ES2348505T3 - Aparato de regulación del flujo en un sistema de calentamiento o de enfriamiento. - Google Patents
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Abstract
Válvula de control para la regulación de un fluido (100a; 100b), comprendiendo: - un alojamiento (200, 300) con una región ascendente (102) y una región descendente (104) y con un orificio de control (110, 110a, 110b) formado en ésta adyacente a la región inferior; - un pistón (204) dispuesto de forma deslizable al interior del alojamiento, el pistón presentando una vía de paso fluido, a través de la cual pasa el flujo controlado, definiendo una región intermedia dispuesta entre la región ascendente y la región descendente; - una porción de pestaña (232) con un lado superior (248) y un lado inferior (250) y una porción de vástago (234) con un borde (231, 320) adyacente a la región ascendente; - un elemento elástico (208, 306) dispuesto al interior del alojamiento para una traslación opuesta del pistón al interior del alojamiento; - un elemento de estrangulación (202, 302) adyacente a la región superior, el elemento de estrangulación presentando una superficie de estrangulación (224, 318) adyacente al borde del pistón, la superficie de estrangulación (224, 318) y el borde (321, 320) definiendo un orificio de estrangulación entre éstos; y - una abertura de ecualización (242, 328) formada en el alojamiento para permitir que un fluido en la región inferior se introduzca en una cámara de ecualización (246, 326) definida por una región entre una superficie interna del alojamiento y una superficie exterior del pistón, de manera tal que la diferencia de presión a través de la parte de pestaña (232) es igual a la diferencia de presión a través del orificio de control (110, 110a, 110b).
Description
Aparato de regulación del flujo en un sistema de
calentamiento o de enfriamiento.
Esta invención se refiere generalmente al campo
del flujo del fluido y más específicamente, a un aparato para la
regulación de un flujo en un sistema de calentamiento o de
enfriamiento.
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Las válvulas de fluido se usan extensamente en
la industria para muchas aplicaciones. Un ejemplo es el uso de
válvulas de fluido en sistemas de intercambio térmico en edificios
para fines de calentamiento o de enfriamiento. En muchas
aplicaciones, se desea frecuentemente mantener una velocidad de
flujo constante a través de una válvula de fluido a pesar de las
fluctuaciones que pueden ocurrir en la presión del fluido ascendente
o descendente. También se desea en algunos ejemplos poder ajustar la
velocidad del flujo a través de una válvula.
Algunas válvulas anteriores consiguen un flujo
constante intentando mantener una presión diferencial constante a
través de un orificio de control para que la presión diferencial
pueda actuar sobre un pistón opuesto por un elemento elástico de
fuerza casi constante. El movimiento de dicho pistón controla el
tamaño de una restricción de estrangulación, que se coloca
descendente del orificio de control. Una consecuencia de esto es que
un borde del pistón adyacente a la restricción de estrangulación
actúa por medio de la presión hacia abajo, que es inferior a
cualquiera de las presiones que afectan la regulación prevista. Esta
presión inferior tiende a causar la restricción de estrangulación
para cerrar más de lo requerido para una regulación apropiada,
produciendo un flujo inferior al flujo previsto. Las fuerzas
dinámicas que emanan del flujo del fluido tienden también a reducir
la presión que actúa sobre la restricción de estrangulación debido
al principio de Bernoulli. El error es mayor a medida que la
diferencia de presión total a través del dispositivo se incrementa.
Este fenómeno se conoce como "pandeo" y se realizaron varios
intentos para limitar su efecto. Tales intentos anteriores, no
obstante, sólo han funcionado correctamente para una velocidad de
flujo particular, como en el caso del modelo especial de aberturas
descrito en la patente US Nº 4,080,993 titulada Válvula de
control de flujo en línea, de Charles F. Lind.
También la patente US 4,440,192 muestra un
diseño donde el agua fluye alrededor del exterior del pistón y este
diseño presenta problemas importantes con pandeo en ajustes de flujo
elevado - véase Fig. 4 - y el resultado será que la válvula va a
vibrar e incluso martillear en un flujo superior.
La patente estadounidense 5,904,177 muestra otro
principio para la regulación del flujo. La patente expone un pistón
en forma de T, pero en una válvula que funciona según un principio
diferente. En vez de mantener una presión constante a través del
orificio de control, el pistón se mueve en respuesta a una presión
variable para cambiar el tamaño del orificio.
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El objetivo de la invención consiste en proveer
un aparato para la regulación de un flujo en un sistema de
calentamiento o de enfriamiento, mediante el cual se eliminan los
problemas mencionados anteriormente.
