BRPI0714457A2

BRPI0714457A2 - dispositivo redutor de pressço de fluido

Info

Publication number: BRPI0714457A2
Application number: BRPI0714457-1A
Authority: BR
Inventors: Allen Carl Fagerlund; Frederick Wayne Catron; Charles Lawrence Depenning; Paul Taylor Alman; Ted Dennis Grabau
Original assignee: Fisher Controls Int
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2007-06-22
Publication date: 2012-12-25
Also published as: WO2008016430A1; RU2453753C2; US20080023086A1; RU2595313C2; US7766045B2; AU2007279427A1; MX2009000867A; AU2007279427B2; CN101490457B; AR062139A1; SA07280401B1; CN101490457A; EP2049822A1; RU2009101946A; NO20090058L; MY149393A; CA2659617A1; RU2012113414A

Abstract

DISPOSITIVO REDUTOR DE PRESSçO DE FLUIDO. Um dispositivo redutor de pressão de fluido compreende duas ou mais placas anulares empilháveis. Cada disco tendo um perímetro e um centro oco alinhado ao longo de um eixo geométrico longitudinal quando as placas anulares são empilhadas uma em cima da outra. Cada disco adicionalmente compreende pelo menos um setor de fluxo de entrada tendo um estágio de fluxo de entrada para definir uma primeira área de entrada e uma primeira área de saída, e pelo menos um setor de fluxo de saída tendo um estágio de fluxo de saída definindo uma segunda área de entrada e uma segunda área de saída, no qual a relação da segunda área de entrada para a segunda área de saída é predeterminada para definir uma contrapressão no estágio de fluxo de saída para proporcionar um fluxo de fluído subsônico no perímetro.

Description

"DISPOSITIVO REDUTOR DE PRESSÃO DE FLUIDO" CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção trata genericamente de dispositivos redutores de pressão de fluido, e mais especificamente, de um aperfeiçoamento de dispositivos redutores de pressão de fluido usados em aplicações de controle de processo tendo altas relações de queda de pressão. FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Na indústria de controle de processos, muitas aplicações de processo podem produzir níveis inaceitáveis de ruído aerodinâmico. Por exemplo, as estações geradoras de energia elétrica modernas tipicamente utilizam turbinas a vapor para gerar energia. As turbinas a vapor requerem manutenção periódica e é genericamente reconhecido ser mais econômico prolongar a geração de vapor durante manutenção das turbinas do que efetuar a paralisação por completo da planta. Durante a manutenção da turbina, uma série de tubos e válvulas suplementares, conhecida como sistema de desvio da turbina, circunda a turbina a vapor e redireciona o vapor para um circuito de recuperação onde o vapor é de forma repetitiva reciclado. É entendido que as condições de processo dentro do circuito de recuperação produzem altas temperaturas e grandes diferenciais de pressão (e.g. 649°C e 352 kg/cm2) que podem criar vibração lesiva e altos níveis de ruído dentro do sistema quando vapor é redirecionado da turbina. Para prevenir que estas condições danifiquem os componentes de circuito de recuperação de vapor, a temperatura de vapor e a pressão de vapor têm de reduzidas antes de ingressarem no sistema.

Tipicamente, para controlar a temperatura do vapor e a pressão do vapor antes de ingressar no sistema de recuperação, dispositivos redutores de pressão de fluido, comumente designados de difusores ou espargidores, são usados. Os difusores são dispositivos aerodinâmicos redutores que reduzem a pressão e a temperatura de fluido transferindo e/ou absorvendo a energia fluídica contida no vapor de desvio. Difusores típicos são construídos de um corpo oco encerrando uma série de passagens através da totalidade das paredes de alojamento que conectam múltiplos orifícios de admissão ao longo das superfícies de parede interior para saídas ao longo da superfície exterior do difusor conforme descrito na patente US n° 6 244 297 e são aqui expressamente incorporados a título de referência. Genericamente, as passagens no interior destes dispositivos separam e dividem o fluido entrante em jatos de fluido progressivamente menores que subseqüentemente reduzem a pressão e a temperatura do fluido entrante. De maneira similar, em aplicações de válvulas de controle,

elementos de compensação de válvula, tais como gaiolas, também podem enfrentar condições adversas. Por exemplo, em aplicações de distribuição de Gás Natural Liqüefeito (LNG), grandes compressores são usados para pressurizar o gás natural na fase líquida anterior à introdução na canalização de distribuição. É conhecido que durante a operação do compressor uma condição potencialmente destrutiva conhecida como "surto" pode ocorrer. O ponto de surto do compressor é genericamente definido como o ponto operacional onde a máxima pressão sob fluxo estável mínimo pode ser alcançada para uma velocidade de compressor dada. A operação do compressor em ou abaixo do ponto de surto

pode causar operação instável que pode ocasionar a ocorrência de sobrepressão do compressor. Por exemplo, em operação normal quando o fluxo de gás através do sistema compressor decresce, a pressão de fluido aumenta para manter o fluxo, porém próximo ao ponto de surto, o compressor pode não imprimir momentum suficiente no gás para continuar o fluxo de gás através do compressor, causando a temporária cessação do fluxo de gás. Quando o fluxo cessa, a pressão de admissão cai e a pressão de descarga pode se tornar maior que a pressão de admissão, que causa uma inversão de fluxo no interior do compressor (isto é o fluxo de gás se processa temporariamente da saída para a entrada). A inversão de fluxo é mantida até uma altura de carga adequada se desenvolver na entrada da turbina para superar a condição de surto. Se a operação do compressor continua próximo ao ponto de surto, a condição de surto se repetirá, casando repetidas inversões de fluxo, até as condições de processo se alterar. As inversões de fluxo associadas com o surto do compressor criam inversões de fluxo de compressor que podem causar vibração axial e radial instável que pode danificar o compressor e gerar altos níveis de ruído.

Para evitar a ocorrência de surto do compressor e a danificação do compressor, sistemas anti surto são construídos em torno do compressor. E comumente conhecido que sistemas anti surto requerem válvula anti surto de alta capacidade (isto é, válvulas de grande fluxo e alta pressão). Por exemplo, a válvula anti-surto pode ter orifícios de 5,58 cm e operar a um diferencial de pressão de 38,670 kg/cm2 (550 lb/pol2). Aqueles versados na técnica podem apreciar que estas condições de fluxo geram altas taxas de fluxo em massa que podem produzir fluxo muito turbulento e criar níveis inaceitáveis de ruído aerodinâmico. Para prevenir ruído indesejado e vibração lesiva, as válvulas anti surto também confiam sobre dispositivos de redução de pressão de fluido atenuadores de ruído.

Os dispositivos redutores de pressão de fluido atuais tal como o Whisperflo® trim disponível da Fisher Controls International LLC, St. Louis, Mo. fazem uso de construções de redução de pressão de fluido em múltiplos estágios formados de uma pilha de placas anulares que definem as múltiplas passagens limitativas entre um centro oco e um perímetro externo. Em um dispositivo deste tipo, o fluido circula através de uma série de passagens que geram alterações em fluxo radial e axial através de uma série de estruturas de contração/expansão de fluido que substancialmente reduzem a pressão de fluido mesclando os fluxos de fluido e separam o fluido em numerosos jatos de alta velocidade, distintos, na saída do dispositivo. Estes dispositivos convencionais são conhecidos por aqueles versados na técnica atuarem idealmente em aplicações com relações de baixa a média queda de pressão; não em aplicações de relação de queda de pressão muito altas.

