ES2226196T3 - Inyectores mezcladores. - Google Patents

Abstract

En un inyector-mezclador que tiene un cuerpo con un primer y un segundo extremo, un paso de flujo que lo atraviesa de extremo a extremo, siendo definido dicho paso de flujo por una pared circularmente seccionada que se extiende a lo largo de un eje central desde un puerto de entrada en dicho primer extremo hasta un puerto de salida en dicho segundo extremo, formando dicha pared: a. una parte de entrada sensiblemente cilíndrica; b. una parte de estrechamiento; c. una parte de inyección sensiblemente cilíndrica; y d. una parte de expansión; interconectando dicha parte de estrechamiento la citada parte de entrada y la citada parte de inyección, y siendo sensiblemente troncocónica, uniendose dicha parte de expansión a dicha parte de inyección, y siendo sensiblemente troncocónica, un puerto inyector que entra en dicha parte de inyección a través de dicha pared inmediatamente adyacente a la intersección de dicha parte de estrechamiento y parte de inyección, el perfeccionamiento que comprende: unjuego de paletas de giro en dicha pared, extendiéndose cada paleta de giro citada desde un emplazamiento en dicha parte de entrada hasta un emplazamiento en dicha parte de estrechamiento, ascendiendo dichas paletas desde dicha pared y teniendo una cresta que forma un ángulo agudo con un plano que incluye dicho eje central y que pasa a través de dichas paletas de giro, estando dicha cresta radialmente espaciada de dicho eje central, existiendo una pluralidad de dichas paletas de giro angularmente espaciadas una de otra; y un juego de paletas enderezadoras en dicha pared, extendiéndose cada paleta enderezadora citada a lo largo de dicha pared en dicha parte de expansión, siendo dichas paletas paralelas a dicho eje central, existiendo una pluralidad de dichas paletas enderezadoras angularmente espaciadas una de otra, teniendo dichas paletas enderezadoras una cresta sensiblemente paralela a/y radialmente espaciada de dicho eje central.

Description

Inyectores mezcladores.

Campo de la invención

Inyectores mezcladores para inyectar y mezclar fluidos (gases y líquidos) dentro de una corriente de agua que fluye confinada.

Antecedentes de la invención

El aparato para inyectar sustancias de tratamiento, que pueden ser líquidos o gases, está bien desarrollado. Un dispositivo bien conocido es un inyector aspirante del tipo mostrado en la patente US nº 4.123.800, publicada el 31 de octubre de 1978 a nombre de Angelo Mazzei que muestra la inyección de sustancias de tratamiento en el agua, y un inyector para realizarla.

El propósito de tal inyector es aportar una cantidad proporcionada de la sustancia dentro de una corriente que fluye a través de una tubería en la que está instalado. Además de este objetivo dosificador, se desea disolver bien la sustancia de tratamiento, y distribuirla por toda la corriente que fluye de agua. Esto es especialmente importante cuando se introduce gases. La eficiencia de disolución de un gas dentro de una corriente depende en gran parte del área superficial de las burbujas una vez inyectado el gas, y del movimiento de las burbujas en la corriente. Un movimiento vigoroso de las burbujas, y la reducción de su tamaño, acelerarán la disolución del gas. El movimiento vigoroso facilita también la distribución y disolución de líquidos. Esta distribución acelerada de gas, y la rotura de sus burbujas en burbujas más pequeñas para incrementar la interfaz gas-líquido total puede mejorar también una acción separadora en la que un gas es arrastrado en la corriente de agua con el propósito de retirar un gas diferente de la corriente. Un ejemplo de esta acción se encontrará en la patente US nº 5.674.312 publicada el 7 de octubre de 1997 a nombre de Angelo Mazzei.

