ES2939761T3 - Aparato generador de vórtice - Google Patents

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ES2939761T3 ES18830281T ES18830281T ES2939761T3 ES 2939761 T3 ES2939761 T3 ES 2939761T3 ES 18830281 T ES18830281 T ES 18830281T ES 18830281 T ES18830281 T ES 18830281T ES 2939761 T3 ES2939761 T3 ES 2939761T3
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Sean Mulligan
Eoghan Clifford
Alan Carty
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National University of Ireland Galway NUI
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Abstract

Un aparato generador de vórtice sin impulsor (100) para mezclar fluidos, que comprende: un tanque de fluido (110) que comprende: un primer puerto de entrada de fluido (112), el primer puerto de entrada de fluido (112) que comprende un canal de flujo curvo (120) entre un primer segmento de pared lateral (117) del tanque de fluido (110) y un segundo segmento de pared lateral (118) del tanque de fluido (110), un segundo puerto de entrada de fluido (113) y un puerto de salida de fluido (114); y un primer conducto de entrada de fluido (130) en comunicación fluida con el primer puerto de entrada de fluido (112); en el que el primer conducto de admisión de fluido (130) se proporciona sustancialmente en una tangente al primer segmento de pared lateral (117) del tanque de fluido (110) y se alinea para entregar un primer fluido a una superficie interna (116) del primer segmento de pared lateral (117). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Aparato generador de vórtice
Campo
La presente divulgación se refiere en general a un aparato generador de vórtice.
En particular, la divulgación se refiere a un aparato generador de vórtice para mezclar fluidos y a un sistema de trabajo de fluidos que comprende un aparato generador de vórtice.
Antecedentes
La mezcla efectiva de diferentes fluidos es un requisito en diversas industrias. Por ejemplo, la mezcla de un líquido y aire (un proceso denominado "aireación") se puede utilizar para mejorar la combustión o la mezcla de partículas en un líquido como parte de ciertos procesos industriales. Un ejemplo particular de mezcla de fluidos se relaciona con el tratamiento de aguas residuales que puede implicar la aireación llevada a cabo en un proceso de tratamiento biológico. Por ejemplo, el documento US 6419843 B1 describe un aparato de alcantarillado que tiene un canal en espiral para mejorar la aireación de las aguas residuales. Más en general, la mezcla puede llevarse a cabo en presencia o ausencia de aireación como parte del tratamiento de aguas residuales para mantener las partículas en suspensión, por ejemplo, un proceso de tratamiento aeróbico o anóxico.
El tratamiento de aguas residuales se considera una de las mayores demandas de energía en el sector público, responsable de un estimado de uno a dos por ciento del consumo mundial de electricidad. Una porción de la demanda de energía relacionada con el tratamiento de aguas residuales puede atribuirse a la eficiencia comparativamente baja de los aireadores mecánicos, tales como aireadores de superficie. Esto puede resultar en altos costes operativos a una capacidad insuficiente para dar cabida a la creciente demanda en vista de las poblaciones en crecimiento. Por ende, es altamente deseable un aparato generador de vórtice para mezclar fluidos para lograr un mezclado mejorado.
Sumario
De acuerdo con la presente divulgación, se proporciona un aparato como se indica en las reivindicaciones adjuntas. Otras características de la invención se pondrán de manifiesto a partir de las reivindicaciones dependientes y de la siguiente descripción.
En consecuencia, se proporciona un aparato generador de vórtice sin rodete (100) para mezclar fluidos. El mismo comprende un tanque de fluido (110) que comprende un primer puerto de entrada de fluido (112), comprendiendo el primer puerto de entrada de fluido (112) un canal de flujo curvo (120) entre un primer segmento de pared lateral (117) del tanque de fluido (110) y un segundo segmento de pared lateral (118) del tanque de fluido (110). El tanque de fluido puede comprender además un segundo puerto de entrada de fluido (113) y un puerto de salida de fluido (114). También se puede proporcionar un primer conducto de admisión de fluido (130) en comunicación fluida con el primer puerto de entrada de fluido (112). El primer conducto de admisión de fluido (130) se puede proporcionar sustancialmente en una tangente al primer segmento de pared lateral (117) del tanque de fluido (110) y se alinea para suministrar un primer fluido a una superficie interna (116) del primer segmento de pared lateral (117).
De acuerdo con algunos ejemplos, el primer conducto de admisión de fluido (130) está en interfaz con una superficie externa (119) del tanque de fluido (110) para comunicar el primer fluido a lo largo de la superficie externa (119). El aparato generador de vórtice (100) comprende un conducto de salida de fluido (150) dispuesto en comunicación de flujo con el puerto de salida de fluido (114), comprendiendo el conducto de salida de fluido (150): un tramo divergente (154), y un tramo de columna (156) en serie con el tramo divergente (154), en donde el tramo de columna (156) tiene un diámetro interno que es mayor que el puerto de salida de fluido (114).
De acuerdo con algunos ejemplos, la distancia entre el segundo puerto de entrada de fluido (113) y el puerto de salida de fluido (114) es menor que la distancia entre el puerto de salida de fluido (114) y una salida de conducto (152) del conducto de salida de fluido (150).
De acuerdo con algunos ejemplos, el segundo puerto de entrada de fluido (113), el puerto de salida de fluido (114) y la salida del conducto (152) están dispuestos concéntricamente.
De acuerdo con algunos ejemplos, el tramo de columna (156) del conducto de salida de fluido (150) tiene una longitud que es mayor que la distancia entre el segundo puerto de entrada de fluido (113) y el puerto de salida de fluido (114). De acuerdo con algunos ejemplos, el conducto de salida de fluido (150) comprende un tramo convergente (158) en serie con el tramo de columna (156).
De acuerdo con algunos ejemplos, la pared lateral (115) del tanque de fluido (110) define una espiral centrada en el puerto de salida de fluido (114).
De acuerdo con algunos ejemplos, el primer conducto de admisión de fluido (130) comprende un tramo divergente (132).
