PT88764B - Isqueiro a gas liquefeito - Google Patents

Description

A presente invenção refere-se a um isqueiro de gás liquefeito, dotado com: uma estrutura na qual se encontra um depósito para gás liquefeito; uma chaminé de evacuação, podendo estabelecer-se um fluxo de gás entre o referido depósi to e a referida chaminé; um dispositivo de obturação do refe rido fluxo, que compreende um obturador; um meio limitador não regulável do caudal do referido fluxo; e um meio condutor do referido fluxo do interior do deposito para o obturador.

Nos isqueiros conhecidos até agora, a própria complexidade do processo de ensambladura e a dispersão das propriedades das matérias primas originam desvios do caudal de gás e, portanto, da altura da chama desejada. A este efeito inevitável há que acrescentar a influência da temperatura que, por fazer variar a pressão do gás contido no depósito, introduz também variações na altura de chama relativamente aos valores de.fabrico, atingindo-se em alguns casos valorores fora dos limites aconselháveis para a segurança do utili zador e dos que são racionais para o funcionamento do isquei ro. Em muitos países, o limite superior de altura da chama está prescrito legalmente, sendo usual a recomendação da ASTM na sua Norma F-4OO-85 (Novembro de 1985).

Os isqueiros da última geração (sem dispositivo de regulação do caudal) conseguem a limitação do fluxo pela uti lização de membranas microporosas (quase exclusivamente da marca Celgard, tipos 2400 e 2500) e padecem dos defeitos an

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teriores e, adicionalmente, de dificuldades de manipulação na montagem, dada a tenuidade da membrana microporosa e a instabilidade desta com o uso, devido à sua inconsistência (espessura de 0,025 mm e resistência à rotura de 1,4 Kg/mm ) e à alteração das suas propriedades com a temperatura. É tí pico o fenómeno de chamas de grande altura e perigosas para a segurança do utilizador anos uma queda do isqueiro, devido à rotura da membrana como consequência do golpe de aríete da massa de gás liquefeito no momento do imnacto.

Uma solução habitual consiste em munir os isqueiros com um dispositivo regulável de limitação do caudal de gás, mas isso comporta um encarecimento do produto e, em qualquer caso, apenas permite um ajuste da altura da chama depois de verificados os seus efeitos indesejados.

É já conhecido que alguns isqueiros de gás obtêm a limitação do fluxo de gás mediante a comnressão regulável de tecidos ou esponjas fibrosos (patente de invenção norte-americana N2 1 737 037) ou por meio da utilização de membra nas microporosas (-patente de invenção francesa N2. 2 613 638 ou patente de invenção norte-americana N2 4 496 309), bem como de materiais sinterizados ou compactados ror qualquer processo especial (patente de invenção francesa N2 2 450 418). Todas estas disposições se baseiam numa concepção comum. Dada a incapacidade de então conseguir, num processo industrial, o meio de medição constituído por um único orifício calibrado com uma secção de passagem extremamente reduzida e com dimensões que 0 tornem utilizável industrialmente, recorre-se, nas diferentes técnicas mencionadas, à sobreposição de múltiplos canais de passagem, com propriedades hidrodinâmicas individual

mente desconhecidas, mas ajustando-se essas propriedades glo balmente (isto é, integradas numa certa área ou sunerfície de passagem, com uma dispersão inevitável inerente ao próprio conceito estatístico do mecanismo) a valores médios apropria dos para o seu uso em isqueiros. Portanto, ao falar-se de uma secção de passagem, introduziu-se um novo factor de variação no caudal, visto que a referida secção deve materializar-se e estará portanto sujeita a dispersões próprias do seu processo de fabrico.

