BRPI0815815B1

BRPI0815815B1 - Sistema, dispositivo e aparelho de manuseio de fluido

Info

Publication number: BRPI0815815B1
Application number: BRPI0815815-0A
Authority: BR
Inventors: Andrew Grace; Martin O'Donnell
Original assignee: Cameron Technologies Limited
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2008-08-21
Publication date: 2020-03-24
Also published as: WO2009027912A1; US8863776B2; EP2631518B1; EP2188556A1; US20150013797A1; US9951877B2; BRPI0815815A2; EP2631518A1; US20100186835A1; EP2188556B1

Abstract

sistema, dispositivo e aparelho de manuseio de fluido a presente invenção refere-se a sistemas e dispositivos que incluem um sistema (10) que tem um obturador (12) com uma pluralidade de trajetórias de fluxo (82). em certas modalidades, cada trajetória de fluxo inclui uma série de estágios (84, 86, 88,90,92) e uma zona de expansão (94,96) disposta em série entre cada um dos estágios. as zonas de expansão são configuradas para fluírem um fluido em uma direção que geralmente é perpendicular às direções de fluxo tanto em um estágio a montante adjacente, como um estágio a jusante adjacente.

Description

DISPOSITIVO E APARELHO DE MANUSEIO DE FLUIDO.

REFERÊNCIA CRUZADA AOS PEDIDOS RELACIONADOS

Este pedido reivindica prioridade ao pedido de patente provisório U.S. número 60/969.398, intitulado Multi-Stage Trim, depositado em 31 de agosto de 2007, que se encontra incorporado no presente documento a título de referência em sua totalidade.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Esta seção é destinada a introduzir o leitor em diversos aspectos da técnica que podem ser relacionados a diversos aspectos da presente invenção, que são descritos e/ou reivindicados abaixo. Acredita-se que esta discussão seja útil ao dotar o leitor de informações antecedentes que facilitam um melhor entendimento dos diversos aspectos da presente invenção. Consequentemente, deve-se entender que estas declarações devem ser lidas nesta luz, e não como admissão da técnica anterior.

Em uma variedade de sistemas, muitas vezes é útil reduzir a pressão de um fluido. Por exemplo, as quedas de pressão ocorrem frequentemente durante a aquisição e o processamento de gás natural. Em diversos estágios de produção de gás, o gás natural pode atingir pressões que impedem o processamento subsequente do gás, deste modo, é desejável fluir o gás natural a partir de uma região de alta pressão até uma região de baixa pressão, diminuindo a pressão de gás em trânsito.

As quedas rápidas de pressão, entretanto, muitas vezes causam uma variedade de problemas. O fluxo ao longo de um gradiente de pressão grande acelera o fluido até uma alta velocidade, e a transição pode causar vibrações prejudiciais. Em algumas instâncias, o fluido de alta velocidade estabelece uma onda de choque, ou camada de fluido delgada em que uma grande transformação de energia ocorre. As Ondas de Choque emitem ruído geram calor e desgastam o equipamento. Deste modo, os criadores de sistemas de manuseio de fluido tentam reduzir a pressão de fluido gradualmente, de modo que eles evitem ou pelo menos suavizem as Ondas de Choque e vibrações.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Estas e outras características, aspectos e vantagens da presente invenção irão se tomar mais bem entendidas quando a seguinte descrição detalhada for lida com referência aos desenhos em anexo, em que caracteres similares representam partes similares em todos os desenhos, em que:

a Figura 1 é um corte transversal de uma modalidade de um sistema de manuseio de fluido com um obturador;

a Figura 2 é um corte transversal parcial do obturador;

a Figura 3 é uma vista em perspectiva de uma trajetória de fluxo através do obturador;

a Figura 4 é um fluxograma de uma modalidade de um processo de planejamento de válvula que usa anemometria laser-doppler (LDA); e a Figura 5 é um diagrama de uma modalidade de uma bancada de teste LDA que avalia a trajetória de fluxo.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES ESPECÍFICAS

Uma ou mais modalidades específicas da presente invenção serão descritas abaixo. Estas modalidades descritas são apenas modalidades exemplificativas da presente invenção. Adicionalmente, em um esforço para proporcionar uma descrição concisa destas modalidades exemplificativas, todas as características de uma implementação real podem não ser descritas no relatório descritivo. Deve-se avaliar que no desenvolvimento de qualquer implementação real, como em qualquer engenharia ou planejamento de projeto, inúmeras decisões de implementação específica devem ser feitas para atingir os objetivos específicos dos criadores, tais como, conformidade com restrições relacionadas a sistema e relacionadas a negócio, que podem variar de uma implementação para outra. Além disso, deve-se avaliar que tal esforço de desenvolvimento pode ser complexo e demorado, porém, no entanto, pode ser uma tarefa de rotina de projeto, fabricação e produção para aqueles versados na técnica que têm o benefício desta descrição.

A Figura 1 ilustra um exemplo de um sistema de manuseio de fluido 10 que tem um obturador 12 que, em certas modalidades, atende os problemas mencionados acima. O obturador 12, conforme explicado abaixo, inclui uma pluralidade de trajetórias de fluxo que reduzem gradualmente a pressão de um fluido que flui através do obturador 12. As trajetórias de fluxo incluem uma série de estágios ou passagens apertadas, e cada estágio reduz a pressão de fluido em uma quantidade que é substancialmente menor que a queda de pressão total ao longo do obturador 12. Acredita-se que reduzir de forma crescente a pressão evita ou pelo menos suaviza as Ondas de Choque e vibrações, porque as quedas de pressão incrementais menores entre os estágios não aceleram o fluido tanto quanto uma única grande queda de pressão ao longo de uma trajetória de fluxo de estágio único.