Las boquillas fabricadas de acuerdo con la citada patente Mazzei continúan funcionando con altos niveles de precisión en la dosificación y el mezclado de sustancias de tratamiento en una corriente de agua. No obstante, se ha comprobado que el dispositivo Mazzei puede mejorarse para acelerar la disolución y el mezclado de las sustancias de tratamiento en la corriente de agua sin un sacrificio apreciable de energía. Esto puede proporcionar importantes ventajas, entre ellas una reducción en la inversión de capital y el tamaño de la instalación. Como la sustancia de tratamiento, especialmente para gases, pero también para líquidos, puede disolverse (gases) y mezclarse (tanto gases como líquidos) más rápidamente, el tamaño de la instalación y sus componentes pueden reducirse porque hay poca necesidad de volumen del sistema aguas abajo del inyector para completar la disolución y el mezclado.

Es un objeto de esta invención proporcionar un inyector-mezclador más eficiente del tipo general mostrado en las patentes antes mencionadas de Angelo Mazzei.

Breve descripción de la invención

Un inyector-mezclador de acuerdo con esta invención tiene un cuerpo con un paso de flujo que lo atraviesa. El paso de flujo tiene un puerto de entrada, un puerto de salida, y una pared seccionada circularmente que se extiende a lo largo de un eje central entre los dos puertos.

La pared incluye una parte de entrada que se extiende desde el puerto de entrada y es sensiblemente cilíndrica con un diámetro. Incluye además una parte de estrechamiento que es preferiblemente troncocónica, con un diámetro que disminuye a medida que se aleja de la parte de entrada. Se extiende hasta una parte de inyección localizada en el extremo más pequeño de la parte de estrechamiento.

La parte de inyección es sensiblemente cilíndrica, extendiéndose desde su intersección con la parte de estrechamiento a su intersección con una parte de expansión. Un puerto de inyección penetra en el paso de flujo inmediatamente adyacente a la intersección con la parte de estrechamiento y la parte de inyección.

La parte de expansión es preferiblemente troncocónica, con un diámetro que aumenta a medida que se aleja de la parte de inyección. La parte de expansión se extiende hasta el puerto de salida.

De acuerdo con un rasgo de esta invención, la parte de estrechamiento está provista de paletas que dan un giro a un región exterior cilíndrica limitada de la corriente, y la parte de expansión está provista de paletas que enderezan al menos parte de ese giro. Esta región cilíndrica pasa en un flujo retorcido por el puerto de inyección y recibe directamente la sustancia de tratamiento desde el puerto inyector. Cuando este flujo de corriente abandona la parte de inyección, su parte exterior cilíndrica encuentra las paletas enderezadoras en la parte de expansión. Allí se produce una acción de volteo y cizallamiento, en la que las burbujas arrastradas se rompen en burbujas más pequeñas, y algo de fluido de esa región es dirigido centralmente hacia el eje central. Adicionalmente, las paletas enderezan el flujo de la parte cilíndrica exterior. La conversión del flujo rotacional en flujo axial da lugar a un mezclado mejorado y acelerado y a la disolución de esta sustancia de tratamiento, tanto de gases como líquidos.

Los rasgos precedentes y otros rasgos de esta invención serán comprendidos más perfectamente con ayuda de la siguiente descripción detallada y los dibujos que se acompaña, en los que:

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es una sección transversal axial de la realización preferida de la invención, tomada por la línea 1-1 de la figura 2;

la figura 2 es una vista del extremo izquierdo de la figura 1, tomada por la línea 2-2;

la figura 3 es una vista del extremo derecho de la figura 1, tomada por la línea 3-3;

la figura 4 es una sección lateral tomada por la línea 4-4 de la figura 1;

la figura 5 es una sección fragmentaria tomada por la línea 5-5 de la figura 1;

la figura 6 es una vista lateral de un mandril usado en el moldeo del dispositivo de la figura 1;

la figura 7 es una vista agrandada y más detallada de una parte de la figura 6;

la figura 8 es una sección transversal fragmentaria tomada por la línea 8-8 de la figura 7;

las figuras 9-11 son representaciones esquemáticas de otros perfiles de paleta de giro;

la figura 12 es una vista fragmentaria que muestra otra configuración de paleta de giro;

la figura 13 es una sección transversal fragmentaria de una paleta enderezadora tomada por la línea 13-13 de la figura 1; y

la figura 14 es una sección transversal fragmentaria que muestra una relación alternativa entre la parte de estrechamiento, la parte de inyección, y las paletas enderezadoras.

