Relatório Descritivo da Patente de Invenção para DISPOSITIVO E MÉTODO PARA PRODUZIR EXPLOSÕES.
A invenção refere-se a um método e a um dispositivo para produzir explosões, em particular impulsos de pressão de uma intensidade alta, *5 de acordo com as reivindicações de patente independentes.
Dispositivos diferentes para produzir ondas de pressão e impulr sos de pressão, por exemplo, para limpar caldeiras, são conhecidos. Tal dispositivo é descrito no WQ2007/028264. Com o dispositivo mostrado neste, é possível produzir explosões com alta capacidade de reprodução. O objetivo 10 da presente invenção é então criar um desenho especial deste tipo de gerador de explosão.
Este objetivo é alcançado pelo dispositivo e método como são definidos nas reivindicações de patente.
O dispositivo compreende um recipiente à prova de pressão com 15 uma abertura de saída para impulsos de pressão, e um meio de fechamento fechando a abertura de saída, por exemplo, um pistão ou um cursor. O meio de fechamento é mostrado por meio de uma explosão auxiliar em sua posição, em uma maneira tal que libera a abertura de saída. Retardado para liberar a abertura de saída, uma explosão em uma câmara de explosão prin20 cipal sofreu ignição no recipiente à prova de pressão, em que o impulso de pressão que é produzido por meio deste sai através da abertura de saída que está agora pelo menos parcialmente aberta. A câmara de explosão auxiliar e a câmara de explosão principal são de preferência introduzidas em um recipiente à prova de pressão.
Primeiro, uma ignição de uma explosão auxiliar é efetuada. Isto é realizado por um dispositivo de ignição na câmara de explosão auxiliar. A ignição da explosão principal é efetuada em uma maneira retardada com relação à ignição da explosão auxiliar. A câmara de explosão auxiliar e a câmara de explosão principal são de preferência separadas uma da outra 30 por meio do meio de fechamento propriamente, dito. O retardo da explosão principal pode ser efetuado por meio de um dispositivo de ignição fixado na câmara de explosão principal, sofrendo ignição em uma maneira temporari2/10 amente retardada, por exemplo, por meio de um circuito de retardo. No entanto, é também possível levar a explosão auxiliar por meio de um conduto de retardo instalado entre a câmara de explosão auxiliar e a câmara de explosão principal. Então, a câmara de explosão auxiliar compreende um dis5 positivo de ignição e pode-se passar sem um dispositivo de ignição na câmara de explosão principal.
A abertura de saída do recipiente à prova de pressão é mantida fechada pelo menos de fechamento. Isto é de preferência efetuado por meio de um elemento de mola. O elemento de mola pode ser uma mola espiral 10 comum, mas é de preferência formado por uma mola a gás. Tal elemento de mola também efetua um retorno do meio de fechamento depois de uma explosão e permite a capacidade de reprodução do método.
Uma substância capaz de fluir e explodir ou uma mistura que é capaz de fluir e explodir e que é formada por meio de mistura de componen15 tes que per se não são capazes de explosão, é introduzida nas câmaras de explosão. As substâncias capazes de fluir e/ou misturas de substâncias são, por exemplo, gasosas, líquidas do tipo pó ou em pó ou uma mistura de tais substâncias componentes, de preferência uma mistura consiste de dois gases sob pressão. Daqui em diante, toadas as variantes e combinações pos20 síveis de substâncias e misturas são chamadas de material capaz de fluir, explosivo, sem isto ser visto como uma limitação a uma única substância ou a certa mistura.
Por meio da ignição do material capaz de fluir, explosivo n câmara de explosão principal, resulta uma explosão com uma pressão de gás 25 muito alta, a dita pressão de gás sendo levada para longe através da abertura de descarga que é fechada previamente ou essencialmente até pouco antes da ignição do material explosivo. A abertura de descarga desse modo define a direção da onda de pressão que sai.