De maneira adicional, certas modalidades do obturador 12 são menores, menos dispendiosas e mais fáceis para se fabricar que os projetos convencionais, porque as modalidades do obturador 12 têm relativamente poucos estágios e uma geometria relativamente simples para uma determinada queda de pressão total e uma determinada quantidade de erosão aceitável. Os estágios são dimensionados com base na eficiência de fluxo do fluido que passa através de cada estágio, de modo que a trajetória de fluxo se expanda de maneira mais agressiva e através de menos estágios até o tamanho de estágio final sem qualquer fluido de condução de estágio em uma velocidade muito alta. Devido ao fato de existirem menos estágios, a trajetória de fluxo é mais simples, mais curta e menos dispendiosa para se fabricar. Adicionalmente, a trajetória de fluxo mais curta se adapta em obturadores menores que reduzem, deste modo, os custos de material. Os exemplos do obturador 12 são descritos abaixo, após a descrição de alguns dos outros componentes do sistema de manuseio de fluido 10.

O sistema de manuseio de fluido ilustrado 10 inclui uma válvula de estrangulamento 14, uma fonte de fluido 16 e um destino de fluido 18. A fonte de fluido 16 e/ou o destino de fluido 18 pode ser um poço offshore ou poço onshore, um oleoduto, uma refinaria, uma instalação de armazenamento, um recipiente de pressão, um compressor, um petroleiro, um terminal de gás natural liquefeito ou outra fonte ou destino de um fluido pressurizado. Nesta modalidade, a fonte de fluido 16 se encontra em uma pressão mais alta que o destino de fluido 18. A diferença de pressão pode ser maior que

6,89 MPa, 34,47 MPa ou 68,95 MPa(1.000 psi, 5.000 psi ou 10.000 psi), dependendo da aplicação e o fluido a partir da fonte 16 pode ser ar, vapor, gás natural, água, óleo ou outros fluidos.

Nesta modalidade, a válvula de estrangulamento 14 inclui um alojamento 20, o obturador 12, um elemento de válvula 22 e um atuador 24. Estes componentes e suas funções são descritos abaixo.

O alojamento ilustrado 20 inclui um flange a montante 25, um alojamento anterior 26, um alojamento posterior 28, um elemento de suporte 30 e um flange a jusante 36. Os componentes do alojamento 20 podem ser feitos de aço ou outros materiais. Os flanges ilustrados 25 e 36 são presos ao alojamento anterior 26 por soldas 38 e 40. O elemento de suporte 30 é disposto tanto dentro do alojamento anterior 26 como do alojamento posterior 28, e o elemento 30 fica em contato com a obturador 12 ou um elemento intermediário. O elemento de suporte 30 inclui uma câmara 31 que geralmente é complementar ao elemento de válvula 22. Os parafusos 42 inclinam o alojamento posterior 28 contra o alojamento anterior 26.

O alojamento anterior 26 inclui diversas características que, no todo, definem uma trajetória de fluxo. Em uma porção a montante da trajetória de fluxo, um bocal de contração 44 encontra o flange 25 e leva a um manifolde a montante 46. O manifolde a montante 26, nesta modalidade, circunda a obturador 12 e define um volume geralmente anular. O manifolde a montante ilustrado 46 geralmente é concêntrico ao redor de um eixo geométrico central 48 que se estende através da válvula de estrangulamento 14. A jusante do manifolde 46, a trajetória de fluxo continua através do obturador 12, que se divide entre uma pluralidade de trajetórias de fluxo de obturador que são descritas abaixo com referência às Figuras 2 e 3. As trajetórias de fluxo de obturador coletam em um manifolde a jusante 50 que é definido pelo interior do obturador 12. Nesta modalidade, o manifolde a jusante 50 é um volume cilíndrico circular geralmente reto que é geralmente concêntrico ao redor do eixo geométrico central 48. A jusante do manifolde 50, a trajetória de fluxo continua em um bocal de expansão 52 que se alimenta no flange 36.

O elemento de válvula 22 da Figura 1 inclui um eixo 54 e um elemento de vedação 56. O eixo 54 se estende através do, e é permanentemente acoplado ou acoplado de maneira removível ao elemento de vedação 56. O elemento de vedação 56 tem um formato cilíndrico circular geralmente reto que é complementar ao manifolde a jusante 50, e o elemento de vedação 56 forma uma superfície de vedação com o interior do obturador 12. O elemento de vedação 56 pode ser feito de um material resistente à abrasão, e o eixo 54 pode ser feito de aço ou outros materiais. O eixo 54 e o elemento de vedação 56 são geralmente concêntricos ao redor do eixo geométrico central 48.

