ES2249074B1 - Cabezal atomizador de alta eficiencia para liquidos viscosos y su uso. - Google Patents
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Abstract
Cabezal atomizador de alta eficiencia para líquidos viscosos y su uso. Cabezal atomizador de elevada eficiencia por fluido auxiliar, especialmente diseñado para líquidos muy viscosos. Consta de una boquilla de atomización, un dosificador del líquido a atomizar y un casquillo de ensamblaje. El aspecto más novedoso está en el diseño de la boquilla formada por dos elementos, una cubierta exterior y una pieza cónica interior con una serie de ranuras o canales, que se ajustan entre sí formando una cámara de rotación intermedia donde se produce la mezcla final del fluido a atomizar y el auxiliar. Esta disposición, consigue transformar de manera efectiva la energía de presión en una mayor energía cinética de rotación optimizando la atomización del fluido, además de reducir los costes de fabricación y mantenimiento. Tiene múltiples aplicaciones desde la atomización de petróleos pesados de baja calidad, empleados como combustible en las calderas de las centrales térmicas hasta la generación de aerosoles para el tratamiento de enfermedades respiratorias.
Description
Cabezal atomizador de alta eficiencia para
líquidos viscosos y su uso.
Sectores eléctrico, energético, agricultura,
construcción y farmacéutico entre otros. Cabezal atomizador que
utiliza un fluido auxiliar para atomizar líquidos de alta
viscosidad, como por ejemplo los petróleos pesados de baja calidad,
suspensiones de sólidos en líquidos, emulsiones, herbicidas,
pinturas, alquitranes, productos asfálticos, etc.
La atomización de líquidos tiene una gran
importancia por estar presente en múltiples procesos industriales y
aplicaciones prácticas. Entre las más conocidas están la combustión
de combustibles líquidos (tanto en calderas y hornos como en
motores de combustión interna), pintura, secado, extinción de
fuegos, corte y recubrimiento de materiales, dispersión de agentes
químicos, etc. En otras ramas de marcado interés social como la
agricultura (riego, aplicación de herbicidas e insecticidas), la
construcción (aspersión de alquitranes para el asfaltado de
pavimentos) y la medicina (aerosoles para la prevención y
tratamiento de enfermedades respiratorias) también es frecuente el
uso de líquidos atomizados.
El incremento del uso de los petróleos líquidos
como combustible ha provocado un sensible y continuado deterioro de
su calidad, de acuerdo con sus propiedades
físico-químicas. Hoy en día, es cada vez más común
el uso de petróleos pesados (muy viscosos) y con alto contenido de
azufre, vanadio y asfaltenos en las calderas de las centrales
térmicas para producir el vapor utilizado en la generación de
electricidad. La combustión limpia y eficiente de los petróleos
pesados presenta dificultades adicionales respecto a los
combustibles más ligeros. En primer lugar, lograr una calidad de
atomización adecuada, definida por el diámetro medio de las gotas y
la distribución de tamaños de éstas, resulta difícil debido a su
alta viscosidad; mientras que la elevada concentración de
compuestos pesados en su composición química hace que el tiempo
característico del proceso de evaporación de los mismos sea muy
grande. Ambas características contribuyen a una emisión apreciable
de fracciones de combustible no quemado y partículas que se
convierten en hollines ácidos. Es por ello que hoy en día resulta
una tarea vital el aumentar la eficiencia del proceso de
atomización, reduciendo el tamaño de las gotas producidas. De esta
forma se garantiza un mejor encendido y control de las calderas, así
como una disminución de la formación y emisión de NO_{x}, hollín
y otros agentes contaminantes.
Para lograr mejoras en el proceso de atomización
de líquidos, es muy común el diseño de boquillas formadas por un
solo cuerpo o por diferentes partes desarmables, identificadas como
cabezales atomizadores en la presente invención. En muchos casos,
las boquillas utilizadas en las centrales termoeléctricas se han
diseñado para atomizar un combustible líquido más ligero que los que
actualmente se emplean. Es por ello que, en el caso de los
atomizadores por fluido auxiliar, sus conductos son típicamente de
sección cilíndrica y sin cámaras de rotación. De igual forma, en
otras aplicaciones se emplean atomizadores con vías tangenciales y
cámara de rotación cuyo principio de funcionamiento es utilizar la
propia energía en forma de presión del fluido a atomizar para
generar las gotas, sin necesidad de otro fluido auxiliar. En
cualquiera de los casos anteriores cuando estos dispositivos se
utilizan para atomizar líquidos muy viscosos como petróleos pesados
o mezclas de petróleos de baja calidad, emulsiones, suspensiones,
pinturas, alquitranes, etc., resulta imposible lograr el tamaño
medio de gota requerido, ni la distribución espacial más adecuada
de las mismas en el aerosol. Por otra parte, la menor calidad (alta
viscosidad, elevados contenidos de alfaltenos y carbón Conradson) de
los combustibles, la presencia de sólidos en suspensión, etc.,
provoca un aumento de la abrasividad y corrosividad del líquido a
atomizar. Esto tiende a disminuir bruscamente la vida útil de las
boquillas debido a la obstrucción de los conductos y las
dificultades para realizar su limpieza que, a su vez, se requiere
con más frecuencia.
