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Vorrichtung zur Aufrechterhaltung eines laminaren Luftschleiers an
Öffnungen, insbesondere von Kühlräumen Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung
zur Aufrechterhaltung eines laminaren Luftschleiers an Öffnungen von Räumen, insbesondere
von Kühlräumen, mit an zwei einander gegenüberliegenden Begrenzungskanten der Raumöffnung
angeordneten Kanahnündungen, deren eine als Düse mit derart angeordneter Düsenachse
ausgebildet ist, daß der Luftschleier im wesentlichen geradlinig und annähernd senkrecht
zur gegenüberliegenden Kanalmündung fließt, wobei die Düse durch eine mittlere Düsenwand
zur Erzielung einer Schichtströmung in zwei über die gesamte Düsenlänge reichende
Kanäle unterteilt ist.
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Eine derartige Vorrichtung ist bekannt. Der Gesamtkanal wird durch
die Zwischenwand in zwei Teilkanäle unterteilt, von denen der eine mit Umgebungsluft
und der andere mit Kühlluft beschickt wird. Leider ist nicht zu vermeiden, daß sich
die beiden Luftschichten unterschiedlicher Temperatur sowohl miteinander als auch
hier mit den benachbarten, in Ruhe befindlichen Lufträumen mischen. Eine Verwirbelung
tritt immer dann auf, wenn zwischen zwei Strömungen, von denen die eine auch die
Geschwindigkeit Null haben kann, eine Relativgeschwindigkeit herrscht.
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Durch die Verwirbelungen wird aber die gewünschte Schichtströmung
bei der bekannten Vorrichtung zerstört. Der Kaltluftstrom wird mit der benachbarten
Kaltluft im Vorratsraum verwirbelt. Die Energie des Kaltluftstroms geht dabei genauso
verloren, wie die des äußeren Warmluft-Schutzstroms, der sich mit der Umgebungsatmosphäre
vermischt. Der gewünschte Luftvorhang läßt sich mit der bekannten Vorrichtung nicht
erreichen.
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Die Folge ist, daß Kaltluft in die Atmosphäre dringt und dafür Warmluft
in den gekühlten Vorratsraum einströmt. Diese Diffusionen sind mit einem erheblichen
Energieverlust verbunden, der sich insbesondere bei Tiefkühltruhen wegen der hohen
Temperaturdifferenzen sehr unangenehm bemerkbar macht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die der bekannten Vorrichtung anhaftenden
Nachteile zu vermeiden und insbesondere dafür zu sorgen, daß der Kaltluftstrom und
der Warmluftstrom im wesentlichen ungestört, insbesondere ohne unzulässig hohe Vermischungen
laminar über die gesamte Kühlraumöffnung strömen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Strömungen
in den beiden Kanälen der Düse in zur Düsenmittelebene symmetrische Strömungsschichten
aufgeteilt sind, deren von der mittleren Düsenwand entfernter liegende äußere Strömungsschichten
mit geringerer Strömungsgeschwindigkeit an der Düse austreten, als die im Bereich
der mittleren Düsenwand liegenden inneren Strömungsschichten.
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Mit der Erfindung wird der überraschende Vorteil erzielt, daß die
Kälteverluste unerwartet gering sind. Dies beruht unter anderem darauf, daß die
beiden laminar strömenden Luftschichten nahezu ungestört über den gesamten Öffnungsquerschnitt
des Kühlraumes strömen. Verwirbelungen treten zwischen den beiden Laminarschichten
nicht ein, da - wenn überhaupt - nur sehr geringe Geschwindigkeitsunterschiede an
der Grenzfläche zwischen beiden Schichten vorhanden sind, die keine Verwirbelung
nach sich ziehen und da die beiden Schichten nicht im Winkel aufeinanderprallen,
sondern im wesentlichen parallel geführt werden. Von der Mittelebene der Düse nimmt
die Geschwindigkeit der Luftströme nach beiden Seiten ab. Die Strömungsgeschwindigkeit
der äußersten Luftschichten ist sehr gering. Deswegen ist auch die Verwirbelung
dieser äußersten
Schichten mit den benachbarten Räumen, in denen
die Luft im wesentlichen in Ruhe ist, nur sehr gering und hat keinen Einfluß auf
die weiter innenliegenden Strömungsschichten.
