BRPI0501776B1 - Unidade de bico para uma distribuição de gás em um líquido - Google Patents

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Abstract

unidade de bico para uma distribuição de gás em um líquido. a presente invenção refere-se a uma unidade de bico, para o suprimento de gás em um líquido, compreendendo dois ou mais bicos anulares, um depois do outro na direção de fluxo. os bicos são angulados para dar uma restrição na direção de fluxo, e cada bico sobrepõe o bico seguinte. cada bico tem uma ou mais aberturas para o suprimento de gás na sobreposição.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para UNIDADE DE BICO PARA UMA DISTRIBUIÇÃO DE GÁS EM UM LÍQUIDO.
[001] A presente invenção refere-se a uma unidade de bico para a distribuição de gás em um líquido.
[002] A presente invenção é um arranjo para aumentar a capacidade para dissolver um gás em um líquido, por exemplo para dissolução de oxigênio em água em um cone de oxigenação sob pressão. O cone de oxigenação pressurizada pode, por exemplo, ser montado em uma incubadora de peixe.
[003] Em incubadoras é importante que o teor de oxigênio dissolvido na água seja mantido alto. Os bicos usados hoje não são capazes de dar um nível suficiente de oxigênio dissolvido. Pelo fato da solubilidade de gases na água ser reduzida com o aumento da temperatura embora a necessidade de oxigênio do peixe esteja aumentando em altas temperaturas, existe uma necessidade particularmente grande por oxigênio em períodos quentes. Aumentar a capacidade de dissolventes de oxigênio é, por conseguinte, altamente útil para o criador de peixe. Além disso, a maioria de incubadoras de peixe produz mais peixe por litro de água do que foi originalmente dimensionada a instalação. A quantidade de água é, por conseguinte, um fator limitante da instalação. Uma melhor utilização da água, um maior consumo do oxigênio e uma aperfeiçoada capacidade de dissolver são, por conseguinte, requeridos.
[004] A maioria das incubadoras usa dissolventes de oxigênio pressurizado com uma pressão de operação de 1 - 4 bar. Através de pequenas quantidades de água, é normal deixar todo o fluxo de água ir através do dissolvente, porém existe mais comumente uma saída levando uma parte do fluxo da tubulação principal a uma bomba reforçadora que pressuriza o dissolvente. A água oxigenada é depois disso
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2/10 levada de volta à tubulação principal onde é misturada com água não tratada. A maioria de sistemas de dissolução tem uma eficiência perto de 100% usando aproximadamente de 1,8 - 2,0 kWh de O2 por quilo em dose máxima, dependendo da escolha da bomba. Injetores em combinação com dissolventes de O2 pressurizados não são comuns na Noruega. Os injetores que foram usados têm dado um aumento relativamente pequeno na capacidade, uma grande perda de pressão, e um consumo aumentado de energia.
[005] A patente US 5935490 descreve um aparelho para dissolver um gás em uma corrente de fluido. O aparelho tem um corpo anular disposto para definir uma válvula reguladora na corrente de fluido. O corpo tem uma pluralidade de aberturas faceando para dentro em comunicação com um suprimento de gás pressurizado. Cada uma das aberturas define um ponto de injeção localizado para o gás pressurizado na corrente de fluido. O corpo anular tem uma área seccional transversal progressivamente reduzida, de modo que os diferenciais de velocidade e pressão resultantes intensificam dissolução de gás no fluido.
[006] As impurezas na água podem causar entupimento dos canais para o suprimento de gás, especialmente quando em suprimento de pequenas quantidades de gás ou em baixa pressão de gás. A diminuição da área seccional transversal das aberturas para o suprimento de gás resulta em que a energia de pressão é convertida em energia cinética. A pressão de água (contra-pressão para a pressão de gás) ficará, por conseguinte, na área mais baixa da seção transversal menor. Em instalações a jusante e horizontais, a diferença de pressão será considerável e resulta na emanação de gás principal mente através dos canais na menor área seccional transversal.
[007] A patente FR 2301289 descreve uma mistura de dois fluidos, onde um fluido flui como um filme e o outro na conformação de
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3/10 uma pluralidade de jatos. Os jatos entram em contato com o primeiro fluido em um ângulo e uma pressão dependendo das propriedades dos fluidos, e em tal ângulo que o segundo fluido é disperso no primeiro fluido. O filme do primeiro fluido pode ser cilíndrico ou cônico.