El estudio de la generación de aerosoles a
partir de un volumen de líquido es un tema al que se han dedicado
innumerables esfuerzos de científicos e ingenieros desde hace más
de un siglo (Rayleigh, 1878). Desde la década de los años 30 del
siglo anterior, existen en la literatura científica reportes de
estudios tanto teóricos de estabilidad lineal (Weber, 1932; Squire,
1953) como experimentales (Haenlein, 1932; Dombrowski y col.,
1960), sobre la atomización de líquidos. Un resumen de los
diferentes tipos de boquillas de atomización y sus aplicaciones
puede consultarse en el libro Atomization and Spray de A.
Lefevbre (1989), así como en las referencias citadas en éste.
Existen varias patentes de invención de
atomizadores que emplean un fluido auxiliar registradas que tratan
sobre el incremento de la eficiencia de la atomización de líquidos.
Dependiendo de la aplicación específica de que se trate, las mismas
describen el uso de atomizadores asistidos por aire, por ejemplo en
los acondicionadores de aire y torres de enfriamiento como en la
EP1160015A (2001) o de atomizadores con aspiración del líquido tipo
sifón como la US3770209 (1973). De igual forma, se han registrado
también patentes de atomizadores con fluido auxiliar para otros muy
diferentes usos. Por ejemplo, la invención registrada con el número
GB2298808 (1996) permite reducir la cantidad de fluido auxiliar
para la atomización de productos químicos en la agricultura,
mientras que la US6088934 (2000) muestra un dispositivo diseñado
para mejorar el control y la distribución de las gotas del líquido
en el lecho fluidificado empleado en la polimerización de
olefinas.
El primer diseño de un atomizador de fuel oil
utilizando vapor como fluido auxiliar se reporta en la patente
número US1428896 (1922). En el año 1965 aparece el primer diseño de
una boquilla tipo "Y" como las que se comercializan en la
actualidad, descrita en la patente US3185202 (1965). Sin embargo, el
aumento de la eficiencia de los atomizadores tipo "Y" que
utilizan un fluido auxiliar continúa siendo un problema de mucha
actualidad. La afirmación anterior cobra más relevancia cuando se
pretende atomizar fluidos muy viscosos como los mencionados
anteriormente y que se puede constatar por ejemplo, en el registro
de patentes mucho más recientes como las US4249885 (1981) y la
US2001030247 (2001). En ambos inventos se continúa manteniendo la
forma de la boquilla original y se trabaja sobre todo en la
reducción de la viscosidad por el calentamiento del líquido, pero
no mejoran la interacción entre los dos fluidos.
A pesar de todo el esfuerzo dedicado a este
problema y las múltiples mejoras introducidas en el campo de la
atomización de líquidos muy viscosos, aún quedan muchos problemas
por resolver. Desde el punto de vista económico, se buscan
continuamente nuevos diseños para aumentar la eficiencia operacional
de las boquillas atomizadoras que emplean un fluido auxiliar. Como
quedará demostrado en la prueba de aplicación de la presente
invención descrita en el Ejemplo 1, tanto el objetivo de aumentar
la efectividad de la atomización de fuel oil pesados y otros
fluidos muy viscosos, así como la reducción del período de limpieza
y facilidad del mantenimiento y explotación de estos atomizadores se
cumplen cabalmente.
Merece la pena destacar que ninguna de las
patentes consultadas basan el diseño de la boquilla en el encaje de
dos piezas que conforman unos canales de entrada y una cámara de
giro. Estas características se reclaman específicamente en la
presente patente de invención.
Combellack, J.H. (1996),
Twin-fluid Nozzle for atomizing a liquid. Patent
number GB2298808.
Dombrowski, N., Hasson, D., &
Ward, D.E. (1960), Some Aspects of Liquid Flow
Through Fan Spray Nozzzles, Chem. Eng. Sci., vol.12, pp.
35-50.
Haenlein, A. (1932),
Disintegration of Liquids Jets, NACA TN 659.
Haruch, J. (2001), Air assisted
spray nozzle assembly. Patent number EP1160015A.
Hayne, P. and J. McDonald.
(1922), Steam-atomizing
fuel-oil burner. Patent number US1428896.
Lefevbre, A. (1989),
Atomization and Spray, Ed. Hemisphere Publishing Corp.,
USA.
Mitchel, G.T. & Cunningham,
Jr. R. (1965), Burner for a boiler. Patent number
US3185202.
Newton, D. (2000), Twin fluid
nozzle and method. Patent number US6088934.
Rayleigh, L. (1878), On the
Instabilities on Jets, Proceedings of the London Math.
Society, vol. 10, pp. 4-13.
Reich, R.B. (1981), Heavy Fuel Oil
nozzle. Patent number US4249885.
Strupp, Ch. & Chung
I-P. (2001), High Efficiency Fuel Oil
Atomizer. Patent number US2001030247.
Squire. H.B, (1953), Investigation
of the Instability of Moving Liquid Film, Brit. J. Appl.
Phys., vol. 4, pp. 167-169.
Weber, C. (1931), Disintegration
of Liquids Jets, Z. Angew. Math. Mech., vol. 11, No. 2, pp.