Aplicações de relação de queda de pressão muito altas podem ser identificadas como aplicações onde a relação da queda de pressão através do dispositivo de redução de pressão de fluido com respeito à pressão de admissão excede uma relação específica, tal como de 0,93. De maneira similar outras aplicações são definidas como aplicações de relação de alta queda de pressão quando, em relação às condições de processo, as relações de área de entrada para saída do dispositivo de redução de pressão de fluido facilitam o fluxo sônico (isto é, velocidades de fluido maiores que ou iguais à velocidade do som) no estágio final ou de saída do dispositivo. E genericamente entendido que fluxo sônico para fluidos compressíveis em dispositivos de redução de pressão de fluido significa "fluxo estrangulado". Aqueles versados na técnica podem apreciar que no fluxo estrangulado existe uma descontinuidade entre condições de fluxo a montante e a jusante. Isto é, com respeito ao dispositivo de redução de pressão e suas estruturas de fluido internas, a taxa de fluxo em massa é exclusivamente proporcional à pressão a montante. Tipicamente estas condições de fluxo (isto é, máximo fluxo em massa) que produzem velocidades de fluido sônicas. Quando as velocidades de fluido se aproximam da velocidade de som, células de choque se formam no interior do fluido que contribuem para níveis de ruído inaceitavelmente alto. Em aplicações de alta relação de queda de pressão, os dispositivos de redução de pressão de fluido convencionais rapidamente experimentam fluxo estrangulado e são inaceitáveis nas ditas aplicações onde nível de ruído e vibrações constituem uma preocupação.

Para solução de um problema deste tipo, os dispositivos de redução de pressão de fluido convencionais tipicamente reduzem níveis de ruído inaceitáveis induzidos em aplicações de alta relação de queda de pressão aplicando um defletor suplementar em torno do dispositivo de redução de pressão de fluido para oferecer área de fluxo suficiente na periferia do dispositivo para criar uma pequena queda de pressão no estágio de saída. A queda de pressão controlada induz uma contrapressão no estágio de saída para limitar as velocidades de fluido de saída a fluxo subsônico. Infelizmente, extensas áreas defletoras são requeridas para aplicações de relação de queda de pressão muito altas e estes tipos de dispositivos de defletor/atenuador não podem ser facilmente aplicados em corpos de válvula para regular a válvula. Esta abordagem também aumenta significativamente o custo de manufatura de difusores de grande porte. Adicionalmente, os dispositivos de redução de pressão de fluido de múltiplos estágios típicos genericamente não possuem estrutura física suficiente no interior do alojamento para suportar as quedas de pressão muito altas tem sido conhecidos se separar fisicamente enquanto sob carga, causando danos catastróficos ao corpo de válvula ou ao sistema de canos/dutos em torno do difusor.

Outras abordagens convencionais para aperfeiçoar o desenho de redução de pressão de fluido tradicional em aplicações de alta relação de queda de pressão incluem decrescer as relações de área de entrada para saída dentro do dispositivo, tal como reduzir o número de entradas disponível no interior do dispositivo. Infelizmente esta técnica reduz a capacidade de fluido total de um sistema ou válvula. Para manter uma capacidade de fluido dada para um dispositivo com uma relação de área de entrada para saída decrescida deste tipo, a altura de superposição total do dispositivo redutor de pressão de fluido tem de aumentar. Esta técnica não é viável em difusores ou reguladores de válvula, pois, aumentos em altura do conjunto podem tornar a estrutura demasiadamente grande para caber dentro de corpos de válvula ou rede de dutos e pode ser demasiadamente dispendiosa de manufatura. Por conseguinte, há conveniência em criar um dispositivo de redução de pressão fluida aperfeiçoado para aplicações de alta relação de queda de pressão que podem ser próprias para difusores e/ou guarnição de válvula. SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Em um dispositivo de redução de pressão típico, o dispositivo compreende duas ou mais placas anulares empilháveis, cada disco tendo um centro oco e um perímetro alinhado ao longo de um eixo geométrico longitudinal quando as placas anulares são empilhadas uma sobre a outra. Cada disco tem pelo menos um setor de fluxo de admissão tendo um estágio de fluxo de entrada para definir uma primeira área de admissão e uma primeira área de descarga, e pelo menos um setor de fluxo de saída tendo um estágio de fluxo de saída definindo uma segunda área de entrada e uma segunda área de descarga, no qual a relação da segunda área de admissão para a segunda área de descarga é predeterminada para definir uma contrapressão no estágio de fluxo de saída para proporcionar um fluxo de fluido subsônico no perímetro. O dispositivo redutor de pressão de fluido pode prestar dois estágios de fluxo de fluido subsônico para substancialmente reduzir qualquer ruído aerodinâmico associado.

Em outro exemplo de dispositivo de redução de pressão de fluido, uma pluralidade de placas anulares empilhadas, cada disco tendo um centro oco e um perímetro alinhado ao longo de um eixo geométrico longitudinal quando as placas anulares são empilhadas uma em cima da outra entre si. Cada disco adicionalmente compreende um setor de fluxo de admissão e um setor de fluxo de descarga. O setor de fluxo de admissão tem um estágio de fluxo de admissão compreendendo uma fenda de admissão de fluido se estendendo parcialmente do centro oco no sentido do perímetro e uma primeira câmara de pressão sendo radialmente adjacente à fenda de admissão de fluido e parcialmente se estendendo do perímetro no sentido do centro oco. O setor de fluxo de descarga tem um estágio de fluxo de descarga parcialmente se estendendo do perímetro no sentido do centro oco e uma segunda câmara de pressão estando radialmente adjacente à fenda de saída de fluido e parcialmente se estendendo do centro oco no sentido do perímetro. BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Os aspectos característicos da presente invenção que se acredita serem novos são expostos com particularidade nas reivindicações em apenso. A invenção pode ser mais bem entendida pela consulta à descrição que se segue tomada em conjunção com os desenhos apensos, nos quais caracteres de referência idênticos identificam elementos idênticos nas várias figuras, de acordo com as quais:

A fig. 1 é uma vista em perspectiva de um conjunto de placas empilhadas de um difusor de acordo com um dispositivo redutor de pressão de fluido típico;

A fig. 2 é uma vista em perspectiva expandida do difusor

típico da fig. 1;

A fig. 3 é uma vista em perspectiva de um conjunto de placas empilhadas de uma guarnição de válvula de acordo com um dispositivo de redução de pressão fluida ilustrativo; e

A fig. 4 é uma vista em perspectiva expandida da guarnição de válvula típica da fig. 3. DESCRIÇÃO DETALHADA

Um dispositivo de redução de pressão de fluido típico para um difusor é ilustrado nas figs. 1 e 2. O dispositivo redutor de pressão de fluido ou difusor utiliza uma pilha de placas anulares para proporcionar múltiplos trajetos de redução de pressão entre as entradas e as saídas do dispositivo. O conjunto de placas empilhadas pode ser caracterizado como segue: 1) o conjunto de placas empilhadas tem múltiplos trajetos de redução de pressão tendo entradas em um centro oco e saídas em um perímetro externo radialmente alinhadas em setores de fluxo individuais; 2) os trajetos de fluxo de redução de pressão são genericamente radiais e são definidos por mais de pelo menos dois estágios de redução de pressão acoplados em série com cada estágio de redução de pressão sendo acoplado com pelo menos um estágio de redução de pressão subseqüente em uma placa anular adjacente; e 3) cada estágio inclui uma ou mais aberturas onde as aberturas do primeiro e segundo estágio tem entrada bem arredondada ou bem ovalada e uma descarga abrupta e o estágio externo ou terceiro ou quarto estágios apresentam restrições que asseguram uma contrapressão predeterminada para controlar as velocidades de fluido no exterior do dispositivo para manter fluxo subsônico.