O atuador ilustrado 24 é um atuador manual que inclui um espaçador 58, um eixo do atuador 60, uma porção rosqueada 62, uma porca 64 e uma roda 66. Nesta modalidade, o eixo do atuador 60 é acoplado em uma extremidade ao eixo 54. Na outra extremidade do eixo do atuador 60, a porção rosqueada 62 engata as roscas complementares na porca 64 para formar uma conexão rosqueada. A porca ilustrada 64 é mantida em relação fixa à roda 66, e a roda 66 é acoplada de maneira rotacional ao espaçador 58. O espaçador 58, o eixo 60, a porca 64 e a roda 66 geralmente são concêntricos ao redor do eixo geométrico central 48.

Em operação, um operador ajusta o fluxo através da válvula de estrangulamento 14 ao girar a roda 66. À medida que a roda 66 gira, a mesma gira a porca 64 ao redor da porção rosqueada 62, enquanto se evita que o eixo do atuador 60 gire. O acoplamento rosqueado entre a porca 64 e a porção rosqueada 62 converte a rotação da roda 66 em uma translação linear 68 tanto do eixo do atuador 60, como do elemento de válvula 22. Nesta modalidade, o elemento de válvula 22 pode ser descrito como tendo um único grau de liberdade.

A translação 68 do elemento de válvula 22 altera a taxa de fluxo através da válvula de estrangulamento 14. Se a roda 66 é girada em uma primeira direção, o elemento de vedação 56 é puxado para dentro do elemento de suporte 30, e o tamanho do manifolde a jusante 50 aumenta. Um elemento de vedação mais rebaixado 56 obstrui menos trajetórias de fluxo através do obturador 12 que aumenta, deste modo, a taxa de fluxo. De modo oposto, se a roda 66 é girada em uma segunda direção oposta, o elemento de vedação 56 impulsiona dentro do manifolde a jusante 50, e mais trajetórias de fluxo através do obturador 12 são obstruídas pelo elemento de vedação 56 que diminui, deste modo, a taxa de fluxo através da válvula de estrangulamento 14. Deste modo, a rotação da roda 66 modula a taxa de fluxo através da válvula de estrangulamento 14.

Outras modalidades podem ter características diferentes daquelas ilustradas pela Figura 1. Por exemplo, outras modalidades podem incluir outros tipos de atuadores. O elemento de vedação 56 pode ser ajustado por um acionamento hidráulico, um pistão, um motor elétrico, um motor linear ou algum outro dispositivo configurado para mover o elemento de vedação dentro do obturador 12. Em algumas modalidades, o elemento de vedação 56 pode ser disposto no manifolde a montante 46, e o elemento de vedação 56 pode ter um formato geralmente tubular configurado para deslizar através do obturador 12. A válvula de estrangulamento ilustrada 14 é uma válvula com ângulo de 90 graus, porque a válvula produz o fluido que flui em uma direção que é 90 graus diferente da direção na qual o fluido está fluindo quando recebido, porém, outras modalidades podem incluir uma válvula em linha que produz o fluido que flui na mesma direção que a direção na qual o fluido está fluindo quando recebido. Também se deve notar que, em alguns pedidos, o sistema de manuseio de fluido 10 pode não incluir um elemento de válvula 22. Nestes sistemas, o obturador 12 ainda diminui a pressão de um fluido que flui a partir da fonte de fluidos 16 até o destino de fluido 18, porém, a taxa de fluxo não é necessariamente modulada ao mover um elemento de válvula ao longo do obturador 12.

A Figura 2 mostra a obturador 12. O termo obturador refere-se a um elemento configurado para remover a energia cinética de um fluido. Nesta modalidade, o obturador 12 inclui uma placa superior 69, oito placas intermediárias 70 e uma placa inferior 72. A placa superior 69 e a placa inferior 72 incluem bordas 78 e 80, respectivamente. As placas 69, 70 e 72 geralmente têm um formato anular que geralmente é concêntrico em tomo do ei xo geométrico central 48. Uma face superior 74 de cada placa geralmente é paralela a uma face inferior 76 de cada placa, e ambas as faces 74 e 76 têm um vetor normal que geralmente é paralelo ao eixo geométrico central 48. As placas 69, 70 e 72 podem ser usinadas ou, de outro modo, formadas de carboneto de tungstênio, aço inoxidável ou outros materiais adequados.

As placas 69, 70 e 72 podem ser acopladas de maneira permanente ou removível umas às outras. Acredita-se que o acoplamento permanente das placas 69, 70 e 72 aumente a resistência do obturador 12, eoacoplamento removível das placas 69, 70 e 72 facilite a remoção de resíduos que se tornam presos dentro do obturador 12 durante a operação. Em algumas modalidades, o obturador 12 pode ser coberto com um protetor de metal para proteger o obturador 12 dos resíduos transportados pelo fluido.

As placas 69, 70 e 72 incluem coleções repetidas das características referidas como unidades de trajetória de fluxo 82. Nesta modalidade, as unidades de trajetória de fluxo 82 são repetidas ao redor do eixo geométrico central 48 em um padrão geralmente simétrico rotacional, e cada unidade de trajetória de fluxo 82 inclui as características das placas adjacentes 69, 70 ou 72. Ou seja, tanto as características da parte inferior de uma determinada placa 70, como as características da parte superior de uma placa adjacente 70 são incluídas em uma determinada unidade de trajetória de fluxo 82, de modo que as unidades de fluxo 82 sejam formadas empilhando-se as placas 69, 70 e 72. Cada uma das unidades de trajetória de fluxo 82 geralmente é idêntica a outras unidades de trajetória de fluxo 82, porém, em outras modalidades, este pode não ser o caso. Por exemplo, as características das unidades de trajetória de fluxo 82, tal como, tamanho, podem variar ao longo do eixo geométrico central 48.

