BRPI0808066A2 - Agitador horizontal e método para a produção de um fluxo em um tanque de depuração utilizando o agitador horizontal - Google Patents

Agitador horizontal e método para a produção de um fluxo em um tanque de depuração utilizando o agitador horizontal Download PDF

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Description

AGITADOR HORIZONTAL E MÉTODO PARA A PRODUÇÃO DE UM FLUXO EM UM TANQUE DE DEPURAÇÃO UTILIZANDO O AGITADOR HORIZONTAL
A invenção refere-se a um agitador horizontal tal como definido pelo preâmbulo da reivindicação 1.
Um agitador horizontal é conhecido do documento DE 40 15 478 Cl. Neste uma hélice é conectada a uma unidade de acionamento. A unidade de acionamento compreende um motor submersivel o qual usualmente aciona a hélice por meio de 10 uma unidade de engrenagem. A este propósito, o motor submersivel é disposto axialmente à hélice, isto é, um eixo cardã do motor submersivel corre essencialmente em paralelo ao eixo de rotação da hélice.
Adicionalmente, são conhecidos também agitadores 15 horizontais que, embora o motor submersivel seja móvel axialmente em relação à hélice, não são dispostos em um plano horizontal que passa através de um eixo de rotação da hélice, isto é, neste caso, o motor submersivel é disposto ou abaixo ou acima do plano horizontal que passa através do 20 eixo de rotação da hélice.
Agitadores horizontais convencionais são fixados a uma moldura que é montada nas vizinhanças da parede de um tanque de depuração ou em uma ponte. Um fluxo horizontal direcionado do motor submersivel ou da moldura para a hélice é produzido pela ação da hélice.
A eficiência dos agitadores horizontais conhecidos não é particularmente alta. Além disto, agitadores horizontais convencionais não são particularmente universais. De maneira a se obter a melhor eficiência possivel, de acordo com o estado da técnica, é necessário se selecionar uma hélice adequada com base no tamanho do tanque de depuração e se operar esta hélice a uma velocidade específica adequada para este propósito. Cada agitador horizontal deve então ser desenhado para a aplicação particular. Isto é dispendioso e demorado.
Um objetivo da invenção é eliminar as desvantagens do estado da técnica. Em particular, um agitador horizontal deve ser especificado o qual possa produzir um fluxo horizontal em um tanque de depuração com eficiência aumentada. Um objetivo adicional da invenção é o de prover um agitador horizontal que seja utilizável tão universalmente quanto possível.
Este objetivo é alcançado pelas características da reivindicação 1. Realizações úteis resultam das
características das reivindicações 2 a 21.
De acordo com as provisões da invenção, elementos condutores de fluxo na forma de placa que se estendem em pelo menos um plano axial são providos a jusante da pelo menos uma hélice. 0 termo "plano axial" pretende
significar um plano que corre paralelo ao eixo de rotação da hélice ou contém o eixo de rotação. A formação de fluxos turbulentos é neutralizada pela provisão de elementos condutores de fluxo em forma de placa. Fluxos turbulentos não são desejados uma vez que reduzem a eficiência do agitador.
Os elementos condutores de fluxo são usualmente feitos de folha metálica ou plástico reforçado por fibra. Podem se estender em um plano vertical e/ou plano horizontal. Os elementos condutores de fluxo podem ser fixados a uma moldura que mantém o motor submersivel ou também ao fundo do tanque de depuração. No entanto, os elementos condutores de fluxo podem ser também fixados ao motor submersivel ou a uma unidade de acionamento compreendendo o motor submersivel. A unidade de
acionamento pode compreender uma unidade de engrenagem, por exemplo, em adição ao motor submersivel.
0 motor submersivel ou a unidade de acionamento podem ser fixados a uma unidade de movimento vertical provida na moldura. Isto torna possível se levantar ou abaixar o agitador horizontal no tanque de depuração.
De acordo com uma realização adicional, é provido que, com o aumento da distância radial, uma borda guia dos elementos condutores de fluxo apresenta uma inclinação ou curva direcionada na direção do fluxo principal. Isto
assegura que nenhuma impureza geradora de turbulência seja
1
coletada nos elementos condutores de fluxo. Ao contrário, o fluxo as desloca ao longo da borda guia inclinada ou curva até que sejam lavadas do elemento condutor de fluxo.
