PT2136137T - Separador ciclónico cónico de vapor/água - Google Patents
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Description
DESCRIÇÃO "SEPARADOR CICLÓNICO CÓNICO DE VAPOR/ÁGUA"
Campo e antecedentes da invenção A presente invenção refere-se, de um modo geral, a separadores ciclónicos para separar vapor de água, no tambor de vapor de uma caldeira. A patente norte-americana n.° 2,271,634, de Fletcher, divulga um separador ciclónico cilíndrico tendo uma câmara de turbulência circular, uma entrada tangencial, uma saída de vapor central situada na parte superior da câmara de turbulência circular e uma saída de água situada na parte inferior da câmara de turbulência. A fim de evitar que a descarga de água seja realizada através da saída de vapor, é fornecido um meio para aumentar o componente descendente do fluxo de entrada da mistura de vapor e água. Este meio reside numa placa segmentada tendo arestas inclinadas no sentido descendente e para a retaguarda que faz com que a mistura de vapor e água de entrada seja defletida no sentido descendente em direção à saída de água do separador. A patente norte-americana n.° 2,293,740, de Kooistra, divulga um separador ciclónico de design semelhante que não utiliza a placa segmentada, mas, em vez disso, usa um recipiente inferior na parte inferior da câmara de turbulência que limita o vapor à porção superior da câmara de turbulência e evita que este passe para a água separada no momento de descarga da câmara de turbulência, para o interior do tambor. A patente norte-americana n.° 2,298,285, de Fletcher, divulga outra variante do separador ciclónico cilíndrico, desta vez, usando uma aba ou tampa na parte superior da saída de vapor do separador ciclónico, juntamente com a placa segmentada. 0 bordo atua no sentido de reforçar a separação de água e a redução da queda de pressão no separador. A patente norte-americana n.° 2,321,628, de Rowand et al, divulga um separador ciclónico que se aproxima mais, em termos de configuração, do presente padrão apresentado na FIG. 1 da presente aplicação. A câmara circuladora de turbulência nesta referência é o tronco de um cone na porção superior e é substancialmente cilíndrica na porção inferior em que se efetua a descarga da água. Mais uma vez, é usada uma entrada tangencial no sentido de fornecer a mistura de vapor e água ao separador ciclónico, e esta entrada tangencial tem uma extensão vertical substancialmente equivalente àquela da porção afunilada da câmara de turbulência. A configuração afunilada atua de tal modo que direcione a mistura de vapor e água de entrada num sentido ligeiramente descendente, a fim de evitar a dispersão ascendente da água defletida e reforçar a separação do vapor desta. A patente norte-americana n.° 2,346,672, de Fletcher, divulga um separador ciclónico substancialmente cilíndrico, desta vez, tendo, em vez de uma entrada tangencial, uma entrada de vapor/água de grande dimensão que se estende sobre uma grande fração do perímetro do separador ciclónico. Conforme indicado na referência, a entrada pode estender-se aproximadamente até 1/3 do perímetro do separador ciclónico, a fim de fornecer capacidades de fluxo adequadas. Um objetivo reside em produzir um separador ou densificador que funcione de modo eficaz com uma queda de pressão reduzida, de tal modo que possa ser usado de modo vantajoso em situações em que haja apenas uma cabeça de pressão disponível. A patente norte-americana n.° 2,395,855, de Fletcher, divulga um separador ciclónico substancialmente cilíndrico tendo uma entrada tangencial e em que o centro de saída de vapor se situa de modo excêntrico relativamente ao centro da câmara de turbulência, a fim de reforçar a separação de vapor da água. Este design usa igualmente a placa segmentada referida nas patentes descritas anteriormente. A patente norte-americana n.