BRPI0904551B1 - shutter device for use in control valves - Google Patents
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Abstract
dispositivo obturador para uso em válvulas de controle. refere-se a presente invenção a um dispositivo obturador 1 sede para uso em válvulas de controle, que são rotineiramente utilizadas no processamento primário de petróleo. o dispositivo é capaz de trabalhar com grandes diferenciais de pressão e evitar a ocorrência de emulsificações em fluidos multifásicos. o referido dispositivo evita que ocorra turbulência pontual no interior dessas válvulas, além de intensificar o resultado da redução das dispersões quando aplicado especificamente em válvulas de controle tipo ciclônicas.shutter device for use in control valves. the present invention relates to a seat 1 device for use in control valves, which are routinely used in primary oil processing. the device is able to work with large pressure differentials and prevent the occurrence of emulsifications in multiphase fluids. the aforementioned device prevents punctual turbulence from occurring inside these valves, in addition to intensifying the result of reducing dispersions when applied specifically to cyclonic control valves.
Description
DISPOSITIVO OBTURADOR PARA USO EM VÁLVULAS DE CONTROLESHUTTING DEVICE FOR USE ON CONTROL VALVES
CAMPO DA INVENÇÃOFIELD OF THE INVENTION
A presente invenção refere-se a um conjunto obturador / sede para ser aplicado em válvulas de controle que são rotineiramente utilizadas no processamento primário de petróleo no controle de vazões ou queda de pressões em qualquer etapa do processo produtivo. A nova concepção construtiva do dispositivo obturador / sede contribui para a redução da emulsificação de correntes multifásicas, no interior das ditas válvulas, durante o processo de controle.The present invention relates to a plug / seat assembly to be applied to control valves that are routinely used in primary oil processing to control flow or pressure drop at any stage of the production process. The new constructive design of the plug / seat device contributes to the reduction of the emulsification of multiphase currents, inside said valves, during the control process.
O referido dispositivo evita que ocorra turbulência pontual no interior dessas válvulas, além de intensificar o resultado da redução das dispersões quando aplicado especificamente em válvulas de controle tipo ciclônicas.This device prevents punctual turbulence from occurring inside these valves, in addition to intensifying the result of reducing dispersions when applied specifically to cyclonic control valves.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃOBACKGROUND OF THE INVENTION
O objeto desta invenção decorre de um problema encontrado durante pesquisas que visam aperfeiçoar o desempenho de válvulas de controle utilizadas na indústria petrolífera.The object of this invention stems from a problem encountered during research aimed at improving the performance of control valves used in the oil industry.
É de conhecimento geral, que o petróleo, constitui-se de hidrocarbonetos, e água.It is common knowledge that oil consists of hydrocarbons and water.
Assim, desde o primeiro momento de sua extração, e também em diversas outras etapas do processamento do petróleo, a indústria opera com correntes multifasicas, que precisam ter suas fases separadas, ou que precisam ser transferidos de um sistema de processamento para outro, com a maior estabilidade possível entre as fases.Thus, from the first moment of its extraction, and also in several other stages of oil processing, the industry operates with multiphase currents, which need to have their phases separated, or which need to be transferred from one processing system to another, with the greatest possible stability between phases.
A pressão de trabalho nas linhas de produção, que normalmente é alta no ponto a montante do processamento e deve ser reduzida para separar, por exemplo, uma fase gasosa e estabilizar o petróleo, à jusante do processamento. A pressão do processo influencia no dimensionamento das linhas e nos cálculos e projetos de todos os equipamentosThe working pressure on the production lines, which is normally high at the point upstream of processing and must be reduced to separate, for example, a gas phase and stabilize oil, downstream from processing. The pressure of the process influences the dimensioning of the lines and the calculations and designs of all equipment
2/14 associados, e principalmente, nas características do tipo de escoamento que os fluidos apresentam em seu interior.2/14 associated, and mainly, in the characteristics of the type of flow that the fluids present inside.
TÉCNICA RELACIONADARELATED TECHNIQUE
A necessidade de redução da pressão de produção associada ao fato do petróleo ser constituído de diversos hidrocarbonetos e água, resultam em emulsificação das fases líquidas pela turbulência localizada decorrente dessa queda de pressão.The need to reduce production pressure associated with the fact that oil is made up of several hydrocarbons and water, results in emulsification of the liquid phases due to localized turbulence resulting from this pressure drop.
As válvulas de controle, utilizadas em diversas aplicações do processamento do petróleo, provocam uma forte turbulência no fluxo desse fluido. A turbulência é gerada no trecho da válvula em que um conjunto obturador / sede regula a passagem do fluido por um orifício.The control valves, used in several applications of oil processing, cause a strong turbulence in the flow of this fluid. Turbulence is generated in the section of the valve where a plug / seat assembly regulates the passage of fluid through an orifice.
A turbulência gerada com o estrangulamento do escoamento do fluido, visando o controle de fluxo, além de proporcionar a redução desejada na pressão, ocasiona também a emulsão das fases presentes no petróleo.The turbulence generated by the strangulation of the fluid flow, aiming at the flow control, besides providing the desired reduction in pressure, also causes the emulsion of the phases present in the oil.
