GENERADORES DE VORTICIDAD PARA SU USO CON SISTEMAS DE CONTROL DE FLUIDOS
CAMPO DE LA INVENCIÓN
Esta invención se refiere generalmente a sistemas de control de fluidos y, muy particularmente, a métodos y aparatos para generar vórtices de fluidos en áreas de estancamiento en sistemas de control de fluidos.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Típicamente, es necesario controlar los fluidos de proceso en procesos industriales, tales como sistemas de distribución de tuberías de gas y petróleo, en plantas de procesamiento de sustancias químicas, y en procesos sanitarios tales como por ejemplo, procesos de alimentos y bebidas, procesos farmacéuticos, procesos de producción de cosméticos, etc. Generalmente, las condiciones de los procesos, tales como la presión, temperatura y el fluido de proceso, dictan el tipo de componentes de válvulas y válvulas que se van a utilizar para instrumentar un sistema de control de fluidos. Las válvulas típicamente tienen un conducto de fluidos, incluyendo una entrada y una salida, que pasa a través del cuerpo de válvula. Otros
componentes de válvula, tales como un cubre válvula, un elemento de control de flujo o un vástago de válvula, se pueden extender dentro del conducto. Con frecuencia, la configuración de estos componentes en el conducto da como resultado áreas de estancamiento de fluidos, que particularmente son problemáticos en sistemas de control de fluidos que requieren condiciones sanitarias. En las áreas de estancamiento, el flujo de fluidos se reduce, se pueden formar bolsillas de aire y como resultado, microorganismos y otros contaminantes que se pueden acumular dentro de la válvula y/o otras áreas a lo largo de la trayectoria del flujo de fluidos. La figura 1 es una vista en sección transversal de un ejemplo de una válvula de tapón de vástago deslizante conocida 100. La válvula de 100 incluye un cuerpo de válvula 102 que se conecta a una tubería de fluidos (que no se muestra) y recibe un fluido de entrada en un conducto de entrada 104 que se acopla a un conducto de salida 106 a través de un asiento de válvula 108. Un cubre válvula 110, que se monta al cuerpo de válvula 102, guía un sistema de válvula 114, un extremo del cual se acopla a un elemento de control de flujo o tapón 112. El tapón 112 está configurado para que se acople de manera liberable el asiento 108 para controlar o modular el flujo de fluidos a través del conducto 104, 106.
Cuando el tapón 112 está en la posición que se muestra en la figura 1, la válvula 100 está abierta y el fluido se desplaza en la dirección de las flechas pasando el asiento de válvula 108. El fluido también fluye dentro de las áreas de estancamiento 116, y no se pueden lavar de manera adecuada durante las aberturas y cierres sucesivos del tapón 112. Por lo tanto, las áreas de estancamiento 116, que por lo común se refiere como un espacio muerto o espacio de patas, se puede acumular fluido, aire, microorganismos y otros contaminantes y por consecuencia, contaminar el fluido de procesamiento. En el procesamiento de alimentos, cosméticos e industrias biotécnicas, es común emplear válvulas, tubos y otros componentes de control de fluidos que promueven las condiciones sanitarias, por ejemplo, evitando la acumulación de contaminantes dentro de los componentes de control de fluidos. Dicho ejemplo se muestra en la figura 2, en donde una válvula de ángulo de un solo asiento 200 tiene un cuerpo de válvula 202 para la conexión a una tubería de fluidos y recibe un fluido de entrada en un conducto de entrada 204, bajo presión, para acoplarla a un conducto de salida 206 a través de un asiento de válvula 208. Un cubre válvula 210 se monta al cuerpo de válvula 202 y guía un vástago de válvula 214 que se acopla a un tapón 212. Conforme el vástago de válvula 214 se desliza
dentro del cubre válvula 210, el tapón 212 se acopla de manera liberable al asiente 208. El sello del vástago 216 y el sello del cubre válvula 218 sellan el cubre válvula 210 al vástago 214 y el cuerpo de válvula 202, respectivamente. En el diseño de la figura 2, el sello del cubre válvula 218 y el sello de vástago 216 relativamente están cerca al asiento 208 y sustancialmente enjuagan o limpian con el lado del cuerpo de válvula 202 en el conducto de entrada 204. De esta manera, la válvula 200 provee una trayectoria de flujo de fluidos, con áreas de estancamiento reducidas o mínimas, permitiendo de esa manera que la válvula 200 se utilice en aplicaciones de control de fluidos que requieren condiciones sanitarias. Sin embargo, el diseño que se muestra en la figura 2, es relativamente complejo y costoso.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