De acuerdo con otro ejemplo, se proporciona un sistema de trabajo fluido (200) que comprende un aparato generador de vórtice (100) como se describe en las secciones anteriores, en donde el aparato generador de vórtice (100) comprende una válvula (160) operable para controlar el caudal a través del segundo puerto de entrada de fluido (113), y comprendiendo el sistema de trabajo de fluido (200) un sistema de control que puede configurarse para ajustar el caudal a través del segundo fluido puerto de entrada (113) controlando la válvula (160).
De acuerdo con algunos ejemplos, el sistema de control es operable para cerrar completamente el segundo puerto de entrada de fluido (113).
De acuerdo con algunos ejemplos, el sistema de trabajo de fluido (200) comprende una bomba de fluido (220) en comunicación de flujo con el primer puerto de entrada de fluido (112), pudiendo configurarse el sistema de control para ajustar un caudal a través del primer puerto de entrada de fluido (112) controlando la bomba de fluido (220).
De acuerdo con algunos ejemplos, el sistema de trabajo fluido (200) comprende un primer depósito de fluido (210) que contiene el primer fluido (10), en donde el conducto de salida de fluido (150) está sumergido en el primer fluido (10).
De acuerdo con algunos ejemplos, el generador de vórtice (100) está totalmente sumergido en el primer fluido (10), y el generador de vórtice (100) comprende un segundo conducto de admisión de fluido (170), en donde un primer extremo del segundo conducto de admisión de fluido (170) está conectado al segundo puerto de entrada de fluido (113) y un segundo extremo del segundo conducto de admisión de fluido (170) está ubicado fuera del primer fluido (10).
De acuerdo con algunos ejemplos, el sistema de trabajo de fluido (200) comprende un depósito de partículas, y en donde el segundo puerto de entrada de fluido (113) está en comunicación de flujo con el depósito de partículas. Breve descripción de los dibujos
Para una mejor comprensión de la invención y mostrar cómo pueden llevarse a efecto realizaciones de ejemplo, se hará ahora referencia a los dibujos adjuntos en los que:
la Figura 1 muestra una vista lateral de un aparato generador de vórtice de acuerdo con la presente divulgación; la Figura 2 muestra una vista superior del generador de vórtice mostrado en la Figura 1;
la Figura 3 muestra una vista en sección del generador de vórtice correspondiente a la Figura 1;
la Figura 4 muestra una vista parcialmente recortada del generador de vórtice correspondiente a la Figura 2; la Figura 5 ilustra un sistema de trabajo fluido que comprende el generador de vórtice de la Figura 1;
la Figura 6 ilustra otro sistema de trabajo fluido que comprende otro generador de vórtice de acuerdo con la presente divulgación;
la Figura 7 muestra una vista en sección de otro aparato generador de vórtice más de acuerdo con la presente divulgación; y
la Figura 8 muestra una vista en sección de otro aparato generador de vórtice de acuerdo con la presente divulgación.
Descripción de las realizaciones
Las Figuras 1 y 2 muestran diferentes vistas en sección de un aparato generador de vórtice 100 de acuerdo con la presente divulgación.
El aparato generador de vórtice 100 está operativo para mezclar fluidos utilizando un vórtice generado por el aparato generador de vórtice 100. La configuración del aparato generador de vórtice 100, que se describe con mayor detalle más adelante, es tal que se genera el vórtice y los fluidos se mezclan a pesar de la ausencia de un rodete en el aparato generador de vórtice 100. Un rodete, que es un rotor dispuesto para actuar sobre un fluido o tal que el fluido actúa sobre el rotor, se utiliza en ciertos generadores de vórtice convencionales para generar un vórtice o recuperar energía y mezclar fluidos, sin embargo, el aparato generador de vórtice 100 de acuerdo con la presente divulgación es "sin rodete".
El aparato generador de vórtice 100 comprende un tanque de fluido 110. El tanque de fluido 110 (o "alojamiento") define una cámara de vórtice 111 dispuesta para recibir fluidos por separado (por ejemplo, diferentes fluidos) y dispuesto para descargar dichos fluidos juntos. La cámara de vórtice 111 del tanque de fluido 110 define la trayectoria del fluido, es decir, la trayectoria de flujo, que pasa a través del tanque 110. La trayectoria de flujo a través de la cámara de vórtice 111 es una trayectoria de flujo estático que difiere de la trayectoria de flujo en un generador de vórtice convencional, donde un rodete desplaza el fluido o el fluido desplaza al rodete y, así, hace que la trayectoria de flujo cambie dinámicamente. Es decir, la trayectoria de flujo a través del tanque está definida por características (por ejemplo, paredes) estáticas (por ejemplo, no giratorias) que son fijas entre sí. La trayectoria de flujo a través del tanque puede por tanto definirse solo por características (por ejemplo, paredes) estáticas (por ejemplo, no giratorias) que son fijas entre sí.
El tanque de fluido 110 comprende un primer puerto de entrada de fluido 112, un segundo puerto de entrada de fluido 113 y un puerto de salida de fluido 114. El tanque de fluido 110 está dispuesto para recibir los fluidos que se van a mezclar a través del primer puerto de entrada de fluido 112 y, por separado, del segundo puerto de entrada de fluido 113, y para descargar dichos fluidos a través del puerto de salida de fluido 114. El tanque de fluido 110 comprende además al menos una pared lateral 115 que define la cámara de vórtice 111. La pared lateral tiene una superficie interior/interna 116. Por ende, la superficie interna 116 de la pared lateral 115 delimita/define la cámara de vórtice 111 (o "volumen cerrado") definida por el tanque de fluido 110.
El primer puerto de entrada de fluido 112 comprende un canal de flujo curvo 120. El canal de flujo curvo 120 se define entre un primer segmento de pared lateral 117 de la pared lateral 115 del tanque de fluido 110 y un segundo segmento de pared lateral 118 de la pared lateral 115 del tanque de fluido 110. Es decir, el canal de flujo curvo 120 está delimitado por el primer segmento de pared lateral 117 y el segundo segmento de pared lateral 118 de tal forma que el flujo a través del canal de flujo 120 está contenido en su interior. Dicho de otra forma, el primer segmento de pared lateral 117 y el segundo segmento de pared lateral 118 de la misma pared lateral 115 están dispuestos entre sí para definir el primer puerto de entrada de fluido 112 para tener una trayectoria de flujo curva (es decir, el canal de flujo curvo 120).