As técnicas para a obtenção dos referidos elementos limitadores do caudal são sempre complexas e os resultados do processo estão frequentemente fora de controlo, sendo aprovei tável apenas uma estreita franja entre toda a produção. As micro-roturas próprias das membranas microporosas materializam-se por um estiramento bidireccional num processo de laminação a temperatura controlada, sendo imprescindível para a obtenção de uma porosidade apropriada ir até uma película extremamente fina, com as dificuldades de manipulação e de processamento ulterior fáceis de imaginar. Também, a porosidade das peças sinterizadas usadas durante algum tempo como limita doras do caudal estão muito aquém do normal nas peças -próprias desta técnica, como são os filtros e separadores, compreenden do uma grande complexidade e dificuldade no processo de obten ção.

A presente invenção pronõe-se -proporcionar um isque_i ro com o qual sejam eliminados estes inconvenientes citados e se proporciona um caudal mais constante.

Surpreendentemente isso consegue-se com um isqueiro do tipo indicado na introdução, caracterizado por o referido !

meio limitador e o referido meio condutor serem constituídos por um único tubo de comprimento maior do que 5 mm, com pelo menos uma passagem longitudinal que apresenta uma secção de passagem, e com uma secção total de passagem, soma das secções de passagem das várias passagens, compreendida entre

0,03 θ 0,002 mm , estando esse tubo ajustado hermeticamente à estrutura (2) do isqueiro, directamente ou através de uma peça de suporte.

Com o referido tubo limitador, o isqueiro á mais seguro e funcional do que os habitualmente conhecidos, dado que se consegue uma maior robustez, uma menor dispersão no caudal de gás e uma maior estabilidade do referido caudal com as variações da temperatura. Além disso, consegue-se obter uma redução importante do seu custo através da diminuição do custo dos seus componentes e da simplificação da montagem.

Outras particularidades e vantagens do isqueiro se gundo a presente invenção estão indicadas na descrição seguin te de formas de realização preferidas. A referida descrição não tem qualquer valor limitativo e é feita com referência aos desenhos anexos, cujas figuras representam:

A fig. 1, um corte axial da válvula de um isqueiro de gás liquefeito, estando a estrutura do isqueiro e do tubo limitador interrompida;

A fig. 2, uma forma de realização semelhante à representada na fig. 1; e

As fig. 3a-3f> exemplos de secções transversais do tubo.

isqueiro compreende uma estrutura (2) que está re

presentada apenas nas suas porções adjacentes à válvula. Nas fig. 1 e 2 deve entender-se que a estrutura se estende para baixo e constitui um depósito (4) para gás liquefeito.

A estrutura (2) compreende também a tubuladura (6) na qual se distingue uma porção (8) saliente e uma porção (10) que se introduz no depósito (4). Esta tubuladura (6) é de preferência cilíndrica e apresenta um furo de passagem (12) longitudinal, eventualmente com troços de diâmetros diferentes. Na tubuladura (6) aloja-se a válvula e, quando esta se abre, verifica-se uma circulação de gás combustível a partir do depósito (4), designando-se no seguimento por sentido de montante e sentido de jusante, respectivamente, o sentido para o depósito e o sentido inverso.

Considera-se preferível que, nelo menos na porção (10) da tubuladura (6), se encontre ajustada hermeticamente uma peça de suporte (14) que, de preferencia, tem uma expansão lateral (16) que se situa imediatamente por cima da porção (10).

A peça de suporte (14) apresenta um orifício (18) no qual se introduz de maneira estanque um tubo (20), efectuando-se a referida introdução por meio de um encaixe basea do na pequena diferença entre os diâmetros do furo e do tubo, ou por qualquer outro sistema que garanta a imobilização e a estanqueidade, por exemplo por rebordeamento, colagem com um adesivo ou similares. De preferência, esta introdução faz-se num comprimento de 3 a 5 mm.