° 2,402,154, de Fletcher, e a patente norte-americana n.° 2,395,855 referidas anteriormente são ambas divisões da mesma aplicação. A patente 2,395,855 refere-se ao tipo particular do próprio separador de fluidos, ao passo que a patente 2,402,154 se se refere à combinação deste dispositivo num gerador de vapor. A patente norte-americana n.° 2,434,637, de Brister, a patente norte-americana n.° 2,434,663, de Letvin, e a patente norte-americana n.° 2,434,677, de Stillman, referem-se a vários aspetos do cone perfurado usado na parte superior do separador ciclónico, a fim de reforçar a separação de vapor da água. A patente norte-americana n.° 2,532,332, de Rowand, refere-se à construção particular de separadores que, atualmente, são considerados, de um modo geral, depuradores secundários. A patente norte-americana n.° 2,732,028, de Coulter, refere-se igualmente de um dispositivo separador ciclónico muito semelhante àquele usado neste momento. O separador ciclónico tem a secção superior troncocónica referida anteriormente e a secção inferior geralmente cilíndrica com uma entrada de vapor/água tangencial situada no lado da secção troncocónica. De um modo geral, a ênfase desta referência é dada a meios de simplificação da construção para efeitos de acessibilidade e reparação dos elementos situados no tambor de vapor. Isto é realizado através da divisão do espaço de vapor do tambor em compartimentos independentes, sendo que um ou mais destes são abertos relativamente ao espaço de água do tambor para as válvulas de segurança de tambor necessárias, ao passo que um ou mais dos outros compartimentos são abertos relativamente aos separadores de água e vapor do tambor para as saídas de vapor saturado. As partições são usadas para realizar esta divisão e são eficazes na manutenção da separação dos componentes de tambor durante o funcionamento normal, mas danificam-se facilmente quando as válvulas são abertas. A patente norte-americana n.° 2,891,632, de Coulter, refere-se a um separador ciclónico de vapor bastante semelhante àquele divulgado na patente de Fletcher referida anteriormente (patente norte-americana n.° 2,346,672), com a exceção de que, em vez da entrada de vapor/água se situar apenas aproximadamente ao longo de 1/3 da circunferência do separador, este separador ciclónico tem a totalidade da circunferência fornecida com um conjunto de aletas que "cortam" a mistura de vapor e água de entrada em folhas finas, a fim de reforçar a separação do vapor da água. A patente norte-americana n.° 5,033,915, de Albrecht, refere-se igualmente a um separador ciclónico de vapor. O separador ciclónico é uma versão modificada do separador ciclónico cónico padrão que fornece uma queda de pressão inferior àquela do ciclone cónico padrão para um número equivalente ou uma capacidade de vapor equivalente dos separadores. A principal modificação deste separador passa pelo alargamento da entrada tangencial do separador ciclónico em três polegadas. Este aumento em termos de comprimento aumenta a área de fluxo de entrada ciclónica em 28%. A FIG. 1 é uma vista em corte lateral de um separador ciclónico convencional que é atualmente usado pelo cessionário da presente invenção. 0 separador ciclónico convencional é designado de um modo geral 4 e compreende uma porção cónica 8 à qual se encontra conectada uma entrada de vapor/água tangencialmente ligada e verticalmente alongada 6. A entrada 6 corresponde, em termos de comprimento axial, ao comprimento axial da porção cónica 8 . 0 separador ciclónico 4 inclui uma saida de vapor cilíndrica superior 10 que, em uso, é rodeada por uma tampa com uma cobertura perfurada (não apresentada).
