ES2244441T3 - Torbellinos mezcladores estaticos y metodo de empleo para los mismos. - Google Patents
Torbellinos mezcladores estaticos y metodo de empleo para los mismos.Info
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Abstract
Un mezclador de fluido estático que comprende: un conducto alargado para flujo (12) que presenta un eje (14) situado centralmente que se extiende longitudinalmente y una pared interna generalmente cilíndrica (16) que se extiende alrededor de dicho eje y que define un paso del flujo del fluido (18) en el interior del conducto el cual se extiende a lo largo de dicho eje central; un primer miembro difusor (20) inclinado , alargado, posicionado en dicho paso del flujo de fluido y conectado a dicha pared en un primer emplazamiento (22) en dicho conducto; y un segundo miembro difusor inclinado, alargado (30) posicionado en dicho paso de flujo de fluido y conectado con dicha pared en un segundo emplazamiento (32) en dicho conducto, caracterizado porque dicho primer miembro difusor alargado tiene un extremo superior (24) un extremo inferior (26) y un eje longitudinal (28), estando dicho extremo superior del primer miembro difusor espaciado radialmente del primer emplazamiento a una primera distancia (D1) que es menor a un radio del conducto, estando dicho extremo inferior del primer miembro difusor espaciado radialmente del primer emplazamiento por una segunda distancia (D2) que es mayor que dicha primera distancia (D1); y presentando dicho segundo miembro difusor alargado (30) un extremo superior (34), un extremo inferior (36) y un eje longitudinal (38), estando dicho extremo superior y el segundo miembro difusor alargado espaciado radialmente del segundo emplazamiento por una tercera distancia (D3) que es menor a dicho radio del conducto, estando dicho extremo inferior del segundo miembro difusor alargado espaciado radialmente del segundo emplazamiento por una cuarta distancia (D4) que es mayor que dicha tercera distancia (D3), estando dicho segundo emplazamiento desviado circunferencialmente de dicho primer emplazamiento y espaciado longitudinalmente del conducto por una quinta distancia (D5) de dicho primer emplazamiento.
Description
Torbellinos mezcladores estáticos y método de
empleo para los mismos.
La presente solicitud se refiere en general a
mezcladores de fluido estáticos y en particular a mezcladores
estáticos que son útiles para generar torbellinos para mezcla de
fluido. El modo de realización se refiere asimismo a métodos para
mezclar fluidos utilizando dichos mezcladores estáticos.
Se utilizan mezcladores estáticos posicionados en
el interior de tuberías u otros conductos, en una variedad de
aplicaciones para facilitar la mezcla de uno o varios chorros de
fluido que fluyan en el interior de los conductos. Por ejemplo, se
utilizan mezcladores estáticos para realizar una distribución
homogénea de gas o de partículas sólidas en el interior de un
chorro de líquido para mezclar dos o más chorros de gas o de
líquido y para mezclar un solo chorro de líquido para obtener una
distribución más uniforme de la temperatura, velocidad u otras
propiedades del fluido.
Algunos tipos de mezcladores estáticos, conocidos
como mezcladores de torbellino están específicamente destinados a
causar la mezcla mediante torbellinos de turbulencias del fluido.
Se conocen ejemplos de dichos mezcladores de torbellinos por la
Patente US Nº 4.307.697 de Ong, la Patente US Nº 5.330.267 de
Tauscher, la Patente US Nº 5.456.533 de Streff et al., las
Patentes US Nº 4.929.088 y 4.981.368 de Smith, la Patente US Nº
5.489.153 y la Patente US Nº 5.813.762. Se describe otro ejemplo de
mezclador estático en la Patente US 5.758.967 de King, que describe
un aparato fijo para la mezcla de material que incluye una
pluralidad de elementos de mezcla caracterizado porque no tiene
bordes perpendiculares al eje longitudinal. Estos elementos de
mezcla están conectados, a lo largo de una porción de los bordes
periféricos del mismo, a la superficie interna del conducto.
Generalmente es deseable que un mezclador de
torbellinos proporcione una trayectoria corta del chorro a mezclar
y una pequeña pérdida de presión en una variedad de condiciones de
chorro y de composición de fluido diferentes. Asimismo, para lograr
una elevada eficiencia, también resulta deseable que el mezclador
de torbellinos tenga una construcción simple, aunque duradera, para
lograr facilidad de fabricación y bajo coste. Los mezcladores de
torbellinos antes mencionados cumplen estos objetivos en grados
variables; no obstante, sigue siendo necesaria la obtención de un
mezclador de torbellinos mejorado.
Es un objeto de esta invención proporcionar un
mezclador estático que sea capaz de aportar una elevada eficacia de
mezcla a través de una amplia gama de medidas de caudal de fluido
de modo que el mezclador pueda ser utilizado en una variedad de
aplicaciones diferentes.
Es un objeto de la presente invención
proporcionar un mezclador estático que proporcione una elevada
eficacia de mezcla de dos o más sustancias, tales como chorros de
gas y de líquido o partículas sólidas y chorros de fluido, que
fluyan en el interior de un conducto a través de una amplia gama de
relaciones de una sustancia respecto a otra(s) de modo que
el mezclador resulte útil en aplicaciones muy diferentes.
Otro objeto de la presente invención es facilitar
un mezclador estático que logre un alto nivel de mezclado
ejerciendo al mismo tiempo únicamente una caída de presión
relativamente reducida de modo que las pérdidas de energía puedan
mantenerse dentro de límites preseleccionados.
Es un otro objeto adicional de esta invención es
proporcionar un mezclador estático que esté fabricado de modo que
impida la recogida de fibras u otras partículas sólidas sobre las
superficies del mezclador de modo que se minimicen las posibilidades
de atasco del conducto cuando los fluidos que contengan fibras o
partículas sólidas fluyan a través del conducto.
