CZ20041101A3

CZ20041101A3 - Vírová hlavice pro odvetrávací zarízení

Info

Publication number: CZ20041101A3
Application number: CZ20041101A
Authority: CZ
Inventors: Vacek@Jan
Original assignee: Vacek@Jan
Priority date: 2004-11-08
Filing date: 2004-11-08
Publication date: 2006-06-14
Also published as: CZ301592B6

Abstract

Vírová hlavice (1) pro odvetrávací zarízení sestává ze dvou souosých kruhovitých desek (2, 3) o vnejsím prumeru (D), vzájemne odsazených o výsku (H),z nichz alespon jedna je ve svém stredu opatrená kruhových odsávacím otvorem (21) o prumeru (d.sub.0.n.), pricemz prstencovitý prostor mezi kruhovitými deskami (2, 3) o výsce (H) je rozdelený nejménetremi deskovitými rozvádecími lopatkami (44) s hloubkou (L) a výskou (H), které se svou vnitrní stranou priblizne tecne dotýkají obvodu rídicí kruznice o prumeru (d). Profil rozvádecích lopatek (44) muze být dvojite zakrivený a vykazovat tvar písmene S. Krome toho muze alespon jedna z kruhovitých desek (2, 3) vykazovat konvexní plochu (22, 32) vyklenutou smerem dovnitr vírové hlavice (1).

Description

VIROVÁ HLAVICE PRO ODVETRAVACI ZAŘÍZENÍ

Oblast techniky

Předložené řešení se týká konstrukce pevné vírové hlavice pro odvětrávací zařízení, v níž se vlivem okolního proudění vytvoří stacionární vír, který spolu se zužováním průtočného průřezu směrem ke středu hlavice podpoří odsávání z větraného objektu.

Dosavadní stav techniky

Během vlastní praxe s větrnými turbinami se svislou osou otáčení (viz český užitný vzor CZ 13767 U o názvu „Křídlo aerodynamického zařízení s vírovými drážkami, podaný dne

15. srpna 2003) jsem takzvané „tornádové rozváděcími lopatkami zaznamenal zajímavé řešení vírové, větrné turbiny s tečně skloněnými po obvodu vysoké válcovité věže.

Tornádový vír indukovaný uvnitř věže způsobí sání, jež pohání větrnou turbinu ve spodní části věže.

Na podobném principu má pracovat i větrná turbina s několika pevnými rozváděcími lopatkami, umístěnými rovnoměrně po obvodu prstencovitého generátoru vírů, navržená roku 1995 F. J. Stanleyem (viz patent US 5 391 926) . Vlastní turbina zde běží přímo ve vzniklém stacionárním víru.

Současná vzduchotechnika většiny obytných budov v ČR, pokud je vůbec funkční, využívá ponejvíce takzvaného „komínového efektu, posíleného u větších staveb elektrickými

9

9 9

9 9 9

9 9999

9 9

9

999 • · « · • · ··

9 9 · ·

9 9 9

99 ventilátory. Stávající „samotahové hlavice na střechách sídlištních domů mají hlavně zabraňovat pronikání srážek do výstupů větracích šachet. Odsávání vlivem větru není u tohoto typu statických větráků příliš účinné; vzhledem k uzavřenosti obvodového pláště hlavice se uplatní pouze účinek takzvaného „Venturiho efektu v kónické stříšce a kolem kuželového hrdla hlavice.

Existují samozřejmě i jiné statické střešní odsávače nebo výfuky plynných zplodin, jejichž geometrie vylepšuje přirozené odsávání vlivem větru. Příkladem je kanadské řešení odvětrávání půd rodinných domů (viz patent US 5 655 964) ; na tříbokém komínku jsou nad sebou umístěné jehlancovitě zkosené stříšky a z průduchů pod nimi je vlivem bočního větru odsáván vzduch z komínku (při současném zamezení vnikání srážek nebo cizích těles).

Výfukovým krytem bez pohyblivých součástí je rovněž japonský vynález chráněný americkým patentem US 5 421 776. Jde tu o vírovou komoru lichoběžníkového půdorysu ze dvou protilehlých stran otevřenou. Proudění indukované v komoře příčným větrem podporuje odsávání a vlivem dvou stacionárních vírů vytvoří „záklopku, která zabrání zafukování větru dovnitř. Zařízení může mít i několik vírových komor nad sebou, vzájemně pootočených tak, aby v převládajících větrech bylo odsávání co nej efektivnější.