Dentro de cada unidade de trajetória de fluxo 82, existe uma pluralidade de cavidades 84, 86, 88, 90, 92, 94 e 96. Conforme explicado abaixo, estas cavidades 84, 86, 88, 90, 92, 94 e 96 se combinam para definir uma trajetória de fluxo que é descrita abaixo com referência à Figura 3. As cavidades 84, 86, e 88 se estendem para dentro a partir da face superior 74 de cada placa, em uma direção que geralmente é paralela ao eixo geométri co central 48, e as cavidades 90, 92, 94 e 96 se estendem para cima a partir da face inferior 76, em uma direção que geralmente também é paralela ao eixo geométrico central 48.

Quando a obturador ilustrada 12 é montada, as cavidades 84, 86 e 88 na face superior 74 de uma determinada placa 70 não ficam em comunicação fluida com as cavidades 90, 92, 94 e 96 na face inferior 76 da mesma placa 70. Ou seja, nesta modalidade, o fluxo não passa totalmente através de qualquer uma das placas 69, 70 ou 72 em uma direção axial (isto é, uma direção paralela ao eixo geométrico central 48), porém, de preferência, o fluxo cruza para trás e para frente entre as placas adjacentes 70 da maneira descrita abaixo com referência à Figura 3. Em outras modalidades, entretanto, o fluxo pode passar totalmente através de uma ou mais placas 70 em uma direção axial.

Cada uma das unidades de trajetória de fluxo 82 inclui uma entrada 98 que recebe um fluxo de entrada 100 e uma saída 102 que emite um fluxo de saída 104. Conforme explicado abaixo, nesta modalidade, cada entrada 98 fica em comunicação fluida com uma e apenas uma saída 102, porém, em outras modalidades, uma entrada 98 pode ficar em comunicação fluida com múltiplas saídas 102 ou vice-versa.

Cada uma das placas intermediárias 70 geralmente é idêntica, porém, em outras modalidades, placas diferentes podem cooperar para formar as unidades de trajetória de fluxo 82. Por exemplo, as unidades de trajetória de fluxo 82 podem ser formadas empilhando-se quatro placas: uma placa cega inferior sem cavidades; uma placa com aberturas no formato das cavidades 84, 86 e 88 que se estende totalmente através da placa; uma placa com aberturas no formato das cavidades 90, 92, 94 e 96 que se estende totalmente através da placa; e uma placa cega superior.

Conforme mencionado acima, as cavidades 84, 86, 88, 90, 92, 94 e 96 cooperam para definir uma trajetória de fluxo 106 ilustrada pela Figura 3. A presente trajetória de fluxo 106 inclui um estágio de entrada 108, seis zonas de expansão 110, 112, 114, 116, 118 e 120, cinco estágios intermediários 122, 124, 126, 128 e 130, e um estágio de saída 132. Estas caracterís ticas da trajetória de fluxo 106 são definidas pelas cavidades 84, 86, 88, 90, 92, 94 e 96 ilustradas na Figura 2. Especificamente, o estágio de entrada 108 e a zona de expansão 110 são definidos pela cavidade 96; o estágio intermediário 122 é definido por uma cavidade 88; as zonas de expansão 112 e 114 e o estágio intermediário 124 são definidos pela cavidade 94; o estágio intermediário 126 é definido pela cavidade 86; as zonas de expansão 116 e 118 e o estágio intermediário 128 são definidos pela cavidade 92; e o estágio intermediário 130 é definido pela cavidade 84; e a zona de expansão 120 e o estágio de saída 132 são definidos pela cavidade 90. Deste modo, a trajetória de fluxo 106 é formada tanto na parte superior de uma placa 69 ou 70, como na parte inferior de uma placa adjacente 70 ou 72.

Cada uma das zonas de expansão ilustrada 110, 112, 114, 116, 118 e 120 tem um formato cilíndrico circular geralmente reto com uma geratriz que é geralmente paralela ao eixo geométrico central 48. (O termo geratriz refere-se a uma linha reta que gera uma superfície ao se mover ao longo de uma trajetória especificada, por exemplo, uma geratriz movida ao longo de uma trajetória circular forma um cilindro circular, e se a geratriz for normal para o plano no qual o círculo se situa, a mesma forma um cilindro circular reto). Ademais, cada zona de expansão 110, 112, 114, 116, 118 e 120 pode ser caracterizada, em parte, por um diâmetro 134. Os diâmetros 134 das zonas de expansão 110, 112, 114, 116, 118 e 120 aumentam progressivamente ao longo da trajetória de fluxo 106, sendo que o diâmetro 134 da zona de expansão 120 é maior, e o diâmetro 134 da zona de expansão 110 é menor. Em algumas modalidades, os cantos de algumas ou todas as zonas de expansão 110, 112, 114, 116, 118e 120 podem ter um chanfro ou um filete, dependendo se o canto é um canto interior ou um canto exterior. Uma altura 136 das zonas de expansão 110, 112, 114, 116, 118e120 pode ser geralmente uniforme entre estas características e geralmente igual a uma altura 138 de cada um dos estágios 108, 122, 124, 126, 128, 130, 132. Outras modalidades, entretanto, não se limitam a estas relações dimensionais. Por exemplo, as alturas 136 e 138 podem aumentar progressivamente ao longo da trajetória de fluxo 106.