Otro objeto más de la presente invención es
proporcionar un mezclador estático que tenga una configuración
simple y que esté fabricado con una cantidad mínima de material
para poder alcanzar costes de fabricación reducidos.
Como corolario del objeto que antecede, otro
objeto adicional es proporcionar un mezclador estático que tenga
una construcción resistente y estable de modo que pueda resistir
las vibraciones y las fuerzas del fluido con un riesgo mínimo de
avería.
Para lograr éstos y otros objetos de la
invención, se proporciona un mezclador estático que, en un modo de
realización preferido utiliza únicamente dos miembros difusores
posicionados en el interior de un tramo preseleccionado de conducto,
estando un miembro difusor posicionado en la parte inferior del
otro miembro difusor y desviado aproximadamente 90 grados de éste.
Cada miembro difusor está construido de modo que cree un par de
torbellinos de contrarrotación que sean capaces de extenderse a
través de toda la sección transversal del conducto. Debido a los
miembros difusores desviados, el mezclador estático produce una
distribución de la mezcla en dos direcciones principales a través de
la sección transversal del chorro de fluido, contribuyendo
adicionalmente a la mezcla homogénea a lo largo de un tramo
relativamente corto del conducto y con un mínimo de caída de
presión.
En especial generalmente, la invención
proporciona un mezclador de fluido estático que comprende un
conducto alargado para flujo del fluido que tiene un eje que se
extiende situado de forma central y una pared interna generalmente
cilíndrica que se extiende alrededor de dicho eje y que define un
paso para el flujo del fluido en el interior del conducto que se
extiende a lo largo de dicho eje central. El mezclador incluye
asimismo un primer miembro inclinado alargado posicionado en dicha
trayectoria/paso del chorro de fluido en un primer punto en dicho
conducto y un segundo miembro difusor inclinado alargado
posicionado en dicha paso del chorro de fluido en un segundo punto
de dicho conducto. El segundo punto está desviado
circunferencialmente del primer punto y éste está espaciado
longitudinalmente del conducto de dicho primer punto. La
disposición de los miembros difusores es tal que el mezclador no
incluye miembros difusores adicionales que estén alineados
circunferencial o longitudinalmente con el primer o segundo miembro
difusor.
En otros aspectos generales, la invención
proporciona un mezclador de fluido estático que comprende un
conducto alargado de flujo del fluido que tiene un eje que se
extiende longitudinalmente y una pared interna generalmente
cilíndrica que se extiende alrededor de dicho eje y que define un
paso del flujo de fluido en el interior del conducto que se
extiende a lo largo de dicho eje central. El mezclador incluye un
primer miembro difusor inclinado alargado posicionado en dicho paso
del chorro de fluido en un primer punto en dicho conducto. El
primer miembro difusor tiene la forma de una placa que presenta un
extremo superior, un extremo inferior y un eje longitudinal. El
extremo superior del primer miembro difusor está radialmente
espaciado de la pared por una primera distancia que es inferior a
un radio del conducto y el extremo inferior del primer miembro
difusor está espaciado radialmente del conducto por una segunda
distancia que es mayor que dicha primera distancia.
El mezclador incluye asimismo un segundo miembro
difusor inclinado alargado posicionado en dicho paso de chorro de
fluido en un segundo punto en dicho conducto. El segundo miembro
difusor tiene igualmente de preferencia forma de placa que
presenta un extremo superior, un extremo inferior y un eje
longitudinal. El extremo superior del segundo miembro difusor está
radialmente espaciado de la pared por una tercera distancia que es
menor a la del radio del conducto, y el extremo inferior del primer
miembro difusor está espaciado radialmente de la pared por una
cuarta distancia que es mayor que dicha tercera distancia. De
preferencia, la segunda y la cuarta distancias son de modo tal que
los miembros difusores se extienden sobre aproximadamente el 70 por
ciento del diámetro del conducto. Se prefiere igualmente que la
primera y la tercera distancias comprendan aproximadamente el 4 por
ciento del diámetro del conducto. El segundo punto en el conducto
está de preferencia desviado circunferencialmente del primer punto
y espaciado longitudinalmente del conducto de una quinta parte de
la distancia de dicho primer punto.
El mezclador puede incluir también un elemento de
montaje de cada uno de dichos miembros difusores. De preferencia
estos elementos de montaje pueden extenderse radialmente desde el
conducto entre una cara inferior de un difusor respectivo y dicha
pared. Idealmente, los elementos de montaje pueden tener cada uno la
forma de un miembro que tenga un borde que establezca contacto con
la pared del conducto a lo largo de una línea que sea esencialmente
paralela con el eje central. Alternativamente, al menos uno de los
elementos de montaje puede tener la forma de un tubo rociador.
En un modo de realización preferido de la
invención, los miembros difusores tienen esencialmente la misma
forma, la primera y la tercera distancias son esencialmente las
mismas, y la segunda y la cuarta distancias son esencialmente las
mismas. Idealmente, los miembros pueden ser placas de forma
trapezoidal. Idealmente, la primera y la tercera distancias son
suficientemente grandes para permitir que porciones del fluido
fluyan a través del conducto para pasar entre los extremos
superiores de los miembros difusores y la pared.
En aun otro aspecto preferido de la invención,
que los extremos inferiores de los miembros de placas difusores
puedan tener ángulos lateralmente espaciados que estén dispuestos
para crear torbellinos de contrarrotación en el fluido que fluye a
través del conducto. Esta disposición facilita la mezcla a fondo de
los materiales que fluyen a través del conducto.