Descripción detallada de la invención

El inyector mezclador 20 actualmente preferido de esta invención está representado en sección transversal en la figura 1. Incluye un cuerpo 21 que tiene una pared exterior 22 y una pared interior 23. Roscas de conexión 24, 25 pueden estar previstas en la pared exterior.

La pared interior 23 forma un paso de flujo 27 que se extiende a lo largo de un eje central 28 desde el extremo de entrada 29 hasta el extremo de salida 30. El paso de flujo incluye un puerto de entrada 31 y un puerto de salida 32. La pared interior está seccionada circularmente.

La pared interior incluye una parte de entrada 33 que se extiende desde el puerto de entrada. Es sensiblemente cilíndrica, aunque puede tener un ligero ahusamiento si se desea.

Una parte de estrechamiento 35 se extiende axialmente desde la parte de entrada. Es preferiblemente troncocónica, con un diámetro que disminuye a medida que se aleja de la parte de entrada. La parte de entrada y la parte de estrechamiento se encuentran en una intersección circular 39 que es normal al eje central.

Una parte de inyección 40 encuentra la parte de estrechamiento en una intersección circular 41 que es normal al eje central. Es preferiblemente cilíndrica, y se extiende a lo largo de una distancia importante hasta una intersección circular 42 con una parte de expansión 43. La intersección 42 es también normal al eje central.

Un puerto de inyección 45, preferiblemente configurado como una ranura continua, está colocado inmediatamente adyacente a la intersección 41. Aunque el diámetro de la parte de inyección puede ser igual que el diámetro más pequeño de la parte de estrechamiento, es ventajoso que el diámetro de la parte de inyección sea un poco mayor. La ranura puede considerarse una parte de la porción de inyección, por lo que hay un borde 44 (véase figura 3) de la parte de estrechamiento que asciende ligeramente por encima del diámetro de la parte de inyección. Esto constituye una ayuda en la aspiración de la sustancia. En vez de una ranura continua, el puerto inyector podría ser una pluralidad de aberturas localizadas similarmente. En cualquier caso el conducto 46 suministra sustancia de tratamiento (gas o líquido) al puerto inyector.

Si se desea, la ranura puede estar ligeramente espaciada de la intersección 41. En cualquier caso debería ser íntimamente adyacente a esa intersección.

La parte de expansión 43 es también con preferencia troncocónica. Se extiende axialmente desde la intersección 42 hasta el puerto de salida. El flujo a través de este inyector mezclador tiene lugar desde el puerto de entrada hasta el puerto de salida. El puerto de entrada se conectará a un flujo de agua presurizado. El puerto de salida se conectará a un sistema usuario. La estructura descrita hasta aquí es esencialmente el inyector-mezclador que se muestra en las citadas patentes Mazzei. En la patente Mazzei, el flujo a través del paso de flujo hasta la parte de inyección es prácticamente un flujo de tapón. La distribución y disolución de la sustancia de tratamiento se produce como consecuencia de perturbaciones tales como las causadas por la inyección de las sustancias y la turbulencia u otro movimiento interno del agua pueden ocurrir en la parte de inyección. Es un objeto de esta invención mejorar la distribución y disolución, pero sin causar tal turbulencia u otras interferencias que disminuyesen notablemente la eficiencia del inyector-mezclador.

Esto se consigue con un sistema de paletas. El primero es un grupo 50 de paletas de giro en las partes de entrada y de estrechamiento, y un grupo 51 de paletas enderezadoras en la parte de expansión. No se pretende que todo el flujo a través del paso de flujo encuentre estas paletas. Hay un "núcleo" central que se encuentra radialmente dentro de las paletas que pasa entre ellas. Solamente un "cilindro" en forma de tubo exterior del flujo, junto a la pared, reaccionará con estas paletas. Desde luego, el agua que es redirigida por esta paletas y por la desviación hacia dentro causada por la parte de estrechamiento mezclará y reaccionará de otro modo con el agua del núcleo. Este es uno de los objetivos de esta invención.

