ES2607078T3

ES2607078T3 - Aparato para eyectar material

Info

Publication number: ES2607078T3
Application number: ES11162137.1T
Authority: ES
Inventors: Andrew Mcintosh; Novid Beheshti
Original assignee: University of Leeds; University of Leeds Innovations Ltd
Current assignee: University of Leeds; University of Leeds Innovations Ltd
Priority date: 2005-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2026-09-26
Also published as: WO2007034229A1; CA2623358C; JP2009510322A; PL2189174T3; ES2392987T3; US8944173B2; PL1942995T3; DK1937333T3; EP1951380B1; JP2013230463A; JP2009509743A; DK1942995T3; EP2189174A1; CN101312760A; CN102896055A; US20110062249A1; CN103301591A; EP1942995B1; KR20080068676A; KR20130065736A

Abstract

Aparato para eyectar material, que comprende: una cámara de eyección (21) dispuesta para contener una porción de un líquido seleccionado; una válvula de entrada (23) dispuesta para abrirse selectivamente para de ese modo transferir líquido desde un depósito (403) a la cámara de eyección (21) y para cerrarse selectivamente para sellar la cámara de eyección (21) que contiene líquido; un elemento calentador (29) dispuesto en la cámara de eyección (21) o próximo a la cámara de eyección (21) y dispuesto para subir la temperatura y presión del líquido en la cámara de eyección sellada (21) a una temperatura sustancialmente igual o mayor que la temperatura de saturación del líquido a una presión aguas abajo de la válvula de salida (27); una válvula de salida (27) dispuesta para cerrarse selectivamente para sellar la cámara de eyección (21) durante el calentamiento del líquido y para abrirse selectivamente para eyectar material desde dicha cámara de eyección sellada (21) a través de la válvula de salida (27) luego a través de una región de cuello como vapor de líquido y/o líquido cuando la temperatura del líquido en la cámara de eyección es sustancialmente igual o mayor que la temperatura de saturación; y al menos un controlador dispuesto para controlar electrónicamente la apertura y cierre selectiva de la válvula de entrada y la válvula de salida, sobre la base de la presión en dicha cámara de eyección, dicha presión es supervisada por uno o más sensores de presión o de temperatura, por lo que, durante el uso, se eyecta líquido y/o vapor de líquido desde la cámara de eyección (21) mediante un proceso de explosión de vapor.

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

DESCRIPCION

Aparato para eyectar material Antecedentes

La presente invencion esta relacionada con un metodo y un aparato para eyectar masa objetivo. En particular, pero no exclusivamente, la presente invencion proporciona un metodo y un aparato para que un dispositivo de eyeccion rapida de masa pueda eyectar Kquido y/o vapor de lfquido rapidamente y a distancias relativamente largas desde una camara de eyeccion en la que se almacena una cantidad del lfquido. Todav^a mas particularmente, pero no exclusivamente, la presente invencion esta relacionada con un extintor de fuego y un metodo para la extincion de fuegos.

Existe la necesidad de dispositivos de eyeccion de masa en una serie de industrias. Es decir, dispositivos que enviaran una pulverizacion de lfquido y vapor de lfquido con una tasa fija o variable y a una distancia deseada. Preferiblemente existe la necesidad de que una pulverizacion de lfquido y vapor de lfquido se produzca con una tasa rapida y a una gran distancia. En tales sistemas el termino "alcance" se refiere a menudo a una caractenstica de una pulverizacion. El alcance del material se define como la distancia recorrida dividida por la longitud de una camara desde la que se eyecta la pulverizacion.

Se conocen diversos ejemplos de dispositivos de eyeccion de masa tal como los extintores de fuegos, impresoras de chorro de tinta, encendedores de bolsas de aire (airbags), inyectores de combustible para motores y turbinas de gas, etc. En cada uno de estos hay problemas espedficos asociados con el dispositivo en cuestion, sin embargo, para cada tecnologfa aplicada hay un continuo deseo de ser capaces de eyectar lfquido y vapor de lfquido rapidamente y a una gran distancia. Un dispositivo de eyeccion de masa se describe en la patente europea EP 1 061 246 A2.

