ES2202519T3 - Valvula de homogeneizacion. - Google Patents
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Abstract
EN UNA UNIDAD DE HOMOGENEIZACION, UNA VALVULA HOMOGENEIZADORA COMPRENDE UNA CABEZA DE IMPACTO QUE, CON UN CUERPO DE VALVULA INFERIOR, FORMA UNA CAMARA ANULAR DE ALTA PRESION (64) ALIMENTADA POR UN CANAL DE ALTA PRESION (24). UNA SUPERFICIE ANULAR DE LA CABEZA DE IMPACTO COOPERA CON UNA CARA OPUESTA DE UNA CABEZA DE UN CONDUCTO (22) ACOMODADA EN EL CUERPO DE VALVULA INFERIOR PARA DEFINIR UN HUECO DE PASO RADIAL, CON UN ANILLO DE IMPACTO SITUADO ENFRENTE DEL MISMO; EL HUECO CONDUCE AL INTERIOR DE UNA CAMARA ANULAR DE BAJA PRESION (54) DESDE LA CUAL SALE UN CANAL DE BAJA PRESION (34). LA CABEZA DE IMPACTO COMPRENDE DOS AREAS DE GUIA SEPARADAS PARA GUIAR LA CABEZA EN EL CUERPO DE LA VALVULA.
Description
Válvula de homogeneización.
La presente invención se refiere al sector
técnico de las unidades de homogeneización.
Los procesos de homogeneización se utilizan para
reducir las dimensiones de las gotas de una emulsión o las
partículas de una suspensión, haciéndolas lo más homogéneas posible
o iguales entre sí. El proceso de homogeneización comprende en
general el paso (forzado o proyectado) de un líquido a homogeneizar
por una tobera o una abertura o intersticio muy fino, a la presión
adecuada, a efectos de provocar impactos y fraccionamiento de las
partículas; a efectos de que las partículas de flujo que salen de
dicho paso a elevada velocidad choquen en lo que se llama un anillo
de impacto, que contribuye adicionalmente a reducir el tamaño de las
partículas y a mejorar la homogeneización.
Las unidades homogeneizadoras actualmente
conocidas, comprenden una válvula homogeneizadora situada más abajo
del cabezal de compresión cuya función consiste en bombear líquido a
homogeneizar a elevada presión; cuyo líquido es introducido,
generalmente de forma axial, a través de dicha válvula pasando a una
cámara de presión definida por un cabezal de impacto, que es
presionado con fuerza ajustable hacia la superficie opuesta de un
cabezal de paso de forma anular, que está fijado en el cuerpo de la
válvula. Esta válvula homogeneizadora según el estado de la técnica
se ha mostrado esquemáticamente en sección axial en la figura 1. En
esta figura, el numeral de referencia (1) indica una cámara de alta
presión del cuerpo inferior de la válvula (2) hacia dentro de la
cual se introduce el líquido a homogeneizar en la dirección de la
flecha (F1) a una presión elevada que supera 1000 bar; teniendo la
cámara de alta presión un diámetro (D1). Dicho cuerpo de válvula
inferior (2) recibe un cabezal de paso (3) con el que coopera un
cabezal de impacto (4) presionado con la fuerza ajustable por el
vástago de guía y prensado (5). El cabezal de impacto está guiado
por unas aletas radiales fijas (6) integrales con el cuerpo superior
de válvula (7). El producto de alta presión que es forzado a pasar
por un intersticio de paso radial (altura (h1)) entre el cabezal de
impacto (4) y el cabezal de paso (3) pierde presión y gana
velocidad, y choca a elevada velocidad contra el anillo de impacto
(8), quedando alojado dicho anillo en el cuerpo superior de válvula
(7) y quedando dirigido al intersticio radial de paso. El líquido
homogeneizado pasa a lo largo de las aletas radiales (6) hacia
adentro de la cámara de baja presión (9) y sale hacia afuera en la
dirección de la flecha (F2).