136-159.
Wilcox, R. (1973), Aspirating
spray head. Patent number US3770209.
El cabezal atomizador objeto de esta invención
proporciona una elevada eficiencia de atomización de petróleos
pesados y otros líquidos muy viscosos, reduciendo a su vez los
costes de construcción, operación y mantenimiento. De acuerdo a los
criterios de diseño y construcción, el mismo está formado por una
boquilla de atomización, un dosificador del líquido viscoso y un
casquillo de ensamblaje del conjunto. La boquilla de atomización
está formada por dos elementos, una cubierta exterior y una pieza
cónica interior que se ajustan entre sí formando una cámara de
rotación intermedia. La pieza cónica interior presenta varios
canales o ranuras rectangulares (o cilíndricas) de sección
transversal variable con doble ángulo de inclinación espacial, lo
cuál provoca un aumento de la velocidad lineal y angular del
líquido a atomizar. El doble ángulo de inclinación se refiere por un
lado a que los canales forman un ángulo respecto de la generatriz
del cono de tal forma que su profundidad disminuya progresivamente
al acercarse a la sección de salida y, por otro lado, al ángulo
respecto del plano definido por el eje axial y la generatriz de la
superficie cónica. En la base de estas ranuras pueden incidir
conductos cilíndricos por los que se desplace una parte del fluido
auxiliar, permitiendo que se produzca una premezcla turbulenta
entre ambos fluidos en la parte final de los canales por donde se
mueve el líquido a atomizar. El líquido a atomizar, y en su caso el
fluido auxiliar ya premezclados en los canales rectangulares,
llegan a la cámara de rotación donde se unen con el resto del
fluido auxiliar que circula por el agujero central de la pieza
cónica interior, provocando la mezcla final entre ambos fluidos.
Producto del novedoso diseño y construcción de la cámara y del
doble ángulo de los canales que descargan la premezcla de fluidos
en la misma, se crea una circulación del flujo en forma de remolino
circunferencial, aumentando también su energía cinética de
rotación. Finalmente la mezcla turbulenta de ambos fluidos se
descarga por, al menos, un orificio de salida, generando la nube de
gotas del aerosol.
La presente invención se basa en que los
inventores han observado que se puede incrementar la eficiencia del
proceso de atomización de fluidos, incluso para aquellos líquidos
muy viscosos, mediante un cabezal atomizador especialmente diseñado
y presentado en esta patente.
Tal como se utiliza en la presente invención el
término "fluido viscoso" se refiere, entre otros, a
combustibles líquidos pesados (crudos, petróleos de baja calidad,
mezclas, etc.), pinturas, alquitranes, asfalto, emulsiones,
suspensiones sólido-líquido y diversos tipos de
herbicidas e insecticidas. Además, el término "elevada
eficiencia" tal como se utiliza en la presente invención se
refiere, por un lado, a que el cabezal atomizador objeto de la
patente genera una nube de gotas (aerosol) con el diámetro y la
distribución espacial adecuados según la aplicación de que se trate
para las presiones normales de explotación. Por otro lado, también
se refiere a los bajos costes de mantenimiento y construcción que
el mismo precisa.
Un objeto de la presente invención lo constituye
el cabezal atomizador de alta eficiencia para la atomización de
fluidos, preferentemente líquidos viscosos, caracterizado porque
está constituido por una boquilla de atomización, un dosificador
del líquido viscoso a atomizar y el casquillo de ensamblaje o
cuerpo, en adelante casquillo, de todo el conjunto.
La boquilla de atomización está constituida por
el ajuste solidario de dos elementos consistentes en una pieza
cónica exterior (ver Figura 1) y una pieza cónica interior (ver
Figura 2) que mejoran la atomización de dicho fluido viscoso,
porque:
- -
- ambos elementos se encuentran ajustados al insertarse la pieza cónica interior (4) en el alojamiento cónico de ajuste de la pieza exterior (2) conformando la cámara de rotación (3),
- -
- la pieza cónica interior presenta una serie de ranuras o canales rectangulares (o cilíndricos) de sección transversal trapezoidal o recta (6) realizados en la superficie cónica exterior (4), por donde se conduce el fluido a atomizar y que poseen dos ángulos de inclinación diferentes en el espacio, el formado respecto de la generatriz de la superficie cónica, de modo que la profundidad del canal varia con la distancia a la sección de salida, y el formado con el plano definido por el eje axial y dicha generatriz,
- -
- esta pieza interior posee además un orificio central (5) de sección variable, con un diámetro de entrada mayor que el de salida, por el que fluye el fluido atomizador para interaccionar con el fluido que llega a la cámara de rotación (3) a través de las ranuras rectangulares, y que puede estar conectado con cada una de ellas por medio de sendos conductos cilíndricos por los que se deriva una fracción del fluido auxiliar y que desembocan en la base de las ranuras confluyendo con ellas en un ángulo de un valor determinado que dependerá de las aplicaciones específicas, y
- -
- la pieza cónica exterior presenta, al menos, un orificio pasante cilíndrico de salida (1) para la atomización de la mezcla final del líquido a atomizar y el fluido auxiliar proveniente de la cámara de rotación al exterior.
