BRPI0610861A2 - método e bocal para atomização de fluido e sistema para mistura de uréia lìquida ou fluido - Google Patents

Abstract

A presente invenção refere-se a um método para atomização de um ou mais fluidos. Várias concretizações da invenção têm svdo descritas, em que uma ou mais correntes fluidas escoam de modo que a colisão da(s) corrente(s) fluida(s) ocorre, cuja colisão proporciona atomização do fluido. Vários dispositivos e métodos para prover a atomização foram descritos, onde pelo menos alguns destes fornecem uma grande dimensão entre a quantidade máxima e mínima de fluido sendo atomizada. As correntes fluidas podem ter, por exemplo, uma seção transversal de ordem de 0,1 mm, antes da colisão, e as gotículas resultantes, após colisão, pode ter uma seção transversal da ordem de 0,01 mm.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO EBOCAL PARA ATOMIZAÇÃO DE FLUIDO E SISTEMA PARA MISTURADE URÉIA LÍQUIDA OU FLUIDO".

A presente invenção refere-se à atomização de fluidos e, emparticular, à atomização de fluidos descarregados de um bocal.

Antecedentes da Invenção

A atomização de fluidos é conduzida, por exemplo, por misturade um fluido a ser atomizado com um gás. O uso de um gás para atomiza-ção leva inevitavelmente à introdução desse gás na corrente de fluido atomi-zado, e, em muitas implementações práticas, tal como uma mistura de flui-dos, é altamente indesejável. Com relação a um dos aspectos, a presenteinvenção refere-se à atomização de uréia, atomização previamente conduzidapor uso de ar pressurizado. Com relação a isso, verificou-se que a presença dear vai iniciar o crescimento de cristais, que tendem a bloquear as passagens deescoamento. Uma outra desvantagem é o grande consumo de ar.

Sumário da Invenção

Um objetivo da presente invenção é atomizar um ou mais flui-dos, de preferência, líquidos, estando na forma de uma ou mais correntesfluidas. Esse objetivo foi satisfeito por vários aspectos e concretizações pre-feridas da invenção, por meio dos quais uma ou mais correntes fluidas esco-am de modo que a colisão da uma ou mais correntes fluidas ocorre, cujacolisão proporciona atomização do fluido. Por atomização, quer-se mencio-nar que as correntes fluidas são decompostas em unidades menores, taiscomo gotículas. As correntes fluidas podem ter, por exemplo, uma seçãotransversal da ordem de 0,1 mm, antes da colisão, e as gotículas resultan-tes, após colisão entre as correntes fluidas, pode ter uma seção transversalda ordem de 0,01 mm. No entanto, ambos os valores menor e maior dasdimensões descritas são possíveis dentro do âmbito da invenção.

Por fluido, quer-se mencionar um líquido ou um gás. No entanto,as concretizações de acordo com a presente invenção também podem serusadas para decompor as partículas sólidas em partículas menores. Paraessas concretizações, "corrente fluida" deve ser entendida como incluindo osignificado de uma "corrente de partículas sólidas", que vão ser decompos-tas em unidades menores.

A presente invenção se refere, em um primeiro aspecto, a ummétodo para atomização de um ou mais fluidos, o método compreendendoconduzir o um ou mais fluidos pressurizados por uma ou mais saídas, cadauma delas tendo uma orientação de modo que as correntes fluidas, descar-regadas de uma ou mais saídas, colidam entre si a uma distância da uma oumais saídas, de modo a proporcionar uma atomização do fluido. Deve-senotar que esse termo também cobre uma saída gerando uma corrente fluida,que é cônica e se afunila na direção a jusante, de modo que a corrente defluido escoando pela saída colida.

De preferência, a uma ou mais saídas são conectadas a um sis-tema de escoamento, compreendendo uma ou mais válvulas de passagem.

O fluido é preferivelmente levado por uma ou mais saídas inter-mitentemente, de uma maneira pulsante, de modo contínuo ou em umacombinação deles. Isso tem a vantagem de que a quantidade de fluido ato-mizado pode ser facilmente controlada.

Em uma concretização preferida, a condução de fluido intermi-tente e/ou pulsante pela uma ou mais saídas é propiciada por abertura e fe-chamento da uma ou mais válvulas de passagem.

O fluido é, de preferência, levado pela uma ou mais saídas deuma maneira sincronizada, pois isso pode garantir colisão e, desse modo,atomização.

De preferência, as correntes fluidas colidindo entre si têm subs-tancialmente a mesma energia cinética, pois isso pode garantir uma asper-são de fluido atomizado que não fica assimétrico. Adicionalmente ou emcombinação com isso, as correntes fluidas colidindo entre si têm, de prefe-rência, substancialmente as mesmas vazão mássica e velocidade.

Nas concretizações preferidas da invenção, pelo menos duascorrentes fluidas saindo de uma ou mais saídas escoam em um plano. Issopode proporcionar uma atomização eficaz, na medida em que as correntesfluidas podem colidir entre si centralmente.O método de acordo com a presente invenção pode compreen-der, de preferência, a condução de fluido pressurizado por algumas ou todasas saídas de uma pluralidade de saídas, tais como quatro, cinco, seis, sete,oito, nove, dez ou mais saídas, de uma maneira tal que a quantidade de flui-do atomizado é variada por condução do fluido por algumas ou todas as saí-das. Desse modo, o controle da quantidade de fluido atomizado pode sercontrolada.

A uma ou mais saídas são dispostas, de preferência, de modoque pelo menos duas aspersões atomizadas são proporcionadas. As pelomenos duas aspersões são preferivelmente proporcionadas pela orientaçãodas saídas, de modo que se desloquem em direções sendo paralelas oucruzadas.