Nověji se objevují i otáčivé větráky s radiálními turbinkami, jejichž lopatky, vyražené v plášti hlavice, vytvářejí během svého otáčení vlivem větru potřebný podtlak ve větrací šachtě. Jejich nevýhodou je ovšem nutnost údržby rotujících částí, vystavených vlivům počasí.

99 9

9 9 9

9 9 9 9

9 9 9 9999

9 9 9

999 99 9 • · • 9 • 9 9 9 9 • 9 99

9 9 9 9

9 9 9

9 *9 9

Podstata vynálezu

Předložené řešení se týká vírové hlavice pro odvětrávací zařízení a spočívá v začlenění vhodně zakřivených a tangenciálně skloněných rozváděčích lopatek mezi dvě souosé, většinou kruhovité desky.

Konkrétně vírová hlavice pro odvětrávací zařízení podle vynálezu spočívá v tom, že sestává ze dvou souosých kruhovitých desek o vnějším průměru (D) , vzájemně odsazených o výšku (H), z nichž alespoň jedna je ve svém středu opatřená kruhovým odsávacím otvorem o průměru (d₀) , přičemž mezi vnějším průměrem (D) kruhovitých desek a zhruba polovičním vnitřním průměrem (d s d₀) je vytvořený prstencovítý prostor o výšce (H), který je rozdělen nejméně třemi deskovítými rozváděcími lopatkami s hloubkou (L) a výškou (H) , které se svou vnitřní stranou přibližně tečně dotýkají obvodu řídící

kružnice o	průměru (d), přičemž výška	(H) a	hloubka (L)
rozváděčích	lopatek jsou řádově srovnatelné	s vnitřním
průměrem.
Profil	rozváděčích lopatek může být	dvoj itě	zakřivený a

vykazovat tvar písmene S, přičemž poloměr zakřivení (R) vnitřního konce profilu rozváděči lopatky a poloměr zakřivení (r) vnějšího konce profilu rozváděči lopatky, která může buď obecně zakřivená i podél své délky nebo odkloněná od směru výšky (H) , odpovídá řádově, v uvedeném pořadí, poloměru (d/2) respektive (D/2) kruhovitých desek; úhly nastavení (A) střední roviny rozváděčích lopatek k odpovídajícímu průměru roztečné kružnice [(D+d)/2] jsou v rozmezí 15 až 45°.

Buď jedna z uvedených dvou kruhovitých desek, nebo obě desky mohou být směrem k sobě vypuklé, čímž se zvýrazní takzvaný „Venturiho efekt.

Dalším předmětem technického řešení je kombinovaná vírová hlavice pro odvětrávací zařízení, jejíž podstata spočívá v tom, že sestává buď z kombinace alespoň dvou výše popsaných vírových hlavic, které jsou uspořádané v sérii nad sebou, nebo z kombinace alespoň jedné dvojice výše popsaných vírových hlavic, které jsou umístěné vedle sebe v zrcadlově symetrickém uspořádání a upravené tak, že u každé vírové hlavice je na straně, kterou je přivrácená ke druhé hlavici, vypuštěna alespoň jedna vnitřní rozváděči lopatka.

Kromě toho může konstrukční vytvoření výše popsaných vírových hlavic tvořit buď součást horních partií signalizačních, navigačních a telekomunikačních věží, nebo vnější tvar konstrukčního vytvoření obytných či komerčních staveb.

A nakonec, výše popsané vírové hlavice je možné použít jako zařízení k výrobě elektrické energie pro obytné nebo komerční stavby, signalizační, navigační a telekomunikační věže a/nebo ke chlazení nebo vytápění těchto objektů.

Vír vznikající v navrhované větrací hlavici, umocněný Venturiho urychlováním proudění, vytvoří silný podtlak a sání u centrálního výstupu z větrací šachty. Toto technické řešení vyplývá z geometrie dutých segmentů mezi dnem a vrchním krytem větrací hlavice, jak je patrné z obr. 1.

Na návětrné straně je vítr nasměrován tangenciálně odkloněnými a podél své délky mírně zakřivenými rozváděcími lopatkami. Uvnitř hlavice tak vznikne silný „tornádový vír, doprovázený růstem podtlaku směrem ke středu dutiny a k sacímu otvoru v jejím dně. Vzduch odsávaný z větraného objektu bude odcházet závětrnou stranou větrací hlavice, jejíž lopatky svým • 9 9

9 9 9

9 9999

9 9

9 «9* 9··

Typický obr. 2.