El objetivo de la invención se consigue con un
aparato para la regulación de un flujo en un sistema de
calentamiento o de enfriamiento, que se caracteriza por lo que se
presenta en las reivindicaciones.
Unas formas de realización de la invención
proveen numerosas ventajas técnicas. Unas formas de realización de
la invención pueden incluir todas, alguna o ninguna de estas
ventajas. Por ejemplo, una forma de realización de la invención
permite la regulación de flujo mejorado sobre una amplia gama de
flujos para un dispositivo único mediante la disposición de un
elemento de estrangulación ascendente de un orificio de control y el
equilibrado de las fuerzas dinámicas que emanan del flujo con
respecto a las fuerzas que emanan de la presión más alta. Por
estrangulación contra una presión que es superior, de preferencia en
vez de inferior, a la presión intermedia, el dispositivo tiene
tendencia a ser perturbado en una posición más abierta, en vez de
una posición más cerrada. Esta tendencia se puede equilibrar después
por las reducciones de presión obtenidas a partir de la velocidad
fluida para conseguir una velocidad de flujo constante. Con la
obtención de este equilibrio, el borde de estrangulación no debe ser
fino, como era el caso con muchos dispositivos anteriores. Evitando
este borde fino, se mejora la durabilidad y fabricación del
dispositivo.
La presente invención también reduce el riesgo
de cavitación. Esto se debe a que la caída de presión mayor a través
de la parte de estrangulación ocurre antes de la caída de presión
menor a través del orificio de control.
Otras ventajas técnicas son fácilmente visibles
por un experto en el arte a partir de las figuras, descripciones y
reivindicaciones siguientes.
Para una comprensión más completa de la
invención, y para más características y ventajas, se hace referencia
ahora a la siguiente descripción, teniendo en cuenta conjuntamente
los dibujos anexos, en los que:
La figura 1 es un diagrama de bloques de una
válvula de control para la regulación del flujo que posee un
orificio de estrangulación situado ascendente a partir de un
orificio de control según una forma de realización de la presente
invención;
La figura 2A es una vista de sección transversal
de una forma de realización de la válvula de control para la
regulación del flujo en la figura 1 que ilustra un pistón en una
primera posición;
la figura 2B es una vista de sección transversal
de la válvula de control para la regulación del flujo en la figura
2A que ilustra el pistón en una segunda posición;
la figura 3A es una vista de sección transversal
de otra forma de realización de la válvula de control para la
regulación del flujo en la figura 1 que ilustra un pistón en una
primera posición;
la figura 3B es una vista de sección transversal
de la válvula de control para la regulación del flujo en la figura
3A que ¡lustra el pistón en una segunda posición;
la figura 4 es un gráfico de la velocidad de
flujo versus la diferencia de presión según una forma de realización
de la presente invención;
la figura 5A es una vista en elevación de un
elemento de estrangulación según una forma de realización de la
presente invención; y
la figura 5B es una vista de sección transversal
del elemento de estrangulación de la figura 5A.
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Se entienden mejor las formas de realización
ejemplares de la presente invención y sus ventajas en referencia
ahora a las figuras 1 a 5B de los dibujos, en los que los números se
refieren a partes similares.
La figura 1 es un diagrama de bloques de una
válvula de control para la regulación del flujo 100 según una forma
de realización de la presente invención. La válvula de control 100
recibe el fluido de una región ascendente 102 y lo transporta hasta
una región descendente 104. La válvula de control incluye un
orificio de estrangulación 108, un orificio de control 110, y una
región intermedia 103 dispuesta entre el orificio de estrangulación
108 y el orificio de control 110. Aunque no se ha ilustrado
explícitamente en la figura 1, la válvula de control 100 incluye
otros componentes, como se describe más detalladamente a
continuación. Cualquier fluido adecuado fluye en la dirección de la
flecha 106 desde la región ascendente 102 hacia la región
descendente 104.