Em uma concretização preferida particular da invenção, a atomi-zação é conduzida em um sistema de descarga de um motor a combustão,sendo, de preferência, um motor a combustão a diesel ou uma turbina a gáse, nesse caso, o fluido a ser atomizado é preferivelmente uréia.

A atomização da uréia resulta em uma melhor mistura da uréiacom o gás de descarga do que quando a uréia é fornecida em outras formas,tal como em uma corrente ou como gotículas maiores. A atomização indicaque a reação química entre a uréia e os gases de NOx pode ser aperfeiçoa-da, e a descarga dos gases de NOx para o meio ambiente pode ser assimminimizada.

O primeiro aspecto da invenção é conduzido vantajosamente porum ou mais bocais de acordo com o segundo aspecto da invenção.

A presente invenção se refere, em um segundo aspecto, a umbocal para atomização de uma ou mais correntes fluidas, o dito bocal com-preendendo uma entrada e uma ou mais saídas, a dita uma ou mais saídassendo dispostas de modo que uma ou mais correntes fluidas, descarregadasde uma ou mais saídas, colidam. Deve-se notar que esse termo tambémcobre uma saída gerando uma corrente fluida, que é cônica e afunilada nadireção a jusante, de modo que as correntes de fluido escoando pelas saí-das colidam. As correntes fluidas podem ser fornecidas de uma ou mais li-nhas de fluido, e um ou mais dos fluidos podem ser pressurizados. Pode seruma finalidade adicional da colisão entre as correntes fluidas que elas pos-sam ser misturadas, durante ou após a atomização.

De acordo com as concretizações preferidas, o bocal pode com-preender pelo menos duas saídas, que são dispostas de modo que as cor-rentes fluidas, descarregadas de uma ou mais saídas, colidam com corren-tes fluidas, descarregadas de outra das saídas. Alternativamente, o bocalpode compreender pelo menos três, tal como pelo menos quatro, tal comopelo menos cinco saídas, tal como pelo menos seis saídas.

Todas as saídas são preferivelmente conectadas à entrada porcanais de escoamento intermediários, que dividem e conduzem o fluido en-trando no bocal para a saída. De preferência, os canais de escoamento in-termediários conduzem e dividem o fluido para as saídas de uma maneirasubstancialmente uniforme.

As seções transversais dos canais de escoamento podem terqualquer forma, tal como circular ou quadrada. Além do mais, a seção trans-versal pode ser igual ao longo de todo a rota de escoamento, ou pode variarem forma e/ou tamanho. A seção transversal dos canais de escoamento po-de ser projetada para estabelecer um acúmulo de pressão no fluido, por ter aárea da seção transversal dos canais de escoamento total maior na entradado bocal do que na extremidade do bocal.

As saídas são dispostas preferivelmente de modo que as corren-tes fluidas, descarregadas de pelo menos duas saídas, colidam entre si a umângulo de entre 30 e 100°, tal como entre 70 e 95°, de preferência, 90°. Noentanto, todos os ângulos que garantem colisão das correntes fluidas sãopossíveis dentro do âmbito da invenção. Os ângulos podem ser iguais paratodos os canais de escoamento de saída de um bocal, mas os canais deescoamento de saída também podem ser dispostos de modo que algumascorrentes fluidas colidam a um ângulo e outras colidam a pelo menos maisum ângulo. Além do mais, os ângulos podem ser fixos ou variáveis, com umângulo variável sendo, por exemplo, estabelecido por fazer com que o bocalcompreenda meios de fechamento, pelos quais alguns dos canais de esco-amento de saída possam ser bloqueados.

A uma ou mais saídas são preferivelmente definidas pela termi-nação de um furo definindo um canal de escoamento de saída em comuni-cação fluida com a entrada. Esses canais de escoamento podem ser, depreferência, conectados à entrada pelos canais de escoamento intermediá-rios, ou a uma cavidade do bocal, a cavidade estando em comunicação flui-da com o canal de entrada.

De preferência, a área da seção transversal das correntes flui-das descarregadas das saídas é na faixa de 0,005 a 0,05 mm2, tal como nafaixa de 0,01 a 0,03 mm2, de preferência, 0,02 mm2.

Em uma concretização preferida, o bocal compreende pelo me-nos quatro saídas, em que duas das saídas são dispostas de modo que ofluido descarregado delas colida a um primeiro ângulo, e em que duas outrassaídas sejam dispostas de modo que o fluido descarregado delas colida aum segundo ângulo, os primeiro e segundo ângulos sendo diferentes entresi. No entanto, o bocal pode compreender qualquer número de canais deescoamento, de modo que as correntes fluidas, descarregadas dele, colidamem forma de pares, ou em grupos de três ou mais, a qualquer número deângulos.

Em outra concretização preferida, a uma ou mais saídas com-preendem uma ranhura disposta de modo que o fluido, saindo do bocal, saiaem uma corrente fluida tendo uma forma cônica se afunilando na direção dacorrente. A ranhura pode ser proporcionada como um furo cônico e um ele-mento cônico correspondente disposto dentro do furo. O elemento cônicopode ser disposto ajustavelmente de modo que a posição longitudinal doelemento possa ser ajustada, com o que o tamanho da ranhura pode serajustado. Isso propicia a possibilidade de ajuste da quantidade de fluxo sain-do do bocal. O elemento pode compreender ainda canais de escoamento desaída adicionais.

De preferência, o bocal de acordo com a presente invenção po-de compreender meios de filtração e/ou aquecimento. Esses meios podemser usados para filtrar e/ou aquecer um ou mais fluidos sendo conduzidospelo bocal.

