PT1734251E

PT1734251E - Injector de combustível

Info

Publication number: PT1734251E
Application number: PT05425435T
Authority: PT
Inventors: Marcello Cristiani; Paolo Pasquali; Luigi Gagliardi
Original assignee: Magneti Marelli Powertrain Spa
Priority date: 2005-06-17
Filing date: 2005-06-17
Publication date: 2007-03-30
Also published as: US20070001033A1; PL1734251T3; DE602005000514D1; DE602005000514T2; CN1880753A; US7204434B2; ATE352714T1; BRPI0602704A; EP1734251B1; ES2279500T3; EP1734251A1

Description

ΕΡ 1 680 213 /PT

DESCRIÇÃO "Injector de expansão de água sob pressão para gerar microbolhas numa instalação de flutuação" O presente invento refere-se a um injector de expansão para gerar microbolhas numa célula de flutuação ("flotação"). São conhecidas instalações de tratamento de águas que incluem uma célula de flutuação, na qual é admitida água bruta, previamente floculada depois misturada com a água sob pressão expandida de modo que os materiais em suspensão contidos na água bruta sejam arrastados pela microbolhas que resultam desta expansão, depois evacuados, com a forma de lamas, na superfície do líquido contido na célula, sendo a água evacuada pelo fundo desta célula. Uma tal instalação é descrita, nomeadamente, em EP-A-0 659 690 e em WO 03/064326. Instalações parecidas são descritas em US-A-5154351 e US-A-5332100. A flutuação ("flotação") constitui pois uma tecnologia de clarificação (separação sólido/líquido), a qual é uma alternativa â decantação, pelo menos, para certos tipos de água.

De acordo com esta tecnologia relembrada atrás, após o passo de coagulação-floculação, a água é misturada com um "leite" (emulsão) de microbolhas, em geral de ar (que apresentam um diâmetro médio compreendido entre 3 0 a 89 μιη) . Estas microbolhas ligam-se aos flocos, os quais desse modo aligeirados, tendem a subir para a superfície da célula de flutuação, onde os mesmos se acumulam para formarem uma camada ou leito de lamas. Assim como foi mencionado atrás, as lamas são extraídas na superfície do flutuador ("flotador"), enquanto que a água clarificada é evacuada pelo fundo do aparelho.

Uma parte desta água clarificada (em geral da ordem dos 10% da água a tratar) é bombeada a 4 ou 6.105 Pa num balão específico (denominado balão de pressurização) onde o ar se dissolve em grande quantidade (até 5 vezes a concentração máxima do ar na água à pressão atmosférica) . Durante uma 2

ΕΡ 1 680 213 /PT expansão brutal para a pressão atmosférica, a água é posta na condicão de sobre saturação e gera microbolhas. Esta expansão é realizada por sistemas estáticos denominados injectores de expansão. Estes injectores de expansão são colocados numa zona específica onde as microbolhas são misturadas à água floculada.

Para ser fisicamente separada da água num decantador, um floco deve ser denso ou de grande tamanho.

Ora para ser separada por flutuação ("flotação"), é suficiente que o dito floco seja formado; o mesmo pode ser pequeno e muito leve. A floculacão pode pois ser simplificada, de onde a ausência quase geral de polímero para o tratamento por flutuação ("flotação") das águas pouco carregadas e a utilização de reactores de floculacão mais pequenos que os dos decantadores.

Pelo contrário, os geradores de microbolhas devem produzir microbolhas de diâmetro muito pequeno com uma energia dissipada no meio compatível com a fragilidade do floco.

Até ao presente, os flutuadores têm apenas estado em condicões insuficientes de fazer concorrência à geração dos decantadores rápidos lamelares, com leito de lamas ou com lastro, pelas seguintes razões: - volume em geral subdimensionado na sua zona de floculacão, - velocidade de separação relativamente fracas, - custo energético da pressurizacão.

No entanto, desde há alguns anos apareceram flutuadores rápidos que utilizam módulos lamelares em co-corrente ou sistemas de retoma específicos. São anunciadas velocidades de 20 a 40 m/h. Aliás, os tempos de floculacão baixam em função do objectivo de floco procurado e das tecnologias com mais rendimento utilizadas.