Según las instrucciones de la presente
invención, el orificio de estrangulación 108 se posiciona ascendente
a partir del orificio de control 110 opuesto a unas válvulas de
control anteriores que tienen el orificio de control ascendente a
partir del orificio de estrangulamiento. El orificio de
estrangulación 108 y el orificio de control 110 se describen los dos
más detalladamente a continuación. No obstante, generalmente, el
orificio de estrangulación 108 se adapta para cambiar dinámicamente
su tamaño en respuesta a un cambio de presión de un fluido en una
región superior 102, y el orificio de control 110 se ajusta a un
tamaño predeterminado para regular una velocidad de flujo del fluido
que fluye a través de la válvula de control 100. Una reducción de
presión debido a la velocidad de fluido a través del orificio de
estrangulación 108 se puede utilizar para nivelar la presión más
alta en la región superior 102. El hecho de tener un orificio de
estrangulación 108 situado ascendente de un orificio de control 110
dirige los efectos perniciosos de la presión del fluido en la región
descendente 104 en el control de velocidad de flujo del fluido, tal
y como se describe más abajo. Tal efecto se conoce de forma
convencional como "pandeo". Algunas formas de realización de la
presente invención pueden reducir también el riesgo de cavitación ya
que una caída de presión superior a través de un orificio de
estrangulación 108 ocurre antes de una caída de presión inferior a
través de un orificio de control 110.
Una forma de realización de una válvula de
control 100 se describe en más detalladamente a continuación
conjuntamente con las figuras 2A e 2B, mientras que otra forma de
realización de una válvula de control 100 se describe más
detalladamente a continuación conjuntamente con las figuras 3A y
3B.
La figura 2A es una vista de sección transversal
de una forma de realización de una válvula de control 100, designada
por 100a. En la forma de realización ilustrada, la válvula de
control 100a incluye un alojamiento 200, un elemento de
estrangulación 202, un pistón 204, un tapón 206, un elemento
elástico 208, un anillo de retención 210, y un elemento ajustable
212. A menos que se indique lo contrario como indicado más abajo,
todos los componentes de válvula de control 100a se forman a partir
de cualquier material adecuado para válvulas de control, tal como el
latón, acero inoxidable, plástico, u otro material adecuado.
El alojamiento 200 se muestra en la figura 2A
que debe ser generalmente rectangular en sección transversal
longitudinal; no obstante, el alojamiento 200 puede adoptar otras
configuraciones. El alojamiento 200 tiene una región superior 214
que se acopla a un tubo 216 y una región inferior 218 que se acopla
a un tubo 220. Los tubo 216 y tubo 220 pueden ser cualquier conducto
adecuado adaptado para transportar un fluido. El fluido fluye a
través del alojamiento 200 a partir de la región ascendente 214
hasta la región descendente 218, como lo indica la flecha 222.
El elemento de estrangulación 202 se acopla al
alojamiento 200 adyacente a la región superior 214 de cualquier
manera adecuada. Detalles de una forma de realización del elemento
de estrangulación 202 se describen más abajo conjuntamente con las
figuras 5A e 5B. No obstante, generalmente, el elemento de
estrangulación 202 tiene una superficie de estrangulación 224
definida por un borde 226 de elemento de estrangulación 202 y una
superficie inclinada 228 de una cavidad 230 formada en una
extremidad del elemento de estrangulación 202. Un ejemplo de
orificio de estrangulación 108, 108a, se define por una superficie
de estrangulación 224 y un borde 231 de pistón 204.
El pistón 204 se muestra en la figura 2A y posee
una porción de pestaña 232 y una porción de vástago 234 que incluye
un borde 231. La porción de pestaña 232 y porción de vástago 234
puede ser integral o puede presentar porciones de pistón 204
separadas acopladas entre sí de cualquier manera adecuada. El pistón
204 se dispone deslizable al interior del tapón 206 y se ilustra en
una primera posición, en la cual el pistón 204 se limita en su
movimiento hacia un orificio de control 110a debido a una parte
superior 236 de tapón 206. El pistón 204 se mantiene en esta
posición por el elemento elástico 208, que se describe más abajo.
Generalmente, un diámetro interno de pistón 204 se elige para
proveer una velocidad media de aproximadamente 5 pies por segundo
para el flujo de fluido máximo; no obstante, otros diámetros
adecuados pueden ser utilizados. En una forma de realización
particular, el pistón 204 tiene un diámetro, d, que sigue la
relación:
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donde Q_{max} es la velocidad
máxima de flujo a través de la válvula de control 100. La porción de
pestaña 232, en una forma de realización, tiene un diámetro
aproximadamente igual a 1.7 veces el diámetro interno de pistón 204;
no obstante, otros diámetros adecuados pueden ser
utilizados.