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Insgesamt läßt sich also mit der Erfindung ein bisher unerreicht guter
laminarer Luftschleier erzielen, mit dem die Kälteverluste, die an herkömmlichen
Zugangsöffnungen von Kühlvitrinen oder Tiefkühlvitrinen auftraten, auf ein Minimum
herabgesetzt werden können. Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht nun darin,
daß in den beiden Kanälen der Düse symmetrisch zur Mittelwand mindestens je eine
weitere Trennwand angeordnet ist und daß die außenliegenden Teilkanäle einen größeren
Strömungswiderstand aufweisen. Dies läßt sich dadurch bewerkstelligen, daß die Kanäle
durch Lamellen unterteilt werden und der Lamellenabstand nach außen hin abnimmt;
so daß damit der Reibungswiderstand wächst. Alternativ lassen sich aber auch in
den äußeren Teilkanälen zusätzliche Luftwiderstandselemente einbauen. Hierfür werden
vorzugsweise wabenförmige Körper vorgesehen. Diese lassen sich mehrfach hintereinanderschalten,
so daß im äußersten Teilkanal mehr Wabenkörper hintereinanderliegen als in dem nächst
benachbarten, weiter innen liegenden Teilkanal.
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Alternativ läßt sich das erfindungsgemäße Ergebnis auch dadurch erreichen,
daß jeder Kanal durch mehrere Lamellen in schmale Teilkanäle unterteilt ist, denen
die Luft im Winkel, insbesondere rechtwinklig, zugeführt wird, und daß die Anströmkanten
der Lamellen, im Schnitt gesehen, auf einer zur Anströmkante der Mittelwand symmetrischen
Kurve liegen, derart, daß die Projektion der den Einströmquerschnitt jedes Teilkanals
bestimmenden Verbindungslinie je zweier benachbarter Anströmkanten senkrecht zur
Luftzufuhrrichtung zur Mittelwand. hin zunimmt. , , Allen Ausführungen ist das Merkmal
gemeinsam, daß die Düse wabenartige Zwischenwände aufweisen kann.
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An Hand der Zeichnung, die einige Ausführungsbeispiele der - Erfindung
darstellt,- sei die Erfindung näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine vordere Stirnansicht
einer allgemeinen Ausführungsform einer Düse, F i g. 2 einen Querschnitt längs der
Linie 2-2 der F i g. 1, F i g. 3 eine Ansicht ähnlich F i g. 1, jedoch einer abgewandelten
Ausführungsform, F i g. 4 einen Querschnitt durch eine weitere Abwandlung, F i g.
5 einen Schnitt durch eine weitere Abwandlung einer Düse und F i g. 6 eine schematische
Darstellung eines aus der Düse gemäß F i g. 1 austretenden Luftstroms.
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Die Düse 10 gemäß F i g. 1 ist zwischen einer Außenwand 22 und einer
Innenwand 24 gebildet. Zwischen den beiden Wänden 22 und 24 befindet sich eine Trennwand
20. Auf diese Weise werden die beiden voneinander getrennten Kanäle 16 und
18 gebildet. Bei einer Kühlvitrine würde sich oberhalb des in F i g. 2 dargestellten
Kanals 18, durch die Wand 24 von diesem getrennt, das Kühlabteil befinden. Oberhalb
des Auslasses der Düse 10 ist dann die Zugangsöffnung für den Innenraum, der durch
den Schichtluftschleier geschlossen werden soll, um Kälteverluste zu verhindern.
Zu diesem Zweck strömt im Kanal 18 Kaltluft, während im Kanal 16 wärmere Luft, beispielsweise
Umgebungsluft, strömen kann.