La novedosa configuración geométrica del
conjunto de la boquilla consigue transformar de manera muy
eficiente la energía de presión del fluido a atomizar y del fluido
auxiliar en una mayor energía cinética de rotación del líquido a
atomizar.
Durante el diseño y montaje, el cabezal
atomizador de la presente invención se acopla a un dosificador (ver
Figura 3) empleado para distribuir el líquido viscoso a atomizar.
Este dosificador consiste en una pieza cilíndrica con varias
acanaladuras (10) con sección transversal fija o variable. Dichos
canales pueden estar alineados axialmente con el eje del
dosificador, formar un ángulo con él o ser conductos helicoidales.
El número y diámetro de estos canales o conductos depende del gasto
volumétrico de la aplicación específica en que se emplee el cabezal
y cada una de ella termina en sendos conductos (11) de diámetro
igual al de la mayor dimensión de los canales. Cuando los canales
son helicoidales los orificios de salida del dosificador tendrán
una inclinación respecto del eje horizontal, determinada por el
ángulo del canal en la zona de salida. Además, la misma pieza
presenta un canal central (9) por donde es conducido el fluido
auxiliar, el cuál, dependiendo también de la aplicación en que se
utilice la invención, podrá ser cualquier gas o vapor, o más
concretamente aire comprimido, vapor saturado o sobrecalentado,
oxígeno, cualquiera de los gases nobles, gas natural, etc. (ver
Lefevbre, 1989). La configuración coaxial de ambos conductos
permite que, en caso de emplear vapor como fluido auxiliar, parte
del calor de éste sea transferido por conducción al líquido a
atomizar aumentando su temperatura y disminuyendo su viscosidad. En
el caso de que las ranuras sean helicoidales, el aumento del área
de transferencia de calor también ayudará a disminuir la viscosidad
del fluido. Cuando el fluido a atomizar no sea excesivamente
viscoso, el fluido auxiliar podrá sustituirse por aire comprimido,
oxígeno, cualquier gas noble o gas natural como se mencionó
anteriormente. El dosificador está conectado en su parte posterior
(8) a la tubería conductora del fluido auxiliar.
Así, una vez que el líquido, preferentemente
viscoso, a atomizar es conducido a través de las ranuras del
dosificador al cabezal atomizador, llega a la cámara de
acondicionamiento (12) y se ve obligado a circular por los canales
angulares (6) de la pieza interior que conforma la boquilla de
atomización. El fluido auxiliar se mueve a través del orificio
central del dosificador hasta el orificio central de la pieza
interior (5). En caso de que la aplicación lo requiera, una parte
del fluido auxiliar se deriva por los conductos cilíndricos (7)
mezclándose con el líquido viscoso a atomizar en la parte final de
los canales (5) confluyendo con ellos formando un ángulo de un valor
determinado que dependerá de las aplicaciones específicas. La
premezcla de ambos fluidos ocurre a una distancia determinada antes
de la salida de los canales a la cámara de rotación (3). Esta
premezcla cumple la doble función de aumentar la temperatura del
líquido, disminuyendo su viscosidad; así como la de incrementar
también su energía cinética por efecto de cizalladura. La
disposición constructiva especial de los canales (6) en el
conjunto, es decir, su doble ángulo espacial y su sección variable,
permite incorporar al fluido a atomizar un nuevo ángulo de giro que
provoca un aumento de sus velocidades lineal y angular, además de
la premezcla de ambos fluidos en la zona de salida de estos
canales. Con este diseño, es posible incrementar la rotación,
mezclado y turbulencia de ambos fluidos en la cámara de rotación. El
montaje solidario de las dos piezas que conforman la boquilla
atomizadora de la presente invención crea una cámara de rotación
(3) donde interaccionan la premezcla que sale de los canales
angulares (6) con el resto del fluido auxiliar que sale por el
orificio central de sección variable (5), provocando la mezcla
final entre ambos fluidos. La fuerte componente angular de la
velocidad del líquido premezclado unido a la intensa cizalladura a
que se ve sometido por parte del resto del fluido auxiliar, provoca
que la mezcla final de ambos flujos salga por los orificios
pasantes cilíndricos (1) formando una lámina cónica en su interior.
La suma de todos los efectos descritos provoca un aumento de la
eficiencia del proceso de atomización, generando aerosoles con un
tamaño de gotas muy pequeño, así como una mejor distribución
espacial de las mismas.
El casquillo (ver Figura 4), tiene la función de
encapsular el conjunto de la boquilla y el dosificador. En su parte
delantera termina en una pared con un agujero biselado (14), con un
diámetro adecuado, que sirve de alojamiento a la boquilla. Además,
en la parte posterior está la rosca (13) o cualquier otra forma de
unión del cabezal atomizador a la tubería conductora del líquido
viscoso a atomizar.
Como es bien conocido por los ingenieros e
investigadores que trabajan en el campo de la atomización,
dependiendo de la aplicación particular las características del
atomizador pueden variar. Así, un objeto particular de esta patente
lo constituye un cabezal atomizador de la presente invención en el
cual el ángulo de inclinación entre los canales angulares (6) y la
generatriz de la superficie cónica y el ángulo respecto del plano
definido entre el eje axial y la generatriz de la superficie cónica
pueden variar entre 10º y 80º. Además, la sección transversal de
dichos canales angulares (6) puede variar entre 1 y 25 mm^{2}, y
el ángulo que conforman los canales angulares (6) con los conductos
cilíndricos (7) puede oscilar entre 5º y 85º.