Em uma primeira modalidade típica, as vistas em perspectiva das figuras 1 e 2 ilustram um difusor 100 para uso em uma aplicação de desvio de turbina ou qualquer aplicação similar onde um grande volume de gás é descarregado ou despejado de uma maneira que produz relações de queda de pressão muito altas. Deve ser entendido que embora o difusor típico 100 seja descrito utilizando quatro placas anulares 110, 113, 115 e 117, o difusor pode ser constituído de qualquer número de placas anulares incluindo variações em altura empilhada e diâmetro de placa, conforme exigido por uma aplicação específica, sem se afastar do espírito e âmbito do dispositivo de redução de pressão de fluido ilustrativo. As características de fluxo do difusor típico 100 podem ser mais bem entendidas quando o difusor é dividido em seis setores de fluxo substancialmente similares 140, 141, 142, 143, 144 e 145. Cada setor de fluxo 140, 141, 142, 143, 144 e 145 encerra passagens que ligam uma série de entradas 162 em um centro oco 151 com uma saída 197 em um perímetro externo 154 do difusor 100. Mais especificamente, cada setor de fluxo 140, 141, 142, 143, 144 e 145 compreende pelo menos três estágios de fluxo e de preferência quatro estágios de fluxo, que asseguram a redução de pressão através do difusor 100, conforme descrito abaixo. Os estágios de fluxo redutores de pressão 160, 170, 180 e 190 podem ser formados através de pelo menos um par das placas anulares 110 e 113, e de preferência podem ser formados através de três placas adjacentes 110, 113 e 115, para proporcionar fluxo radial, lateral e axial dentro de um setor de fluxo do difusor 100 (como indicado por setas de fluxo na fig. 1 e descrito abaixo). Reportando-se às figs. 1 e 2, um primeiro estágio redutor de pressão 160, formado através de uma primeira restrição de fluido dentro de cada setor de fluxo 140, 141, 142, 143, 144 e 145 por uma estreita entrada 162 conectando com uma saída relativamente mais larga 167 por uma primeira passagem intermediária 166. Um segundo estágio redutor de pressão 170 formado através de múltiplas segundas restrições de fluido dentro de cada setor de fluxo 140, 141, 142, 143 e 145 proporcionadas por estreitas entradas 12 ligando-se com saídas relativamente amplas 17 por uma série de respectivas segundas passagens intermediárias 176.

De maneira similar, um terceiro estágio redutor de pressão 180 é formado através de múltiplas terceiras restrições de fluido previstas através de entradas 182 ligando=se com as saídas 187 por uma terceira série de passagens intermediárias 186 e um quarto estágio redutor de pressão 190 é formado através de uma restrição de fluido provida através de uma entrada 192 ligando-se com uma saída 197 por uma passagem intermediária 196. Aqueles versados na técnica podem apreciar que os primeiro, segundo e terceiro estágios 160, 170 e 180 incluem passagens que conduzem ao interior das aberturas de subseqüentes estágios e cada estágio de redução de pressão é radialmente alinhado ao longo do setor associado dentro das placas individuais. Dentro do difusor de exemplo 100, um padrão dos quatro estágios de redução de pressão 160, 170, 180 e 190 é repetido em torno da circunferência do difusor 100 através de cada setor 140, 141, 142, 143, 144 e 145 para formar um total de seis setores de fluxo com quatro estágios de redução de pressão cada um. Deve ser apreciado que variações o número total de estágios de fluxo e setores de fluxo pode ser contemplado sem se afastar do espírito e âmbito do presente dispositivo de redução de pressão de fluido.

Para realizar o controle de fluido em estágios e redução de pressão desejada dentro do difusor 100, a passagem de fluxo de fluido progride do centro oco 151 para o perímetro externo 154 do conjunto de placas empilhadas com decalagens de rotação da placas empilhadas preferencial como mostrado. Isto é, deve ser entendido pelo menos duas placas anulares substancialmente idênticas 110 e 113 em uma rotação preferencial são requeridas para proporcionar o trajeto de fluxo de redução de pressão de exemplo 100. Para auxiliar no correto alinhamento de rotação, as placas anulares são munidas de entalhes de coincidência 130 no perímetro externo 154 para alinhar as passagens. A orientação desejada através da totalidade da inteira pilha ocorre quando cada placa na pilha de preferência é posicionada em relação aos discos adjacentes como mostrado na fig. 1. Aqueles versados na técnica podem apreciar que a orientação preferencial pode ser realizada girando cada placa em 180 graus em torno do eixo geométrico longitudinal ou ζ e/ou "basculado" ou girado em torno do eixo geométrico y. Com as orientações de rotação preferenciais de cada placa dentro do feixe empilhado, a redução de pressão de fluido desejada e supressão de ruído aerodinâmico podem ser alcançadas. Adicionalmente, estes entalhes podem auxiliar na fabricação do dispositivo de redução de pressão 100 do exemplo. Por exemplo, uma "solda de manuseio" pode ser aplicada dentro dos entalhes para fixar conjuntamente as placas, anteriormente à montagem.

Em operação quando fluxo de fluido é iniciado no difusor 100 do exemplo, fluido inicialmente ingressa pelas entradas 162 sobre uma primeira placa 113 no centro oco e circula através do primeiro estágio 160. No primeiro estágio redutor de pressão 160, fluido flui proveniente da entrada 162 através de uma passagem intermediária 166 para á saída do primeiro estágio 167 na primeira placa 113. A saída do primeiro estágio 167 é alinhada com uma primeira câmara de pressão 175 em pelo menos uma placa adjacente 110, e de preferência uma segunda placa adjacente 115, para que o fluxo de fluido egressando do primeiro estágio 160 ingresse pelo menos na primeira câmara de pressão 175 que precede o segundo estágio 170. Aqueles versados na técnica podem apreciar que a entrada do primeiro estágio 162 relativamente estreita sobre a primeira placa 112 aumenta a velocidade do fluido quando este ingressa na restrição, devido ao fluxo de massa relativamente constante. Quando o fluido egressa da saída do primeiro estágio 167 uma subseqüente expansão do fluido na primeira câmara de pressão 175 cria uma correspondente queda de pressão.

A medida que o fluido flui do primeiro da primeira câmara de pressão 175, ele ingressa na entradas de segundo estágio 172 relativamente estreitas sobre a segunda placa adjacente 110. Conforme previamente descrito, as entradas restritivas aceleram o fluido para o interior das saídas de segundo estágio 17 induzindo uma segunda queda de pressão. O fluido proveniente do segundo estágio 170 é recolhido no interior de uma segunda câmara de pressão associada 185 no qual o fluido é mesclado proveniente de múltiplas saídas 177 de segundo estágio 177 nas direções radial, lateral e axial (isto é, fluido é mesclado proveniente de áreas de câmara de pressão de disco superior e inferiores adjacentes). A fonte de pressão de fluido na entrada continua a acionar o fluido proveniente de saídas de segundo estágio 177 para a câmara de pressão de segundo estágio 185 e para o interior das entradas de terceiro estágio 182 sobre a primeira placa 110. Como mostrado na fig. 1, as saídas de terceiro estágio 187 se alinham com a entrada de quarto estágio 192 sobre a segunda placa 113 para dirigir o fluido para ampla saída de quarto estágio 197 no perímetro interno 154 da pilha para criar a redução de pressão difusora desejada. Deve ser apreciado que a geometria do primeiro e segundo estágios de redução de pressão 160 e 170 apresentam aspectos característicos comuns que podem proporcionar substanciais reduções em pressão de fluido anterior aos estágios finais ou externos. Isto é, os primeiro e segundo estágios de redução de pressão incluem uma abertura que descarrega no interior de uma câmara de pressão. A abertura é caracterizada pela entrada bem arredondada de maneira a realizar mínima contração de fluido (isto é, alta capacidade de fluxo) sucedida por uma brusca descarga na saída para alcançar rápida expansão de fluido (isto é, uma grande queda de pressão). No difusor 100 do exemplo, estas aberturas do tipo de válvula criam uma queda de pressão relativamente grande em uma pequena distância radial. O difusor de exemplo vantajosamente utiliza estas estruturas de fluido para criar uma substancial queda de pressão no interior dos dois primeiros estágios 160 e 170 para limitar a queda de pressão requerida no interior dos estágios externos para reduzir a turbulência e ruído total no dispositivo.