En otro modo preferido de realización de la
invención, la distancia longitudinal entre el primer y el segundo
puntos donde están posicionados los miembros difusores, debiera
tener una gama 2 a 10 veces aproximadamente mayor que el radio del
conducto. Idealmente, dicha distancia longitudinal puede ser
aproximadamente 4 veces mayor que dicho radio.
Preferiblemente, los miembros difusores pueden
están desviados circunferencialmente unos 90º. Asimismo, de
acuerdo con otro aspecto preferido de la invención, un eje
longitudinal de cada uno de los miembros difusores puede estar
inclinado con un ángulo dentro de la gama de aproximadamente 20 a
60 grados en relación con el eje central del conducto. De forma
todavía más preferida, los ejes longitudinales de los miembros
difusores pueden estar inclinados con un ángulo dentro de una gama
de unos 30 a unos 50 grados en relación con el eje central del
conducto. Idealmente, los ejes longitudinales de los miembros
difusores pueden estar inclinados, cada uno, en un ángulo de unos 35
grados en relación con el eje central del conducto. De conformidad
con otro aspecto preferido de la invención, los extremos superiores
de los miembros difusores pueden estar inclinados con un ángulo de
unos 90 grados en relación con dicho eje.
Los miembros difusores pueden idealmente ser
placas que sean de forma trapezoidal con extremos inferiores que
sean más pequeños que los extremos superiores. De acuerdo con los
principios y conceptos de la invención, las placas difusoras pueden
tener cualquiera de una variedad de formas y configuraciones. Es
decir, los miembros pueden ser placas que sean esencialmente planas
en la configuración de sección transversal. Alternativamente, los
miembros pueden ser esencialmente no planos en la configuración de
sección transversal, esencialmente cóncavos en la configuración de
sección transversal, esencialmente convexos en la configuración de
sección transversal o con forma esencialmente en V en la
configuración de sección transversal. Los miembros difusores pueden
incluir también un paso interno o externo hueco que facilite un
paso para el chorro para introducir un aditivo en un chorro de
fluidos que pasen a través el conducto. Alternativamente, los
miembros difusores pueden tener forma de placas porosas y/o
foraminosas.
La invención proporciona además un método para
mezclar uno o varios chorros de fluido que comprende facilitar un
mezclador estático de fluido tal como se ha descrito anteriormente
y hacer que uno o varios chorros de fluido fluyan a lo largo del
paso de flujo del fluido definido por el conducto. La invención
proporciona también un método para mezclar partículas sólidas con
uno o más chorros de fluido que comprende proporcionar un
mezclador de fluido estático tal como se ha descrito más arriba y
que provoque un chorro de partículas sólidas y uno o más chorros de
fluido para que fluyan a lo largo del paso del fluido definido por
el conducto.
La Fig. 1 es una vista isométrica, en sección
transversal parcial que ilustra los componentes internos de un
mezclador estático que utiliza los principios y conceptos de la
invención;
La Fig. 2 es una vista en alzado frontal del
mezclador estático de la Fig. 1;
La Fig. 3 es una vista en sección transversal
tomada a lo largo de la línea 3-3 de la Fig.
2;
La Fig. 4 es una vista en alzado frontal de otro
mezclador estático que utiliza los principios y conceptos de la
invención pero con una configuración de difusor diferente al
del mezclador de las Fig. 1, 2 y 3;
La Fig. 5 es una vista en sección transversal
tomada a lo largo de la línea 5-5 de la Fig.
4;
La Fig. 6 es una vista en alzado en sección
transversal que muestra un miembro difusor foraminoso;
Las Fig. 7 a 14 son vistas que muestran una
variedad de configuraciones útiles para miembros difusores que
incluyen tuberías de rociado y similares, y
Las Fig. 15 a 18 son vistas en alzado que
muestran mezcladores estáticos de la invención con una variedad de
miembros difusores que tienen formas alternativas.
Con referencia ahora a los dibujos más detallados
e inicialmente a las Fig. 1-3, un mezclador de
fluido estático que utiliza los conceptos y principios de la
invención está identificado con la referencia numérica 10. El
mezclador 10 incluye un conducto de paso del fluido alargado 12 que
presenta un eje 14 situado centralmente que se extiende
longitudinalmente y una pared generalmente cilíndrica interna 16 que
se extiende alrededor del eje 14. El conducto 12 define un paso
del fluido 18 en el mismo. Un miembro difusor inclinado y alargado
con forma de placa 20 está posicionado en el paso del flujo 18 en
un emplazamiento 22 sobre la pared 16. La placa 20 tiene un extremo
superior 24, un extremo inferior 26 y un eje longitudinal 28. El
extremo superior 24 está de preferencia espaciado radialmente a una
distancia D1 del emplazamiento 22 sobre la pared 16. Como puede
verse en los dibujos, la distancia D1 es generalmente inferior al
radio del conducto 12. Para ello, puede posicionarse el extremo 24
en contacto con la pared 16 con resultados adecuados si dicha
configuración es deseable. Como la placa 20 se proyecta a través del
paso del flujo 18, está claro que el extremo inferior 26 estará
espaciado radialmente del emplazamiento 22 a una distancia D2 que
es mayor que la distancia D1.
Otro miembro difusor inclinado alargado con forma
de placa 30 está posicionado en el paso del flujo 18 en un
emplazamiento 32 sobre la pared 16. La placa 30 tiene un extremo
superior 34, un extremo inferior 36 y un eje longitudinal 38. El
extremo superior 34 está de preferencia igualmente espaciado
radialmente del emplazamiento 32 en la pared 16 a una distancia D3
que, de nuevo es menor al radio del conducto 12. El extremo
inferior 36 está espaciado radialmente del emplazamiento 32 a una
distancia D4, la cual es mayor que la distancia D3. Como puede
verse en la Fig. 3, las placas 20 y 30 pueden de preferencia tener
forma trapezoidal y las dimensiones laterales de los extremos
inferiores 26 y 36 pueden ser de preferencia menores a las
dimensiones laterales respectivas de los extremos superiores 24 y
34.
