ES2615931T3 - Homogeneizador de alta presión - Google Patents

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ES2615931T3 ES13824383.7T ES13824383T ES2615931T3 ES 2615931 T3 ES2615931 T3 ES 2615931T3 ES 13824383 T ES13824383 T ES 13824383T ES 2615931 T3 ES2615931 T3 ES 2615931T3
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Massimiliano Benassi
Michele BOTTIONI
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GEA Mechanical Equipment Italia SpA
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Abstract

Homogeneizador de alta presión, que comprende: - una pluralidad de pistones (2a, 2b) de bombeo, para alimentar un líquido a homogeneizar hacia un colector (6); y - una válvula de homogeneización situada aguas abajo de dichos pistones (2a, 2b) de bombeo para recibir dicho líquido a homogeneizar que es bombeado al colector (6); - un sistema (5) electrónico de regulación para controlar y regular dichos pistones (2a, 2b) de bombeo, que controla la ley de movimiento de cada pistón (2a, 2b) individual independientemente; caracterizado porque dicho sistema (5) de regulación electrónica está conectado a un transductor colocado en el colector (6) y permite la distribución de aceite a los cilindros (3a, 3b) individuales de los pistones (2a, 2b) correspondientes a regular de acuerdo con la presión, detectada en el colector (6), del líquido a homogeneizar bombeado por dichos pistones (2a, 2b) con el fin de mantener un caudal y una presión estables, permitiendo modificar los parámetros funcionales de una válvula proporcional de aire comprimido que acciona un cilindro neumático que acciona una parte móvil de la válvula homogeneizadora, de manera que el punto de ajuste de presión fijo puede ser ajustado también independientemente del caudal de acuerdo con el valor de presión detectado en el colector (6), también independientemente del caudal, teniendo los pistones (2a, 2b) individuales estados transitorios de elevación/reducción contándose menos de 15 por minuto.

Description

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DESCRIPCION
Homogeneizador de alta presion CAMPO TECNICO
La presente invencion se refiere a un homogeneizador de alta presion.
ANTECEDENTES DE LA TECNICA
Como es bien sabido, en el campo del tratamiento de fluidos a alta presion, en particular con respecto a aplicaciones de micronizacion en emulsion, estabilizacion de dispersiones y rotura/desintegracion celular controlada de un fluido, se usan frecuentemente dispositivos denominados homogeneizadores. Tales dispositivos comprenden generalmente una bomba con pistones que se mueven con movimiento alterno por medio de un ciguenal (o arbol de levas), son sincronicas y mutuamente desplazadas por un angulo de 360°/n, donde n es el numero de pistones de bombeo que se mueven y elevan la presion del fluido dentro de la parte de procesamiento de la maquina (el numero de pistones oscila generalmente entre uno y un maximo de ocho pistones).
En particular, los homogeneizadores comprenden una valvula ajustable (llamada valvula de homogeneizacion), que efectua un paso forzado del fluido a tratar desde una zona de alta presion a una zona de baja presion, o en cualquier caso una de menor presion. La bomba de piston esta situada aguas arriba de la valvula y es accionada por un motor electrico que mueve el ciguenal.
Interpuesto entre el motor y la bomba hay tambien una unidad de engranaje reductora que consiste en un sistema de poleas y, en su caso, un eje paralelo o un sistema de engranajes reductores epicicloidales.
Esta cadena cinematica sirve para convertir el movimiento rotativo del eje en movimiento alterno rectilmeo, transmitiendolo ngidamente a los pistones de la bomba.
Cada piston genera asf una accion de compresion pulsante sobre el fluido a tratar. Las pulsaciones de piston individuales se combinan entre sf (en relacion con el desplazamiento fijo introducido por los angulos relativos entre las diversas manivelas del ciguenal) en un colector, generando una unica pulsacion resultante que es sentida directamente por la valvula homogeneizadora.