El tapón 206 se dispone al interior del
alojamiento 200 y se muestra para ser fijado en éste por una pestaña
238 enganchada entre un labio 240 de alojamiento 200 y un anillo de
retención 210. El tapón 206 puede, no obstante, ser acoplado en el
alojamiento 200 de otras maneras adecuadas. El tapón 206 incluye un
orificio de control 110a formado en la parte superior 236 y una
pluralidad de aperturas de ecualización 242 formadas en una pared
lateral 244. Como se describe más detalladamente a continuación, las
aberturas de ecualización 242 permiten que el fluido situado en la
región inferior 218 entre dentro de una cámara de ecualización 246.
La cámara de ecualización 246 se define por un espacio anular
formado por una superficie interna de tapón 206 y una superficie
externa de pistón 204. Se impide que el fluido en una región
intermedia 252 entre dentro de una cámara de ecualización 246 por un
segmento de pistón 258 acoplado a un perímetro de porción de pestaña
232 del pistón 204. El segmento de pistón 258 puede ser cualquier
junta estanca adecuada, tal como un anillo tórico o una junta
cuadrada formada a partir de un fluorocarbono como el Teflon®. El
tapón 206 puede tener cualquier forma adecuada; no obstante, una
superficie interna de tapón 206 debe corresponder a un perímetro de
pestaña 232 de pistón 204 para facilitar el deslizamiento de pistón
204 en éste.
El elemento elástico 208 es cualquier elemento
elástico adecuado, tal como un muelle. El elemento elástico 208
provee una fuerza que empuja el pistón hacia la región descendente
204 218. Esta fuerza se opone por la diferencia de presiones que
actúan sobre un lado superior 248 y un lado inferior 250 de porción
de pestaña 232. A partir de esto, se puede ver que si no se tienen
en cuenta todas las otras fuerzas, el elemento elástico 208, junto
con el área de porción de pestaña 232 de pistón 204, establece la
presión regulada a través del orificio de control 110a. En
consecuencia, se selecciona el elemento elástico 208 para proveer
una fuerza que es casi constante sobre el recorrido de pistón 204.
La acción de otras fuerzas se describe más detalladamente a
continuación.
El anillo de retención 210 funciona para retener
el tapón 206 al interior del alojamiento 200. El anillo de retención
210 tiene una junta estanca 254 sobre un perímetro del mismo para
que el fluido no pueda fluir muy gradualmente entre el perímetro del
anillo de retención 210 y el alojamiento 200 y dentro de la cámara
de ecualización 246. Además, el anillo de retención 210 tiene otra
junta estanca 256 que actúa para que el fluido no pueda fluir
gradualmente entre una superficie externa de pistón 204 y una
superficie interna de anillo de retención 210 dentro de la cámara de
ecualización 246. La junta estanca 256 también se selecciona de tal
forma que el pistón 204 pueda trasladarse.
El elemento ajustable 212 funciona para
estrechar selectivamente el orificio de control 110a de modo a
establecer la velocidad de flujo del fluido a través de alojamiento
200. Como se ha ilustrado, el elemento ajustable 212 se acopla de
forma enroscable con el alojamiento 200. No obstante, el elemento
ajustable 212 se puede acoplar con el alojamiento 200 de otras
maneras adecuadas. El elemento ajustable 212 se adapta para
trasladarse hacia y lejos del orificio de control 110a para
estrechar o bien abrir el orificio de control 110a. Una junta 260 se
puede acoplar en una extremidad del elemento ajustable 212 para
impedir una fuga a través del orificio de control 110a si no se
requiere ninguna velocidad de flujo.
En operación, un fluido fluye a través de un
alojamiento 200 en la dirección indicada por la flecha 222. El
fluido situado en la región ascendente 214 está a una presión
indicada por P1. Como indicado por las flechas, el fluido entra en
un región intermedia 252 a través del orificio de estrangulación
108a. La presión del fluido al interior de la región intermedia 252,
indicada por P2, está a una presión inferior a P1. El fluido viaja
después a través de la región intermedia 252 y entra en la región
inferior 218 a través del orificio de control 110a. En la región
inferior 218, el fluido está a una presión P3, que es inferior a P2.
El fluido situado en la región descendente 218 entra también en una
cámara de ecualización 246 a través de aperturas de ecualización
242, tal y como se ha descrito anteriormente. Esto significa que la
presión del fluido al interior de la cámara de ecualización 246
también está a una presión P3. En consecuencia, la diferencia de
presión a través del orificio de control 110a es
P2-P3. Esta diferencia de presión es la misma
diferencia de presión presente a lo largo de la porción de pestaña
232 del pistón 204 (P2 actúa sobre el lado superior 248 e P3 sobre
el lado inferior 250). Con la diferencia de presión a través del
orificio de control 110a igual a la diferencia de presión a través
de la porción de pestaña 232 del pistón 204, se provee, entre otras
ventajas, una estabilidad de la válvula de control 100a.
