BRPI0806478A2 - aparelho de bomba de deslocamento positivo - Google Patents

Abstract

APARELHO DE BOMBA DE DESLOCAMENTO POSITIVO. A presente invenção refere-se a um aparelho de bomba de deslocamento positivo (10) para deslocar um fluido de bombeamento. O aparelho compreende uma ou mais câmaras de bomba (22) dispostas em um sistema de tubulação para receber o fluido de bombeamento, o sistema de tubulação tendo pelo menos uma entrada (21') que pode ser fechada por meio de uma válvula (24'), e pelo menos uma saida (21") que pode ser fechada por meio de uma válvula (24"). A uma ou mais câmaras de bomba 22 são conectadas via pelo menos uma câmara de fluido intermediária (13") com pelo menos um elemento de deslocamento na forma de uma cabeça de pistão (14) e uma haste de pistão (15), que é disposto para alternadamente executar um percurso de sucção e um percurso de deslocamento durante seu movimento de modo a deslocar fluido na câmara intermediária de fluido (13"), que, desse modo aumenta e reduz, respectivamente, o volume da câmara da bomba (22). Pelo menos um elemento de separação flexível na forma de um diagrama (23) é fornecido na câmara da bomba (22) para separar o fluido na câmara intermediária de fluido (13") do fluido de bombeamento. Além disso, um dispositivo de força é fornecido para aplicar força ou energia a uma lateral da dita pelo menos uma cabeça de pistão (14) pelo menos durante o per- curso de deslocamento, de tal maneira que a dita força ou energia contraria a força exercida na cabeça do pistão (14) através do fluido na câmara intermediária de fluido (13"), que pode, desse modo, reduzir a força total necessária para executar o movimento do percurso de deslocamento da cabeça do pistão (14) e da haste do pistão (15).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "APARELHO DE BOMBA DE DESLOCAMENTO POSITIVO".

Campo Técnico

A presente invenção refere-se a um aparelho de bomba de des- locamento positivo para o bombeamento de meios tais como líquidos ou ga- ses. Também está descrito aqui o método de controlar a operação de uma bomba de deslocamento positivo. Deve ser apreciado que o método e apare- lho podem ser aplicados a muitos projetos diferentes de bomba de desloca- mento positivo incluindo bombas de múltiplas câmaras.

Antecedentes da Técnica

As bombas de deslocamento positivo são amplamente usadas. Tais bombas podem compreender uma ou mais câmaras de bomba, cada câmara tendo uma entrada e uma saída. Em uso, a entrada e a saída podem ser seqüencialmente abertas e fechadas. No aparelho conhecido cada câ- mara de bomba pode estar disposta com pelo menos um elemento de deslo- camento, que pode ser movido por alguma espécie de dispositivo de acio- namento disposto adjacente à câmara da bomba. Durante esse movimento, o elemento de deslocamento alternadamente executa um percurso de suc- ção e um percurso de deslocamento aumentando, desse modo, e reduzindo, respectivamente, o volume da câmara de bomba.

Em algumas modalidades da técnica anterior a câmara da bom- ba pode ter pelo menos um elemento de separação flexível que forma pelo menos parte da parede lateral da mesma e que funciona para separar o e- Iemento de deslocamento do fluido que está sendo bombeado através da câmara.

Tais bombas de deslocamento são geralmente usadas em sis- temas de bomba e/ou de compressor para bombear ou deslocar meios a- gressivos e/ou abrasivos tais como lamas de partículas, ou alguns líquidos ou gases corrosivos que podem estar em alta temperatura ou sob alta pres- são. Em uma modalidade de um dispositivo de deslocamento conhecido uma certa quantidade de meio a ser deslocado é carregado na câmara da bomba via a entrada lateral (e do sistema de tubulação) durante o percurso de sucção do elemento de deslocamento, e essa mesma quantidade de meio é deslocada (ou forçada) fora da câmara da bomba via a saída lateral durante o percurso de deslocamento do elemento de deslocamento.

O dispositivo de acionamento, que impõe um movimento de translação no elemento de deslocamento, pode ser um motor linear, um a- cionador de magneto, um acionador hidráulico, um acionador de eixo de ca- rne, um acionador excêntrico, um mecanismo de haste de conectar manive- la, etc. Em circunstâncias operacionais normais, o elemento de deslocamen- to suporta um percurso de deslocamento carregado pela pressão de opera- ção e um percurso de sucção e um percurso de sucção sem carga ou de carga baixa. Como resultado dessa aplicação de forças desequilibradas, as dimensões construcionais do elemento de deslocamento e suas partes res- pectivas são engrenadas ao percurso de deslocamento carregado.

O objetivo da invenção é fornecer um aparelho da bomba de deslocamento em que a carga nas partes de movimento é significantemente reduzida.