[008] De acordo com a presente invenção, as pontas dos bicos apontam para baixo na direção do fluxo e as pontas dos bicos cobrem as aberturas de suprimento de gás. Isso reduz o perigo de entupimento das aberturas devido às impurezas na água.
[009] Cada bico envolve a área seccional transversal e irá, por conseguinte, dar uma área maior para suprimento de gás. A área maior para suprimento de gás faz com que a pressão de gás e pressão de água no ponto de suprimento seja aproximadamente igual, e isso e os bicos de ponta fazem com que muito poucas bolhas de gás sejam geradas. Bolhas pequenas têm uma grande superfície com relação à massa e irão dar, por conseguinte, um transporte de massa relativamente rápido de gás para líquido.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO [0010] A presente invenção refere-se a uma unidade de bico para dispersão de gás em um líquido, compreendendo dois ou mais bicos anulares dispostos um depois do outro na direção de fluxo. Os bicos são angulados para dar uma passagem estreitando na direção de fluxo e cada bico está sobrepondo o bico seguinte. Cada bico tem uma ou mais aberturas para o suprimento de gás na sobreposição.
[0011] A unidade de bico pode ser disposta em uma tubulação e no lado de trás do bico pode haver um espaço anular para o suprimento do gás que é aberto para as aberturas. Do espaço anular e fora através da parede da tubulação pode haver um ou mais orifícios para um bocal para suprimento de gás. Quando em instalação, em uma tubulação, pode haver no interior da tubulação um estreitamento da circunferência interna da tubulação e esse estreitamento pode ser arrePetição 870180165395, de 19/12/2018, pág. 7/21
4/10 dondado. O lado interno da tubulação pode ser expandido de volta ao diâmetro original da tubulação no lado da saída. Em cada unidade de bico, podem estar dispostos um ou mais saídos para medição da pressão estática e uma ou mais saídas para medição da pressão dinâmica.
DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0012] A Figura 1 mostra uma vista principal do arranjo da presente invenção na entrada para os cones de oxigenação.
[0013] As Figuras 2a e 2b mostram a unidade de bico disposta em uma tubulação com uma peça de entrada para a unidade de tubulação e uma peça de saída, respectivamente.
[0014] A Figura 3 mostra detalhes da unidade de bico em um arranjo de tubulação de acordo com a Figura 2a.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [0015] A presente invenção refere-se a uma unidade de bico para a injeção de gás em um fluxo de líquido. O arranjo pode por exemplo, ser montado em qualquer tubulação transportando líquido e com uma necessidade para o suprimento de gás, por exemplo, no suprimento de tubulação para uma bacia para a criação de peixe, na tubulação depois de uma bomba de circulação em um barco para transporte de peixe vivo, na tubulação depois de uma bomba de circulação para veículos para transporte de peixe vivo, na tubulação depois de uma bomba de circulação em um contêiner ou outro arranjo para o transporte de peixe vivo, ou em dissolventes pressurizados para aumentar a capacidade de oxigenação.
[0016] Uma parte da quantia de água total fornecida a uma instalação ou uma seção de água é pressurizada com bombas ou pressão de cabeçote e é guiada através do cone de oxigenação. Essa parte do fluxo é “superoxigenada”, isto é, o oxigênio é adicionado sob pressão de modo que a água obtém várias centenas por cento de saturação como comparado ao equilíbrio atmosférico. Essa água é guiada de vol
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5/10 ta e misturada outra vez com a corrente principal e depois disso guiada para fora para distribuição para cada bacia. O teor de oxigênio na corrente de água principal estará dentro da área de tolerância do peixe para o teor de oxigênio na água e o teor pode ser reduzido de acordo com a necessidade do peixe.