De igual forma, un objeto particular de esta
patente lo constituye un cabezal atomizador de la presente
invención en el cual la sección transversal de los conductos
cilíndricos (7) tendrá unas dimensiones acordes con las necesidades
específicas de cada aplicación, pudiendo variar entre 1 y 10
mm^{2}, y, en un caso extremo, el cabezal atomizador de la
presente invención puede estar caracterizado por la ausencia de los
conductos cilíndricos (7) por lo que todo el fluido auxiliar llega
a la cámara de rotación a través del orificio central (5) de sección
variable.
Por otro lado, un objeto particular de esta
patente lo constituye un cabezal atomizador de la presente
invención en el cual la cubierta exterior posee más de un orificio
pasante de salida (1) distribuidos de forma concéntrica. El diámetro
de estos orificios de salida puede variar entre 1 y 10 mm y se
distribuyen con un ángulo de inclinación respecto del eje
horizontal del cabezal atomizador que puede variar entre 0º y 80º,
todo lo cual permite la atomización del líquido en tantos aerosoles
cónicos como agujeros de salida existan.
Otro objeto particular de esta patente lo
constituye un cabezal atomizador de la presente invención en el cual
la cara frontal interior de la cámara de rotación (3) no es una
superficie plana, sino cónica de modo que la generatriz presenta un
ángulo respecto de la vertical, que puede estar en el rango entre
5º y 50º.
Otro objeto particular de esta patente lo
constituye un cabezal atomizador de la presente invención en el
cual el conducto central de la pieza cónica interior (5) presenta
un diámetro de sección variable, comprendido para el caso de la
sección de entrada en el rango entre 5 y 30 mm y para el caso de la
sección de salida entre 1 y 10 mm.
Otro objeto particular de esta patente lo
constituye un cabezal atomizador de la presente invención al que se
acopla un dosificador, el cuál presenta un conducto central por
donde circula el fluido auxiliar y varios canales en la parte
exterior para el movimiento del líquido a atomizar. El diámetro del
conducto central puede variar entre 5 y 2 mm, mientras que el área
de la sección transversal de los canales puede variar entre 4 y 100
mm^{2}. En el caso de que los canales conductores del líquido
viscoso estén conformados en ranuras helicoidales, el ángulo de las
mismas variará entre 5º y 85º respecto del eje horizontal de la
pieza.
Otro objeto particular de esta patente lo
constituye un cabezal atomizador de la presente invención que
comprende un casquillo formado por una pieza cilíndrica hueca para
ensamblar el conjunto boquilla-dosificador. El
diámetro del agujero biselado para el ajuste de la boquilla por
delante varia entre 15 y 50 mm. El espesor de la pared, para el
ajuste trasero a la tubería conductora del líquido a atomizar,
varia entre 2 y 10 mm y se realiza mediante rosca o cualquier otra
forma de unión.
Otro objeto particular de la invención lo
constituye cualquier cabezal atomizador, de los descritos
anteriormente, que pueda funcionar en unas condiciones de presión
manométrica donde la presión del fluido a atomizar a la entrada del
mismo esté comprendida entre 0.5 y 20 MPa, y la del fluido auxiliar
entre 0.1 y 30 MPa.
Otro objeto particular de la patente es que el
fluido auxiliar puede ser, entre otros, aire comprimido, vapor
saturado o sobrecalentado, oxígeno, gas natural o algún otro gas
noble.
Otro objeto particular de esta patente lo
constituye la utilización del cabezal atomizador de la presente
invención, preferentemente, en los quemadores de los generadores de
vapor industriales que queman petróleos pesados de baja calidad, en
calderas y hornos así como en motores de combustión interna, y en
cualquier otro proceso industrial donde se desee atomizar fluidos
como en la aplicación de pintura, secado, extinción de fuegos,
corte y recubrimiento de materiales, dispersión de agentes
químicos, etc. Otras aplicaciones se encuentran en la agricultura
(riego, aplicación de herbicidas e insecticidas), asfaltado de vías,
construcción y la medicina (aerosoles para la prevención y
tratamiento de enfermedades respiratorias).
Otro objeto particular de esta patente lo
constituye un cabezal atomizador de la presente invención para la
combustión de petróleo pesado de características técnicas tal como
se describe en el Ejemplo 1 de la presente invención.
Finalmente, hay que destacar que las
características constructivas del cabezal atomizador de la presente
invención permiten su fabricación en talleres de mecanizado
sencillos, lo que incide en la reducción de sus costes de
construcción. Según las aplicaciones específicas, las piezas pueden
construirse de acero inoxidable, latón, hierro fundido, cualquier
tipo de plástico, etc., que, dependiendo del uso, resista la
abrasión, corrosión y temperatura de los fluidos que se empleen
como líquido a atomizar y fluido auxiliar y soporte el rango de
presiones de trabajo. Por otro lado, las ranuras exteriores de la
pieza cónica interior, facilitan su limpieza, lo que reduce las
interrupciones del tiempo de trabajo por mantenimiento y aumenta su
vida útil.
