ES2938274T3 - Conjunto de boquilla de rociado y método de conformación de la columna de rociado - Google Patents

Abstract

Un conjunto de boquilla de aspersión y un método para dar forma a una corriente de aspersión proporcionada a través de un conjunto de aspersión incluye un conjunto de boquilla de aspersión de carga electrostática y un método para dar forma a una corriente de aspersión proporcionada a través de un conjunto de aspersión incluye cargar electrostáticamente una corriente de aspersión al exponer el fluido a ser asperjado a un campo eléctrico dentro de un rociador de fluidos (100) para crear una corriente de rociado cargada electrostáticamente, y luego creando un campo eléctrico entre electrodos secundarios (206) externos al rociador de fluidos (100) de tal manera que la corriente de rociado electrostático se forma y/o se redirige como pasa a través del campo eléctrico. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Conjunto de boquilla de rociado y método de conformación de la columna de rociado

REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUDES RELACIONADAS

La presente solicitud reivindica prioridad sobre la Solicitud de Patente Provisional de Estados Unidos N.° 62/616.862, que se presentó el 12 de enero de 2018.

ESTADO LA TÉCNICA ANTERIOR

Un tipo conocido de tecnología de rociado incluye boquillas de rociado que atomizan el material rociado para conseguir una cobertura y una distribución más uniformes. Un tipo de atomización de rociado incluye el uso de boquillas de atomización electrostática, que son parte de una familia de boquillas electrohidrodinámicas (EHD) que utilizan dos electrodos situados muy cerca entre sí que generan un campo eléctrico muy fuerte. En tales dispositivos, un electrodo tiene un voltaje muy alto de polaridad negativa, y el otro electrodo es el cuerpo de la boquilla, que está eléctricamente conectado a tierra. Un fluido dieléctrico, tal como aceite, puede pasar entre los dos electrodos y a través del campo eléctrico muy fuerte que crean, haciendo que la corriente sea inyectada en el fluido y, por lo tanto, cargando eléctricamente el líquido. El líquido cargado sale de la boquilla a través de un pequeño orificio circular que produce un chorro sólido de aceite cargado. Fuera de la boquilla, el exceso de carga en el líquido se repele eléctricamente dentro del aceite, lo que induce un giro en el chorro de aceite que da como resultado una inestabilidad de flexión y, finalmente, un estrechamiento, que hace que el fluido se rompa en gotículas y, por lo tanto, se atomice. Como puede apreciarse, las fuerzas repulsoras omnidireccionales de los electrones dentro del fluido cargado hacen que la columna de rociado adopte una forma cónica completa a medida que se desarrolla. Después, las partículas rociadas son atraídas a superficies conductoras conectadas a tierra que van a ser recubiertas por el fluido rociado.

La Publicación de Solicitud de Patente europea N.° EP 0404 344 A1 de Vachlas et al. describe un proceso y un aparato de rociado electrostático en el que un par de bordes atomizadores de un cabezal pulverizador se extienden uno al lado del otro, teniendo cada uno, un par de electrodos dispuestos a cada lado del mismo. Se impone una diferencia de potencial mediante medios de suministro de energía eléctrica entre cada uno de los electrodos y el borde atomizador respectivo para conseguir un rociado satisfactorio.

BREVE SUMARIO DE LA INVENCIÓN

Según un primer aspecto de la invención, se proporciona un conjunto de boquilla rociadora que tiene todas las características de la reivindicación 1 de las reivindicaciones adjuntas.

Según un segundo aspecto de la invención, se proporciona un método para formar un vapor de rociado proporcionado a través de un conjunto de boquilla rociadora según el primer aspecto, comprendiendo el método las etapas expuestas en la reivindicación 15 de las reivindicaciones adjuntas.

La invención proporciona un sistema y un método para conformar una columna cónica de rociado de gotículas cargadas, por ejemplo, en forma de cono plano o abanico. El tamaño de orificio muy pequeño requerido para este tipo de boquilla no se presta bien para cambiar la geometría del orificio para producir un rociado plano, que es como están conformados típicamente los rociadores en un patrón de rociado plano. En una realización, la presente divulgación utiliza una boquilla de rociado electrostático, que produce una pluma de cono completo. La pluma de cono completo, que está formada por gotículas de fluido cargadas, se someta a un campo eléctrico secundario, que puede imponer fuerzas eléctricas atractoras o repulsoras sobre las gotículas de fluido cargadas, afectando de este modo a su trayectoria y dirección de recorrido a medida que se desarrolla la pluma. La intensidad del campo eléctrico secundario puede ser constante o variable y la forma de los electrodos del campo secundario es ajustable, para que pueda conseguirse una conformación estable o transitoria de la columna de rociado.