Cada piston de bombeo genera, en su propia camara de compresion, una presion pulsante que va de 0 a pmax bar, donde pmax = valor maximo para el que esta configurada la maquina, que puede ser incluso superior a 2000 bares.
Si el homogeneizador esta equipado con un solo piston, toda la pulsacion 0-pmax tambien se siente de la misma manera por la valvula homogeneizadora y por los elementos (por ejemplo, transductor) aguas abajo de las valvulas de bombeo.
En el caso de una pluralidad de pistones, la amplitud de las pulsaciones resultantes se amortigua en comparacion con el caso de las bombas que consisten en un unico piston, pero se percibe, no obstante, aguas abajo de la bomba. Ademas, el ciguenal (o arbol de levas) esta construido con angulos fijos relativos entre las manivelas y, por lo tanto, el desplazamiento entre las pulsaciones tambien permanece fijo. En consecuencia, la pulsacion resultante, aunque amortiguada, nunca se elimina, sino que permanece siempre constante.
Sin embargo, los homogeneizadores conocidos descritos anteriormente presentan una serie de desventajas, ligadas principalmente al ciclo de vida de los componentes individuales.
De hecho, la presion y el flujo pulsante del fluido producen impactos potenciales considerables contra las partes mecanicas moviles de la valvula homogeneizadora.
Estos impactos, que afectan al elemento movil respectivo de la valvula que trabaja a distancias axiales cortas con relacion al elemento fijo, tienden a danar toda la estructura de la valvula, especialmente en las fases de pico mas bajo de las pulsaciones.
Ademas, la accion de bombeo somete los componentes individuales sometidos a pulsaciones a un ciclo de carga de fatiga que da lugar a una reduccion considerable del ciclo de vida de tales componentes.
El desgaste de los componentes (que determina su ciclo de vida) es directamente proporcional a las rpm del ciguenal (frecuencia de pulsacion) ya las presiones de bombeo de fluido.
Por esta razon, a altas prestaciones de funcionamiento (velocidad de bombeo y presion) todos los componentes que cooperan en la compresion tendran un ciclo de vida muy corto.
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El documento US 6827479 describe una valvula de tobera con una geometna fija y un sistema para controlar las velocidades de avance de los pistones hidraulicos de aceite, en donde el control de las velocidades de desplazamiento del piston regula directamente la presion (sin tener libertad de accion sobre las ultimas). En terminos practicos, una vez fijada la velocidad de avance de los pistones (ley de movimiento y, por tanto, caudal), la presion de homogeneizacion se fija automaticamente y el sistema tiene sustancialmente solo un grado de libertad.
DIVULGACION DE LA INVENCION
En este contexto, la tarea tecnica en la base de la presente invencion es proponer un homogeneizador que supere los inconvenientes antes mencionados de la tecnica anterior.
En particular, un objeto de la presente invencion es proporcionar un homogeneizador que se pueda utilizar a altas presiones, al mismo tiempo que se minimizan los efectos mecanicos que contribuyen a reducir el ciclo de vida de los componentes individuales que cooperan en las operaciones de bombeo.
En particular, un objeto de la presente invencion es proporcionar un homogeneizador capaz de eliminar el efecto de bombeo pulsante con el fin de reducir las tensiones que dan lugar a danos a la valvula homogeneizadora y a los componentes antes mencionados.
La tarea tecnica indicada y los objetos especificados se consiguen sustancialmente mediante el homogeneizador de la presente invencion, que comprende las caractensticas tecnicas expuestas en una o mas de las reivindicaciones adjuntas.
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
Caractensticas y ventajas adicionales de la presente invencion seran mas evidentes a partir de la descripcion aproximada y, por lo tanto, no restrictiva de una realizacion preferida pero no exclusiva de un homogeneizador, como se ilustra en los dibujos adjuntos, en los que:
- la figura 1 ilustra una vista esquematica de un esquema operativo de los elementos que realizan la accion de bombear un fluido a homogeneizar; y
- la figura 2 ilustra un esquema de bloques del ciclo operativo de las acciones de bombeo de un fluido a homogeneizar;
- la figura 3 ilustra un esquema de control de realimentacion del homogeneizador.
