DE19539283C2 - Vorrichtung zum Einleiten eines gasförmigen Mediums in einen gasgefüllten Raum - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einleiten eines gasförmigen Me­ diums in einen gasgefüllten Raum, insbesondere eines Luftstromes in einen zu beheizenden oder abzukühlenden Raum, mit mindestens einem den aus einem Auslaß austretenden Gasstrom in mehrere Teilströme aufteilenden flächen­ förmigen Leitelement.

Vorrichtungen zum Einleiten eines gasförmigen Mediums in einen gasgefüllten Raum, insbesondere zum Einleiten eines Luftstromes in einen zu beheizenden oder abzukühlenden Raum sind in verschiedensten Ausführungen bekannt. Insbesondere als Luftauslässe an Luftheizgeräten bezeichnete Vorrichtungen zum Einleiten eines Warmluftstromes in einen zu heizen den Raum gibt es in verschiedensten Größen und Ausführungen.

Bei sämtlichen derartigen Vorrichtungen wird eine möglichst schnelle Ver­ mischung des eingeleiteten gasförmigen Mediums mit dem im Raum befind­ lichen gasförmigen Medium angestrebt. Bei Luftheizgeräten soll zusätzlich die Raumluft möglichst gleichmäßig und störungsfrei erwärmt werden.

Um den vorzugsweise durch eine Mehrzahl von Lamellen in mehrere Teil­ ströme aufgeteilten Luftstrom bereits beim Verlassen des Auslasses möglichst intensiv mit der Raumluft zu vermischen, ist es aus der DE-PS 8 14 039 be­ kannt, die Lamellen im Querschnitt U-förmig auszubilden und derart im Auslaß anzuordnen, daß die zwischen benachbarten Lamellen austretenden Teilströme offenen Lamellen als Sekundärluft Raumluft ansaugen, so daß eine schnellere Vermischung der zugeführten Luft mit der Raumluft erfolgt. Nachteil dieser bekannten Vorrichtung ist die ungenügende Vermischung von Primärluft und Sekundärluft.

Aus der DE 28 35 014 A1 ist eine Vorrichtung der voranstehend be­ schriebenen Art bekannt, bei der das Leitelement flächenförmig ausgebildet ist und sich quer zur Ablenkrichtung des Gasstromes erstreckt. Bei diesem flächigen Leitelement handelt es sich um eine Umlenkfläche, die bei kleinerem Anstellwinkel eine reine Strömungsumlenkung ohne Verwirbelung bewirkt, jedoch bei größeren Anstellwinkeln zu Strömungsablösungen mit unge­ ordnetem turbulenten Nachlauf führt (siehe DE-Buch Schlichting und Trucken­ brodt "Aerodynamik des Flugzeuges" Band 1, Springer-Verlag Berlin/Heidelberg/New York 1967, S. 257).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der ein­ gangs beschriebenen Art zum Einleiten eines gasförmigen Mediums in einen gasgefüllten Raum mit mindestens einem den aus einem Auslaß austretenden Gasstrom in mehrere Teilströme aufteilenden flächenförmigen Leitelement der­ art auszubilden, daß auch bei einer gleichzeitigen Ablenkung des aus der Vorrichtung austretenden Mediums eine verlustarme und intensive Durch­ mischung mit dem im Raum befindlichen gasförmigen Medium erfolgt.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Vorderkanten des unter einem spitzen Winkel zur Hauptströmungsrichtung des Gasstromes angestellten flächenförmigen Leit­ elements zur Erzeugung von Vorderkantenwirbeln räumlich spitzwinklig ver­ laufen.

Das erfindungsgemäß erzeugte Vorderkantenwirbelsystem besteht aus zwei gegenläufigen Potentialwirbelfeldern, die an den schräg zur Anströmung stehenden Vorderkanten entstehen. Ein solches Wirbelsystem ist in der Strömungstechnik, insbesondere in der Flugtechnik bekannt und wird bei Deltaflugzeugen genutzt (siehe DE-Buch Prandtl "Führer durch die Strömungs­ lehre" Friedr. Vieweg + Sohn GmbH,. Braunschweig, 7. Auflage 1969, Seiten 375 und 376). Es unterscheidet sich grundsätzlich von einem turbulenten Strömungsnachlauf hinter Widerstandsflächen und Widerstandskörpern, der ungeordnete Wirbel enthält, im Gegensatz zum Vorderkantenwirbel Rück­ stromzonen aufweist und in der Literatur manchmal fälschlicherweise als "Wirbelnachlauf" bezeichnet wird.