Os grandes gradientes de velocidade dos fluidos e a distribuição aleatória dos vórtices no trecho obturador / sede induzem turbulência no escoamento, que acabam por produzir o cisalhamento de cada fluido, conduzindo à sua dispersão em gotículas e conseqüente emulsificação, uma vez que a tensão interfacial óleo / água é reduzida pela presença de agentes surfactantes ativos, em geral, presentes no petróleo.The large fluid velocity gradients and the random distribution of vortexes in the obturator / seat section induce turbulence in the flow, which ultimately produce the shear of each fluid, leading to its dispersion in droplets and consequent emulsification, since the interfacial tension oil / water is reduced by the presence of active surfactants, in general, present in oil.
Este fenômeno pode ser constatado no petróleo colhido imediatamente após uma válvula de controle tipo “choke” situada na saída de um poço petrolífero qualquer. Entretanto, não é um fenômeno restrito a válvulas localizadas nas saídas de poços petrolíferos, pois ocorre com válvulas de controle empregadas ao longo de toda linha de produção, tais como as válvulas de controle de nível dos vasos separadores da planta de processamento primário de petróleo, e em válvulas com diversas outras aplicações industriais e semi-industriais de circuitos hidráulicos, que trabalhem com fluidos constituídos de pelo menos duas fases.This phenomenon can be seen in the oil harvested immediately after a “choke” control valve located at the exit of any oil well. However, it is not a phenomenon restricted to valves located at the outputs of oil wells, as it occurs with control valves used throughout the entire production line, such as the level control valves of the separating vessels of the primary oil processing plant, and in valves with several other industrial and semi-industrial applications of hydraulic circuits, which work with fluids consisting of at least two phases.
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No sentido a atenuar ou restringir este fenômeno foi desenvolvida uma válvula ciclônica, objeto do pedido de invenção PI 0505620-9, que induz um movimento rotacional ao fluxo do fluido ainda no interior do corpo da válvula, de modo que a energia cinética de rotação confira a separação das fases líquidas.In order to mitigate or restrict this phenomenon, a cyclonic valve was developed, object of application PI 0505620-9, which induces a rotational movement to the fluid flow still inside the valve body, so that the kinetic energy of rotation checks the separation of the liquid phases.
No entanto, mesmo aplicando-se a válvula de controle tipo ciclônica ainda pode-se observar formação de emulsificações, que variam dependendo da vazão, do gradiente de pressão ou do tipo de fluidos processados.However, even when applying the cyclonic type control valve, it is still possible to observe the formation of emulsifications, which vary depending on the flow rate, pressure gradient or the type of fluids processed.
Em uma pesquisa, apurou-se que: apesar de condições favoráveis à ocorrência da separação das fases no interior de uma válvula de controle tipo ciclônica, ainda existe um trecho desta em que o fluxo sofre uma perda localizada que, nos casos de grande estrangulamento, pode gerar emulsão, ou seja, no orifício de passagem em que a vazão é controlada por um obturador / sede.In a survey, it was found that: despite conditions favorable to the occurrence of phase separation inside a cyclonic-type control valve, there is still a section of it in which the flow suffers a localized loss that, in cases of major strangulation, it can generate emulsion, that is, in the through hole where the flow is controlled by a plug / seat.
Dependendo da velocidade e pressão em que um fluido multifásico chega a este ponto da válvula ciclônica, a formação de vórtices aleatórios gerados pela turbulência pode ser maior do que a capacidade do corpo cônico da válvula de anular ou reverter este fenômeno. Assim a taxa de redução da dissipação da turbulência é insuficiente para o padrão de diminuição da emulsão daquele determinado fluido.Depending on the speed and pressure at which a multiphase fluid reaches this point of the cyclonic valve, the formation of random vortices generated by turbulence may be greater than the capacity of the conical body of the valve to cancel or reverse this phenomenon. Thus, the rate of reduction in the dissipation of turbulence is insufficient for the emulsion decrease pattern of that particular fluid.
Independente dos modelos de válvulas utilizadas atualmente, todas fazem uso de um orifício com sede / obturador para conseguir a quebra ou redução de pressão de produção. Até o presente ainda não há no mercado qualquer dispositivo de controle que possa gerar esta queda de pressão sem uma grande turbulência no escoamento do fluido no exato momento em que a pressão está sendo reduzida. Este momento de perda de carga ocorre quando o escoamento transpassa o orifício na sede da válvula, contraposto pelo obturador. Dessa forma, o problema reside em um único ponto da válvula.Regardless of the valve models currently used, all make use of a hole with seat / plug to achieve the production pressure drop or reduction. To date, there is still no control device on the market that can generate this pressure drop without great turbulence in the flow of the fluid at the exact moment when the pressure is being reduced. This moment of loss of pressure occurs when the flow passes through the hole in the valve seat, opposed by the plug. Thus, the problem lies at a single point on the valve.
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Quanto maior a faixa de pressão em que uma válvula de controle opere, maiores serão as consequências no escoamento do fluido, restando aos técnicos, para reverter ou amenizar tais conseqüências, fazer uso de equipamentos e processos onerosos de separação das fases emulsionadas.The greater the pressure range in which a control valve operates, the greater the consequences will be on the flow of fluid, leaving the technicians, to reverse or mitigate such consequences, to make use of onerous equipment and processes for separating the emulsified phases.
