ES2383394A1 - Dispositivo rotativo de transferencia de presion. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo rotativo de transferencia de presión que utiliza un rotor generalmente cilíndrico (15) con una pluralidad de canales, que gira con sus caras extremas planas yuxtapuestas con las caras extremas planas de un par de cubiertas laterales de extremo (19, 21), las cuales están provistas de un conducto de entrada y de un conducto de descarga. El diseño es tal que hay sólo rampas oblicuas (65) en los conductos del lado de alta presión, que crean una corriente direccional de líquido que es la que origina el giro del rotor en la dirección deseada. Los conductos (27a, 27b) en el lado de baja presión se pueden diseñar de tal modo que la entrada y la descarga de líquido entre los canales y los conductos sean esencialmente longitudinal, o bien los canales (71) se pueden construir de tal modo que se cree una corriente direccional que retarde ligeramente el giro del rotor en la citada dirección deseada.
Description
Dispositivo rotativo de transferencia de
presión.
Esta solicitud reivindica la prioridad de la
Solicitud Provisional de Estados Unidos número 60/977.789,
presentada el 5 de octubre de 2007, cuya descripción se incorpora a
este documento como referencia.
Esta invención se refiere a dispositivos
rotativos de transferencia de presión, en los que un primer fluido,
a una elevada presión, comunica hidráulicamente con un segundo
fluido a presión inferior para transferir presión entre los fluidos
y producir una corriente de descarga a elevada presión del segundo
fluido. Más particularmente, la invención se refiere a dispositivos
rotativos de transferencia de presión de esta clase, en los que los
diseños de cubiertas de extremos se mejoran para disminuir la
mezcladura de los fluidos en el dispositivo y para controlar mejor
el funcionamiento global.
Los dispositivos rotativos actuales de
transferencia de presión emplean un rotor que tiene una pluralidad
de canales que están con frecuencia, de manera razonable,
ampliamente separados, y un par de cubiertas o tapas de extremo
opuestas, cada una de las cuales tiene al menos un paso o conducto
de entrada y al menos un paso o conducto de descarga. Por lo tanto,
cuando el rotor efectúa una revolución completa, cada canal recibirá
flujo entrante al menos dos veces, es decir, al menos una vez con
líquido a elevada presión que entra desde un extremo y al menos una
vez con líquido a baja presión que entra desde el extremo o puesto.
Cada canal descargará simultáneamente al menos dos veces cuando
estos canales longitudinales del rotor giran o rotan pasando por
respectivos pares alineados de pasos de entrada y de descarga, de
las cubiertas extremas opuestas.
En estos dispositivos rotativos, tales como los
dados a conocer en las patentes de Estados Unidos números 6.540.487
y 7.201.557, se usan con frecuencia cubiertas extremas que dirigen
líquido entrante, tanto a alta como a baja presión, oblicuamente en
los canales del rotor para crear una fuerza de impacto en los
canales, que induce la rotación. El líquido es parcialmente desviado
por tales rampas oblicuas de las cubiertas de extremo desde una
dirección longitudinal del flujo a una dirección del flujo que tiene
una componente de velocidad sustancial que impactará contra las
paredes radiales de los canales del rotor. Los ángulos de las rampas
oblicuas en las corrientes de alta y baja presión son en esencia
típicamente iguales, de tal manera que el flujo de cada corriente
contribuye de manera aproximadamente igual a la fuerza total que
impulsa la rotación del rotor. Como consecuencia, los flujos
entrantes de líquidos, tanto de alta como de baja presión, mueven la
interfaz entre los dos líquidos en un canal del rotor esencialmente
en la misma distancia axial en cada dirección, a lo largo de la
longitud del rotor, en cada llenado de un canal del rotor, en tanto
haya disponibles flujos de alta y baja
presión.
presión.
En algunos casos, es particularmente importante
reducir al mínimo la cantidad de mezcladura que ocurre entre los dos
líquidos; sin embargo, existe una reluctancia a disminuir la
eficacia del dispositivo de transferencia de presión para conseguir
tal finalidad. En algunos dispositivos de transferencia de presión
de este tipo general, por ejemplo los que se muestran en las
Patentes de Estados Unidos números 3.431.747, 6.537.035 y 6.773.226,
es invocado el uso de canales de sección transversal circular en los
que están dispuestos pistones o separadores en cada uno de los
canales con el fin de evitar físicamente la mezcladura (véanse las
bolas 34 en la patente '226). Sin embargo, se percibe que tales
soluciones al problema de la mezcladura no sólo reducen la eficacia
ocupando parte del volumen de cada canal, sino que también complican
el dispositivo al requerir controles complejos para evitar que los
pistones choquen contra uno de los extremos del canal. Ello podría
ocurrir si los flujos de alta y baja presión resultaran desiguales,
un estado que podría resultar de variaciones de flujo naturales en
el proceso o, con más frecuencia, durante la puesta en marcha o la
detención de las operaciones.
Como consecuencia, se han buscado otras
soluciones para reducir al mínimo la mezcladura de líquidos en
dispositivo rotativo de transferencia de presión de este tipo y para
proteger contra fluctuaciones importantes en los caudales de flujo
de alimentación.