Con respecto a la geometría generalmente cilíndrica del tanque de fluido 110, el primer segmento de pared lateral 117 es un segmento de pared lateral radialmente exterior, mientras que el segundo segmento de pared lateral 118 es un segmento de pared lateral radialmente interior. Es decir, el primer segmento de pared lateral 117 está radialmente hacia fuera del segundo segmento de pared lateral 118. En consecuencia, el flujo a través del canal de flujo 120 está radialmente confinado. Por ende, el canal de flujo 120 está configurado para dirigir el flujo en una dirección circunferencial alrededor de la superficie interior 116 de la pared lateral 115.
El aparato generador de vórtice 100 comprende un primer conducto de admisión de fluido 130. El primer conducto de admisión de fluido 130 está en comunicación fluida con el primer puerto de entrada de fluido 112. Convenientemente, el primer conducto de admisión de fluido 130 está acoplado o formado integralmente con, el primer puerto de entrada de fluido 112 para comunicar fluido al tanque de fluido 110. De acuerdo con el presente ejemplo, el primer conducto de admisión de fluido 130 es recto, es decir, no comprende tramos curvos.
El primer conducto de admisión de fluido 130 puede estar en interfaz con una superficie externa 119 del tanque de fluido 110 para comunicar el primer fluido a lo largo de la superficie externa 119. Dicho de otra forma, el segundo segmento de pared lateral 118 puede extenderse desde una porción de la pared lateral 115 que forma una interfaz con el primer conducto de admisión de fluido 130, de forma que la superficie externa 119 de la pared lateral 115 se extienda para proporcionar una superficie de flujo del canal de flujo 120.
El conducto de admisión de fluido 130 se proporciona sustancialmente en una tangente a la pared lateral 115 del tanque de fluido 110 y se alinea para suministrar un primer fluido a la superficie interna 116 de la pared lateral 115. La disposición descrita hace que un fluido inyectado a través del primer puerto de entrada de fluido 112 se arremoline en el tanque de fluido 110, provocando la formación de un vórtice en el mismo a través de los principios de circulación. De acuerdo con el presente ejemplo, la longitud de la pared lateral 115 es tal que la pared lateral se extiende alrededor del eje de giro 140 del fluido durante al menos una revolución completa. Dicho de otro modo, la longitud del arco de la pared lateral 115 es tal que la pared lateral logra al menos un giro.
Las Figuras 3 y 4 muestran vistas parcialmente recortadas del aparato generador de vórtice 100. La Figura 3 es una vista parcialmente recortada de la correspondiente a la vista de la Figura 1, mientras que la Figura 3 es una vista parcialmente recortada correspondiente a la vista de la Figura 2.
El tanque de fluido 110 está dispuesto generalmente simétrico alrededor de un eje de giro 140 del fluido alrededor del que se forma el vórtice. En particular, la pared lateral 114 está dispuesta para definir una espiral logarítmica centrada en el eje de giro 140 del fluido.
La pared lateral 115 del tanque de fluido 110 se extiende a lo largo del eje de giro 140 del fluido y se extiende alrededor del eje de giro 140 del fluido. Más particularmente, la pared lateral 115 se extiende a lo largo del eje de giro 140 del fluido en una longitud correspondiente a la profundidad del tanque de fluido 110, mientras que la pared lateral 115 se extiende alrededor del eje de giro 140 del fluido para encerrar completamente el eje de giro 140 del fluido. De acuerdo con el presente ejemplo, la pared lateral 115 se curva para rodear el eje de giro 140 del fluido para definir una cámara generalmente cilíndrica 111. Esto permite que el primer segmento de pared lateral 117 y el segundo segmento de pared lateral 118 de la misma pared lateral 115 se dispongan radialmente entre sí para definir el primer puerto de entrada de fluido 112 para tener una trayectoria de flujo curva (es decir, el canal de flujo curvo 120). Cada segmento de pared lateral 117, 118 está curvado alrededor del eje de giro 140 del fluido. Es decir, el primer segmento de pared lateral 117 define un primer arco con un primer radio, el segundo segmento de pared lateral 118 define un segundo arco con un segundo radio, siendo el primer radio mayor que el segundo radio de forma que los segmentos de pared lateral 117, 118 están separados radialmente entre sí. Esto asegura que haya una buena distribución simétrica de las velocidades tangencial y radial del campo de flujo en la dirección radial y una distribución uniforme de los perfiles de velocidad en el eje vertical.
La pared lateral 115 del tanque de fluido 110 se extiende paralela al eje de giro 140 del fluido, y la pared lateral 115 se extiende alrededor del eje de giro 140 del fluido para definir una espiral centrada en el eje de giro 140 del fluido. Es decir, la separación entre la pared lateral 115 y el eje de giro 140 del fluido difiere para diferentes posiciones angulares alrededor del eje de giro del fluido. Por tanto, se puede definir una espiral, de acuerdo con la que la separación entre la pared lateral 115 y el eje de giro 140 del fluido disminuye continuamente alrededor del eje de giro 140 del fluido. La espiral puede ser, por ejemplo, una espiral logarítmica, una espiral de Achimedean o una espiral hiperbólica.
El primer conducto de admisión de fluido 130 está dispuesto para inyectar fluido en el tanque de fluido 110 de forma que se genere un vórtice alrededor del eje de giro 140 del fluido. El conducto de admisión de fluido 130 comprende una pluralidad de tramos 132, 134. De acuerdo con el presente ejemplo, un primer tramo de conducto de admisión 132 y un segundo tramo de conducto de admisión 134 se proporcionan en serie. El segundo tramo de conducto de admisión 134 está dispuesto para descargar fluido a través del primer puerto de entrada de fluido 112 al tanque de fluido 110. Más particularmente, el segundo tramo de conducto de admisión 134 está dispuesto para acoplarse al tanque de fluido 110 tangencialmente a la curvatura de la pared lateral 115 y termina en la primera entrada de fluido 112.