O nível de emulsificação dos componentes de um fluido ainda é uma preocupação constante por parte dos projetistas de equipamentos de processamento primário de petróleo e, particularmente, de separação petróleo-água.The level of emulsification of the components of a fluid is still a constant concern on the part of the designers of primary oil processing equipment and, particularly, of oil-water separation.
Diante desses desafios técnicos, surgiu a preocupação com o desenvolvimento de um dispositivo que não só pudesse diminuir a pressão do fluido, como também pudesse atuar no seu escoamento no momento em que a pressão está sendo reduzida.Faced with these technical challenges, the concern arose with the development of a device that could not only decrease the pressure of the fluid, but could also act on its flow at the moment when the pressure is being reduced.
A invenção descrita a seguir objetiva um controle preciso do escoamento do fluido, atuando especificamente no momento da queda de pressão, harmonizando o dito escoamento neste ponto das válvulas de controle.The invention described below aims at a precise control of the flow of the fluid, acting specifically at the moment of the pressure drop, harmonizing said flow at this point of the control valves.
Outros objetivos que o dispositivo obturador para uso em válvulas de controle, objeto da presente invenção, se propõem alcançar são a seguir elencados:Other objectives that the obturator device for use in control valves, object of the present invention, aim to achieve are listed below:
a. evitar a perda de carga pontual e conseqüente turbulência no escoamento;The. avoid the loss of punctual load and consequent flow turbulence;
b. evitar a deformação e/ou ruptura dos glóbulos da fase dispersa por variação repentina de pressão;B. avoid deformation and / or rupture of the globules of the dispersed phase due to sudden pressure variation;
c. garantir um escoamento com perda de carga distribuída ao longo de um trecho de canal helicoidal.ç. guarantee a flow with head loss distributed along a stretch of helical channel.
d. permitir que eventuais rupturas de glóbulos da fase dispersa ocorram preferencialmente por cisalhamento viscoso;d. allow any rupture of globules in the dispersed phase to occur preferably by viscous shear;
e. garantir um efeito centrífugo ao escoamento ainda antes de atingir a superfície cônica interna de válvulas ciclônicas;and. guarantee a centrifugal flow effect even before reaching the internal conical surface of cyclonic valves;
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f. permitir maior eficiência na perda de carga;f. allow greater efficiency in head loss;
g. permitir o projeto de válvulas ciclônicas mais compactas ou eficientes;g. allow the design of more compact or efficient cyclonic valves;
h. restringir o fenômeno da emulsificação em outros tipos de válvulas;H. restrict the phenomenon of emulsification in other types of valves;
SUMÁRIO DA INVENÇÃOSUMMARY OF THE INVENTION
Refere-Se a presente invenção a um conjunto obturador / sede para uso em válvulas de controle, capaz de trabalhar com grandes diferenças de pressão e evitar a ocorrência de emulsificações em fluidos multifásicos.R e f ere - S and the present invention to a plug / seat assembly for use in control valves, capable of working with large pressure differences and avoiding the occurrence of emulsifications in multiphase fluids.
O dispositivo é basicamente compreendido por um obturador e uma sede que operam por meio de uma interferência contínua entre eles.The device is basically comprised of a shutter and a seat that operate through continuous interference between them.
A sede é um orifício de comprimento (C) que apresenta uma configuração cônica, iniciada por uma abertura menor e finalizada por uma abertura maior. A superfície interna da sede apresenta-se inclinada em relação ao eixo do dispositivo obturador para válvulas, sendo provida por pelo menos um sulco disposto helicoidalmente em passo constante, de uma extremidade a outra da dita sede. A profundidade do sulco varia a cada passo em relação à superfície interna da sede, no entanto o ponto mais profundo de cada seção do dito sulco está a uma distância constante do eixo principal do dispositivo obturador para válvulas, ao longo de toda sua extensão.The seat is a long hole (C) that has a conical configuration, starting with a smaller opening and ending with a larger opening. The internal surface of the seat is inclined in relation to the axis of the valve plug device, being provided by at least one groove arranged helically in a constant step, from one end to the other of said seat. The depth of the groove varies with each step in relation to the internal surface of the seat, however the deepest point of each section of said groove is at a constant distance from the main axis of the valve plug device, along its entire length.
O obturador por sua vez tem a forma de um bujão cônico de comprimento (C’) iniciado com um diâmetro menor e finalizado com maior, ambos menores respectivamente do que os diâmetros inicial e final da sede. A extremidade final do obturador preferencialmente apresenta um acabamento com conformação cônica ovalada. A superfície do obturador apresenta-se inclinada em relação ao eixo do dispositivo obturador para válvulas, sendo provida por pelo menos uma hélice em ressalto disposta helicoidalmente em passo constante, de uma extremidade a outra do dito obturador. A altura da hélice varia a cada passo em relação à superfície doThe plug is in the form of a conical plug of length (C '), started with a smaller diameter and finished with a larger diameter, both smaller respectively than the initial and final diameters of the seat. The end of the plug is preferably finished with a conical oval shape. The surface of the plug is inclined in relation to the axis of the valve plug device, being provided by at least one protruding helix arranged helically in a constant pitch, from one end to the other of said plug. The height of the propeller varies with each step in relation to the
6/14 obturador, no entanto o ponto mais extremo de cada seção da dita hélice está a uma distância constante do eixo principal do dispositivo obturador para válvulas, ao longo de toda sua extensão.6/14 shutter, however the most extreme point of each section of said propeller is at a constant distance from the main axis of the valve shutter device, along its entire length.