Se ha descubierto ahora que si se incluyen
rampas oblicuas, cada una de las cuales crea flujo de entrada
direccional para producir la rotación de rotor, sólo en los pasos de
entrada y de descarga en el lado de alta presión y al líquido de
baja presión se le permite fluir hacia dentro y fuera de los canales
en una dirección esencialmente longitudinal, no sólo puede ser
suministrada una segunda corriente de líquido a presión, que muestra
mínima evidencia de mezcladura, sino que resultan otras ventajas
funcionales significativas junto con la citada reducción al mínimo
de la mezcladura.
En un aspecto particular, la invención
proporciona un dispositivo de transferencia de presión para
transferir energía de presión desde un primer fluido a elevada
presión a un segundo fluido a presión inferior, para proporcionar un
segundo fluido a presión, cuyo dispositivo incluye:
un rotor cilíndrico montado para girar alrededor
de su eje geométrico y que tiene un par de caras extremas planas
opuestas con al menos dos canales que se extienden axialmente a
través del mismo entre aberturas situadas en dichas caras extremas
planas; y
un par de cubiertas o tapas de extremo opuestas
que tienen superficies de extremo axialmente hacia dentro y hacia
fuera, acoplándose dichas superficies extremas hacia dentro, y
aplicándose de manera deslizante y obturada, con dichas respectivas
caras extremas opuestas del citado rotor,
teniendo cada una de dichas cubiertas de extremo
uno o más pasos de entrada y uno o más pasos de descarga que
desembocan en dichas superficies axialmente hacia dentro, estando
dichas cubiertas de extremo opuestas alineadas de manera que cuando
un canal del rotor está alineado con una abertura del paso de
entrada de una de dichas cubiertas de extremo, está también alineado
con una abertura del paso de descarga de la citada otra cubierta de
extremo,
estando dichas aberturas del paso de entrada y
del paso de descarga, de la misma cubierta extrema, aisladas
constantemente entre sí durante la operación por una región de
obturación de la superficie entre dicha cara extrema del rotor y
dicha superficie de cubierta de extremo,
por lo que, como consecuencia de una revolución
del citado rotor, cada uno de dichos canales es llevado, en
secuencia alternante, a alineación parcial o total con una abertura
del paso de entrada a alta presión de una de las citadas cubiertas
de extremo y una abertura del paso de descarga de alta presión de la
otra de las citadas cubiertas de extremo y a continuación a
alineación parcial o total con una abertura del paso de descarga de
baja presión de dicha primera cubierta de extremo, de manera que
cada uno de los citados canales es alternativamente suministrado con
el primer fluido de alta presión a través de dicha una cubierta de
extremo y después con el segundo fluido a través de la citada otra
cubierta de extremo,
comprendiendo la mejora rampas oblicuas en
dichos pasos de entrada y de descarga de alta presión en las citadas
cubiertas de extremo, las cuales originan flujo direccional del
fluido de alta presión hacia dentro y fuera de los citados canales
del rotor para proporcionar una fuerza que hace que dicho rotor gire
en un primer sentido angular, mientras que los citados pasos de
entrada y de descarga de baja presión están exentos de cualquiera de
las citadas rampas que dirigirían así el flujo para proporcionar
impulsos adicionales para hacer que el citado rotor gire en el
primer sentido angular.
En otro aspecto particular, la invención
proporciona un dispositivo de transferencia de presión para
transferir energía de presión desde un primer fluido a elevada
presión a un segundo fluido a presión inferior para proporcionar un
segundo fluido a presión, cuyo dispositivo incluye:
un rotor cilíndrico montado para girar alrededor
de su eje geométrico y que tiene un par de caras de extremo planas
opuestas con al menos dos canales que se extienden axialmente a
través de ellas, entre aberturas situadas en las citadas caras
extremas planas; y
un par de cubiertas de extremo opuestas que
tienen superficies extremas axialmente hacia dentro y hacia fuera,
interacoplándose dichas superficies extremas hacia dentro, y
aplicándose de manera deslizable y obturada, con dichas respectivas
caras extremas opuestas del citado rotor,
teniendo cada una de dichas cubiertas de extremo
uno o más pasos de entrada y uno o más pasos de descarga que
desembocan en dichas superficies axialmente hacia dentro, estando
dichas cubiertas de extremo opuestas alineadas angularmente de
manera que cuando uno de los citados canales de dicho rotor está
alineado con una abertura del paso de entrada en una de dichas
cubierta de extremo, el mismo está también alineado con una abertura
del paso de descarga de la citada otra cubierta de extremo,
estando, cada una de las citadas aberturas del
paso de entrada y cada una de las citadas aberturas del paso de
descarga de la citada misma cubierta de extremo, constantemente
aisladas entre sí durante el funcionamiento por una región de
obturación en la interfaz entre dicha cara extrema del rotor y la
citada superficie de cubierta de extremo,
por lo que, como consecuencia de la revolución
del citado rotor, cada uno de los citados canales del rotor es
llevado, en secuencia alternante, a alineación parcial o total con
una abertura del paso de entrada de alta presión de dicha una
cubierta de extremo y una abertura del paso de descarga de alta
presión de la citada otra cubierta de extremo y una abertura del
paso de entrada de baja presión de dicha cubierta de extremo, de
manera que cada uno de dichos canales es alternativamente
suministrado con el primer fluido a elevada presión a través de
dicha una cubierta de extremo y después con el segundo fluido a
través de la citada otra cubierta de extremo,
comprendiendo la mejora rampas oblicuas en
dichos pasos de entrada y de descarga de alta presión de las citadas
cubiertas de extremo, que originan flujo direccional de fluido de
alta presión hacia dentro y fuera de los citados canales del rotor
para proporcionar fuerza que hace que el citado rotor gire en un
primer sentido angular, y rampas oblicuas inversas en dichos pasos
de entrada y de descarga, que originan flujo direccional hacia
dentro y fuera de los citados canales del rotor de un modo que
tiende a retardar la revolución del rotor en el primer sentido
angular.