El primer tramo de conducto de admisión 132 (o "tramo de conducto de admisión divergente") está dispuesto de tal forma que la sección transversal interna del primer tramo de conducto de admisión 132 aumenta a lo largo de la dirección del flujo. En consecuencia, la sección transversal interna del primer tramo de conducto de admisión 132 aumenta hacia el segundo tramo de conducto de admisión 134.
El segundo puerto de entrada de fluido 113 y el puerto de salida de fluido 114 están dispuestos para ser concéntricos. Más particularmente, el segundo puerto de entrada de fluido 113 y el puerto de salida de fluido 114 están centrados en el eje de giro 140 del fluido en extremos opuestos del tanque de fluido 110.
Se proporciona un conducto de salida de fluido 150 en comunicación fluida con el puerto de salida de fluido 114. El conducto de salida 150 se aleja del puerto de salida de fluido 114 para comunicar el fluido descargado del tanque de fluido 110. Es decir, la salida 150 está dispuesta para recibir fluido del tanque de fluido 110 y para descargar dicho fluido a través de un conducto de salida 152. Convenientemente, el primer conducto de admisión de fluido 130 está acoplado o formado integralmente con, el puerto de salida de fluido 114.
Similar al tanque de fluido 110, el conducto de salida de fluido 150 define una trayectoria de flujo estática. Es decir, ningún rodete está ubicado aguas abajo del puerto de salida de fluido 114. Dicho de otro modo, el conducto de salida de fluido 150 define un canal vacío configurado para comunicar fluidos desde el tanque de fluido 110. Dicho de otra forma, la trayectoria de flujo a través del conducto de salida de fluido 150 está definida por características (por ejemplo, paredes) estáticas (por ejemplo, no giratorias) que son fijas entre sí. La trayectoria de flujo a través del conducto de salida de fluido 150 puede por tanto definirse solo por características (por ejemplo, paredes) estáticas (por ejemplo, no giratorias) que son fijas entre sí.
El conducto de salida de fluido 150 se extiende a lo largo del eje de giro 140 del fluido. El conducto de salida de fluido 150 tiene una longitud a lo largo del eje de giro 140 del fluido que puede ser menor que, mayor que o aproximadamente igual a la profundidad del tanque de fluido 110. De acuerdo con el presente ejemplo, el conducto de salida de fluido 150 abarca una distancia mayor a lo largo del eje de giro 140 del fluido que el tanque de fluido 110. Dicho de otro modo, la longitud del conducto de salida de fluido 150 es mayor que la profundidad del tanque de fluido 110.
El conducto de salida de fluido 150 comprende un tramo divergente 154 (o "tramo de pared divergente") y un tramo de columna 156 (o "tramo de pared paralela" / "tramo cilíndrico"). El tramo divergente 154 está dispuesto de tal forma que el diámetro interno del conducto de salida 150 aumenta aguas abajo del puerto de salida de fluido 114, de tal forma que el tramo de columna aguas abajo 156 tiene un diámetro interno que es mayor que el puerto de salida de fluido 114. De acuerdo con el presente ejemplo, el tramo de pared divergente 154 es troncocónica.
El tramo de columna 156, que se extiende desde el tramo divergente 154, es generalmente recto, ni converge ni diverge a lo largo de la trayectoria de flujo. Esto es, el tramo de columna 156 forma un límite cilíndrico recto alrededor del eje de giro 140 del fluido. Dicho de otro modo, el tramo de columna 156 tiene un diámetro interno que es sustancialmente constante a lo largo del tramo de columna 156.
El aparato generador de vórtice 100 comprende una válvula de control 160 u otro dispositivo de regulación de flujo. La válvula se puede proporcionar como cualquier tipo adecuado de válvula de control de flujo. Por ejemplo, la válvula se puede proporcionar como una válvula de bola de un cuarto de vuelta o una válvula de mariposa, que puede estar provista de un actuador eléctrico, tal como un actuador de 0 a 90 grados, para su cierre.
La válvula 160 se puede operar para controlar el caudal a través del segundo puerto de entrada de fluido 113. Más particularmente, la válvula 160 se puede operar para cerrar el segundo puerto de entrada de fluido 113 parcial o completamente para reducir el caudal a través del segundo puerto de entrada de fluido 113. Es decir, la válvula 160 puede ser ajustable entre una configuración abierta, una configuración parcialmente cerrada y una configuración completamente cerrada.
La Figura 5 muestra un ejemplo del sistema de trabajo fluido 200 que comprende el generador de vórtice 100.
En el contexto de la presente divulgación, un "sistema de trabajo fluido" es un conjunto y/o disposición en el que una parte del sistema realiza trabajo sobre los fluidos, y/o en el que el fluido trabaja sobre una parte del aparato o sistema. Dicho de otra forma, un "sistema de trabajo fluido" es un conjunto y/o disposición en el que el sistema procesa los fluidos.
El aparato generador de vórtice 100 del sistema de trabajo fluido 200 se puede utilizar en una serie de aplicaciones, en donde el modo de operación puede variar dependiendo de la aplicación particular.
El sistema de trabajo fluido 200 comprende un primer depósito de fluido 210. El sistema de trabajo fluido 200 es una fuente de líquido tal como, por ejemplo, una fuente de agua salina o residual. El sistema de trabajo de fluido 200 comprende además una bomba de fluido 220. La bomba de fluido 220 está en comunicación fluida con el primer depósito de fluido 210 y el primer conducto de admisión de fluido 130 para extraer fluido del depósito de fluido 210. La bomba de fluido 220 se puede proporcionar como una bomba de flujo axial o mixto. La bomba de fluido 220 se puede proporcionar también como una bomba centrífuga o una bomba horizontal de cabezal ultra bajo. La bomba de fluido 220 puede utilizar un accionamiento de velocidad variable para ajustar el caudal.