Con referencia a las figuras esquematicas adjuntas, 1 indica globalmente un homogeneizador de alta presion. DESCRIPCION DETALLADA DE REALIZACIONES PREFERIDAS DE LA INVENCION
El homogeneizador comprende una pluralidad de pistones 2a, 2b de bombeo, cada uno de los cuales esta configurado para bombear el lfquido a homogeneizar alimentandolo hacia un colector unico 6 para recoger el lfquido bombeado.
Debe tenerse en cuenta que en lo sucesivo en la presente descripcion se hara referencia, unicamente a modo de ejemplo no limitativo, a solo dos cilindros 3a, 3b individuales. Sin embargo, puede haber cualquier numero de cilindros, y por lo tanto de pistones correspondientes, dependiendo del tipo de homogeneizador, aplicacion y caudal del lfquido a homogeneizar.
Colocada en el colector 6 hay una valvula de homogeneizacion (no descrita o ilustrada, ya que es de un tipo conocido), que recibe el lfquido a homogeneizar. El lfquido que entra en la valvula tiene un valor de presion y caudal determinado por la accion de los pistones 2a, 2b de bombeo anteriormente mencionados.
Preferentemente, cada piston 2a, 2b esta asociado con un correspondiente cilindro 3a, 3b hidraulico de aceite.
Ventajosamente, el homogeneizador 1 comprende una pluralidad de cilindros 3a, 3b hidraulicos de aceite, cada uno de los cuales esta dotado de un correspondiente piston 2a, 2b de bombeo.
Cada cilindro 3a, 3b hidraulico de aceite comprende un circuito hidraulico respectivo que tiene una valvula proporcional para suministrar aceite al cilindro 3a, 3b.
El circuito hidraulico hace posible gobernar la ley de movimiento alternativo de cada cilindro 3a, 3b individual y por lo tanto de cada piston 2a, 2b correspondiente a traves del suministro de aceite controlado por las valvulas proporcionales de aceite.
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De hecho, las valvulas proporcionales, que no se describen e ilustran ya que son de un tipo conocido, regulan la presion y el caudal de aceite a los cilindros 3a, 3b individuales y por lo tanto el empuje y la velocidad de desplazamiento de los respectivos pistones 2a, 2b
El homogeneizador 1 comprende ademas un sistema 5 electronico para controlar y regular los pistones 2a, 2b de bombeo para controlar la ley de movimiento de cada piston 2a, 2b individual independientemente.
En particular, tal como se ilustra en el esquema de la figura 2, El sistema 5 electronico de control y regulacion esta conectado a las valvulas proporcionales de los respectivos cilindros 3a, 3b hidraulicos de aceite para regular la presion y el caudal de aceite a los cilindros individuales (y por lo tanto el empuje y la velocidad de desplazamiento del mismo y consecuentemente el de los pistones de bombeo). Ventajosamente, el sistema 5 esta igualmente conectado a un transductor colocado sobre el colector 6 con el fin de verificar los valores de presion del lfquido a homogeneizar que es bombeado por los pistones 2a, 2b. De esta manera, los parametros funcionales de la valvula proporcional se modifican ajustando el suministro de aceite a los cilindros 3a, 3b individuales de acuerdo con la presion detectada en el colector 6, con el fin de mantener un caudal y una presion estables.
Estando conectado al transductor colocado sobre el colector 6 con el fin de verificar los valores de presion del lfquido a homogeneizar que es bombeado por los pistones 2a, 2b, el sistema 5 hace posible modificar los parametros funcionales de una valvula proporcional de aire comprimido que acciona un cilindro neumatico que acciona una parte movil de la valvula de homogeneizacion, permitiendo asf que el punto de ajuste de presion fijo se ajuste segun el valor de presion detectado en el colector 6, tambien independientemente del caudal.