Hay una pluralidad de paletas de giro en el grupo 50. En el ejemplo ilustrado hay ocho paletas 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61 y 62. Se puede prever un mayor o menor número, pero ocho parece ser el número óptimo para el resultado perseguido. Todas son idénticas, por lo que solamente se describirá detalladamente la paleta 55.

Estas paletas son lineales, aunque podrían estar ligeramente curvadas si se desea. Estas paletas serán moldeadas usualmente utilizando una cavidad de molde para formar la pared exterior, y un macho para formar la pared interior, incluidas las paletas. Con la geometría descrita, el macho puede extraerse axialmente fuera del puerto de entrada sin girar el macho. Las paletas del grupo 51 son menos complejas.

La paleta 55 está inclinada a un pequeño ángulo de desviación 65, entre 3 y 15 grados aproximadamente, pero usualmente alrededor de 4 grados con relación a un plano que incluye el eje central, y que pasa también a través de la unión 39 donde cruza la paleta. Aunque es muy pequeña, esta angularidad da una componente rotacional suficiente a la porción cilíndrica exterior de la corriente para los fines de esta invención.

La paleta está formada preferiblemente con una configuración a modo de cuña como se muestra en la figura 5. Tiene una cara de desviación 66 dirigida hacia la corriente entrante, y una cara posterior 67 dirigida hacia la unión 61. Resulta conveniente en el moldeo prever una superficie plana para la cresta 68 de la paleta. Las caras laterales forman preferiblemente un ángulo diedro 69 entre ellas, preferiblemente de 20 grados aproximadamente. El mismo puede variar entre 5 y 40 grados aproximadamente. Este ángulo facilita además la extracción del macho una vez moldeado el dispositivo.

Las paletas están alineadas entre sí. Cada una se extiende en parte dentro de la porción de entrada, y en parte dentro de la porción de estrechamiento. Sus extremos 70 están separados de la unión 41, y sus extremos 71 están separados del puerto de entrada. Se extienden a través de la unión 39. Sus crestas se extienden en un ángulo de cresta 72 (véase figura 9) con relación al eje central para ascender desde la parte de entrada y acabar en la parte de estrechamiento. Se observará que las paletas no llegan al eje central. No se pretende girar toda la corriente, sino únicamente una parte exterior limitada de ella.

La construcción de las paletas en el grupo 50 puede comprenderse mejor mediante un examen del macho de utillaje que las forma cuando son moldeadas. La figura 6 muestra un macho 75 que tiene una superficie externa 76 que forma la parte de entrada 33, un parte cónica 77 que forma la parte de estrechamiento 35, y una intersección 78 que forma la unión 39.

Hendiduras idénticas 79 están cortadas en el macho como se muestra en las figuras 6, 7 y 8. Son formadas por una fresa cuyo filo formará las hendiduras con caras laterales 81, 82 y una cara de fondo 83, todas ellas equipadas para cortar el macho de metal. Este macho formará la pared interior y las paletas cuando se moldea la boquilla de infusión.

Las figuras 9, 10 y 11 muestran esquemáticamente paletas 55, 85 y 86 formadas por corte de las hendiduras a diferentes ángulos 72, 87 y 88. Estas cambian de longitud, altura y excursión en las porciones de pared como se ha representado. Esto es un modo conveniente de proporcionar paletas para diferentes diámetros y cadencias de flujo. En general se prefiere el ángulo mostrado en las figuras 1 y 11. Su ángulo 88 es de aproximadamente 15 grados, pero puede variar entre 5 y 20 grados aproximadamente.

En el proceso de moldeo constituye una ventaja acortar la extensión a lo largo de la cual se extienden las paletas dentro de la parte de entrada. Como se ha mostrado en la figura 1, la cresta de la paleta 55 tiene una curva 91 en su extremo aguas arriba. Esto es opcional. La figura 12 muestra una paleta 95 en todos los aspectos parecida a la paleta 55 de la figura 1, excepto que está ligeramente curvada en vez de ser recta, para proporcionar giro adicional a la parte exterior de la corriente, si se desea.