El sistema de trabajo fluido 200 comprende además un segundo depósito de fluido 230, que en este ejemplo es la atmósfera ambiente, y el segundo puerto de entrada de fluido 113 se proporciona en comunicación fluida con el segundo depósito de fluido 230.
La salida 152 del conducto de salida está sumergida debajo de la superficie del primer fluido en el primer depósito de fluido 210 para suministrar así la mezcla del primer fluido y el segundo fluido al primer depósito de fluido 210. Como se puede observar, se forma un vórtice de líquido con un núcleo de aire extendiéndose a través del mismo, lo que da como resultado una descarga de líquido aireado desde la salida 152 del conducto de salida.
Se observa que la bomba 220 puede comprender un rodete. Sin embargo, como la bomba 200 es parte del sistema de trabajo de fluido más grande, a diferencia del aparato generador de vórtice 100, dicho aparato 100 permanece sin rodete.
El sistema de trabajo fluido 200 comprende un sistema de control 240. El sistema de control 240 se puede configurar (por ejemplo, operar) para ajustar el caudal a través del primer puerto de entrada de fluido 112, controlando adecuadamente la bomba 220 para ajustar la tasa de bombeo.
El sistema de control 240 se puede configurar además (por ejemplo, operar) para ajustar el caudal a través del segundo puerto de entrada de fluido 113, controlando adecuadamente la válvula 160. En particular, el sistema de control 240 puede estar configurado (por ejemplo, operado) para controlar la válvula 160 para reducir el caudal a través del segundo puerto de entrada de fluido 113 y, correspondientemente, controlar la bomba 220 para reducir el caudal a través del primer puerto de entrada de fluido 112.
El sistema de control 240 se puede configurar (por ejemplo, operar) para cerrar completamente la válvula 160, deteniendo así el flujo a través del segundo puerto de entrada de fluido 113.
Durante la operación, el primer fluido 10, que es bombeado por la bomba de fluido 220, se suministra al primer conducto de admisión de fluido 130. El primer fluido 10 (o "fluido primario"), que se va a tratar o mezclar, viaja a través del conducto de admisión de fluido 130 y se suministra al tanque de fluido 110. En particular, el primer conducto de admisión de fluido 130 se proporciona sustancialmente en una tangente a la pared lateral 115 del tanque de fluido 110 y se alinea para suministrar el primer fluido 10 a la superficie interna 116 de la pared lateral 115. Por tanto, el primer fluido 10 se somete a remolinos y circulación alrededor del eje de giro 140 del fluido, promoviendo la formación de un vórtice. A medida que el primer fluido 10 viaja a través del primer puerto de entrada de fluido 112, el primer fluido 10 se confina al canal de flujo curvo 120 formado entre el primer segmento de pared lateral 117 y el segundo segmento de pared lateral 118 para ayudar a la transición del flujo lineal a través del primer conducto de admisión de fluido 130 y el flujo de vórtice dentro del tanque de fluido 110. En consecuencia, el canal de flujo curvo 120 guía el flujo que se inyecta en el tanque de fluido 110, y el canal de flujo curvo 120 separa el flujo que se inyecta en el tanque de fluido 110 de un vórtice dentro del tanque de fluido 110.
El flujo del primer fluido 10 provoca un diferencial de presión como resultado del que el segundo fluido 20 (o "fluido secundario") se introduce en el tanque de fluido 110. Es decir, el segundo fluido 20 es introducido bajo la acción del primer fluido 10. Esto hace que el primer fluido 10 y el segundo fluido 20 cooperen para generar un vórtice alrededor del eje de giro 140 del fluido.
El flujo comprende un vórtice del primer fluido 10 que gira alrededor de un núcleo central del segundo fluido 20, que es una región casi cilíndrica centrada sobre el puerto de salida 114. El vórtice se mantiene cuando el primer fluido 10 y el segundo fluido 20 salen del tanque de fluido 110 a través del puerto de salida de fluido 114, de tal forma que el vórtice se extiende también a través del conducto de salida de fluido 150 en forma de chorro anular. Más particularmente, el conducto de salida 150 mantiene la estabilidad del vórtice y lo canaliza hacia el primer depósito de fluido 210.
En última instancia, la mezcla de fluidos 10, 20 pasa por la salida 152 del conducto. De acuerdo con el presente ejemplo, la salida 152 del conducto está ubicada debajo de la superficie del primer depósito de fluido 210. Una disposición de este tipo permite el mezclado y, dependiendo del caso, la aireación. Con la salida 152 del conducto ubicada debajo de la superficie del primer fluido 10, no hay conexión aerodinámica entre el segundo puerto de entrada de fluido 114 y el lado inferior del vórtice.
Por el contrario, hay una primera conexión de fluido entre la cámara de vórtice y el depósito de fluido receptor 210. Por tanto, a medida que el primer fluido 10 viaja desde el tanque de fluido 110, el chorro anular arrastra el segundo fluido 20, lo que se mejora aún más por el chorro anular que se sumerge dentro del conducto de salida 150.
Donde el segundo fluido 20 flota cuando se sumerge en el primer fluido 10, como en el caso del aire (es decir, segundo fluido) y aguas residuales (es decir, primer fluido), se forma una columna de burbujas dentro del conducto de salida 150. La columna de burbujas contiene burbujas del segundo fluido 20 que permanecen en suspensión dentro del conducto de salida 150 durante un período de tiempo prolongado, sin escapar por la salida 152 del conducto ni por el puerto de salida de fluido 114, para mejorar aún más la mezcla y la transferencia de masa.
Al controlar la válvula 160, el caudal del segundo fluido 20 puede reducirse para asegurar una relación de mezcla optimizada. Por otro lado, al cerrar completamente la válvula 160, el aparato generador de vórtice 100 pasa de un primer modo de operación a un segundo modo de operación. En el primer modo de operación, el aparato generador de vórtice 100 lleva a cabo una mezcla de fluidos multifásica, mientras que en el segundo modo de operación lleva a cabo una mezcla monofásica (o "mezcla pura").