Sumário da Invenção

A presente invenção fornece um aparelho de bomba de deslo- camento positivo para deslocar um fluido de bombeamento, o aparelho com- preendendo:

uma ou mais câmaras de bomba dispostas em um sistema de tubulação para receber o fluido de bombeamento, o sistema de tubulação tendo pelo menos uma entrada que pode ser fechada por meio de uma vál- vula, e pelo menos uma saída que pode ser fechada por meio de uma válvu- Ia;

em que a uma ou mais câmaras de bomba são conectadas via pelo menos uma câmara intermediária de fluido com pelo menos um ele- mento de deslocamento, o elemento de deslocamento sendo disposto para alternadamente executar um percurso de sucção e um percurso de deslo- camento durante seu movimento de modo a deslocar fluido na câmara in- termediária de fluido, que, desse modo, aumenta e reduz, respectivamente, o volume da câmara da bomba; e em que pelo menos um elemento de separação flexível é for- necido na câmara da bomba para separar o fluido na câmara intermediária de fluido do fluido de bombeamento,

em que de acordo com a invenção é fornecido um dispositivo de força para aplicar força ou energia a um lado do dito um elemento de deslo- camento pelo menos durante o percurso de deslocamento, de tal maneira que a dita força ou energia contrapõe a força exercida no elemento de des- locamento através do fluido na câmara intermediária de fluido, reduzindo desse modo, a força total necessária para executar o movimento de percur- so de deslocamento do elemento de deslocamento.

Em uma modalidade, o elemento de deslocamento pode ser mo- vido por um dispositivo de acionamento em um lado da câmara da bomba.

Em uma modalidade, o dispositivo de força pode receber força ou energia que é gerada durante o percurso de sucção.

Como resultado da aplicação de uma força adicional no elemen- to de deslocamento, a carga à qual as várias partes são submetidas durante a operação do dispositivo de deslocamento pode ser extremamente reduzida.

Além disso, porque o elemento de deslocamento não está dire- tamente em contato com o fluido de bombeamento, mas separado usando um elemento de separação e uma câmara intermediária de fluido, as forças de compensação podem ser aplicadas diretamente no elemento de deslo- camento uma vez que esse elemento de deslocamento está operando em um fluido intermediário limpo, limitando ainda suas dimensões construcio- nais. Através de compensação do percurso de deslocamento carregado e do carregamento do percurso de sucção não-carregado com aproximadamente a mesma força de compensação, a carga total é distribuída por todo o per- curso do elemento de deslocamento. Toda a engrenagem de acionamento pode ser carregada com uma energia de deslocamento muito maior, ou um dispositivo de acionamento tendo menores dimensões pode ser usado nas mesmas condições de operação.

Em uma modalidade, o dispositivo de força pode estar localizado em um lado do elemento de deslocamento que é oposto ao lado em que a câmara da bomba está localizada.

Em uma modalidade o dispositivo de força pode ser um fluido tal como um óleo hidráulico ou um fluido aquoso ou um gás.

Em uma modalidade alternativa, o dispositivo de força pode compreender pelo menos um elemento de mola, o qual engata o dito pelo menos um elemento de deslocamento em um lado do elemento de desloca- mento que é oposto ao lado em que a câmara da bomba está localizada.

Em uma modalidade alternativa adicional, o dispositivo de força pode compreender um acumulador de gás pressurizado para um meio de operação, cujo acumulador está em comunicação com um lado do elemento de deslocamento que está no lado oposto em que a câmara da bomba está localizada. Dessa maneira, uma força de contrapressão ou uma força oposta pode ser exercida no elemento de deslocamento de uma maneira eficiente, em particular durante o percurso de deslocamento, resultando em forças reduzidas ou cargas nas partes de movimento do aparelho. Em uma forma disso, o meio de operação pode ser um fluido pressurizável, em particular um gás. Em tal modalidade o acumulador pode funcionar como um reserva- tório para o fluido que é deslocado para dentro e para fora do acumulador dependendo da posição do elemento de deslocamento.

Em uma modalidade, o lado de pelo menos um dos elementos de deslocamento que é oposto ao lado em que a câmara da bomba está lo- calizada pode estar em comunicação com um lado de pelo menos um dos outros elementos de deslocamento que está também localizado no lado o- posto de uma outra câmara da bomba respectiva. Em uma forma desse ar- ranjo, um número de elementos de deslocamento pode ser mutuamente transladado em fase um com o outro de tal maneira que o volume nos lados dos elementos de deslocamento que estão em comunicação um com o outro é contíguo, e que a soma dos volumes permanece substancialmente e intei- ramente constante.

Em outras palavras, quando o dispositivo de força é um fluido, enquanto um elemento de deslocamento está estendido em um percurso de deslocamento, um outro dos elementos de deslocamento está retraído em um percurso de sucção naquele momento, de modo que o fluido pode fluir da região atrás de um elemento de deslocamento para a região atrás do ou- tro elemento de deslocamento respectivo. A vantagem disso é que as várias seções de bomba da bomba de deslocamento positivo suportam uma outra de uma maneira autocontida. Isso resulta em uma utilização eficiente do meio de operação pressurizável, de modo que o dito meio pode em todos os momentos suportar o percurso de distribuição das várias câmaras de bom- ba, da bomba de deslocamento positivo. Em uma forma particular desse ar- ranjo, o dito volume contíguo pode ser definido dentro de um coletor.

Em uma modalidade, o ou cada elemento de deslocamento pode ser um pistão do êmbolo.

Em uma modalidade, o ou cada elemento de separação flexível pode formar uma parede ou uma porção de uma parede da câmara interme- diária que faceia na câmara da bomba.

Em uma modalidade, o dito dispositivo de força pode ainda compreender um elemento de bomba disposto para deslocar o meio inter- mediário em direção à lateral do dito pelo menos um elemento de desloca- mento que está oposto à lateral em que a câmara da bomba está localizada.