A interferência entre o sulco e a hélice em ressalto forma um canal de formato helicoidal e seção variável. O dito canal é composto e conformado pela face de entrada e a face de saída adjacentes da dita hélice em ressalto, a superfície interna da sede entre os passos adjacentes do sulco, e a superfície do obturador entre os passos adjacentes da hélice em ressalto.The interference between the groove and the protruding helix forms a helical-shaped channel and a variable section. Said channel is composed and formed by the adjacent entrance face and the exit face of said protruding helix, the internal surface of the seat between the adjacent groove steps, and the obturator surface between the adjacent protruding helix steps.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
A invenção será descrita a seguir mais detalhadamente, em conjunto com os desenhos abaixo relacionados, apresentados meramente a título de exemplo, os quais acompanham o presente relatório e do qual é parte integrante.The invention will be described in more detail below, together with the drawings listed below, presented merely as an example, which accompany this report and of which it is an integral part.
A Figura 1 retrata uma vista detalhada em corte simples somente do dispositivo obturador.Figure 1 depicts a detailed, single section view of the obturator device only.
A Figura 2 retrata uma vista em perspectiva em corte do dispositivo montado em uma válvula e em posição aberta.Figure 2 depicts a perspective sectional view of the device mounted on a valve and in an open position.
A Figura 3 retrata uma vista em perspectiva em corte do dispositivo montado em uma válvula e em posição fechada.Figure 3 depicts a perspective sectional view of the device mounted on a valve and in a closed position.
A Figura 4A retrata imagem esquemática do circuito do fluido.Figure 4A depicts a schematic image of the fluid circuit.
A Figura 4B retrata imagem esquemática de uma partícula sob o efeito da trajetória de circuito.Figure 4B depicts a schematic image of a particle under the effect of the circuit path.
A Figura 4C retrata imagem esquemática de uma partícula sob o efeito da mesma trajetória de circuito, porém em maior velocidade.Figure 4C depicts a schematic image of a particle under the effect of the same circuit path, but at a higher speed.
A Figura 5 retrata alternativa construtiva com diâmetro de obturador constante (posição aberto).Figure 5 depicts a constructive alternative with a constant plug diameter (open position).
A Figura 6 retrata alternativa construtiva anterior com diâmetro de obturador constante (posição de maior restrição).Figure 6 depicts an anterior constructive alternative with a constant plug diameter (most restricted position).
A Figura 7 retrata alternativa construtiva com pás.Figure 7 depicts a constructive alternative with shovels.
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A Figura 8 retrata alternativa construtiva com canais isolados.Figure 8 depicts a constructive alternative with isolated channels.
A Figura 9 retrata exemplo da possibilidade de prover meios para que qualquer alternativa construtiva opere em válvulas de fluxo reverso. DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃOFigure 9 shows an example of the possibility of providing means for any constructive alternative to operate on reverse flow valves. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
O dispositivo obturador para uso em válvulas de controle, objeto da presente invenção, foi desenvolvido a partir de pesquisas que visavam principalmente evitar a ocorrência de perda de carga localizada numa única seção transversal da válvula (um único orifício).The obturator device for use in control valves, the object of the present invention, was developed from research that aimed mainly to avoid the occurrence of pressure loss located in a single cross-section of the valve (a single orifice).
Nesta invenção, a perda de carga é distribuída no comprimento de um canal helicoidal bastante longo, que caracteriza a configuração construtiva do novo dispositivo obturador para válvulas proposto. A dita configuração construtiva ainda garante ao fluxo multifásico, ao deixar esse novo dispositivo, uma velocidade de rotação elevada, que é multiplicada ao longo do corpo da válvula tipo ciclônica pela geometria cônica desse corpo.In this invention, the pressure drop is distributed over the length of a very long helical channel, which characterizes the constructive configuration of the proposed new valve plugging device. The said constructive configuration still guarantees the multiphase flow, when leaving this new device, a high rotation speed, which is multiplied along the body of the cyclonic type valve by the conical geometry of that body.
A Figura 1 mostra uma vista em corte da disposição construtiva proposta para o dispositivo (1) obturador para uso em válvulas objeto da atual invenção.Figure 1 shows a sectional view of the proposed constructive arrangement for the obturator device (1) for use in valves object of the current invention.
Como pode ser facilmente identificado na figura, o dispositivo compreende basicamente uma sede (10) e um obturador (20) que operam por meio de uma interferência contínua entre seus elementos.As can be easily identified in the figure, the device basically comprises a seat (10) and a plug (20) that operate by means of continuous interference between its elements.
A sede (10) é um orifício de comprimento (C) que apresenta uma configuração em forma de tronco de cone, iniciada por uma abertura de diâmetro menor (D1) e finalizada por uma abertura de diâmetro maior (D2). Preferencialmente o fluxo da corrente ocorre no sentido (D1) para (D2).The seat (10) is a hole in length (C) that has a cone-shaped configuration, starting with a smaller diameter opening (D1) and ending with a larger diameter opening (D2). Preferably, the current flows in the direction (D1) to (D2).