Cuando la válvula 160 está parcial o totalmente cerrada, el segundo fluido 20 no se puede reemplazar dentro del tanque de fluido 110 ni en el conducto de salida 150. Esto da como resultado la generación de un vacío parcial, haciendo que la primera superficie de fluido se eleve dentro del tanque de fluido 110. Cuando la válvula 160 está parcialmente cerrada, esto da como resultado un flujo multifásico limitado. Cuando la válvula 160 está completamente cerrada, se genera un flujo puramente monofásico.
De acuerdo con la presente divulgación, un aparato generador de vórtice está provisto de un conducto de admisión de fluido dispuesto tangencialmente al depósito de fluido. Esto provoca la circulación del primer fluido dentro del tanque de fluido y da como resultado la formación de un vórtice. Como resultado, se provoca la aspiración del segundo fluido en el núcleo del vórtice y se proporciona la mezcla del primer fluido y el segundo fluido.
Por otro lado, el aparato generador de vórtice utiliza una geometría estática para generar el vórtice. Es decir, el aparato generador de vórtice es "sin rodete" ya que la configuración especificada del primer conducto de admisión de fluido y el tanque de fluido son suficientes para generar un vórtice estable. En consecuencia, el aparato generador de vórtice tiene una estructura simplificada y menos componentes, de tal forma que se pueda mejorar la rentabilidad de la producción del aparato generador de vórtice. Por otro lado, es posible que sea necesario realizar menos trabajos de mantenimiento y reparación, particularmente con vistas al trabajo de mantenimiento que de otro modo sería necesario para dar servicio a un rodete, por lo que también se reduce el costo operativo. Así mismo, la eficiencia de la mezcla de fluidos se puede mantener comparativamente más tiempo que para un aparato convencional que utiliza un rodete, debido a que el aparato generador de vórtice sin rodete es menos propenso a ensuciarse y desgastarse que un generador de vórtice con rodete.
Así mismo, por medio del canal de flujo curvo se puede lograr una transición de flujo mejorada. Es decir, el canal de flujo curvo guía el flujo recibido a través del primer conducto de admisión de fluido para cambiar así las propiedades de flujo de dicho flujo para generar un vórtice. Por ejemplo, un flujo lineal desde el primer conducto de admisión de fluido puede por tanto convertirse en un flujo de vórtice. Adicionalmente, el canal de flujo curvo separa el flujo dentro del canal de flujo, es decir, el flujo en el proceso de transición, del vórtice dentro del tanque de fluido, es decir, el flujo que ha hecho la transición.
Entregar el primer fluido a lo largo de la superficie externa del tanque de fluido da como resultado que el flujo del primer fluido se desplace a lo largo de los contornos del tanque de fluido. Al impartir una trayectoria de flujo determinada por los contornos del tanque de fluido, se puede mejorar aún más la transición del flujo del primer fluido a un flujo de vórtice. En particular, dicha transición puede por lo tanto comenzar aguas arriba del primer puerto de entrada de fluido.
El flujo a través del tramo divergente 154 se ralentizará como resultado de la expansión del diámetro interno del tramo divergente 154, de forma que el flujo permanezca dentro durante una mayor duración dentro del conducto de salida de fluido 150 para asegurar mejores condiciones de transferencia de masa.
La longitud del conducto de salida de fluido 150 afecta la duración que el flujo pasa dentro del conducto de salida de fluido 150. Al aumentar apropiadamente la longitud del conducto de salida de fluido 150, en comparación con la profundidad del tanque de fluido 110 (es decir, la distancia entre el segundo puerto de entrada de fluido 113 y el puerto de salida de fluido 114), la mezcla de fluidos puede mejorarse porque el aparato generador de vórtice 100 provoca la mezcla de fluidos dentro del puerto de salida de fluido 150.
El segundo puerto de entrada de fluido 113 y la pared lateral 115 centrada en el puerto de salida de fluido 114 pueden mejorar aún más la distribución y la velocidad del flujo para mejorar aún más el núcleo que se genera.
La longitud del tramo de columna 156 del conducto de salida de fluido 150 puede mejorar aún más la mezcla de fluido dentro del aparato generador de vórtice 100. En particular, al proporcionar un tramo de columna 156 que tiene una longitud que es mayor que la profundidad del tanque de fluido 110 (es decir, la distancia entre el segundo puerto de entrada de fluido 113 y el puerto de salida de fluido 114), se puede mejorar la mezcla de fluidos. Particularmente donde el fluido recibido a través del segundo puerto de entrada de fluido 113 flota en el vórtice generado, el tramo de columna 156 así extendido puede mejorar aún más los resultados de la mezcla.
El tramo convergente 158 aguas abajo del tramo de columna 156 funciona aumentando la velocidad de descarga de la mezcla de fluido saturado a medida que se inyecta en el primer depósito de fluido 210 para promover aún más la mezcla en el mismo. El tramo convergente se coloca a una distancia suficiente aguas abajo del conducto divergente y del tramo de columna de tal forma que el aumento de velocidad no interfiera con las condiciones de transferencia de masa mencionadas anteriormente. El tramo convergente permite también una fácil adaptación para las corrientes de fluido aguas abajo y las tuberías correspondientes.
Disponer la pared lateral 115 para confinar un flujo a través del tanque de fluido 110 a lo largo de una espiral puede mejorar la distribución y la velocidad del flujo para que se puedan generar un vórtice y un núcleo estables. Una espiral logarítmica puede proporcionar una distribución particularmente uniforme de flujo y velocidad, mejorando aún más la estabilidad del vórtice y del núcleo.
El tramo divergente 132 del conducto de admisión 130 proporciona una sección transversal interna que aumenta hacia el primer puerto de entrada de fluido 112, lo que puede reducir las pérdidas de energía a un flujo que entra al tanque de fluido 110. Adicionalmente o como alternativa, el tramo divergente 134 puede reducir la obstrucción y el ensuciamiento de las porciones aguas abajo del aparato generador de vórtice 100, tal como el tanque de fluido 110.