El grupo 51 de paletas enderezadoras de la parte de expansión son menos complicadas que las del grupo 50, porque están dirigidas axialmente, y no están destinadas a girar parte alguna de la corriente. En cambio, su función es enderezar el flujo que había sido girado.

De nuevo hay preferiblemente ocho paletas 105, 106, 107, 108, 109, 110, 111 y 112, aunque podría preverse un número mayor o menor. Como son preferiblemente idénticas, únicamente se describirá la paleta 105. Se extiende desde su extremo 115 adyacente a la unión 42 a lo largo de una extensión sustancial aguas abajo. Tiene un par de caras laterales 116, 117, (figura 13) que forman un ángulo diedro entre ellas comprendido entre 2 y 30 grados aproximadamente, con preferencia 15 grados aproximadamente. El borde superior interior 118 puede ser plano o cortante, y se extenderá con preferencia sensiblemente paralelo al eje central, bien espaciado del mismo. En su extremo 119 se curva en la pared.

Aunque usualmente será preferible restringir las paletas enderezadoras a la parte de expansión para algunas aplicaciones y para algunos tamaños, hay circunstancias en las que la extensión de estas paletas en la parte de inyección puede constituir una ventaja. Tal disposición está representada en la figura 14.

En la figura 14, la unión 130, donde se encuentran la parte de estrechamiento y la parte de inyección 134, el diámetro más pequeño de la parte de estrechamiento (en la unión 130) es menor que el diámetro de la parte de inyección 134 en el borde 131 del puerto inyector. Esto se ha representado como un "voladizo" sustancial con relación a la ranura. Las paletas enderezadoras 132 continúan en la parte de inyección donde pueden alcanzar la corriente, que se habrá desviado más de la pared de la parte de inyección que si los diámetros 130 y 131 fuesen iguales, o fuesen casi iguales. Las paletas se extienden axialmente más allá de la unión 133 entre la parte de inyección y la parte de expansión, aproximadamente la misma distancia proporcional que en las otras realizaciones. Las crestas de las paletas continúan preferiblemente a la misma distancia del eje central. El macho para formar estas paletas y la parte de expansión es poco complicado, y resulta obvio en el dibujo de la parte.

Se comprenderá ahora la función de este inyector mezclador. El dispositivo se instala en un dispositivo de agua con la dirección de flujo desde el puerto de entrada al puerto de salida. Una fuente de sustancia de tratamiento, quizás aire, oxígeno, ozono o cloro si se trata de un gas, o una disolución de insecticida o fertilizante si es un líquido, es conectada al puerto inyector. Cuando fluye agua a través del inyector/mezclador, aspirará una cantidad proporcional de la sustancia de tratamiento, como se ha descrito en las citadas patentes Mazzei.

La parte exterior de la corriente que fluye encuentra el sistema 50 de paletas de giro. La parte cilíndrica exterior del flujo de tampón recibe un giro por parte de las paletas en relación con el núcleo central del flujo. Asciende por la parte de estrechamiento y sobre el puerto inyector. Este flujo, además de sus velocidades axial y rotacional, tiene una componente dirigida hacia el eje central. Esta combinación de movimientos crea una relación de cizallamiento con el núcleo central después de haber pasado por el puerto inyector y extraer la sustancia de tratamiento, que crea un movimiento de mezclado intenso en la porción de inyección de la sustancia y el agua. Esta corriente penetra entonces en la porción de expansión con estas tres componentes de movimiento. Más allá de la porción de inyección en la porción de expansión, se desea reducir el tamaño de las burbujas e incrementar sus números, aumentando así el área de interfaz total entre las burbujas de gas y el agua, para mejorar el mezclado de la sustancia (gas o líquido) en el agua, y enderezar el flujo para reducir la pérdida de energía debida a la turbulencia.