Nestas condicões de tempos de floculacão reduzidos e de velocidades elevadas no flutuador, a flutuação mostra-se 3

ΕΡ 1 680 213 /PT extremamente competitiva em relação aos decantadores. É a razão pela qual esta tecnologia faz actualmente um volta em força, especialmente na clarificação das águas pouco carregadas com aumentos de compactação e de simplicidade da exploração.

Mas com aparelhos que apresentam tais rendimentos de floculação e de velocidade de separação, é necessário que as microbolhas sejam, em particular, adaptadas em número e em qualidade.

Os tempos reduzidos da floculação exigem microbolhas muito finas, a fragilidade dos flocos exige energias de mistura fracas, as grandes velocidades de separação não admitem defeitos das microbolhas activas.

Estes constrangimentos fizeram que em certos casos, os injectores de expansão clássicos, de dimensão industrial, não tivessem permitido atingir os rendimentos esperados. Por exemplo, nos condutores de tamanho semi-industrial, os pequenos injectores de expansão (100 1/h a 500 1/h) permitiam atingir velocidades de separação na célula de flutuação de 30 m/h, enquanto que numa instalação industrial, equipada com injectores de expansão maiores (l 000 a l 500 1/h) a velocidade do flutuador não podia ultrapassar os 20 m/h. É, portanto necessário desenvolver um novo injector melhor adaptado às exigências dos flutuadores rápidos de tamanho industrial.

Existem actualmente numerosos tipos de injectores de expansão para a clarificação das águas. Em relação a isto podemos referir o artigo de E. M. Rykaart e J. Haarhoff (Wat.Sc. Tech. Vol. 31, n.° 3-4. págs. 25 a 35, 1995) intitulado "Behaviour of air injection nozzles in dissolved air flotation", o qual menciona os principais tipos de injector. Este artigo refere-se nomeadamente a injectores caracterizados por compreenderem: - uma expansão dupla/injector WRC e DWL) ou uma expansão simples (NIWR); 4

ΕΡ 1 680 213 /PT - uma expansão seguida por uma câmara de amortecimento da velocidade (NIWR e DWL); - uma expansão seguida por uma secção divergente para retardar a velocidade (aqui depois denominado injector "B" ) . 0 injector WCR é descrito nomeadamente em FR-P-1 444 026. O mesmo inclui: - um primeiro andar de expansão que realiza, essencialmente, a expansão, sendo este andar realizado com a forma de um diafragma; - uma câmara intermédia de transferência e de expansão na qual o gás (por exemplo, o ar) é quase na totalidade desabsorvido graças ao primeiro andar de expansão e à turbulência que reina nesta câmara; a altura desta câmara é relativamente importante. A título de exemplo na patente citada atrás, é indicado que esta altura é igual ao diâmetro do orifício do segundo andar de expansão; - um segundo andar de expansão que realiza de facto a transferência de uma zona de grande energia para uma zona de fraca energia ou fraca velocidade; este andar é realizado com a forma de um diafragma cujo orifício apresenta um diâmetro, o qual é sempre superior ao do orifício do primeiro andar de expansão e, de preferência, 2 vezes maior; o objectivo deste invento é de obter as velocidades mais fracas possíveis na saída do injector para não partir os flocos aos quais se vão ligar as bolhas; - um tubo de saída e de difusão cujo papel é proteger o floco das velocidades ainda relativamente grandes na saída do diafragma e obter uma velocidade suficientemente fraca na saída do tubo.

Partindo deste estado da técnica (injector WRC), o invento propõe proporcionar um novo injector que permite obter nas instalações industriais (injectores de grande 5

ΕΡ 1 680 213 /PT capacidade > 500 1/h rendimentos hidráulicos de facto não atingidos e nomeadamente um funcionamento a mais de 30 m/h em vez de 20 m/h com o injector "B" de acordo com o estado anterior da técnica.