Al controlar el caudal a través del segundo puerto de entrada de fluido 113, puede ser posible ajustar relaciones de mezcla optimizadas de los fluidos que se mezclan. Por tanto, por ejemplo, la aireación del tratamiento de aguas residuales puede mejorarse para hacer coincidir la transferencia de oxígeno con la demanda real de oxígeno. Particularmente cuando el generador de vórtice 100 se opera a capacidad reducida, el rendimiento optimizado del generador de vórtice 100 puede por tanto mantenerse en línea con una reducción en el caudal y la potencia de la bomba.
Al proporcionar una válvula que se puede operar para abrir y cerrar, el sistema puede operar en mezcla multifásica cuando la válvula está abierta y, en mezcla alternativa y monofásica cuando la válvula está completamente cerrada.
Al configurar el sistema de control para controlar la entrada de fluido a través de ambos puertos de entrada de fluido 112, 113, es posible ajustar el flujo de fluido a través del aparato generador de vórtice (100), mientras mantiene una alta eficiencia asegurando relaciones optimizadas de admisión a través de los puertos de entrada de fluido 112, 113. Esto también puede permitir un control estricto de la transferencia de masa del segundo fluido para la mezcla.
Al ubicar el conducto de salida 150 dentro del primer fluido 10 y la entrada del segundo fluido 113 fuera del primer fluido 10, se evita la conexión aerodinámica entre la segunda entrada de fluido 113 y el conducto de salida 150. Por lo tanto, el sistema de mezcla de fluidos 200 se puede operar para generar un flujo multifásico o un flujo monofásico controlando adecuadamente el caudal a través de la segunda entrada de fluido 113.
Al proporcionar un segundo conducto de admisión de fluido 170 que se extiende desde un aparato generador de vórtice sumergido 100 hasta un segundo depósito de fluido 230, se permite el suministro del segundo fluido 20 a un aparato generador de vórtice 100 totalmente sumergido.
El diferencial de presión que hace que el fluido sea introducido a través del segundo orificio de entrada de fluido 113 puede utilizarse para extraer partículas de un depósito de partículas (o "suministro"). Tales partículas pueden, por ejemplo, disolverse en los fluidos presentes dentro del generador del aparato de vórtice 100.
El tanque de fluido se puede sellar para que se pueda presurizar. En otros ejemplos, el primer nivel de fluido en el tanque puede ser tal que el fluido en el tanque tenga una superficie libre en todas partes.
La primera fuente de fluido puede ser una fuente de líquido, donde la fuente es una fuente de flujo libre (por ejemplo, de un río, o por un conducto desde un depósito elevado) o bombeada bajo presión (por ejemplo, de una fuente presurizada o bombeada). El primer fluido puede también ser un gas, entregado desde una fuente presurizada o bombeada. La segunda fuente de fluido puede ser la atmósfera/entorno ambiente local, introduciendo aire gaseoso bajo la acción del primer fluido, o un líquido retenido en un depósito introducido al tanque de fluido por la acción del primer fluido, o gas o líquido de una fuente presurizada o bombeada entregado al tanque de fluido/turbulencia independiente de las características de flujo del primer fluido. La segunda fuente de fluido puede comprender también un suministro de partículas, tales como productos químicos en polvo, que se introducen en el depósito de fluido junto con el segundo fluido.
La Figura 6 muestra otro ejemplo de un sistema de trabajo fluido 200. Este ejemplo de sistema 200 difiere del sistema 200 de la Figura 5 en que el aparato generador de vórtice 100 está completamente sumergido en el primer fluido 10. En este caso, el puerto de entrada de fluido secundario 113 puede estar provisto de un conducto de admisión de fluido extendido 170 (o "segundo conducto de admisión de fluido"). El conducto de admisión de fluido extendido 170 se extiende más allá de la superficie del primer fluido 10, permitiendo que el segundo fluido 20 sea introducido en el aparato generador de vórtice 100. Donde el segundo fluido 20 es aire, esto permite la aspiración de aire de la atmósfera por encima de la superficie libre del primer fluido 10. Cuando no se proporciona un conducto de admisión de fluido extendido 170 y el generador de vórtice 100 está completamente sumergido, el generador de vórtice 100 se dispone para mezclar los contenidos que se encuentran dentro del primer depósito de fluido 210 en el sentido de que el segundo puerto de entrada de fluido 113 aspira fluido de las regiones por encima del generador de vórtice 100 y lo mezcla con el contenido entregado a través del primer puerto de entrada de fluido 112.
La Figura 7 muestra otro ejemplo de un aparato generador de vórtice 100. De acuerdo con este ejemplo, el conducto de salida de fluido 150 está provisto de un tramo de columna extendido 156. Es decir, el tramo de columna 156 tiene una longitud que es mayor que la profundidad del tanque de fluido 110. Dicho de otro modo, el tramo de columna 156 tiene una longitud mayor que la distancia entre el puerto de salida de fluido 114 y el segundo puerto de entrada de fluido 113.
El conducto de salida de fluido 150 comprende un tramo convergente 158. El tramo convergente 18 (o "tramo de pared convergente") se extiende desde el tramo de columna 156. El tramo convergente 158 está dispuesto de tal forma que el diámetro interno del conducto de salida 150 disminuye aguas abajo del tramo de columna 156, es decir, se está estrechando hacia la salida 152 del conducto.
La Figura 8 es otro ejemplo de un aparato generador de vórtice 100. De acuerdo con los ejemplos anteriores, el tanque de fluido 110 comprende una única cámara de vórtice 111. De acuerdo con otros ejemplos, tal como el ejemplo ilustrado en la Figura 8, se proporcionan múltiples cámaras de vórtice 111.
De acuerdo con el ejemplo de la Figura 8, el aparato generador de vórtice 100 comprende dos cámaras de vórtice 111, cada una de las que está configurada para generar un vórtice en su interior. De acuerdo con este ejemplo, se proporciona un divisor de flujo 121 para dividir el flujo del primer fluido 10 entre la primera cámara de vórtice 111 y la segunda cámara de vórtice 111. Más particularmente, el divisor de flujo 121 se proporciona como una extensión aguas arriba de las paredes laterales 115 del tanque de fluido 110 que define cada cámara de vórtice 111.