Esta disposición es ampliamente utilizada. No
obstante, en el intersticio de paso radial entre el cabezal de
impacto y el cabezal de paso, la velocidad del fluido no se
distribuía regularmente a toda la altura del intersticio de paso y
esto tiene como resultado diferencias en la homogeneización de las
diferentes capas de fluido. Además, tienen lugar turbulencia y
cavitación, cuyos fenómenos aumentan con la altura del intersticio.
Por otra parte, si la altura del intersticio fuera más reducida, lo
que podía ser ventajoso para mejorar la distribución de tamaños de
partículas del producto a procesar, con la aplicación del mismo
flujo y homogeneización, sería necesario construir una válvula con
un diámetro mayor (D1) (Figura 1) y esto comportaría tener que
aplicar una fuerza considerablemente mayor al cabezal de impacto
para obtener la misma presión de homogeneización. Esto resultaría
por lo tanto en una mayor complejidad mecánica del equipo, presencia
de un sistema de control hidráulico de alta presión y de manera
consiguiente costes más elevados.
La patente GB528019 da a conocer una válvula
homogeneizadora tal como se ha indicado en el preámbulo de la
reivindicación 1. La extensión de cabezal de la válvula de dicho
documento anterior está contenido por completo en una cámara de
presión, completamente sumergida en el fluido a alta presión y no
proporciona medios de cierre estanco o de sellado. Como
consecuencia, tiene solamente una función de guiado y no puede
definir ninguna cámara de alta presión. El área superficial de
presión del cabezal de impacto, es decir, el área de la superficie
del cabezal de impacto sometido a alta presión, comprende no
solamente una parte anular por una cabeza en forma de seta, sino
también una parte extrema en forma de disco de la extensión del
cabezal que es equivalente al área central liberada por dicha parte
anular. Como consecuencia, la válvula homogeneizadora de la patente
GB 528019 tiene un área de presión que es discoidal en su forma y un
diámetro igual al diámetro externo de la parte anular de la forma de
seta, y tiene los mismos inconvenientes anteriormente mencionados
con referencia a otras disposiciones anteriormente conocidas.
El objetivo de los inventores ha sido el de
mejorar la eficacia de la homogeneización, la cual significa
mantener la calidad del producto constante, disminuyendo la presión
aplicada o, con las mismas condiciones de presión, mejorar la
calidad del producto final. Una indicación de la eficiencia de la
homogeneización, y micronización, debido al paso a través de la
válvula de homogeneización queda proporcionada por la distribución
de partículas. En un plano que tenga el porcentaje de partículas y
el volumen o el número en ordenadas y el diámetro de las partículas
en abscisas, la mayor parte de partículas deben ser de tamaño igual
o lo más similar posible, y en cualquier caso menor que en el estado
inicial.
Otro objetivo consiste en mejorar la guía del
cabezal de impacto y soporte a efectos de reducir ruido y
vibraciones.
Estos objetivos han sido conseguidos con una
unidad de válvula según la reivindicación 1; otras características
nuevas y ventajosas son las indicadas en reivindicaciones
subsiguientes.
La nueva válvula homogeneizadora comprende un
cuerpo inferior de válvula y un cuerpo superior de válvula. En el
cuerpo de válvula una cámara de presión tiene forma anular y la
superficie inferior del cabezal de impacto sobre el que actúa la
presión, es también anular. El cabezal de impacto tiene
preferentemente superficies encaradas opuestas entre sí que se
extienden de forma anular alrededor de un cuerpo central. Dicho
cabezal de impacto está guiado en su asiento en dos posiciones
separadas axialmente. Un canal de entrada del fluido a presión
elevada es preferentemente radial en el cuerpo inferior de la
válvula y un canal de salida de presión inferior es radial en el
cuerpo de válvula superior.