O bocal de acordo com a presente invenção pode compreenderainda um ou mais meios de válvulas. Esses meios de válvulas podem seradaptados para interromper o fluxo por uma ou mais saídas, de modo a con-trolar a quantidade de fluido sendo atomizada e/ou interromper completa-mente o escoamento de fluido pelo bocal. Desse modo, um escoamento pul-sante e/ou intermitente pelo bocal pode ser proporcionado.

De acordo com um terceiro aspecto da presente invenção, umsistema para mistura de uréia líquida com os gases de descarga, de um mo-tor a combustão ou uma turbina a gás, é proporcionado. Nas concretizaçõesde acordo com esse aspecto, a uréia é adicionada e atomizada dentro dosgases de descarga, por uso de um bocal como descrito acima.

Em uma concretização da invenção, o bocal pode ser dispostono centro de um tubo de um sistema de descarga de um motor a combustãoou uma turbina a gás. Em outra concretização, uma pluralidade de bocaispode ser distribuída circunferencialmente ao longo da parede de um tubo deum sistema de descarga de um motor a combustão. O um ou mais bocaispodem ser dispostos de modo a transferir fluido atomizado, em uma formade corrente ou em qualquer outra direção dos gases de descarga, tal comoperpendicular à direção em forma de forma de corrente. O um ou mais bo-cais podem ser colocados em qualquer posição com relação ao tubo de umsistema de descarga dentro do âmbito da invenção.

Breve Descrição dos Desenhos

A seguir, as concretizações preferidas da presente invenção vãoser descritas em detalhes, em conjunto com as figuras em anexo, em que:

a figura 1 mostra esquematicamente o princípio geral da atomi-zação de um fluido por deixar que duas correntes de fluido colidam entre si;

a figura 2 mostra esquematicamente uma concretização da pre-sente invenção na qual duas correntes colidentes de fluido entre si são pro-porcionadas por dois bocais separados;

a figura 3 mostra esquematicamente uma vista em seção trans-versal de uma concretização da presente invenção, na qual duas correntescolidentes de fluido entre si são proporcionadas por um único bocal;

as figuras 4a e 4b mostram esquematicamente duas correntescolidentes de fluido entre si, durante condições de escoamento intermitente;

a figura 5 mostra esquematicamente outra concretização da in-venção, na qual o fluido escoa por mais de dois canais;

a figura 6 mostra diferentes posições possíveis das saídas doscanais de escoamento, na extremidade de saída do bocal; a vista é na dire-ção da extremidade de saída dos bocais, de acordo com diferentes concreti-zações da invenção;

a figura 7 mostra esquematicamente uma concretização da in-venção, na qual as correntes fluidas colidem entre si a diferentes distânciasda superfície da extremidade de saída do bocal;

a figura 8 mostra esquematicamente uma concretização da in-venção, na qual a saída é proporcionada como uma ranhura anular; e

a figura 9 mostra esquematicamente uma possível aplicação dainvenção, que é usada para atomizaçao de uréia adicionada ao gás de des-carga de um motor a combustão ou uma turbina a gás.Descrição Detalhada das Concretizações Preferidas

A figura 1 mostra esquematicamente o princípio geral da atomi-zação de um fluido por deixar que duas correntes de fluido colidam entre si.

De acordo com o princípio geral, o fluido é dividido em várias correntes - noexemplo mostrado na figura 1 em duas correntes - cada uma delas tendouma determinada energia cinética. A quantidade de energia cinética propici-ada às correntes é tal que quando as correntes colidem entre si em condi-ções nas quais existem componentes de velocidade dirigidos substancial-mente opostos das correntes, as correntes vão ser quebradas em uma as-persão tendo um pequeno tamanho de gotícula, mostrado como pontos nasfiguras. Isso é, no presente contexto, referido como atomizaçao. É essencialque o processo de atomizaçao de cada corrente de fluido "toque" no outrocentralmente, por exemplo, no exemplo da figura 1 que as duas correntes defluido estão dentro do plano, se há desejo de proporcionar a melhor atomi-zaçao possível. Além do mais, um equilíbrio entre a vazão e a velocidadedas correntes deve haver, para proporcionar uma aspersão que não sejaassimétrica.

A grandeza dos componentes de velocidade dirigidos opostosdepende, entre outros fatores, no ângulo entre as correntes fluidas. Se o ân-guio for pequeno, por exemplo, 60°, a atomização da corrente fluida é menore a aspersão resultante vai ter uma velocidade substancial na direção dasoma do vetor das velocidades das correntes fluidas. Se o ângulo for gran-de, por exemplo, 120e, pequenas gotículas são arremessadas a montante,na direção da corrente fluida - isso é indicado na figura 1. No caso das cor-rentes fluidas serem proporcionadas por um bocal, o retorno do que é arre-messado pode resultar na deposição de fluido no bocal, como filme fluidoe/ou gotículas.

A figura 2 mostra esquematicamente o cenário descrito em con-junto com a figura 1, em que duas correntes fluidas são proporcionadas pordois bocais separados, mas similares, tais como idênticos, 1. Os dois bocaissão supridos com fluido de uma fonte pressurizada (não mostrada), em queé mais fácil garantir que os dois bocais 1 proporcionam correntes fluidastendo vazões mássicas similares, tais como iguais, com velocidades simila-res, tais como iguais.

A figura 3 mostra esquematicamente o princípio geral de atomi-zação de um fluido por condução do escoamento de fluido pelos dois canais,dispostos de modo que as correntes fluidas de saída colidam entre si, com oque o fluido é atomizado. O fluido é ilustrado como sendo fornecido de umalinha de fluido, que é, tipicamente, pressurizada. No entanto, a invençãotambém pode ser usada para atomizar e, ao mesmo tempo, misturar dois oumais diferentes fluidos conduzidos para o bocal de diferentes suprimentos defluido.