Por conseguinte, este invento refere-se a um injector de expansão de água sob pressão para gerar microbolhas numa instalação de flutuação ("flotação"), que inclui um primeiro andar de expansão, uma câmara intermédia de transferência, um segundo andar de expansão e um tubo de saída, sendo o injector caracterizado por: - o primeiro andar de expansão realizar uma pré-expansão ao absorver de 5 a 20% da pressão disponível; - o segundo andar de expansão, no qual se efectua o essencial da expansão, fazer passar a água sob pressão da pressão de saturação para a pressão de saída do injector; - a câmara intermédia ser une câmara de trânsito, na qual a água sob pressão se aproxima da pressão de saturação ao absorver 5 a 30% da pressão disponível; e - o tubo de saída constituir um tubo de expansão brutal e de delimitação da cavitação, correspondendo o seu comprimento mínimo sensivelmente à distância que separa a extremidade do dito tubo ao lado do segundo andar de expansão do ponto de recolamento dos jactos nas paredes do tubo, com um ângulo de divergência α dos jactos, antes do recolamento, compreendido entre 3 e 12°, de preferência, entre 6 e 9o.

De acordo com uma característica deste invento, os primeiro e segundo andares de expansão são realizados com a forma de um diafragma, que inclui um ou vários orifícios de qualquer forma, sendo o diâmetro hidráulico do orifício do primeiro andar, ou do orifício equivalente, se este andar incluir vários orifícios, superior ao diâmetro hidráulico do orifício do segundo andar, ou do orifício equivalente se este andar ao incluir vários.

De acordo com uma outra característica do invento, a expansão dl é efectuada por meio de uma válvula, por um 6

ΕΡ 1 680 213 /PT labirinto ou por qualquer outro dispositivo de restrição de escoamento.

De acordo com uma outra característica do invento, a câmara intermédia ou de trânsito apresenta uma altura, quer dizer uma distância que separa o primeiro andar de expansão do segundo andar, a qual é inferior ao diâmetro do orifício do diafragma da primeira expansão (ou do orifício equivalente, se este andar incluir vários orifícios), de preferência, igual a metade deste diâmetro.

Outras características e vantagens do presente invento serão salientadas a partir da descrição feita aqui a seguir, com referência aos desenhos anexos, os quais ilustram um exemplo de realização, bem como os resultados obtidos. Nos desenhos: a FIG. 1 é um esquema que representa, em corte axial, um injector de acordo com o presente invento; a FIG. 2 refere-se a experiências de laboratório e ilustra os resultados proporcionados pelo invento em relação aos obtidos com o auxílio de injectores de acordo com o estado anterior da técnica relembrado atrás, e a FIG. 3 traduz os dados industriais, os quais ilustram os resultados proporcionados pelo invento em relação aos obtidos com o auxílio dos injectores de acordo com o estado anterior da técnica.

Referindo os desenhos, vê-se que o injector de acordo com o presente invento inclui um primeiro andar de expansão realizado aqui com a forma de um diafragma que inclui um orifício de diâmetro di, uma câmara intermédia ou de transferência 3, um segundo andar de expansão 2, que inclui dois ou mais orifícios (sendo o diâmetro hidráulico equivalente destes orifícios igual a d2) , e um tubo de saída 4.

Assim, de acordo com o invento, o diafragma que constitui a expansão de um andar, pode incluir um ou vário orifícios. Se o mesmo inclui vários orifícios (como é o caso 7

ΕΡ 1 680 213 /PT do segundo andar de expansão 2 deste exemplo de realização), o diâmetro hidráulico d (seja d2 neste exemplo de realização) é o diâmetro equivalente de um orifício cuja superfície é igual à soma das superfícies dos orifícios deste diafragma.

Como foi já mencionado atrás, o primeiro andar de expansão 1, realiza uma pré-expansão simples , sendo o objectivo que a montante do segundo andar de expansão 2, a pressão fique próxima da pressão de saturação da água pressurizada. 0 diâmetro hidráulico dl do orifício do sistema de restrição do escoamento que constitui o primeiro andar 1, é superior ao diâmetro hidráulico d2 do orifício do diafragma que constitui o segundo andar 2 (ou do orifício equivalente, quando este diafragma inclui vários orifícios como é o caso do modo de realização ilustrado pela FIG. 1). De preferência, dl é igual a 1,5 d2. Neste andar a perda de carga é da ordem de 5 a 35%, de preferência, da ordem de 15%.