A diferencia del documento US 6827479, en la presente invencion la homogeneizacion tiene lugar a traves de una valvula de homogeneizacion con una geometna variable que se regula por medio de un sistema de realimentacion controlado por el mismo software (perteneciente al sistema 5 electronico) que tambien regula la velocidad de avance de los pistones de bombeo hidraulicos de aceite. Una vez fijada la velocidad de desplazamiento de los pistones (ley de movimiento, caudal), existe todavfa libertad para fijar el valor de presion: el sistema tiene dos grados de libertad que se pueden gestionar independientemente (caudal y presion), haciendo posible tener cualquier combinacion de presion y caudal y un patron estable en el mismo.
En el documento US 6827479, a medida que la velocidad del piston aumenta (disminuye), la presion de homogeneizacion tambien aumenta (disminuye) respectivamente, mientras que en la presente invencion se encuentra el esquema innovador de la figura 3, por lo que cuando la velocidad del piston aumenta, es posible tener una presion de homogeneizacion creciente o decreciente, y cuando la velocidad del piston disminuye, es posible tener una presion de homogeneizacion creciente o decreciente.
El mismo tipo de ajuste tambien puede producirse en un modo completamente manual.
Con referencia a la figura 1, debe observarse que los cilindros 3a, 3b hidraulicos individuales tienen un patron de impulsos como se ilustra en los graficos 4a, 4b. El patron de los cilindros 3a, 3b esta ajustado de tal manera que escalona el movimiento de los pistones 2a, 2b individuales. En otras palabras, un primer piston 2a (que suministra el producto) aumenta gradualmente su velocidad, aumentando de ese modo el caudal (grafico 4a). El primer piston 2a alcanza una velocidad maxima que se mantiene durante un penodo dado y cuando esta casi al final de su carrera comienza la rampa descendente hasta alcanzar cero. En esta fase descendente, un segundo piston 3b (que se succiona al retroceder) comienza simultaneamente su rampa ascendente (grafico 4b) con la misma pendiente que la cafda del primer piston 2a.
Este desplazamiento de fase, controlable por separado por el sistema 5 electronico para cada cilindro 3a, 3b (y por lo tanto para cada piston 2a, 2b), define una suma de velocidades y, por tanto, un caudal constante indicado por el patron 7 (grafico 4c). En el caso de ejemplo descrito e ilustrado anteriormente hay solamente dos cilindros 3a, 3b, que estan coordinados para definir la resultante 7 anteriormente mencionada. Sin embargo, en el caso de multiples cilindros (mas de dos), los movimientos alternados individuales de los pistones 2a, 2b son regulados por el sistema 5 de tal manera que eliminan los estados transitorios entre las rampas ascendente y descendente, eliminando asf el efecto pulsante resultante.
El lfquido de homogeneizacion se bombea por tanto hacia la valvula de homogeneizacion a una velocidad de flujo constante, lo que significa una presion de homogeneizacion constante, excepto durante una fase transitoria inicial, de manera que se alcanza uno de los objetivos preestablecidos.
Ventajosamente, el sistema 5 regula de forma independiente las valvulas proporcionales individuales de los circuitos hidraulicos de cada cilindro 3a, 3b, evitando asf el problema de tener un movimiento pulsante resultante y un desplazamiento de fase fijo entre los diversos pistones.
En otras palabras, creando una ley de movimiento apropiada para cada piston y combinandola de acuerdo con un desplazamiento de fase establecido en un programa de software operativo del sistema 5 electronico, se puede generar asf una combinacion de caudales en el colector 6 para asegurar una suma constante de los propios
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caudales (resultante 7) y por lo tanto una presion igualmente constante. Ademas, es posible modificar los desplazamientos de fase cuando hay una variacion en la viscosidad del producto lfquido a homogeneizar y la presion de entrada de los cilindros 3a, 3b.