O meio de fechamento é de preferência aberto tão rapidamente, 30 que a mistura de gás sob pressão na câmara de explosão principal no máximo parcialmente antes da ignição real, pode escapar através da abertura de descarga que já está parcialmente aberta pelo meio de fechamento. Isto
3/10 é, a mistura de gás com a ignição por meio desta, continua a estar sob pressão e as pressões de explosão produzidas são consequentemente altas. Com o uso, por exemplo, de etileno e oxigênio em uma relação estequiométrica, uma pressão de explosão surge que é aproximadamente 25 vezes 5 maior que uma pressão no ponto em tempo de uma ignição. Um objetivo do método é produzir impulsos de pressão como um pico de pressão tão alto quanto possível. Para isto, o meio de fechamento é de preferência movido com uma velocidade máxima, de modo que no ponto em tempo da ignição da explosão principal, a pressão de gás continua a permanecer tão alta 10 quanto possível a despeito da abertura de saída aberta. Para produzir tal velocidade de meio de fechamento alta, a mistura de gás que é de preferência igualmente sob pressão, é colocada para explodir na câmara de explosão auxiliar. Por meio disto, uma pressão de explosão auxiliar muito alta atua no meio de fechamento e o acelera bastante. O movimento do meio de 15 fechamento pode ser subsequentemente freado o ruim elemento de mola.
O dispositivo completo pode ser construído em uma maneira muito simples, devido ao fato que um meio de fechamento fecha a abertura de descarga e a disposição do dispositivo é desenhada tal que devido à ignição de uma explosão auxiliar, o meio de fechamento é deslocado e assim a 20 abertura de descarga é liberada em uma maneira direta. Em particular, o dispositivo pode ser construído de muito poucas partes. Além do meio de fechamento, de preferência nenhuma outra parte móvel é usada. Estas são submetidas à carga de material extrema sob altas cargas que ocorrem com a produção de explosões desta alta intensidade. A fim de criar um dispositivo 25 que permite uma produção repetitiva de explosões, é necessário ou particularmente vantajoso ter um método de mover em linha reta tanto quanto possível enquanto cuida otimamente das partes particularmente carregadas. Este é o caso com o método de acordo com a invenção e com o dispositivo correspondente.
Em uma modalidade preferida do dispositivo, a câmara de explosão principal e o meio de fechamento são dispostos no recipiente à prova de pressão em uma maneira tal que a pressão de enchimento da câmara de
4/10 explosão principal, assim a pressão de gás com a qual a câmara de explosão é enchida com material capaz de fluir, explosivo antes do disparo da ignição, atua perpendicularmente uma direção de movimento do meio de fechamento. Isto tem a vantagem que na condição completamente fechada 5 do dispositivo, um elemento de mola não precisa atuar contra esta pressão de enchimento, mas somente contra a pressão de enchimento na câmara de explosão auxiliar, assim sem a fim de ser capaz de manter uma abertura de descarga fechada, nem a fim de ser capaz de liberar a abertura de descarga contra esta força.
Em uma modalidade da invenção, o meio de fechamento depois de um deslocamento inicial e liberação da abertura de descarga, é ainda adicionalmente acelerado por meio da pressão de enchimento ou pressão de explosão da câmara de explosão principal, e empurrado para a parte traseira.
Com o uso de dois dispositivos de ignição independentes para a explosão auxiliar e explosão principal, as pressões de enchimento e a composição do material capaz de fluir, explosivo na câmara de explosão auxiliar e câmara de explosão principal podem ser diferentes uma da outra. Assim, no mesmo sistema, um pode produzir pressões de explosão diferentes para 20 o acionamento e para o impulso de pressão, por cujo meio uma alta flexibilidade quanto ao desenho e ao uso do meio aplicado pode ser obtido com o mesmo dispositivo.
Por meio de uma disposição adequada da câmara de explosão auxiliar e a câmara de explosão principal e uma câmara de mola a gás por 25 meio do desenho do recipiente à prova de pressão e o meio de fechamento disposto no mesmo, funcionando como uma válvula para a abertura de descarga, estas câmaras podem ser separadas uma da outra pelo meio de fechamento único que é de preferência desenhado como um pistão, e pode também ser vedado por meio deste.