Durch die räumlich unter spitzen Winkeln zur Hauptströmungsrichtung des Gasstromes angestellten Vorderkanten des Flächenelements wird in an sich bekannter Weise ein stationäres Vorderkantenwirbelsystem mit zwei gegen­ sinnig rotierenden, sich in Strömungsrichtung kegelförmig ausbreitenden Wir­ beln erzeugt, das aufgrund seiner quer zur Hauptströmungsrichtung verlau­ fenden Komponenten innerhalb einer sehr kurzen Mischstrecke eine intensive Durchmischung des aus der Vorrichtung austretenden gasförmigen Mediums, beispielsweise von Warmluft, mit dem im Raum befindlichen Medium, bei­ spielsweise ruhender Raumluft bewirkt. Da das Flächenelement des Vorder­ kantenwirbelsystems nicht als Umlenkfläche, sondern mit seinen Vorderkanten als Impulsgeber für die Wirbelerzeugung dient, hat die erfindungsgemäße Ausbil­ dung nur geringe Strömungsverluste. Schließlich läßt sich durch eine geeignete Ausrichtung des Flächenelements im Raum gleichzeitig mit der Erzeugung des Vorderkantenwirbelsystems auch eine Ablenkung der Strömungsrichtung erzielen, ohne daß größere verlustbehaftete Wirbelnachläufe entstehen.

Das erfindungsgemäße Flächenelement kann einstellbar oder verstellbar im Bereich des Auslasses der Vorrichtung angeordnet sein, um eine Anpassung der Vorrichtung an unterschiedliche Randbedingungen, beispielsweise wechselnde Durchsatzvolumen zu ermöglichen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Flächen­ elemente parallel zueinander angeordnet, so daß sich eine Aufteilung des Gasstromes in eine Mehrzahl von Teilströmen ergibt, die jeweils mit Hilfe eines Vorderkantenwirbelsystems sowohl mit dem im Raum befindlichen gasförmi­ gen Medium als auch miteinander gemischt werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist es weiterhin möglich, mehrere Flächenelemente mit ihrer quer zur Hauptströmungsrichtung des Gasstromes verlaufenden Achse unter einem Winkel zueinander räumlich ver­ teilt im Bereich des Auslasses anzuordnen. Auch hierbei können mehrere Flächenelemente jeweils parallel zueinander angeordnet sein. Diese erfin­ dungsgemäße Ausgestaltung erhöht die Möglichkeiten einerseits zur Auftei­ lung des der Vorrichtung zugeleiteten Gasstromes in mehrere Teilströme und andererseits ihrer Vermischung miteinander und mit dem im Raum befindlichen gasförmigen Medium, wobei zugleich Inhomogenitäten bei der Zuströmung des gasförmigen Mediums zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausge­ glichen werden können.

Die erfindungsgemäßen Flächenelemente können deltaförmig, rautenförmig, kreisförmig, elliptisch oder oval ausgebildet sein. Wichtig ist lediglich, daß sie über zwei im wesentlichen symmetrisch zu einer parallel zur Hauptströmungs­ richtung liegenden Achse verlaufende Vorderkanten verfügen, die einen spitzen Winkel zueinander bilden und die die Impulse zur Erzeugung der Vorderkantenwirbel geben.

Zur Stabilisierung der Flächenelemente und zur Verstärkung des Impulses zur Wirbelerzeugung können die Flächenelemente mit abgewinkelten Rändern ver­ sehen und/oder in ihrer Symmetrielinie abgewinkelt sein.

Auf der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele einer erfindungsge­ mäßen Vorrichtung schematisch dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Luftheizgerätes,

Fig. 2 eine Frontansicht des Gerätes gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen der Fig. 1 entsprechenden Längsschnitt einer zweiten Aus­ führungsform eines Luftheizgerätes,

Fig. 4 eine Frontansicht des Gerätes gemäß Fig. 3,

Fig. 5 einen den Fig. 1 und 3 entsprechenden Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform,

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eines deltaförmigen Flächenelements und seiner Zuordnung zur Hauptströmungsrichtung des Gasstromes mit Andeutung der entstehenden Vorderkantenwirbel,

Fig. 7-12 Darstellungen verschiedener Ausführungsformen für die Gestaltung der Flächenelemente.