Las variaciones de la presión del fluido situado
en región ascendente 214 o región descendente 218 pueden producir
cambios en la velocidad de flujo del fluido. Si la velocidad de
flujo es superior al ajuste deseado, entonces la diferencia de
presión a través del orificio de control 110a es también superior al
valor requerido para un equilibrio. Lo cual, sucesivamente, produce
la fuerza impuesta sobre el pistón 204 por la diferencia de presión
que debe ser mayor a la fuerza suministrada por un elemento elástico
208 de modo que el pistón 204 empieza a moverse hacia la región
ascendente 214. Este movimiento continúa hasta que el orificio de
estrangulación 108a se haya cerrado suficientemente de tal modo que
las fuerzas inducidas sobre el pistón 204 por la presión del fluido
se juntan de nuevo con la fuerza suministrada por el elemento
elástico 208. Si las fuerzas de perturbación se equilibran de manera
adecuada tal como se describe a continuación, esto significa que la
diferencia de presión a través del orificio de control 110a, y por
lo tanto la velocidad de flujo, ha vuelto a su valor deseado dentro
de unos límites aceptables. Esto se ilustra mejor en la figura
2B.
La figura 2B es una vista de sección transversal
de una válvula de control 100a que ¡lustra el pistón 204 en una
segunda posición. Esta segunda posición se debe a un aumento de P1,
tal y como se ha descrito anteriormente. Como se ilustra en la
figura 2B, el elemento elástico 208 está en una posición comprimida.
El borde 231 de pistón 204 ha entrado en una cavidad 230 del
elemento de estrangulación 202. El pistón 204 realiza esto para
estrechar el orificio de estrangulación 108a para reducir o
disminuir la velocidad de flujo a través del orificio de
estrangulación 108a en la región intermedia 252. En este punto,
cuando P1 empieza a disminuir, el pistón 204 se traslada entonces de
vuelta hacia la región descendente 218 para mantener la velocidad de
flujo a través del orificio de control 110a.
Como se ha mencionado anteriormente, una ventaja
técnica importante de la presente invención es que la válvula de
control 100a se encarga de los efectos perniciosos de pandeo. El
pandeo es causado por la presión del fluido en el lado descendente
de la válvula de tracción sobre una porción móvil de la válvula, que
tiende a cerrar el orificio de estrangulación y reducir la velocidad
de flujo a través de la válvula. La presente invención se encarga de
esto mediante la inversión del orden del orificio de estrangulación
108a y del orificio de control 110a disponiendo el orificio de
estrangulación 108a ascendente a partir del orificio de control
110a. De esta manera, el gradiente de presión global de P1 a P2
tiende a interrumpir el pistón 204 hacia la región descendente 218,
mientras que las fuerzas de Bernoulli generadas por el fluido que
fluye a través del orificio de estrangulación 108a acciona la otra
vía. De esta manera, el uso de manera ingeniosa de las fuerzas de
Bernoulli en el sistema neutraliza el gradiente de presión. Esta
ventaja se ilustra mejor en la figura 4 más abajo. En sistemas
anteriores, el gradiente de presión y las fuerzas de Bernoulli
tenían tendencia a causar pandeo, por lo que tal neutralización se
vuelve imposible. Sistemas anteriores intentaron contrarrestar el
pandeo con una fuga o fuerza elástica no constante. Antes de la
discusión, la figura 4, figuras 3A e 3B muestran una forma de
realización alternativa de una válvula de control 100 de la presente
invención.
La figura 3A es una vista de sección transversal
de otra forma de realización de una válvula de control 100, indicada
por 100b. La válvula de control 100b incluye un alojamiento 300, un
elemento de estrangulación 302, un pistón 304, un elemento elástico
306 y un elemento de ajuste 308.
El alojamiento 300, que puede presentar
cualquier forma adecuada, tiene una región ascendente 310, una
región intermedia 312, y una región descendente 314 que define un
trayecto para un fluido que fluye a través de éstas en una dirección
tal como indicada por la flecha 316. La válvula de control 100b es
similar a la válvula de control 100a de las figuras 2A y 2B; no
obstante, la figura 3A no tiene tapa que incluye un orificio de
control. En la forma de realización de la figura 3A, el orificio de
control 110b se forma en el alojamiento 300 adyacente a la región
inferior 314, tal como está ilustrado.