Em uma modalidade, o dispositivo de força pode ser controlado parcialmente com base na presente pressão na saída e possivelmente tam- bém na entrada do sistema de tubulação.

Em uma modalidade, o dispositivo de força pode ser parcialmen- te controlado com base na presente temperatura na dita lateral do dito pelo menos um elemento de deslocamento, onde a força é aplicada.

Em uma modalidade, o dispositivo de força pode ser controlado parcialmente com base na presente pressão na dita lateral do dito pelo me- nos um elemento de deslocamento, onde a força é aplicada.

Breve Descrição dos Desenhos

Apesar de quaisquer outras formas que podem estar dentro do escopo do método e aparelho como estabelecido no Sumário, modalidades específicas do método e aparelho serão agora descritas, a título de exemplo, e com referência aos desenhos em anexo, em que:

A figura 1 é uma vista em perspectiva externa de uma bomba de deslocamento positivo de acordo com o estado da técnica;

a figura 2a mostra um diagrama esquemático de uma primeira, modalidade parcial de uma bomba de deslocamento positivo de acordo com a invenção;

a figura 2b mostra um diagrama esquemático de uma modalida- de adicional, parcial de uma bomba de deslocamento positivo de acordo com a invenção;

a figura 2c mostra um diagrama esquemático ainda de uma mo- dalidade adicional, parcial de uma bomba de deslocamento positivo de acor- do com a invenção;

a figura 3 mostra um diagrama esquemático de uma modalidade parcial de uma bomba de deslocamento positivo de acordo com a invenção;

a figura 4 mostra um diagrama esquemático de uma modalidade parcial de uma bomba de deslocamento positivo de acordo com a invenção;

a figura 5a mostra um diagrama esquemático de uma bomba de deslocamento positivo de acordo com a invenção;

a figura 5b mostra um diagrama esquemático de uma bomba de deslocamento positivo de acordo com a invenção;

a figura 5c mostra um diagrama esquemático de uma bomba de deslocamento positivo de acordo com a invenção;

a figura 6a mostra um diagrama de algumas medições experi- mentais de medições de carga do elemento de deslocamento feitas usando- se uma bomba de deslocamento positivo tanto com quanto sem balancea- mento de carga, onde o balanceamento de carga é executado usando-se um aparelho que está de acordo com a invenção;

a figura 6b mostra um diagrama de alguns cálculos teóricos de taxas de fluxo de fluido individuais gerado por elementos de deslocamento individuais como uma função do ângulo de eixo de manivela de bomba feito usando-se uma bomba de deslocamento positivo tendo três elementos de deslocamento, câmaras intermediárias, câmaras de bomba e combinações de elemento de separação flexível e sendo o aparelho que está de acordo com a invenção.

Descrição Detalhada de Modalidades Específicas

Para um correto entendimento da invenção, partes similares se- rão indicadas pelos mesmos números na descrição das figuras abaixo. A figura 1 mostra uma modalidade de uma bomba de deslocamento positivo de acordo com o estado da técnica. A bomba 10 compreende três câmaras de bomba 12a-c, que são integradas em um alojamento de bomba 12 conecta- do ao cárter 11.

A bomba de deslocamento positivo 10 é configurada como um dispositivo de deslocamento triplo nesse caso. Nessa modalidade, a câmara da bomba 12 compreende três seções de bomba configuradas como combi- nações de cilindro-pistão, cujos cilindros individuais são indicados como 13a- 13c. Posicionados dentro das câmaras de cilindro 13a-13c estão três pistões 14a-14c (não-mostrado), que funcionam como elementos de deslocamento. Como mostrado, cada pistão 14a-14c é conectado a uma haste de pistão 15a-15c (vide figuras 3 e 4), cuja haste de pistão 15a-15c é conectada a al- gum tipo de dispositivo de acionamento. Nessa modalidade o dispositivo de acionamento é configurado como um cárter montado para rotação no cárter 11, que é acionado pelo eixo de acionamento 111 via uma transmissão de engrenagem interna, nesse caso.

Por meio do cárter acionado de modo giratório 110, os pistões 14a-14c são reciprocamente movidos (transladados) nas câmaras de cilindro 13a-13c formando parte da câmara da bomba via as várias barras de pistão 15a-15c.

Com referência agora à figura 2a, o alojamento de bomba 20 compreende uma câmara da bomba 22. O alojamento de bomba 20 é incor- porado a um sistema de tubulação tendo uma entrada lateral 21' e uma saí- da lateral 21", em que a entrada lateral e a saída lateral são ambas fechadas por meio de válvulas sem retomo 24' e 24", respectivamente.

Para deslocar um meio fluindo através do sistema de tubulação, é fornecido um elemento de deslocamento na forma de uma combinação de uma cabeça do pistão 14 e uma haste de pistão 15, que pode ser translada- do para dentro e para fora da câmara da bomba 22 através de dispositivo de acionamento (não-mostrado). Como resultado do movimento de translação, a cabeça do pistão e a haste 14, 15 suportam um percurso de sucção bem como um percurso de deslocamento. Durante o percurso de sucção, a cabe- ça do pistão 14 se move da direção direita para a esquerda (do ponto de vista da figura 2a), aumentando desse modo o volume do espaço da câmara da bomba 22. Via a entrada lateral 21', um fluido ou mistura a ser bombeada é introduzida no espaço da câmara da bomba 22 além da válvula sem retor- no 24', que está aberta em tal situação. O espaço se torna maior porque o fluido na câmara intermediária de fluido 13a é movido da direita para a es- querda, e o elemento de separação flexível na forma de diafragma 23 tam- bém é retraído para a esquerda na direção da cabeça do pistão 14.

