzes auf der Seite des Hauptzylinders, um in eine Innenwand des Hauptzylinders überzugehen, einer inneren, scharf-gebogenen Wandfläche des ringförmigen Schlitzes auf der Seite des Hilfszylinders, um in die Innenwand des Hilfszylinders überzugehen; und
Zuführen eines unter Druck stehenden Fluids durch den ringförmigen Schlitz, um eine Spiralströmung mit hoher Geschwindigkeit in der Rohrleitung zu erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das unter Druck stehende Fluid ein Gas ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das unter Druck stehende Fluid eine Flüssigkeit ist.

4. Vorrichtung zum Erzeugen einer Spiralfluidströmung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hilfszylinder (2) über einen ringförmigen Schlitz (3) mit einem Ende großen Durchmessers eines Hauptzylinders (1) verbunden ist, welches einen größeren Durchmesser als eine Rohrleitung (9) aufweist, daß eine Wandfläche (31) des ringförmigen Schlitzes (3) auf der Seite des Hauptzylinders gleichmäßig gekrümmt ist, um in eine Innenwand (11) des Hauptzylinders (1) überzugehen, daß eine Wandfläche (32) des ringförmigen Schlitzes (3) auf der Seite des Hilfszylinders (2) so gekrümmt ist, daß sie in eine Innenwand (21) des Hilfszylinders (2) übergeht, daß das gegenüberliegende Ende Ende des Hauptzylinders (1) eine konische Gestalt zum Anschluß an die Rohrleitung (9) mit einem allmählich soweit abnehmenden Durchmesser aufweist, bis dieser mit dem Durchmesser der Rohrleitung (9) identisch ist;
und daß Einrichtungen zum Zuführen eines unter Druck stehenden Fluides zu einer Außenseite des ringförmigen Schlitzes (3) vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige, an der Verbindungsstelle zwischen dem Hauptzylinder (1) und dem Hilfszylinder (2) ausgebildete Schlitz (3) einstellbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zuführleitung (8) zum Einbringen einer Substanz in den Hilfszylinder (2) von dessen Außenseite in axialer Richtung des Hauptzylinders (1) eingesetzt angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aus einem elastischen Material bestehende Rohrleitung (9) mit der Vorrichtung verbunden ist.