La figura 1 es una vista en perspectiva,
mostrada en sección transversal, de un dispositivo de transferencia
de presión de este tipo general, que usa un rotor que gira alrededor
de un estator central.
La figura 2 es una vista en perspectiva, en
despiece ordenado, de tamaño ampliado, de un subconjunto de dos
cubiertas de extremo, un rotor, un estator y una barra de tracción
según se utilizan en el dispositivo de transferencia de presión de
la figura 1.
La figura 3 es una vista en sección transversal,
de tamaño aumentado, tomada a través de una cubierta de extremo
generalmente a lo largo de la línea 3-3 de la figura
2.
La figura 4 es una vista en sección transversal,
de tamaño aumentado, tomada a través de la primera cubierta de
extremo generalmente a lo largo de la línea 4-4 de
la figura 2.
La figura 5 es una vista en sección transversal
similar a la figura 4, tomada a través de una realización
alternativa de una cubierta de extremo.
Se ha visto ahora que es práctico utilizar
cubiertas de extremo con rampas oblicuas sólo en el lado de alta
presión. Como consecuencia, la entrada de líquido a elevada presión
impulsa el movimiento del rotor, mientras que la entrada de líquido
a baja presión no afecta al movimiento del rotor. Un resultado de
una tal disposición es un aumento del caudal de líquido de baja
presión, el cual puede ser ajustado para inundar sustancialmente el
rotor en cada llenado, por ejemplo desplazando significativamente
salmuera y sustituyéndola con agua de mar de salinidad relativamente
baja cuando se utiliza en una operación de desalinización, sin
cambiar la velocidad el rotor. Generalmente, en un sistema de
desalinización de ósmosis inversa, el caudal de la salmuera de
elevada presión que está siendo suministrado al dispositivo de
transferencia de presión será esencialmente constante, es decir,
generalmente estable y sin variación significativa. Sin embargo, el
caudal del agua de mar a baja presión que entra puede aumentar
ocasionalmente, lo cual podría cambiar momentáneamente la velocidad
del rotor cuando ambos flujos estén siendo utilizados para impulsar
la revolución del rotor; ello podría dar lugar a un exceso de
velocidad del rotor que, a su vez, podría causar fenómenos
destructivos tales como choque de presión o cavitación. Además, el
flujo de agua de mar podría caer de manera brusca si hubiera
problemas con las válvulas y/o las bombas de elevada presión, y ello
podría igualmente producir choques no deseables al sistema. Se ha
visto que tales dificultades potenciales son mitigadas cuando la
velocidad de revolución del rotor se hace dependiente sólo de la
entrada estable de flujo de salmuera de alta presión. Además, la
entrada de flujo en línea recta de agua de mar de baja presión da
lugar a que se minimice la mezcladura en la interfaz entre los dos
líquidos y es también ventajoso en este aspecto, además de discurrir
como se ha mencionado anteriormente.
En la figura 1 se muestra un dispositivo
rotativo 11 de transferencia de presión que incluye un alojamiento o
cuerpo 13 generalmente cilíndrico en el que está dispuesto un rotor
cilíndrico 15 que tiene una pluralidad de canales longitudinales 16
que se extienden de extremo a extremo y que desembocan en las
respectivas caras extremas planas 32 del rotor. El rotor 15 gira
alrededor de un estator hueco central 17; dos cubiertas de extremo
19, 21 que tienen una pluralidad de pasos o conductos 27, 29 (véase
la figura 2) emparedan el rotor y el estator entre ellas. Por
conveniencia de la explicación, se hace referencia a los componentes
como cubiertas de extremo superior e inferior, de acuerdo con la
orientación del dispositivo en los dibujos. Sin embargo, ello se usa
simplemente por conveniencia, ya que se ha de entender que el
dispositivo puede ser hecho funcionar en cualquier orientación,
vertical, horizontal o de otro modo.
Para permitir que estos componentes internos
sean manejados como una unidad, se unen con frecuencia como un
subconjunto mediante el uso de una barra 23 de tracción central que
está situada en una cámara agrandada 24 dispuesta axialmente con
respecto al estator hueco y al rotor; la barra de tensión pasa
también a través de pasos axiales 25a, 25b de las cubiertas de
extremo superior e inferior. Esta barra de tracción roscada 23 es
entonces asegurada mediante arandelas y tuercas hexagonales o
similares para crear un subconjunto de los cuatro componentes, en el
que las dos cubiertas de extremo 19, 21 están en contacto de apoyo a
tope con los extremos del estator 17. Preferiblemente, cortos
pasadores en cola de milano están asentados en orificios alineados
31 de las cubiertas de extremo y el estator para asegurar las dos
cubiertas de extremo en alineación precisa una con otra a través de
a interconexión mediante el estator hueco de soporte 17 (véase la
figura 2). Las tolerancias son tales que, cuando el rotor está
girando de manera que transfiere presión entre soluciones acuosas o
similares en los canales 16, hay creada una muy delgada junta de
líquido entre las caras extremas planas 32 superior e inferior del
rotor y las superficies yuxtapuestas axialmente hacia dentro 33 de
las cubiertas de extremo superior e inferior 19, 21. Los pasos 27 y
29 de las cubiertas de extremo terminan en aberturas 34 de
diferentes formas en estas superficies extremas planas 33.