Como puede verse en la Fig. 2, los emplazamientos
22 y 32 y, por lo tanto las placas difusoras 20 y 30 están
espaciadas a lo largo del conducto 12 a una distancia D5. Con
referencia a la Fig. 3, puede verse que los emplazamientos 22 y 32,
y por lo tanto las placas difusoras 20 y 30 están igualmente
desviadas circunferencialmente alrededor del eje 14, de preferencia
con un ángulo de unos 90º; no obstante, el ángulo de desviación
deseado puede más o menos de 90º, según se pueda determinar
empíricamente según la naturaleza del fluido a mezclar, La
distancia D5 entre los emplazamientos 22 y 32 pueden situarse
dentro de una gama de 2 a 10 veces aproximadamente el tamaño del
radio interno del conducto 12. Idealmente la distancia D5 debiera
ser unas 4 veces el radio interno del conducto 12.
Idealmente, de conformidad con los conceptos y
principios de la invención, las placas difusoras 20 y 30 pueden
tener la misma forma. Asimismo, las distancias D1 y D3 pueden ser
de preferencia las mismas y las distancias D2 y D4 pueden ser
también aproximadamente las mismas. Las distancias D1 y D3 debieran
ser de preferencia suficientes para permitir que porciones del
fluido que fluye a lo largo del paso del flujo 18 y por lo tanto a
través del conducto 12 pase entre los extremos superiores 24 y 34 y
pared 16. Esto puede evitar que se desarrollen corrientes parásitas
y zonas muertas detrás de las placas 20 y 30.
Las placas 20 y 30 pueden tener de preferencia
una dimensión longitudinal L que sea suficiente para extenderse a
lo largo del 50 al 75 por ciento del diámetro del conducto 12.
Idealmente, esta dimensión L debiera ser tal que las placas se
extiendan aproximadamente en el 70 por ciento del diámetro del
conducto 12. Además, las placas 20 y 30 pueden de preferencia
inclinarse con un ángulo de 20 a 60 grados aproximadamente en
relación con el eje 14. Con mayor preferencia, este ángulo de
inclinación puede ser de unos 30 a 50 grados. Idealmente, este
ángulo de inclinación puede ser de unos 35 grados. Como puede verse
en las Fig. 3 y 4, los extremos superiores 24 y 34 de las placas 20
y 30 pueden de preferencia ser relativamente rectos y pueden
extenderse lateralmente a un ángulo de aproximadamente 90 grados
con relación al eje 14.
Con referencia en particular a las Fig. 1 a 3, se
prefiere igualmente que los extremos inferiores 26 y 36 de las
placas 20 y 30 proporcionen ángulos espaciados lateralmente 80 para
crear torbellinos de contrarrotación 40 en el fluido que pasa a
través del conducto 12 a lo largo del paso 18. Estos torbellinos 40
trabajan juntos para garantizar la mezcla a fondo de los materiales
a mezclar a través de la totalidad del interior del conducto
12.
Las placas difusoras 20 y 30 pueden estar
conectadas a la pared 16 por abrazaderas de montaje respectivas
con forma de placas 60 y 62 que se extienden radialmente al
conducto 12 entre la pared 16 y las caras inferiores respectivas 64
y 66 de las placas 20 y 30. Tal como se representa, las placas 60 y
62 tienen bordes respectivos 68 y 70 que establecen contacto con la
pared 16 sobre una línea que se extiende longitudinalmente al
conducto 12 a lo largo del paso 18. Las abrazaderas 60 y 62, de
preferencia comprenden placas planas que pueden fijarse en la pared
del conducto 16 y caras 64 y 66 de los miembros difusores 20 y 30
mediante soldadura o similar. Las abrazaderas 60 y 62 están
orientadas de modo que presenten un perfil tan pequeño como sea
posible en la dirección del flujo del fluido y de preferencia,
descansen en un plano paralelo a la dirección del flujo del fluido.
En lugar de fijar directamente las abrazaderas 60 y 62 a la pared
del conducto 16, las abrazaderas pueden igualmente estar fijadas a
una estructura anular que se inserte en el conducto 16 y que esté a
su vez fijada a la pared del conducto por fricción u otro medio
apropiado. Una ventaja de dicha estructura anular es que puede ser
fácilmente retirada o sustituida y se puede utilizar para readaptar
rápidamente un conducto existente.
El conducto 12 en el cual están posicionados los
miembros difusores 20 y 30 pueden ser tuberías, conductos, tubos,
taladros pasantes u otro dispositivo para transportar uno o más
chorros de fluido. El conducto tiene normalmente una sección
transversal circular, pero puede igualmente ser ovalada, cuadrada,
rectangular o poligonal o de cualquier otra forma. El conducto
puede incluir una tubería de rociado 85 (Figs. 7-14)
u otro dispositivo para introducir uno o más fluidos o sustancias
tales como partículas sólidas en el canal de flujo de fluido
principal de manera y en un emplazamiento conocidos. La tubería de
rociado 85 puede ser utilizada también como elemento de montaje para
uno o más miembros difusores tal como representan las Fig.
7-10.