A modo de ejemplo de un problema espedfico de una aplicacion de sistemas de eyeccion de masa, se hace referencia a un re-encendedor de turbina de gas. En el encendedor de una turbina de gas, la solucion convencional para re-encender el gas en una camara de combustion es la de hacer pasar una corriente entre dos electrodos de un re-encendedor y crear, durante un corto tiempo, una mezcla de radicales cargados electricamente. Esto se ilustra mas claramente en la Figura 1, en la que se muestra un re-encendedor convencional 10 que incluye un electrodo exterior 11 que tiene forma generalmente cilmdrica con una pastilla ubicada internamente 12. Un electrodo central 13 esta ubicado dentro de la pastilla y mediante el paso de una corriente entre los dos electrodos 11, 13 una mezcla de radicales cargados electricamente (esto es cuando las moleculas de gas se dividen temporalmente en componentes cargados que se conocen como un plasma). Este plasma solo dura una fraccion de segundo antes de la recombinacion y perdida de su carga. La carga se utiliza entonces para encender la combustion en una camara de combustion principal del motor principal. Un problema con este tipo conocido de re-encendedores es obtener la mezcla que va a ser eyectada como material eyectado a traves del orificio de salida 14 lo suficientemente lejos y que permanezca cargada el tiempo suficiente para realizar su funcion objetivo. El material eyectado 15 ha sido utilizado para encender el queroseno u otros combustibles habituales de motores de turbina de gas.

A modo de ejemplo adicional de un problema espedfico de una aplicacion de sistemas de eyeccion de masa, se hace referencia a un extintor de fuegos. Un extintor de fuegos convencional, ya sea un sistema rociador fijo o un dispositivo de mano, eyectara agua presurizada forzada a traves de una tobera. El problema con este metodo para suprimir y extinguir fuegos es que generalmente se necesitan grandes cantidades de agua, y las grandes cantidades de agua pueden ser muy perjudiciales para el ambiente en el que el fuego ha estallado. Ademas, es necesario proporcionar rapidamente una extincion cuando se toma una decision. Tambien el despliegue del extintor debe ser dirigido ya sea en general o en una o mas direcciones espedficas.

Compendio de la invencion

Una intencion de la presente invencion es por lo menos mitigar los problemas mencionados.

Una intencion de realizaciones de la presente invencion es proporcionar un aparato y un metodo para eyectar material por los que se eyectan lfquido y vapor de lfquido desde una camara, el material eyectado tiene caractensticas deseables tales como velocidad de eyeccion y distancia recorrida por el material eyectado.

Segun un primer aspecto de la presente invencion, se proporciona un aparato como se describe en la reivindicacion 1.

Segun un segundo aspecto de la presente invencion, se proporciona un metodo como se describe en la reivindicacion 5.

Breve descripcion de los dibujos

En adelante en esta memoria se describiran unas realizaciones de la presente invencion, solo a modo de ejemplo, haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La Figura 1 ilustra un re-encendedor de turbina de gas de la tecnica anterior;

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

La Figura 2 ilustra un aparato para eyectar material;

La Figura 3 ilustra una realizacion alternativa de un aparato para eyectar material;

La Figura 4 ilustra una realizacion alternativa adicional de un aparato para eyectar material;

La Figura 22 ilustra como pueden conformarse las camaras de las diversas realizaciones descritas.

Descripcion detallada

En los dibujos los numeros de referencia semejantes se refieren a partes semejantes.

La Figura 2 ilustra un sistema de eyeccion 20 para eyectar lfquido y vapor de lfquido por medio de un proceso de explosion de vapor segun una realizacion de la presente invencion. Una camara de eyeccion 21 se forma con una forma generalmente cilmdrica de un material tal como el acero u otro material ngido que sea capaz de soportar grandes cambios de presion y temperatura. Se entendera que realizaciones de la presente invencion no se limitan a camaras de combustion que tienen esta forma espedfica, ni ciertamente a camaras de combustion formadas de acero. En la primera region extrema de la camara 21, expresada por el numero de referencia 22, hay ubicada una valvula de entrada 23 para permitir que un lfquido seleccionado, tal como agua, entre a la region central 24 de la camara a traves de un tubo de entrada asociado 25. En una region extrema adicional 26 de la camara 21 hay ubicada una valvula de salida 27, que se abre para permitir que el material sea eyectado desde la region 24 de camara a traves de una region 28 de tobera.