Dado que la válvula homogeneizadora conduce a una
mejora en la eficacia de la homogeneización con respecto a válvulas
anteriores y por lo tanto permite la reducción de la presión de
homogeneización manteniendo el mismo efecto, su utilización implica
sustanciales ahorros de energía. Además, la válvula funciona en
mejores condiciones mecánicas, por el hecho de que el cabezal de
impacto es guiado en dos puntos (mientras que en unidades anteriores
el cabezal de impacto estaba montado en voladizo) por lo tanto
existe una mayor estabilidad. Dado que las velocidades del fluido
son más bajas, se mejoran las condiciones dinámicas del fluido,
teniendo como resultado la reducción de ruidos, vibraciones y
desgaste en los componentes de la válvula, y una disminución de la
turbulencia y cavitación. Los costes de fabricación de la nueva
válvula son más bajos, puesto que la válvula se compone de un número
menor de piezas, son más fáciles de fabricar que las válvulas
convencionales, y así mismo la nueva válvula requiere un menor
mantenimiento.
Además, en la nueva válvula, en hecho de que
existe compensación de presión en las caras del cabezal de impacto
reduce los problemas relativos al hecho de que el fluido es
suministrado necesariamente a la válvula con un caudal que no es
constante, lo que se había superado previamente con un sistema de
engranajes hidráulicos que, no obstante, era relativamente complejo
y costoso. En la nueva válvula es suficiente disponer un resorte
amortiguador mientras un cilindro neumático para aplicar fuerza al
cabezal de impacto, está acoplado directamente a dicho cabezal de
impacto.
Otras características y ventajas de la invención,
quedarán más evidentes por la descripción detallada con referencia a
los dibujos adjuntos, en los cuales:
la figura 1 es una sección axial esquemática,
interrumpida, de una válvula de homogeneización según el estado de
la técnica antes de la presente invención;
la figura 2 es una sección axial de una
realización no limitativa de una válvula homogeneizadora de acuerdo
con la presente invención;
la figura 3 es una vista lateral esquemática de
una unidad homogeneizadora que comprende una válvula de
homogeneización de acuerdo con la presente invención.
Una válvula, según la técnica anterior, mostrada
en la figura 1, ha sido descrita en el texto anterior. Una nueva
válvula según la invención se describirá haciendo referencia a la
figura 2.
La nueva válvula de homogeneización se ha
indicado en su conjunto con el numeral de referencia (10). Comprende
una estructura de válvula formada por un cuerpo inferior de válvula
(12) y un cuerpo superior (14).
El cuerpo inferior de válvula (12) tiene un
orificio (16) con un diámetro (D16) que se extiende de forma
descendente formando un orificio (18) con un diámetro de (D18). Los
orificios (16) y (18) definen un eje común indicado con letra a. Por
encima del orificio (16) el cuerpo inferior de válvula tiene un
cuerpo envolvente (20) coaxial con los orificios (16), (18) y con un
diámetro mayor para recibir un cabezal de paso (22) que se explicará
más adelante.
El orificio (16) comunica con un canal de
alimentación radial (24).
El cuerpo superior de válvula (14) tiene un
orificio (26) con un diámetro (D26), que cuando el cuerpo superior
de válvula está montado sobre el cuerpo inferior está asimismo
alineado a lo largo del eje a. El orificio (26) tiene un cuerpo
envolvente más grande (28) para un (posible) anillo de impacto (30),
que se explicará más adelante. El orificio (26) se estrecha a la
parte superior formando un orificio de guía (32) con un diámetro
(D32). El orificio (26) comunica para paso de fluidos con un canal
de salida radial (34).
El cabezal de paso (22) está alojado en el cuerpo
envolvente (20), posiblemente con un anillo tórico (36); tiene una
superficie interna sustancialmente alineada con la superficie
interna del orificio (16) y tiene un asiento sobre elevado (38) en
la parte superior que tiene un tamaño radial reducido. El cuerpo
superior de la válvula (14) es aplicado con asiento estanco sobre el
cuerpo de válvula inferior, por ejemplo con un anillo tórico (40), y
entre ellos está dispuesto el anillo de impacto (30) que define el
diámetro interno (D30) ligeramente mayor que (D16) y menor que
(D26).