Con referencia a las Figs. 5 y 6, se representa
otro modo de realización conocido de la invención. En este modo de
realización, la disposición es esencialmente la misma que en el
modo de realización de las Figs. 1, 2 y 3, excepto que los extremos
superiores 46 y 48 de las placas difusoras son arqueadas y tienen
una configuración que se corresponde generalmente con la curvatura
de la pared 16. Por consiguiente, presenta ranuras arqueadas 50 y
52 entre la pared 16 y los extremos arqueados 46 y 48. Como
anteriormente, las ranuras 50 y 52 debieran tener un gran tamaño
para permitir que porciones del fluido que fluye a través del
conducto 12 pasen entre los extremos 46 y 48 y la pared 16. De
preferencia, para lograr este propósito, la anchura de las ranuras
50 y 52 puede ser idealmente de aproximadamente un 4 por ciento del
diámetro interno del conducto 12.
Aunque se conoce que otros mezcladores estáticos
de torbellino utilizan dos o más miembros difusores en cada uno de
los múltiples emplazamientos a lo largo del tramo axial del
conducto, la presente invención está dirigida al uso de un solamente
un único miembro difusor en cada uno de los dos emplazamientos
espaciados de una distancia preseleccionada en la dirección del
flujo del fluido dentro del conducto, y desviado un grado
preseleccionado a lo largo de la pared del conducto en dirección
transversal. Esta disposición de los miembros difusores permite una
distribución de la no homogeneidad en la totalidad de la sección
transversal del conducto en una primera dirección de mezclado
principal cuando el chorro de fluido se encuentra con el primer
miembro difusor, seguido por la distribución de la no homogeneidad
en la totalidad de la sección transversal del conducto en una
segunda dirección principal de mezcla cuando el chorro de fluido
encuentra el segundo miembro difusor. Al orientar los miembros
difusores con una desviación de aproximadamente 90 grados, la
primera y la segunda direcciones de mezclado principales se desvían
de forma similar de modo que se pueda presentar un mezclado más
uniforme y completo dando por resultado aumentos de la
homogeneidad. Además, el uso de un único miembro difusor en cada
emplazamiento facilita el mezclado uniforme a través de la totalidad
de la sección transversal del conducto al permitir que los dos
torbellinos en contrarrotación generados por cada miembro difusor se
expanda a través de la totalidad de la sección transversal del
conducto. El uso de miembros difusores múltiples en cada
emplazamiento pudiera de otro modo causar una mala distribución del
chorro del fluido como resultado de la producción de múltiples
torbellinos que interfieran.
Las tuberías de rociado utilizadas para
introducir o dosificar aditivos, tales como chorros adicionales de
fluido o sustancias, están de preferencia posicionadas de modo que
no interfieran con los torbellinos de contrarrotación formados por
los miembros difusores. Las tuberías de rociado pueden de
preferencia estar situadas por encima de los miembros difusores
superiores o bien en éstos de modo que los aditivos sean
introducidos por encima del miembro difusor, en uno o más
emplazamientos a lo largo de la cara superior del miembro difusor
o incluso a lo largo de la cara inferior del miembro difusor de modo
que una porción del fluido que fluye a lo largo del paso lo haga
alrededor del exterior del miembro difusor mientras que otra
porción sea introducida más abajo que el miembro difusor. En
aplicaciones donde el fluido aditivo y el chorro principal del
fluido tengan densidades sustancialmente diferentes, puede ser
particularmente deseable dosificar el fluido aditivo a lo largo de
la superficie del miembro difusor de modo que los fluidos se
mezclen de inmediato reduciendo de este modo la influencia de la
diferencia de densidad en el resultado de la mezcla. Ejemplos de
diferentes estructuras dosificadoras que se puedan utilizar en
relación con la presente invención, son ilustrados en las Figuras 7
a 14.
En este último aspecto, la Fig. 9 ilustra un
ejemplo particularmente preferido de una estructura de dosificación
que comprende una tubería de rociado 85. En la Fig. 9, la tubería
de rociado 85 descansa sobre la cara inferior 301 de un miembro
difusor 300 que tiene forma de placa. La tubería de rociado 85
puede estar fijada a la cara 301 mediante soldadura o similar. Con
esta disposición, la tubería de rociado 85 puede proporcionar un
elemento de montaje para placa difusora 300. En la Fig. 11, la
tubería de rociado 85 está posicionada centralmente en la placa
difusora. La estructura de la Fig. 12 es similar a la estructura de
la Fig. 11, excepto que en este caso la tubería de rociado 85
incluye media porción de tubería redonda que está cerrada por la
placa difusora. La estructura de la Fig. 13 de nuevo es similar a
la estructura de la Fig. 11, excepto que en este caso dos tuberías
de rociado 85 están incluidas en los bordes de la placa difusora.
En la Fig. 14, la estructura de la Fig. 11 se combina con la
estructura de la Fig. 13.
Con referencia a las Figs. 7 y 8, el miembro
difusor 350 es hueco y facilita un conducto 351 para que el fluido
fluya a través de éste. Se inserta la tubería de rociado 85 en el
conducto 351 y se puede fijar al miembro difusor 350 mediante
soldadura o similar. De nuevo, como puede verse en la Fig. 7, la
tubería de rociado 85 puede servir como elemento de montaje para
unir el miembro difusor 350 a la pared 16. En la Fig. 9, la
construcción es similar a la estructura de las Figs. 7 y 8, excepto
que en este caso la tubería de rociado 85 está unida a la cara
inferior del miembro difusor 350.
El miembro difusor 500 representado en la Fig. 6
es similar a las placas difusoras 20 y 30 con la excepción de que
en este caso la placa es foraminosa. Es decir, se han practicado
una pluralidad de orificios 501 en la placa. Estos orificios 501
actúan para impedir que se creen corrientes parásitas y similares
en la cara inferior 502 de la placa 500 y permite que una porción
de fluido fluya a lo largo del paso del flujo a través del miembro
difusor 500 mientras otra porción del fluido fluye en el exterior y
alrededor del miembro difusor 500.