Cada um dos estágios 108, 122, 124, 126, 128, 130 e 132, nesta modalidade, tem um formato geralmente cuboide, que define um corte transversal geralmente retangular 140. A área do corte transversal 140 geralmente é igual ao produto da altura de estágio 138 e uma largura de estágio 142. A altura de estágio 138 e a largura de estágio 142 são medidas nas direções que são perpendiculares à direção média do fluxo através do corte transversal 140. As laterais dos estágios 108, 122, 124, 126, 128, 130 e 132 são geralmente perpendiculares ou geralmente paralelas ao eixo geométrico central 48, e os cantos podem incluir um filete. Em outras modalidades, um ou mais dos estágios 108, 122, 124, 126, 128, 130 e 132 podem ter um formato não cuboide diferente, tal como, um formato cilíndrico.

Nesta modalidade, o estágio de entrada 108, os estágios intermediários 124 e 128 e o estágio de saída 132 ficam geralmente na mesma posição axial (conforme medidos ao longo do eixo geométrico central 48) que as zonas de expansão 110, 112, 114, 116, 118 e 120, e os estágios intermediários 122, 126 e 130 se situam geralmente em uma posição axial adjacente. Os estágios intermediários adjacentes 122, 124, 126, 128 e 130 definem os ângulos 144 e, em algumas modalidades, estes ângulos 144 são agudos, por exemplo, entre 5 e 85 graus.

Conforme previamente notado, nesta modalidade, as alturas de estágio 138 são geralmente uniformes entre todos os estágios 108, 122, 124, 126, 128, 130 e 132. As larguras de estágio 142, entretanto, aumentam progressivamente ao longo da trajetória de fluxo 106, sendo que o estágio de saída 132 tem a maior largura 142, e o estágio de entrada tem a menor largura 142. Um resultado disto é que as áreas em corte transversal 140 também aumentam progressivamente ao longo da trajetória de fluxo 106, sendo que o estágio de entrada 108 tem a menor área em corte transversal 140, e o estágio de saída 132 tem a maior área em corte transversal 140.

Em algumas modalidades, a área em corte transversal 140 de cada estágio pode ser maior que a área em corte transversal 104 do estágio a montante adjacente através de uma quantidade que é baseada na eficiência de fluxo através de diversas porções da trajetória de fluxo 106. A eficiên cia de fluxo é definida como a taxa de fluxo através de uma estrutura dividida pela queda de pressão ao longo da estrutura, e a eficiência de fluxo dos estágios a montante ou a jusante de um determinado estágio afeta a queda de pressão e, consequentemente, a velocidade do fluido que flui através do determinado estágio. A eficiência de fluxo e a velocidade de cada estágio podem ser determinadas por um processo de planejamento de válvula descrito abaixo com referência às Figuras 4 e 5. Em algumas modalidades, a razão das áreas em corte transversal 140 de estágios adjacentes pode aumentar ao longo da trajetória de fluxo 106, sendo que a razão da área em corte transversal 140 do estágio 124 para a área em corte transversal 140 do estágio 108 é a menor, e a razão da área em corte transversal 140 do estágio 132 para a área em corte transversal 140 do estágio 130 é a maior. Ou seja, as áreas em corte transversal 140 podem aumentar ao longo da trajetória de fluxo 106 através de uma razão crescente não constante.

O aumento nos tamanhos de característica consecutivos pode ser referido como uma razão de expansão. A razão de expansão para um determinado estágio é calculada dividindo-se sua área em corte transversal 140 pela área em corte transversal 140 do estágio a montante adjacente. Deste modo, em algumas modalidades, a razão de expansão de cada estágio 122, 124, 126, 128, 130 e 132 pode aumentar progressivamente ao longo da trajetória de fluxo, sendo que o estágio de saída 132 tem a maior razão de expansão.

Em operação, a trajetória de fluxo 106 diminui a pressão de um fluido. À medida que o fluido flui através de cada estágio 108, 122, 124, 126, 128, 130, 132, a pressão do fluido pode cair e o volume e/ou velocidade do fluido pode aumentar em relação ao estágio anterior, porque, conforme mencionado acima, a área em corte transversal 140 de cada estágio é maior que as áreas em corte transversal 140 dos estágios a montante.

Entre os estágios, o fluido entra nas zonas de expansão 110, 112, 114, 116, 118, 120. Acredita-se que as zonas de expansão 110, 112, 114, 116, 118, 120 facilitam a recuperação de pressão estática, ou a desaceleração de um fluido para aumentar a pressão estática. Nas zonas de ex pansão 110,112, 114,116, 118 e 120, o fluxo agregado passa por duas curvas de 90 graus 146 e 148. A primeira curva 146 é produzida através do fluido que gira na zona de expansão e que flui para baixo na direção do eixo geométrico central 48, e a segunda curva 148 ocorre a partir do fluido que gira novamente e que entra no próximo estágio 122 para fluir em uma direção geralmente perpendicular ao eixo geométrico central 48. A sequência e orientação das curvas 146 e 148 dependem da zona de expansão: nas zonas de expansão 110, 114 e 118, o fluido inicialmente gira 90 graus em uma direção axial para baixo antes de girar 90 graus em uma direção radial ou perpendicular a axial; e nas zonas de expansão 112, 116 e 120, o fluido inicialmente gira 90 graus em uma direção axial para cima antes de girar 90 graus em uma direção radial. Deste modo, nesta modalidade, o fluido flui tanto axialmente, como radialmente, e cada volta remove a energia do fluido.