[0017] Quando a água é posta sob pressão a solubilidade de gases aumentará. Isso é o fundamento principal para dissolução de oxigênio em um cone. O cone tem uma conformação cônica. Água e oxigênio são adicionados na tubulação de entrada o qual guia para o topo do cone. A velocidade do fluxo da água é reduzida para baixo no cone conforme a seção transversal aumenta. Algum oxigênio irá dissolver rapidamente e algum oxigênio formará bolhas na água. A flutuabilidade das bolhas de oxigênio na água será superada pelo fluxo descendente da água. As bolhas de oxigênio estarão paradas no fluxo da água no cone e se dissolvem depois de algum tempo. Algum oxigênio irá formar bolhas tão grandes que elas ascenderão ao topo do cone e formarão uma almofada de gás sobre a superfície da água. A água com oxigênio dissolvido irá fluir para baixo no cone e fora da saída no fundo. Dessa forma a água descarregada irá conter somente oxigênio dissolvido e não oxigênio da forma de bolhas. No topo do cone estará parado um volume de gás de oxigênio não dissolvido. Esse volume dependerá da quantidade de oxigênio sendo adicionado à água e a quantidade que é dissolvida e que segue o fluxo de água fora do cone. O volume de gás no topo do cone usualmente não irá exceder um terço do peso entre a entrada e a saída do cone.
[0018] Já que a solubilidade de gases na água é reduzida em temperaturas aumentadas embora a necessidade de oxigênio em peixe aumente em temperaturas em elevação, existe uma particularmente grande necessidade por oxigênio em períodos quentes. A habilidade para aumentar a capacidade de dissolventes de oxigênio é, por conPetição 870180165395, de 19/12/2018, pág. 9/21
6/10 seguinte, muito útil para um criador de peixe. Além disso, a maioria das incubadoras de peixe produz mais peixe por litro de água do que a instalação foi dimensionada. A quantia de água é, por conseguinte, muitas vezes um fator limitante da instalação. Isso requer um uso aperfeiçoado da água, um maior consumo de oxigênio e uma capacidade de dissolução aperfeiçoada.
[0019] Um cone de oxigênio sem uma unidade de bico de acordo com a invenção tem uma capacidade de dissolução de 52% da teoricamente possível dissolução. A razão de dissolução do cone de acordo com a presente invenção é mais do que 99%, significando que 99% do oxigênio é dissolvido antes de fluir fora do cone e dentro da grade da tubulação. Essas figuras assumem que o cone é operado dentro da sua faixa com respeito à pressão, ao fluxo da água e ao fluxo de gás.
[0020] A unidade de bico de acordo com a presente invenção compreende dois ou mais bicos anulares dispostos um depois do outro na direção do fluxo. Os bicos são angulados para dar uma passagem de estreitamento na direção do fluxo e cada bico está sobrepondo o bico seguinte. Cada bico tem uma ou mais aberturas para o suprimento de gás na sobreposição. O bico pode ter um nariz na sobreposição, e esse nariz preferivelmente tem um ângulo entre de 3° a 45°, mais preferivelmente 33°. Os bicos podem ser feitos de qualquer material, mas preferivelmente de polioximetileno (POM).
[0021] Em uma modalidade a unidade de bico está disposta em uma tubulação. A tubulação pode ser feita de qualquer material, mas preferivelmente de polietileno de alta densidade (PEAD). No lado de trás do bico pode haver um espaço anular para o suprimento de gás que é aberto para as aberturas. Do espaço anular e fora através da parede da tubulação pode haver um ou mais orifícios para um bocal para o suprimento de gás. Na instalação na tubulação pode haver no interior da tubulação um estreitamento da circunferência interna da tu
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7/10 bulação, e o ângulo do estreitamento da peça de entrada pode ser de 5o a 15°, preferivelmente 9o. Esse estreitamento pode ser redondo. O interior da tubulação pode ser expandido para o diâmetro original da tubulação no lado de saída, e o estreitamento na unidade de saída é de 2o a 15°, preferivelmente 4o. Na unidade de bico pode ter disposta uma ou mais saídas para medição de pressão estática e uma ou mais saídas para medição de pressão dinâmica.
[0022] Em uma modalidade da presente unidade de bico uma saída para a medição das pressões estática e dinâmica é disposta a fim de controlar a quantia de água. Essas saídas podem ser contatadas para um calibre de pressão diferencial e/ou através de sensores de pressão para um display digital e/ou para um computador para mostrar e monitorar.