Figura 1.- Corte lateral de la cubierta
exterior del cabezal atomizador, donde aparecen los orificios
de salida (1), el agujero cónico de alineación (2) y la cámara de
rotación (3) que se forma al unir las dos piezas.
Figura 2.- Corte lateral de la pieza cónica
interior que muestra la superficie cónica exterior (4), el
orificio central (5) por donde se mueve el fluido auxiliar, las
ranuras rectangulares de sección variable (6) por donde circula el
líquido a atomizar y los conductos cilíndricos (7) por donde se
transporta una parte del fluido auxiliar, que conforman una
disposición relativa en forma de "Y" con las ranuras
rectangulares.
Figura 3.- Corte lateral del dosificador del
líquido viscoso a atomizar que muestra la parte roscada
posterior que sirve de unión con la tubería conductora del fluido
auxiliar (8), el orificio central de sección variable (9) por donde
es conducido el fluido auxiliar, las ranuras rectangulares (o
helicoidales) por donde circula el líquido a atomizar (10) y los
orificios de descarga (11) a la cámara de acondicionamiento (12)
del flujo.
Figura 4.- Corte lateral del casquillo de
ensamblaje o cuerpo del cabezal atomizador que muestra la unión
roscada posterior para empalmar la tubería conductora del líquido
viscoso a atomizar (13) y el orificio biselado de la pared anterior
(14) que sirve de alojamiento a la boquilla.
Figura 5.- Orden de montaje de todas las
piezas que, de izquierda a derecha, muestra el dosificador, las
piezas cónicas interior y exterior que conforman la boquilla de
atomización en sí y el casquillo de ensamblaje o cuerpo del
cabezal.
Figura 6.- Montaje solidario (isométrico) del
conjunto donde se pueden ver, en un corte lateral, todas las
piezas ensambladas.
El ejemplo que a continuación se describe, no
debe entenderse sólo como una limitante del alcance del cabezal
atomizador motivo de la presente invención. Por el contrario, la
presente invención trata de cubrir todas las alternativas,
variantes, modificaciones y equivalencias que puedan incluirse
dentro del espíritu y el alcance del objeto de invención.
Ante los problemas presentados en una central
térmica en Cuba al quemar un petróleo pesado de muy baja calidad,
se decide instalar un cabezal atomizador con las características
que se protegen en esta invención, en sustitución de las
comerciales tipo "Y" que se encontraban en funcionamiento.
Las exigencias de partida para el diseño del
atomizador eran lograr una adecuada eficiencia en la combustión,
utilizando la menor cantidad de vapor saturado con presiones entre
0,65 y 0,7 MPa, cuando las presiones del líquido combustible
oscilan entre 0,46 y 0,5 MPa. Debido a las características
físico-químicas del combustible que se utilizó, no
se deben alcanzar valores de temperatura de precalentamiento por
encima de 120ºC.
Las características del petróleo utilizado
fueron las siguientes:
\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
Carbono \+ \hskip3cm \+ 81,67% en peso\cr Hidrógeno \+
\+ 9,25% en peso\cr Azufre \+ \+ 7,38% en peso\cr Oxígeno \+ \+
0,30% en peso\cr Agua \+ \+ 1,40% en peso\cr Cenizas \+ \+ 0,064%
en peso\cr Contenido de asfaltenos \+ \+ 18,85% en peso\cr Valor
calórico inferior \+ \+ 40083 kJ/kg\cr Gravedad específica a 15,6ºC
\+ \+ 10,5 API\cr Densidad relativa \+ \+ 0,9959\cr Viscosidad a
50ºC \+ \+ 1546 cSt (1,546 \cdot 10 ^{-3} m ^{2} /s)\cr Viscosidad
a 80ºC \+ \+ 255 cSt (0,255 \cdot 10 ^{-3}
m ^{2} /s)\cr}
La boquilla construida está conformada por dos
piezas cónicas independientes de acero inoxidable, una interior y
otra exterior. Como ya se ha explicado en la descripción de la
invención, al montarse de forma solidaria, las mismas ajustan entre
sí formando una cámara de rotación. La cubierta exterior posee un
diámetro exterior en su parte más ancha de 40 mm y 8 orificios de
salida con diámetros de 3,5 mm cada uno.
La pieza cónica interior, con un diámetro
exterior máximo de 26 mm tiene 6 ranuras rectangulares de sección
transversal variable con una sección cuadrada en la entrada de 4 x
4 mm, por donde circula el petróleo. En el diseño probado, la
dimensión en la coordenada vertical se disminuyó progresivamente
para tener a la salida del canal 3 mm. A cada una de las ranuras
llega un conducto cilíndrico de 3 mm de diámetro por donde se
conduce una parte del flujo del fluido auxiliar (vapor en este
ejemplo). El punto de mezcla entre los dos fluidos se localizó a
7,5 mm de la zona de salida de los canales a la cámara de giro. En
este caso particular, los dos ángulos de los canales del líquido a
atomizar fueron de 30º en relación con el eje del atomizador en una
vista superior del conjunto y de 25º con respecto al mismo eje pero
en este caso desde la vista frontal. El agujero central por donde
se transporta el vapor, posee un diámetro mayor de 14 mm en la
sección de entrada y un diámetro menor a la salida de 4 mm.