De preferência, os dois primeiros estágios 160 e 170 do difusor 100 do exemplo podem criar fluxo sônico ou até super sônico, na realização da queda de pressão relativamente grande. Estas condições de fluxo também gerar substancial ruído, porém aqueles versados na técnica podem apreciar que o ruído gerado no interior dos estágios internos 160 e 170 não é eficientemente acoplado no exterior do difusor 100 e, por conseguinte, o ruído gerado por fluxo sônico ou supersônico no interior destes estágios não afeta apreciavelmente o nível de ruído do dispositivo. Alternativamente, a queda de pressão e, por conseguinte, a velocidade de fluido nos estágios externos do dispositivo tem efeito substancial sobre o nível de ruído total. Para se endereçar a esta questão, os terceiro e quarto estágios 180 e 190, proporcionam uma queda de pressão relativamente menor com aberturas genericamente de forma retangular para substancialmente aperfeiçoar a atenuação do ruído aerodinâmico através do terceiro e quarto estágio. Isto é, a ausência de uma parte restritiva relativamente estreita (e.g., a geometria de contração/expansão do primeiro e segundo estágio) substancialmente reduz a queda de pressão total dentro do estágio externo 180 e 190 enquanto permitindo controle aperfeiçoado das relações de entrada para saída, conforme descrito em detalhe abaixo.

Deve ser ainda apreciado que no difusor do exemplo 100 o fluxo de fluido pode não ser especificamente isolado entre duas placas. Por exemplo, reportando-se à figura 2, fluxo para o interior de um segundo estágio pode fluir para o interior de placas adjacentes acima e abaixo das placas para proporcionar um trajeto de fluido axial com o dispositivo. O trajeto de fluxo pode progredir através de pelo menos duas sucessivas placas no conjunto de placas empilhadas e incluir componentes de fluxo radial, lateral e axial, com uma direção genérica que pode ser considerado fluxo "radial divergente" com respeito a uma seção transversal do conjunto de placas empilhadas. A fig. 1 ilustra adicionalmente a combinação de fluxo de fluido adjacente dentro de um trajeto de fluxo de redução de pressão (indicado por setas de fluxo no setor de fluxo 141) através de pelo menos duas seções de placa do conjunto de placas empilhado. O fluxo de fluido no difusor de exemplo 100 inclui componentes de fluxo radial e lateral a partir do centro oco através do primeiro estágio na primeira placa, um componente de fluxo axial proveniente da primeira placa para a segunda placa, um componente de fluxo radial e lateral através do segundo estágio em uma segunda placa, um componente de fluxo axial da segunda placa para a primeira placa, um componente de fluxo radial e lateral através do terceiro estágio na primeira placa, um componente de fluxo axial da primeira placa para a segunda placa, e um componente de fluxo substancialmente radial através do quarto estágio na segunda placa para o perímetro externo.

Deve também ser apreciado que para manter o fluxo em massa através do difusor, quando as velocidades decrescem através dos respectivos estágios de redução de pressão, as áreas de abertura (isto é, a relações de entrada para saída) de cada estágio têm de aumentar. Para assegurar ampla capacidade de fluxo, os setores de fluxo 140, 141, 142, 143, 144 e 145 do difusor de exemplo 100 têm o primeiro estágio formado com uma abertura conectada com uma respectiva primeira passagem de câmara de pressão; o segundo estágio inclui cinco aberturas conectadas com uma única grande segunda passagem de câmara de pressão; o terceiro estágio inclui dez aberturas conectadas com uma única terceira passagem de câmara de pressão, e o quarto estágio inclui uma abertura relativamente ampla conectada com o perímetro externo do conjunto de placas empilhadas. Assim, o número de aberturas aumenta à medida que o fluxo progride através do trajeto de fluxo de pressão até o estágio final. Deve ser apreciado que o número e dimensão das aberturas nos vários estágios de fluxo podem ser específicos para uma aplicação dada ou opção de construção. Adicionalmente, no difusor de exemplo o terceiro e quarto estágio 180 e 190 de preferência são retangulares em forma para proporcionar uma relação de área de entrada para saída para substancialmente eliminar a aceleração do fluido a velocidades sônicas conforme previamente descrito para os primeiro e segundo estágios 160 e 170 enquanto promovendo fluxo em massa substancial através do difusor de exemplo 100. O formato retangular do terceiro estágio dentro dos setores de fluxo vantajosamente permite um número máximo de trajetos de fluxo paralelos para maximizar o fluxo de fluido enquanto assegurando a separação dos jatos de fluido nas saídas 187 para minimizar as interações de jato nas entradas de quarto estágio 197.

E genericamente entendido que os dispositivos de redução de pressão de fluido em múltiplos estágios convencionais com freqüência utilizam múltiplas saídas no estágio final dos dispositivos de redução de pressão de fluido que podem não ser aceitáveis em aplicações de alta relação de queda de pressão. Isto é, numerosas saídas de pequena geometria tendem a promover a separação de jato, que é conhecida reduzir ruído devido à interação de jato, porém infelizmente este formato também promove aumentos relativamente grandes em velocidade de fluido, que tende a substancialmente aumentar o ruído relacionado com a velocidade de fluido se velocidades de fluido sônicas se desenvolvem. No difusor de exemplo 100, a grande forma retangular do quarto estágio não cria velocidades sônicas. Na realidade baseado sobre sua grande área em seção transversal, a saída de baixa restrição do difusor de exemplo 100 não pode acelerar o fluido que egressa, em relação ao estágio anterior. Todavia efetivamente proporciona uma relação de área de entrada para saída predeterminada no estágio final para promover fluxo subsônico. Conforme descrito em maior detalhe abaixo, as relações de entrada para saída nos terceiro e quarto estágios foram predeterminadas proporcionar uma contrapressão específica (isto é, uma queda de pressão controlada através do estágio) para manter fluxo subsônico na saída em aplicações de relação de queda de pressão muito altas.

Além de controlar a queda de pressão do estágio externo, o difusor de exemplo 100 vantajosamente proporciona redução de ruído substancialmente eliminando qualquer interação de fluxo colunar que possa resultar dentro da pilha de placas (isto é, fluxo axial descontrolado dentro do dispositivo de redução de pressão de fluido). Como ilustrado na fig. 1, a orientação das placas, como descrito acima, posiciona as entradas 162 no primeiro estágio em uma disposição escalonada ou assimétrica. A disposição assimétrica das entradas 162 do primeiro estágio 160 pode proporcionar um máximo número de entradas a partir do centro oco enquanto prevenindo o alinhamento axial das ditas entradas. Aqueles versados na técnica podem apreciar que a disposição assimétrica gera uma colocação diagonal das entradas do primeiro estágio que substancialmente elimina a formação de fluxos axiais colunares dentro da pilha de placas, que pode reduzir a formação de níveis de ruído inaceitáveis. O difusor de exemplo 100 também elimina problemas conhecidos de disposições de montagem de difusores convencionais que podem ser adversamente afetados por gradientes térmicos.

Como mostrado na fig. 1, as placas anulares do presente dispositivo de redução de pressão de exemplo incluem aberturas 200 para prendedores internos 200 alinhados ao longo de uma direção axial quando as placas anulares são empilhadas. Como previamente descrito, os difusores tipicamente liberam gás sob alta pressão e alta temperatura em uma atmosfera de baixa pressão, baixa temperatura. Os difusores de placas empilhadas convencionais com freqüência requerem disposições de montagem e integridade estrutural superior para suportar as ditas condições. Como tais, os difusores típicos são genericamente montados e fixados a um sistema de dutos ou tubos com parafusos de fixação localizados em torno da superfície exterior do difusor em um círculo no exterior da pilha de placas. Este tipo de disposição utiliza comumente flanges de faces salientes conhecidos que requerem folga diametral adicional devido às grandes cavilhas rosqueadas requeridas para realizar a carga de cavilha total apropriada e a retenção das placas em operação.