De acuerdo con un ejemplo, una válvula incluye un cuerpo de válvula y un conducto de fluidos que pasa a través del mismo. El conducto de fluidos incluye una entrada, una salida y un área de estancamiento. La válvula incluye un elemento de control dentro del conducto de fluidos para controlar un flujo de fluidos a través del
conducto y un vórtice que genera la estructura para dirigir un fluido dentro del conducto de fluidos en el área de estancamiento. De acuerdo con otro ejemplo, un aparato que genera vórtice incluye un elemento de comunicación de fluidos, un área de estancamiento de fluidos que está próxima al elemento de comunicación de fluidos, un generador vértice acoplado al elemento de comunicación de fluido. El generador vórtice está adaptado para generar por lo menos un vórtice en el área de estancamiento de fluidos. De acuerdo con otro ejemplo, todavía, un dispositivo de comunicación de fluidos incluye un conducto para comunicar fluidos a través del dispositivo de comunicación de fluidos, un área de estancamiento dentro del conducto, y una estructura de desviación dentro del conducto. La estructura de desviación está configurada para desviar fluidos dentro del área de estancamiento.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La figura 1 es una vista en sección transversal de una válvula de vástago deslizante conocida. La figura 2 es una vista de sección transversal de un diseño de válvula de vástago deslizante de cuerpo de
ángulo diseñada que se puede utilizar en sistemas de control de fluidos sanitarios. La figura 3 es una vista en sección transversal de una válvula de vástago deslizante de cuerpo angular ejemplo que incluye un generador de vórtice ejemplo. La figura 4 es una vista en sección transversal de una válvula de vástago deslizante de cuerpo angular ejemplo alternativa con un generador de vórtice ejemplo alternativo . La figura 5 es una vista en sección transversal parcial de otro cuerpo de ángulo ejemplo alternativo con otro generador de vórtice ejemplo alternativo.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
En general, las válvulas de control de fluidos ejemplo que se describen en la presente, incluyen un cuerpo de válvula a través del cual el fluido puede fluir mediante un conducto de fluidos que tiene una entrada y una salida. El conducto de fluidos puede tener una o más áreas de estancamiento en las cuales se pueden acumular fluidos y/u otros contaminantes. Para reducir al mínimo y/o evitar los efectos adversos de la(s) área(s) de estancamiento (por ejemplo, crecimiento de bacteria), las válvulas de control de fluidos ejemplo que se describen en
la presente invención incluyen una estructura que genera un vórtice configurado para dirigir el fluido dentro de el (las) área(s) de estancamiento. Algunas válvulas de control de fluidos conocidas incorporan diseños de conducto de fluidos que están sustancialmente nulas de áreas de estancamiento. Sin embargo, dichos diseños de conductos de fluidos típicamente incrementan la complejidad y costo de manufactura de una válvula de fluidos. Por otro lado, las válvulas de control de fluido ejemplo descritas en la presente invención incluyen una estructura que genera un vórtice, que permite el uso de una manufactura relativamente fácil (es decir menores costos) con diseños de válvula menos costosos mientras se elimina o reduce al mínimo los efectos adversos de las áreas de estancamiento. En un ejemplo, una válvula de control de fluidos incluye una estructura que genera un vórtice, integral con un cubre válvula de válvula y/o incluye una estructura que genera vórtice corriente arriba y próxima a cualquier área(s) de estancamiento dentro de la válvula. En otro ejemplo, una válvula de control de fluidos emplea una estructura que genera un vórtice en una sección de un tubo próximo a una entrada de la válvula para impartir una turbulencia adecuada del fluido al fluido entrante, y
facilitar la limpieza de cualquier área(s) de estagnación dentro de la válvula. La figura 3 es una vista transversal de una válvula de vástago deslizante de cuerpo angular conocida 300 que incluye un generador de vórtice ejemplo 301. Como se muestra en la figura 3, la válvula ejemplo 300 incluye un cuerpo de válvula 302 para la conexión a una tubería de fluidos, o un elemento similar de comunicación de fluidos, y recibir un fluido de entrada en un conducto de entrada 304, bajo presión, para acoplarlo a un conducto de salida 306 a través de un asiento de válvula 308. Un cubre válvula 310 está montado al cuerpo de válvula 302 incluye una extensión 312 que se extiende dentro del conducto 304 y termina en una estructura en forma de brida 314 que rodea la parte inferior de la extensión 312. En el ejemplo de la figura 3, la estructura en forma de brida 314 tiene una sección transversal en forma de rampa. Sin embargo, la estructura en forma de brida 314 podría tener alternativamente una sección transversal curva. Un vástago de válvula 316, se extiende a través de la porción central del cubre válvula 310 y tiene un extremo que está configurado para que esté operativamente acoplado a un actuador (que no se muestra) y otro extremo acoplado a un tapón 318 u otro elemento de control de fluidos que se adapta para permitir y/o bloquear el flujo