En una realización ilustrada, una columna de rociado de gotículas cargadas se somete a un campo eléctrico. El campo eléctrico comprime el rociado de cono lleno en un abanico plano. El campo eléctrico se genera mediante electrodos de polaridad negativa y produce una fuerza repulsora en las gotículas cargadas negativamente que las obliga a abrirse en abanico.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS VARIAS VISTAS DEL(DE LOS) DIBUJO(S)

La figura 1 es una vista de sección de una boquilla de rociado según la divulgación.

La figura 2 es una vista de detalle ampliada de una porción de la figura 1. Las figuras 3 y 4 son vistas esquemáticas de la boquilla de rociado mostrada en la figura 1 durante el funcionamiento y desde diferentes perspectivas.

Las figuras 4 a 7 son vistas esquemáticas de realizaciones alternativas para electrodos de conformación del rociado para una boquilla de rociado según la divulgación.

La figura 8 es una vista esquemática de la boquilla de rociado según una realización alternativa.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

En la figura 1 se muestra una vista de sección transversal de un conjunto de boquilla rodadora 100. El conjunto de boquilla rodadora 100 se asocia con un sistema eléctrico 102 para proporcionar una columna de rociado conformada, como se describirá más adelante en el presente documento. El conjunto de boquilla rodadora 100 en la realización ilustrada es un conjunto de diversos componentes que contienen, dirigen, cargan eléctricamente e inyectan una columna de rociado. El conjunto de boquilla rociadora 100 incluye un cuerpo 104 que tiene un puerto de entrada de fluido 106. El cuerpo 104 forma una cavidad interna 108 que tiene una configuración de orificio escalonado y que contiene y aloja otras diversas estructuras del conjunto, electrodos del sistema eléctrico 102, y también fluido a inyectar.

Haciendo referencia a la figura 1, y también a la vista ampliada de detalle mostrada en la figura 2, el conjunto de boquilla 100 incluye un espaciador 110 que tiene una forma generalmente cilíndrica de diferentes diámetros que es retenida dentro de la cavidad interna 108 con un collar 112. El collar 112 puede unirse al cuerpo 104 utilizando cualquier método de sujeción adecuado, tal como tornillos u otras sujeciones, un acoplamiento roscado entre el collar y el cuerpo, y similares. El espaciador 110 forma un orificio central 114 en el que se dispone un electrodo de alto voltaje 116. El electrodo de alto voltaje 116 tiene una forma generalmente alargada que se extiende desde un extremo conector 118 del mismo a un extremo expuesto 120. El extremo conector 118 sobresale externamente respecto al conjunto de boquilla rociadora 100 y está configurado para conectarse a un conductor eléctrico de alto voltaje 122 de una fuente de potencial eléctrico de alto voltaje 124. Como se muestra en la disposición de la figura 1, la fuente 124 proporciona un potencial eléctrico negativo al conductor 122 y también incluye un conductor positivo 126 conectado a tierra 128 y también al cuerpo 104. De esta manera, se presenta una diferencia de potencial eléctrico de alto voltaje entre el electrodo de alto voltaje 116 y el cuerpo 104 del conjunto de boquilla rociadora 100.

El espaciador 110 está hecho de un material no eléctricamente conductor y actúa como un aislante eléctrico entre el electrodo de alto voltaje 116 y el cuerpo 104. Puede aplicarse cualquier diferencia de potencial eléctrico adecuada y deseada en la fuente 124 dependiendo del tipo de fluido que se rocíe. Por ejemplo, el aceite y otros fluidos industriales pueden rociarse utilizando un potencial eléctrico entre -20 y -30 kV, mientras que fluidos más pesados, tales como la pintura o aplicaciones agrícolas, pueden funcionar a un potencial eléctrico mayor entre -60 y -75 kV. Los fluidos pueden ser conductores, semiconductores o no conductores. En la realización ilustrada, el voltaje proporcionado por la fuente 124 se selecciona para que esté entre -5 y -10 kV, pero también pueden utilizarse otros valores.