[0023] Em uma modalidade a presente unidade tem um dispositivo de reciclagem baseado no princípio do injetor. O gás que não foi dissolvido pode ser guiado de volta para unidade por meio de uma pressão diferencial. Em aplicação onde a reciclagem não é relevante, o gás pode ser guiado através de bicos de reciclagem e, desse modo aumentam a área de suprimento de gás.
[0024] Um aspecto que distingue a unidade de injetores conhecidos é de bicos de ponta com saídas na direção do fluxo que podem gerar bolhas muito pequenas também como uma conseqüência do alto número de bicos/área grande. Uma outra vantagem da presente unidade de bico é baixa perda de pressão/consumo de energia. A unidade é montada horizontal mente e dimensionada para 1000 litros/minuto e é adaptada para um cone AGA de 60 m3/h com a pressão de operação de 3,8 bar, dando uma queda de pressão medida sobre a unidade, sem dosar o oxigênio de 83 mbar (0,08 bar). Uma dose de oxigênio de
8,2 kg/h resultou em uma perda de pressão de 103 mbar (0,10 bar). Com a unidade de bico de acordo com a presente invenção o dimensi
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8/10 onamento da taxa de fluxo de água do cone pode ser aumentado com 25% e ainda mantém um grau de efetividade próximo de 100%.
[0025] A unidade de bico de acordo com a presente invenção tem rebordos na canalização que entra no cone. Com referência às figuras 2a, 2b e 3, a presente unidade é uma tubulação (d) da mesma dimensão que a tubulação original que leva para o cone. O comprimento da unidade depende do tamanho do cone. No interior 4 da tubulação existe um estreitamento 1 com uma passagem livre de 56% da área total da tubulação, o estreitamento 1 sendo arredondado para reduzir a perda de pressão pelo fato de não fazer turbulência. O estreitamento então volta 7, 8, 9 na direção do fluxo para a passagem livre original em um ângulo 10. Na entrada da seção há uma ou mais saídas para medição de pressão estática 2 e uma ou mais saídas para medição de pressão dinâmica 3 para medir a diferença em pressão e para calcular a taxa de fluxo da água. Pode existir um ou mais bicos 5, preferivelmente entre 5 e 15, mais preferivelmente 10. Cada bico tem uma ou mais aberturas (b) para o suprimento de gás na sobreposição. Existem dois orifícios 6 na unidade para o suprimento de “novo” oxigênio e dois orifícios 6 para gás reciclado do topo do cone. Os bicos são projetados para serem dispostos faceando um ao outro e são angulados como um estreitamento (a) com respeito à direção do fluxo. Isso é feito de modo que o fluxo de água seja guiado em direção ao próximo bico e arraste a bolha de oxigênio. Cada bico é apontado com um ângulo (e) em direção ao próximo bico. Isso é feito para obter pequenas bolhas que são facilmente destacadas da borda. No lado de trás dos bicos em direção à parede de tubulação (d) existe um espaço anular (c) e um orifício 6 para um bocal. Aqui o oxigênio é adicionado e é distribuído para os bicos. O suprimento de oxigênio do arranjo de reciclagem é adicionado através de um tubo que é fixado à parede de ventilação no topo do cone. O sistema é disposto de modo que quando a pressão estática
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9/10 é transformada para energia cinética no estreitamento no arranjo de bico de acordo com a invenção, haverá uma queda de pressão no arranjo de bico. Haverá uma pressão descendente, e o gás da bolsa de gás no cone será pressionado de volta no fluxo da água através da unidade de bico.
[0026] A tecnologia em apoio ao arranjo de bico é para utilizar diferenças em pressão para reciclar gás do volume de gás no topo do cone de volta na entrada de água que reentra no cone. Testes mostram que o uso de um arranjo de bico de acordo com a invenção leva a um aumento de 50% na capacidade do cone, isto é, dá uma capacidade de cerca de 78% de capacidade teórica. Já que a maioria de cones pressurizam a água por meio de bombas, a economia de energia é uma importante vantagem. Com a presente invenção, a quantidade de energia dissolvida é aumentada para o mesmo nível do consumo de energia ou a capacidade de dissolução pode ser mantida em um consumo de energia inferior.