Por lo tanto, se conservan varios elementos mecanicos cnticos, ya que ya no estan sujetos a la accion pulsante de las operaciones de bombeo. En particular, la valvula de homogeneizacion recibe el lfquido a tratar a una presion y caudal constantes debido al efecto resultante 7 de los pistones individuales 2a, 2b.
Esta ventaja se da por el hecho de que los cilindros 3a, 3b son hidraulicos y por lo tanto pueden ser regulados independientemente por un solo programa de software operativo.
Ademas, los estados transitorios de elevacion/reduccion de los dos pistones (grafico 4c) solo son de 5-6 por minuto, y en cualquier caso inferior a 15 por minuto (como consecuencia de la reduccion de las velocidades del piston), muy alejada de las aproximadamente 160 pulsaciones/minuto de un ciguenal de la tecnica anterior, que gira precisamente a unas 160 rpm, y en cualquier caso estan amortiguadas por la presencia, en las levas virtuales, de las rampas de velocidad ascendente y descendente de los mismos pistones.
Esto es importante porque un caudal y presion constante es una situacion ideal, pero en realidad los estados transitorios en las fases de intercambio de piston implican la presencia de reflujos a traves de las valvulas de bombeo; esto puede causar pequenas desviaciones de la presion nominal que vanan segun la presion maxima aplicada y estan preferiblemente en el intervalo de 0 a 100 bar. En cambio, la presion nominal permanece absolutamente constante durante las fases centrales del desplazamiento del piston.
Un numero muy bajo de ciclos/min prolonga la vida util de los componentes sometidos a ciclos de carga por fatiga y reduce la posibilidad de danos a la valvula homogeneizadora debido a que los picos de presion (positiva o negativa) se reducen y se reduce tambien la posibilidad de impacto entre las partes fija y movil.
El homogeneizador 1 muestra ademas ser mucho mas versatil y adaptable a altas presiones y a la viscosidad del lfquido a tratar. Esta ventaja tambien se da por la posibilidad de regular independientemente los cilindros 3a, 3b.
Una ventaja adicional del presente homogeneizador, que puede trabajar con presiones de 0 a 4000 bares, es el hecho de que puede ser controlado completamente de forma remota.
Con el presente homogeneizador, se lleva a cabo un procedimiento de homogeneizacion en el que se crean y combinan las leyes de movimiento de cada piston y se combinan de acuerdo con un desplazamiento de fase, que puede ser fijado por el usuario de tal manera que genere una combinacion de caudales aguas abajo de las valvulas/pistones de bombeo, dentro de un colector, que es capaz de asegurar una suma constante de dichos caudales y por lo tanto una presion constante a la valvula homogeneizadora.
Es posible ajustar el desfase entre el arranque del segundo piston y la detencion del primero mediante el aprovechamiento de rampas de velocidad apropiadas, cuyo inicio y final se pueden controlar completamente mediante software.
A medida que vanan la presion maxima de funcionamiento y la viscosidad del fluido tratado, los desplazamientos pueden modificarse para reducir la amplitud de cualquiera de los picos de presion durante los estados transitorios de la manera mas apropiada.
El presente homogeneizador es particularmente adecuado para presiones que oscilan entre 1000 y 4000 bares y tiene aplicacion en muchos sectores: alimentos, productos qrnmicos, farmaceuticos, biotecnologicos y nano partfculas.
El programa de software utilizado se basa en el control y automatizacion de ejes moviles en combinacion con dos tarjetas de control espedficas (tarjetas de control de ejes).
La tarjeta de control de ejes se interconecta con el accionador (y por lo tanto con el piston de bombeo) a traves de la valvula proporcional para controlar su movimiento y al mismo tiempo percibe su posicion absoluta por medio de un codificador lineal situado dentro del propio piston para crear un bucle de regulacion de mando y retroalimentacion que permite al programa de software controlar la posicion y el movimiento del piston con extrema precision.