De acordo com uma realização vantajosa, é provido que uma deformação elástica das lâminas feitas de um material elasticamente deformável seja estabelecida de tal forma que, pelo menos na área de uma seção radial externa, seu perfil de ângulo de passo aumente de forma específica com o aumento da velocidade de rotação. O termo "perfil de ângulo de passo" é entendido como um ângulo com o qual as lâminas são colocadas ou inclinadas em relação a um plano radial que corre verticalmente ao eixo de rotação da hélice. Devido ao ajuste definido da deformação elástica especificada das lâminas, pode se obter que a hélice não apenas possa ser operada a uma certa velocidade de rotação, mas também dentro de uma velocidade de rotação ou número de rotações com alta eficiência. A pressão do líquido nas lâminas aumenta com o aumento da velocidade de rotação. Devido a sua elasticidade ajustada de certa maneira, um perfil de ângulo de passo das lâminas aumenta em uma área radial externa. Com isto, o perfil das lâminas se adapta às condições particulares, de tal forma que pode ser produzido um fluxo em uma ampla faixa de velocidades. Isto torna possível se operar o agitador horizontal sugerido universalmente em tanques de depuração de diferentes tamanhos sem que se tenha que prover uma outra hélice. Isto economiza custos de fabricação.
A hélice pode conter duas, três, quatro, cinco ou mais lâminas. A hélice pode ser uma hélice de rotação horária ao anti-horária. Utilmente, as lâminas são feitas de um material compósito reforçado com fibra. A matriz do material compósito é convenientemente feita de plástico. Este pode ser de resinas conhecidas convencionalmente, as quais são adequadas para a manufatura de materiais compósitos, por exemplo, resinas epóxi e similares. Como fibras, o material compósito pode conter carbono e/ou aramid e/ou fibras de polietileno altamente estiradas. O ajuste da deformação elástica das lâminas pode ser obtido pela seleção, quantidade e disposição das fibras. Além disto, a deformação elástica, em particular a alteração elástica no perfil do ângulo de passo, pode ser ajustada pela espessura do perfil. De maneira a ajustar a deformação elástica desejada da uma lâmina, uma superfície da lâmina pode ser separada em elementos de superfície e um módulo de elasticidade pode ser conferido a cada elemento de superfície. Durante a fabricação, o módulo de elasticidade particular pode ser então ajustado variando-se o tipo, quantidade e disposição das fibras, bem como a espessura do perfil.
A hélice convenientemente apresenta uma densidade variando de 0,9 a 1,1 g/cm3. Com isto, a densidade essencialmente corresponde à espessura do meio líquido em torno da hélice, em particular a água servida a ser clarificada. A adaptação sugerida da densidade evita que seja exercida uma força radial causada pela diferença em densidade sobre o eixo da hélice. Isto aumenta a vida útil dos suportes que mantêm o eixo da hélice.
De acordo com uma realização adicionalmente vantajosa, seções extremas radiais externas das lâminas são curvas em uma direção oposta à direção do fluxo axial produzida pela hélice. Isto pode prevenir a geração de fluxos secundários axiais indesejados na área das extremidades da lâmina em oposição à direção do fluxo principal. Tais fluxos secundários reduzem a eficiência da hélice. A curvatura sugerida das extremidades da lâmina é particularmente utilizada para lâminas rígidas cujo perfil do ângulo de passo não se altera essencialmente com o aumento da velocidade de rotação.
0 termo "seção extrema" é entendido como significando uma área radial externa da lâmina contendo a ponta da lâmina. A "seção extrema" usualmente apresenta um comprimento radial mais curto que o da "seção radial externa". Entretanto, é possível também que a "seção radial externa" apresente o mesmo comprimento da "seção extrema". Com uma combinação da deformação elástica das lâminas com a curvatura das seções extremas, a lâmina é desenhada de tal forma que uma curvatura das seções extremas em oposição à direção do fluxo principal axial ainda existe mesmo com uma deformação elástica máxima das lâminas.
De acordo com uma realização adicional, as seções extremas curvas apresentam uma curva oposta à direção de rotação da hélice em um plano radial. Isto provê uma forma simples de prevenir as assim chamadas "impurezas geradoras de turbulência", tais como fios, cordas, cabelo e semelhantes, de serem retidas pela seção extrema curva.
Foi provado ser útil que o comprimento máximo da seção extrema é 1/5 do raio da lâmina. Tal comprimento da seção extrema já provou ser suficiente para efetivamente neutralizar fluxos secundários indesejados.