Este sistema de montagem típico é desvantajoso porque as grandes cavilhas tornam-se restrições de fluxo limitando o fluxo na saída das placas difusoras, onde capacidade é mais necessária devido à expansão dos gases sob pressão reduzida. Adicionalmente, durante a ventilação, a possibilidade de gradientes térmicos entre a união com cavilha e a pilha de placas pode ocasionar expansão térmica diferencial que pode conduzir à falha catastrófica do difusor. Uma alternativa à localização da união com cavilha fora da pilha de placas é efetuar sua localização no interior do anel tubular das placas. A união com cavilha integrada convencional tem situado aberturas isoladas com a pilha para reduzir as limitações de saída apresentadas pelas cavilhas rosqueadas. Infelizmente, esta técnica não se endereça adequadamente às rápidas mudanças térmicas (isto é, grandes gradientes térmicos) que podem decorrer de despejos ou descargas de fluido à alta temperatura, sob alta pressão, tais como os tipos que ocorrem em aplicações de desvio de turbina. O difusor de exemplo das figs. 1 e 2 soluciona tanto o problema de gradiente térmico como o problema de limitação de fluxo.

As placas anulares do conjunto de placas empilhadas 100 incluem aberturas 20 dispostas em torno do perímetro externo 154, de preferência simetricamente localizadas entre os setores de fluxo 140, 141, 142, 143, 144 e 145. As aberturas 200 proporcionam múltiplas passagens de fluido 210 em torno das aberturas para cavilha rosqueada 200 para circular o fluido escoando através do difusor em torno dos elementos de fixação ou cavilhas rosqueadas (não mostradas). Esta disposição produz pelo menos três vantagens: 1) os parafusos podem ser situados adjacentes às câmaras de pressão mais alta onde limitação de fluxo é desejável e, por conseguinte, não limita a capacidade total; 2) o diâmetro da pilha de placas inclui o círculo de cavilhas e, por conseguinte, o dispositivo redutor de pressão de fluido pode ser maior em diâmetro que o difusor convencional e tem mais área de saída para permitir o fluxo do gás expansor, por conseguinte, proporcionando maior capacidade; e 3) o fluido de processo tem maior interação e tempo de espera com o aparafusamento para melhor acomodar grandes gradientes térmicos.

Um segundo dispositivo redutor de pressão de fluido ilustrativo, configurado como um regulador de válvula é mostrado nas fígs. 3 e 4. Similar ao difusor de exemplo previamente descrito, o regulador de válvula do exemplo 300 compreende um conjunto de placas anulares empilhadas incluindo uma pilha de placas anulares montadas em torno de um eixo geométrico longitudinal ζ e alinhadas ao longo de um entalhe de registro 345. O regulador de válvula 300 é formado em torno de um centro oco 306 que proporciona o ingresso de fluido através de uma série de entradas 362 formadas dentro de setores de fluxo substancialmente similares 340, 341 e 342 que incluem passagens para um perímetro externo 305 que atua como uma saída do dispositivo. No regulador de válvula 300, o centro oco 306 também forma uma articulação na qual um macho de válvula (não mostrado) pode se deslocar através do plano de cada placa expondo entradas individuais 362 em relação à posição do macho de válvula de maneira a controlar o ingresso de fluido no regulador de válvula 300.

Contudo distintamente do difusor de exemplo previamente descrito, o regulador de válvula do presente exemplo 300 é constituído de um número de pares de placas anulares, que definem as passagens de fluido. Os pares de placas são constituídos de: uma placa de câmara de pressão 310 e de uma placa de fluxo 320. Uma vista em perspectiva explodida de quatro placas anulares é mostrada na figura 4. Cada par de placas anulares proporciona radialmente alinhados um primeiro estágio de redução de pressão, um segundo estágio de redução de pressão, um terceiro estágio de redução de pressão, e um quarto estágio de redução de pressão. Cada estágio de redução de pressão inclui uma ou mais aberturas sucedidas por uma ou mais passagens, conforme descrito abaixo. De maneira similar ao difusor de exemplo, cada estágio inclui passagens que conduzem ao interior das aberturas de seus subseqüentes estágios. Os estágios de redução de pressão e os trajetos de fluxo e o regulador de válvula de exemplo são radialmente alinhados em setores ao longo de placas individuais com a formato dos quatro estágios de redução de pressão repetida em torno da circunferência do regulador de válvula de exemplo para formar um total de três setores de fluxo com quatro estágios cada um.

O regulador de válvula de exemplo 300 utiliza uma pilha de pares de placas anulares substancialmente idênticos 310 e 320, orientados conforme descrito abaixo, para proporcionar múltiplos trajetos de fluxo de redução de pressão entre as entradas e as saídas do dispositivo. As mostras em perspectiva das figs. 3 e 4 ilustram o regulador de válvula 300 usando dois pares de placas anulares, porém aqueles versados na técnica podem apreciar que qualquer número de pares de placas anulares pode ser de uma altura empilhada e de um diâmetro de placa variados, conforme requerido pela aplicação, sem se afastar do espírito e âmbito do regulador de válvula de exemplo. Cada par de placas anulares 310 e 320 pode ser dividido em setores de fluxo 340, 341 e 342 que conectam as passagens de fluxo das entradas 362 no centro oco 306 com as saídas 397 no perímetro externo 305. Mais especificamente, cada setor 340, 341 e 342 compreende pelo menos três estágios de fluxo, e de preferência quatro estágios, que proporcionam a redução de pressão de fluido através do dispositivo. Os estágios de fluxo 360, 370, 380 e 390 podem ser formados através de pelo menos um par de placas anulares 310 e 320, e de preferência, podem ser formados através de três placas adjacentes 310, 320 e 330 para proporcionar fluxo radial, lateral e axial no interior do dispositivo, conforme previamente descrito.

Como mostrado nas flgs. 3 e 4, cada estágio de redução de pressão 360, 370, 380 e 390 inclui uma ou mais aberturas sucedidas por uma ou mais passagens. Um primeiro estágio de redução de pressão 360 é formado através de uma primeira restrição de fluido prevista por uma estreita entrada 362 conectando com uma saída relativamente mais ampla 367 por uma passagem intermediária 366. Um segundo estágio de redução de pressão 370 (mostrado na figura 4) é formado através de múltiplas segundas restrições de fluido previstas por uma estreita entrada 372 ligando-se com uma saída relativamente ampla 377 por uma passagem intermediária 376. Um terceiro estágio de redução de pressão 380 é formado através de múltiplas terceiras restrições de fluido previstas através da uma entrada 382 que se conecta com uma sida 387 por uma passagem intermediária 386, e um quarto estágio de redução de pressão 390 é formado através de uma entrada 392 conectando-se com uma saída 397 por uma passagem intermediária 396.

Como ilustrado com setas de fluxo na fig. 3, os trajeto de fluxo de redução de pressão progridem do centro oco 306 para o perímetro externo 305 de conjunto de placas empilhadas com as decalagens de rotação de placa de preferência conforme mostrado. As placas anulares 310 e 320 são munidas de um entalhe de coincidência 345 para alinhar as passagens. Cada placa de fluxo 320 na pilha de preferência é girada em relação aos discos adjacentes conforme mostrado na fig. 3. Aqueles versados na técnica devem apreciar que a orientação preferencial pode ser obtida girando os discos adjacentes em 180°, em torno do eixo geométrico-z ou longitudinal ou virando os discos adjacentes em torno do eixo geométrico y para alinhar as passagens. As placas de câmara de pressão são substancialmente idênticas e podem ser alinhadas ao longo do entalhe de registro para correta orientação dentro da pilha. Com a orientação de rotação ilustrada, a saída de primeiro estágio 367 é alinhada com uma primeira câmara de pressão 375 em pelo menos uma placa adjacente 320, e de preferência em uma câmara de pressão em um disco adjacente 340, para que o fluxo de fluido egressando do primeiro estágio 360 ingresse pelo menos na primeira câmara de pressão 375 formado no interior da placa adjacente 320. Como previamente explanado, a contração/expansão do fluido através das restrições do tipo bocal induz a queda de pressão desejada no fluido. O fluido sob pressão relativamente mais baixa é recolhido na primeira câmara de pressão 375 e transferido sob pressão para os estágios externos. O trajeto de fluxo pode progredir através de pelo menos duas sucessivas placas no conjunto de pilhas empilhado e inclui componentes de fluxo radial, lateral e axial, com uma direção genérica que pode ser considerada fluxo "radial divergente" com respeito a uma seção transversal do conjunto de placas empilhado.