• 9 99 • 9 · 9 • · 99 • 9 9 9 • · · 9 *9 99 sáním rovněž přispívají ke tvorbě stacionárního víru. průtok vzduchu průřezem hlavice je naskicován na

Účinnost odsávání lze vypočítat z rozdílu energetických hladin okolního proudění na návětrné a závětrné straně větrací hlavice a nastavit pak požadovanou intenzitu sání vhodnou volbou úhlu nastavení a počtu rozváděčích lopatek.

Za bezvětří či slabého větru se automaticky zapne pomocný ventilátor umístěný ve spodní části hlavice. Zapnutí nebo vypnutí ventilátoru může být ovládáno tlakovým spínačem ve větrací šachtě, anemometrem na střeše budovy, anebo v případě potřeby manuálními spínači v odvětrávaných prostorách.

Přehled obrázků na výkresech

Obr. 1 znázorňuje typické uspořádání rozváděčích lopatek ve vírové hlavici s plochým dnem i krytem ve tvaru kruhovitých desek včetně základních geometrických rozměrů hlavních součástí hlavice.

Obr. 2 znázorňuje jednu z možných variant průtoku vzduchu vírovou hlavicí za vzniku větrem indukovaného stacionárního víru.

Obr. 3 zvýrazňuje vyklenutí dna i vrchního krytu směrem do dutiny vírové hlavice a dokresluje celkové uspořádání hlavice včetně přídavného ventilátoru v nástavci větrací šachty.

Obr. 4 zobrazuje dvě vírové hlavice určené k umístění nad sebou se společným odsáváním a vzájemně pootočenými věnci rozváděčích lopatek.

444

4 · 4

4 44

4 4 4

44

4 4 4

4 4 4 4

4 4 4 4444

4 4 4

444 44 4

Obr. 5 představuje rozváděči lopatky složitější konstrukce s profilem tenkého zakřiveného křídla.

Obr. 6 znázorňuje detail vírové drážky v povrchu rozváděčích lopatek k vylepšení jejich funkce.

Obr. 7 je příkladem použití ochranných žaluzií na vnějším obvodu hlavice se sedmi zakřivenými rozváděcími lopatkami.

Obr. 8 a 9 znázorňují jednoduchou a zrcadlově zdvojenou eliptickou dispozici rozváděčích lopatek.

Příklady konkrétního provedení vynálezu

Nej jednodušším příkladem je uspořádání tělesa vírové hlavice 1 znázorněné na obr. 1. Sestává ze dvou souosých, o výšku H od sebe odsazených plochých kruhovitých desek 2 a 3 o vnějším průměru D, z nichž kruhovitá deska 2 má ve svém středu kruhovitý otvor 21 o průměru d₀

Mezi vnějším průměrem D kruhovitých desek 2 a 3_ a zhruba polovičním vnitřním průměrem d, kde d s d₀, se nacházející prstencovitý prostor o výšce H je rovnoměrně rozdělen šesti deskovitými rozváděcími lopatkami 44 s hloubkou L a výškou H . Všechny lopatky, s půdorysným profilem dvojitě zakřiveným na způsob písmene S, vyúsťují svou vnitřní stranou přibližně tečně k obvodu řídící kružnice o průměru d.

V alternativním uspořádání jsou jedna nebo obě kruhovité desky 22 a 32 vyklenuté směrem dovnitř vírové hlavice 1. Vyklenutí kruhovité desky může mít tvar kulového vrchlíku, komolého kužele nebo obecné trojrozměrné plochy. Kromě již ·· ·· • ♦ · · • · ·♦ • · · · • · · · ·· ·· ·*· ··· ·· · • · · • · · ♦ • · ··♦· • · · *· · zmíněného příznivého vlivu na odsávání zamezuje sklon povrchu kruhovité desky 22 zatékání dešúové vody do větrací šachty 10.

Takové konstrukční provedení vírové hlavice 1 je na obr. 3, ve kterém jsou původní ploché kruhovité desky 2 a 2 nahrazeny dovnitř vyklenutými rotačními plochami 22 a 32. Zužující se průtokový průřez mezi lopatkami i vnitřními stěnami kruhovitých desek má za následek akceleraci proudění směrem ke středu vírové hlavice s výsledným poklesem tlaku v okolí odsávacího otvoru 23.. Rozváděči lopatky 44 jsou přesně zalícovány do obou konvexních ploch 22 a 32. Odsávací otvor 23. ve spodní ploše 22 je zde plynule propojen konickým hrdlem 24 s pomocným ventilátorem 51.