De preferencia, si se utiliza una tubería de
rociado, ésta debiera situarse en un miembro difusor superior. Una
ventaja particular de utilizar una única tubería de rociado en el
emplazamiento del difusor superior es que dicha disposición permite
que la totalidad del aditivo sea dosificado en un solo lugar en
lugar de tener que dividirlos entre múltiples partes iguales para
la distribución entre una pluralidad de miembros difusores como en
construcciones anteriores. Además, como la presión en la parte
trasera del miembro difusor inclinado es inferior a la del lado
delantero, el extremo superior del miembro difusor presenta un
emplazamiento preferido para dosificar un aditivo. El diferencial de
la presión causa un aumento de la velocidad del chorro principal de
fluido, incrementa la fuerza de inercia y el número Froude y
reduce la influencia que la diferencia de densidad entre el chorro
principal del fluido y el aditivo tiene sobre el grado de
homogeneidad alcanzado. Como resultado, en esta área de diferencial
de presión existe un efecto mayor e inmediato de dilución en el
aditivo por parte del chorro principal.
Tal como representan las Figs. 1 a 5, las placas
20 y 30, de preferencia, tienen una configuración generalmente
plana. No obstante, con referencia a las Figs. 15 a 18, cierto
número de configuraciones no planas pueden resultar igualmente
útiles. De este modo, como puede observarse en la Fig. 15, las
placas difusoras pueden ser conexas y arqueadas, como se observa en
la Fig. 17, las placas difusoras pueden ser convexas y con forma de
V, como se observa en la Fig. 18, las placas difusoras pueden ser
cóncavas y tener forma de V.
Como el proceso de mezclado se desarrolla
normalmente a una distancia que es de una a tres veces el diámetro
del conducto inferior del miembro difusor inferior, y la distancia
de separación entre los miembros difusores es del orden de una a
cinco veces el diámetro del conducto, puede producirse una mezcla
homogénea a una distancia de dos a ocho veces el diámetro del
conducto. y normalmente de tres a cinco veces el diámetro del
conducto Además, para proporcionar una mezcla efectiva a lo largo de
un tramo relativamente corto de conducto, el mezclador estático de
la presente invención es particularmente notable porque consigue
esta mezcla con una caída mínima de la presión y a través de una
amplia gama de medidas de caudal y de relaciones de fluidos y
aditivos. El dibujo relativamente simple de los miembros difusores
utilizados en los mezcladores requiere una cantidad mínima de
material y seguir siendo estable y resistente a las vibraciones que
puedan producirse como resultado de un flujo de fluido
turbulento.
El diseño del mezclador de torbellinos de la
presente invención reduce la sensibilidad del mezclador a
diferencias de densidad entre el chorro de fluido principal y el
aditivo incluso a medidas de caudal y velocidades reducidas en las
cuales el número Froude es extremadamente pequeño e incluso
diferencias de densidad pequeñas reducirían normalmente la
eficacia de la mezcla o evitarían que se produzca cualquier mezcla.
Éste puede ser un problema particular en los diseños de mezclador
convencionales cuando los fluidos de diferentes densidades tales
como aire frío o caliente, agua fría o caliente, agua y una
solución salina o hidrocarbonos de densidades diferentes están
fluyendo en canales horizontales rectos y forman capas de flujo
separadas estables de fluido.
Aunque se ha descrito la invención con respecto
a dos mezcladores de miembros difusores, en otros modos de
realización menos preferidos, se pueden utilizar sólo uno o bien
tres o más miembros difusores. Cuando se utilicen miembros difusores
múltiples, están de preferencia espaciados en la dirección de flujo
del fluido, estando cada miembro difusor de preferencia desviado
en la periferia del conducto de cada miembro difusor adyacente. La
desviación puede ser de 90 grados, tal como se describe en relación
con el modo de realización con dos miembros difusores o algún otro
ángulo que se elija.
La invención es aplicable a conductos
generalmente cilíndricos cerrados, tales como tuberías y tubos y
similares. La invención es igualmente aplicable a conductos que se
extienden reclinados y/o generalmente de forma horizontal, que no
estén completamente cerrados y que tengan una abertura, de
preferencia una abertura que se extienda longitudinalmente, en las
porciones superiores de la misma. Por ejemplo, el conducto puede
tener la forma de zanja o paso o trozo semicircular de tubería que
se extienda horizontalmente, que tenga fluidos que se desplazan a
lo largo de la misma en una dirección generalmente horizontal.
Asimismo, de conformidad con la invención, el mezclador puede
simplemente comprender un conducto relativamente corto que tenga
extremos respectivos que estén espaciados a poca distancia de
dichos primer y segundo emplazamientos de modo que el mezclador
pueda ser fácilmente instalado y/o retirado para el mantenimiento o
la limpieza periódica.
Claims (42)
1. Un mezclador de fluido estático que comprende:
un conducto alargado para flujo (12) que presenta un eje (14)
situado centralmente que se extiende longitudinalmente y una pared
interna generalmente cilíndrica (16) que se extiende alrededor de
dicho eje y que define un paso del flujo del fluido (18) en el
interior del conducto el cual se extiende a lo largo de dicho eje
central; un primer miembro difusor (20) inclinado, alargado,
posicionado en dicho paso del flujo de fluido y conectado a dicha
pared en un primer emplazamiento (22) en dicho conducto; y un
segundo miembro difusor inclinado, alargado (30) posicionado en
dicho paso de flujo de fluido y conectado con dicha pared en un
segundo emplazamiento (32) en dicho conducto,
caracterizado porque dicho primer miembro
difusor alargado tiene un extremo superior (24) un extremo inferior
(26) y un eje longitudinal (28), estando dicho extremo superior del
primer miembro difusor espaciado radialmente del primer
emplazamiento a una primera distancia (D1) que es menor a un radio
del conducto, estando dicho extremo inferior del primer miembro
difusor espaciado radialmente del primer emplazamiento por una
segunda distancia (D2) que es mayor que dicha primera distancia
(D1); y presentando dicho segundo miembro difusor alargado (30) un
extremo superior (34), un extremo inferior (36) y un eje
longitudinal (38), estando dicho extremo superior y el segundo
miembro difusor alargado espaciado radialmente del segundo
emplazamiento por una tercera distancia (D3) que es menor a dicho
radio del conducto, estando dicho extremo inferior del segundo
miembro difusor alargado espaciado radialmente del segundo
emplazamiento por una cuarta distancia (D4) que es mayor que dicha
tercera distancia (D3), estando dicho segundo emplazamiento desviado
circunferencialmente de dicho primer emplazamiento y espaciado
longitudinalmente del conducto por una quinta distancia (D5) de
dicho primer emplazamiento.