En síntesis, se han descrito los ejemplos de realizaciones de un aparato generador de vórtice sin rodete y de un sistema que comprende dicho aparato. Los ejemplos de realizaciones descritos proporcionan un generador de vórtice mejorado para mezclar fluidos.
Por ende, se proporciona un sistema que logra una mejor distribución de flujo, en comparación con los ejemplos de la técnica relacionada, en todo el tanque de fluido en general, tanto horizontalmente (radialmente) como verticalmente (axialmente). Esto se logra porque el puerto de entrada de fluido está configurado y puede operarse para proporcionar una buena transición de flujo lineal a vórtice, creando así una buena simetría en las condiciones de flujo radialmente en el campo de flujo. Se habilita además porque no hay discontinuidad en la geometría en la extensión vertical del tanque de fluido, lo que asegura que haya una buena distribución de la dinámica del fluido en la dirección axial dentro del tanque de fluido. Estos aspectos limitan las pérdidas de energía y promueven la estabilidad del flujo en comparación con los ejemplos de la técnica relacionada.
El aparato y el sistema pueden fabricarse industrialmente. Una aplicación industrial de los ejemplos de realizaciones quedará clara a partir del análisis del presente documento.
Si bien se han mostrado y descrito la realización o realizaciones preferentes de la presente invención, las personas expertas en la materia entenderán que se pueden realizar cambios sin alejarse del alcance de la invención definido en las reivindicaciones.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Un aparato generador de vórtice sin rodete (100) para mezclar fluidos, que comprende:
un tanque de fluido (110) definido por una pared lateral (115) y que comprende:
un primer puerto de entrada de fluido (112),
comprendiendo el primer puerto de entrada de fluido (112) un canal de flujo curvo (120) definido entre un primer segmento de pared lateral (117) de la pared lateral (115) del tanque de fluido (110) y un segundo segmento de pared lateral (118) de la pared lateral (115) del tanque de fluido (110);
un segundo puerto de entrada de fluido (113), y
un puerto de salida de fluido (114); y
un primer conducto de admisión de fluido (130) en comunicación fluida con el primer puerto de entrada de fluido (112);
en donde el primer conducto de admisión de fluido (130) se proporciona sustancialmente en una tangente al primer segmento de pared lateral (117) de la pared lateral (115) del tanque de fluido (110) y se alinea para suministrar un primer fluido a una superficie interna (116) del primer segmento de pared lateral (117);
caracterizado por que el generador de vórtice comprende, además:
un conducto de salida de fluido (150) dispuesto en comunicación de flujo con el puerto de salida de fluido (114), comprendiendo el conducto de salida de fluido (150):
un tramo divergente (154), y
un tramo de columna (156) en serie con el tramo divergente (154),
en donde el tramo de columna (156) tiene un área de sección transversal interna que es mayor que el área de sección transversal interna del puerto de salida de fluido (114).
2. El aparato generador de vórtice (100) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el primer conducto de admisión de fluido (130) está en interfaz con una superficie externa (119) del tanque de fluido (110) para comunicar el primer fluido a lo largo de la superficie externa (119).
3. El aparato generador de vórtice (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la distancia entre el segundo puerto de entrada de fluido (113) y el puerto de salida de fluido (114) es menor que la distancia entre el puerto de salida de fluido (114) y una salida de conducto (152) del conducto de salida de fluido (150).
4. El aparato generador de vórtice (100) de acuerdo con la reivindicación 3, en donde
el segundo puerto de entrada de fluido (113), el puerto de salida de fluido (114) y la salida del conducto (152) están dispuestos concéntricamente.
5. El aparato generador de vórtice (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el tramo de columna (156) del conducto de salida de fluido (150) tiene una longitud que es mayor que la distancia entre el segundo puerto de entrada de fluido (113) y el puerto de salida de fluido (114).
6. El aparato generador de vórtice (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el conducto de salida de fluido (150) comprende un tramo convergente (158) en serie con el tramo de columna (156).
7. El aparato generador de vórtice (100) de cualquier reivindicación anterior, en donde
la pared lateral (115) del tanque de fluido (110) define una espiral centrada en el puerto de salida de fluido (114).
8. El aparato generador de vórtice (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el primer conducto de admisión de fluido (130) comprende un tramo divergente (132).
9. Un sistema de trabajo fluido (200) que comprende un aparato generador de vórtice (100) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde
el aparato generador de vórtice (100) comprende una válvula (160) operable para controlar el caudal a través del segundo puerto de entrada de fluido (113), y
comprendiendo el sistema de trabajo de fluido (200) un sistema de control que puede configurarse para ajustar el caudal a través del segundo puerto de entrada de fluido (113) controlando la válvula (160).
10. El sistema de trabajo fluido (200) de acuerdo con la reivindicación 9, en donde el sistema de control es operable para cerrar completamente el segundo puerto de entrada de fluido (113).
11. El sistema de trabajo fluido (200) de acuerdo con la reivindicación 9 o 10, que comprende
una bomba de fluido (220) en comunicación de flujo con el primer puerto de entrada de fluido (112), pudiendo configurarse el sistema de control para ajustar un caudal a través del primer puerto de entrada de fluido (112) controlando la bomba de fluido (220).
12. El sistema de trabajo fluido (200) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, que comprende un primer depósito de fluido (210) que contiene el primer fluido (10), en donde la salida (152) del conducto de salida de fluido está sumergida en el primer fluido (10).
13. El sistema de trabajo fluido (200) de acuerdo con la reivindicación 12, el generador de vórtice (100) está totalmente sumergido en el primer fluido (10), y
el generador de vórtice (100) comprende un segundo conducto de admisión de fluido (170), en donde un primer extremo del segundo conducto de admisión de fluido (170) está conectado al segundo puerto de entrada de fluido (113) y un segundo extremo del segundo conducto de admisión de fluido (170) está ubicado fuera del primer fluido (10).
14. El sistema de trabajo fluido (200) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, que comprende un depósito de partículas, y en donde el segundo puerto de entrada de fluido (113) está en comunicación de flujo con el depósito de partículas.
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