El extremo expuesto 120 del electrodo 116 sobresale desde un extremo del espaciador 110 y se sumerge en, o se pone en contacto con, el fluido presente y que pasa a través de la cavidad interna 108. Como puede verse en la figura 2, una placa de orificio 130 está retenida en un extremo abierto del cuerpo 104 por un retenedor 132 y cierra efectivamente un extremo abierto de la cavidad interna 108 opuesto al collar 112. La placa de orificio está en contacto físico con y, por tanto, en contacto eléctrico con el cuerpo 104 cuando el cuerpo 104 y la placa 130 están hechos de materiales eléctricamente conductores, tales como el metal, como en el caso de la realización ilustrada. La placa de orificio 130 también incluye una abertura de orificio 134, a través de la cual un fluido presente y que pasa a través de la cavidad interna 108 puede salir del conjunto de boquilla 100 y puede inyectarse como una corriente de rociado 200, como se muestra en la figura 3. La figura 3 representa una representación esquemática del conjunto de boquilla 100 en una condición de funcionamiento, en la que las estructuras y características que son iguales o similares a las estructuras y características correspondientes discutidas anteriormente se indican por medio de los mismos números de referencia que se han utilizado previamente por simplicidad.

Como se muestra en la figura 2, el extremo expuesto 120 del electrodo de alto voltaje 116 está dispuesto a una distancia desplazada desde la placa de orificio 130 de modo que quede un espacio 136 entre el extremo expuesto 120 y la placa de orificio 130. Durante el funcionamiento, el fluido presente dentro de la cavidad interna 108 fluye a través de la cavidad interna 108 desde la entrada 106 (Figura 1) y hacia la abertura de orificio 134 bajo un diferencial de presión, que puede denominarse presión de inyección. Cuando el fluido alcanza la abertura de orificio 134, acelera según pasa a través del área de flujo de la sección transversal relativamente pequeña de la abertura de orificio 134 y emerge en un lado exterior de la placa de orificio 130 como la corriente de rociado 200. A medida que el fluido, que se indica en la figura 3 como 202 y se representa mediante flechas, pasa a través de la cavidad interna 108 y especialmente a través del hueco 136, la diferencia de potencial eléctrico entre el electrodo de alto voltaje 116 y la placa de orificio 130 hace que la carga eléctrica pase dentro o a través de la corriente de fluido 200, de modo que la corriente de fluido 200 que emerge del conjunto de boquilla 100 está cargada eléctricamente. En la realización ilustrada, se utiliza una carga negativa para cargar el fluido que emerge como una corriente de rociado desde el conjunto de boquilla 100. Ordinariamente, la corriente de rociado cargada 200 se rompería en una columna cónica de rociado debido a las fuerzas eléctricamente repulsoras de electrones dentro del fluido rociado, lo que haría que se formaran gotículas de fluido y se repelieran entre sí en todas las direcciones a medida que se desarrolla la columna.

En la realización ilustrada, se dispone un conjunto de electrodos secundarios 206 alrededor de un área 208 que abarca la corriente de rociado 200 poco después de que emerja desde la abertura de orificio 134. Aunque se muestra un conjunto de electrodos secundarios, debe apreciarse que puede utilizarse al menos un electrodo secundario, en cuyo caso, el área 208 sería un área que rodea un solo electrodo secundario en el que habría presente un campo eléctrico creado por el electrodo secundario. El área 208 puede seleccionarse para que incluya la distancia en la que la corriente de rociado 200 comienza o ha comenzado a romperse en gotículas que, de otro modo, habrían comenzado a formar una columna de rociado cónica. Los electrodos secundarios 206 (dos mostrados) se disponen en ubicaciones diametralmente opuestas alrededor del cuerpo de la boquilla 104 y se conectan a una fuente de voltaje secundaria 212 de potencial eléctrico a través de un conductor 210. Aunque la fuente de voltaje secundaria 212 tiene un polo negativo conectado a los electrodos 206 y un polo positivo conectado a tierra 128, como se muestra en las figuras, debe apreciarse que la polaridad de una o ambas fuentes de voltaje puede invertirse. Además, en el caso de un solo electrodo secundario, la fuente de voltaje secundaria 212 puede conectarse a través del electrodo secundario individual, utilizando su polo negativo o positivo, y una toma a tierra. Por ejemplo, la fuente de voltaje 124 puede tener un polo negativo conectado al electrodo 116, como se muestra en la figura 1, pero la fuente de voltaje secundaria 212 puede tener un polo positivo conectado al electrodo o electrodos secundarios 206, como se muestra en la figura 8, que funcionarían para atraer, en lugar de repeler, las gotículas del rocío que emerge del orificio 134 para crear un rocío en abanico más extendido. En otra realización alternativa, las fuentes de voltaje 124 y 212 pueden combinarse en una sola fuente de voltaje que comparte una toma a tierra eléctrica.