2. Un mezclado de fluido estático según la
reivindicación 1, en el cual los extremos inferiores de dichos
miembros difusores tienen ángulos lateralmente espaciados (80) que
están dispuestos para crear torbellinos de contrarrotación (40) en
el fluido que fluye a través del conducto.
3. Un mezclador de fluido estático según la
reivindicación 2, teniendo dichos miembros difusores una serie de
bordes periféricos que incluyen dicho extremo superior, dicho
extremo inferior, y un par de bordes laterales espaciados
lateralmente, estando dichos miembros difusores posicionados con
dichos extremos inferiores, dichos bordes laterales y dichos ángulos
externos todos espaciados de dicha superficie interna de dicha pared
cilíndrica por lo que al menos una porción del fluido que fluye a
lo largo de dicho paso del flujo fluya alrededor de la parte externa
de cada miembro difusor entre los ángulos y la pared.
4. Un mezclador de fluido estático según la
reivindicación 1, en el cual la disposición de dichos miembros
difusores es tal que dicho mezclador no incluye miembros difusores
adicionales que están alineados circunferencial o longitudinalmente
con dicho primer miembro difusor o dicho segundo miembro
difusor.
5. Un mezclador de fluido estático según la
reivindicación 1, o la reivindicación 3 ó 4, en el cual dichos
miembros difusores (20, 30) comprenden placas que tienen
esencialmente la misma forma.
6. Un mezclador según la reivindicación 4 ó 5, en
el cual dichos miembros difusores comprenden placas cada uno.
7. Un mezclador de fluido estático según la
reivindicación 1 ó 5, en el cual dichas primera y tercera distancias
(D1, D3) son esencialmente las mismas.
8. Un mezclador de fluido estático según la
reivindicación 1 ó 7, en el cual dichas segunda y cuarta distancias
(D2, D4) son esencialmente las mismas.
9. Un mezclador de fluido estático según la
reivindicación 1, en el cual dicha quinta distancia (D5) es entre 2
a 10 veces aproximadamente mayor que dicho radio.
10. Un mezclador de fluido estático según la
reivindicación 1, en el cual dicha quinta distancia (D5) es
aproximadamente 4 veces mayor que dicho radio.
11. Un mezclador de fluido estático según la
reivindicación 1 ó 3, en el cual dichos primer y segundo
emplazamientos están desviados aproximadamente unos 90º en una
circunferencia de la pared (16).
12. Un mezclador de fluido estático según la
reivindicación 1 ó 3, en el cual dichas primera y tercera distancias
(D1, D3) son suficientemente grandes para permitir que porciones del
fluido fluyan a través del conducto para pasar entre dichos extremos
superiores y dicha pared.
13. Un mezclador de fluido estático según la
reivindicación 1 ó 3, en el cual dicho eje longitudinal de dicho
primer miembro difusor está inclinado en un ángulo de 20 a 60
grados en relación a dicho eje central.
14. Un mezclador de fluido estático según la
reivindicación 1 ó 3, en el cual cada uno de dichos miembros
difusores tiene un eje longitudinal (28, 38) que está inclinado en
un ángulo de 20 a 60 grados en relación a dicho eje central.
15. Un mezclador de fluido estático según la
reivindicación 13 ó 14 en el cual dicho ángulo se sitúa entre 30 y
50 grados en relación a dicho eje central.
16. Un mezclador de fluido estático según la
reivindicación 15 en el cual dicho ángulo está a unos 35 grados en
relación a dicho eje central.
17. Un mezclador de fluido estático según la
reivindicación 1 ó 3 en el cual los extremos superiores de dichos
miembros difusores están inclinados en un ángulo de unos 90 grados
en relación a dicho eje central.
18. Un mezclador de fluido estático según la
reivindicación 1 ó 3, en el cual dichos miembros difusores presentan
forma trapezoidal siendo dichos extremos inferiores más pequeños
que los extremos superiores.
19. Un mezclador de fluido estático según la
reivindicación 1, en el cual dichos miembros difusores son placas
que son esencialmente planas en la configuración en sección
transversal.
20. Un mezclador de fluido estático según la
reivindicación 1 en el cual dichos miembros difusores esencialmente
no son planos en la configuración en sección transversal.
21. Un mezclador de fluido estático según la
reivindicación 1 en el cual dichos miembros difusores son
esencialmente cóncavos en la configuración en sección
transversal.
22. Un mezclador de fluido estático según la
reivindicación 1, en el cual dichos miembros difusores son
esencialmente convexos en la configuración en sección
transversal.
23. Un mezclador de fluido estático según la
reivindicación 1, en el cual dichos miembros difusores tiene una
forma esencialmente en V en la configuración en sección
transversal.
24. Un mezclador de fluido estático según la
reivindicación 1 ó 3, que comprende un elemento de montaje (60, 62)
para cada uno de dichos elementos difusores, extendiéndose cada uno
de dichos elementos radialmente entre una superficie inferior (64,
66) de un respectivo miembro difusor y dicha pared cilíndrica.