Un elemento de calentamiento 29 es proporcionado por un calentador electrico ubicado en la camara de eyeccion. El calentador electrico esta conectado a una fuente de alimentacion (no se muestra) de modo que cuando se enciende el calentador funciona para calentar un cuerpo de lfquido ubicado en la region 24 de la camara.

Como se muestra en la Figura 2, la presion de un lfquido en la region central 24 de la camara podra ser aumentada

por el calentamiento del lfquido en ella. Antes de esta fase la valvula de salida 27 esta cerrada para evitar la salida del lfquido. La valvula de entrada 23 se abre para permitir que el agua lfquida entre en la camara hasta que la

camara esta llena o contenga una cantidad predeterminada de lfquido. La valvula de entrada se cierra a

continuacion sellando el cuerpo de lfquido ubicado de ese modo en la camara. El elemento calentador funciona luego para calentar el lfquido. Como resultado de esto el lfquido se expande debido a la expansion termica elevando la presion del lfquido dentro de la camara. Al calentar el agua la presion en la camara por lo tanto se eleva. Tambien, la temperatura se eleva. La valvula de salida se controla de modo que la valvula "sopla" de modo que se abra a una presion predefinida/predeterminada. La presion puede ser controlada por uno o mas sensores de presion tales como transductores de presion ubicados en la camara o cerca de la camara. El agua u otro lfquido en la camara, de este modo, es calentada por un elemento electrico (como si fuera un hervidor electrico) y luego se eleva a una temperatura de ebullicion muy por encima de su temperatura de ebullicion a presion atmosferica. El punto de ebullicion representa un punto de saturacion y se apreciara que esto se determina por la relacion entre presion y temperatura del lfquido utilizado en particular. Es una ventaja que el lfquido en la camara de eyeccion este proximo, igual o superior a su punto de saturacion a una presion que es la presion aguas abajo de la valvula de salida de la camara. La temperatura se eleva por encima de la temperatura de ebullicion a presion atmosferica debido a que el agua se mantiene en la camara por una valvula de entrada que se cierra antes de que el agua sea calentada y una valvula de salida que solo permite la liberacion una vez que el sistema haya llegado a una presion determinada. A esta presion y temperatura, que se podna denominar como una presion de disparo y temperatura de disparo, respectivamente, la valvula sopla de forma similar a una olla a presion. Entonces tiene lugar una explosion de vapor que provoca que una combinacion de lfquido y vapor de lfquido (si el lfquido es agua el vapor de lfquido sena vapor de agua) salgan desde la camara. Cuando la valvula de salida se abre la mezcla de agua y vapor de agua es eyectada a traves de la abertura 28.

Cuando la valvula de salida se abre inicialmente una primera fase que sera eyectada esta en una fase lfquida en forma de lfquido dispersado en forma de pulverizacion. Esta eyeccion se produce en cuestion de microsegundos despues de la apertura de la valvula de salida. Esta eyeccion extremadamente rapida de lfquido tiene ventajas particulares. Unos pocos microsegundos mas tarde se eyecta una mezcla de lfquido y vapor de lfquido. Algunos microsegundos despues se eyecta una mezcla que contiene un poco menos lfquido y mas vapor.

Sin embargo, esta descarga de lfquido inicial puede ser alterada o eliminada totalmente cuando se utilizan temperaturas mas altas de disparo para la misma presion ambiental. Por otro lado bajar la temperatura de disparo puede dar lugar a situaciones en las que practicamente solo se eyecta lfquido atomizado. De esta manera, la proporcion de lfquido y vapor puede seleccionarse variando uno o mas parametros asociados con la camara de eyeccion. Variar selectivamente uno o mas parametros tal como la temperatura o la presion tambien puede utilizarse para controlar selectivamente el tamano de gota en el material eyectado.