Die anhand dreier Ausführungsbeispiele dargestellten Luftheizgeräte umfassen jeweils ein Gehäuse 1, in dem ein Ventilator 2 zur Erzeugung eines Luft­ stromes angeordnet ist. Der durch eine Luftansaugöffnung 3 angesaugte Luftstrom wird durch einen Wärmetauscher 4 hindurch einem Luftauslaß 5 zugeführt, in dem mindestens ein den Luftstrom in mehrere Teilströme auftei­ lendes Leitelement angeordnet ist. Bezüglich dieses Grundaufbaues stimmen alle drei Ausführungsformen überein.

Der Wärmetauscher 4 ist bei allen Ausführungsformen als Rippenrohrwärme­ tauscher mit einer Verteilkammer 4a und einer Sammelkammer 4b für die be­ rippten Rohre dargestellt und im Bereich der Verteilkammer 4a mit einem Ein­ trittsstutzen 4c und im Bereich der Sammelkammer 4b mit einem Austritts­ stutzen 4d für das wärmeabgebende Medium versehen.

Beim ersten Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 sind im Luftauslaß 5 des Luftheizgerätes insgesamt vier Flächenelemente 6 angeordnet, die mit ihrer trapezförmigen Hauptfläche parallel und in gleichem Abstand zueinander verlaufen. Die Längsränder der Flächenelemente 6 sind jeweils nach unten ab­ gewinkelt und bilden ihrerseits eine dreieckförmige bzw. trapezförmige Fläche. Bezüglich der durch Pfeile gekennzeichneten Hauptströmungsrichtung 7 der im Wärmetauscher 4 erwärmten Luft ist jedes Flächenelement 6 hinsichtlich sei­ ner Symmetrieachse 6a räumlich unter dem spitzen Winkel 8 angestellt, so daß die Kanten jedes Flächenelements 6 jeweils unter spitzen Winkeln zu der Hauptströmungsrichtung 7 des Warmluftstromes verlaufen.

Die hiermit verbundene Erzeugung eines aus zwei gegensinnig rotierenden, sich in Strömungsrichtung kegelförmig ausbreitenden Wirbeln bestehenden Vorderkanten-Wirbelsystems ist schematisch in Fig. 6 dargestellt. Diese Darstellung zeigt ein deltaförmiges Flächenelement 6, dessen Symmetrieebene 6a unter einem spitzen Winkel 8 zur Hauptströmungsrichtung 7 des Luftstromes angestellt ist. Von den räumlich unter spitzen Winkeln zur Hauptströmungsrichtung 7 verlaufenden Vorderkanten 6b des Flächenelements 6 werden Impulse für das Entstehen von in Richtung auf die Symmetrieachse 6a rotierenden und sich gleichzeitig in Hauptströmungs­ richtung 7 verlagernden, sogenannten Vorderkantenwirbeln erzeugt, so daß an jeder Vorderkante 6b ein kegelförmiges Wirbelsystem entsteht, wie dies in Fig. 6 zeichnerisch angedeutet ist. Diese stationären Wirbel haben aufgrund ihrer Rotation und kegelförmigen Ausbreitung große Bewegungskomponenten quer zur Hauptströmungsrichtung 7, so daß sich auf kurzer Wegstrecke eine intensive Vermischung der aus dem Luftauslaß 5 austretenden Warmluft mit der im Raum ruhenden Luft ergibt. Dieser Vermischungsprozeß erfolgt verlustarm, da sich kein Totwassergebiet einstellt, wie dies bei reinen Widerstandskörpern der Fall ist.

Während beim ersten Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 die Flächen­ elemente 6 starr im Bereich des Luftauslasses 5 angeordnet sind, zeigt das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 eine Ausführungsform, bei der die parallel zueinander verlaufenden Flächenelemente 6 zusammen mit den Luftauslaß 5 begrenzenden Leitflächen 9 durch einen Stellmotor 10 hinsichtlich ihres An­ stellwinkels 8 zur Hauptströmungsrichtung 7 um einen Drehpunkt 11 verstellbar sind. Durch eine derartige Verstellung kann nicht nur die Austrittsrichtung der Warmluft aus dem Luftauslaß 5 verändert werden, sondern auch eine Anpassung der Vorderkantenwirbel erzeugenden Flächenelemente 6 an geänderte Randbedingungen erfolgen, beispielsweise an eine Veränderung des Luftdurchsatzes.