Com referência à figura 3, o bocal 1 compreende um canal deentrada 2, pelo qual o fluido a ser atomizado é alimentado ao bocal 1. O ca-nal de entrada 2 se bifurca na posição a na figura 3 para dois canais de es-coamento intermediários 3a e 3b, conduzindo o fluido para dois distintos ca-nais de escoamento de saída 4a e 4b. Os canais 2, 3 e 4 constituem os ca-nais de escoamento definindo uma rota de escoamento, da entrada 5 do bo-cal 1 para as saídas 6a e 6b do bocal. Como mostrado na figura 3, os canaisde escoamento de saída 4a e 4b são continuações dos canais de escoa-mento intermediários 3a e 3b. Os canais de escoamento de saída 4a e 4bsão de acordo com a presente invenção, em geral, definidos como canais deescoamento proporcionando as correntes de direções do fluido, de modo afazer com que colidam entre si.

Como discutido acima, um equilíbrio entre as duas correntesfluidas deve existir para proporcionar uma aspersão não sendo assimétrica.

Para garantir que nas concretizações, como aquela descrita na figura 3, aresistência ao escoamento, entre o ponto de bifurcação a e as saídas 6a e6b, e as suas dimensões, respectivamente, sejam feitas igualmente grandespara as duas rotas de escoamento. Desse modo, as velocidade e vazãomássica para as duas correntes fluidas vão ficar similares, tais como iguais.

O fluido deixando as saídas 6a e 6b é indicado na figura 3 comlinhas finas e é indicado que o fluido colide a uma distância do bocal, cujacolisão resulta em uma atomização, como indicado por uma nuvem pontilha-da em forma de leque estendendo-se basicamente na direção a jusante.

As seções transversais dos canais de escoamento dentro dobocal podem ter qualquer forma, que pode ser relacionada com o processode produção eficaz usado para produzir o bocal. A seção transversal é prefe-rivelmente circular e as dimensões mencionadas a seguir se referem entãoao diâmetro da seção transversal. Para outras formas, as dimensões se refe-rem a uma medida característica, tal como o comprimento lateral de umaseção transversal quadrada.

As dimensões dos canais de escoamento 2, 3 e 4 são selecio-nadas de acordo com o uso eficaz do bocal e, desse modo, da quantidadede fluido a ser atomizado. Em uma concretização típica, as seções transver-sais dos canais são circulares com um diâmetro da ordem de 0,1 mm. Noentanto, a quantidade de fluido deixando o bocal vai ser, em grande parte,determinada pelo tamanho das saídas 6a e 6b e pela diferença de pressãopelas saídas 6a e 6b. Considera-se, portanto, que os canais 2, 3 e 4 podemter uma seção transversal maior do que a saída e proporcionar uma quanti-dade de fluido a ser atomizada sendo determinada pela diferença de pres-são pelas saídas 6a e 6b e sua área da seção transversal.

As correntes fluidas colidentes entre si devem ter, como discuti-do acima, uma energia cinética suficiente para que sejam atomizadas. Emalgumas aplicações da presente invenção, a vazão mássica sendo atomiza-da vai tipicamente variar pelo menos uma ordem de grandeza, de modo queo fluxo de massa mínimo pode ser tão baixo quanto 1% do fluxo de massamáximo. Em uma vazão mássica baixa, a energia cinética pode ser tão pe-quena que não vai ter, ou vai ocorrer muito pouca, atomização. Em particu-lar, no caso de uma vazão mássica de 1 % da máxima for suprida continua-mente ao bocal, a quantidade de energia por unidade de massa, presentenas canais de escoamento, vai ser inferior a 0,01% da quantidade de ener-gia, presente nas correntes fluidas a uma vazão mássica máxima. Essa pe-quena quantidade de energia vai ser insuficiente para atomizar o fluido. Oproblema foi resolvido pela presente invenção por proporcionar correntesfluidas sincrônicas com alta velocidade de escoamento apenas intermiten-temente (vide a figura 4). Nesse casos, pode não ser suficiente que a resis-tência ao escoamento, entre o ponto de bifurcação a e as saídas 6a e 6b, eas suas dimensões, respectivamente, sejam feitas igualmente grandes paraas duas rotas de escoamento. Para evitar a formação de grandes gotículasno início e na interrupção de um pulso de corrente fluida, pode-se, além domais, buscar garantir que as massas das suas correntes fluidas seja confi-nada, por exemplo, entre o ponto de bifurcação a e as saídas 6a e 6b (con-sultar a figura 3), sejam similares, tais como idênticas. Se não, uma das cor-rentes fluidas pode ser acelerada e desacelerada mais rápido do que a ou asoutras, e uma situação, como a mostrada na figura 4b, na qual uma extremi-dade de uma corrente fluida não é tocada por outra corrente fluida pode o-correr.

Em algumas concretizações, um ou mais bocais de acordo coma presente invenção são conectados a uma fonte de fluido pressurizada, pormeio de uma válvula, tipicamente, uma válvula magnética. Alternativamente,a válvula é incluída no bocal. A rota de escoamento entre a fonte e as saídasdo ou dos bocais é, em geral, não idealmente rígida, devido à elasticidadenos tubos, conexões, vedações, etc, e pequenas bolhas de gás presentesna rota de escoamento. Se a elasticidade for muito grande, por exemplo,devido a conexões flexíveis e maiores bolhas de gás, a pressão na rota deescoamento vão diminuir muito lentamente, na interrupção do escoamentode fluido, e o fluido vai continuar a escoar, mas com uma energia cinética tãopequena que não proporciona atomização, o que vai resultar na geração degotículas na superfície do bocal, próximo às saídas do bocal. Se a elastici-dade for maior, o escoamento vai parar rapidamente e uma subpressão vaiser criada por desaceleração, que vai ser capaz de sugar o fluido acumuladofora do bocal, de volta para o bocal, de modo que a formação de gotículas éevitada.