É vantajoso que o motor submersivel seja fixado axialmente à hélice, isto é, o motor submersivel é localizado a jusante da hélice na área de um centro da mesma. O eixo cardã do motor submersivel e o eixo de rotação da hélice são paralelos ao ou são localizados em um só eixo.
De acordo com uma realização adicional da invenção, é provido o fato da hélice e do motor submersivel serem configurados de tal forma que durante a operação do motor submersivel é produzido um fluxo que é direcionado da hélice para o motor submersivel. Com isto, é
surpreendentemente fácil se aumentar significativamente a eficiência de um agitador horizontal. A razão para o aumento da eficiência essencialmente é que, de acordo com a matéria da invenção, nenhum impedimento ao fluxo, em particular o motor submersivel, bem como uma moldura para fixar o motor submersivel, ocorre no lado de sucção da hélice. Como resultado disto, uma quantidade maior de líquido pode ser aspirada por unidade de tempo e pode ser acelerada na direção horizontal.
De acordo com uma realização adicional, são providas duas hélices girando em direções opostas em torno do mesmo eixo de rotação, de maneira a produzir um fluxo na direção do motor submersivel. Uma hélice gira na direção horária e a outra hélice gira na direção anti-horária de tal forma que, no sentido da invenção, ambas as hélices produzem um fluxo direcionado contra o motor submersivel. A
"disposição de hélice dupla" sugerida torna particularmente eficiente e simples se neutralizar a formação de um assim chamado "fluxo turbulento" em forma de espiral.
De acordo com provisões adicionais da invenção, é provida uma disposição para clarificar água servida contendo um tanque de depuração e apresentando pelo menos um agitador horizontal acomodado em seu interior, de acordo com a invenção.
A invenção será agora descrita em mais detalhes pela utilização de realizações típicas com base nos desenhos:
Fig. 1 - Uma vista frontal de um primeiro agitador horizontal,
Fig. 2 - Uma vista lateral da Fig. 1,
Fig. 3 - Uma vista superior da Fig. 1,
Fig. 4 - Uma vista em perspectiva do primeiro agitador horizontal da Fig. 1,
Fig. 5 - Vista frontal de um segundo agitador horizontal, Fig. 6 - Vista lateral da Fig. 5, Fig. 7 - Vista superior da Fig. 5,
Fig. 8 - Uma vista em perspectiva do segundo agitador horizontal da Fig. 5,
Fig. 9 - Uma vista frontal de um terceiro agitador horizontal,
Fig. 10 - Uma vista lateral da Fig. 9,
Fig. 11 - Uma vista superior da Fig. 9,
Fig. 12 - Uma vista em perspectiva do terceiro agitador horizontal da Fig. 9,
Fig. 13 - Uma vista frontal de um quarto agitador horizontal,
Fig. 14 - Uma vista lateral da Fig. 13,
Fig. 15 - Uma vista superior da Fig. 13,
Fig. 16 - Uma vista em perspectiva do quarto agitador horizontal da Fig. 13 e
Fig. 17 - Uma vista detalhada da Fig. 16.
Com o primeiro agitador horizontal nas Figs. 1 a 4, há um motor submersivel (1) conectado em disposição axial a uma hélice (2) como acionador. A hélice (2) apresenta duas lâminas (4) que se estendem radialmente a partir de um cubo de roda (3) . 0 motor submersivel (1) é montado em um dispositivo deslizante (5) que pode ser deslocado verticalmente por meio de uma unidade de movimento vertical (não mostrada) em uma moldura na forma de coluna (6) . Uma realização possivel de uma unidade de movimento vertical é, por exemplo, descrita no documento DE 40 15 478 Cl cujo relatório é aqui incorporado.
Conforme mostrado na Fig. 3, um primeiro perfil de ângulo de passo otl das lâminas (4) em relação a um plano radial (R) e uma direção de rotação da hélice (2) mostrada pelas setas (Pl) e realizada pelo motor submersivel (1), são selecionados de tal forma que uma direção de fluxo principal horizontal mostrada pelas segundas setas (P2) é produzida pela hélice (2) na direção do motor submersivel
(I). Como pode ser claramente observado nas Figs. 1 a 4, não ocorre qualquer impedimento ao fluxo no lado de sucção da hélice (2) de tal forma que, desta maneira, o líquido pode ser acelerado eficientemente em uma direção horizontal conforme mostrado pelas segundas setas (P2).