A medida que el material se eyecta desde la camara de eyeccion, la presion baja. Cuando la presion ha cafdo de nuevo a una presion ambiente o segunda predeterminada, a la que podna denominarse presion de cierre, la valvula de salida se cierra y la valvula de entrada se abre de nuevo para introducir nuevo material lfquido a la camara. Esto reinicia el ciclo. En consecuencia un ciclo repetido de mezcla de vapor de agua/agua u otro lfquido/vapor de lfquido

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

se expulsa desde la salida una vez se genera suficiente presion por calentamiento del nuevo suministro de agua tiquida.

El tamano de la camara puede variar y puede, por ejemplo, ser de menos de un centimetre de diametro. Por ejemplo, la camara puede ser incluso de diametro de nano tamano a mm.

Como alternativa, la camara puede ser de un metro o mas de diametro. Se apreciara que a medida que aumenta el tamano de la camara, la frecuencia de los estallidos se reducira ya que el tiempo que se tarda en aumentar la presion aumentara apropiadamente. Se entendera que a medida que el tamano de la camara aumenta segun usos espedficos, se necesitaran bombas y/o valvulas mas grandes.

Preferiblemente las valvulas de entrada pueden ser controladas para maximizar la proporcion de tiquido eyectado desde la camara. Esto puede lograrse seleccionando el diametro del orificio de entrada para que sea casi igual o igual al del orificio de escape o de salida, esto debe garantizar que no entra demasiado tiquido a la camara.

La figura 3 ilustra una realizacion alternativa del aparato de eyeccion que comparte muchos rasgos en comun con las realizaciones mostradas en la figura 2. La realizacion de la presente invencion ilustrada en la Figura 3 utiliza un intercambiador de calor 30 que encierra una parte de pared lateral de la camara para calentar el tiquido en la camara. Esta manera de calentar tiquido es particularmente ventajosa cuando el tiquido eyectado no es agua sino un combustible que posteriormente quemado se quema. La generacion de este calor en una ubicacion aguas abajo de la valvula de salida se puede utilizar para calentar los intercambiadores de calor y, de este modo, calentar el tiquido en la camara.

Para permitir una recarga mas rapida de tiquido en la camara, puede anadirse un orificio de retorno y una valvula a la camara como se muestra en la Figura 4. El orificio de retorno y la valvula 401 permiten que parte del tiquido y vapor en la camara 402 retornen al deposito 403 cuando la valvula de entrada 404 se abre para su reposicion. La adicion del orificio de retorno y la valvula 401 debe ayudar a que haya suficiente tiquido fresco que se sumara a la camara 402 para compensar la masa eyectada y por lo tanto evitar la falta de tiquido en la camara 402 despues de eyecciones consecutivas. En el caso de uso de tubenas (tal como con los rociadores contra fuegos) como deposito, el orificio de retorno 406 conectado a la valvula de retorno 401 puede ser conectado a unas tubenas diferentes a una presion inferior a la de las tubenas de suministro 403 y preferiblemente a presion ambiental.

En una realizacion de la presente invencion, puede utilizarse una camara que tiene un diametro interno de 25 mm y una longitud de 32 mm. Dos o mas calentadores independientes pueden insertarse en la camara. El primero, una bobina helicoidal ubicada cerca de las paredes de la camara con una longitud de 28 mm, diametro exterior de 21 mm y un diametro interno de 15 mm y potencia de 500 W. El segundo, un calentador de cartucho ubicado cerca del centro de la camara con una longitud de 25 mm, diametro de 1 cm y potencia de 200 W. Con estas especificaciones, son posibles eyecciones repetitivas de vapor de agua/agua pulverizada de hasta 5 Hz. Las frecuencias mas altas se traducinan en un chorro sin atomizar de tiquido puro dado que el agua fna alimentada a la camara para la recarga despues de cada estallido no tiene tiempo suficiente para ser calentada por esta energfa termica por encima del punto de ebullicion. El deposito puede, por lo tanto, mantenerse a una temperatura superior, por ejemplo, aproximadamente 75 °C para acortar el calor en la camara entre eyecciones, y, en consecuencia, permitir un aumento en la frecuencia de eyecciones.