A presente invenção também prevê que o tubo (20) seja introduzido directamente na própria estrutura (2); nesse caso, a estrutura dispõe de um orifício análogo ao orifí-6J

----_/ cio descrito (18).

referido tubo (20) e um meio para a condução do fluxo do gás contido no deposito (4) e, ao mesmo tempo, um meio limitador do caudal do referido fluxo.

referido tubo tem um comprimento maior do que 5 mm e, de preferência, atinge a proximidade do fundo, não representado, do deposito (4) do isqueiro. Arresenta de nreferência apenas uma passagem longitudinal (22), embora segundo a presente invenção se preveja também a possibilidade de várias passagens longitudinais (22a), (22b) e (22c), independentes, sendo a secção de passagem total (eventualmente como resultado da soma das secções de passagem das várias passagens independentes) extremamente reduzida, compreendida en- tre 0,03 θ 0,002 mm , consoante a forma da secção que se tenha escolhido e outros parâmetros. A forma exterior do tubo é substancialmente cilíndrica e o seu diâmetro exterior esíá compreendido de preferência entre 0,5 e 1 mm. A secção de passagem de cada uma das passagens (22) é substancialmente constante em todo o comprimento do tubo (20), sendo alem dis so a referida secção de dimensão conhecida e rré-determinada, em função da limitação de caudal que se cretende obter.

tubo (20) é de um material com uma grande estabi lidade química, térmica e dimensional e apropriado para o seu fabrico, condições estas que são satisfeitas cor um homo polímero acetálico.

São preferidas configurações das rassagens (22) em cuja secção transversal é elevada a relação -nerímetro/área da secção. Por isso, prevêm-se passagens nas quais há superfícies longitudinais (24) substancialmente opostas de modo

que se definem interstícios muito estreitos entre as superfícies (24) opostas, formando-se umas pequenas fendas que, em alguns casos, apresentam uma configuração labiríntica.

As secções representadas nas fig. 3a a 3f são exemplos de diversas geometrias de secções de passagem utilizáveis com os fins propostos de limitação de caudal. Mais adiante faz-se referência de novo a estas configurações especiais quan do se tratar das questões de uerda de carga.

Os tubos (20) são fabricados por extrusão, com di mensões um certo número de vezes maiores do que as do produ to acabado, sendo a dificuldade do processo análoga à da ob tenção de um tubo qualquer. Na saída da máquina de extrusão, com o material ainda no estado de plasticidade, e por um pro cesso semelhante ao da obtenção das fibras têxteis, estira-se, reduzindo tanto o diâmetro exterior como a secção interior de passagem. Uma vez arrefecido, basta cortar este tubo obtido em contínuo com o comprimento desejado. A variação de caudal, entre tubos com uma mesma forma interior e comprimen to, obtidos por este processo, ensaiados com os combustíveis para os referidos isqueiros, nas suas condições habituais, é inferior em - 4$ do seu valor médio, sem a necessidade de qualquer outro ajuste.

Na porção saliente (8) da tubuladora (6), encontra -se uma chaminé de evacuação (30) que, relativamente ao órgão que a envolve, tem uma folga de cerca de 0,1 mm. A chami né pode deslocar-se longitudinalmente entre uma primeira posição de máxima introdução que corresponde à situação da vál vula fechada, e uma segunda posição (não representada) que se obtém usando meios de accionamento que tendem a manter a

-af chaminé na referida primeira posição. Estes meios de accionamento não foram representados por serem convencionais.

A chaminé (30) dispõe de uma conduta (32) interior axial apropriada para a passagem do gás para o exterior, ten do o gás acesso à referida conduta através de umas aberturas (36). Ligado à chaminé encontra-se um dispositivo de obturação que compreende um obturador (34), de preferência em forma de disco, que pode ser de um elastémero de nequena dureza (cerca de 70 graus Shore) e uma estabilidade química e térmi ca comprovada, tal como um butadieno-acrilonitrilo. Entre a extremidade superior do tubo (20) e 0 obturador (34) define-se uma câmara (38).