Pro zvýšení efektivnosti odsávání lze umístit dvě a více vírových hlavic 1 v sérii nad sebou s tím, že sousední vírové hlavice 1 jsou navzájem propojeny otvory 25 ve spojovacích kruhovitých deskách 33.. Věnce rozváděčích lopatek 44 jednotlivých vírových hlavic 1 mohou být navzájem natočeny o úhel C, patrný na rozloženém pohledu kombinované vírové hlavice 11 na obr. 4.

Vírová hlavice 1 v rozloženém zobrazení na obr. 5 má rozváděči lopatky 45 a 46 s profilem tenkého křídla, přičemž náběžná hrana 55 rozváděči lopatky 45 je obrácena do středu vírové hlavice 1 a náběžná hrana 56 rozváděči lopatky 46 je orientována směrem k obvodu vírové hlavice 1.

Znázorněné uspořádání (s pravidelně se střídající orientací náběžných hran lopatek) má vylepšit aerodynamiku průtoku média hlavicí a účinnější tvorbu tornádového víru, zvláště bude-li profil lopatek optimalizován počítačovým modelem proudění za různých větrných podmínek, typických • · · · • · ·♦ • · · * · • · · · ♦ · ··

Φ· · • · • · · • · «Μ ·· • · • · · • ···· pro dané aplikace. Bude tedy výhodné hlavně u větších, výkonnějších zařízení.

Samozřejmě je možné orientovat všechny rozváděči lopatky i pouze jedním směrem, to znamená bud' náběžnou hranou dovnitř vírové hlavice 1 - viz rozváděči lopatka 45, nebo ven z vírové hlavice 1 - viz rozváděči lopatka 46.

Dalšího zvýšení účinnosti vírové hlavice lze dosáhnout zavedením tzv. vírových drážek, znázorněných v detailu na obr. 6 a podrobně popsaných v českém užitném vzoru CZ 13767 U o názvu „Křídlo aerodynamického zařízení s vírovými drážkami, podaném dne 15. srpna 2003. Stojaté víry ve drážkách 47 mají omezit odtrhávání proudnic od konvexních povrchů rozváděčích lopatek 46. Zvláště zajímavé na tomto řešení je, že účinnost vírových drážek 47 může být zlepšena odsáváním otvory 48 spojenými s oblastí podtlaku blízko středu vírové hlavice 1.

Vniku větších cizích těles do vírové hlavice 1 má zabránit uspořádání s ochrannými žaluziemi 60 po vnějším obvodu rozváděčích lopatek 44 zobrazené na obr. 7. Navíc mohou ochranné žaluzie 60 změnou svého nastavení ovlivnit vstup větru mezi rozváděči lopatky 44, a tím i regulovat výkonnost odsávání.

Dispozice rozváděčích lopatek 44, zobrazená v alternativním uspořádání na obr. 8, dodává vírové hlavici 1 eliptický půdorys, jehož delší osa je souběžná se směrem převládajících větrů. To je výhodné například na mořském pobřeží nebo v horských průsmycích a všude tam, kde je většina využitelných větrů soustředěna v úzkém segmentu směrů, ať už z jedné nebo z obou stran.

9 9 99

9 9 9 9 • 9···

9 9 9 · 9 99 ·· ··· ·9·

Konstrukční řešení znázorněné na obr. 9 sestává ze dvou spojených eliptických vírových hlavic 1 v zrcadlově symetrickém uspořádání a upravených tak, že se při orientaci roviny symetrie S takto kombinované vírové hlavice 11 souběžně s větrem v hlavici vytvoří dva vzájemně se podporující protiběžné víry. Jak je z obr. 9 zřejmé, dvě z vnitřních lopatek jsou vypuštěny a dvě rozváděči lopatky 44 sousedních vírových hlavic 1 jsou spojeny v bodu T na návětrné straně kombinované vírové hlavice 11.

Vítr je tak maximálně využit oběma bočními stranami kombinované vírové hlavice 11. V tomto případě bude výhodné spojit větrání s výrobou elektrické energie například vestavěním dvou protiběžných turbin přímo do obou vírů.