Durante o percurso de deslocamento, quando a cabeça do pis- tão e a haste 14, 15 se movem da esquerda para a direita como é mostrado na figura 2a, o volume do espaço da câmara da bomba 22 é reduzido e o fluido ou mistura presente no dito espaço da câmara da bomba é deslocado via a saída lateral 21". A válvula sem retorno 24" abre, enquanto a válvula sem retorno 24' na entrada lateral 21' permanece fechada. O fluido na câma- ra intermediária de fluido 13a é movido da esquerda para a direita, e como mostrado na figura 2a, o diafragma 23 também é comprimido para fora para a direita e para longe da cabeça do pistão 14.

Para nivelar as forças resultantes que são exercidas na haste do pistão 15 e no dispositivo de acionamento durante o movimento de transla- ção da cabeça do pistão 14 durante todo o percurso de translação, são for- necidos dispositivos de força pelos quais a energia armazenada durante o percurso de sucção é distribuída durante o próximo percurso de desloca- mento, liberando desse modo pelo menos alguma da força exigida para o percurso de deslocamento ocorrer. Na modalidade mostrada na figura 2a o dispositivo de força é configurado como um elemento de mola 161, que pode ter sido pré-carregado, e que é suportado no fundo 130 do alojamento do cilindro 13. O elemento de mola 161 exerce uma força na cabeça do pistão 14 que move dentro do alojamento do cilindro 13.

A figura 2b mostra uma outra modalidade do dito dispositivo de força 16 de acordo com a invenção, em que o dispositivo de força compre- ende um acumulador 162, em que um elemento de separação 166 está po- sicionado, o qual separa o espaço do acumulador 16 em um primeiro espaço 168 e um segundo espaço 167. O primeiro espaço 168 é preenchido com um gás que é separado do meio de operação presente no segundo espaço 167 possivelmente pela membrana flexível 166. O gás presente no primeiro espaço 168 pode ser ar comprimido sob uma pressão específica, por exem- pio, enquanto o meio presente no segundo espaço pode ser um líquido, por exemplo. O meio de operação exerce uma força na cabeça do pistão 14 porque o acumulador 162 está em comunicação com o espaço 13' do cilin- dro 13 em que a cabeça do pistão 14 é movida durante o uso.

Na modalidade mostrada na figura 2c, o dispositivo de força também compreende um acumulador 16, que nesse caso é completamente preenchido com um meio de operação gasoso e em que o elemento de se- paração 166 como mostrado na figura 2b está ausente.

As figuras 3, 4, 5a e 5b mostram uma bomba de deslocamento positivo, nessa modalidade um dispositivo de deslocamento tríplice, embora as figuras 3 e 4 mostrem somente o detalhe de uma das três combinações de um elemento de deslocamento na forma de uma cabeça do pistão 14 e da haste do pistão 15, uma câmara intermediária 13", uma câmara da bom- ba 22 e um elemento de separação flexível na forma de um diafragma 23. Um meio intermediário está presente na câmara intermediária 13". Em al- gumas modalidades, o meio intermediário pode ser um fluido incompressível tal como um líquido. Em algumas modalidades o diafragma não é um ele- mento separado, mas forma uma parede (ou porção de uma parede) da câ- mara intermediária que faceia sobre a câmara da bomba.

Durante o movimento de reciprocação nas câmaras de cilindro 13a'-13c', cada uma das cabeças de pistão 14a-14c desloca o fluido inter- mediário, que está presente na câmara intermediária 13", na direção de um elemento de separação flexível na forma de um diafragma ou mangueira 23. O diafragma ou mangueira 23 isola o dispositivo de deslocamento 10 da câ- mara da bomba 22, que é montado em uma tubulação via flanges de cone- xão 21a'-21a", através da qual os fluxos de líquido agressivo ou abrasivo, por exemplo, podem ser bombeados. O elemento de separação flexível pode também ser um elemento similar a uma mangueira.

Durante o percurso de deslocamento ou distribuição, o movi- mento do elemento de deslocamento é hidraulicamente transmitido para o diafragma 23 via o fluido intermediário na câmara intermediária 13", cujo dia- fragma 23 do mesmo modo expande e bombeia para fora o fluido ou lama de bombeamento que está presente na câmara da bomba 22 via uma das duas conexões de flange 21a e 21b, respectivamente. Como é claramente mostrado nas figuras 3 e 4, a tubulação 21a'-21a" é ajustada com válvulas sem retorno 24a'-24a", que, por conseguinte, permitem um deslocamento do fluido ou lama de bombeamento por meio do diafragma flexível reciproca- mente móvel 23a via a entrada lateral 21a' na direção da saída lateral 21a". Para absorver quaisquer pulsações no fluxo de lama que está sendo bom- beado, um assim chamado dispositivo de amortecimento de pulsação 25a é montado na porção de tubulação a jusante 21a".