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Die Austrittsachsen der beiden Kanäle 16 und 18
laufen
nicht genau parallel, sondern bilden vorzugsweise einen spitzen Winkel miteinander,
um eihe Tbtraumbildung von Anfang an auszuschließen.
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Die Düse 10 weist in jedem der beiden Kanäle 16 und 18 parallel
zur Strömungsrichtung verlaufende Lamellen 12 auf. Zwischen je zwei Lamellen
werden somit Einzelkanäle 14 gebildet. Beste Ergebnisse werden erzielt, wenn die
Einbauten in der Düse weniger als 25% des freien Gesamtquerschnittes ausmachen,
so daß sich - bezogen auf die Gesamtfläche der Düse 10 - eine freie Austrittsfläche
von mindestens 75 % ergibt.
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Der Rest wird von den Lamellen 12 eingenommen. Wenn man die
Wandstärke der Lamellen bis auf etwa 0,02 mm herabsetzt und einen Abstand zwischen
den Lamellen von etwa 3 mm wählt, so wird von den Einbauten nur etwa 10 % des Gesamtquerschnitts
eingenommen. 90% des Gesamtquerschnitts der Düse 10 bleiben frei. Mit einer solchen
Düse läßt sich ein optimaler Luftschleier auch über größere Zugangsöffnungen erzielen.
Die Länge der Lamellen in Strömungsrichtung sollte mindestens 10 mm betragen und
in der Praxis werden sie eine Länge von 25 bis 50 mm haben, so daß die zwischen
ihnen austretenden Teilluftströme eine Reynolds-Zahl kleiner als 2300 haben. Damit
lassen sich einwandfreie Laminarströmungen erzielen. Dies haben Rauchversuche mit
Düsenanordnungen gemäß der Erfindung gezeigt. Nun muß dafür gesorgt werden, daß
die zwischen den einzelnen Lamellen 12 strömenden Einzelschichten außen, d. h. also
benachbart den Wänden 22 und 24,
eine erheblich geringere Geschwindigkeit
haben als weiter innen. Damit läßt sich erreichen, daß an der Grenzfläche zwischen
der jeweils äußersten Schicht der Düse 10 und dem benachbarten, im allgemeinen
in Ruhe befindlichen Luftraum nur eine geringe Relativgeschwindigkeit herrscht und
damit . etwaige Verwirbelungen auf einem Minimum gehalten werden.
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Gemäß F i g. 3 erhalten die einzelnen Lamellen 12 der Düse 10 unterschiedliche
Abstände, und zwar sind die Abstände an den Außenwänden 22, 24 am
geringsten und nehmen nach innen zur Düsenwand 20 hin zu. Der Übergang vom
kleinsten Abstand der Lamellen 14, benachbart den Außenwänden 22, 24, zum größten
Abstand der Lamellen, benachbart der mittleren Düsenwand 20, kann allmählich
oder stufenweise erfolgen, wobei in letzterem Fall einzelne Lamellen gruppenweise
gleiche Abstände haben können. Die in den Kanälen 16 und 18 strömende
Luft teilt sich nun in die Einzelströme zwischen den jeweiligen Lamellen 12 auf.
In den Bereichen, in denen die Lamellen eng stehen, ist der Widerstand größer .als
in den weiter innen liegenden Bereichen, wo die Lamellen einen größeren Abstand
haben. Entsprechend ist der Strömungswiderstand in den Außenbereichen der Düse
10 größer als in den Innenbereichen. Die Austrittsgeschwindigkeiten der Einzelströme
sind also außen am geringsten und nehmen nach innen hin allmählich zu.