El alojamiento cilíndrico 13 está cerrado por
placas de cierre 35, 37 superior e inferior. Unos anillos de salto
elástico (no mostrados) u otras disposiciones de cierre anulares
apropiadas están recibidos en ranuras 38 del alojamiento para
asegurar las placas de cierre 35, 37 en posición cerrada. Un
conducto 39 de entrada de líquido (por ejemplo agua de mar) pasa
axialmente a través de la placa de cierre superior 35. Una entrada
lateral 41 del alojamiento 13 está dispuesta para descargar el agua
de mar a la que se ha aumentado la presión dentro del dispositivo.
Un cuerpo cilíndrico polímero moldeado 42 proporciona un conducto
bifurcado 43 para interconectar la entrada 39 de agua de mar hacia
dos pasos de entrada 27a de baja presión (LP) de la cubierta de
extremo 19, y aquel y la superficie interior del alojamiento están
conformados para proporcionar también una cámara impelente 45 a
través de la cual comunican con el conducto de descarga lateral 41
los pasos de salida 29b de alta presión (HP) de la cubierta de
extremo. La abertura 25a a través de la cubierta de extremo 19 está
aumentada de diámetro para proporcionar comunicación a través de la
cubierta de extremo hacia la cámara impelente 45 de agua de mar a
elevada presión, para una finalidad que se describirá
posteriormente.
Una construcción similar existe en el extremo
inferior, en el que un conducto 47 que pasa axialmente a través de
la placa de cierre inferior 37 sirve para descargar la corriente de
salmuera de baja presión; la salmuera a elevada presión entra a
través de una entrada lateral 49 del alojamiento. Un interconectador
polímero moldeado 51 cilíndrico similar está situado dentro del
alojamiento entre la cubierta de extremo inferior 21 y la placa de
cierre inferior 37. El interconectador 51 está análogamente formado
para proporcionar un conducto bifurcado 53 a través del cual se
conecta el conducto de descarga 47 de salmuera a los dos pasos de
salida 27b de LP de la cubierta de extremo 21, y su parte exterior
está configurada para crear una cámara impelente 55 de alta presión
que está en comunicación con los dos pasos de entrada 29a de
salmuera de HP y la entrada lateral 49 de salmuera de alta presión.
La cubierta de extremo inferior 21 a través de la cual entra y sale
la salmuera tiene una ranura a media distancia a lo largo de su
superficie exterior que aloja una junta anular 57 (figura 1) de alta
presión.
Como un ejemplo de funcionamiento, el agua de
mar a baja presión, de 2,1 kg/cm^{2} , puede ser suministrada,
como mediante bombeo, al conducto recto 39 en el extremo superior
del dispositivo, y la salmuera a elevada presión, procedente de una
operación de ósmosis inversa, es suministrada al conducto de entrada
lateral 49 por ejemplo a unos 54 kg/cm^{2}. Como se explica con
más detalle en lo que sigue, los pasos 29a y 29b a través de los
cuales fluirá líquido a elevada presión en las cubiertas de extremo
19, 21, están construidos de manera que dichas corrientes entrantes
y salientes de líquido harán que el rotor gire en un sentido angular
deseado, como es bien conocido en esta técnica. La salmuera a
elevada presión llena la cámara impelente inferior 55 y fluye a
través de ella hacia los dos pasos de entrada 29a de HP en la
cubierta de extremo inferior 21. A medida que gira el rotor, es
suministrado líquido a elevada presión al extremo inferior de cada
canal 16 mientras está en comunicación con la respectiva abertura de
paso 34 de HP; esto causa simultáneamente que sea descargado el
mismo volumen de líquido, por ejemplo agua de mar, desde el extremo
opuesto del canal compuesto 16, cuya agua de mar ha sido elevada
hasta aproximadamente la presión de la salmuera que llega. Tal flujo
de descarga del segundo líquido (es decir, agua de mar) ahora puesto
a presión, sale a través de un paso de salida 29b de HP en la
cubierta de extremo superior 19 y a continuación sigue una
trayectoria a través de la cámara impelente superior 45 hacia la
salida lateral 41. Cuando este canal compuesto rotativo 16 resulta a
continuación alineado con una abertura 34 hacia un paso de entrada
27a de agua de mar a baja presión en la superficie axialmente hacia
dentro 33 de la cubierta de extremo superior 19, el canal se
alineará simultáneamente con un paso de salida 27b de salmuera de LP
en la cubierta de extremo inferior 21. De ese modo, a media que
fluye el agua de mar a baja presión hacia el extremo superior del
canal 16, origina la descarga de la salmuera, ahora desprovista de
presión, desde el extremo inferior del dispositivo 11 a través del
conducto bifurcado 53 y el conducto recto 47 de salida de
salmuera.