Uma saída de água cilíndrica inferior 12, tendo um anel de saída de água 14, é ligada à parte inferior da porção cónica 8 para efeitos de descarga de água que foi separada da mistura de vapor/água. O separador ciclónico convencional da FIG. 1 pode ser melhorado por meio da redução da sua queda de pressão sem afetar de modo negativo o condensador do separador. A FIG. 2 é uma vista em corte lateral de um separador ciclónico 20 descrito na patente norte-americana n.° 5,033,915. 0 separador ciclónico 20 inclui uma entrada tangencial 26 que se estende até à porção cilíndrica inferior 22 do separador ciclónico 20. A descarga do vapor que passa pelo separador ciclónico 20 é realizada pela saída de vapor cilíndrica superior 30. Uma porção cilíndrica inferior 22 tendo uma saída de água em forma anelar 24 é ligada à parte inferior da porção cónica 21 para efeitos de descarga da água que foi separada da mistura de vapor/água. A largura da entrada 26 do separador ciclónico 20 é definida pela parede externa tangencial 28 e aresta interna 32 de uma parede interna 34 .
Sumário da invenção
Os aspetos particulares e formas de realização são definidos nas reivindicações dependentes e independentes em anexo. A presente invenção procura melhorar o separador ciclónico da FIG. 1, ao reduzir a sua queda de pressão sem afetar de modo negativo a sua capacidade. A presente invenção procura igualmente fornecer um desempenho de avaliação do separador ciclónico das FIG. 2 e 3, ao mesmo tempo que permite que o dispositivo seja instalado em tambores de vapor de diâmetro inferior. A presente invenção fornece um separador ciclónico cónico modificado para aplicações que necessitam de uma queda de pressão inferior àquela que o ciclone cónico padrão proporcionaria, para um número equivalente ou uma capacidade de vapor equivalente dos separadores. O novo ciclone cónico oferece uma maior capacidade em relação ao vapor e água, à queda de pressão inferior e não é afetado por flutuações de nível de água. Este novo tipo de separador ciclónico cónico de queda de pressão reduzida é uma versão modificada do separador ciclónico cónico padrão e tem um design de comprimento inferior ao separador ciclónico cónico de pressão reduzida apresentado nas FIG. 2 e 3. Uma das principais diferenças entre este separador e o separador ciclónico cónico padrão passa pela entrada tangencial do novo separador ciclónico ter sido alargada em 11 mm (7/16 polegadas). Este aumento em termos de comprimento aumenta a área de fluxo de entrada ciclónica em 28%. 0 alargamento da entrada tangencial estende a configuração de entrada horizontal até à porção cónica do separador ciclónico, ao mesmo tempo que mantém o mesmo comprimento que o ciclone cónico padrão. Este difere do separador ciclónico de queda de pressão reduzida apresentado nas FIG. 2 e 3. 0 ciclone de queda de pressão reduzida tinha uma entrada tangencial alargada e um comprimento total resultante superior. A presente invenção fornecerá um separador ciclónico cónico que terá o mesmo comprimento total que o separador ciclónico cónico padrão e uma área de fluxo equivalente à do separador ciclónico cónico de queda de pressão reduzida. Deste modo, o espaço total envolvente do separador ciclónico da presente invenção no tambor de vapor mantém-se substancialmente o mesmo que aquele do ciclone cónico padrão.
No separador ciclónico convencional da FIG. 1, o comprimento axial da porção cónica do separador, bem como o comprimento axial coincidente da entrada, equivale aproximadamente a metade da altura total do separador. De acordo com a presente invenção, o comprimento axial da entrada permanecerá o mesmo, mas o comprimento horizontal da entrada aumentará aproximadamente em 11 mm (7/16 polegadas), o que equivale aproximadamente a um aumento de 28% da área de fluxo da abertura de entrada e a um aumento da largura total da entrada do separador de aproximadamente 16%.
Conclui-se que esta modificação reduz substancialmente a queda de pressão do separador quando comparada com o separador padrão sem afetar de modo negativo a capacidade do separador. Conclui-se igualmente que a modificação é quase tão eficaz como os separadores ciclónicos de queda de pressão reduzida nas FIG. 2 e 3, ao obter uma queda de pressão reduzida sem afetar de modo negativo a capacidade do separador. Um beneficio importante desta invenção passa pela capacidade de incorporar um separador ciclónico de queda de pressão inferior num tambor de vapor que não pode aceitar o comprimento superior do separador ciclónico de queda de pressão reduzida apresentado nas FIG. 2 e 3.