25. Un mezclador de fluido estático según la
reivindicación 24 en el cual cada elemento tiene generalmente la
forma de una placa que presenta un borde (68, 70) que establece
contacto con dicha superficie inferior sobre una línea que se
extiende longitudinalmente de dicho conducto.
26. Un mezclador estático según la reivindicación
1, en el cual los extremos superiores de los miembros difusores
están arqueados.
27. Un mezclador estático según la
reivindicación 25, en el cual la curvatura de los extremos
superiores arqueados de los miembros difusores corresponden
esencialmente con la curvatura de la pared cilíndrica interna del
conducto, en el cual una ranura arqueada (50, 52) está presente
entre dichos extremos superiores y dicha pared.
28. Un mezclador de fluido estático según la
reivindicación 1 ó 3, en el cual al menos uno de dichos miembros
difusores incluye un paso hueco (351) en el mismo que proporciona un
paso para introducir un aditivo en un flujo de fluidos que pasen a
través de dicho conducto.
29. Un mezclador estático de fluido según la
reivindicación 24, en el cual al menos uno de dichos elementos de
montaje comprende una tubería de rociado (85).
30. Un mezclador de fluido estático según la
reivindicación 28, en el cual el elemento de montaje de dicho al
menos un miembro difusor comprende una tubería de rociado (85) que
comunica con dicho paso.
31. Un mezclador de fluido estático según la
reivindicación 1 ó 3, en el cual al menos uno de dichos miembros
difusores tiene una dimensión longitudinal que es suficientemente
larga para posicionar el extremo inferior del mismo en el lado
opuesto del eje central respecto del lado superior.
32. Un mezclador de fluido estático según la
reivindicación 1 ó 3, en el cual cada uno de dichos miembros
difusores tiene una dimensión longitudinal que es suficientemente
larga para posicionar el extremo inferior del mismo en el lado
opuesto del eje central respecto del lado superior.
33. Un mezclador de fluido estático según la
reivindicación 31 ó 32, en el cual dicha dimensión longitudinal se
extiende aproximadamente el 70 por ciento del diámetro del
conducto.
34. Un mezclador estático según la reivindicación
27, en el cual dicha ranura tiene una anchura que es de
aproximadamente el 4 por ciento del diámetro del conducto (12).
35. Un mezclador estático de fluido según la
reivindicación 1 ó 3, en el cual al menos uno de dichos miembros
difusores comprende una hoja que presenta unas perforaciones (501)
que se extiendan a través de éstos.
36. Un mezclador de fluido estático según la
reivindicación 1, en el cual dicho conducto es relativamente corto y
tiene unos extremos respectivos que están espaciados por una corta
distancia más allá de dichos primer y segundo emplazamientos.
37. Un mezclador de fluido estático según la
reivindicación 1, teniendo cada miembro difusor (20, 30) una serie
de bordes periféricos que incluyen el extremo superior (24, 34), el
extremo inferior (26, 36), en el cual el extremo inferior es
alargado y se extiende lateralmente, y un par de bordes laterales
espaciados lateralmente que se unen a extremos respectivos
espaciados lateralmente de dicho extremo inferior (26, 36) para
presentar un par de ángulos lateralmente espaciados, externos, que
crean contrarrotaciones parásitas (80); dicho mezclador comprende
asimismo una estructura de montaje respectiva para cada uno de
dichos miembros difusores (20, 30), incluyendo cada una de dichas
estructuras un elemento de conexión (60, 62) que se extiende hacia
el interior desde dicha pared (16) hasta un miembro difusor
correspondiente (20, 30) estando dichos miembros difusores (20, 30)
posicionados con dichos extremos inferiores (26, 36), dichos bordes
laterales y dichos ángulos externos (80) todos ellos espaciados de
la pared (16) por lo que al menos una porción del fluido que fluye a
lo largo de dicho paso (18) fluye alrededor de la parte exterior de
cada miembro difusor (20, 30) entre los ángulos (80) y la pared
(16) por lo que al menos uno de dichos miembros difusores (20,30) es
de forma trapezoidal y el extremo inferior (26, 36) de dicho al
menos un miembro difusor (20, 30) tiene una longitud menor que el
extremo superior (24, 34) del mismo.
38. Uso de un mezclador de torbellinos según una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores de 1 a 37 para
mezclar chorros de fluido.
39. Uso de un mezclador de torbellinos según una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1-37
para mezclar partículas sólidas con uno o más chorros de fluido.
40. Método de mezclado para un primer chorro de
fluido con al menos un chorro de fluido adicional capaz de mezclarse
en un conducto en el cual el método comprende facilitar un mezclador
estático según una cualquiera de las reivindicaciones
1-37 como parte del conducto, y dispuesto de modo
que dicho primer miembro difusor y un segundo miembro difusor estén
dispuestos en emplazamientos separados dentro del paso previsto del
flujo, introduciendo los chorros a mezclar en dicho paso de flujo y
haciendo que los chorros estén sometidos a torbellinos de
contrarrotación sucesivos por el paso por encima de dicho primer
miembro difusor y dicho segundo miembro difusor, con el que se
facilita un mezclado uniforme.
41. Método según la reivindicación 40 en el cual
los chorros de fluido pasan ambos por encima del primer y segundo
miembros difusores a una distancia entre sí de una a cinco veces el
diámetro del paso de flujo definido por el conducto.
42. Método según la reivindicación 40, en el cual
los chorros se mezclan en el paso del flujo presentando una
distancia con respecto al segundo difusor (inferior) comprendida
entre una y tres veces el diámetro del paso de flujo definido por
el conducto.
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