Alternativamente à concretização mostrada na figura 1, o canalde entrada 2 pode, em vez de compreender o ponto de bifurcação, ser cons-tituído de uma cavidade dentro do bocal, estando em comunicação fluidacom a entrada 5, por meio de um canal de entrada, similar àquele mostradona figura 3. Um exemplo dessa cavidade 2a é ilustrado na figura 8. A cavi-dade fica também em comunicação fluida com os canais de escoamento desaída, similares àqueles mostrados na figura 3.

Em uma concretização da invenção, os canais de escoamentosão proporcionados em um bloco sólido de material. Em outra concretização,os canais de escoamento são estabelecidos por união de dois ou mais ele-mentos, dos quais um ou mais contêm sulcos, que constituem os canais.

O bocal pode ser feito, por exemplo, de aço, alumínio, plásticoou cerâmica, dependendo do uso eficaz, e qualquer tipo de material é possí-vel dentro do âmbito da invenção. A seleção do material vai depender devários parâmetros, incluindo a temperatura de operação do bocal, tecnologiade produção usada para produção do bocal, resistência química contra ofluido e vazão e, desse modo, a taxa de desgaste resultante.

O ponto no qual as correntes fluidas colidem entre si é pelo me-nos determinado por dois fatores, isto é, a distância entre as saídas 6a e 6bna figura 3 e o ângulo a na figura 3. Quando os canais de escoamento desaída são de forma cilíndrica, esse ângulo vai corresponder tipicamente aosângulos entre os eixos de simetria dos respectivos canais de escoamento desaída. No entanto, os canais de escoamento de saída também podem terseções transversais variáveis ao longo da rota de escoamento, tal comosendo cônicos, com aumento ou diminuição da área da seção transversal nadireção da corrente. Quando a seção transversal de um canal de escoamen-to de saída é circular, o seu diâmetro vai corresponder ao diâmetro de umacorrente fluida sendo descarregada dele. No entanto, quando um canal deescoamento é cônico, o diâmetro na extremidade do canal de escoamentode saída vai diferir de uma corrente fluida sendo descarregada dele.

Na figura 3, o ângulo a, entre os canais de escoamento de saída4, é ilustrado como sendo aproximadamente 90°, mas outros ângulos, taiscomo 30°, 60° ou 120°, também podem ser usados. Os ângulos podem seragudos ou obtusos. Além do mais, os ângulos podem ser fixos ou variáveis.Os ângulos variáveis podem ser, por exemplo, obtidos por fazer com que obocal 1 compreenda canais de escoamento de saída 4 com diferentes ângu-los e, além do mais, compreender, meios de fechamento (não mostrados),que podem ser usados para bloquear alguns dos canais.

O bocal 1 pode compreender adicionalmente outros meios (nãomostrados), tais como meios de filtração e/ou meios de aquecimento paraaquecimento do fluido. A finalidade desse aquecimento pode ser para aper-feiçoar a atomização, mas pode ser também relacionada a um uso eficaz dofluido. Pode ser, por exemplo, desejado aquecer o fluido, se isso aperfeiçoarum processo químico entre o fluido e outro componente, tal como um gás ouum líquido.

Além do mais, o bocal 1 pode compreender uma ou mais válvu-las - ou o fluido alimentado ao bocal sendo alimentado por uma ou mais vál-vulas - adaptadas para interromper o escoamento por uma ou mais das saí-das 6. Na concretização mostrada na figura 7, compreendendo um primeiroconjunto de saídas, adaptado para atomizar o fluido a uma primeira distânciado bocal, e um segundo conjunto de saídas, adaptado para interromper oescoamento por um dos conjuntos de saídas, independentemente do esco-amento pelo outro conjunto de saídas. Desse modo, a quantidade de fluidosendo atomizada pode ser facilmente controlada.

A quantidade de fluido sendo atomizada pode ser também con-trolada por operação da ou das válvulas, para proporcionar um escoamentopulsante do fluido, e/ou por alimentação do fluido intermitentemente pelobocal. Isso pode ser feito por abertura e fechamento sucessivos da ou dasválvula, de modo a sucessivamente permitir e impedir o fluido de escoar pelobocal. A pulsação vai em muitos casos requerer que a ou as válvulas nãofiquem inteiramente fechadas. Esse controle é particularmente útil, quandopequenas quantidades de fluido vão ser atomizadas, tal como uma pulsação,que vão gerar correntes fluidas de resistência mecânica suficiente, de modoque a colisão entre elas não vai resultar em atomização (vide também a dis-cussão prévia desse aspecto acima). Isso pode ser explorado vantajosamen-te nos casos nos quais o bocal está operando em condições nas quais ademanda para fluido atomizado não é constante, e nesses casos grandesquantidades de fluido atomizado podem ser proporcionadas por manutençãoda ou das válvulas abertas, e pequenas quantidades de fluido atomizadopodem ser proporcionadas por abertura e fechamento sucessivos da ou dasválvulas.