[0027] O sistema é disposto de modo que quando a pressão estática é transformada em energia cinética no estreitamento no arranjo de bico de acordo com a invenção, haverá uma queda de pressão no arranjo de bico. Haverá uma pressão descendente e o gás da bolsa de gás no cone será forçado de volta no fluxo da água através da unidade de bico. Por exemplo, em 1000 l/min de água que flui com uma velocidade de 2 m/s através da tubulação adiante da unidade de bico e com uma pressão de 3,6 bar, a velocidade do fluxo da água no ponto onde o oxigênio reciclado é suprido será de 8 m/s e a pressão será de 3,2 bar. O cone tem uma pressão de 3,8 bar, isto é a diferença em pressão é de 0,6 bar. O oxigênio será forçado para cima e faz novo contato com a água e desse modo aumenta o transporte de massa e a capacidade de oxigenação.
EXEMPLO:
Petição 870180165395, de 19/12/2018, pág. 13/21
10/10 [0028] A técnica em apoio ao arranjo de bico é para utilizar diferenças de pressão para reciclar gás do volume de gás no topo do cone de volta para a entrada de água que está reentrando no cone. Na base de um cone tendo uma capacidade de 60 m3/h de água, a pressão de
3,8 bar e a temperatura de 10°C pode ser dosada uma quantidade de 6,25 kg/h de oxigênio. Testes têm sido feitos no centro de testes AGA no cone com a taxa de fluxo e pressão como descrito. Os testes mostram que o uso do arranjo de bico de acordo com a invenção aumenta a capacidade do cone com até 9,7 kg, isto é, um aumento de 50%, o que dá uma capacidade de cerca de 78% de capacidade teórica. Uma incubadora que tenha que aumentar sua capacidade de oxigenação de 2 para 3 cones pode escolher instalar a presente invenção nos seus cones e desse modo obter a mesma capacidade total. Além disso, o consumo de energia por quilo de oxigênio dissolvido é substancialmente reduzido.

Claims (14)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Unidade de bico para a distribuição de um gás em um líquido, caracterizado pelo fato de que compreende dois ou mais bicos anulares (5) um depois do outro na direção de fluxo, onde os bicos (5) são angulados para dar um estreitamento (1) de passagem (a) na direção do fluxo, onde cada bico (5) sobrepõe o bico seguinte, onde cada bico (5) tem uma ou mais aberturas (b) para o suprimento de gás na sobreposição.
  2. 2. Unidade de bico de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a unidade de bico (5) é disposta em uma tubulação (d).
  3. 3. Unidade de bico de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que na parte de trás dos bicos (5) existe um espaço anular (c) para o suprimento de gás que é aberto em direção às aberturas (b).
  4. 4. Unidade de bico de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que do espaço anular (c) e fora através da parede da tubulação (d) existe um ou mais orifícios para um bocal para o suprimento de gás.
  5. 5. Unidade de bico de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que no interior da tubulação (d) existe um estreitamento (1) da circunferência interna da tubulação (d).
  6. 6. Unidade de bico de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que o estreitamento (1) no lado de entrada é arredondado.
  7. 7. Unidade de bico de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o interior da tubulação (d) é expandido na saída da parte de trás para o diâmetro original da tubulação (d).
  8. 8. Unidade de bico de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a seção de entrada tem uma ou mais saídas
    Petição 870180165395, de 19/12/2018, pág. 15/21
    2/2 para medição de pressão estática e uma ou mais saídas para a medição de pressão cinética.
  9. 9. Unidade de bico de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que existem preferencialmente entre 5 e 15 bicos anulares (5), mais preferivelmente 10 bicos (5).
  10. 10. Unidade de bico de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que o ângulo do estreitamento (1) na seção de entrada é entre 5o e 15°, preferivelmente 9o.
  11. 11. Unidade de bico de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a sobreposição de um bico (5) com o bico (5) seguinte é conformado para formar uma borda, e que o ângulo da borda do bico (5) é entre 3o e 45°, preferivelmente 33°.
  12. 12. Unidade de bico de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que o ângulo do estreitamento (1) na seção de saída é entre 2o e 15°, preferivelmente 4o.
  13. 13. Unidade de bico de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que os bicos (5) podem ser de qualquer material, porém preferivelmente de polioximetileno.
  14. 14. Unidade de bico de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que a tubulação (d) onde os bicos (5) estão dispostos pode ser de qualquer material, porém preferivelmente de polietileno de alta densidade.
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