Haciendo referencia con más detalle a los
componentes mostrados en las figuras 2, 3 y 4, se puede ver que el
rotor 15 es en general de forma cilíndrica, pero que tiene una gran
abertura central en la que está recibido el estator 17. Un número
bastante grande de canales longitudinales compuestos 16 se extienden
axialmente entre sus superficies extremas planas 32, cuyos canales
son compuestos generalmente compuestos en forma circular en sección
transversal y están separados uniformemente entre sí, estando cada
uno dividido en 2 secciones por una banda intermedia. Por ejemplo,
hay 22 canales compuestos que están separados angularmente por igual
en una región anular alrededor del eje geométrico central,
constituyendo cada canal un segmento anular de aproximadamente
13-14 grados de los 360 grados. El estator central
17 está preferiblemente acoplado de manera conjugada con ambas
cubiertas de extremo 19, 21 por medio de cortos pasadores en cola de
milano (no mostrados) que están recibidos en los orificios 31. Esto
proporciona una plataforma rotativa estable para el rotor,
particularmente cuando la barra de tracción central 23 está
instalada para unir estos componentes como un subconjunto con el
rotor en posición. Este diseño es tal que se proporcionan
superficies de apoyo hidrodinámico 59 lateralmente en el estator 17,
cuyas dos superficies están separadas y proporcionan un rebaje
central 61 que sirve como un depósito de lubricación. Un paso radial
63 se extiende a través del estator desde este depósito 61 hasta la
cámara axial agrandada 24 y proporciona comunicación de fluido entre
ellos. La cámara axial 24 se llena con agua de mar a elevada presión
como consecuencia de los pasos agrandados 25 a a través de la
cubierta de extremo superior 19, la cual (véase la figura 1) está en
comunicación con la cámara impelente superior 45 a través de la cual
se descarga el agua de mar a presión incrementada desde el
dispositivo 11.
Las dos cubiertas de extremo 19, 21 son de
construcción generalmente similar. Cada cubierta está formada con
dos pasos 27 de baja presión, en general diametralmente opuestos, y
dos pasos de alta presión 29. Los dos pasos de baja presión de cada
cubierta de extremo están respectivamente interconectados a través
de los dos pasos bifurcados 43, 53 proporcionados por los
interconectadores moldeados 42, 51 que llevan a los conductos 39, 47
alineados axialmente. Los pasos 27 de LP (figura 4) están diseñados
con paredes lisas, generalmente rectas, que se extienden en general
axialmente a través de ellos. Dependiendo de la cubierta de extremo,
aquellos sirven ya sea como pasos de entrada 27a de LP o como pasos
de descarga 27b de LP. Como consecuencia de su configuración, existe
un flujo longitudinal esencialmente recto entre cada canal rotativo
16 y los pasos 27a, 27b de LP a través de las aberturas 34 en las
superficies extremas axialmente hacia dentro 33 de las cubiertas de
extremo 19, 21.
En contraposición a la configuración interior de
los pasos de baja presión, los pasos 29a, 29b de alta presión están
formados con paredes interiores curvadas que conducen a rampas
oblicuas 65 (figura 3) que dirigen el líquido a alta presión
oblicuamente hacia dentro y fuera de los canales compuestos 16 del
rotor. Estos respectivos pares de pasos de HP están respectivamente
conectados, a través de las cámaras impelentes 45, 55, a los
conductos laterales 41, 49. Las cámaras impelentes son creadas
mediante la conformación de las superficies exteriores de los
interconectadores polímeros moldeados 42, 51 para crear una cámara
central que está unida con rebajes someros de la pared interior del
alojamiento 13 en estas regiones entre las cubiertas de extremo y
las placas de cierre extremas para proporcionar comunicación a cada
conducto lateral 41, 49 de la pared del alojamiento.
Como consecuencia, la salmuera a elevada
presión, que entra a través de la entrada lateral 49 y llena la
cámara impelente 55, fluye a través de los pasos de entrada 29a de
alta presión en la cubierta de extremo inferior 21; su flujo por la
rampa oblicua 65 hace que entre en los canales 16 con un vector de
fuerza oblicua que está dirigido contra la pared del canal compuesto
en forma circular. El agua de mar ahora presurizada, que sale del
extremo superior opuesto de cada canal, incide igualmente contra las
rampas oblicuas 65 del paso de salida 29b de HP, dando lugar a un
flujo de salida direccional desde el canal en su camino hacia la
cámara impelente superior 45 y saliendo después por el conducto de
descarga lateral 41. Este flujo incidente oblicuo de la salmuera
entrante a alta presión y el flujo saliente direccional del agua de
mar presurizada se utilizan para crear la velocidad de rotación
deseada, es decir, las RPM del rotor 15; aquella puede ser variada
por medio del ángulo de inclinación de la rampa 65 con respecto a
las superficies planas de las superficies extremas yuxtapuestas 33
de las caras extremas 32 de la cubierta de extremo del rotor. Como
se ve mejor en la figura 3, este ángulo A ha de estar comprendido
entre unos 12 grados y unos 65 grados, preferiblemente entre unos 12
grados y unos 30 grados y, más preferiblemente, entre unos 18 grados
y unos 24 grados. En contraposición a esto, como se puede ver en la
figura 4, los pasos 27 del lado de presión inferior del dispositivo
son pasos de pared esencialmente lisa que están conformados
simplemente para suministrar un flujo de líquido hacia, y recibir
una descarga de líquido desde, los canales 16 en una dirección en
esencia longitudinal.