Com o segundo agitador horizontal mostrado nas Figs.
a 8, seções radiais externas (7) das lâminas (4) são curvas em uma direção oposta à direção do fluxo principal mostrada pelas segundas setas (P2). A direção do fluxo principal horizontal mencionada acima (P2) corre essencialmente paralela ao eixo de rotação da hélice (2) . Como mostrado particularmente na Fig. 6, um ângulo de curvatura β é posicionado em um ângulo de cerca de 55° em relação a um plano radial (R) . Entretanto, o ângulo de curvatura β pode ser também maior ou menor e fica preferivelmente dentro de uma faixa entre 30 e 90°. É particularmente mostrado na Fig. 5 que as seções extremas (7) apresentam um comprimento que corresponde a um máximo de um quinto do raio das lâminas (4) . Na realização do exemplo que é mostrada, as seções extremas (7) se estendem apenas um décimo do comprimento radial das lâminas (4).
Além disto, as seções extremas (7) apresentam uma curva oposta à direção de rotação do rotor (2) como mostrado pelas setas (Pl) . A curva sugerida neutraliza uma captura de impurezas geradoras de turbulência. As Figs. 9 a 12 mostram um terceiro agitador horizontal no qual a hélice (2) é disposta da mesma forma que no segundo agitador horizontal. Por sua vez, a hélice (2) apresenta seções extremas (7). Com o terceiro agitador horizontal, são providos a jusante da hélice (2) elementos condutores de fluxo em forma de placa (8) se estendendo em um plano axial que corre através do eixo de rotação da hélice (2) . Os elementos condutores de fluxo (8) são fixados à moldura em forma de coluna (6) como mostrado na realização do exemplo. Naturalmente, é também possível se fixar os elementos condutores de fluxo (8) ao motor submersivel (1) ou ao dispositivo deslizante (5). Os elementos condutores de fluxo (8) se estendem a partir do motor submersivel (1) na direção radial a um primeiro raio (Rl) que é maior ou igual a um segundo raio (R2) da hélice
(2). 0 primeiro raio (Rl) pode preferivelmente ser 1,0 a 1,3 vezes o segundo raio (R2).
Conforme é particularmente mostrado na Fig. 10, as bordas guias (9) são posicionadas com uma inclinação em relação ao plano radial (R) . Um ângulo de inclinação γ se abre radialmente para o exterior e é preferivelmente de 5 a 25°. No lugar de uma borda guia (9) reta e inclinada, pode ser provida uma borda guia (9) curvada, cuja curva é direcionada na direção do fluxo principal (P2).
No lugar do motor submersivel (1) , pode ser também provida uma unidade de acionamento que compreende uma unidade de engrenagem em adição ao motor submersivel (1).
As Figs. 13 a 17 mostram vistas de um quarto agitador horizontal. Nestes, as lâminas (4) da hélice (2) são feitas de um material compósito no qual fibras estão contidas e uma matriz plástica. A elasticidade das lâminas (4) é ajustada pela seleção, combinação e disposição adequadas das fibras no material compósito, de tal forma que particularmente uma seção externa (A) seja deformada elasticamente pela pressão do líquido. Quando é utilizado um desenho do material adequado, a deformação elástica ocorre de tal forma que um perfil de ângulo de passo da seção externa (A) aumenta em relação ao plano radial (R) que passa através do eixo de rotação conforme a pressão do líquido aumenta. Conforme particularmente mostrado na Fig. 17, em particular uma seção externa (A) das lâminas (4) são contorcidas conforme a pressão do líquido ou a velocidade aumentam. Um primeiro ângulo de passo al especifica o formato das lâminas a uma velocidade baixa. Um segundo ângulo de passo a2 especifica o formato das lâminas a uma velocidade média. E um terceiro ângulo de passo oí3 especifica o formato das lâminas a uma velocidade alta. 0 ângulo de passo das lâminas (4) aumenta em relação ao plano radial (R) conforme aumentam a velocidade ou a pressão do líquido.
Para se ajustar a deformação elástica desejada das lâminas (4) em dependência da ação sobre elas de uma pressão do líquido, fibras diferentes, por exemplo, carbono e/ou aramid e/ou fibras de polietileno altamente estirado, podem ser combinadas entre si. Além disto, as propriedades de elasticidade desejadas podem ser influenciadas pela direção e número de camadas de fibra, bem como pela espessura do perfil.