Bei der weiteren Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4 sind die Flächen­ elemente 6 mit ihrer quer zur Symmetrieachse 6a verlaufenden Achse unter einem Winkel zueinander räumlich verteilt im Bereich des Luftauslasses 5 an­ geordnet. Beim Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel zwischen den Quer­ achsen der jeweils benachbarten Flächenelemente 6 jeweils 90°, so daß sich die insbesondere in Fig. 4 erkennbare räumliche Verteilung ergibt. Auch bei dieser Ausführungsform wird von den Vorderkanten 6b jedes Flächenelements 6 ein Vorderkantenwirbelsystem erzeugt, wie dies schematisch anhand der Fig. 6 dargestellt ist.

Die Fig. 7 bis 12 zeigen schließlich unterschiedliche Ausgestaltungsmöglich­ keiten für die Flächenelemente 6. Während die Fig. 7 ein deltaförmiges Flächenelement 6 zeigt, besitzt das Flächenelement 6 gemäß Fig. 8 die Form einer Raute. In beiden Fällen entstehen geradlinige Vorderkanten 6b. Das Ent­ stehen der Vorderkantenwirbel ist jedoch nicht an den geradlinigen Verlauf der Vorderkanten 6b gebunden, so daß auch das kreisförmige Flächenelement 6 gemäß Fig. 9 und das ovale Flächenelement gemäß Fig. 10 mit ihren Kanten 6b Vorderkantenwirbelsysteme zur Folge haben, wenn diese Vorderkanten 6b räumlich unter einem spitzen Winkel zur Hauptströmungsrichtung 7 eines Gasstromes angestellt werden.

Die Fig. 11 zeigt einen Querschnitt durch ein Flächenelement 6, dessen Rän­ der 6c abgewinkelt sind. Hierdurch wird nicht nur eine größere Stabilität des Flächenelementes 6 erreicht, sondern auch die Impulswirkung der Vorderkanten 6b verstärkt, da sich diese stärker von der Hauptfläche des Flächenelements 6 abheben. Ein ähnlicher Effekt sowohl bezüglich der Versteifung des Flächenelements 6 als auch der Verstärkung der Impulserzeugung ergibt sich, wenn das Flächenelement 6 gemäß dem Querschnitt nach Fig. 12 in seiner Symmetrieachse abgewinkelt wird.

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse
2 Ventilator
3 Luftansaugöffnung
4 Wärmetauscher
4a Verteilkammer
4b Sammelkammer
4c Eintrittsstutzen
4d Austrittsstutzen
5 Luftauslaß
6 Flächenelement
6a Symmetrieachse
6b Vorderkante
6c Rand
7 Hauptströmungsrichtung
8 Winkel
9 Leitfläche
10 Stellmotor
11 Drehpunkt

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Einleiten eines gasförmigen Mediums in einen gasgefüll­ ten Raum, insbesondere eines Luftstromes in einen zu beheizenden oder abzukühlenden Raum, mit mindestens einem den aus einem Auslaß aus­ tretenden Gasstrom in mehrere Teilströme aufteilenden flächenförmigen Leitelement, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderkanten (6b) des unter einem spitzen Winkel (8) zur Hauptströmungsrichtung (7) des Gasstromes angestellten flächenförmigen Leitelements (6) zur Erzeugung von Vorderkantenwirbeln räumlich spitzwinklig verlaufen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flä­ chenelement (6) einstellbar oder verstellbar im Bereich des Auslasses (5) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß meh­ rere Flächenelemente (6) parallel zueinander angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere Flächenelemente (6) mit ihrer quer zur Sym­ metrieachse (6a) verlaufenden Achse unter einem Winkel zueinander räumlich verteilt im Bereich des Auslasses (5) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Flächenelemente (6) deltaförmig, rautenförmig, kreisförmig, elliptisch oder oval ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Flächenelemente (6) mit abgewinkelten Rändern (6c) versehen sind.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Flächenelemente (6) in ihrer Symmetrielinie abge­ winkelt sind.