Como una consecuencia de esta construcción, un
dispositivo 11 de transferencia de presión puede ser diseñado de
manera que el caudal de agua de mar a baja presión que es bombeado
hacia el dispositivo es mayor que el caudal de salmuera a elevada
presión que está siendo alimentado al dispositivo desde una
operación de ósmosis inversa o similar. El flujo adicional a baja
presión no aumentará la velocidad del rotor y, por lo tanto, no
tendrá efecto sobre los procesos de llenado y descarga que ocurren
en el lado de alta presión del rotor. Como consecuencia, mientras
que la misma cantidad de agua de mar a elevada presión es descargada
a través de la salida lateral 41 como sería si se incluyeran rampas
oblicuas tanto en los pasos de alta presión como en los de baja
presión, la mayor cantidad de flujo de agua de mar hacia cada canal
purgará esencialmente los canales de salmuera en el punto de
descarga de salmuera a través de los pasos 27b de baja presión de la
cubierta de extremo inferior 21. Como un resultado, la interfaz
entre los dos líquidos es entonces movida longitudinalmente dentro
del canal, de manera que cuando el canal es a continuación llenado
con salmuera a elevada presión, esta interfaz está longitudinalmente
más distante de la abertura de descarga de la cubierta de extremo
superior 19. La consecuencia del cambio es que será mínima la
entrada de salmuera en la corriente de agua de mar elevada que está
siendo descargada debido a la mezcladura potencial entre los dos
líquidos que estén en contacto en la interfaz. Esto puede ser de
importancia significativa, por ejemplo, para una operación de
desalinización de agua de mar, en la que el contenido de sal de la
corriente de agua de mar que está siendo suministrada al sistema
determina su presión de ósmosis, y es naturalmente esta presión de
ósmosis la que determina la presión a la cual el sistema debe ser
hecho funcionar efectivamente para conseguir flujo de desalinización
eficaz en dicha operación de filtración de ósmosis inversa de flujo
cruzado. Se considera que las ventajas de reducir al mínimo tal
contenido de sal superan sustancialmente el coste de bombear un
volumen ligeramente mayor de agua de mar a baja presión hacia el
dispositivo 11 de transferencia de presión.
Además, los rotores, cubiertas de extremo y
estatores para estos dispositivos de transferencia de presión son
propensos a sufrir daño potencial por medio de cavitación o choque
de presión, particularmente en los dispositivos que funcionan con
frecuencia a velocidades relativamente elevadas, es decir, 2.000 rpm
o incluso superiores. En una operación de desalinización de ósmosis
inversa en la que estos dispositivos de transferencia de presión se
usan con más frecuencia, se ha visto que, cuando ocurren
interrupciones significativas o cambios significativos en los
caudales de suministro de líquido, estos ocurrirán usualmente en el
lado del suministro de agua de mar a baja presión; ello es cierto
debido a que el caudal de salida de salmuera a elevada presión desde
estas plantas grandes de desalinización de agua de mar permanece
extremadamente estable y constante. Utilizando sólo el flujo estable
de alta presión para accionar el rotor, variaciones significativas,
o incluso interrupciones, en el flujo de agua de mar a baja presión
no se traducirán en cavitación potencial o choque de presión de
magnitud sustancial debido a que dicho flujo es simplemente
longitudinal hacia dentro y fuera de los canales desde los pasos de
entrada 27a de baja presión. De igual modo, el exceso de suministro
potencial de agua de mar a través de alguna anormalidad tampoco dará
lugar a cavitación potencial o choque de presión que pudiera ser
causado por excesiva velocidad, mientras que la cavitación o choque
de presión se podría producir potencialmente si el líquido del lado
de baja presión estuviera también siendo usado para accionar el
rotor.
Una disposición alternativa potencial utiliza
cubiertas de extremo (véase la cubierta de extremo 21' ilustrada en
la figura 5) que tienen pasos 29a y 29b de alta presión, de
aproximadamente la misma construcción que la descrita, que incluyen
rampas 65 de manera que la entrada direccional de salmuera a elevada
presión y la descarga de agua de mar a HP impulsan la rotación de
rotor. Sin embargo, la cubierta de extremo 21' (así como la cubierta
de extremo superior) está provista de pasos 71 de LP que están
construidos como cortas rampas oblicuas 75 que están orientadas en
un sentido opuesto a la orientación de las rampas 65. La figura 5
muestra un paso de descarga 71 de LP con una rampa 75 de este tipo,
orientada de manera inversa. La consecuencia de tener una tal
orientación inversa de las rampas 75 en los pasos en el lado de baja
presión es para contrarrestar o retardar, en algún grado, los
impulsos de accionamiento de la entrada direccional de la salmuera
de alta presión hacia y la salida desde los canales 16. Sin embargo,
alineando las rampas 65 en los canales de alta presión según un
ángulo apropiado dentro del intervalo entre unos 12 y 65 grados con
respecto a las superficies interiores planas 33 de las cubiertas de
extremo, y alineando las rampas 75 de orientación inversa en los
pasos de baja presión según un ángulo mayor, por ejemplo de
aproximadamente 45 a 80 grados, y/o haciendo las rampas mucho más
cortas (como se muestra en la figura 5), el rotor 15 continuaría
girando a sus RPM deseadas. Como se puede ver comparando las figuras
3 y 5, las rampas 75 son preferiblemente de longitud más corta que
las rampas 65, y no son preferiblemente mayores que la mitad de la
longitud de las rampas 65. Esta disposición alternativa continúa
proporcionando un mayor efecto de barrido/derrame en los canales 16
que están siendo llenados con el agua de mar a baja presión,
mientras proporciona también protección incorporada contra un
posible suceso de exceso de flujo a baja presión. Ello causaría
ahora simplemente una ligera reducción de la velocidad del rotor
originada de una fluctuación del caudal de agua de mar a baja
presión, como opuesta a un gran aumento potencial de velocidad que
podría dar lugar a una cavitación potencialmente destructiva en
aquellos dispositivos de transferencia de presión que utilizan
corrientes tanto de HP como LP para accionar el rotor.