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Bei der Ausführung gemäß F i g. 4 ist zwischen die Außenwände 22,
24 ein die Düse 53 bildendes Wabenstück eingesetzt. Die Kanäle des Wabenstüekes
53 haben alle die gleiche öffnungsweite. Die Ge= schwindigkeitsverteilung wird bei
der Ausbildung gemäß
F i g. 4 dadurch erreicht, daß zwischen der
Mittelwand 20 und jeder der beiden Außenwände 22 und 24 jeweils eine Zwischenwand
46 bzw. 48 eingebaut ist, die einerseits den Kanal 16 in den Mittelkanal
46 a und den Außenkanal 52 und andererseits den Kanal 18 in den Mittelkanal
48 a und den Außenkanal 52 aufteilen. In den Außenkanälen
52 sind Strömungswiderstandskörper 50 in Form von wabenartigen Körpern
eingebaut. Auf Grund dieser Einbauten hat die aus der Düse 53 benachbart den Wänden
22 und 24 austretende Luft eine geringere Geschwindigkeit als die aus den weiter
innen liegenden Bereichen der Düse 53 ausströmende Luft.
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Selbstverständlich lassen sich mehrere Zwischenwände 46, 48 nebeneinander
anordnen, wie sich auch mehrere Strömungswiderstandskörper 50 hintereinanderschalten
lassen, um eine von außen nach innen allmählich zunehmende Geschwindigkeitsverteilung
der Auslaßdüse 53 zu erzielen.
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In F i g. 5 ist eine weitere Abwandlung der Erfindung veranschaulicht.
Die hier gezeigte Düse umfaßt die beiden Düsenabschnitte 60, 62. Der Düsenkanal
ist schräg abgewinkelt. In jedem Düsenabschnitt sind lamellen- oder wabenfönnige
Einbauten 64 bzw. 66
vorgesehen, die an ihren Vorderkanten gekrümmt
sind, um variable Luftmengen durch die Einzelkanäle der Körper 44 und 66 hindurchzulassen.
Wie deutlich zu sehen ist, ist die gekrümmte Form der Einlaßfläche der Einbauten
64 und 66 so gewählt, daß für die Einzelkanäle der senkrecht zur Anströmrichtung
projizierte Einströmquerschnitt von außen nach innen zunimmt. Die Folge ist, daß
die äußersten Einzelkanäle eine geringere Luftmenge erhalten als die weiter innen
liegenden Kanäle. Daraus folgt wieder eine Geschwindigkeitsverteilung am Auslaß
der Düse, die symmetrisch von der Mitte aus nach beiden Seiten abnimmt.
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Ein Luftvorhang, wie ihn jede der verschiedenen Ausführungen gemäß
der Erfindung erzeugt, ist in F i g. 6 dargestellt. Zwischen den beiden Außenwänden
22, 24 sind wieder die Lamellen 12 zu sehen, zwischen denen die Einzelkanäle
14 gebildet werden. Das Strömungsfeld 57 ist am stabilsten. Hier laufen die Schichten
nahezu parallel. Mit der Entfernung von der Düse wird der innere Kern in seiner
Breite abgebaut, wie das schräg schraffierte Feld 58 zeigt. Die Außenschichten 54,
55 kommen an den benachbarten Umgebungslufträumen, die im wesentlichen keine Geschwindigkeit
aufweisen, allmählich zur Ruhe. Je nach der Größe der Relativgeschwindigkeit kann
es in größerem Abstand von der Düse an den Stellen 54 a und 54 b zu
geringfügigen Wirbeln kommen, die jedoch allenfalls örtlichen Einfluß haben und
niemals eine Störung der stetig strömenden Innenschicht 56 bewirken können.
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Wenn zwischen der äußeren Atmosphäre und dem durch den Luftschleier
von dieser abzutrennenden Innenraum ein Druckunterschied herrscht, so wird die Achse
der Düse nicht in Richtung des an der gegenüberliegenden Seite der Zugangsöffnung
befindlichen Einlasses, sondern unter einem Winkel entgegen des überdruckraums gerichtet,
so daß die auf den Luftstrom wirkenden Druckkräfte mit den Trägheitskräften des
Luftstromes zusammenwirken, um die Luftteilchen von der Düse zum gegenüberliegenden
Einlaß zu bewegen.