Na câmara de transferência 3, o gás (nomeadamente o ar) não deve ser desabsorvido. Existe um espécie de continuidade com o primeiro andar de expansão 1 e, de acordo com o presente invento, a altura da câmara 3 deve ser inferior ao diâmetro hidráulico equivalente do orifício do sistema de restrição do escoamento do primeiro andar de expansão 1, sendo esta altura e a distância que separa os dois andares de expansão, tal como se vê na FIG. 1. Esta câmara intermédia de transferência 3 constitui uma câmara de trânsito que permite a aproximação à saturação. A perda de carga obtida nesta câmara 3 é da ordem de 5 a 30%. O segundo andar de expansão 2 é, de acordo com o presente invento, a única expansão eficaz, a qual faz passar a água pressurizada da pressão de saturação para a pressão de saída do injector (altura de imersão do injector) . Tal como foi mencionado atrás, o diâmetro hidráulico d2 do orifício (ou do orifício equivalente) do diafragma que constitui este andar 2 é sempre inferior ao do primeiro andar 1 e, de preferência, cerca de 1,5 vezes mais pequeno. A perda de carga obtida graças a este segundo andar de expansão 2 é da ordem de 60 a 90%, de preferência, 70%. O objectivo é concentrar num ponto a totalidade da expansão e a geração de microbolhas. Este segundo andar de expansão 2 é de 8

ΕΡ 1 680 213 /PT alargamento brutal, sendo o ângulo de saída do ou dos orifícios do diafragma que o constituem raso (180°) ou compreendido entre 90 e 270°.

No tubo de saída 4 é efectuada a geração de microbolhas, as quais permitem realizar dois fenómenos: - uma expansão brutal (sem divergente), - uma zona de cavitação (pressão absoluta = 0) efectiva e mantida atrás do segundo andar de expansão 2.

Estes fenómenos são realizados se a segunda expansão é brutal (sem divergente ou divergente com um ângulo ao centro < 90° ou > 270°) e se o tubo apresenta um comprimento suficiente para que a zona de depressão não seja alimentada pelo líquido exterior ao injector. De acordo com o invento, este comprimento L é função do diâmetro do tubo e, essencialmente, da distância entre a parede externa do ou dos jactos e da parede interna do tubo. De acordo com o invento e como se vê claramente na FIG. 1, o comprimento mínimo L do tubo 4 corresponde sensivelmente à distância que separa a extremidade do dito tubo ao lado do segundo andar de expansão 2 do ponto de recolamento dos jactos nas paredes do tubo, com um ângulo α de divergência dos jactos, antes do recolamento, compreendido entre 3 e 12°, de preferência, entre 6 e 9°.

De acordo com o presente invento, a fim de realizar um bom fecho desta zona de cavitação, é necessário que o diafragma que constitui o segundo andar de expansão 2, inclua quer um único orifício central de qualquer forma (circular, quadrado, rectangular, elíptico, quer vários orifícios, situados a igual distância do centro do diafragma. O tubo pode terminar por um divergente de extremidade 5 que apresenta a forma de um trompete, de modo a melhorar os rendimentos e a reduzir a velocidade de saída. Esta característica proporciona duas vantagens: - um melhor recolamento da ou das veias líquidas e, portanto um fecho melhor da zona de cavitação, 9

ΕΡ 1 680 213 /PT - um retardo das velocidades de saída do injector compatível com a resistência mecânica dos flocos.

Este tipo de realização permite gerar mais bolhas grandes do que os injectores WRC mas as microbolhas são mais finas.

Estes injectores foram caracterizados em laboratório depois testados em aparelhos industriais na situação de produção.

Resultados de ensaios e rendimentos 1) Ensaios de laboratório

Foi testada uma meia centena de injectores. Sendo estes injectores derivados dos seguintes tipo: - injectores indicado em seguida por B incluindo um expansão seguida de uma secção divergente para retardar a velocidade; - injectores do tipo WRC, os quais foram descritos atrás; e - injectores objecto do presente invento, indicados pela referência DGT. 0 seu débito é de cerca de 1,5 m3/h. Os mesmos são alimentados de água por meio de um balão de pressurização a 5.105 Pa. Os injectores estão mergulhados numa cuba transparente que apresenta uma capacidade de um m3 onde é realizado um certo número de medidas: • Quantidade de bolhas grandes geradas pelo injector. Este débito é comparado em % com a quantidade de ar efectivamente dissolvido no balão. • Qualidade do leite de microbolhas. Uma medida específica por medidor de turbidez permite apreciar a qualidade global das microbolhas. Uma grande turbidez corresponde a microbolhas mais numerosas e/ou mais finas. 10

ΕΡ 1 680 213 /PT • Velocidade à saída do injector. O objectivo é obter a velocidade mais fraca.