O dispositivo é de preferência usado para limpar caldeiras em grandes instalações tais como instalações de incineração de resíduos, estações de energia movidas a carvão, silos, para desfazer-se de escória ou de5/10 pósitos, etc. Lá, a vantagem se encontra significantemente nos ciclos de limpeza individuais sendo capazes de serem repetidos em uma maneira muito rápida e múltipla. O uso de gases como um material de limpeza para produzir as explosões e os impulsos de pressão que isto acarreta é também bas5 tante favorável, e pode produzir altas pressões de explosão. A condução de substâncias que per se não são explosivas, em um ponto no tempo pouco antes do disparo da explosão, além do mais aumenta enormemente a segurança com relação a pessoas e a instalação. Isso também permite uma limpeza com uma instalação que ainda está quente e em uma instalação quen10 te que está em operação, na medida em que nenhumas substâncias explosivas são submetidas ao ambiente quente por um período de tempo mais longo. A onda de pressão produzida desse modo pode ser levada por meio de um tubo por distâncias maiores dentro de uma caldeira, para a localização ser limpa. O tubo pode ser instalado na instalação a ser limpa em uma 15 maneira fixa, mas também pode ser inserida a partir de fora, por exemplo, em uma maneira telescopicamente deslocável dentro de uma instalação ou uma caldeira. Revestimentos e contaminação são soprados para longe dos tubos da caldeira e paredes da caldeira por meio do impulso de pressão produzido com a explosão, e os tubos e paredes são simultaneamente colo20 cados em oscilação. Ambas as ações efetuam uma limpeza eficiente longe dos isolamentos a serem limpos.
Várias possibilidades de uso adicionais são consideradas com as quais um impacto de força maior, mais rápido, impulso de pressão ou uma onda de pressão de uma intensidade alta e/ou capacidade de reprodu25 ção (rápida) é exigida. Exemplos são produtores de pressão para formação de metal laminado ou como um acionamento para armas de projéteis com as quais o impulso de pressão é usado para acelerar um projétil.
Desde que a velocidade de saída dos gases de explosão para fora da abertura de saída e assim também a impulsão produzida é muito 30 maior que com uma combustão contínua em motores de foguete, o uso do método de acordo com a invenção e o dispositivo para acionamento de veículos espaciais ou como um motor de detonação de pulso é também conce6/10 bível.
A invenção é daqui em diante representada por meio de formas de modalidade exemplar. Desse modo são mostradas em:
a figura 1 é um gerador de explosão com dois dispositivos de ignição;
a figura 2 é um gerador de explosão com um conduto de retardo; a figura 3 é um gerador de explosão com um cursor.
Um gerador de explosão com um recipiente à prova de pressão e com uma abertura de descarga 2 localizada no recipiente é mostrado na figura 1. Um pistão 3 que é deslocável no recipiente serve como uma válvula para fechar e manter fechada a abertura de descarga. A extremidade traseira 4 do pistão tem um diâmetro aumentado e uma vedação, em uma maneira tal que a extremidade traseira desliza em uma maneira justa na parede interna do recipiente, de preferência em uma maneira completa. O recipiente à prova de pressão em uma região traseira compreende uma primeira câmara que é dividida por meio da extremidade traseira do pistão em câmaras de duas partes, uma parte da câmara é a câmara de mola a gás 5, a outra é a câmara de explosão auxiliar 6. A câmara de mola a gás 5 é enchida com um gás, por exemplo, ar, nitrogênio, CO2, etc., o dito gás sendo levado através de uma abertura de enchimento de gás 7 fornecida para isto, dentro da câmara de mola a gás 5. A extremidade mais dianteira do pistão 3, a válvula, é empurrada contra o assento de válvula 8 na abertura de descarga por meio da pressão de gás ou pressão de fechamento na câmara de mola a gás. Esta pressão de fechamento é tão alta que é capaz de levar o pistão em um encerramento de pistão e de mantê-lo lá. Também contra uma pressão de enchimento na câmara de explosão auxiliar, e assim fecha com segurança a abertura de descarga.