El elemento de estrangulación 302 es similar al
elemento de estrangulación 202 de la figura 2A y se acopla con el
alojamiento 300 de cualquier manera adecuada. El elemento de
estrangulación 302 tiene una superficie de estrangulación 318 que
funciona conjuntamente con un borde 320 de pistón 304 para definir
un orificio de estrangulación 108b. Como se ha ilustrado, el borde
320 de pistón 304 es cuadrado. En sistemas anteriores, se debe
contornear el borde del pistón de alguna manera para evitar los
efectos de pandeo. No obstante, debido a que la presente invención
sitúa el orificio de estrangulación 108b antes del orificio de
control 1 10b, el pandeo ya no es un problema. Por consiguiente, el
borde 320 de pistón 304 no tiene que ser contorneado de cualquier
manera, lo que permite ahorrar considerablemente los costes de
fabricación.
El pistón 304 está dispuesto de manera
deslizable al interior del alojamiento 300 a lo largo de una pared
322. El pistón 304 tiene una parte de pestaña 324, un perímetro
desde el cual se desliza a lo largo de pared 322 y una parte de
vástago 326 que se extiende desde una porción de pestaña 324 hasta
el borde 320. La porción de pestaña 232 y la parte de vástago 234
pueden ser íntegra o puede ser porciones separadas de pistón 204
acopladas las unas con las otras de cualquier manera adecuada. Como
en el caso de pistón 204 más arriba (figura 2A), el pistón 304 puede
tener cualquier diámetro adecuado. El elemento elástico 306, que
puede ser cualquier elemento elástico adecuado, tal como un muelle,
funciona de la misma manera que el elemento elástico 208 funcionaba
en la figura 2A. El elemento elástico 306 está dispuesto al exterior
del pistón 304.
Una cámara de ecualización 326 recibe el fluido
de la región inferior 314 a través de una o más aberturas de
ecualización 328 tal y como se ha mostrado. Existe un segmento de
pistón 330 alrededor del perímetro de pestaña 324 para impedir que
el fluido se filtre desde la cámara de ecualización 326 hasta la
región intermedia 312. De modo similar, la válvula de control 100b
incluye también una junta estanca 332 alrededor de una extremidad
superior de pistón 304 para impedir que el fluido se filtre dentro
de la cámara de ecualización 326 a partir de la región superior
310.
El elemento de ajuste 308 funciona para
controlar la velocidad de flujo del fluido que sale del orificio de
control 110b por traslación del elemento de ajuste 308 dentro o
lejos del orificio de control 110b.
La operación de control 100b es similar al la de
la válvula de control 110a. De este modo, un fluido entra en la
región ascendente 310 y viaja a través del orificio de
estrangulación 108b en la región intermedia 312 antes de salir del
orificio de control 110b dentro de la región descendente 314, tal
como indicado por las flechas. Una vez que la presión P1, en la
región ascendente 310 alcanza cierto nivel, entonces se incrementa
también P2. El pistón 304 empieza entonces a trasladarse hacia la
región ascendente 310. Este actúa para estrechar el orificio de
estrangulación 108b y reducir la velocidad de flujo del fluido. Esto
se ilustra mejor en la figura 3B.
La figura 3B muestra el pistón 304 trasladado
hacia la región ascendente 310 para estrechar el flujo de fluido a
través del orificio de estrangulación 108b. El elemento elástico 306
se muestra en una posición comprimida. Como P1 empieza a disminuir,
el pistón 304 se traslada hacia arriba y actúa para abrir el
orificio de estrangulación 108b de tal forma que la velocidad de
flujo del fluido puede aumentar para mantener la velocidad de flujo
del fluido a través de la válvula de control 100b.
Como se ha mencionado anteriormente, una ventaja
técnica de la presente invención es que ésta resuelve los efectos
perniciosos de pandeo. Esto se ilustra por un gráfico 400 mostrado
en la figura 4. El gráfico 400 representa una velocidad de flujo 402
versus una diferencia de presión 404 a través de la válvula de
control 100. La línea de puntos indicada por la referencia numérica
406 muestra el fenómeno conocido como pandeo que ocurre en sistemas
anteriores. Como se ha ilustrado, la diferencia de presión a través
la válvula de control aumenta a medida que la velocidad de flujo
disminuye. Esto proporciona una válvula de control muy inestable y
puede producir impulsos en la válvula de control. Un gráfico de
velocidad de flujo versus la diferencia de presión según una forma
de realización de la presente invención se indica con la línea
discontinua 408. A medida que la diferencia de presión 404 aumenta,
aumenta la velocidad de flujo. Esto proporciona una válvula de
control mucho más estable 100. Una situación ideal se indica con la
curva 410. Esta ilustra que cuando la diferencia de presión aumenta
404, la velocidad de flujo 402 se mantiene en un índice muy estable.