A medida que o fluido flui através da primeira câmara de pressão 375, ingressa nas entradas de segundo estágio 372 relativamente estreitas sobre a segunda placa adjacente 320. As entradas restritivas do segundo estágio aceleram o fluido para o interior das amplas saídas 377 de segundo estágio induzindo uma segunda queda de pressão. O fluido proveniente do segundo estágio 30 é recolhido com a segunda câmara de pressão 385 formado em pelo menos a primeira placa de câmara de pressão 310, e de preferência uma segunda placa de câmara de pressão 330, na qual o fluido é misturado nas direções radial e lateral. O fluido continua a fluir das saídas 377 de segundo estágio e para o interior das entradas de terceiro estágio 382 sobre a placa de fluxo adjacente 320.

As saídas de terceiro estágio 387 se alinham com as entradas de quarto estágio 392 sobre a segunda placa 320 para dirigir o fluido através das saídas de quarto estágio relativamente amplas 397 no perímetro externo 305 da pilha. A saída 397 pode ser dividida em múltiplas saídas segregadas por elementos de reforço 398, como mostrado, sem afetar desfavoravelmente a contrapressão predeterminada. Por exemplo, em qualquer dispositivo de redução de pressão de fluido aqui descrito pode ser conveniente incluir elementos de reforço dentro da área de saída para substancialmente eliminar as ressonâncias induzidas por vibração na saída sem substancialmente reduzir a área de fluxo de saída desejada. Em aplicações de regulagem de válvula, as placas anulares podem ser conjuntamente fixadas por soldagens em torno da periferia das placas empilhadas ou podem ser caldeadas. Como tais, os elementos de reforço da placa de fluxo podem ser ligados com as placas de câmara de pressão adjacentes para reduzir as áreas de saída contínuas expostas a fluxos de alta velocidade que podem induzir vibrações e ruído no dispositivo.

Os trajetos de fluxo de redução de pressão progridem do centro oco 306 para o perímetro externo 305 do conjunto de placas empilhadas 300 e são assegurados pela superposição de placas anulares com decalagens de rotação conforme ilustrado. Adicionalmente, aqueles versados na técnica podem também apreciar que de maneira similar ao difusor do exemplo, as entradas 362 para o primeiro estágio podem ser assimetricamente dispostas em torno do centro oco. Acredita-se que a disposição assimétrica das entradas 362 do primeiro estágio 360 permite um máximo numero de entradas do centro oco enquanto prevenindo um alinhamento axial das ditas entradas, que pode eliminar a formação de fluxos axiais colunares dentro da pilha de placas que podem reduzir a formação de níveis de ruído inaceitáveis. Deve também ser apreciado que as sucessivas saídas de placa de fluxo não são alinhadas ao longo do eixo geométrico longitudinal. As sucessivas saídas de placa de fluxo 397 podem ser giradas em relação às placas adjacentes para assegurar que as saídas adjacentes ao longo do eixo geométrico longitudinal ζ não se alinhem. A interação de jatos na saída pode promover níveis de ruído inaceitáveis, assim as saídas não alinhadas podem substancialmente reduzir o ruído irradiado pelo dispositivo de redução de pressão de fluido. Além disso, o alinhamento preferencial das saídas 397 minimiza as distâncias entre os elementos de reforço 398 para substancialmente aumentar a freqüência ressonante das saídas para adicionalmente minimizar o ruído audível.

Por último, deve ser apreciado que, de maneira similar ao difusor de exemplo, as restrições de terceiro estágio do regulador de válvula de exemplo 300 não têm uma geometria convergente/divergente (isto é, similar a bocais) tal como das restrições de primeiro e segundo estágio. Como previamente explanado, a função do terceiro e quarto estágio é proporcionar uma contrapressão predeterminada para os estágios prévios enquanto assegurando uma queda de pressão relativamente menor que substancialmente aperfeiçoa a atenuação do ruído aerodinâmico em uma aplicação de alta queda de pressão substancialmente eliminando o fluxo sônico nas saídas. Assim, no dispositivo de redução de pressão de fluido de um e outro exemplo, o ruído de dispositivo total pode ser substancialmente reduzido criando uma queda de pressão específica nos estágios de saída definidos pelas relações de área de entrada para saída de um estágio dado.

Aqueles versados na técnica podem apreciar que existem numerosos processos para predeterminar ou selecionar as relações de queda de pressão e geometrias de passagem como previamente descrito que proporciona fluxo subsônico no estágio de saída dos dispositivos de redução de pressão de fluido de exemplo sem se afastar do espírito e âmbito dos dispositivos de redução de pressão de exemplo. Um processo deste tipo é descrito em detalhe abaixo. Por exemplo, reconhecendo que para fluidos compressíveis, tal como vapor de água, uma relação de queda de pressão em excesso de 0,5 pode promover fluxo sônico, um dispositivo de quatro estágios, tal como o difusor de exemplo 100 ou regulador de válvula 20, pode ser configurado para substancialmente reduzir o ruído radiado em uma aplicação de relação de alta queda de pressão. Mais especificamente, um dispositivo de redução de pressão de fluido de quatro estágios pode ter fluxo subsônico nas saídas selecionando as relações de queda de pressão de terceiro e quarto estágio para ser de aproximadamente 0,4.

E genericamente entendido que a relação de queda de pressão é útil para predizer as velocidades de fluido através de componentes de fluxo (e.g., um dispositivo de redução de pressão de fluido ou uma passagem de fluido no interior do dispositivo de redução de pressão de fluido) e pode ser determinado usando a Equação 1, abaixo:

I. Equação 1 -

aiiiüll

Como mostrado acima na Equação 1, a relação de queda de pressão (x) é igual à relação do diferencial de pressão (Pentrada ~ Psaída) através do componente fluido e da pressão de entrada (Psaida)· Por exemplo, com uma pressão de entrada (Pentrada)· Por exemplo, com uma pressão de entrada (Pentrada) de 2758 Pa com pressão de saída (PsaIda) de 11,35 Pa, a relação de queda de pressão (x) é aproximadamente de 0,963 Pa. Como previamente descrito, uma aplicação com estes parâmetros de entrada/saída seria classificada como uma aplicação de alta relação de queda de pressão e exigiria dispositivos de redução de pressão de fluido além dos convencionais para alcançar níveis de ruído aceitáveis. Para resolver para as relações de queda de pressão sucessivas para um dispositivo de múltiplos estágios, tal como o dispositivo de redução de pressão de fluido do presente exemplo, pode-se apreciar que nos estágios intermediários, a pressão de saída de um estágio precedente dentro de um setor de fluxo é substancialmente igual à pressão de entrada de um estágio subseqüente. Esta relação pode ser explorada ao calcular as relações de queda de pressão de estágio individual que conduzirão às considerações de geometria (isto é, relações de área de entrada para saída) ao derivar os parâmetros do dispositivo.

Aqueles versados na técnica podem apreciar que a determinação das pressões de entrada e saída para um estágio dado assegurará a base determinadora da geometria do estágio para alcançar a redução de pressão desejada, e, por conseguinte, a relação de queda de pressão desejada. Por exemplo, selecionando o fluxo através de todos os estágios para ser constante (isto é, substancialmente igual), equações dimensionais conhecidas para fluidos compressíveis da publicação ANSI/ISA-75.01.01-2002 da American National Standards Institute/Instrument Society of America, podem ser usadas para derivar as relações de área tanto para condições de fluxo não estrangulado como para fluxo estrangulado. Resolvendo a equação para taxa de fluxo em massa como selecionar o fluxo através de cada estágio para ser substancialmente o mesmo (isto é, fluxo constante através de cada estágio do dispositivo), as relações de área para as áreas de entrada e as áreas de saída para cada estágio podem ser determinadas.