La Figura 22 ilustra una camara 2200 de explosion de tiquido y vapor de tiquido que puede utilizarse segun cualquiera de las realizaciones descritas anteriormente. Se entendera que realizaciones de la presente invencion no se limitan al uso con camaras de eyeccion con forma substancialmente citindrica. En cambio, pueden utilizarse camaras con formas inusuales o formas esfericas o, como en el caso de la Figura 22, con forma de corazon que tienen una valvula de entrada 2201, una valvula de salida 2202 y un elemento de calentador 2203.

Unas realizaciones de la presente invencion proporcionan tecnologfa fundamental relativa a la utilizacion de una camara de eyeccion que eyecta material objetivo a traves de un proceso de explosion de vapor. Al eyectar material a traves de un proceso explosivo la distancia atravesada por la pulverizacion de tiquido y vapor de tiquido es notablemente mayor con respecto a sistemas de eyeccion conocidos. Tambien la eyeccion se produce muy rapidamente y con una pequena camara en el orden de decenas de microsegundos.

Segun realizaciones de la presente invencion, la presion en la camara se incrementa calentando el tiquido en ella. El tiquido se expande debido a la expansion termica y por lo tanto proporciona una mayor presion. El calentamiento se logra mediante un elemento de calentamiento electrico o por otros medios, tales como intercambiadores de calor que transfieren el calor desde una fuente de calor local al tiquido.

En el caso de utilizar el agua como un tiquido de trabajo, se pueden lograr velocidades de hasta 20 metros por segundo, desde una camara de justo menos de 1 mm de tamano, con una presion de la camara de 1,1 bar e inyectando en el ambiente por ejemplo presion atmosferica (1,0 bar). En el caso de que se utilice un combustible tiquido de hidrocarburo, pueden lograrse velocidades de hasta 100 metros por segundo desde una camara de aproximadamente 2 cm de tamano y bajo una presion de 10 bar inyectando en una camara de combustion a 6 bar (en otras palabras una diferencia de presion de 1 bar entre la camara de eyeccion y una camara de combustion adyacente).

Las valvulas de entrada y salida son controladas electronicamente en funcion de la presion en los diversos vasos que pueden ser supervisados y medidos facilmente mediante uno o mas sensores tales como transductores de presion. Cuando se alcanza una determinada presion en el vaso, la valvula de salida se abrira y cuando cae por debajo de un segundo valor determinado la valvula se cierra. Para la valvula de entrada esta se puede abrir y cerrar 5 cuando en la camara se alcanzan ciertas presiones de lfmite superior y de lfmite inferior o podna abrirse y cerrarse de manera inversa con respecto a la valvula de salida. Es decir, cuando la valvula de salida se abre la valvula de entrada sena controlada para cerrarse y cuando la valvula de salida se cierra la valvula de entrada se abrina.

En toda la descripcion y las reivindicaciones de esta memoria descriptiva, las palabras "comprender" y "contener" y las variaciones de las palabras, por ejemplo, "que comprende" y "comprende", significan "incluir, pero sin estar 10 limitado", y no se pretende excluir (y no lo hace) otras fracciones, aditivos, componentes, enteros o etapas.

Por toda la descripcion y las reivindicaciones de esta memoria descriptiva, el singular abarca el plural a menos que el contexto lo requiera de otro modo. En particular, cuando se utiliza el artfculo indefinido, debe entenderse que la memoria descriptiva contempla la pluralidad asf como la singularidad, a menos que el contexto lo requiera de otro modo.