de fluidos a través de la válvula 300. El vástago 316 está axialmente deslizable dentro del cubre válvula 310 y sellado al cubre válvula 310 mediante un sello de vástago 320. El cubre válvula 310 además está sellado al cuerpo de válvula 302 mediante un sello de cubre válvula 322. Los sellos 320 y 322 pueden ser empaques u otras estructuras adecuadas de sellado que rodean el vástago 316 y el cubre válvula 310, respectivamente, para evitar que el fluido de proceso tenga una fuga o se escape de la válvula 300. El tapón 318 está adaptado para acoplar axialmente el asiento de válvula 308 y controlar el flujo de fluidos a través de la válvula 300, mediante los conductos 304 y 306. En la posición que se muestra en la figura 3, el tapón 318 está en contacto con el asiento de válvula 308 y la válvula 300 está cerrada, es decir el fluido de proceso no fluirá a través de la válvula 300 desde el conducto de entrada 304 al conducto de salida 306. Cuando se eleva el vástago de válvula 316, el tapón 318 se eleva desde el asiento 308 para permitir que el fluido fluya pasando el asiento de válvula 308 y hacia el conducto de salida 306, es decir, la válvula 300 está abierta. En la posición abierta o en la posición cerrada, el fluido de proceso que incluye líquidos y gases, se puede acumular en un extremo estático o área de estancamiento 324, que es un área de estancamiento de
fluidos alrededor del cubre válvula 310 cerca de una porción superior de la extensión 312. Sin embargo, la brida 314 altera el flujo de fluido en los conductos 304 y 306, como se muestra por medio de las flechas de flujo de fluidos ejemplo 350. En particular, el flujo de fluidos gue pasa a través del conducto de entrada 304 golpea a la brida 314, gue desvia o dirige parte del fluido dentro del área de estancamiento 324 para crear vórtices o remolinos dentro de la misma. En otras palabras, la brida 314 funciona como un impedimento de flujo corriente abajo que crea un brote hidráulico, lo gue disipa la energía como turbulencia o vórtices. La turbulencia o vórtices limpian el área de estancamiento 324 haciéndolos menos estancados, lo gue descompone o elimina los bolsillos de aire y limpia de microorganismos los fluidos y otros contaminantes gue se hayan acumulado en el mismo. Por lo general, no es deseable crear vórtices, remolinos u otras turbulencias en sistemas de fluidos de proceso porque cierta turbulencia se considera ineficiente (es decir, vórtices, remolinos, turbulencia, tienden a incrementar la resistencia de flujo) . Como es sabido, un cubre válvula con lados rectos es muy deficiente y provee un coeficiente de flujo relativamente bajo o una resistencia de flujo baja. Sin embargo, dichos cubre válvulas con lados rectos no promueven las condiciones
sanitarias de válvulas que tienen un área de estancamiento o un extremo estático. Como se describió arriba, en relación con la válvula cié ejemplo 300, la brida 314 funciona como un generador de VORTICIDAD, lo que crea vórtices, remolinos o turbulencia en el área de estancamiento 324 e impulsa los gases (por ejemplo, el aire) y otros fluidos estancados y crea una velocidad de fluidos que evita la acumulación y la adhesión de organismos tales como, por ejemplo, bacterias u otros contaminantes. Por lo tanto, la brida 314 provoca al menos que parte del fluido pase a través de la válvula 300, mediante los conductos 304 y 306, para que se diversifiquen o se dirigen de manera que limpie el área de estancamiento 324. El generador de vórtice 301 se puede utilizar para facilitar y/o mejorar la limpieza en sitio (CIP) , el agua caliente en sitio (HWIP) , y el vapor en sitio (SIP) y/u otros procedimientos de limpieza muy conocidos. Por ejemplo, el generador de vórtice 301 se puede utilizar para dirigir sustancias químicas de limpieza, como por ejemplo También agua caliente, y/o vapor dentro del área de estancamiento 324 como se describió arriba. Cuando se utiliza con los sistemas de limpieza CIP, el generador de vórtice incrementa la eficiencia del procedimiento de limpieza requiriendo menos agua de enjuague después de que