El dosificador por su parte está mecanizado en
acero inoxidable, presenta 10 ranuras de distribución del petróleo
a atomizar y un agujero central por donde circula el fluido
atomizador (en este caso vapor). Las ranuras presentan una sección
cuadrada de 4,5 x 4,5 mm, desembocando en sendos orificios de 4,5 mm
de diámetro. El agujero central es de sección variable, con un
diámetro de entrada de 19 mm y a la salida de 10 mm. En la parte
posterior de dicha pieza hay una rosca interior donde se acopla la
tubería conductora del fluido auxiliar. La cámara de adecuación del
flujo entre el dosificador y la boquilla es de 5 mm en este
caso.
El casquillo de ensamble es una pieza también de
acero inoxidable, con un diámetro exterior de 49 mm y uno interior
de 40 mm. En su parte delantera termina en una pared de 4 mm de
espesor con un agujero biselado con un diámetro menor de 27.2 mm,
donde se aloja la boquilla. En su parte posterior cuenta con una
rosca métrica donde se acopla el tubo proveniente del calentador de
petróleo.
Primeramente, este cabezal fue sometido a un
exhaustivo estudio en un banco de prueba de quemadores. Se pudo
comprobar que los valores del ángulo y la calidad del spray
obtenidos fueron similares o mejores que los que se conseguían con
la boquilla comercial. Es de destacar que estos resultados se
lograron con aproximadamente la mitad del flujo de vapor empleado
como fluido auxiliar en las diferentes pruebas realizadas, variando
las presiones del petróleo y del vapor en el rango de los valores
de operación de esta caldera.
En la caldera de vapor se realizaron pruebas de
eficiencia con las boquillas comerciales y también una vez
instalados los cabezales atomizadores objeto de esta invención.
Como promedio, se obtuvo un incremento de la eficiencia en 3
unidades. Esta mejora vino dada porque el nuevo cabezal atomizador
además de permitir la reducción del flujo de vapor de atomización y
mejorar el proceso de combustión, permitió reducir el valor del
exceso de aire necesario para este último proceso. Las medidas
realizadas del consumo de combustible permitieron comprobar una
reducción de un 1% mensual, al comparar el consumo promedio de los
meses anteriores para la misma generación de electricidad. La falta
de coincidencia del incremento de la eficiencia y la reducción del
consumo de combustible se debe a otros problemas surgidos en la
central térmica en el mes de pruebas que provocaron una reducción
de su eficiencia. Otro aspecto muy importante a destacar es la
disminución del tiempo de limpieza de las nuevas boquillas a
aproximadamente la mitad de la que se requería con las boquillas
comerciales.
Claims (13)
1. Cabezal atomizador de elevada eficiencia en
la atomización de fluidos caracterizado porque está
constituido por una boquilla de atomización, un dosificador del
líquido a atomizar y un casquillo de ensamblaje. La boquilla en sí
está formada por el ajuste solidario de dos elementos consistentes
en dos piezas cónicas, una interior y otra exterior, que conforman
unos canales de entrada y una cámara de rotación intermedia que
imprime en su conjunto mayor velocidad lineal y angular al fluido,
y porque:
- -
- ambos elementos se encuentran ajustados mediante la superficie cónica de la cubierta exterior y la pieza cónica interior conformando la cámara de rotación,
- -
- la pieza cónica interior presenta una superficie cónica exterior con una serie de ranuras ó canales angulares rectangulares de sección transversal variable, para conducir el fluido a atomizar y que poseen dos ángulos de inclinación diferentes en el espacio que caracterizan su inclinación respecto de la generatriz de la superficie cónica y respecto del plano definido por el eje axial y dicha generatriz,
- -
- esta pieza interior posee además un orificio central de sección variable, con un diámetro de entrada mayor que el de salida, por el que fluye el fluido atomizador para interaccionar con el fluido que llega a la cámara de rotación a través de las ranuras rectangulares, y que puede estar conectado con cada una de ellas por medio de sendos conductos cilíndricos por los que se deriva una fracción del fluido auxiliar y que desembocan en la base de las ranuras confluyendo con ellas formando un ángulo de valor determinado que dependerá de las aplicaciones específicas, y
- -
- la pieza cónica exterior presenta axialmente un agujero cónico de alineación y, al menos, un orificio pasante cilíndrico de salida para la atomización de la mezcla final del líquido a atomizar y el fluido auxiliar de la cámara de rotación al exterior.
El dosificador por su parte, presenta un número
determinado de ranuras de distribución del líquido a atomizar y un
agujero central por donde circula el fluido atomizador. El número y
dimensiones de las ranuras depende de la aplicación en que se
utilice. La sección de las mismas puede ser trapezoidal, cuadrada o
cilíndrica, y desembocan en sendos orificios que comunican con la
boquilla. El agujero central puede ser de sección constante o
variable. Esta pieza sirve para acoplar la tubería conductora del
fluido auxiliar.