Una ventaja más de una tal disposición
alternativa sería la posibilidad potencial de liberar un bloqueo sin
desmontar todo el dispositivo de transferencia de presión cuando
ocurriera tal bloqueo. En tal caso, si fuera suministrado un líquido
sólo a los pasos de entrada de baja presión, el resultado sería la
revolución del rotor en el sentido angular opuesto, por ejemplo en
sentido contrario a las agujas del reloj, en lugar de en el mismo
sentido de las agujas del reloj, y ello podría desalojar una
obstrucción potencial y eliminarla del dispositivo sin
desmontarlo.
En resumen, se considera que el concepto de usar
sólo el flujo de HP para accionar un rotor de un dispositivo
comercial de este tipo es nuevo y permite las ventajas señaladas con
respecto a la técnica anterior. Se considera que la novedad
adicional de utilizar rampas orientadas en sentido inverso en los
pasos de LP permite ventajas de control adicionales.
Aunque la invención ha sido descrita en términos
de realizaciones preferidas que constituyen el mejor modo conocido
por los inventores para realizar este concepto inventivo, se ha de
entender que resultaría evidente que una persona de conocimientos
ordinarios en esta técnica sería capaz de realizar diversos cambios
y modificaciones sin apartarse del alcance de la invención, el cual
se expone en las reivindicaciones adjuntas a esta memoria. Por
ejemplo, aunque el dispositivo ilustrado y descrito 11 utiliza
cubiertas de extremo cada una de las cuales tiene dos pasos de
entrada y dos pasos de salida, se ha de entender que, dependiendo de
la capacidad total del dispositivo, cada cubierta de extremo podría
ser diseñada sólo con uno de tales pasos o con tres o más de cada
uno de dichos pasos. De manera similar, aunque la descripción es la
de un rotor que gira alrededor de un estator central que proporciona
superficie de apoyo para la superficie interior cilíndrica del rotor
hueco, podría ser usado alternativamente el diseño más tradicional
en el que el rotor gira dentro de un manguito tubular
circundante.
Se ha de entender igualmente que no es en
absoluto limitativa la ilustración del rotor como provisto de una
pluralidad de canales generalmente en forma circular con bandas
intermedias, y que se podrían usar una diversidad de formas de canal
diferentes. Por ejemplo, las bandas del canal en forma circular
podrían ser eliminadas si se deseara, o se podrían usar canales de
una forma circular u otra sección transversal, como se muestra en la
Patente de Estados Unidos número 4.887.942.
En las reivindicaciones que siguen se exponen
características particulares de la invención.
Claims (14)
1. En un dispositivo de transferencia de presión
para transferir energía de presión desde un primer fluido a elevada
presión a un segundo fluido a presión inferior para proporcionar un
segundo fluido presurizado, cuyo dispositivo incluye:
- un rotor cilíndrico montado para girar alrededor de su eje geométrico y que tiene un par de caras extremas planas opuestas con al menos dos canales que se extienden axialmente a través de ellas entre aberturas situadas en dichas caras extremas planas; y
- un par de cubiertas de extremo opuestas que tienen superficies extremas axialmente hacia dentro y hacia fuera, acoplándose dichas superficies extremas hacia dentro, y aplicándose de manera deslizante y obturada, con dichas respectivas caras extremas opuestas del citado rotor,
- teniendo cada citada cubierta de extremo uno o más pasos de entrada y uno o más pasos de descarga que desembocan en las citadas superficies axialmente hacia dentro, estando dichas cubiertas de extremo opuestas alineadas de manera que cuando un canal del rotor se alinea con una abertura del paso de entrada en una de las citadas cubiertas de extremo, aquel también se alinea con una abertura del paso de descarga de la citada otra cubierta de extremo,
- estando dichas aberturas, de los pasos de entrada y de los pasos de descarga de la misma cubierta de extremo, aisladas entre sí durante el funcionamiento por una región de obturación en la interfaz entre la citada cara extrema del rotor y dicha superficie de cubierta de extremo,
- por lo que, como consecuencia del giro del citado rotor, cada uno de dichos canales del rotor es llevado, en secuencia alternante, a alineación parcial o total con una abertura de paso de entrada de alta presión de la citada una cubierta de extremo y una abertura de paso de descarga de alta presión en la citada otra cubierta de extremo y a continuación a alineación parcial o total con una abertura de paso de descarga de baja presión de la citada una cubierta de extremo y una abertura de paso de entrada de baja presión de la citada otra cubierta de extremo, de manera que cada uno de los citados canales es alternativamente suministrado con el primer fluido a elevada presión a través de la citada una cubierta de extremo y a continuación con el segundo fluido a través de dicha otra cubierta de extremo,
- la mejora que comprende rampas oblicuas en dichos pasos de entrada y de descarga de alta presión de dichas cubiertas de extremo, que originan flujo direccional de fluido de alta presión hacia dentro y fuera de los citados canales del rotor para proporcionar fuerza que hace que el citado rotor gire en un primer sentido angular, mientras que dichos pasos de entrada y de descarga de baja presión están desprovistos de cualquiera de las citadas rampas que podrían así dirigir flujo para proporcionar impulso añadido para hacer que el citado rotor gire en el primer sentido angular.