A superfície interna (11) da sede (10) apresenta-se inclinada em relação ao eixo do dispositivo (1) obturador para válvulas, sendo provida por pelo menos um sulco (12) disposto helicoidalmente em passo constante, de uma extremidade a outra da dita sede.The internal surface (11) of the seat (10) is inclined in relation to the axis of the device (1) shutter for valves, being provided by at least one groove (12) arranged helically in a constant step, from one end to the other of the said headquarters.
Pode-se perceber na Figura 1 que apesar da profundidade do sulcoIt can be seen in Figure 1 that despite the depth of the groove
8/14 (12) variar a cada passo em relação à superfície interna (11) da sede, ao longo de toda sua extensão o ponto mais profundo de cada seção do dito sulco está a uma distância constante do eixo principal do dispositivo (1) obturador para válvulas.8/14 (12) vary at each step in relation to the internal surface (11) of the seat, along its entire length the deepest point of each section of said groove is at a constant distance from the main axis of the device (1) shutter for valves.
O obturador (20) por sua vez tem a forma de um bujão cônico de comprimento (c’) iniciado com um diâmetro menor (d1) e finalizado com um diâmetro maior (d2), ambos respectivamente menores do que os diâmetros (D1) e (D2) da sede (10). A extremidade final do obturador (20) preferencialmente apresenta um acabamento (21) com conformação cônico-ovalada, de forma a oferecer à corrente de fluidos um perfil hidrodinâmico.The plug (20) in turn has the shape of a conical plug of length (c ') started with a smaller diameter (d1) and finished with a larger diameter (d2), both respectively smaller than the diameters (D1) and (D2) of the headquarters (10). The final end of the plug (20) preferably has a finish (21) with a conical-oval shape, in order to offer the fluid stream a hydrodynamic profile.
A superfície (22) do obturador (20) apresenta-se inclinada em relação ao eixo do dispositivo (1) obturador para válvulas, sendo provida por pelo menos uma hélice em ressalto (23) disposta helicoidalmente em passo constante, de uma extremidade a outra do dito obturador.The surface (22) of the plug (20) is inclined in relation to the axis of the device (1) valve plug, being provided by at least one raised propeller (23) helically arranged in a constant step, from one end to the other of said shutter.
Pode-se perceber também em relação a este componente que apesar da altura da hélice em ressalto (23) variar a cada passo em relação à superfície (22) do obturador, o ponto mais extremo de cada seção da dita hélice, ao longo de toda sua extensão, está a uma distância constante do eixo principal do dispositivo (1) obturador para válvulas.It can also be seen in relation to this component that although the height of the protruding propeller (23) varies with each step in relation to the surface (22) of the obturator, the most extreme point of each section of said propeller, along the entire its extension is at a constant distance from the main axis of the valve plug (1).
Desse modo o obturador (20) é capaz de se acoplar à sede (10) pela interseção dos seus respectivos componentes: a hélice em ressalto (23) disposta helicoidalmente no obturador (20) e o sulco (12), disposto helicoidalmente na sede (10).In this way the plug (20) is capable of coupling to the seat (10) by the intersection of its respective components: the protruding helix (23) helically arranged in the plug (20) and the groove (12), helically arranged in the seat ( 10).
As Figuras 2 e 3 apresentam o dispositivo (1) obturador para válvulas em duas perspectivas diferentes, e, combinado com os outros componentes que formam o corpo de uma válvula. A Figura 2 mostra o dispositivo (1) obturador para válvulas em sua posição mais aberta, e a Figuras 3 em sua posição fechada.Figures 2 and 3 show the valve plugging device (1) in two different perspectives, and, combined with the other components that form the body of a valve. Figure 2 shows the valve plug (1) in its most open position, and Figures 3 in its closed position.
O fluido penetra na válvula pelo orifício de entrada (2) e atinge,The fluid enters the valve through the inlet port (2) and reaches,
9/14 através de um canal (K), a extremidade inicial do dispositivo (1) obturador para válvulas. Neste ponto o fluido muitifásico acessa e preenche o espaço interno da sede (10) através da sua abertura de diâmetro menor (D1), em seguida alcançando a primeira porção do obturador (20), que tem a função, associado por interferência à sede, de controlar o fluxo e a pressão.9/14 through a channel (K), the starting end of the valve plug (1). At this point the multi-phase fluid accesses and fills the internal space of the seat (10) through its smaller diameter opening (D1), then reaching the first portion of the plug (20), which has the function, associated by interference with the seat, to control the flow and pressure.
Observando-se em conjunto as Figuras 1, 2 e 3, pode-se melhor compreender o funcionamento do dispositivo (1) obturador para válvulas.Looking at Figures 1, 2 and 3 together, it is possible to better understand the operation of the valve plug device (1).
A porção inicial do dito obturador alcançada pelo fluido muitifásico é sua primeira seção da hélice em ressalto (23), mais especificamente a primeira seção da face de entrada (24) da dita hélice em ressalto.The initial portion of said obturator reached by the multi-phase fluid is its first section of the raised propeller (23), more specifically the first section of the entrance face (24) of said raised propeller.