As curvas ilustradas na FIG. 2 visualizam os resultados obtidos em turbidez do leite de microbolhas e em % de grandes bolhas. 0 melhor injector é, normalmente, o injector que gera o mínimo de bolhas grandes e o que tem o leite mais denso.

Os resultados mostram que: - os injectores WRC geram poucas bolhas grossas mas a densidade do leite de microbolhas é fraco; - os injectores B e DGT (de acordo com o invento) geram mais bolhas grandes e paradoxalmente apresentam um leite mais denso; quanto mais existem grandes bolhas mais o leite é denso, sendo a quantidade de ar disponível mais fraca, o aumento de densidade apenas é explicado pelas microbolhas mais finas; o injector DGT de acordo com o presente invento é tem mais rendimento que o injector B nos 2 parâmetros.

Os números associados aos injectores DGT (25, 35, 65, 90) correspondem aos comprimentos L em mm dos tubos 4 munidos de uma extremidade em trompeta 5 (quadrados pretos). Verifica-se que um comprimento insuficiente de 25 mm não permite gerar um leite denso. É necessário ter um comprimento de, pelo menos, 35 mm para que as veias líquidas façam o recolamento nas paredes e a fim de obter um leite de qualidade. Tendo em conta o facto de que o diafragma que constitui o segundo andar de expansão 2 incluía 3 orifícios, o ângulo α de difusão do jacto para realizar o recolamento â parede em 35 mm está compreendido entre 6e9° (12 a 18° no centro). Um comprimento demasiado importante aumenta a quantidade de grandes bolhas provavelmente por atrito. A qualidade do leite tem tendência a diminuir.

Os rendimentos dos injectores DGT de acordo com o presente invento, com tubos de saída 4 desprovidos de trompete estão representados por quadrados claros. As extremidades em trompete 5 fazem ganhar 5% a 20% de turbidez e reduzem as velocidades de saída do injector de 10% a 40%. 11

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Em conclusão, os melhores injectores parecem ser o injector WRC+ melhorado (fraca quantidade de grandes bolhas e turbidez correcta) e os injectores DGT 35 (grande densidade do leite apesar de uma taxa importante de grandes bolhas. 2) Testes em flutuadores industriais

Estes testes foram realizados numa grande fábrica de água potável que inclui cinco flutuadores que trabalham em paralelo, nas mesmas condições, estando cada um equipado com injectores de um tipo diferente.

Com excepção do injector "B" tomado como referência, os injectores retidos todos equipados com tubos de saida com extremidades em trompete eram os seguintes:

- injector B - injector WRC+ - injector DGT 35 - injector DGT 65 - injector DGT 100

Numa água difícil e para os dois débitos testados (velocidade de recondução para a superfície de separação por flutuação: 20 m3/m2/h e 30 m3/m2/h, os resultados obtidos de turbidez da separação por flutuação e de velocidade no flutuador, estão indicados na FIG. 3. 0 exame desta FIG. 3 mostra que: - todos os injectores proporcionam quantidades de microbolhas quase suficientes a 20 m/h (taxa de pressurização = 13%); - a 3 0 m/h e com uma taxa de pressurização de 8,5%, aparece claramente a diferença entre os injectores; - os injectores B desprendem por défice microbolhas devido, provavelmente, a um excesso de bolhas grandes; - Os injectores WRC+ perdem sem dúvida em eficácia porque as suas microbolhas são em geral maiores; 12

ΕΡ 1 680 213 /PT - Apenas os injectores DGT 65 e DGT 100 não desprendem com a velocidade; são portanto os injectores que geram a quantidade maior de microbolhas; o comprimento do divergente do DGT 35 não é suficiente para gerar microbolhas da mesma qualidade.