Como discutido acima, quando uma condição de escoamentointermitente é usada, deve-se garantir que os fluidos de diferentes canais deescoamento 4 ainda colidam entre si. Se os canais de escoamento 3, 4, pe-los quais os fluidos vão colidir entre si, passarem a ter as mesmas dimen-soes da seção transversal, a colisão pode ser, por exemplo, garantida por-que esses canais de escoamento 3, 4 têm os mesmos comprimentos. Noentanto, pode-se desejar ter diferentes comprimentos dos canais de escoa-mento 3, 4, pelos quais os fluidos que vão colidir entre si são levados. A coli-são pode ser então garantida por seleção das dimensões adequadas da se-ção transversal. Diferentes comprimentos dos canais de escoamento 3, 4podem ser, por exemplo, desejados, quando dois diferentes fluidos vão coli-dir entre si, dos quais um dos fluidos vai ser aquecido enquanto passandopelo canal de escoamento.

A figura 5 ilustra esquematicamente uma concretização da in-venção, que compreende quatro canais de escoamento 3. No entanto, qual-quer número de canais de escoamento é possível dentro do âmbito da in-venção. Na concretização mostrada na figura 5, as correntes fluidas colidementre si na forma de pares, mas as correntes de três ou mais canais de es-coamento de saída 4 também podem colidir entre si. É também possível ter-se algumas das correntes colidindo entre si na forma de pares e outras coli-dindo entre si em grupos de três ou mais. Em uma concretização da inven-ção, todas as correntes fluidas, exceto uma, colidem com essa corrente flui-da. O bocal 1, compreendendo os canais de escoamento 3, 4, pode ser pro-jetado de modo que as saídas 6 dos canais são posicionadas para permitirque a atomização ocorra por uma área maior do que quando há apenas doiscanais de saída. Dois possíveis desenhos e quantidades de canais de esco-amento de saída são ilustrados esquematicamente na figura 6, que mostra asuperfície da extremidade do bocal. Isso pode ser vantajoso para aplicaçõesnas quais apenas um fluido vai ser atomizado, mas a concretização tambémpode ser usada para atomizar dois ou mais fluidos, antes ou ao mesmo tem-po em que são misturados.

O bocal pode ser projetado de modo que todas as correntes flui-das colidam com uma ou mais outras correntes fluidas, na mesma distânciada superfície da extremidade 7 do bocal 1, como mostrado na figura 5. Noentanto, pode ser também projetado para garantir que as correntes fluidascolidam entre si a diferentes distâncias da superfície da extremidade 7 dobocal, como ilustrado esquematicamente na figura 7. Isso pode ser obtidotanto por ter-se diferentes ângulos ou diferentes distâncias entre os canaisde escoamento de saída 4, dos quais as correntes fluidas colidem entre si,como ilustrado esquematicamente na figura 7. Desse modo, pode ser possí-vel aperfeiçoar a atomização e/ou a mistura das correntes fluidas.

Em vez de usar duas ou mais saídas distintas 6, as saídas po-dem ser constituídas por uma ranhura anular/circular 8, como mostrado es-quematicamente na figura 8. A ranhura 8 pode ser proporcionada como umfuro cônico 9 e um elemento cônico correspondente 10, disposto dentro dofuro. Nessa concretização, o fluido deixando a ranhura 8 vai sair do bocal 1em uma forma cônica afunilada. O elemento cônico 10 pode ser dispostoajustavelmente de modo que a posição longitudinal do elemento possa serajustada, com o que o tamanho da ranhura 8 pode ser ajustado. Isso propor-ciona a possibilidade de ajuste da quantidade de fluido deixando o bocal 1.

Em uma outra concretização, não mostrada, o bocal é feito deum material flexível. O uso de material flexível vai proporcionar o efeito deque a área da seção transversal das saídas vai depender da pressão dentrodo bocal. O resultado é que uma pressão relativamente alta vai proporcionaruma alta área da seção transversal, permitindo que uma quantidade relati-vamente grande de fluido escoe das saídas. Uma pressão relativamentemenor dentro do bocal vai proporcionar uma área da seção transversal me-nor, permitindo que uma quantidade relativamente menor escoe dos bocais.

Esse bocal pode ser, de preferência, feito de um material termicamente re-sistente, tal como silicone.

Em uma concretização preferida, não mostrada, os canais deescoamento de saída são constituídos por tubos canelados. Esses tuboscanelados são embutidos em, por exemplo, um material plástico, ou são sol-dados ou colados em peças metálicas e conectados a um sistema de canaisde alimentação, que alimenta fluido a ser atomizado aos tubos canelados.

A aplicação de bocais de acordo com a presente invenção podeser feita de vários modos. Em particular, mais de um bocal pode ser usadopara preencher um determinado requisito, como o fluido a ser atomizado e adistribuição dele. Por exemplo, dois bocais podem dispostos de modo que ofluido atomizado de cada bocal escoe de um para o outro. Além do mais,dois ou mais bocais podem ser usados para controlar a quantidade de fluidoa ser atomizada, por utilização de todos os bocais na capacidade máxima efechando os mesmos, quando necessário que se diminua o fluido atomizado,e abrindo os mesmos, quando se necessita aumentar o fluido atomizado.Nesse caso, os bocais podem ser diferentes no sentido de que a quantidadede fluido atomizado que cada bocal é capaz de proporcionar pode ser dife-rente de bocal para bocal envolvidos - embora, os bocais também possamser idênticos.

A utilização de vários bocais pode aumentar a confiabilidade pa-ra atomizar o fluido, por exemplo, no caso de um bocal ficar obstruído. Nes-se caso, a pressão vai aumentar nos bocais remanescentes (os bocais sãoconsiderados sendo conectados à mesma fonte de fluido), resultando no fatode que os bocais remanescentes vão transferir uma maior quantidade defluido atomizado.