Como melhor revela o detalhamento da Figura 1, o fluido ao atingir este ponto é forçado a penetrar através de um canal (30) de formato helicoidal e de seção variável, composto e conformado: pela face de entrada (24) e a face de saída (25) adjacentes da dita hélice em ressalto (23), a superfície interna (11) da sede entre os passos adjacentes do sulco (12), e a superfície (22) do obturador entre os passos adjacentes da hélice em ressalto (23).As the detail of Figure 1 best reveals, the fluid upon reaching this point is forced to penetrate through a channel (30) of helical shape and of variable section, composed and shaped: through the entrance face (24) and the exit face (25) adjacent to said protruding propeller (23), the inner surface (11) of the seat between the adjacent groove steps (12), and the obturator surface (22) between the adjacent protruding propeller steps (23) .
Pode-se perceber que o canal (30) helicoidal de seção variável tem sua entrada formada em uma extremidade do obturador (20) se estendendo helicoidalmente ao longo do comprimento do dito obturador, enquanto houver interferência entre hélice em ressalto (23) do obturador e o sulco (12) da sede (10).It can be seen that the helical channel (30) of variable section has its entrance formed at one end of the plug (20) extending helically along the length of said plug, while there is interference between the protruding helix (23) of the plug and the groove (12) of the seat (10).
É também revelado e compreendido pelas Figuras 1, 2 e 3, que o canal (30) helicoidal de seção variável tem sua restrição à corrente de fluido alterada conforme o posicionamento do obturador (20) em relação à sede (10).It is also revealed and understood by Figures 1, 2 and 3, that the helical channel (30) of variable section has its restriction to the fluid flow altered according to the positioning of the plug (20) in relation to the seat (10).
Quanto mais próxima estiver à extremidade de entrada do obturador (20) da extremidade de entrada da sede (10), mais próximas estarão às superfícies (22) do obturador (20) e a superfície (11) da sede (10). Como oThe closer you are to the inlet end of the plug (20) to the inlet end of the seat (10), the closer they are to the surfaces (22) of the plug (20) and the surface (11) of the seat (10). As the
10/14 passo da hélice em ressalto (23) é constante não haverá modificação no afastamento das faces (24) de entrada e (25) de saída adjacentes da dita hélice em ressalto (23), só será alterado o afastamento entre as ditas superfícies (22) e (11), alterando, portanto, a área da seção transversal do canal (30) helicoidal de seção variável.10/14 pitch of the protruding propeller (23) is constant there will be no change in the spacing of the faces (24) inlet and (25) adjacent to said protruding protrusion (23), only the spacing between said surfaces will be changed (22) and (11), therefore changing the cross-sectional area of the helical channel (30) of variable section.
Alterando-se a área da seção transversal do canal (30) helicoidal de seção variável disponível para a condução do fluido, consequentemente altera-se a restrição à passagem do fluido.By changing the area of the cross section of the helical channel (30) of variable section available for the conduction of the fluid, consequently the restriction to the passage of the fluid is changed.
Para uma mesma vazão de entrada do fluido, quanto maior a restrição imposta pelo dispositivo (1) obturador para válvulas, maior a velocidade de passagem do fluido por dentro do canal (30) helicoidal de seção variável, logo, maior será a perda de carga.For the same flow rate of the fluid inlet, the greater the restriction imposed by the device (1) shutter for valves, the greater the speed of passage of the fluid through the helical channel (30) of variable section, therefore, the greater the pressure loss .
O aumento de perda de carga é alcançado por um aumento da velocidade de passagem do fluido dentro do canal (30) helicoidal de seção variável. Esse aumento da velocidade também contribui para o aumento da energia cinética de rotação imposta ao fluido no interior da válvula, contribuindo para separar as fases.The increase in head loss is achieved by an increase in the speed of passage of the fluid within the helicoidal channel (30) of variable section. This increase in speed also contributes to the increase in the kinetic energy of rotation imposed on the fluid inside the valve, helping to separate the phases.
As Figuras 4A, 4B e 4C ilustram esquematicamente que ao se impor a uma partícula qualquer uma trajetória rotacional (Figura 4A) dentro de um circuito helicoidal, sua velocidade pode ser decomposta em dois componentes vetoriais: um componente de menor magnitude que é o axial, na direção do eixo da válvula (Figura 4B), e um componente de maior magnitude que é o tangencial, normal ao eixo da válvula, (Figura 4C) Quanto maior a velocidade imposta a esta partícula no canal helicoidal, maior será o componente tangencial (Figura 4C), gerando, simultaneamente, maior perda de carga e maior separação das fases que compõem um fluido multifásico.Figures 4A, 4B and 4C illustrate schematically that when imposing any particle a rotational trajectory (Figure 4A) within a helical circuit, its speed can be decomposed into two vector components: a component of lesser magnitude which is the axial, in the direction of the valve axis (Figure 4B), and a component of greater magnitude, which is tangential, normal to the valve axis, (Figure 4C) The greater the speed imposed on this particle in the helical channel, the greater the tangential component ( Figure 4C), simultaneously generating greater pressure loss and greater separation of the phases that make up a multiphase fluid.