Cuando la fuente de voltaje secundaria 212 se activa, en la polaridad mostrada en la figura 3, hay presente un potencial eléctrico negativo en los electrodos 206, que crean juntos un campo eléctrico estático al menos sobre una parte del área 208. El campo de potencial eléctrico negativo generado por los electrodos secundarios 206 repele las gotículas de rocío cargadas negativamente y las aleja de cada uno de los dos electrodos 206, por lo que las gotículas tienden generalmente a viajar a aproximadamente el punto medio de la distancia entre los dos electrodos 206, como se muestra en la figura 3. En una realización alternativa, un campo de potencial eléctrico positivo, creado por electrodos secundarios 206 cargados positivamente, tenderá a atraer gotículas de fluido y a dispersarlas unas de otras en un rocío de abanico amplio.

Estas fuerzas electrostáticas repulsoras o atractoras adicionales proporcionadas por el electrodo o electrodos secundarios actúan para comprimir o expandir, como puede ser el caso, la columna cónica de rociado en una columna de rociado de abanico amplio o plano 204. Una columna de rociado de abanico plano 204 se muestra en la figura 4 desde una perspectiva lateral para la ilustración de una realización. Una columna de rociado de abanico amplio 204 se muestra en la figura 8 según una realización alternativa. Como puede verse en la figura 4, la columna de rociado en abanico 204 realiza un barrido a lo largo de un ángulo de barrido 216, el tamaño del cual puede ajustarse selectivamente controlando diversos parámetros del sistema, tales como la presión de inyección, la cantidad de los potenciales eléctricos de bajo y alto voltaje, el tipo de fluido, la distancia entre los electrodos 206, el tamaño de los electrodos 206, la forma del electrodo o electrodos 206, la polaridad del electrodo o electrodos 206 y otros parámetros.

A modo de ilustración, tres formas alternativas para los conductores de electrodos conformados 214, como se muestra en la figura 1, se presentan en las figuras 5, 6 y 7. Estas formas pueden incorporarse en uno o varios electrodos secundarios. En esta ilustración, los conductores de electrodos 214 que tienen superficies planas orientadas hacia el interior 216, tales como los ilustrados en la realización de la figura 1, se muestran en la figura 6. Las superficies planas orientadas hacia el interior pueden aplicar una fuerza repulsora uniforme sobre la columna de rociado y hacen que esta se despliegue en abanico uniformemente a medida que se desarrolla. En la figura 5, se muestran conductores de electrodos 214' que tienen superficies convexas orientadas hacia el interior 216'. De un modo similar, en la figura 7, se muestran conductores de electrodos 214" que tienen superficies cóncavas orientadas hacia el interior 216". El perfil cóncavo o convexo de las superficies orientadas hacia el interior puede afectar a la intensidad de las fuerzas repulsoras electrostáticas sobre las gotículas de rocío a medida que se desarrolla la columna de rociado, lo que puede servir además para conformar la pluma, de otro modo cónica, en un abanico más disperso o más concentrado, es decir, una pluma en abanico que tenga un ángulo de barrido más grande o un ángulo de barrido más pequeño, cuyo vértice también puede ser diferente.

Por ejemplo, en la realización de la figura 5, el ángulo de barrido puede ser mayor y su vértice puede estar más alejado de la abertura de orificio a medida que las gotículas en desarrollo pasan a través de un campo de mayor intensidad presente a mitad de camino entre los electrodos 214', donde las superficies orientadas hacia el interior 216' están más próximas entre sí. De un modo similar, el ángulo de barrido puede ser más pequeño y su vértice puede estar más cerca de la abertura de orificio a medida que las gotículas en desarrollo pasan a través de campos de mayor intensidad presentes en los puntos de entrada y de salida del área entre los electrodos 214", donde las superficies orientadas hacia el interior 216" están más próximas entre sí. También pueden utilizarse otras formas, o más de dos electrodos dispuestos alrededor de una pluma de cono en desarrollo, para conformar la pluma. Además, se contempla que también pueda utilizarse un solo electrodo para conformar una porción de la pluma, que de otro modo se desarrolla cónica, por ejemplo, en un semicírculo.