15

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

45

REIVINDICACIONES

1. Aparato para eyectar material, que comprende:

una camara de eyeccion (21) dispuesta para contener una porcion de un Uquido seleccionado;

una valvula de entrada (23) dispuesta para abrirse selectivamente para de ese modo transferir Kquido desde un deposito (403) a la camara de eyeccion (21) y para cerrarse selectivamente para sellar la camara de eyeccion (21) que contiene lfquido;

un elemento calentador (29) dispuesto en la camara de eyeccion (21) o proximo a la camara de eyeccion (21) y dispuesto para subir la temperatura y presion del lfquido en la camara de eyeccion sellada (21) a una temperatura sustancialmente igual o mayor que la temperatura de saturacion del lfquido a una presion aguas abajo de la valvula de salida (27);

una valvula de salida (27) dispuesta para cerrarse selectivamente para sellar la camara de eyeccion (21) durante el calentamiento del lfquido y para abrirse selectivamente para eyectar material desde dicha camara de eyeccion sellada (21) a traves de la valvula de salida (27) luego a traves de una region de cuello como vapor de lfquido y/o lfquido cuando la temperatura del lfquido en la camara de eyeccion es sustancialmente igual o mayor que la temperatura de saturacion; y

al menos un controlador dispuesto para controlar electronicamente la apertura y cierre selectiva de la valvula de entrada y la valvula de salida, sobre la base de la presion en dicha camara de eyeccion, dicha presion es supervisada por uno o mas sensores de presion o de temperatura,

por lo que, durante el uso, se eyecta lfquido y/o vapor de lfquido desde la camara de eyeccion (21) mediante un proceso de explosion de vapor.
2. El aparato segun cualquier reivindicacion anterior, que comprende ademas:

al menos un sensor para determinar cuando se alcanza al temperatura de saturacion.
3. El aparato segun cualquier reivindicacion anterior, en donde:

la valvula de entrada se dispone para abrirse selectivamente para permitir que se introduzca lfquido a la camara de eyeccion despues de que material de la camara sea eyectado previamente por medio de la apertura de la valvula de salida.
4. El aparato segun cualquier reivindicacion anterior, que comprende ademas un orificio de retorno y una valvula dispuesta para permitir que material de la camara de eyeccion sea transferido a un deposito.
5. Un metodo para eyectar material que comprende:

proporcionar una camara de eyeccion (21) dispuesta para contener una porcion de un lfquido seleccionado; cerrar selectivamente una valvula de salida (27) de la camara de eyeccion (21),

abrir selectivamente una valvula de entrada (23) para transferir una parte del lfquido desde un deposito (403) a la camara de eyeccion (21) y para cerrar la valvula de entrada (23) para sellar la camara de eyeccion (21) que contiene el lfquido;

aumentar la presion del lfquido en la camara de eyeccion por calentamiento del lfquido en la camara de eyeccion sellada (21) por medio de un elemento calentador dispuesto en o proximo a la camara de eyeccion a una temperatura sustancialmente igual o mayor que la temperatura de saturacion del lfquido a una presion aguas abajo de la valvula de salida (27);

supervisar la presion en la camara de eyeccion (21) mediante por lo menos un sensor de presion o de temperatura;

controlar electronicamente las valvulas de entrada y de salida (23, 27) sobre la base de la presion en la camara de eyeccion (21);

abrir selectivamente la valvula de salida (27) de la camara de eyeccion (21) cuando la temperatura del lfquido en la camara de eyeccion (21) es sustancialmente igual o mayor que la temperatura de saturacion; y

eyectar vapor de lfquido y/o lfquido desde la camara de eyeccion (21) por medio de la valvula de salida (27) y luego a traves de una region de cuello mediante un proceso de explosion de vapor.
6. El metodo segun la reivindicacion 5, que comprende ademas:

supervisar la temperatura de saturacion en la camara de eyeccion por medio de por lo menos un sensor.
7. El metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 5 a 6, que comprende ademas:

despues de la eyeccion del vapor de Ifquido y/o Ifquido desde la camara de eyeccion, cerrar selectivamente la valvula de salida, y abrir selectivamente la valvula de entrada para permitir que se introduzca lfquido en la camara de eyeccion.

5 8. El metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, que comprende ademas transferir material desde la

camara de eyeccion a un deposito por medio de un orificio de retorno y una valvula.
9. El metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8, que comprende ademas:

precalentar lfquido suministrado a la valvula de entrada antes de la entrada del lfquido a la camara de eyeccion.