A presente invenção pode encontrar uso em várias aplicações,nas quais a atomização de um fluido é desejada. Uma dessas aplicações é aadição de uréia aos gases de descarga de um motor a combustão, tal comoum motor a diesel, como ilustrado esquematicamente na figura 9. A figuramostra um sistema compreendendo um motor a combustão 11, trabalhando,de preferência, de acordo com o princípio de Diesel, um tanque 12 para reteruma solução líquido de uréia (por exemplo, como conhecida com o nomecomercial AdBlue) e um sistema catalítico 13. A descarga do motor 11 é co-nectada ao sistema catalítico 13 por um tubo de descarga 14, tendo, tipica-mente, um diâmetro de 120 mm, que é conectado ao tanque 12, que retém asolução líquida de uréia. O sistema compreende ainda uma unidade de do-sagem 15, para alimentar a uréia ao sistema de descarga, de modo quepossa reagir com os gases de descarga, para minimização da descarga degases de NOx para o meio ambiente. Quando um bocal 1 de acordo com apresente invenção é usado para atomizar a uréia, antes que ela seja adicio-nada aos gases de descarga, o bocal pode ser compreendido de uma uni-dade separada (não mostrada), montada após a unidade de dosagem 15,em qualquer posição ao longo do tubo 16, tendo, tipicamente, um diâmetrode 4 mm, que conduz a uréia para o gás de descarga. Alternativamente, po-de ser integrado com a unidade de dosagem 15.

A unidade é preferivelmente colocada de modo que a uréia ato-mizada é misturada com o gás de descarga, diretamente após deixar o bocal1, e o bocal é tipicamente disposto de modo que o fluido saindo dele é as-pergido na corrente de gases de descarga, de um modo em corrente ou emqualquer outra direção dos gases de descarga, cuja direção não é necessa-riamente paralela com a direção em forma de corrente do gás de descarga,tal como perpendicular à direção em forma de corrente. O bocal pode serdisposto no centro de um tubo de um sistema de descarga de um motor acombustão ou uma turbina a gás, e/ou na parede da tubulação do sistemade descarga. Uma pluralidade de bocais pode ser distribuída circunferenci-almente ao longo da parede de um tubo de um sistema de descarga de ummotor a combustão. O um ou mais bocais podem ser colocados em qualquerposição, com relação ao tubo de um sistema de descarga dentro do âmbitoda invenção.

O bocal 1 é tipicamente disposto dentro do sistema de descarga,de tal modo que uma distribuição uniforme de gás atomizado nos gases dedescarga é proporcionada, para garantir que o fluido atomizado seja distribu-ído uniformemente dentro do sistema catalítico 13. O bocal pode ser conse-qüentemente disposto no centro da tubulação 14 da figura 9, com as suassaídas voltadas para a direção em forma de corrente do (mas não necessa-riamente paralelas com o) gás de descarga.

Para melhorar a distribuição uniforme de fluido atomizado, umapluralidade de bocais pode ser disposta no sistema de descarga. Essa plura-lidade de bocais vai ser preferivelmente disposta circunferencialmente, e, emalguns casos, distribuída uniformemente. No entanto, os bocais podem sertambém distribuídos ao longo da direção em forma de corrente dos gases dedescarga. As saídas desses bocais são preferivelmente dispostas com assaídas voltadas na direção em forma de corrente do (mas não necessaria-mente paralelas com o) gás de descarga.

Deve-se notar que uma combinação de bocais, disposta circun-ferencialmente, na direção em forma de corrente, e/ou mais bocais, dispos-tos no centro da tubulação, está dentro do âmbito da presente invenção.

A descrição acima focalizou atomização de uréia. No entanto, ainvenção é aplicável à atomização de outros fluidos também, e, no caso deatomização de uréia no sistema de descarga, qualquer fluido, que possa re-agir de uma maneira similar que a uréia com o NOx, para proporcionar umaredução cataiítica seletiva, pode ser usado.

A invenção pode ser ajustada ou reajustada em motores a dieselHD ou motores a gasolina já existentes em caminhões, ônibus, trens, equi-pamento de mineração, equipamento de construção, navios e aeronaves.

Claims (35)

1. Método para atomização de um ou mais fluidos, o métodocompreendendo conduzir o um ou mais fluidos pressurizados por uma oumais saídas, cada uma delas tendo uma orientação de modo que a ou ascorrentes fluidas, descarregadas de uma ou mais saídas, colidam entre si auma distância da uma ou mais saídas, de modo a proporcionar uma atomi-zação do fluido.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, no qual a uma oumais das saídas são conectadas a um sistema de escoamento, que compre-ende uma ou mais válvulas de passagem.

3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, no qual o fluidoé conduzido, intermitentemente, pela uma ou mais saídas.

4. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, no qual o fluidoé conduzido, em uma maneira pulsante, pela uma ou mais saídas.

5. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, no qual o fluidoé conduzido, em uma maneira contínua, pela uma ou mais saídas.

6. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, no qual o fluidoé conduzido pela uma ou mais saídas, em uma combinação de alimentaçãointermitente, alimentação pulsante e/ou alimentação contínua do fluido paraas saídas.

7. Método de acordo com a reivindicação 3, 4 ou 6, no qual acondução intermitente e/ou pulsante do fluido, pela uma ou mais saídas, éou são proporcionadas por abertura e fechamento da uma ou mais válvulasde passagem.

8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações ante-riores, no qual o fluido é conduzido pela uma ou mais saídas, de uma manei-ra sincronizada.

9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações ante-riores, no qual as correntes fluidas colidindo entre si têm substancialmente amesma energia cinética.

10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações an-teriores, no qual as correntes fluidas colidindo entre si têm substancialmenteas mesmas vazão mássica e velocidade.

11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações an-teriores, no qual pelo menos duas correntes fluidas, deixando a uma ou maissaídas, escoam em um plano.

12. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações an-teriores, compreendendo a condução de fluido pressurizado seletivamentepor algumas ou todas as saídas de uma pluralidade de saídas, tais comoquatro, cinco, seis, sete, oito, nove, dez ou mais saídas, de uma maneira talque a quantidade de fluido atomizada é variada por condução do fluido poralgumas ou todas as saídas.

13. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações an-teriores, no qual a uma ou mais saídas são dispostas de modo que pelo me-nos duas aspersões atomizadas são proporcionadas.

14. Método de acordo com a reivindicação 13, no qual pelo me-nos duas aspersões são proporcionadas pela orientação das saídas, de mo-do que se deslocam em direções sendo paralelas ou transversais.

15. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações an-teriores, no qual a atomização é conduzida em um sistema de descarga deum motor a combustão ou uma turbina a gás, sendo, de preferência, um mo-tor a combustão a diesel.

16. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações an-teriores, no qual o fluido é uréia.

17. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações an-teriores, no qual a uma ou mais saídas são proporcionadas em um bocal deacordo com qualquer uma das reivindicações de 18 a 31.

18. Bocal para atomização de um ou mais fluidos, o dito bocalcompreendendo uma entrada e uma ou mais saídas, a dita uma ou mais sa-ídas sendo dispostas de modo que a ou as correntes fluidas, descarregadasda uma ou mais saídas, colidam entre si a uma distância da uma ou maissaídas.

19. Bocal de acordo com a reivindicação 18, em que o bocalcompreende pelo menos duas saídas, que são dispostas de modo que ascorrentes fluidas, descarregadas de uma das saídas, colidam com as corren-tes fluidas, descarregadas da outra das saídas.

20. Bocal de acordo com a reivindicação 19, o dito bocal com-preendendo pelo menos três, tais como pelo menos quatro, tais como pelomenos cinco saídas, tais como pelo menos seis saídas.

21. Bocal de acordo com a reivindicação 19 ou 20, no qual todasas saídas são conectadas à entrada por intermédio de canais de escoamen-to, que dividem e conduzem o fluido entrando no bocal para a saída, de pre-ferência, de uma maneira substancialmente uniforme.

22. Bocal de acordo com qualquer uma das reivindicações de 18a 21, em que as saídas são dispostas de modo que as correntes fluidas,descarregadas de pelo menos duas saídas, colidam entre si a um ângulo deentre 30 e 100°.

23. Bocal de acordo com qualquer uma das reivindicações de 18a 22, em que uma ou mais das saídas são definidas pela terminação de umfuro, que define um canal de escoamento de saída, que está em comunica-ção fluida com o canal de entrada.

24. Bocal de acordo com qualquer uma das reivindicações de 18a 23, em que a área da seção transversal das correntes fluidas, descarrega-das das saídas, é na faixa de 0,005 a 0,05, tal como na faixa de 0,01 a 0,03mm2, de preferência, 0,02 mm2.

25. Bocal de acordo com qualquer uma das reivindicações de 18a 24, compreendendo pelo menos quatro saídas, em que duas das saídassão dispostas de modo que as correntes fluidas, descarregadas delas, coli-dem entre si a um primeiro ângulo, e em que duas outras saídas são dispos-tas de modo que as correntes fluidas descarregadas delas colidam entre si aum segundo ângulo, os primeiro e segundo ângulos sendo diferentes entreeles.

26. Bocal de acordo com qualquer uma das reivindicações de 18a 25, no qual a uma ou mais saídas compreendem um sulco, disposto de mo-do que as correntes fluidas, deixando o bocal, vão sair em uma corrente fluidatendo uma forma cônica se afunilando na direção em forma de corrente.

27. Bocal de acordo com a reivindicação 26, no qual a ranhura éproporcionada por um furo cônico e um elemento cônico disposto dentro dofuro cônico, em que o dito elemento cônico é, de preferência, deslocável nadireção longitudinal, de modo a variar a área da seção transversal do sulco.

28. Bocal de acordo com qualquer uma das reivindicações de 18a 27, o dito bocal compreendendo ainda meios de filtração e/ou aquecimento.

29. Bocal de acordo com qualquer uma das reivindicações de 18a 28, o dito bocal compreendendo ainda uma ou mais válvulas, dispostaspara controlar o escoamento pelo bocal, tal como fechar o bocal e/ou pro-porcionar um escoamento pulsante e/ou intermitente de fluido pelo bocal.

30. Bocal de acordo com a reivindicação 29, no qual a uma oumais válvulas são dispostas para controlar o escoamento por uma ou maisdas saídas, independentemente do escoamento por uma ou mais das outrassaídas.

31. Bocal de acordo com qualquer uma das reivindicações de 18a 30, no qual pelo menos uma região do bocal, incluindo a uma ou mais saí-das, é feita de um material flexível, tal como silicone.

32. Sistema para mistura de uréia líquida com os gases de des-carga de um motor a combustão ou uma turbina a gás, no qual a uréia é adi-cionada e atomizada dentro dos gases de descarga, por uso de um ou maisbocais, como definidos em qualquer uma das reivindicações de 18 a 31.

33. Sistema de acordo com a reivindicação 32, no qual um bocalé disposto no centro de um tubo de um sistema de descarga de um motor acombustão.

34. Sistema de acordo com a reivindicação 32 ou 33, no qualuma pluralidade de bocais é distribuída circunferencialmente, ao longo daparede de um tubo de um sistema de descarga de um motor a combustão.

35. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações de 32 a 34, no qual o um ou mais bocais são dispostos de modo a transferirfluido atomizado, na direção em forma de corrente dos gases de descargaou em uma outra direção que não é paralela à direção em forma de corrente,tal como sendo perpendicular à direção em forma de corrente.