En el presente documento se describen realizaciones preferidas de esta invención, que incluyen el mejor modo conocido por los inventores para llevar a cabo la invención.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Un conjunto de boquilla rodadora (100), que comprende:

un cuerpo (104) que tiene un puerto de entrada de fluido (106) y un orificio de salida de fluido (134), definiendo el cuerpo una cavidad interna (108) en comunicación fluida con el puerto de entrada de fluido (106) y el orificio de salida de fluido (134);

un electrodo primario (116) dispuesto dentro de la cavidad interna proximal al orificio de salida de fluido, estando el electrodo primario eléctricamente aislado del cuerpo;

al menos un electrodo secundario (206) dispuesto externamente al cuerpo;

una fuente de voltaje primaria (124) conectada a través del electrodo primario y el cuerpo, de modo que haya una diferencia de voltaje primaria entre el electrodo primario y el cuerpo; y una fuente de voltaje secundaria (212) conectada al al menos un electrodo secundario de tal modo que un voltaje secundario esté presente en el al menos un secundario que cree un campo eléctrico en un área (208) alrededor del al menos un electrodo secundario (206); en el que, durante el funcionamiento, se imparte una carga electrostática primaria sobre el fluido que pasa a través de la cavidad interna en contacto con el electrodo primario y el cuerpo y sale de la cavidad interna a través del orificio de salida de fluido en forma de una corriente de rociado (204); y

en el que la corriente de rociado (204) está dispuesta para atravesar al menos una porción del campo eléctrico (208), siendo el campo eléctrico ajustable selectivamente en intensidad o polaridad para conformar o redirigir la corriente de rociado;

caracterizado por que:

el cuerpo (104) está hecho de un material eléctricamente conductor (130) en un área alrededor del orificio de salida del fluido (134).

2. El conjunto de boquilla rociadora, según la reivindicación 1, en el que el electrodo primario tiene una forma alargada que se extiende entre un extremo expuesto (120) dispuesto a una distancia desplazada (136) del orificio de salida de fluido (134) y un extremo conector (118) que se extiende externamente con respecto al cuerpo (104).

3. El conjunto de boquilla rociadora, según la reivindicación 2, que comprende además un collar (112) hecho de un material eléctricamente aislante, el collar dispuesto entre el electrodo primario y el cuerpo para montar el electrodo primario dentro de la cavidad interna (108).

4. El conjunto de boquilla rociadora, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la fuente de voltaje primaria (124) está configurada para generar una diferencia de potencial de voltaje de aproximadamente -5 a -75 kV, dependiendo del tipo de fluido que pase a través de la cavidad interna (108).

5. El conjunto de boquilla rociadora, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la fuente de voltaje primaria (124) tiene un polo negativo (122) conectado al electrodo primario (118) y un polo positivo (126) conectado al cuerpo (104) y una toma de tierra eléctrica (128).

6. El conjunto de boquilla rociadora, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además un electrodo secundario (206) adicional que, junto con el al menos un electrodo secundario (206), forman un par de electrodos secundarios (206), el par de electrodos secundarios dispuestos en relación opuesta alrededor de al menos una porción de la corriente de rociado (204) en ubicaciones diametralmente opuestas alrededor del cuerpo (104) y están ambos conectados a un mismo potencial de voltaje (210) de la fuente de voltaje secundaria (212).

7. El conjunto de boquilla rociadora, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que una polaridad de voltaje del al menos un electrodo secundario (206) actúa para repeler o atraer la corriente de rociado (204).

8. El conjunto de boquilla rociadora, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la fuente de voltaje primaria (124) y la fuente de voltaje secundaria (212) están conectadas eléctricamente a una toma de tierra eléctrica común (128).

9. El conjunto de boquilla rociadora, según la reivindicación 6, en el que el par de electrodos secundarios (214) tienen superficies planas orientadas hacia el interior en relación opuesta.

10. El conjunto de boquilla rociadora, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el al menos un electrodo secundario (216', 216") tiene una superficie contorneada que mira hacia la corriente de rociado.

11. La boquilla de rociado, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende además una pluralidad de electrodos secundarios (214).

12. El conjunto de boquilla rociadora, según la reivindicación 11, en el que la pluralidad de electrodos secundarios tienen superficies planas orientadas hacia el interior (216) en relación opuesta.

13. El conjunto de boquilla rodadora, según la reivindicación 11, en el que la pluralidad de electrodos secundarios (214', 214") tienen superficies contorneadas orientadas hacia el interior (216', 216") en relación opuesta.

14. Un método para conformar una corriente de rociado, comprendiendo el método:

proporcionar un conjunto de boquilla rociadora, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes;

cargar electrostáticamente el fluido emitido a través del orificio de salida de fluido como una corriente de rociado, haciendo pasar fluido a través de la cavidad interna y en contacto con el electrodo primario y el cuerpo; proporcionar una fuente de voltaje secundaria conectada a través del electrodo secundario y una toma de tierra eléctrica;

crear un campo eléctrico en un espacio alrededor del electrodo secundario;

dirigir la corriente de rociado a través de al menos una porción del campo eléctrico; y

ajustar selectivamente un parámetro del campo eléctrico para conformar o redirigir la corriente de rociado.