Os diâmetros 134 e larguras 142 aumentam ao longo da trajetória de fluxo 106 através de quantidades que dependem dos parâmetros da aplicação particular - tal como o tipo de fluido, a taxa de fluxo e a queda de pressão total ao longo da trajetória de fluxo 106 - e da eficiência de fluxo do fluido que flui através da trajetória de fluxo 106. Ao dimensionar os diâmetros 134 e larguras 142 com base na eficiência de fluxo, a trajetória de fluxo 106 pode ser expandida através de relativamente poucos estágios sem dar origem às vibrações ou Ondas de Choque excessivas. A quantidade de vibrações ou intensidade de onda de choque que é excessiva irá depender dos parâmetros da aplicação particular, tal como a vida desejada do obturador, a taxa aceitável de erosão de material de obturador, e a proximidade de outro equipamento que é sensível às vibrações. Um processo de planejamento de válvula que é responsável pela eficiência de fluxo é descrito abaixo com referência às Figuras 3, 4 e 5.

Acredita-se que o dimensionamento dos diâmetros 134 e larguras 142, de acordo com a eficiência de fluxo, oferece certas vantagens. A trajetória de fluxo ilustrada 106 exibe razões de queda de pressão relativamente uniformes através de cada um dos estágios 108, 122, 124, 126, 128, 130 e 132. A razão de queda de pressão para um determinado estágio é calculada adotando-se a diferença entre a pressão de um estágio a montante adjacente e a pressão de um estágio a jusante adjacente, e dividindo a diferença pela queda de pressão total ao longo da trajetória de fluxo 106. A uniformidade das razões de queda de pressão pode ser caracterizada por uma porcentagem de variação de razão de queda de pressão, que é definida como 100 vezes o desvio padrão das razões de queda de pressão para cada um dos estágios divididos pela razão de queda de pressão média para todos os estágios. Uma baixa porcentagem de variação de razão de queda de pressão indica que toda a queda de pressão ao longo da trajetória de fluxo 106 é igualmente dividida entre os estágios 108, 122, 124, 126, 128, 130, 132. Por exemplo, certas modalidade com sete estágios podem exibir uma razão de queda de pressão média próxima a 0,3, um desvio padrão de razão de queda de pressão de 0,03, e uma porcentagem de variação de razão de queda de pressão de 9,3%. Algumas modalidades podem ser caracterizadas como tendo porcentagem de variações de razão de queda de pressão menores que 12%, 11%, 10% ou 9,5%.

Acredita-se que alocar igualmente a queda de pressão total ao longo dos estágios permite que os criadores simplifiquem e encurtem a trajetória de fluxo 106 sem dar origem às vibrações ou Ondas de Choque excessivas. Conforme descrito nos antecedentes, o dano nas vibrações e Ondas de Choque são causados pelos gradientes de pressão que são muito grandes. Deste modo, o estágio com a maior razão de queda de pressão, em parte, determina como a trajetória de fluxo pode ter poucos estágios sem o fluxo de fluido gerar vibrações e Ondas de Choque. Na modalidade ilustrada, nenhum destes estágios tem uma razão de queda de pressão substancialmente maior que os outros, de modo que nenhum dos estágios atue como um ponto fraco. Isto significa que menos estágios podem realizar uma queda de pressão total maior sem dar origem às vibrações ou Ondas de Choque excessivas. Devido ao fato de a mesma ter relativamente poucos estágios para o tamanho da queda de pressão total que a mesma realiza, a trajetória de fluxo 106 é relativamente curta, e devido ao fato de ser relativamente curta, o obturador 12 consome menos material e custa menos. Ademais, cada estágio se adiciona ao custo de usinagem de obturador, então, por este motivo, também se acredita que o obturador 12 seja menos dispendioso para se fabricar. Finalmente, acredita-se que o obturador 12 seja menos dispendioso para se manter, porque a trajetória de fluxo 106 tem relativamente poucos estágios nos quais os resíduos no fluido podem se tornar presos.

Em outras modalidades, a trajetória de fluxo 106 pode ter um formato diferente do formato ilustrado pela Figura 3. Por exemplo, outras modalidades podem incluir mais ou menos estágios, dependendo do fluido e da queda de pressão total. Geralmente, quanto maior a queda de pressão total, mais estágios uma modalidade irá incluir.

A Figura 4 ilustra um processo de planejamento de válvula 150. O processo ilustrado 150 começa com a avaliação de um projeto de válvula com a Fluidodinâmica Computacional (CFD). A avaliação de um projeto de válvula pode incluir a modelagem de uma válvula com software de desenho auxiliado por computador (CAD) e o texto do modelo com software CFD. O projeto pode ser avaliado de acordo com diversos critérios, tal como, a velocidade de fluido máxima, a eficiência de fluxo e linhas aerodinâmicas de vetor. Em algumas modalidades, uma pluralidade de projetos de válvula pode ser avaliada, e o projeto de válvula com o melhor desempenho, por exemplo, a velocidade mais baixa é selecionada.