El casquillo de ensamble es una pieza cilíndrica
hueca donde se alojan la boquilla y el dosificador. Para un mejor
ajuste de la boquilla al sistema, su parte delantera termina en una
pared de un espesor determinado con un agujero biselado. En su
parte posterior se une la al tubo conductor del líquido viscoso a
atomizar. Todas las dimensiones variarán en función de la aplicación
donde se emplee la invención.
2. Cabezal atomizador según la reivindicación 1
caracterizado por la presencia de canales angulares en la
pieza cónica interior de la boquilla de atomización por donde
circula el líquido a atomizar cuya sección transversal puede variar
entre 1 y 25 mm^{2}, y porque el ángulo de inclinación entre
estos canales angulares y la generatriz de la superficie cónica y el
ángulo respecto del plano definido entre el eje axial y la
generatriz de la superficie cónica pueden variar entre 10º y
80º.
3. Cabezal atomizador según la reivindicación 1
caracterizado por la presencia de los conductos cilíndricos
radiales por donde circula parte del fluido auxiliar que desembocan
en las ranuras por donde circula el líquido viscoso, formando un
ángulo con ellas que puede variar entre 5º y 85º y cuya sección
transversal puede oscilar entre 1 y 10 mm^{2}, dependiendo de las
necesidades y la aplicación específica de que se trate.
4. Cabezal atomizador según la reivindicación 1
caracterizado porque la pieza exterior de la boquilla de
atomización posee uno o más orificios pasantes de salida
distribuidos de forma concéntrica, con un diámetro de los orificios
de salida que puede variar entre 1 y 10 mm y que se distribuyen con
un ángulo de inclinación respecto del eje horizontal de la misma
que puede variar entre 0º y 80º.
5. Cabezal atomizador según la reivindicación 1
caracterizado porque la cara frontal interior de la cámara
de rotación (3) no es una superficie plana, sino cónica de modo que
la generatriz presenta un ángulo respecto de la vertical, que puede
estar en el rango entre 5º y 50º.
6. Cabezal atomizador según la reivindicación 1
caracterizado porque el orificio central de la pieza cónica
interior de la boquilla de atomización presenta un diámetro de
sección variable, comprendido para el caso de la sección de entrada
en el rango entre 5 y 30 mm y para el caso de la sección de salida
entre 1 y 10 mm.
7. Cabezal atomizador según la reivindicación 1
caracterizado por tener un dosificador del líquido viscoso
con más de una ranura de distribución cuya sección transversal
puede variar entre 4 y 100 mm^{2} y un agujero central por donde
circula el fluido atomizador cuyo diámetro puede variar entre 5 y 20
mm. Las ranuras del dosificador pueden ser helicoidales con un
ángulo de entrada/salida que puede variar entre 5º a 85º respecto
del eje horizontal de la pieza.
8. Cabezal atomizador según la reivindicación 1
caracterizado por tener un casquillo de ensamble o cuerpo
formado por una pieza cilíndrica hueca que en su parte delantera
termina en una pared de un espesor que puede variar entre 2 y 10 mm
con un agujero biselado cuyo diámetro menor varia entre 15 y 50 mm
para alojar la boquilla.
9. Cabezal atomizador según una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 8 caracterizado porque los
componentes del cabezal pueden estar construidas de acero
inoxidable, latón, hierro fundido, aluminio, cualquier otro material
metálico, cerámico y plástico, dependiendo de las aplicaciones.
10. Utilización de un cabezal atomizador según
una cualquiera de las reivindicaciones 1 a la 9 para la atomización
de fluidos en aplicaciones, entre otras, pertenecientes al
siguiente grupo:
- a)
- quemadores de los generadores de vapor industriales de calderas y hornos así como en motores de combustión interna,
- b)
- aplicación de pintura, secado
- c)
- extinción de fuegos,
- d)
- corte y recubrimiento de materiales,
- e)
- dispersión de agentes químicos,
- f)
- riego,
- g)
- aplicación de herbicidas e insecticidas,
- h)
- aerosoles para la prevención y tratamiento de enfermedades respiratorias, y
- i)
- dispersión de alquitranes y productos asfálticos.
11. Utilización de un cabezal atomizador según
la reivindicación 10 caracterizado porque el fluido a
atomizar es, preferentemente, viscoso y pertenece entre otros al
siguiente grupo: fuel oil pesado, mezclas de petróleo de baja
calidad, petróleo pesado, pinturas, alquitranes, emulsiones,
suspensiones de sólidos en líquidos, herbicidas, insecticidas,
medicamentos, etc.
12. Utilización de un cabezal atomizador según
las reivindicaciones 10 y 11 caracterizado porque el fluido
a atomizar presenta a la entrada de dicho cabezal una presión
manométrica en el rango entre 0,5 y 20 MPa y porque la del fluido
auxiliar se encuentra entre 0,1 y 30 MPa.
13. Utilización de un cabezal atomizador según
una cualquiera de las reivindicaciones 10 a la 12
caracterizada porque el fluido auxiliar es, entre otros,
aire comprimido, vapor saturado o sobrecalentado, oxígeno, gas
natural, o algún otro gas noble.
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