Numa primeira forma de realização representada na fig. 1, a peça de suporte (14) não está sujeita a limitações no que respeita à condutividade térmica ou calor específico, visto que 0 combustível que chega através do tubo (20) limitador do caudal se encontra na fase gasosa e, ao produzir-se a sua vaporização no seio da massa líquida do depósito, não necessita de um fornecimento posterior de calor. Portanto, a peça de suporte (14) pode ser fabricada de latão, alumínio ou ligas de zinco e, mais preferivelmente, de um plástico, tal como um homopolímero acetálico, que é o mais indicado por apresentar o mesmo coeficiente de dilatação térmica que o tubo limitador (20). Com esta disposição, o isqueiro trabalha em fase gasosa, passando pelo tubo (20) exclusivamente combus tível vaporizado. Para garantir esta circunstância, são nece_s sárias certas modificações da estrutura molecular superficial do material que constitui 0 tubo (20) limitador do caudal, ti picamente uma silanização (ror exemplo com 1,1,1,3»3_t3-nexame

-9til-disilazano),

ou um tratamento com silicones ou compostos fluorados que adiram ao material do tubo (20) limitador de caudal, de modo que este exiba um comportamento lipofóbico, isto e, que não deixe subir a coluna de gás liquefeito e exi ja, portanto, a vaporização do combustível no seio da massa líquida.

Na forma de realização segundo a fig. 2, a peça de suporte (14) apresenta um prolongamento (40) que é coaxial com um troço longitudinal da chaminé de evacuação (30), havendo uma distância reduzida na direcçãc radial entre o pro longamento (40) e o referido troço da chaminé. 0 referido prolongamento (40) tem a forma de um coro e envolve exterior mente o troço correspondente da chaminé (30).

Nesta forma de realização, a reça de suporte é de preferência metálica (por exemplo de latão, alumínio ou uma liga de zinco) ou de qualquer outro material bom condutor e acumulador de calor, de modo que garanta uma vanorização fácil do combustível líquido que sobe nelo interior do tubo (20). A cedência de calor faz-se nos instantes imediatamente seguintes à abertura do dispositivo de obturação, à custa do calor específico armazenado na massa da reça de suporte (14) e, nos instantes que se seguem, à custa do calor fornecido pela chama, transportado por radiação e condução através da chaminé de evacuação (30) e do prolongamento (40) da peça de suporte (14). Esta peça (14) pode obter-se por maquinagem, estampagem ou injecção e é recomendável que possua uma massa mínima que assegure uma disponibilidade de calor específico de 0,15 Joule/°C.

Também é conveniente que a câmara (38) seja de di-10-

mensões reduzidas, para obter uma boa turbulência, que favo rece o intercâmbio térmico e evita uma excessiva acumulação de combustível que, de maneira transitória, se consome nos primeiros instantes do acendimento. Deste modo, consegue-se que o fenómeno de chama exagerada nor acumulação nos instantes iniciais seja imrercentível. Com esta forma de realização, o isqueiro trabalha em fase líquida e o tubo limitador (20) proporciona gás liquefeito.

Nesta forma de realização para trabalhar em fase líquida, é conveniente que a chaminé de evacuação (30) seja de um marerial bom condutor do calor, tal como zinco fundido.

Como já se indicou atrás, a peça de suporte é ajus tada hermeticamente à tubuladura (6), para o que a superfície exterior da referida peça é apropriada para que a sua fi xação na tubuladura se produza de modo que se assegure uma estanqueidade absoluta e resista à pressão interna do gás li quefeito sem efectuar nenhum movimento. Na forma de realização segundo a fig. 2, a superfície exterior do prolongamento (40) tem características análogas às da rrórria peça de suporte (14), a fim de conseguir um ajuste apropriado com a su perfície interior da porção saliente (8) da tubuladura (ó).

á habitual que o gás liquefeito usado como combustí vel para isqueiros seja o isobutano ou, corao sucedâneo, uma mistura de hidrocarbonetos lineares (n-nronano, n-butano e isobutano), voláteis à temperatura ambiente, que apresente propriedades análogas às do isobutano. A 23°C, o isobutano tem uma pressão de vapor relativa de 3,25 bars (0,325 MPa). A temperaturas sureriores e inferiores à referida, que rodem

também ser temperaturas ambientes, a pressão de vapor será superior ou inferior a 3,25 bar, respectivamente, devendo o isqueiro continuar a proporcionar uma chama funcional. Tendo a pressão na extremidade de jusante da câmara (38) que ser apenas muito ligeiramente superior à atmosférica (para se obter uma altura de chama normal), a queda de pressão en tre a extremidade de montante e a extremidade de jusante do tubo (20) limitador de caudal deve ser praticamente a diferença de pressão entre a do depósito (4) e a atmosférica. Portanto, para se obter uma altura de chama sensivelmente constante independentemente da temperatura de utilização , o caudal de gás através do tubo (20) deve ser o mais independente nossivel da pressão no interior do deposito (4), que e a pressão do vapor do gás liquefeito a cada temperatura.