A seguir, a válvula selecionada é proporcionada, conforme ilustrado pelo bloco 154. Em algumas modalidades, apenas uma porção da válvula é proporcionada para teste, por exemplo, uma trajetória de fluxo através de um obturador da válvula. A válvula ou porção da válvula, em algumas modalidades, é proporcionada ao usinar a trajetória de fluxo em um material que facilita o teste, por exemplo, um material geralmente transparente, tal como, vidro, Lucite ou Lexan.

Após proporcionar a válvula, um aspecto da avaliação CFD pode ser verificado com anemometria laser-doppler (LDA), conforme ilustrado pelo bloco 156. Um exemplo de uma bancada de teste LDA é descrito abaixo com referência à Figura 5. Durante esta etapa, um operador flui um fluido de teste através da válvula ou porção da válvula que foi proporcionada na etapa anterior, e a bancada de teste LDA mede o aspecto da avaliação CFD. Por exemplo, a bancada de teste LDA pode medir uma pressão de fluido de teste ou uma velocidade de fluido de teste.

Com base nos dados da verificação LDA, determina-se se deve se produzir a válvula, conforme ilustrado pelo bloco 158. A determinação se deve se produzir a válvula pode incluir se os resultados LDA são compatíveis ou correspondem às predições CFD. Se a válvula é produzida, uma pluralidade de instâncias da válvula e fabricada e instalada em sistemas de manuseio de fluido.

A Figura 5 ilustra um exemplo de uma bancada de teste LDA 160. Nesta modalidade, a bancada de teste LDA 160 inclui uma cabeça de sensor 162 e uma unidade de trajetória de fluxo de amostra 164. A cabeça de sensor 162 inclui duas fontes de feixe 166 e 168, um sensor de luz 170 e duas lentes 172 e 174. Cada fonte de feixe 166 e 168 emite um feixe de laser 176 e 178, respectivamente. Estes feixes 176 e 178 são focalizados pela lente 172 em um volume de medição 180 dentro da unidade de trajetória de fluxo de amostra 164. A unidade de trajetória de fluxo de amostra 164, nesta modalidade, é feita de um material transparente, tais com, aqueles discutidos acima, e inclui uma trajetória de fluxo 182 que conduz um fluido de teste. O fluido de teste é carregado de ar com partículas de óleo ou fumaça.

Em operação, as partículas e o fluxo de fluido de teste através do volume de medição 180, e as partículas iluminadas refletem a luz que indica a velocidade das partículas. O efeito das partículas é captado pelo sensor de luz 170, que é configurado para calcular uma velocidade de fluido no volume de medição 180.

Nesta modalidade, conforme indicado pela seta 184, a cabeça de sensor 162 é configurada para rastrear o volume de medição 180 substancialmente através de toda a trajetória de fluxo 182 para mapear as velocidades de fluido na trajetória de fluxo 182. A partir deste mapa de velocidades de fluido, diversos aspectos da trajetória de fluxo 182 podem ser avaliados, tal como, a velocidade máxima do fluido na trajetória de fluxo 182 ou a queda de pressão ao longo das porções da trajetória de fluxo 182.

Acredita-se que empregar a bancada de teste LDA 160 na execução do processo 150 produza projetos de válvula que, em relação às válvulas convencionalmente projetadas, têm uma trajetória de fluxo mais curta para um determinado fluido escoado através de uma determinada queda de 5 pressão em uma determinada taxa de fluxo sem exceder uma determinada taxa de erosão máxima aceitável ou um determinado ruído máximo. A bancada de teste LDA 160 valida as predições a partir de CFD com dados empíricos, de modo que o projeto de válvula possa ser ajustado com base nas condições de fluxo reais antes de o projeto de válvula ser liberado para pro10 dução.

Embora a invenção possa ser suscetível a diversas modificações e formas alternativas, as modalidades especificas foram mostradas por meio de exemplo nos desenhos e foram descritas em detalhes no presente documento. Entretanto, deve-se entender que a invenção não é destinada a ser 15 limitada às formas particulares descritas. De preferência, a invenção serve para cobrir todas as modificações, equivalentes e alternativas que se encontram dentro do espírito e escopo da invenção, conforme definido pelas reivindicações em anexo a seguir.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema (10) que compreende:

um obturador (12) que tem uma pluralidade de trajetórias de fluxo (82), caracterizado pelo fato de que cada trajetória de fluxo (82) compreende:

uma série de estágios (84, 86, 88, 90, 92); e uma zona de expansão (94, 96) disposta em série entre cada um dos estágios (84, 86, 88, 90, 92), sendo que as zonas de expansão são configuradas para fluírem um fluido em uma direção que geralmente é transversal às direções de fluxo tanto em um estágio (84, 86, 88, 90, 92) adjacente a montante, como um estágio (84, 86, 88, 90, 92) adjacente a jusante, e os estágios (84, 86, 88, 90, 92) aumentam progressivamente de tamanho ao longo de cada uma das trajetórias de fluxo (82) de acordo com uma razão de expansão;

em que o obturador (12) compreende uma pluralidade de placas empilhadas uma sobre a outra, em que uma primeira placa da pluralidade de placas tem primeiro e segundo lados opostos, em que o primeiro lado tem pelo menos algumas cavidades da série de estágios ou zonas de expansão não se estendendo para o segundo lado, em que o segundo lado tem pelo menos algumas cavidades da série de estágios ou zonas de expansão que não se estendem para o primeiro lado.
2. Sistema (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada um da série de estágios (84, 86, 88, 90, 92) define um volume geralmente cuboide, e cada uma das zonas de expansão define um volume geralmente cilíndrico.
3. Sistema (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos alguns estágios (84, 86, 88, 90, 92) adjacentes se estendem em direções que formam ângulos agudos.
4. Sistema (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o obturador (12) tem um formato geralmente tubular.
5. Sistema (10), de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o formato geralmente tubular define uma direção axial e