El programa de software de control de ejes es por tanto capaz de mover el piston siguiendo camaras virtuales personalizadas para optimizar las fases de inversion de movimiento ajustandolas de antemano de tal manera que se reduzcan los picos a un mmimo.
El programa de software recibe ordenes desde un panel de control o a traves de senales remotas y acciona el movimiento de los pistones modificando sus parametros de trabajo (avance y diseno de levas virtuales) con el fin de obtener la operacion mas lineal posible en presencia de fluidos con diferentes viscosidades ya diferentes presiones.

Claims (7)

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    REIVINDICACIONES
    1. Homogeneizador de alta presion, que comprende:
    - una pluralidad de pistones (2a, 2b) de bombeo, para alimentar un Kquido a homogeneizar hacia un colector (6); y
    - una valvula de homogeneizacion situada aguas abajo de dichos pistones (2a, 2b) de bombeo para recibir dicho lfquido a homogeneizar que es bombeado al colector (6);
    - un sistema (5) electronico de regulacion para controlar y regular dichos pistones (2a, 2b) de bombeo, que controla la ley de movimiento de cada piston (2a, 2b) individual independientemente;
    caracterizado porque dicho sistema (5) de regulacion electronica esta conectado a un transductor colocado en el colector (6) y permite la distribucion de aceite a los cilindros (3a, 3b) individuales de los pistones (2a, 2b) correspondientes a regular de acuerdo con la presion, detectada en el colector (6), del lfquido a homogeneizar bombeado por dichos pistones (2a, 2b) con el fin de mantener un caudal y una presion estables, permitiendo modificar los parametros funcionales de una valvula proporcional de aire comprimido que acciona un cilindro neumatico que acciona una parte movil de la valvula homogeneizadora, de manera que el punto de ajuste de presion fijo puede ser ajustado tambien independientemente del caudal de acuerdo con el valor de presion detectado en el colector (6), tambien independientemente del caudal, teniendo los pistones (2a, 2b) individuales estados transitorios de elevacion/reduccion contandose menos de 15 por minuto.
  2. 2. El homogeneizador de acuerdo con la reivindicacion precedente, caracterizado porque cada piston esta asociado con un respectivo cilindro (3a, 3b) hidraulico de aceite.
  3. 3. El homogeneizador de acuerdo con la reivindicacion 2, caracterizado porque cada cilindro (3a, 3b) hidraulico de aceite comprende un circuito hidraulico respectivo que tiene una valvula proporcional para suministrar aceite al cilindro.
  4. 4. El homogeneizador de acuerdo con la reivindicacion precedente, caracterizado porque dicho sistema (5) electronico de control y regulacion esta conectado a las valvulas proporcionales de los respectivos cilindros hidraulicos de aceite para regular la presion y el flujo de aceite a los cilindros (3a, 3b) individuales.
  5. 5. Un proceso de homogeneizacion en un homogeneizador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde, despues de un transitorio inicial, la presion aguas abajo de las valvulas/pistones de bombeo y en la entrada de la valvula homogeneizadora es casi constante.
  6. 6. El proceso de homogeneizacion en un homogeneizador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde las leyes de movimiento de cada piston se crean y combinan de acuerdo con un desplazamiento de fase, que puede ser ajustada por el usuario para generar una combinacion de caudales aguas abajo de las valvulas/pistones de bombeo, dentro del colector, de modo que se asegure una suma constante de dichos caudales y por lo tanto una presion constante a la valvula homogeneizadora.
  7. 7. Procedimiento de homogeneizacion segun las reivindicaciones 5 y 6, en donde tiene lugar a traves de una valvula homogeneizadora de geometna variable regulada por medio de un sistema de realimentacion controlado por un sistema (5) electronico de control y regulacion, que tambien regula la velocidad de avance de los pistones de bombeo.
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