Un cabezal de impacto de la válvula de
homogeneización (10) se ha indicado en su conjunto con el numeral de
referencia (50), habiendo sido mostrados en una vista lateral
parcialmente seccionada, y comprende el cuerpo (52) del cabezal de
impacto, que con el orificio (26), define una cámara anular de baja
presión (54). Además, el cuerpo (52) tiene una superficie anular
(56), transversal al eje a, con un diámetro (D56). El diámetro (D56)
es sustancialmente igual al diámetro externo del asiento (38) del
cabezal de paso.
Una prolongación inferior del cabezal de impacto
se ha indicado con el numeral (58) (diámetro (D58)), extendiéndose
coaxialmente con respecto al cuerpo (52) y teniendo una parte
extrema ensanchada (60) que se acopla con capacidad de deslizamiento
en el orificio (18) y que tiene un anillo tórico (62). La pieza (60)
tiene una superficie de presión (61) dirigida a la superficie
(56)
Una cámara de alta presión (64) queda definida
entre la prolongación (58), la superficie del orificio (16) y la
superficie (61) y (56) que comunica con el canal (24). Una cavidad
inferior (66) queda dispuesta en la prolongación del cabezal de
impacto y recibe un resorte amortiguador de presión (68), retenido
por una placa de cierre (70) fijada al cuerpo inferior de la
válvula. En la pieza superior referenciada con el numeral (72) se
encuentra un dispositivo conocido, constituido en general por un
cilindro hidráulico o neumático, destinado a aplicar una fuerza al
cabezal de impacto. Se apreciará que el cabezal de impacto (50) está
guiado con la parte superior del cuerpo del cabezal (52) en el
orificio (32) anteriormente indicado, y por debajo con la parte (60)
del cabezal en el orificio (18); es decir, está guiado en dos
posiciones separadas a lo largo del eje a.
La superficie (56) se extiende radialmente
cubriendo la superficie (38) del cabezal de paso con la que coopera.
El área de la superficie (56) que queda libre por la superficie (38)
tiene un diámetro indicado por (D56'), igual a (D16). La superficie
(61) dirigida hacia la superficie (56) tiene un diámetro (D61).
Las siguientes relaciones se cumplen según la
invención
D56>D16>D61>D58
El funcionamiento de la válvula homogeneizadora
(10) se describirá a continuación.
El fluido a homogeneizar a alta presión, es
suministrado a una cámara anular de alta presión (64) a través del
canal (24). La presión aplicada al fluido puede variar y se escogen
en base al tipo de fluido de acuerdo con las exigencias de
homogeneización específicas para cada producto. El fluido a presión
en la cámara (64) aplica una presión p sobre la superficie (61)
expuesta a presión igual pero opuesta sobre la superficie (56). Dado
que el área de la superficie (61) es puesta a presión es igual a
\pi
\frac{(D_{61})^{2}}{4}-\pi
\frac{(D_{58})^{2}}{4}
y el área de la superficie (56) expuesta a
presión es igual
a
\pi
\frac{(D_{16})^{2}}{4}-\pi
\frac{(D_{58})^{2}}{4}
la fuerza ascendente resultante
es
F_{1} =
\{\frac{\pi}{4}\cdot(D_{16}^{2}-D_{61}^{2})\}p
que, en condiciones de equilibrio, recibe la
oposición de la fuerza F aplicada por el dispositivo (72). En
condiciones de equilibrio, el cabezal de impacto está separado de la
superficie (38) del cabezal de paso en una distancia (h10) (altura
del intervalo radial a través del cual el líquido es forzado a
pasar). Cuando pasa por dicho intersticio, el líquido sufre una
fuerte caída de presión y un notable incremento de velocidad, y a
continuación choca con el anillo de impacto (30). Esta sucesión de
fuertes cambios de velocidad, impacto, y turbulencia provoca la
homogeneización del líquido que en esas condiciones llena la cámara
anular (54) y está dirigida hacia la salida a través del canal
(34).