processo de perda de carga na passagem longitud_i nal (22) do tubo (20) limitador de caudal é complexo e depen dente da geometria da secção de passagem ou das passagens longitudinais (22).

Em geral, e sem depender da forma da secção, e pre ferível um regime turbulento a um regime laminar, visto que no primeiro as perdas de carga aumentam de maneira exponencial com a velocidade média dé circulação (que, para uma sec ção dada, é equivalente ao caudal e também à altura da chama), enquanto no segundo este aumento é apenas linear. Quando o isqueiro funciona em fase gasosa, dando ao dispositivo limitador de caudal um fluxo normal (tipicamente 1,2 mg/s), está-se semnre em regime turbulento, inde-nendentemente da geometria da secção de passagem, com uma velocidade de circu lação da ordem dos 75 m/s, e um número de Reynolds semnre su

-12/ / perior ao do regime laminar. Quando o isqueiro funciona em fase líquida ha que tomar precauções especiais para garantir um escoamento turbulento. Num funcionamento em fase líquida, as resistências de viscosidade do gás liquefeito são muito maiores (por ter aumentado a coesão interna das moléculas do fluido), podendo ainda acentuar-se este fenómeno aumentando o perímetro da secção de passagem (mantendo o va lor da secção), com o que se entra em regime de camada limi te e se passa de uma distribuição de velocidade parabólica para a do movimento de camadas planas no seio de um fluido, com perdas de carga por viscosidade muito maiores.

Como atrás se indicou, são preferidas as secções de passagem com geometrias como as que se representam nas fig. a 3f. Se a secção interior da passagem longitudinal do tubo (20) for circular, a relação de caudais de massa en tre um funcionamento do isqueiro em fase líquida e, nas me_s mas condições de rressão e temperatura, em fase gasosa, é igual a 15 vezes.

Pelo contrário, quando as passagens longitudiais apresentarem superfícies longitudinais (24) orostas com interstícios muito apertados entre superfícies (isto é, com as configurações representadas), é possível igualar sensivelmen te os caudais em ambas as situações de funcionamento (fase líquida e fase gasosa).

Além disso, nas condições exnressas no parágrafo anterior, são pequenas as variações de caudal em função das variações de nressão. Assim, rara situações extremas de Ores sãc, como sejam 2 e 5 bars, os caudais de massa (e portanto as alturas das chamas) diferem menos de 20% em relação ao cau

-137 / dal a 3»25 bars, enquanto nos isqueiros habitualmente conhecidos esta relação é superior a 100%.

Na escolha desta geometria óptima para a secção de passagem, além das considerações feitas, intervêm fenómenos de estabilidade da lâmina limite (1. PRANDTL Results Aerodynamic Tests Institute, Góttingen, III Lieferung, 1927 e

H.L. LANGHAAR Steady Flow in the transition length of a straight tube, J. Appl. Mech. Vol. 9, n. 55-58, 1942) e termodinâmicos por expansão do fluido e mudança de fase, de descrição complexa e que impedem de dar um parâmetro geral definidor de uma geometria óptima, como poderia ser a relação perímetro/área da secção de passagem.