Assim, conhecendo a pressão de entrada (Pentrada), a pressão de saída (Psaída) do dispositivo total e as relações de queda de pressão de estágio final desejadas para o terceiro e quarto estágios (Xe=O,4 Qx4 = 0,4) para uma aplicação dada, aqueles versados na técnica podem calcular as relações de fluido remanescentes (isto é, relações de queda de pressão de estágio e área de estágio).

Como mostrado na Equação 2 abaixo, a pressão de entrada de quarto estágio (Pentrada) pode ser determinada a partir da pressão de saída de quarto estágio conhecida (e.g., PsaIda = 11,35 Pa) e a relação de queda de pressão de quarto estágio predeterminada (e.g., X4= 0,4). Por exemplo, com as condições dadas do presente exemplo, a pressão de entrada de quarto estágio pode ser aproximadamente de 11,46 Pa dividida por 0,6 ou 165,48 Pa. Como previamente descrito, para os estágios intermediários, a pressão de saída de um estágio precedente é substancialmente igual à pressão de entrada de um estágio subseqüente, como mostrado na Equação 3. P .

11. Equação 2 P = —^4aaia

Medrada · j

IIJ Equação 3 ρ _ ρ

JfóJ» Jataria

ÍV. Equação 4 ρ _ ^i"*1*

3odrdt I _ jç

Ao resolver a pressão de entrada do terceiro estágio (P3entradaX a pressão de entrada de quarto estágio P4entrada calculada na Equação 2 pode ser substituída na Equação 4 pela pressão de saída de terceiro estágio (PCentrada)· P°r conseguinte, quando a relação de queda de pressão de terceiro estágio, x3, é desejada ser de 0,4, a pressão de entrada para o terceiro estágio (P3entrada) pode ser aproximadamente de 275,8 Pa. Uma vez que s condições de pressão para o quarto estágio e o terceiro estágio tenham sido determinadas, os parâmetros restantes para o segundo e primeiro estágio podem ser determinados. As equações 5 e 6 mostradas abaixo definem as relações de queda de pressão para os segundo e primeiro estágios, respectivamente.

,, ^ PifήΛ* — P íerotrada

V. Equaçao 5 Jtt =-—■—..........

VI. tquaçao 0 Xj =

Equação 6 χ = _

ρ

* ladrada.

Aqueles versados na técnica podem adicionalmente apreciar que pode ser preferível tomar uma queda de pressão substancial dentro dos estágios internos do dispositivo de redução de pressão de fluido para proporcionar substanciais reduções de pressão de fluido para reduzir o ruído irradiado nos estágios externos do dispositivo. Especificamente, os estágios internos podem ter relações de queda de pressão em um ou ambos os estágios que produzem velocidades de fluido sônicas, porém como previamente explanado, devido a insatisfatório acoplamento acústico dos estágios internos com o perímetro de descarga, o ruído gerado por estes estágios internos não afeta contrariamente as características de atenuação de ruído total do dispositivo.

Aqueles versados na técnica podem também apreciar que as relações de queda de pressão de primeiro e segundo estágios podem ser, porém não necessariamente, substancialmente iguais, como mostrado na Equação 7.

.PlarfraIa — P ledraia. JP 2erfraila " P íiáfa_

vii. Equação 7

PlaiiraãA P íerfrada

viii. Equação 8 ρ _ d

lfúdi ~

No presente exemplo, as relações de queda de pressão de segundo estágio e primeiro estágio, X2 e Xj. são selecionadas para ser substancialmente iguais somente para simplificar a determinação das pressões de entrada saída para aqueles estágios. Como previamente descrito, e como mostrado na Equação 8, a pressão de entrada de segundo estágio (P2entrada) é substancialmente igual à pressão de saída do primeiro estágio (Ρ ι entrada)·

IX. Equação 9 P = Jp X F1 ,

IiuU » ladrada 2faila

Por conseguinte, como mostrado na Equação 9, a pressão de saída de primeiro estágio (P]saída) pode ser determinada substituindo a Equação 8 na Equação 7 e resolver para a pressão de saída de primeiro estágio (Pisaida) ■ Assim, no presente exemplo, a pressão de entrada de primeiro estágio (Pientrada) f°i dada para ser de 2748 Pa e a pressão de saída de segundo estágio (Pisaída) f°i derivada das Equações 3 (isto é, P2saída = Písaida)· Por conseguinte, após efetuar a substituição, a pressão de saída de primeiro estágio de exemplo (Pisaída) pode ser aproximadamente 381 Pa e pela equação 5 e 6, as relações de queda de pressão de segundo e primeiro estágios podem ser aproximadamente de 0,681. Assim, aqueles versados na técnica podem apreciar que para fluidos compressíveis, as relações de queda de pressão de segundo estágio e primeiro estágio podem produzir fluxo sônico dentro destes estágios.

Por conseguinte, uma vez que as pressões de entrada e saída para cada estágio sejam determinadas, as equações de fluxo padrão encontradas na ANSI /ISA -75;01.01-2002, Flow Equations for Sizing Control Valves, Terceira Impressão, 2 de março de 2004, tal como a Equação IOe Equação 11, podem ser usadas para determinar as relações de área de entrada para saída para configurar o dispositivo de quatro estágios de exemplo para fluxo subsônico no estágio de saída.

JP ie ntrada

X- Equação 10 W = CrANFftY Jxi x Pjsaida M/>——

Jr atmosfera

Pisaida XI.

ι-j

Equação 11 W ~ C.AN YXTf XPisaida

V

atmosfera

Isto é, resolvendo a equação dimensional para fluxo (w), e selecionar o fluxo em massa de cada estágio para serem substancialmente iguais, aqueles versados na técnica podem calcular a Área (A) das entradas e saídas para produzir o fluxo em massa desejado. Assim, mantendo as Relações de Área para as entradas e saídas para cada estágio nas geometrias das passagens, o fluxo através de cada estágio com respeito às relações de queda de pressão predeterminadas pode ser controlado para promover fluxo subsônico no estágio de saída quando as condições de entrada e as condições de saída são conhecidas.

A título de exemplo, quando as relações de queda de pressão podem ser aproximadamente de 0,4 para o quarto estágio e o terceiro estágio e aproximadamente de 0,68 para o segundo estágio e primeiro estágio, as relações de área de entrada para saída podem ser de cerca de 15,89, 9,52 e 3,13 para o quarto a terceiro estágio, terceiro a segundo estágio, e segundo a primeiro estágio, respectivamente. Mantendo estas relações de área no dispositivo de redução de pressão de fluido do exemplo, uma contrapressão predeterminada é desenvolvida nos estágios 4 e 3 para promover fluxo subsônico no estágio de saída final. Assim, genericamente, para aplicações onde a relação de queda de pressão do dispositivo cria velocidades sônicas nas saídas, as relações de área de entrada para saída predeterminadas do difusor de exemplo e regulador de válvula decrescem a pressão de uma maneira controlada para substancialmente reduzir o ruído aerodinâmico normalmente associado com as ditas aplicações.

Em sumário, o conjunto de placas empilhadas pode ser caracterizado como segue:

1. O conjunto de placas empilhadas tem múltiplos trajetos de redução de pressão tendo entradas no centro oco e saídas no perímetro externo radialmente alinhadas em setores de fluxo individuais;

2. Os trajetos de fluxo de redução de pressão são definidos por mais de dois estágios de redução de pressão acoplados em série. Cada estágio de redução de pressão é acoplado com outro estágio de redução de pressão em pelo menos uma placa anular adjacente. Os estágios de redução de pressão podem alternar entre duas placas ou podem progredir através de sucessivas placas. Cada estágio exceto o último envolve fluxo radial através de aberturas para o interior de uma câmara de pressão sucedido por fluxo axial para o interior do estágio seguinte em uma placa adjacente (o último estágio envolve somente fluxo radial através de uma abertura para o perímetro externo do conjunto de placas empilhadas).