Em conclusão, parece que, de modo surpreendente, o injector que gera 5 vezes mais bolhas grandes (50% contra 10%) é finalmente o injector o injector com mais rendimento em flutuação. Isto é provavelmente devido ao facto, como já se mencionou, de que as microbolhas geradas são mais pequenas. As condições de geração destas microbolhas são uma expansão brutal com formação de uma zona de cavitação não realimentada graças a um tubo divergente na extremidade em trompeta suficientemente comprido.

Deve ser bem entendido que o presente invento não está limitado aos exemplos de realização ou de utilização descritos e/ou mencionados atrás, mas que o mesmo inclui todas as variantes. É assim que, nomeadamente, o diâmetro hidráulico dl do orifício do primeiro andar de expansão 1, ou do orifício equivalente se este andar incluir vários orifícios, pode estar compreendido entre 1,6 e 1,1 vezes o diâmetro do orifício do segundo andar de expansão ou do orifício equivalente se este andar incluir vários orifícios.

Lisboa,

Claims

ΕΡ 1 680 213 /PT 1/2 REIVINDICAÇÕES 1 - Injector de expansão de água sob pressão para gerar microbolhas numa instalação de flutuação ("flotação"), que inclui um primeiro andar de expansão (1), uma câmara intermédia de transferência (3), um segundo andar de expansão (2) e um tubo de saída (4) , sendo o injector caracterizado por: - os primeiro e segundo andares de expansão serem realizados com a forma de um diafragma, que inclui um ou vários orifícios, sendo o diâmetro hidráulico (di) do orifício do primeiro andar (1) , ou do orifício equivalente, se este andar incluir vários orifícios, superior ao diâmetro (d2) do orifício do segundo andar, ou do orifício equivalente se este andar ao incluir vários, podendo os orifícios acima mencionados ter qualquer forma mas, de preferência, circular, e por: - o primeiro andar de expansão (1) realizar uma pré-expansão ao absorver de 5 a 20% da pressão disponível; - o segundo andar de expansão (2), no qual se efectua o essencial da expansão, fazer passar a água sob pressão da pressão de saturação para a pressão de saída do injector; - a câmara intermédia (3) ser une câmara de trânsito na qual a água sob pressão se aproxima da pressão de saturação ao absorver 5 a 30% da pressão disponível; e - o tubo de saída (4) constituir um tubo de expansão brutal e de delimitação da cavitacão, correspondendo o seu comprimento mínimo (L) sensivelmente à distância que separa a extremidade do dito tubo ao lado do segundo andar de expansão do ponto de recolagem dos jactos nas paredes do tubo, com um ângulo de divergência (a) dos jactos, antes do recolagem, compreendido entre 3 e 12°, de preferência, entre 6 e 9°.
2 - Injector de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o orifício do primeiro andar de expansão ser constituído por uma válvula, por um labirinto ou por qualquer outro dispositivo de restrição de escoamento. ΕΡ 1 680 213 /PT 2/2
3 - Injector de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a câmara intermédia ou de trânsito (3) apresentar uma altura (e) , quer dizer uma distância que separa o primeiro andar de expansão (1) do segundo andar (2), a qual é inferior ao diâmetro (dl) do orifício do diafragma que constitui o primeiro andar de expansão, de preferência, igual a metade deste diâmetro.
4 - Injector de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o diafragma que constitui o segundo andar, incluir um único orifício central.
5 - Injector de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o diafragma, que constitui o segundo andar, incluir uma pluralidade de orifícios, situados a igual distância do centro do diafragma.
6 - Injector de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por o diâmetro hidráulico (dl) do orifício do primeiro andar de expansão (1) ou do orifício equivalente, se este andar incluir vários orifícios, estar compreendido entre 1,6 e 1,1 vezes o diâmetro do orifício do segundo andar de expansão ou do orifício equivalente, se este andar incluir vários orifícios.
7 - Injector de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o segundo andar de expansão (2) ter um alargamento brutal, sendo ângulo de saída do ou dos orifícios do diafragma, que constitui o mesmo, plano (180°) ou compreendido entre 90° e 270°.
8 - Injector de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o tubo de saída (4) terminar num divergente de extremidade com a forma de trompete (5). Lisboa,