Všechna výše popsaná konstrukční řešení vírových hlavic mohou být zahrnuta v architektonických návrzích horních partií konstrukcí vystavených pravidelným větrům, jako jsou například výškové domy, majáky, retranslační zařízení nebo nadzemní vodní nádrže, a vylepšit tak jejich energetickou bilanci.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Vírová hlavice (1) pro odvětrávací zařízení, vyznačující se tím, že sestává ze dvou souosých kruhovitých desek (2, 3) o vnějším průměru (D) , vzájemně odsazených o výšku (H) , z nichž alespoň jedna je ve svém středu opatřená kruhovým odsávacím otvorem (21) o průměru (d₀) , přičemž mezi vnějším průměrem (D) kruhovitých desek (2, 3) a zhruba polovičním vnitřním průměrem (d) je vytvořený prstencovítý prostor o výšce (H) , který je rozdělený nejméně třemi deskovitými rozváděcími lopatkami (44) s hloubkou (L) a výškou (H), které se svou vnitřní stranou přibližně tečně dotýkají obvodu řídící kružnice o průměru (d s d₀) , přičemž výška (H) a hloubka (L) rozváděčích lopatek (44) jsou řádově srovnatelné s vnitřním průměrem (d).
2. Vírová hlavice podle nároku 1, vyznačuj ící se tím, že profil rozváděčích lopatek (44) je dvojitě zakřivený a vykazuje tvar písmene S, přičemž poloměr zakřivení (R) vnitřního konce profilu rozváděči lopatky (44) a poloměr zakřivení (r) vnějšího konce profilu rozváděči lopatky (44) , která může být obecně zakřivená i podél své výšky (H) nebo odkloněná od směru výšky (H) , odpovídá řádově, v uvedeném pořadí, poloměru (d/2) respektive (D/2) kruhovitých desek (2, 3) , a úhly nastavení (A) rozváděčích lopatek (44) vzhledem k průměru roztečné kružnice [(D+d)/2] jsou v rozmezí 15 až 45°.
3. Vírová hlavice podle nároků 1 nebo 2, vyznačující se tím, že alespoň jedna z kruhovitých desek (2, 3) vykazuje konvexní plochu (22, 32) vyklenutou směrem dovnitř vírové hlavice (1).

99 99 « · « • 9 99

9 9 9 • 9 9 9 • 9 «9

9 99 9

99 9 9 9

9 9 9 9 9 • 9 9 9 9999

9 9 9 9

999 99 9
4. Vírová hlavice podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že rozváděči lopatky (45, 46) mají tvar tenkého křídla s dvojitě zakřiveným profilem, vykazujícím tvar písmene S, přičemž náběžná hrana (57) rozváděči lopatky (45) je obrácená . směrem do středu .vírové hlavice (1) a náběžná hrana (56) rozváděči lopatky (46) směrem vně z vírové hlavice (1) , přičemž povrch rozváděčích lopatek (45, 46) v blízkosti odpovídající náběžné hrany (55, 56) může být opatřený zvláštními vírovými drážkami (47), a popřípadě i odsávacími otvory (48).
5. Vírová hlavice podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že vykazuje oválný nebo eliptický radiální průřez.
6. Vírová hlavice podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že její vnější obvod je opatřený ochrannými žaluziemi (60) zamezujícími vnikání větších cizích těles do vírové hlavice (1).
7. Kombinovaná vírová hlavice (11) pro odvětrávací zařízení, vyznačující se tím, že sestává z alespoň jedné dvojice vírových hlavic (1) podle kteréhokoli z nároků 1 až 6, umístěných v sérii nad sebou, nebo paralelně vedle sehe v zrcadlově symetrickém uspořádání, přičemž u každé z paralelních vírových hlavic (1) může být vypuštěna alespoň jedna z vnitřních rozváděčích lopatek (44).
8. Vírová hlavice podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že její konstrukční vytvoření tvoří součást horních partií signalizačních, navigačních a telekomunikačních věží.

• · • · 4

4 444 4
9. Vírová hlavice podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že vnější tvar jejího konstrukčního vytvoření tvoří vnější tvar konstrukčního vytvoření obytných či komerčních staveb.
10. Použití vírové hlavice podle nároků 1 až 9 jako zařízení k výrobě elektrické energie pro obytné nebo komerční stavby, signalizační, navigační a telekomunikační věže a ke chlazení nebo vytápění uvedených objektů.