3. Cada estágio inclui uma ou mais aberturas. Cada abertura do interno ou primeiro e segundo estágio tem uma entrada bem arredondada ou bem ovalada e uma saída abrupta. Cada um destes estágios descarrega no interior de uma câmara de pressão que é relativamente largo na direção circunferente e é relativamente estreito na direção radial. Nos estágios externos, as restrições são genericamente retangulares em forma e as dimensões são selecionadas para exercer uma contrapressão para controlar as velocidades de fluido e manter o fluxo subsônico.

Embora tenham sido ilustradas e descritas o que são presentemente consideradas modalidades preferenciais da invenção, será óbvio aqueles versados na técnica que diversas variações e modificações podem ser introduzidas sem se afastar do âmbito da invenção conforme definida pelas reivindicações apensas. Por exemplo, o quarto estágio do regulador de válvula pode ser removido para válvulas de controle relativamente pequenas ou de maneira similar, para difusores relativamente grandes, um estágio de fluxo adicional pode ser usado quer em um estágio interno quer um estágio externo sem se afastar do espírito e âmbito da presente invenção.

Ainda que determinados aparelhos, processos e artigos de manufatura tenham sido aqui descritos, o âmbito de cobertura da presente invenção não está limitado aos mesmos. Pelo contrário, a presente invenção abrange todos os aparelhos, processos, e artigos de manufatura que se enquadrem razoavelmente dentro do âmbito das reivindicações apensas quer literalmente quer sob a doutrina de equivalentes.

Claims

1. Dispositivo redutor de pressão de fluido, caracterizado pelo fato de que compreende: duas ou mais placas anulares empilháveis, cada disco tendo um perímetro e um centro oco alinhado ao longo de um eixo geométrico longitudinal quando as placas anulares são empilhadas uma sobre a outra, e que cada disco adicionalmente compreende: pelo menos um setor de fluxo de admissão tendo um estágio de fluxo de admissão para definir uma primeira área de entrada e uma primeira área de saída; e pelo menos um setor de fluxo de saída tendo um estágio de fluxo de saída definindo uma segunda área de entrada e uma segunda área de saída, no qual a relação da segunda área de entrada para a segunda área de saída é predeterminada para definir uma contrapressão no estágio de fluxo de saída para proporcionar um fluxo de fluido subsônico no perímetro.

2. Dispositivo redutor de pressão de fluido de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do pelo menos um estágio de fluxo de entrada adicionalmente compreender: pelo menos uma fenda de admissão de fluido se estendendo parcialmente do centro oco no sentido do perímetro; e uma primeira câmara de pressão sendo radialmente alinhada e adjacente à fenda de entrada de fluido, e parcialmente se estendendo do perímetro no sentido do centro oco, e o pelo menos um estágio de fluxo de saída adicionalmente compreender: pelo menos uma fenda de saída de fluido se estendendo parcialmente do perímetro no sentido do centro oco, e uma segunda câmara de pressão sendo radialmente adjacente à fenda de saída de fluido e parcialmente se estendendo do centro oco no sentido do perímetro.

3. Dispositivo redutor de pressão de fluido de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de um primeiro disco ser seletivamente posicionado para ser empilhado sobre o topo de um segundo disco para permitir fluxo de fluido da fenda de entrada de fluido do estágio de fluido de entrada do primeiro disco para a segunda câmara de pressão do estágio de fluxo de saída do segundo disco de tal maneira que um fluxo de fluido é dividido em uma direção axial superior e inferior para fluir para o interior de fendas de câmara de pressão adjacentes com múltiplas direções de fluxo radial, e a seguir distribuído através da pelo menos uma fenda de estágio de saída em pelo menos um disco.

4. Dispositivo redutor de pressão de fluido de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de cada disco compreender uma pluralidade de estágios de fluxo na qual um primeiro estágio de fluxo e um segundo estágio de fluxo substancialmente reduzem a pressão de fluido no seu interior.

5. Dispositivo redutor de pressão de fluido de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de um terceiro estágio de fluxo e de um quarto estágio de fluxo substancialmente reduzirem o ruído aerodinâmico do dispositivo redutor de pressão fluida.

6. Dispositivo redutor de pressão de fluido de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato do primeiro estágio de fluxo e o segundo estágio de fluxo compreenderem passagens que definem pares de contração/expansão do tipo bocal.

7. Dispositivo redutor de pressão de fluido de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato do terceiro estágio de fluxo e o quarto estágio de fluxo compreenderem passagens que são genericamente retangulares em formato.

8. Dispositivo redutor de pressão de fluido de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato dos primeiro e segundo estágios de fluxo serem configurados para proporcionar uma relação de queda de pressão entre a faixa de 0,50 e 0,78.

9. Dispositivo redutor de pressão de fluido de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato do terceiro e quarto estágios de fluxo ser configurados para proporcionar uma relação de queda de pressão entre a faixa de 0,50 e 0,78.

10. Dispositivo redutor de pressão de fluido de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de cada disco incluir aberturas de montagem localizadas na periferia de cada disco e do dispositivo ainda compreender uma pluralidade de prendedores alongados, cada um adaptado para passar através de uma respectiva das aberturas de montagem em cada uma das placas anulares para manter as placas anulares empilhadas conjuntamente montadas.

11. Dispositivo redutor de pressão de fluido de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de cada abertura de montagem incluir uma passagem de fluido em comunicação com o fluido escoando através do dispositivo redutor de pressão de fluido.

12. Dispositivo redutor de pressão de fluido, caracterizado pelo fato de que compreende: uma pluralidade de placas anulares empilhadas, cada disco tendo um perímetro e um centro oco alinhado ao longo de um eixo geométrico longitudinal quando as placas anulares são empilhadas uma em cima da outra, e que cada disco adicionalmente compreende: um setor de fluxo de entrada tendo um estágio de fluxo de entrada compreendendo uma fenda de entrada de fluido se estendendo parcialmente do centro oco no sentido do perímetro e uma primeira câmara de pressão sendo radialmente adjacente à fenda de entrada de fluido e parcialmente se estendendo do perímetro no sentido do centro oco; e um setor de fluxo de saída tendo um estágio de fluxo de saída compreendendo uma fenda de saída de fluido se estendendo parcialmente do perímetro no sentido do centro oco e uma segunda câmara de pressão sendo radialmente adjacente à fenda de saída de fluido e parcialmente se estendendo do centro oco no sentido do perímetro.

13. Dispositivo redutor de pressão de fluido de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato das placas anulares empilhadas adjacentes serem seletivamente posicionadas para permitir o fluxo do estágio de entrada de fluido proveniente de um primeiro disco para o interior da segunda câmara de pressão de placas anulares adjacentes de tal forma que o trajeto de fluxo de fluido seja dividido em direções de fluxo axial e radial, e então distribuído através da primeira câmara de pressão do primeiro disco para as fendas de saída das placas anulares adjacentes.

14. Dispositivo redutor de pressão de fluido de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato do dispositivo incluir uma pluralidade de prendedores alongados cada um adaptado para passar através de uma respectiva das aberturas de montagem em cada uma das placas anulares para manter as placas anulares empilhadas conjuntamente montadas.

15. Dispositivo redutor de pressão de fluido de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de cada disco incluir aberturas de montagem espacialmente separadas sobre o disco, cada abertura de montagem tendo uma passagem para fluido em comunicação com o fluido escoando através do dispositivo redutor de pressão de fluido.

16. Dispositivo redutor de pressão de fluido de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de cada disco compreender uma pluralidade de estágios de fluxo no qual um primeiro estágio de fluxo proporciona fluxo de fluido para um segundo estágio de fluxo, e o segundo fluxo proporciona fluxo de fluido para um terceiro fluxo proporcionando estágio de fluxo de fluido.

17. Dispositivo redutor de pressão de fluido de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato do terceiro estágio de fluxo proporcionar fluxo de fluido para um quarto estágio de fluxo.

18. Dispositivo redutor de pressão de fluido de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato do quarto estágio de fluxo proporcionar uma contrapressão suficiente para induzir fluxo de fluido subsônico no perímetro.