Petição 870190001941, de 07/01/2019,_pág. 8/18 ws/DOCS/GCE P164944/RELATORIO/12334211v1 uma direção radial, em que cada zona de expansão (94, 96) das zonas de expansão tem um formato geralmente cilíndrico com uma geratriz que geralmente é paralela à direção axial.
6. Sistema (10), de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o formato geralmente tubular define uma direção axial e uma direção radial, e sendo que cada estágio (84, 86, 88, 90, 92) da série de estágios se estende paralelamente a um plano que geralmente é perpendicular à direção axial.
7. Sistema (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o obturador (12) compreende um formato geralmente cilíndrico definido por uma pluralidade de placas, e sendo que os estágios (84, 86, 88, 90, 92) adjacentes da série de estágios são formados em placas diferentes.
8. Sistema (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende uma válvula de estrangulamento na qual o obturador (12) é disposto.
9. Sistema (10), de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende um depósito mineral, um poço, um recipiente de pressão, um oleoduto; uma instalação de armazenamento, uma instalação de processamento de mineral, uma refinaria, um sistema de extração de mineral, uma árvore de natal ou uma combinação destes acoplada à válvula de estrangulamento.
10. Sistema (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a série de estágios aumentam progressivamente de tamanho ao longo de cada uma das trajetórias de fluxo de acordo com uma razão de expansão crescente não constante.
11. Sistema (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada zona de expansão das zonas de expansão tem um único estágio a montante e um único estágio a jusante da série de estágios.
12. Sistema (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira série de pelo menos duas zonas de expansão das zonas de expansão são acopladas por um primeiro estágio intermediário

Petição 870190001941, de 07/01/2019, pág. 9/18 da série de estágios em um primeiro plano comum.
13. Sistema (10), de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que uma segunda série de pelo menos duas zonas de expansão das zonas de expansão são acopladas por um segundo estágio intermediário da série de estágios em um segundo plano comum.
14. Sistema (10), de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que um terceiro estágio intermediário se estende entre as zonas de expansão na primeira e segunda série, e o terceiro estágio intermediário da série de estágios está disposto em um terceiro plano diferente do primeiro e segundo planos comuns.
15. Sistema (10), de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que as primeira e segunda placas comuns são iguais uma a outra.
16. Sistema (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a série de estágios estendem em primeira e segunda direções alternadas que são geralmente opostas uma a outra.
17. Sistema (10), de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que as primeira e segunda direções formam ângulos agudos um relativo ao outro.
18. Dispositivo que compreende:

um obturador (12) configurado para estrangular um fluxo de fluido a partir de uma primeira pressão até uma segunda, reduzir a pressão, sendo que o obturador (12) compreende uma trajetória de fluxo (82) caracterizada pelo fato de que se expande de acordo com uma eficiência de fluxo do fluido através do obturador (12).
19. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que o obturador (12) compreende uma pluralidade de trajetórias de fluxo (82) separadas.
20. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que a trajetória de fluxo (82) compreende uma pluralidade de estágios (84, 86, 88, 90, 92) geralmente retangulares.
21. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 20, caracteriza

Petição 870190001941, de 07/01/2019, pág. 10/18 do pelo fato de que a trajetória de fluxo (82) compreende uma zona de expansão (94, 96) em série geralmente cilíndrica entre cada um dos estágios (84, 86, 88, 90, 92).
22. Aparelho de manuseio de fluido que compreende:

um obturador (12) que tem uma pluralidade de trajetórias de fluxo (82), caracterizado pelo fato de que cada uma das trajetórias de fluxo (82) é configurada para reduzir a pressão de um fluido com uma porcentagem de variação de queda de pressão na trajetória de fluxo (82) menor que 12%.
23. Aparelho de manuseio de fluido, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que cada uma das trajetórias de fluxo (82) é configurada para reduzir a pressão de um fluido com uma porcentagem de variação de queda de pressão na trajetória de fluxo (82) menor que 10%.
24. Aparelho de manuseio de fluido, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que cada uma das trajetórias de fluxo (82) compreende uma pluralidade de estágios (84, 86, 88, 90, 92) conectados de maneira fluida uns aos outros por zonas de expansão, sendo que a pluralidade de estágios (84, 86, 88, 90, 92) define um volume geralmente cuboide, e sendo que a pluralidade de zonas de expansão define um volume geralmente cilíndrico.
25. Aparelho de manuseio de fluido, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que compreende uma válvula de estrangulamento que compreende:

um alojamento que define um manifolde a montante no qual a obturador (12) é disposta;

um elemento de válvula configurado para transladar através do obturador (12) e ajustar uma taxa de fluxo através da válvula de estrangulamento; e um atuador configurado para mover o elemento de válvula.