Dada a grande superfície lateral da passagem longi tudinal do tubo (20) limitador de caudal, em relação com os conhecidos até agora, e dado que este se encontra de preferência submerso quase completamente no depósito de gás lique feito (que é uma massa térmica relativamente muito importante), permite que numa configuração normal (por exemplo: diâmetro exterior do tubo 0,8 mm, comprimento 50 mm e espessura das paredes laterais 0,25 mm) se consiga o fornecimento de calor suficiente (0,1 cal/s) para a vaporização completa do fluxo de gás liquefeito (típico 1,2 mg/s) no caso de se trabalhar em fase líquida e no interior do tubo limitador, por convexão e condução da massa líquida para o dispositivo limi tador (0,2 cal/s, para uma variação de temperaturas de 15°C) e quantidades residuais por calor específico ou conversão em calor da energia por perda de carga quando o fluido circula. Portanto, mesmo alimentando o tubo (20) em fase líquida, ao produzir-se a vaporização enquanto o fluido circula através

-14f .4 deste, atinge-se a extremidade de jusante da câmara de vaporização (38), sob a forma de vapor, e, como não se precisa de fornecer calor ulteriormente, é nossível trabalhar com uma peça de suporte (14) e uma chaminé (30) que não sejam boas condutoras do calor.

Foi dito que a dispersão do caudal em massa nara as mesmas condições de alimentação estão dentro de - 4 % do valor médio. Estas variações induzem modificações imuercentí veis da altura da chama (para uma chama normal de 20 mm é de - 1 mm). Se for necessária uma maior uniformidade do caudal, prevê-se um primeiro corte na saída da máquina de extrusão com um comprimento ligeiramente maior do que 0 teórico e depois antes ou depois da introdução do tubo limitador (20) na peça de suporte (14) _/ e antes de se colocar 0 conjunto no isqueiro, efectua-se uma leitura de caudal, alimentando com ar ou outro fluido conhecido, com uma uressão conhecida e, em função do resultado desta leitura, efectua-se um segun do corte de ajuste, de modo que fica reduzida a dispersão no caudal à nrópria dos elementos de medição e de corte. Ao mes mo tempo, são detectados os conjuntos defeituosos ror fabrico e, antes de os inserir no isqueiro (donde resultaria um custo das peças de refugo maior) são afastados do circuito de produção.

Claims (6)

1,- Isqueiro de gás liquefeito que compreende uma estrutura (2) na qual se forma um depósito (4-) para gás liquefeito, uma chaminé de evacuação (50), podendo estabelecer-se um fluxo de gás entre o referido depósito (4-) e a referida chaminé (50), um dispositivo de obturação do referido fluxo que inclui um obturador (54-), um meio limitador não regulável do caudal do referido fluxo e um meio condutor do referido fluxo do interior do depósito (4-) para o obturador (54·), caracterizado por o referido meio limitador e o referido meio condutor serem constituídos por um tubo único (20) de plástico extrudido, de comprimento superior a 5 mm, com pelo menos uma passagem longitudinal (22) que apresenta uma secção de passagem e com uma secção total de passagem, soma das secções de passagem, compreendida entre 0,05 e 0,002 mm2, estando o referido tubo (20) do isqueiro ajustado hermeticamente na estrutura (2) do isqueiro, directamente ou através de uma peça de suporte (14).

2,- Isqueiro de acordo com a reivindicação 1, caracteri rizado por a secção de passacem de cada uma das passagens longitudinais (22) ser substancialmente constante e conhecida em todo o comprimento do tubo (20).

3. - Isqueiro de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por em pelo menos uma das passagens longitudinais (22) se encontrarem superfícies (24) longitudinais substancialmente opostas, definindo-se interstícios muito apertados entre as superfícies (24) opostas.

4. - Isqueiro de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o referido tubo (20) apresentar uma superfície exterior substancialmente cilíndrica e o seu diâmetro exterior estar compreendido entre 0,5 e 1 mm.

5. - Isqueiro de acordo com pelo menos uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por a referida peça de suporte (14) ser feita de um material bom condutor do calor e aoresentar um prolongamento (40) substancialmente em forma de copo que envolve exteriormente um troço longitudinal da referida chaminé de evacuação (30), havendo uma distância reduzida na direcção radical entre o referido prolongamento (40) e o referido troçc.

6.- Isqueiro de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por o referido tubo (20) ser feito de um material com características lipõfobas,