Es deseable obtener una curva 410 que sea lo más "ideal"
posible. Por eso, en la presente invención se usan las fuerzas de
Bernoulli creadas por el flujo de fluido para contrarrestar la
diferencia de presión a través del orificio de estrangulación 108.
Una ventaja importante de una forma de realización de la presente
invención es que si las fuerzas inducidas por velocidad (es decir,
las fuerzas de Bernoulli) y la presión hidráulica en la región
superior son iguales en una posición establecida para un flujo, se
mantienen iguales en esta posición para una amplia variedad de
flujos.
La figura 5A es una vista de elevación de un
elemento de estrangulación 500 según una forma de realización de la
presente invención. El elemento de estrangulación 500 es un ejemplo
de uno que puede ser utilizado como elemento de estrangulación 202
en la válvula de control 100a o elemento de estrangulación 302 en la
válvula de control 100b.
El elemento de estrangulación 500 incluye una
primera extremidad 502 y una segunda extremidad 504. La primera
extremidad 502 es la extremidad del elemento de estrangulación 500
que se acopla con un alojamiento de válvula de control 100. Como se
ha descrito anteriormente, el elemento de estrangulación 500 se
puede acoplar con un alojamiento de cualquier manera adecuada. La
segunda extremidad 504 tiene una cavidad 506 formada en esta, y un
borde 508. Una superficie inclinada 510 de cavidad 506 y un borde
508 definen el orificio de estrangulación 108 de la válvula de
control 100.
Como se ilustra en las Figuras 5A y 5B, el borde
508 incluye tres agujeros 512. Unos agujeros 512 pueden tener
cualquier forma adecuada; no obstante, la forma de los agujeros 512
se determina preferiblemente por una experimentación de tal forma
que la velocidad de flujo del fluido a través de la válvula de
control 100 se mantiene lo más próxima posible a la velocidad de
flujo deseada. La superficie inclinada 510 se selecciona también
para maximizar la eficiencia de la válvula de control 100 cuando se
intenta mantener la velocidad de flujo del fluido. En una forma de
realización, la superficie inclinada 510 se inclina en un ángulo de
aproximadamente seis grados; no obstante, otros ángulos adecuados
pueden ser utilizados. El borde 508 con agujeros 512 funciona para
tratar una velocidad de flujo relativamente alta, mientras que la
superficie inclinada 510 funciona para tratar índices de flujo
relativamente bajos. De nuevo, la combinación de borde 508 y
superficie inclinada 510 se determina preferiblemente de forma
experimental de la mejor forma para obtener la velocidad de flujo
más constante a medida que la diferencia de presión a través de la
válvula de control 100 aumenta. En otras palabras, la combinación de
borde 508 y superficie inclinada 510 se determina para obtener la
curva 410 (figura 4). Otras formas diferentes de los agujeros 512
pueden ser utilizadas sobre el borde 508.
En una forma de realización particular de la
presente invención, una configuración de aberturas 512 que funciona
adecuadamente para equilibrar las fuerzas del fluido que está
fluyendo sigue la siguiente ecuación:
donde d es el diámetro del pistón,
W es la anchura de cada una de las tres aberturas 512, y x es la
distancia desde el borde del pistón hasta su posición completamente
cerrada (es decir, la posición del borde del pistón si está en
contacto con la superficie inclinada de la cavidad del elemento de
estrangulación). Lo máximo de x es aproximadamente 0.28d, con la
superficie de estrangulación truncada en el punto donde la anchura
de las tres aberturas 512 es igual a aproximadamente una tercera
parte del perímetro. Como se ha descrito anteriormente, un tamaño
preferido para d sigue la
relación:
Aunque se describen en detalle formas de
realización ejemplares de la invención y sus ventajas, un experto en
la técnica puede realizar varias alteraciones, adiciones, y/o
omisiones sin salir del espíritu y alcance de la presente invención
tal como se define en las reivindicaciones anexas.