2. La mejora de acuerdo con la reivindicación 1,
en la que las citadas rampas oblicuas están orientadas según un
ángulo de entre 12 y 65 grados con respecto a dichas caras extremas
planas del rotor.
3. La mejora de acuerdo con la reivindicación 1,
en la que dichas rampas oblicuas están orientadas según un ángulo de
entre 12 y 30 grados con respecto a las citadas caras extremas
planas del rotor.
4. La mejora de acuerdo con la reivindicación 1,
en la que las ciadas rampas oblicuas están orientadas según un
ángulo de entre unos 18 grados y unos 24 grados con respecto a las
citadas caras extremas planas del rotor.
5. La mejora de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 4, en la que dichos pasos de baja presión
están conformados de manera que el fluido a baja presión fluye en
esencia axialmente hacia dentro y fuera de los citados canales del
rotor.
6. La mejora de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 4, en la que dichos pasos de entrada y de
descarga de baja presión incluyen rampas oblicuas orientadas en
sentido inverso, las cuales están orientadas según un ángulo mayor
con respecto a las citadas caras extremas planas del rotor que
dichas rampas oblicuas, de manera que la entrada y salida
direccionales de fluido en dichos pasos de baja presión retardan las
revoluciones del citado rotor en dicho primer sentido angular.
7. La mejora de acuerdo con la reivindicación 6,
en la que dichas rampas oblicuas inversas son de longitud menor que
las citadas rampas oblicuas.
8. En un dispositivo de transferencia de presión
para transferir energía de presión desde un primer fluido a elevada
presión a un segundo fluido a presión inferior para proporcionar un
segundo fluido presurizado, cuyo dispositivo incluye:
- un rotor cilíndrico montado para girar alrededor de su eje geométrico y que tiene un par de caras extremas planas opuestas con al menos dos canales que se extienden axialmente a través de ellas entre aberturas situadas en las citadas caras extremas planas; y
- un par de cubiertas de extremo opuestas que tienen superficies extremas axialmente hacia dentro y hacia fuera, acoplándose dichas superficies extremas hacia dentro, y aplicándose de manera deslizante y obturada, con las citadas respectivas caras extremas opuestas del citado rotor,
- teniendo cada una de las citadas cubiertas de extremo uno o más pasos de entrada y uno o más pasos de descarga que desembocan en las citadas superficies axialmente hacia dentro, estando dichas cubiertas de extremo opuestas alineadas angularmente de manera que cuando un citado canal de dicho rotor se alinea con una abertura de paso de entrada en una citada cubierta de extremo, aquel está también alineado con una abertura del paso de descarga de dicha otra cubierta de extremo,
- estando cada una de dichas aberturas de paso de entrada y cada una de dichas aberturas de paso de descarga de la citada misma cubierta de extremo constantemente aisladas entre sí durante la operación por medio de una región de obturación en la interfaz entre la citada cara extrema del rotor y la citada superficie de cubierta de extremo,
- por lo que, como consecuencia de la rotación del citado rotor, cada dicho canal es llevado, en secuencia alternante, a alineación parcial o total con una abertura de paso de entrada de alta presión de dicha una cubierta de extremo y una abertura de paso de descarga de alta presión de la citada otra cubierta de extremo y a continuación a alineación parcial o total con una abertura de paso de descarga de baja presión de la citada una cubierta de extremo y una abertura de paso de entrada de baja presión de la citada cubierta de extremo, de manera que cada canal citado es alternativamente suministrado con el primer fluido a elevada presión a través de la citada una cubierta de extremo y después con el segundo fluido a través de dicha otra cubierta de extremo,
- la mejora que comprende rampas oblicuas en dichos pasos de entrada y de descarga de alta presión de las citadas cubiertas de extremo, las cuales originan flujo direccional de fluido a elevada presión hacia dentro y fuera de los citados canales del rotor para proporcionar fuerza que hace que dicho rotor gire en un primer sentido angular, y rampas oblicuas inversas en dichos pasos de entrada y de descarga de baja presión que originan flujo direccional de fluido de baja presión hacia dentro y fuera de los citados canales del rotor, de un modo que tienden a retardar el giro del rotor en el primer sentido angular.
9. La mejora e acuerdo con la reivindicación 8,
en la que dichas rampas oblicuas inversas están orientadas según un
ángulo, con respecto a las citadas caras extremas planas del rotor,
mayor que el ángulo de orientación de las citadas rampas
oblicuas.
10. La mejora de acuerdo con la reivindicación 8
o la 9, en la que dichas rampas oblicuas inversas son de longitud
menor que las citadas rampas oblicuas.
11. La mejora de acuerdo con la reivindicación 8
o la 9, en la que las citadas rampas oblicuas están orientadas según
un ángulo de entre 12 y 65 grados con respecto a las citadas caras
extremas planas del
rotor.
rotor.
12. La mejora de acuerdo con la reivindicación 8
o la 9, en la que las citadas rampas oblicuas están orientadas según
un ángulo de entre 12 y 30 grados con respecto a las citadas caras
extremas planas del rotor.
13. La mejora de acuerdo con la reivindicación 8
o la 9, en la que dichas rampas oblicuas están orientadas según un
ángulo de entre unos 18 y unos 24 grados con respecto a las citadas
caras extremas planas del rotor.
14. La mejora de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 8 ó 9, en la que dichas rampas oblicuas inversas
están orientadas según un ángulo entre unos 45 y unos 80 grados.
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