Se observará que el líquido a presión es forzado
a pasar, por lo menos de acuerdo con el esquema, por una superficie
cilíndrica con un diámetro (D16) y una altura (h10). Para un caudal
determinado, dado que (D16) puede hacerse grande con respecto a (D1)
de válvulas convencionales, la altura (h10) se puede mantener
relativamente pequeña, mucho menor que (h1) de una válvula
convencional, mejorando así la eficacia de la homogeneización. Con
la válvula de la presente invención es posible obtener diámetros
(D16) notablemente grandes por el hecho de que la fuerza de empuje
que aplica el fluido al cabezal de impacto (y que debe
contrarrestar, por lo tanto, el dispositivo (72)) es debido
solamente a la presión ejercida sobre la superficie anular definida
entre los diámetros (D16) y (D61), es decir, sobre una superficie
anular más bien estrecha. En las unidades de tipo anteriormente
conocido, que tienen el mismo diámetro del cabezal de impacto, la
fuerza aplicada por el fluido al cabezal de impacto era igual a la
presión del fluido multiplicada por toda el área del cabezal de
impacto y, por lo tanto era considerablemente mayor.
La figura 3 muestra la válvula (10) de la
invención montada más abajo del cabezal de compresión de tres
pistones indicado con el numeral (80) en su conjunto; habiéndose
indicado los tres pistones con los numerales (81), (82) y (83).
Claims (6)
1. Válvula homogeneizadora que comprende una
estructura de válvula que consiste en un cuerpo inferior de válvula
(12) y un cuerpo superior de válvula (14); un orificio (16) en el
cuerpo inferior de válvula (12) que comunica con un canal de entrada
o de alimentación (24) para un líquido a alta presión que se desea
homogeneizar; un orificio (26) en el cuerpo superior de válvula (14)
que comunica con un canal de salida (34) para el líquido
homogeneizado a baja presión; un cabezal de paso (22) entre dichos
orificios que tiene un asiento (38); un cabezal de impacto (50) que
tiene una superficie de presión anular del cabezal de impacto (56)
para cooperar con dicho asiento para definir con el mismo un
intersticio para paso forzado; medios de empuje (72) que aplican una
fuerza al cabezal de impacto; comprendiendo dicho cabezal de impacto
una extensión (58) la cual tiene una parte de guía (60) que coopera
con el orificio de guía correspondiente (18) del cuerpo inferior de
válvula, definiendo dicha prolongación (58), el cabezal de impacto
(50) y orificio (16) una cámara (64) anular de alta presión
caracterizada porque dicha cámara de alta presión (64) está
definida además por una segunda superficie de presión anular (61)
situado en una cierta distancia de la primera superficie de presión
mencionada (56) y dirigida hacia la misma, siendo la segunda
superficie de presión anular (61) parte de dicha zona de guía
(60).
2. Válvula, según la reivindicación 1,
caracterizada porque dicha parte (60) de la guía de
prolongación coopera a través de un anillo tórico con el orificio de
guía (18) estando situada dicha pieza de guía a una cierta distancia
axialmente con respecto a las partes de guía asociadas (52, 32) del
cabezal (50) y del cuerpo de válvula superior (14).
3. Válvula, según la reivindicación 1,
caracterizada porque dicha pieza de guía de extensión (50)
tiene una segunda superficie de presión anular (61) situada en la
extensión del cabezal de impacto a una cierta distancia con respecto
a la primera superficie de presión mencionada (56), dirigida hacia
la misma y poseyendo el diámetro externo más reducido (D61).
4. Válvula, según la reivindicación 1, que
comprende además un anillo de impacto (30) alrededor de dicho
asiento (38) y una cierta distancia del mismo.
5. Válvula, según la reivindicación 1,
caracterizada porque dicha parte de guía de extensión (60)
coopera con intermedio de medios de estanqueidad con el orificio de
guía (18) estando situada dicha parte de guía a una cierta distancia
axialmente con respecto a las partes de guía asociadas (52, 32) del
cabezal (50) y del cuerpo de válvula superior (14).
6. Válvula, según la reivindicación 1, en el que
dicho canal de alimentación (24) es radial.
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1997
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