As várias caracteristicas de novidade que caracterizam a invenção são destacadas de forma mais pormenorizada nas reivindicações que se encontram em anexo e fazem parte desta divulgação. Para uma melhor compreensão da invenção, das suas vantagens operacionais e benefícios específicos relativos aos seus usos, faz-se referência aos desenhos em anexo e texto descritivo em que se ilustra uma forma de realização preferencial da invenção.
Descrição sucinta dos desenhos
Nos desenhos: A FIG. 1 é uma vista em corte lateral de um separador ciclónico cónico convencional; A FIG. 2 é um separador ciclónico de queda de pressão reduzida descrito na patente norte-americana n.° 5,033,915; A FIG. 3 é uma vista em corte horizontal do separador apresentado na FIG. 2; A FIG. 4 é uma vista em corte vertical de um separador ciclónico da presente invenção; A FIG. 5 é uma vista em corte horizontal do separador apresentado na FIG. 4; A FIG. 6A é um gráfico apresentando o carryover de humidade em relação ao fluxo de vapor para o separador ciclónico convencional e o separador ciclónico de queda de pressão reduzida descrito na patente norte-americana n.° 5,033,915; A FIG. 6B é um gráfico apresentando o carryover de humidade em relação ao fluxo de vapor para o separador ciclónico convencional e o separador ciclónico de queda de pressão reduzida de comprimento regular da presente invenção; A FIG. 7A é um gráfico apresentando a queda de pressão ciclónica cónica em relação ao fluxo de vapor para o separador ciclónico convencional e o separador ciclónico cónico de queda de pressão reduzida descrito na patente norte-americana n.° 5,033,915; A FIG. 7B é um gráfico apresentando a queda de pressão ciclónica cónica em relação ao fluxo de vapor para o separador ciclónico convencional e o separador ciclónico de queda de pressão reduzida de comprimento regular da presente invenção; A FIG. 8 é um gráfico apresentando o carryover de humidade em relação ao fluxo de vapor para o separador ciclónico convencional e o separador ciclónico de queda de pressão reduzida de comprimento regular; A FIG. 9A é uma entrada tangencial de um separador ciclónico da presente invenção; e A FIG. 9B é uma caixa de ligações para ligar a entrada tangencial apresentada na FIG. 9A, por exemplo, a uma linha de vapor saturada.
Descrição da forma de realização preferencial
Consultando os desenhos em particular, em que números de referência semelhantes designam os mesmos elementos ou elementos funcionalmente semelhantes ao longo de vários desenhos, bem como as FIG. 4 e 5 em particular, a invenção incorporada nas FIG. 4 e 5 compreende um separador ciclónico cónico designado de um modo geral 40 que é montado no interior de um tambor de vapor (não apresentado). Preferencialmente, o separador ciclónico 40 é adaptado no sentido de ser montado no interior um tambor de vapor com um diâmetro interno inferior a 60 polegadas. O objetivo de um separador ciclónico passa por melhorar a eficiência da separação entre vapor e água numa mistura de vapor/água, ao agitar a mistura a alta velocidade no interior do separador. A massa superior da água faz com que se movimente para fora do fluxo de turbulência, resultando numa concentração de vapor cuja descarga é realizada através da saída cilíndrica superior 50. Através da saída 50, o vapor é ainda separado e tratado por depuradores convencionais e outro equipamento (não apresentado). A descarga da água que foi removida da mistura é realizada por meio de uma porção cilíndrica inferior 42 e uma saída de água em forma anelar 44 na parte inferior do separador 40. O separador 40 inclui uma porção cónica principal 41.