Para reduzir a carga que está sendo exercida na haste do pistão 15a-15c e a cabeça do pistão 14a-14c enquanto a bomba de deslocamento positivo está sendo acionada via o cárter 110, a haste de cárter, a haste de conexão e a cruzeta (não-mostrada), o dispositivo de deslocamento é forne- cido com dispositivo de força que aplica uma força adicional à lateral da ca- beça do pistão 14a-14c respectiva na lateral oposta do diafragma 23.

Embora em uma primeira modalidade o dispositivo de força pos- sa ser na forma de um elemento de mola 161 disposto em torno da haste de pistão 15 (vide figura 2a), que é suportado tanto na cabeça do pistão 14a- 14c quanto no fundo 130 do alojamento do cilindro 13, em uma outra forma o dispositivo de força pode compreender um meio de operação pressurizável de fonte de um tanque de armazenagem 160 (vide figuras 3 e 4). O dito meio pressurizável pode ser um fluido que é suprido à primeira câmara de cilindro 13a'-13b'-13c' do alojamento 13a-13c por meio da bomba 161, uma válvula 162 e linhas de suprimento 16d e 16a-16c, respectivamente.

A pressurização do sistema de compensação de força ocorre uma vez somente mediante a partida do dispositivo de deslocamento, depois do que é usada somente para repor ou compensar quaisquer perdas por vazamento, ajustar as mudanças de pressão de descarga do dispositivo de deslocamento positivo ou para revigorar o fluido para propósitos de controle de temperatura. O número de referência 163a denota uma linha de retorno para acumular qualquer meio de operação intermediário excessivo no tan- que de armazenagem 160.

A pressurização do sistema de compensação de força pode também ocorrer no próprio sistema de deslocamento, mais em particular por meio do fluido intermediário, que é retornado da câmara intermediária 13a" via uma tubulação de realimentação 163d, para a válvula 162 e as tubula- ções de suprimento 16d e 16a-16c, respectivamente. Essa modalidade é mostrada na figura 4.

Em tais arranjos uma força ou pressão de fluido adicional é e- xercida nas cabeças do pistão 14a-14c durante o percurso de distribuição, cujo resultado a carga colocada nas várias partes como um resultado das forças operacionais que ocorrem durante o uso é reduzida, como já foi des- crito em relação às modalidades de elemento de deslocamento único. Por conseguinte, as partes de movimento essencial, de distribuição de força de deslocamento da bomba de deslocamento positivo 10 podem ser designa- das ou usadas com menores dimensões para as mesmas condições de ope- ração.

A figura 4 mostra um diagrama alternativo, em que em uma mo- dalidade adicional a câmara intermediária 13a"-13c" de cada seção de bom- ba é conectada à válvula 162 via a tubulação 163d. Nesse arranjo o meio fluido presente na câmara intermediária 13a"-13c" durante o percurso de distribuição pode ser descarregado sob pressão e ser usado para ser supri- do a uma primeira câmara de pressão 13a'-13b' de uma outra seção de bomba. Similarmente, o meio fluido presente na primeira câmara de cilindro 13a'-13c' pode ser descarregado sob pressão para a primeira câmara de cilindro 13a'-13c' de uma outra seção de bomba via as tubulações 16a-16c e a tubulação comum 16d (ou coletor) durante o percurso de sucção, em que outra seção de tubulação simultaneamente executa um percurso de deslo- camento ou distribuição.

Dessa maneira, as várias seções suportam uma outra executan- do alternadamente um percurso de distribuição e um percurso de sucção através de reciprocamente deslocar o meio fluido sob pressão. Por conse- guinte, as forças necessárias para serem distribuídas pelo dispositivo de a- cionamento, cárter e engrenagens nas várias partes de movimento durante os percursos de distribuição são significantemente reduzidas, de modo que várias partes podem ser desenhadas com dimensões menores. Isso pode resultar em uma unidade de dispositivo de acionamento ou unidade de cárter mais compacta para o dispositivo de deslocamento de acionamento único, que, além disso, pode ser mais barato para fabricação.

Em alguns arranjos, o fluido que é usado para efetuar uma redu- ção das forças exercidas nos pistões e barras de pistão é o mesmo que do meio intermediário que é usado para mover o diafragma flexível 23a-23c (23) durante os percursos de distribuição e sucção das várias seções.

As figuras 5a, 5b e 5c mostram adicionais elaborações das mo- dalidades mostradas nas figuras 3 e 4, que são compostas de três seções de deslocamento, que são cada uma controlada por um dispositivo de força de algum tipo. Nas modalidades mostradas nas figuras 5a-5c, é feito uso de um acumulador 163 como mostrado na figura 2c, que, ao contrário da moda- lidade única, somente fornece pouca elasticidade nesse caso devido aos aumentos e diminuições de volume das câmaras 13a'-13c\ e essas câmaras 13a'-13c' de outro modo compensam uma a outra em volume durante o uso. Nas modalidades mostradas nas figuras 5a-5c, é necessária alguma elasti- cidade para compensar os efeitos térmicos, pequenas diferenças (tais como um controle de fase incorreto dos vários elementos de deslocamento) mecâ- nicas (construção) e pequenas perdas por vazamento.