De acordo com uma realização particularmente vantajosa, é provido o fato da hélice total apresentar um peso que corresponde à quantidade de água ou água servida deslocada por seu volume, isto é, a hélice apresenta um peso tal que não será levantada quando é submersa na água servida. Para este propósito, o material compósito pode ser provido com partículas metálicas ou inserções metálicas que são feitas, por exemplo, de chumbo.
(1) Lista de sinais de referência: Motor submersível (2) Hélice (3) Cubo de roda (4) Lâmina (5) Dispositivo deslizante (6) Moldura (7) Seção extrema (8) Elemento condutor de fluxo (9) Borda guia (R) Plano radial (Rl) Primeiro raio (R2) Segundo raio (A) Seção externa (PD Direção de rotação da hélice (P2) Direção do fluxo principal axial al Primeiro ângulo de passo oí2 Segundo ângulo de passo a3 Terceiro ângulo de passo β Ângulo de curvatura Y Ângulo de inclinação da borda guia

Claims (20)

1. Agitador horizontal para a produção de um fluxo em um tanque de depuração, onde uma hélice (2) contendo uma pluralidade de lâminas (4) está conectada a um motor submersivel (1) disposto axialmente deslocado desta, caracterizado pelo fato da hélice (2) e do motor submersivel (1) serem configurados de tal forma que durante a operação do motor submersivel (1) é produzido um fluxo (P2) na direção a partir da hélice (2) para o motor submersivel (1), e pelo fato de serem providos elementos condutores de fluxo (8) em forma de placa que se estendem em pelo menos um plano axial da hélice (2).
2. Agitador horizontal de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato dos elementos condutores de fluxo (8) serem feitos de folha de metal ou plástico reforçado com fibra.
3. Agitador horizontal de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato dos elementos condutores de fluxo (8) se estenderem em um plano vertical e/ou um plano horizontal.
4. Agitador horizontal de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato dos elementos condutores de fluxo (8) serem fixados a uma moldura (6) que segura o motor submersivel (1).
5. Agitador horizontal de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato dos elementos condutores de fluxo (8) serem fixados ao motor submersivel (1) ou a uma unidade de acionamento compreendendo o motor submersivel (1).
6. Agitador horizontal de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato do motor submersivel (1) ou da unidade de acionamento serem fixados a uma unidade de movimento (5) provida na moldura (6) .
7. Agitador horizontal de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de, com o aumento da distância radial, uma borda guia (9) dos elementos condutores de fluxo (8) apresentar uma inclinação (B) ou curva direcionada na direção do fluxo principal (P2) .
8. Agitador horizontal de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de uma deformação elástica das lâminas (4) feitas de um material elasticamente deformável ser estabelecida de tal forma que seu perfil de ângulo de passo (al, a2, a3) aumenta de forma especifica pelo menos na área de uma seção radial externa (A) com o aumento da velocidade de rotação.
9. Agitador horizontal de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato das lâminas (4) serem feitas de um material compósito reforçado com fibras.
10. Agitador horizontal de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de uma matriz dos materiais compósitos ser feita de plástico.
11. Agitador horizontal de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato do material compósito conter como fibras carbono e/ou aramid e/ou fibras de polietileno altamente estirado.
12. Agitador horizontal de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato da deformação elástica das lâminas (4) ser estabelecida pela seleção, quantidade e disposição das fibras.
13. Agitador horizontal de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato da deformação elástica ser estabelecida pela espessura do perfil.
14. Agitador horizontal de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato da hélice (2) apresentar uma densidade na faixa de 0,9 a 1,1 g/cm3.
15. Agitador horizontal de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de seções radiais externas extremas (7) das lâminas (4) serem curvadas em uma direção oposta à direção do fluxo principal axial (P2) produzido pela hélice.
16. Agitador horizontal de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato das seções extremas curvas (7) apresentarem uma curvatura em oposição à direção de rotação (Pl) da hélice (2) em um plano radial (R).
17. Agitador horizontal de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato do comprimento máximo da seção extrema (7) ser de 1/5 do raio (R2) da lâmina (4).
18. Agitador horizontal de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato do motor submersivel (1) ser fixado axialmente à hélice (2).
19. Agitador horizontal de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de serem providas duas hélices (2) que giram em direções opostas em torno do mesmo eixo de rotação de maneira a produzir o fluxo (P2) direcionado para o motor submersivel (1) ·
20. Disposição para a clarificação de água servida caracterizada pelo fato de conter um tanque de depuração e, acomodado no interior deste, um agitador horizontal de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes.
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