A câmara de explosão auxiliar 6 é enchida por meio de um conduto de alimentação 9 com uma mistura explosiva, por exemplo oxigênio e etileno. A ignição de uma explosão auxiliar na câmara de explosão auxiliar é efetuada por meio de um dispositivo de ignição 10, por exemplo, um a vela de ignição ou incandescente ou por meio de um feixe de laser poderoso que
7/10 é levado para dentro do dispositivo. Por meio de alta pressão que surge devido à ignição da mistura explosiva na câmara de explosão auxiliar 6, o pistão é pressionado e movido para a parte traseira, oposto à força da mola a gás. A abertura de descarga 2 é aberta empurrando de volta o pistão e o 5 pistão agora é acelerado ainda mais, e movido para a parte traseira por conta da pressão de enchimento em uma câmara de explosão principal 11.
A câmara de explosão principal 11 está disposta na parte daintier5a do recipiente à prova de pressão. Isto, nesta modalidade, consiste de dois tubos que são dispostos lateralmente em ângulos retos com o pistão e 10 são fechados em um lado. Os tubos são enchidos com um material explosivo igualmente por meio de um conduto de alimentação 9’, como o caso pode ser, também por meio do mesmo que aquele da câmara de explosão auxiliar. O material explosivo ara a explosão principal é de preferência o mesmo que aquele pára a explosão auxiliar. A pressão de enchimento da câmara de 15 explosão principal desse modo atua de modo essencialmente perpendicular no pistão e nesta situação não tem influência na posição.
No enchimento de ambas as câmaras de explosão, as substâncias usadas para uma mistura explosiva são enchidas uma depois da outra até uma relação que é tão estequiométrica quanto possível. Também é pos20 sível encher substâncias individuais em uma relação adequada antes desta em recipiente de pressão separado com a mesma pressão e levar estas substâncias para fora dos recipientes de pressão nas câmaras de explosão, a fim de obter uma boa mistura direta.
Depois que a ignição da explosão auxiliar por meio do dispositi25 vo de ignição 10, um sensor de pressão 15 registra um aumento de pressão na câmara de explosão auxiliar. Este sinal, em uma maneira retardada por meio de um comutador de retardo 13, por exemplo, um retardo de tempo, dispara o dispositivo de ignição 14 na câmara de explosão principal e assim a explosão principal. Em vez de um sensor de pressão externa, a trajetória 30 de pistão propriamente dita pode ativar a ignição da explosão principal, por exemplo, por meio de um comutador de ignição sendo atuado pelo pistão móvel. Também seria possível conectar diretamente os dois dispositivos de
8/10 ignição 10, 14 da câmara de explosão auxiliar e a câmara de explosão principal por meio de um comutador de retardo. O controle do retardo por meio de um sensor de pressão ou um comutador de ignição, no entanto assegura que, por exemplo, com uma ignição falha na câmara de explosão auxiliar, 5 nenhuma explosão principal sofreu ignição com a abertura de descarga ainda fechada.
É também possível criar um retardo por meio de um conduto de retardo 22 como é mostrado na figura 2. Por meio deste conduto de retardo 22 ou conduto de ignição, a explosão é levada da câmara de explosão auxi10 liar 6 para a câmara de explosão principal 11.0 tempo de retardo é então determinado pelo comprimento do conduto bem como a velocidade de explosão, e nenhum dispositivo de ignição separado é exigido na câmara de explosão principal. O enchimento da câmara de explosão principal pode então ser efetuado através do conduto de retardo 22, de modo que nenhum 15 conduto de alimentação separado 22 é necessário na câmara de explosão principal. No exemplo mostrado, a câmara de explosão principal compreende um conduto de alimentação 9 e a câmara de explosão auxiliar 6 é enchida por meio do conduto de retardo. A câmara de explosão auxiliar e a câmara de explosão principal são submetidas às mesmas pressões de enchimen20 to com este método de enchimento.
Com o uso de dois dispositivos de ignição, de preferência são usados dispositivos rápidos, tais como velas de ignição ou ignições a laser, na medida em que ambas as ignições devem ser efetuadas em um ponto preciso no tempo. Tais dispositivos de ignição paralelos são também preferi25 dos com uma coordenação de vários dispositivos de acordo com a invenção.