A modalidade da figura 5a descreve uma construção passiva- mente operada do dispositivo de força de acordo com a invenção. Um meio fluido de operação pressurizável é armazenado no tanque de armazenagem 160 que é conectado com a linha de suprimento 16d. A linha de suprimento 16d é, além disso, conectada com as câmaras 13a"-13c" via uma linha res- pectiva 163a-c, em cada uma das quais uma válvula sem retorno 170 está localizada, permitindo o deslocamento do fluido da câmara intermediária du- rante os percursos de sucção e pressão para a linha de suprimento 16d e, por isso, em direção à lateral da cabeça do pistão 14a-14c que é remota do diafragma flexível 23a-23c.

A válvula sem retorno na linha 163a-c fornece pressão de fluido para o coletor de equilíbrio ou linha de suprimento 16d durante os percursos de descarga dos cilindros individuais. O orifício 171 na linha de dreno 172 para o tanque 160 dá um vazamento contínuo do coletor 16d em direção ao tanque 160. Esse vazamento é compensado outra vez através das linhas de alimentação 163a-c. Conforme a pressão no coletor 16d cai devido ao fluxo da drenagem em direção ao tanque 160 ela cai mediante a pressão de des- carga presente nas câmaras intermediárias 13a"-13c" durante o percurso de descarga do pistão. A pressão na linha 16d é então automaticamente au- mentada através de afunilamento do fluido da câmara intermediária 13a"- 13c", que flui sobre as válvulas sem retorno 170 através das linhas 163a-c. A câmara intermediária é preenchida outra vez através do sistema de controle de posição do diafragma 'normal'.

O dito vazamento contínuo dá um revigoramento de fluido contí- nuo na linha 16d que fornece resfriamento e controle de pressão automática da pressão no coletor 16d de modo que essa pressão é igual à pressão de descarga da bomba.

Nas figuras 5b e 5c são mostradas duas técnicas diferentes para ativamente operar um dispositivo de força. O número de referência 180 de- noda um sensor de pressão posicionado dentro do dispositivo de amorteci- mento de pulsação 25a ou na tubulação de saída 21a", em que o número de referência 181 denota um sensor de pressão posicionado na tubulação de entrada 21a'. Ambos os sensores de pressão são conectados ao dispositivo de controle 182 via linhas de sinal 180a e 181a, respectivamente. O disposi- tivo de controle 182 controla uma válvula 162 de modo a permitir a passa- gem de um fluido de operação para aumentar a pressão. O dispositivo de controle 182 também controla a válvula 164 de modo a descarregar fluido de operação a fim de aumentar a pressão no sistema.

Adicionais entradas de sinal para o dispositivo de controle (de modo a controlar as válvulas 162 e 164) são distribuídas do sensor de tem- peratura 183 e do sensor de pressão 184 posicionados na linha de supri- mento 16d.

Usando os sinais de entrada obtidos com os sensores de pres- são 180-181 o dispositivo de controle 182 calcula a pressão de operação ótima na linha de suprimento 16d, para a qual a pressão de operação calcu- lada é ajustada através de operação das duas válvulas 162 e 164. Além dis- so, a temperatura do fluido de operação presente na linha de suprimento 16d pode ser controlada com o dispositivo de controle 182 através de abertura e fechamento das válvulas 162 e 164 com base na medição de temperatura com o sensor de temperatura 183 e o sensor de pressão 184, revigorando desse modo o fluido de operação do dispositivo de força.

Na figura 5b uma bomba 161 é usada para circular o fluido in- termediário do tanque de armazenagem 160 em direção à linha de supri- mento 16d, enquanto que o fluido intermediário excessivo pode retornar em direção ao tanque 160 via linha de retorno 172a-c.

Na figura 5c o elemento de bomba 161 está ausente já que aqui o meio intermediário é distribuído via linha 163a-c das câmaras 13a"-13c" em direção à linha de suprimento 16d durante o percurso de pressão dos elementos de deslocamento 14a-14c.

Percebe-se que essas características como mostradas nas figu- ras 5b e 5c podem também ser usadas nas modalidades das figuras 3 e 4.

Com referência agora à figura 4 (e 5c) é adicionalmente percebi- do que nenhum elemento de bomba 161 (como mostrado na figura 3) é usa- do para circular o fluido da câmara intermediária pretendido para a pressuri- zação do sistema de compensação de força. De fato na modalidade da figu- ra 4, o fluido da câmara intermediária pode ser descarregado da linha 163d durante o percurso de pressão do dispositivo de bomba de deslocamento positivo. Por isso, é percebido que na modalidade da figura 4 a pressão má- xima do fluido intermediário em linha de suprimento 16d iguala a pressão máxima que ocorre nas câmaras 13a"-13b"-13c". De modo a reduzir a pres- são na linha de suprimento 16d no evento de uma diminuição da pressão de operação, o dispositivo de controle 182 deve ser capaz de controlar a válvula 162 para descarregar o fluido da câmara intermediária.

A modalidade da figura 4 tem a vantagem sobre a modalidade da figura 3 em que nenhuma unidade de bomba adicional é exigida para pressurização da linha de suprimento 16d.

No entanto, também a pressão máxima na linha de suprimento 16d é limitada à pressão máxima distribuída pela bomba de deslocamento positivo, cujo inconveniente é, no entanto, prevenido com a modalidade da figura 3. Aqui o uso de um elemento de bomba 161 permite que maiores pressões sejam geradas na linha de suprimento 16d, de fato maiores do que a pressão que ocorre nas câmaras 13a"-13c". As pressões maiores podem permitir que menores quantidades de fluido intermediário sejam deslocadas de e para a linha de suprimento 16d, reduzindo ainda as dimensões constru- cionais da construção da bomba. Também menos calor pode ser também gerado durante a operação da bomba. A pressão na linha de suprimento 16d pode também ser controlada mais precisamente usando as medições de pressão com os sensores 180 e 181.