Vale ressaltar que a perda de carga é gerada ao longo de um longo canal, com o escoamento sob total controle, e não mais em um único ponto ou seção, que gerava turbulência no escoamento e emulsificações.It is worth mentioning that the head loss is generated along a long channel, with the flow under total control, and no longer at a single point or section, which generated turbulence in the flow and emulsifications.
11/1411/14
O dispositivo (1) obturador para válvulas também provê, proporcionalmente ao aumento de perda de carga, um aumento no giro de saída do fluido, descarregando-o dentro do corpo cônico de uma válvula cliclônica já com o sentido de rotação orientado e as fases já em separação, e sem emulsificações ou turbulências.The valve plugging device (1) also provides, in proportion to the increase in pressure loss, an increase in the fluid outlet rotation, discharging it into the conical body of a cliclonic valve with the direction of rotation already oriented and the phases already in separation, and without emulsifications or turbulence.
Como já foi dito anteriormente, em uma variação construtiva do dispositivo (1) obturador para válvulas apresentado nas Figuras 1, 2 e 3, pode-se ter mais de um canal (30) helicoidal de seção variável dispostos paralelamente.As previously mentioned, in a constructive variation of the valve plug device (1) shown in Figures 1, 2 and 3, it is possible to have more than one helical channel (30) of variable section arranged in parallel.
Mas outras variações construtivas podem ser obtidas a partir do princípio de perda de carga revelado pela configuração construtiva preferida, apresentada por meio da Figura 1.But other constructive variations can be obtained from the head loss principle revealed by the preferred constructive configuration, presented through Figure 1.
As Figuras 5 e 6 revelam uma variação construtiva do dispositivo (1) obturador para uso em válvulas em uma vista em corte longitudinal.Figures 5 and 6 show a constructive variation of the device (1) for use in valves in a longitudinal sectional view.
A Figura 5 apresenta um obturador com o corpo cilíndrico (20’), sendo sua superfície externa (22’) paralela à superfície interna (11 ’) de um elemento cilíndrico, como por exemplo, o próprio corpo de válvula. Ambas as superfícies são alinhadas ao eixo do dispositivo (1) obturador para válvulas.Figure 5 shows a plug with a cylindrical body (20 '), its outer surface (22') being parallel to the internal surface (11 ') of a cylindrical element, such as the valve body itself. Both surfaces are aligned with the axis of the device (1) valve plug.
Nesta configuração a sede (10’) é composta por um elemento helicoidal e afixada ao corpo da válvula por um meio qualquer de fixação (4). O corpo da sede (10’) é disposto imprensado entre a superfície externa (22’) do obturador e a superfície interna (11’), formando um canal (30’) helicoidal de seção variável.In this configuration the seat (10 ') is composed of a helical element and attached to the valve body by any means of fixation (4). The seat body (10 ') is arranged sandwiched between the outer surface (22') of the plug and the inner surface (11 '), forming a helical channel (30') of variable section.
Um dispositivo de controle (3) pode comprimir a extremidade livre do corpo da sede (10’) alterando o afastamento das faces de entrada (24’) e de saída (25’), adjacentes, do dito corpo de sede (10’). No entanto como a superfície externa (22’) do obturador de corpo cilíndrico (20’) é paralela à superfície interna (11’) do corpo de válvula, a variação da restrição desta configuração construtiva será determinada somente pelo grau deA control device (3) can compress the free end of the seat body (10 ') by changing the spacing of the adjacent inlet (24') and outlet (25 ') faces from said seat body (10') . However, as the outer surface (22 ') of the cylindrical body plug (20') is parallel to the inner surface (11 ') of the valve body, the variation in the restriction of this constructive configuration will be determined only by the degree of
12/14 afastamento das faces de entrada (24’) e de saída (25’), adjacentes, do dito corpo de sede (10’).12/14 spacing from the inlet (24 ') and outlet (25') faces adjacent to said seat body (10 ').
A Figura 6 apresenta o mesmo dispositivo (1) da Figura 5 com um maior grau de restrição. Pode-se perceber que esta variação construtiva, além de obedecer aos mesmos princípios já apresentados provê um canal capaz de variar não somente a área da seção do canal (30’), mantendo a sua extensão total fixa, mas também, variar o passo e o ângulo do canal helicoidal.Figure 6 shows the same device (1) as Figure 5 with a greater degree of restriction. It can be seen that this constructive variation, in addition to obeying the same principles already presented, provides a channel capable of varying not only the area of the channel section (30 '), keeping its total length fixed, but also varying the pitch and the angle of the helical channel.
A variação do ângulo do canal helicoidal, com a compressão do helicóide desta nova sede, faz com que aumente o componente tangencial da velocidade do fluido, ao mesmo tempo em que é reduzido o componente axial. Isso contribui para aumentar mais o efeito centrífugo sobre a corrente em escoamento pelo canal helicoidal, favorecendo ainda mais a separação.The variation of the angle of the helical channel, with the compression of the helicoid of this new seat, increases the tangential component of the fluid velocity, at the same time that the axial component is reduced. This contributes to further increase the centrifugal effect on the current flowing through the helical channel, further favoring the separation.