\vskip1.000000\baselineskip
- US 4080993 A [0003]
- US 4440192 A, Even [0004]
- US 5904177 A [0005]
Claims (11)
1. Válvula de control para la regulación de un
fluido (100a; 100b), comprendiendo:
- -
- un alojamiento (200, 300) con una región ascendente (102) y una región descendente (104) y con un orificio de control (110, 110a, 110b) formado en ésta adyacente a la región inferior;
- -
- un pistón (204) dispuesto de forma deslizable al interior del alojamiento, el pistón presentando una vía de paso fluido, a través de la cual pasa el flujo controlado, definiendo una región intermedia dispuesta entre la región ascendente y la región descendente;
- -
- una porción de pestaña (232) con un lado superior (248) y un lado inferior (250) y una porción de vástago (234) con un borde (231, 320) adyacente a la región ascendente;
- -
- un elemento elástico (208, 306) dispuesto al interior del alojamiento para una traslación opuesta del pistón al interior del alojamiento;
- -
- un elemento de estrangulación (202, 302) adyacente a la región superior, el elemento de estrangulación presentando una superficie de estrangulación (224, 318) adyacente al borde del pistón, la superficie de estrangulación (224, 318) y el borde (321, 320) definiendo un orificio de estrangulación entre éstos; y
- -
- una abertura de ecualización (242, 328) formada en el alojamiento para permitir que un fluido en la región inferior se introduzca en una cámara de ecualización (246, 326) definida por una región entre una superficie interna del alojamiento y una superficie exterior del pistón, de manera tal que la diferencia de presión a través de la parte de pestaña (232) es igual a la diferencia de presión a través del orificio de control (110, 110a, 110b).
\vskip1.000000\baselineskip
2. Aparato según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que el elemento elástico (208)
se instala al interior del alojamiento para una traslación opuesta
del pistón (204).
3. Aparato según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que una abertura de
ecualización (242) formada en el alojamiento, en una pared lateral
(244) del tapón (206), permite que un fluido situado en la región
inferior se introduzca en una cámara de ecualización (246) definida
por una región entre una superficie interna del alojamiento o de la
pared lateral (244) y una superficie externa de un pistón (204), y
de que exista así la presión P3 en el pistón (204).
4. Aparato según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que la válvula de control para
la regulación del flujo comprende una junta estanca (256) dispuesta
entre el alojamiento y un perímetro del pistón (204) para impedir
una fuga del fluido a partir de la región intermedia (252) hacia la
cámara de ecualización (246) e impedir así que el nivel de presión
P2 se introduzca en la cámara de ecualización.
5. Aparato según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que la válvula de control de
regulación (100) comprende preferiblemente un segmento de pistón
cuadrado (258) dispuesto entre un perímetro del pistón (204) y una
superficie interna del alojamiento o del tapón (206) para reducir
una fuga del fluido entre éstos y el segmento de pistón se compone
preferiblemente de fluorocarbono e impide así que el nivel de
presión P2 se introduzca en la cámara de ecualización.
6. Aparato según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que en la válvula de control de
regulación, un borde (226) del pistón (204) es cuadrado.
7. Aparato según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que la válvula de control de
regulación (100) y el pistón (204) comprende una porción de pestaña
(232) y la porción de vástago (234) donde la porción de pestaña que
posee un primer lado expuesto en la región intermedia (252) y un
segundo lado expuesto en la cámara de ecualización (246) y un
perímetro en contacto de forma deslizable con una superficie interna
del alojamiento o del tapón (206).
8. Aparato según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que el elemento de
estrangulación (202) es adyacente a la región superior, el elemento
de estrangulación comprendiendo la superficie de estrangulación
(224) adyacente a un borde (231) del pistón (204) donde la
superficie de estrangulación y el borde definen un orificio de
estrangulación entre los dos.
9. Aparato según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que el elemento de
estrangulación (202) tiene una cavidad formada en una extremidad de
este último, la cavidad presenta una superficie inclinada (228) o
pared lateral, y donde la superficie de estrangulación se define por
un borde (508) del elemento de estrangulación y la pared
lateral.
\newpage
10. Aparato según las reivindicaciones 1 y 9,
caracterizado por el hecho de que el elemento de
estrangulación (202) tiene preferiblemente tres agujeros (512) y
donde los agujeros son configurados para seguir la siguiente
ecuación:
donde d es el diámetro del pistón,
W es la anchura de cada una de los tres agujeros y x es una
distancia desde el borde del pistón hasta una posición completamente
cerrada definida por una posición del pistón en la que el borde del
pistón toca la pared lateral inclinada de la cavidad del elemento de
estrangulación.
11. Aparato según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que la válvula de control de
regulación (100) comprende el elemento de ajuste (212) acoplado al
alojamiento para un estrechamiento selectivamente del orificio de
control.
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