A título de exemplo, o inventor tomou algumas medidas experi- mentais para ilustrar o efeito da aplicação de um dispositivo de força a uma lateral do elemento de deslocamento em um arranjo de bomba em que as câmaras da bomba estão contíguas ou em comunicação fluida.

A figura 6A mostra a medição da carga (uma força medida em kN) da haste de pistão (15) do inventor em uma bomba de deslocamento positivo com e sem a utilização do dispositivo de força de acordo com a in- venção. A linha pontilhada mostra as medições sem a aplicação do dispositi- vo de força, e a linha sólida com aplicação do dispositivo de força. Como pode ser visto na figura 6A, a carga da haste sem aplicação do dispositivo de força aumenta de um nível perto de zero durante o percurso de sucção para algum nível máximo durante o percurso de descarga. Quando os dispo- sitivos de força são aplicados (nesse caso uma pressão fluida constante no coletor de equilíbrio 16d) a carga máxima durante o percurso de descarga é diminuída, e a carga perto de zero durante o percurso de sucção é aumen- tada, mas em direção oposta (sinal negativo). Consequentemente, para esse caso a carga absoluta máxima é diminuída. Como um dispositivo de movi- mento tem que ser desenhado para levar em conta o valor máximo absoluto (descarregar o sinal) da carga da haste do pistão, o dispositivo de aciona- mento pode, dessa maneira, ser desenhado com dimensões menores uma vez que essa carga máxima absoluta a ser carregada é menor do que em um arranjo sem um dispositivo de força de acordo com a invenção.

A figura 6B mostrou um cálculo teórico dos fluxos individuais ge- rados pelos elementos de deslocamento individuais opostos aos elementos de separação flexíveis como linhas pontilhadas, no caso de uma bomba de deslocamento positivo de três cilindros usando um mecanismo de haste de conexão de cárter como um dispositivo de acionamento. A linha sólida mos- tra a soma dos três fluxos individuais, que é zero quando um ângulo de fase correto é usado entre os mancais de manivela individuais e, por conseguinte, pistões. A soma zero desses fluxos assegura que o volume no coletor de equilíbrio 16d é constante durante um ciclo de bomba (uma rotação do cár- ter) limitando por isso o tamanho do acumulador necessário, que então é exigido somente para compensar pequenas diferenças de volume devido ao faseamento incorreto dos pistões, expansão térmica do fluido e pequenos vazamentos. O acumulador também torna o sistema de controle menos sen- sível quando ele tem que reagir para diminuir as mudanças de pressão de descarga e revigoramento do fluido para controle da temperatura.

Em um arranjo alternativo adicional às modalidades descritas, o dispositivo de força selecionado não necessita ser o mesmo dispositivo de força em cada das câmaras de pistão, e para conveniência um dispositivo de força diferente pode ser usado em uma ou mais câmaras. Por exemplo, a câmara de um cilindro pode ser ajustada com uma mola considerando que outras câmaras possam ser preenchidas de fluido. Algumas câmaras podem ser interconectadas por intermédio de um coletor comum ou outro tipo de alojamento sem a necessidade de cada câmara ser assim interconectada. Ainda em outras modalidades adicionais, as câmaras de cilindro também não necessitam ser do mesmo tamanho dimensional.

Na já mencionada descrição detalhada de modalidades preferi- das, foi usada uma tecnologia específica para clareza. No entanto, a inven- ção como descrita não é pretendida ser limitada aos termos específicos en- tão selecionados, e é para ser entendido que cada termo específico inclui todos os equivalentes técnicos que operam de uma maneira similar para al- cançar um propósito técnico similar. Os termos tais como "superior", "inferi- or", "direita", "esquerda", e o similar são usados como palavras de conveni- ência para fornecer pontos de referência e não são para serem construídas como termos limitantes.

De modo a evitar repetição, e para facilidade de referência, componentes e características similares de modalidades alternativas que são mostradas em desenhos diferentes foram designados com um caráter adicional, tal como a cabeça do pistão 14, 14a, 14b e 14c.

Embora a invenção tenha sido descrita com referência a um nú- mero de modalidades preferidas deve ser apreciado que a invenção pode ser incorporada em muitas outras formas.

Nas reivindicações que seguem e na descrição precedente, ex- ceto onde o contexto exige de outra maneira devido à linguagem expressa ou implicação necessária, as palavras "compreendem" e variações tais como "compreende" ou "compreendendo" são usadas em um sentido inclusivo, isto é, para especificar a presença das características estabelecidas, mas não para evitar a presença ou adição de mais características em várias mo- dalidades do aparelho.