A Figura 7 revela outra possibilidade construtiva, em que a restrição à passagem do fluido é alcançada por uma série de pás (6) com formato helicoidal de mesmo passo, dispostas em pilha e centralizadas por um eixo de comando (5) central. O eixo de comando (5) é capaz de alterar o posicionamento radial de uma ou mais pás (6) de modo que quanto próximas forem as faces de entrada (24”) e de saída (25”) de pás adjacentes, maior será a restrição à corrente de fluido. Esta configuração construtiva também imprime ao fluido um aumento da velocidade de rotação, proporcionando a perda de carga.Figure 7 reveals another constructive possibility, in which the restriction to the passage of fluid is achieved by a series of blades (6) with helical shape of the same pitch, arranged in a pile and centralized by a central camshaft (5). The camshaft (5) is capable of changing the radial positioning of one or more blades (6) so that the closer the inlet (24 ”) and outlet (25”) faces of adjacent blades, the greater the fluid flow restriction. This constructive configuration also gives the fluid an increase in the rotation speed, providing pressure drop.
A Figura 8 revela mais uma alternativa construtiva que também oferece uma restrição à passagem do fluido e perda de carga com o aumento da velocidade de rotação. Nesta configuração o fluido é direcionado para dentro de uma série de tubos (40) de diâmetros iguais ou diferentes, que são dispostos helicoidalmente em torno de um obturador de corpo cilíndrico (20’). A série de tubos (40) é afixada dentro do corpo da válvula por um meio qualquer de fixação (4), e pode ter seu passo alteradoFigure 8 reveals yet another constructive alternative that also offers a restriction on the passage of fluid and pressure loss with the increase of the rotation speed. In this configuration the fluid is directed into a series of tubes (40) of the same or different diameters, which are helically arranged around a cylindrical body plug (20 '). The series of tubes (40) is attached inside the valve body by any means of fixation (4), and can have its pitch changed
13/14 por um dispositivo de controle (3), como por exemplo, hastes.13/14 by a control device (3), such as rods.
Meios de controle (não detalhado na figura) podem liberar ou fechar independentemente os acessos a cada um dos tubos (40) que compõem esta alternativa construtiva do dispositivo (1) obturador para válvulas.Control means (not detailed in the figure) can independently release or close the accesses to each of the tubes (40) that make up this constructive alternative of the device (1) shutter for valves.
As configurações construtivas reveladas pelas Figuras 7 e 8 apresentam as mesmas vantagens da configuração das reveladas pelas Figuras 5 e 6, ou seja, de permitir variação do passo e ângulo do canal helicoidal.The constructive configurations revealed by Figures 7 and 8 present the same advantages as the configuration shown by Figures 5 and 6, that is, to allow variation of the pitch and angle of the helical channel.
Opcionalmente, qualquer das configurações construtivas descritas até o momento, pode ser adaptada para funcionar em válvulas do tipo fluxo reverso, como por exemplo, a configuração construtiva apresentada na Figura 9. Esta se baseia totalmente na configuração construtiva preferida e revelada pela Figura 2. No entanto, apresenta como diferença apenas o núcleo do obturador (20”), o qual é provido com um canal (27) que oferece o retorno do fluido que já passou pelo corpo principal da válvula de controle reverso.Optionally, any of the constructive configurations described so far, can be adapted to work on reverse flow type valves, such as the constructive configuration shown in Figure 9. This is based entirely on the preferred constructive configuration and revealed by Figure 2. However, the difference is only the plug core (20 ”), which is provided with a channel (27) that offers the return of the fluid that has already passed through the main body of the reverse control valve.
Deve-se deixar salientado que uma das vantagens do dispositivo (1) obturador para válvulas é a possibilidade de obter a quebra da pressão na linha sem que o dispositivo de restrição gere turbulência no escoamento, e, conseqüente, emulsificação das fases de um fluido multifásico.It should be noted that one of the advantages of the valve plug device (1) is the possibility of obtaining a pressure drop in the line without the restriction device generating turbulence in the flow, and, consequently, emulsifying the phases of a multiphase fluid .
As vantagens do dispositivo (1) obturador para válvulas não se restringem a esta capacidade. Ele também garante, pelo aumento da velocidade de rotação do fluido nos seus canais helicoidais, o início do processo de separação das fases, além de dispensar a corrente de fluido no interior de uma válvula ciclônica com um alto componente de giro, melhorando o desempenho desta.The advantages of the valve plug device (1) are not restricted to this capacity. It also guarantees, by increasing the speed of rotation of the fluid in its helical channels, the start of the phase separation process, in addition to dispensing the fluid flow inside a cyclonic valve with a high turning component, improving its performance .
E finalmente, também ficam evidenciadas as extensas faixas de pressões com a qual uma válvula de controle pode trabalhar sem gerar emulsificações, quando dotada com o dispositivo proposto.And finally, the extensive pressure ranges with which a control valve can work without generating emulsifications are also evident, when equipped with the proposed device.
A invenção foi aqui descrita com referência sendo feita à suasThe invention has been described herein with reference to its
14/14 concretizações preferidas. Deve, entretanto, ficar claro, que a invenção não está limitada a essas concretizações, e aqueles com habilidades na técnica irão imediatamente perceber que alterações e substituições podem ser feitas dentro deste conceito inventivo aqui descrito.14/14 preferred embodiments. It should, however, be clear, that the invention is not limited to these embodiments, and those skilled in the art will immediately realize that changes and substitutions can be made within this inventive concept described here.
Claims (11)
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