Con este propósito, la región cilíndrica exterior, que contiene una proporción considerable de todas las burbujas, choca con las paletas. Estas burbujas son rotas por las paletas en burbujas más pequeñas, proporcionando así una mayor área interfacial de gas y agua. El área incrementada aumenta directamente la tasa de disolución de los gases. Adicionalmente, las paletas dirigen parte del agua hacia dentro, y enderezan también esa parte del flujo de la corriente.

Cuando los aditivos son líquidos, los mismos movimientos que rompen las burbujas mezclan los líquidos entre sí más perfectamente.

Una acción disciplinada de rotación-cizallamiento-volteo hacia delante es proporcionada por este inyector-mezclador dando lugar a un incremento medio del 6 al 10% aproximadamente en la tasa de disolución de los gases, y a una mejora importante en el mezclado tanto de gases como de líquidos, ambos con una pérdida de energía que es escasamente perceptible.

Un juego útil de dimensiones para un mezclador-inyector de 2 pulgadas es como sigue en pulgadas (milímetros entre paréntesis):

1

Claims (8)

1. En un inyector-mezclador que tiene un cuerpo con un primer y un segundo extremo, un paso de flujo que lo atraviesa de extremo a extremo, siendo definido dicho paso de flujo por una pared circularmente seccionada que se extiende a lo largo de un eje central desde un puerto de entrada en dicho primer extremo hasta un puerto de salida en dicho segundo extremo, formando dicha pared:

a.

una parte de entrada sensiblemente cilíndrica;

b.

una parte de estrechamiento;

c.

una parte de inyección sensiblemente cilíndrica; y

d.

una parte de expansión;

interconectando dicha parte de estrechamiento la citada parte de entrada y la citada parte de inyección, y siendo sensiblemente troncocónica,

uniendose dicha parte de expansión a dicha parte de inyección, y siendo sensiblemente troncocónica,

un puerto inyector que entra en dicha parte de inyección a través de dicha pared inmediatamente adyacente a la intersección de dicha parte de estrechamiento y parte de inyección, el perfeccionamiento que comprende:

un juego de paletas de giro en dicha pared, extendiéndose cada paleta de giro citada desde un emplazamiento en dicha parte de entrada hasta un emplazamiento en dicha parte de estrechamiento, ascendiendo dichas paletas desde dicha pared y teniendo una cresta que forma un ángulo agudo con un plano que incluye dicho eje central y que pasa a través de dichas paletas de giro, estando dicha cresta radialmente espaciada de dicho eje central, existiendo una pluralidad de dichas paletas de giro angularmente espaciadas una de otra; y

un juego de paletas enderezadoras en dicha pared, extendiéndose cada paleta enderezadora citada a lo largo de dicha pared en dicha parte de expansión, siendo dichas paletas paralelas a dicho eje central, existiendo una pluralidad de dichas paletas enderezadoras angularmente espaciadas una de otra, teniendo dichas paletas enderezadoras una cresta sensiblemente paralela a/y radialmente espaciada de dicho eje central.

2. Inyector mezclador de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichas paletas de giro terminan en un emplazamiento axialmente espaciado de la intersección de dichas partes de estrechamiento y de inyección.

3. Inyector mezclador de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichas paletas enderezadoras están colocadas enteramente en la mencionada parte de expansión.

4. Inyector mezclador de acuerdo con la reivindicación 3, en el que dichas paletas de giro terminan en un emplazamiento axialmente espaciado de la intersección de dichas partes de estrechamiento y de inyección.

5. Inyector mezclador de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichas paletas enderezadoras se extienden dentro de las mencionadas partes de inyección y de expansión.

6. Inyector mezclador de acuerdo con la reivindicación 5, en el que el diámetro más pequeño de dicha parte de estrechamiento es menor que el diámetro de la parte de inyección .

7. Inyector mezclador de acuerdo con la reivindicación 6, en el que dichas paletas de giro terminan en un emplazamiento axialmente espaciado de la intersección de dichas partes de estrechamiento y de inyección.

8. Inyector mezclador de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho puerto inyector es una ranura circunferencial, siendo un borde de la citada ranura sensiblemente contiguo a la intersección de las partes de estrechamiento y de inyección.