Uma entrada de vapor/água tangencialmente ligada e axialmente alongada 46 é conectada ao separador. Conforme é melhor apresentado na FIG. 5, a abertura tangencial entre a entrada 46 e o interior do separador 40 equivale aproximadamente a 1/3 da circunferência do separador 40. Conforme os separadores ilustrados nas FIG. 1, 2 e 3, o separador 40 das FIG. 4 e 5 tem um diâmetro interno máximo de aproximadamente 292 mm (11,5 polegadas), com a entrada 46 tendo uma largura, na secção horizontal superior, de 68 mm (2 11/16 polegadas) entre uma parede externa tangencial 48 e a aresta interna 52 de uma parede interna 54. Ver igualmente a FIG. 9A. De acordo com a presente invenção, a relação entre largura e altura da entrada 46 é, deste modo, aproximadamente 1:4. No separador convencional da FIG. 1, esta relação é aproximadamente 1:5 e, relativamente ao separador de queda de pressão reduzida das FIG. 2 e 3, esta relação é aproximadamente 1:6,5.
Numa forma de realização, um comprimento axial da entrada 46 é cerca de metade do comprimento axial da caixa ou separador ciclónico 40 .
Realizaram-se testes exaustivos no sentido de comparar o desempenho do novo separador ciclónico cónico 40 das FIG. 4 e 5 com o desempenho do separador convencional da FIG. 1 e separador de queda de pressão reduzida das FIG. 2 e 3.
Nas FIG. 6-8, o desempenho do separador ciclónico de queda de pressão reduzida 40 da presente invenção é comparado com o separador ciclónico padrão e o separador de queda de pressão reduzida mais alto apresentados nas FIG. 2 e 3. Conforme apresentado na FIG. 6, a capacidade de fluxo de vapor dos separadores é igual. Na FIG. 6, dependendo das condições de pressão e fluxo, a redução em termos de queda de pressão pode variar entre 25 a 40%.
Com base nos dados apresentados nas FIG. 6-8, o desempenho do novo separador ciclónico cónico de pressão reduzida 40 foi formulado como se segue: (1) a capacidade de vapor é a mesma que aquela do separador ciclónico cónico ID padrão de 292 mm (11,5 polegadas) e (2) a queda de pressão é 30% inferior àquela do separador ciclónico cónico ID padrão de 292 mm (11,5 polegadas).
De acordo com a presente invenção, uma modificação relativamente simples produz resultados substancialmente melhores de uma maneira inesperada.
Claims (3)
1. Um separador ciclónico (40) para separar vapor de água numa mistura de vapor/água, compreendendo: uma caixa de separador tendo uma porção cónica (41) com um comprimento axial, uma aresta superior e uma aresta inferior, uma porção de saida de vapor cilíndrica superior (50) ligada à aresta superior da porção cónica (41) e tendo uma abertura central para a descarga de vapor da caixa; uma porção de saida de água cilíndrica inferior (42) tendo um anel de saída de água inferior (44) para efeitos de descarga de água da caixa; e uma entrada de mistura de vapor/água axialmente alongada (46) ligada tangencialmente à caixa, a entrada (46) tendo uma relação entre largura e altura de aproximadamente 1:4, um comprimento axial equivalente a aproximadamente 50% do comprimento axial da caixa, a entrada (46) inclui uma parede tangencial externa (48) e uma parede interna (54) tendo uma aresta interna (52), a entrada (46) tendo uma largura superior entre a parede tangencial externa (48) e a aresta interna (52) de aproximadamente 68 mm (2 11/16 polegadas), e em que a entrada (46) estende o comprimento axial total da porção cónica (41).
2. O separador ciclónico (40) de acordo com a reivindicação 1, em que a caixa tem um diâmetro interno máximo de 292 mm (11,5 polegadas).
3. 0 separador ciclónico (40) de acordo com a reivindicação 1, em que a entrada (46) tem uma largura inferior maior do que a largura superior e em que a entrada (46) termina na porção cilíndrica inferior (42).
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