Claims (19)

1. Aparelho de bomba de deslocamento positivo para deslocar um fluido de bombeamento, o aparelho compreendendo: uma ou mais câmaras de bomba dispostas em um sistema de tubulação para receber o fluido de bombeamento, o sistema de tubulação tendo pelo menos uma entrada que pode ser fechada por meio de uma vál- vula, e pelo menos uma saída que pode ser fechada por meio de uma válvu- la; em que uma ou mais câmaras de bomba são conectadas via pelo menos uma câmara de fluido intermediária com pelo menos um ele- mento de deslocamento, o elemento de deslocamento sendo disposto para alternadamente executar um percurso de sucção e um percurso de deslo- camento durante seu movimento de modo a deslocar fluido na câmara in- termediária de fluido, que, desse modo aumenta e reduz, respectivamente, o volume da câmara da bomba; e em que pelo menos um elemento de separação flexível é for- necido na câmara da bomba para separar o fluido na câmara intermediária de fluido do fluido de bombeamento, caracterizado pelo fato de que um dispositivo de força é forneci- do para aplicar força ou energia a uma lateral do dito pelo menos um ele- mento de deslocamento pelo menos durante o percurso de deslocamento, de tal maneira que a dita força ou energia contraria a força exercida no ele- mento de deslocamento através do fluido na câmara intermediária de fluido, reduzindo, desse modo, a força total necessária para executar o movimento do percurso de deslocamento do elemento de deslocamento.

2. Aparelho de bomba de deslocamento positivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento de deslocamen- to é movido por um dispositivo de acionamento disposto em um lado da câ- mara da bomba.

3. Aparelho de bomba de deslocamento positivo de acordo com a reivindicação 1 ou reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o dispo- sitivo de força recebe força ou energia que é gerada durante o percurso de sucção.

4. Aparelho de bomba de deslocamento positivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de força está localizado em uma lateral do elemento de deslocamento que é oposto à lateral em que a câmara da bomba está locali- zada.

5. Aparelho de bomba de deslocamento positivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de força é um fluido.

6. Aparelho de bomba de deslocamento positivo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o dis- positivo de força compreende pelo menos um elemento de mola, que engata o dito pelo menos um elemento de deslocamento em uma lateral do elemen- to de deslocamento que é oposto à lateral em que a câmara da bomba está localizada.

7. Dispositivo de deslocamento de acionamento único de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de força compreende um acumulador de gás pressurizado para um meio de operação, cujo acumulador está em comunicação com o lado do dito pelo menos um elemento de deslocamento no lado oposto do espaço da câmara de bomba.

8. Aparelho de bomba de deslocamento positivo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o meio de operação é um fluido pressurizável, em particular um gás.

9. Aparelho de bomba de deslocamento positivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores 1 a 8, caracterizado pelo fato de que a lateral de pelo menos um dos elementos de deslocamento que é opos- to à lateral em que a câmara da bomba está localizada está em comunica- ção com uma lateral de pelo menos um dos outros elementos de desloca- mento que é também deslocado na lateral oposta de uma outra câmara da bomba respectiva, permitindo o deslocamento de fluido intermediário através do elemento de deslocamento.

10. Aparelho de bomba de deslocamento positivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores 1 a 9, caracterizado pelo fato de que um número de elementos de deslocamento pode ser mutuamente trans- ladado em fase uns com os outros de tal maneira que o volume nas laterais dos elementos de deslocamento que estão em comunicação uns com os outros é contíguo, e que a soma dos volumes permanece substancialmente ou inteiramente constante.

11. Aparelho de bomba de deslocamento positivo de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que o dito volume contí- guo é definido dentro de um coletor.

12. Aparelho de bomba de deslocamento positivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores 1 a 11, caracterizado pelo fato de que o ou cada elemento de deslocamento é um pistão do êmbolo.

13. Aparelho de bomba de deslocamento positivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores 1 a 12, caracterizado pelo fato de que o ou cada elemento de separação flexível forma uma parede ou uma porção de uma parede da câmara intermediária que faceia na câmara da bomba.

14. Aparelho de bomba de deslocamento positivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriopres 1 a 13, caracterizado pelo fato de que o dito dispositivo de força adicionalmente compreende um elemento de bomba disposto para deslocar o meio intermediário em direção à lateral do dito pelo menos um elemento de deslocamento que é oposto à lateral em que a câmara da bomba está localizada.

15. Aparelho de bomba de deslocamento positivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores 1 a 14, caracterizado pelo fato de que ambas as laterais da câmara da bomba adjacentes ao elemento de deslocamento estão em conexão fluida uma com a outra, permitindo o des- locamento de fluido intermediário da lateral da câmara da bomba na lateral do elemento de separação flexível em direção à outra lateral da câmara da bomba.

16. Aparelho de bomba de deslocamento positivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores 1 a 15, caracterizado pelo fato de que os dispositivos de força são parcialmente controlados com base na pressão presente na saída e/ou na entrada do sistema de tubulação.

17. Aparelho de bomba de deslocamento positivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores 1 a 16, caracterizado pelo fato de que os dispositivos de força são parcialmente controlados com base na temperatura presente na dita lateral do dito pelo menos um elemento de des- locamento, onde a força é aplicada.

18. Aparelho de bomba de deslocamento positivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores 1 a 17, caracterizado pelo fato de que os dispositivos de força são parcialmente controlados com base na pressão presente na dita lateral do dito pelo menos um elemento de deslo- camento, onde a força é aplicada.

19. Aparelho de bomba de deslocamento positivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores 1 a 18, caracterizado pelo fato de que o controle de temperatura é possível através da troca de fluido na câmara do cilindro na lateral oposta do elemento de deslocamento do que onde a câmara da bomba está localizada.