Com o uso de vários dispositivos dispostos em paralelo, efeitos amplificando mutuamente podem ocorrer e ser utilizados. Por exemplo, para limpar grandes caldeiras, por meio de ignição simultânea de várias explosões em vários geradores de explosão, as ondas de pressão ou impulsos de pressão podem 30 ser acumular, de modo que por meio disto, o efeito de limpeza é intensificado ou em vez disto, o número de dispositivos pode ser reduzido. Com o uso de um conduto de retardo e consequentemente somente um dispositivo de
9/10 ignição em uma câmara de explosão auxiliar, este, por exemplo, pode ser uma vela incandescente lenta que exige uns poucos segundos, aproximadamente 3 seg para aquecer. Um novo tipo de ignição é a ignição por meio de laser, uma ignição laser que não é ainda conhecido como um dispositivo de ignição em geradores de explosão ou geradores de onda de pressão. Desse modo, um feixe de laser é acoplado no recipiente à prova de pressão. O feixe de laser é acoplado no recipiente à prova de pressão. O feixe de laser desse modo pode inflamar o gás em uma maneira direta ou, no entanto aquece certa localização da superfície no recipiente, em que o gás explosivo localizado no recipiente então inflama. Para isto, o recipiente à prova de pressão compreende uma janela que é transparente para o comprimento de onda de laser respectivo. A vantagem deste dispositivo é que nenhuns elementos de ignição estão na câmara que são submetidos ao desgaste, são contaminados ou podem ser destruídos pela explosão. Também não são exigidos fios elétricos são exigidos no recipiente à prova de pressão. Um feixe de laser pode ser focalizado em densidades de energia muito altas, é bastante preciso, pode ser colocado muito precisamente quanto ao tempo e pode mesmo usar contaminações de superfície que seria vantajoso com outros dispositivos de ignição.
As forças atuando no pistão ou em geral no meio de fechamento e em particular o calor que surge com o escapar da onda de pressão, são extremamente altas na região da abertura de descarga de pistão. Por meio de explosão auxiliar, o pistão já está deslocado para fora da região da abertura de descarga para a parte traseira, e assim poupado, antes da explosão real. Simultaneamente, no entanto, a onda de pressão produzida pode deixar o dispositivo em uma maneira livre e desimpedida. O deslocamento temporal das duas explosões em uma modalidade preferida está na faixa de uns poucos milissegundos, de preferência 0,2-10 milissegundos, por exemplo, 0,5- 2 milissegundos.
O gás na câmara de mola a gás continua a ser comprimido por meio do pistão recuando. Por meio disto, por um lado impede o pistão de contatar a parede traseira do recipiente de pressão sem ser impedido, devi10/10 do à explosão e por outro lado o pistão é subsequentemente colocado em sua posição inicial, a posição de fechamento da abertura de descarga, logo que a explosão real passou. Com isto, depois de uma explosão, o dispositivo é automaticamente na posição de partida e o método de produção de explo5 são pode ser iniciado com o enchimento das câmaras.
Um gerador de explosão é mostrado na figura 3, em que a abertura de descarga 2 é mantida fechada por um cursor 33. A câmara de explosão principal 31 está disposta na direção direta para a abertura de descarga ou perpendicular à direção de descarga |(sertã) que é definida pela abertura 10 de descarga. O princípio da câmara de explosão principal, a câmara de mola a gás e cursor é construída em uma maneira essencialmente igual, como com o pistão de acordo com a figura 2, em que estas duas câmaras são dispostas perpendicularmente para a direção de descarga. O cursor é de preferência desenhado em uma maneira plana, mas pode no então ser desenha15 do como um cilindro (pistão) ou retângulo e compreender um acionamento de pistão, ou ser desenhado diretamente como tal. Uma ignição na câmara de explosão auxiliar é ativada com a ajuda de um dispositivo de ignição 10 depois de encher a câmara de explosão auxiliar e a câmara de explosão principal por meio do conduto de alimentação comum 9. A explosão é sub20 sequentemente elevada para a câmara de explosão principal 31 por meio de um conduto de retardo 22.
Valores exemplares para um dispositivo para produzir explosões são especificados depois aqui:
- câmara de explosão principal de volume: 1-3 Its
- pressão de enchimento de gás (câmaras de explosão): 10-30 bar, por exemplo 15-25
- diâmetro da abertura de descarga: 40-80 mm