los agentes de limpieza limpien una superficie interior de la válvula 300. Alternativa o adicionalmente , el procedimiento de limpieza se puede desarrollar utilizando solamente agua caliente o un material cáustico, seguido por agua caliente en lugar de un material cáustico seguido por vapor. En cualguier caso, el generador de vórtice 301 de la figura 3, simplifica los procedimientos de limpieza reguiriendo menores pasos y/o menos material de limpieza y, como resultado, puede reducir significativamente los costos asociados con la limpieza de un sistema de control de fluidos. En la válvula de ejemplo en la figura 3, la brida 314 tiene una sección transversal en forma de rampa o sección transversal angulada. Sin embargo, se podrían utilizar otras formas o configuraciones para generar vórtices en el área de estancamiento 324. Por ejemplo, la brida 314 se podía instrumentar como una estructura curva integralmente formada con la extensión 312 y/o el cubre válvula 310. Alternativa o adicionalmente, la brida 314 u otra estructura que genera vórtice, puede ser un componente separado que está acoplado a la extensión 312 y/o el cubre válvula 310. Además, el generador de vórtice 301 se puede utilizar en otros componentes en un sistema de control de fluidos. Por ejemplo, el generador de vórtice ejemplo 301
se podría utilizar en relación con los sensores montados en el vapor de procedimiento tal como, por ejemplo, una sonda de temperatura. Una sonda de temperatura montada en la parte superior de una tubería, puede crear extremos estáticos en el área adyacente del vapor de proceso. Acoplando el sensor con un generador de vórtice tal como el generador de vórtice ejemplo 301 reduciría el estancamiento en los extremos estáticos y promovería condiciones sanitarias de una manera similar a la que se describe arriba. En una modalidad alternativa que se muestra en la figura 4, una válvula de vástago deslizante 400 no tiene ni extensión ni brida como se describió en relación con la válvula de ejemplo en la figura 3. En la modalidad de la figura 4, la estructura que genera vórtice incluye un propulsor estático 455 acoplado a un tubo 460, adyacente a un conducto de entrada 404. El propulsor 455, tiene un cubo central 456, al cual se acoplan las aspas 458. El cubo 456 está soportado por una estructura circular en forma de aro 459 que permite el acoplamiento del propulsor estático 455 al tubo 460. En modalidades alternativas, el propulsor 455 puede también estar acoplado como un dispositivo separado o modular, que está montado entre las bridas del tubo o los accesorios sanitarios .
En el ejemplo de la figura 4, el propulsor 455 está fijo, de tal manera que no gira o de otra manera no rota con relación al tubo 460. Conforme las lineas de corrientes de vapor o los tubos de vapor de agua pasan a través del propulsor 455, la forma de las aspas 458 provocan que el fluido forme vórtices como se muestra por medio de las flechas 450. El propulsor 455, puede ser particularmente útil en largas tuberías en donde será formado en la pared del tubo, una capa limítrofe laminar completa. Los vórtices inducidos por el propulsor 455, reducen la capa limítrofe que se edifica cerca de las paredes del tubo 460 y limpian el área de estancamiento 424 y/u otros contaminantes. Aunque el propulsor 455 del presente ejemplo tiene cuatro aspas 458, el propulsor 455 puede tener otra cantidad de aspas. En lugar de lo anterior, o además del propulsor 455, las aspas individuales se pueden fijar al tubo 460 en el interior dentro o sin el cubo 456. Dichas aspas individuales, que se fijan al tubo 460 y están separadas por una distancia longitudinal, imparten un vórtice en el fluido mientras reducen al mínimo la resistencia de flujo al fluido. El número y colocación de las aspas individuales permiten una transferencia entre la resistencia de flujo de fluidos mientras provocan que el fluido gire con respecto al eje del tubo 460, dirigiendo a
esa manera el fluido dentro del área de estancamiento 424. Como sucede con la brida 314 del ejemplo que se muestra en la figura 3, el propulsor 455 o las aspas individuales del presente ejemplo facilitan o mejoran la limpieza del área de estancamiento 424, evitando la acumulación de contaminantes bajo la operación normal con fluidos de procesamiento. Además, el presente ejemplo desvia los fluidos de limpieza y/o el agua caliente dentro del área de estancamiento 424, mejorando asi la eficiencia de los procesos CIP, H P, SIP y/u otros procedimientos de limpieza . Además, el propulsor ejemplo 455 también se puede utilizar en otras áreas de un sistema de control de fluidos. Por ejemplo, en un sistema de control de fluidos tales como, por ejemplo, un sistema sanitario, las capas limítrofes laminares pueden formar en una larga corrida recta de un tubo. En esa capa limítrofe, el esfuerzo cortante debido a la velocidad es lo suficientemente baja para que los contaminantes, por ejemplo, el crecimiento de bacterias, se puedan acumular. Colocando un propulsor 455, u otra estructura generadora de vórtice, en la corrida recta, generaría una turbulencia espiral a través de la corriente, y aún a lo largo de las paredes del tubo, lo que ayuda a desintegrar la capa limítrofe y, por lo tanto eliminar y limpiar los contaminantes. No solamente esta
configuración permitiría una limpieza efectiva a bajas velocidades, sino que la estructura generadora de vórtice puede limpiar los tubos mejor que las velocidades lineares de corriente. En una modalidad alternativa que se muestra en la figura 5, una válvula de vástago deslizante 500 tiene un cubre válvula 510 que incluye una estructura espiral generadora de vórtice, tal como hendiduras espirales 565. Las hendiduras 565 se pueden formar integralmente en una porción del cubre válvula 510, que se extiende dentro de los conductos 504 y 506, y se extiende alrededor de la porción inferior del cubre válvula 510 para desviar el flujo de fluidos dentro de un área de estancamiento 524. Por lo menos, parte del fluido que fluye a través de la válvula 500, impide en el cubre válvula 510 y se acopla a las hendiduras espirales 565, para provocar que el fluido gire alrededor del cubre válvula 510, lo que provoca al menos que parte del fluido se dirija dentro del área de estancamiento 524 como se muestra por las flechas 550. Adicionalmente, las hendiduras espirales 565 se podrían extender a lo largo de la longitud total del cubre válvula 510 o solamente a una porción del mismo. También, las hendiduras espirales, 565 cuya geometría podría contener desviaciones completas y/o parciales. Como se describió anteriormente con el otro ejemplo, los generadores de
vorticidad y las estructuras de desviación de fluidos, las hendiduras espirales 565 se podrían utilizar para facilitar los procedimientos de limpieza CIP, H IP, SIP y/u otros procedimientos de limpieza. Todavía en otra modalidad alternativa, la estructura espiral incluye un reborde espiral en lugar de hendiduras espirales 565 de la figura 5, tal como un reborde espiral, formado alrededor de una porción exterior de un cubre válvula, además puede incluir una sección transversal inclinada, curva, y/o en forma de rampa. Los fluidos que golpean este reborde se desvían dentro del área de estancamiento 524. Las estructuras que general vórtice ejemplo, se podrían utilizar para reducir la necesidad de los procedimientos de limpieza de que se desarrollen sistemas de comunicación de fluidos debido a una reducción y/o prevención del estancamiento de fluidos en un extremo estático u otra (s) área(s) de estancamiento. Dicha reducción y/o prevención de estancamiento de fluidos promueve las condiciones sanitarias y reduce la presencia de contaminantes en el fluido de proceso. Por ejemplo, la turbulencia incrementada en las áreas de estancamiento de fluidos reduce o elimina las condiciones favorables al crecimiento de bacterias, disminuyendo de esa manera la frecuencia en la cual se deben desarrollar los procesos de
limpieza en una distribución de fluidos o sistema de control. Esta necesidad reducida de limpieza disminuye los costos de limpieza incluyendo los costos asociados con la falla del sistema de procesamiento de fluidos. Además, las estructuras generadoras de vórtice ejemplo permite que los procesos de limpieza (por ejemplo, CIP, HWIP, SIP, etc.) operen con mayor eficiencia dirigiendo o desviando las sustancias químicas de limpieza, el vapor y/o agua caliente dentro de las áreas de estancamiento. La eficiencia incrementada de las operaciones de limpieza pueden reducir la cantidad de sustancias químicas y/o energía que se necesitan para desarrollar los procedimientos de limpieza. Adicionalmente, las estructuras generadoras de vórtice ejemplo se podrían acoplar a o formar dentro de otras estructuras o componentes de una válvula, tubería u otro fluido o elemento de comunicación material o dispositivo. Por ejemplo, una temperatura u otro sensor en una válvula o un tubo se podrán ajusfar con una estructura espiral, curva, o en forma de rampa, tal como el ejemplo descrito arriba con respecto a la figura 3, para dirigir el fluido dentro de las áreas de estancamiento. Además, las estructuras generadoras de vórtice ejemplo, descritas en la presente invención, se pueden utilizar en las
uniones , en las uniones Y y/o en las entradas y salidas de tuberías o tanques. Aunque ciertos métodos, aparatos y artículos de manufactura ejemplo se han descrito en la presente invención, el alcance de cobertura de esta patente no se limita a la misma. Por el contrario, esta patente ampara todos los métodos, aparatos y artículos de manufactura que estén dentro del alcance de las reivindicaciones anexas, ya sea literalmente o bajo la doctrina de otros equivalentes .