PT103715A

PT103715A - INSTRUMENT FOR PULSE OF DRAINAGE IN CLOSED CONDUCT

Info

Publication number: PT103715A
Application number: PT103715A
Authority: PT
Inventors: Jose Carlos Brito Lopes; Madalena Maria Gomes Queiroz Dias; Ertugrul Erkoc
Original assignee: Univ Do Porto
Priority date: 2007-04-11
Filing date: 2007-04-11
Publication date: 2008-12-31
Also published as: PT103715B; WO2008126027A3; WO2008126027A2; WO2008126027A4

Abstract

A presente invenção consiste num instrumento com capacidade para induzir uma oscilação de caudal e pressão numa corrente de fluido que circula em conduta fechada. A dita corrente é introduzida através duma entrada (2) numa câmara (1) equipada com um ou mais dispositivos de emissão sonora (4), com uma frequência e amplitude de vibração determinadas por uma ou mais fontes (6) de sinal eléctrico, que fazem oscilar um ou mais diafragmas (5) de forma a gerar um escoamento pulsado em uma ou mais saídas da câmara (3), podendo incorporar instrumentos de medição (7) para as características da vibração da corrente de saída (3) . A corrente pulsada pode ser usada como jacto de alimentação a dispositivos, tais como micro reactores, precipitadores, misturadores estáticos, jactos de corte, jactos de erosão ou polimento, injecção em câmaras de combustão ou explosão, e alimentação de emulsionadores.The present invention is an instrument capable of inducing a flow and pressure oscillation in a fluid stream that circulates in a closed conduit. Said current is introduced through an input (2) into a chamber (1) equipped with one or more sound emission devices (4), having a frequency and amplitude of vibration determined by one or more electric signal sources (6), which (5) so as to generate a pulsed flow in one or more outlets of the chamber (3), and metering instruments (7) may be incorporated into the characteristics of the output current (3). The pulsed stream may be used as a feed stream to devices such as micro-reactors, precipitators, static mixers, cutting jets, erosion or polishing jets, injection in combustion or explosion chambers, and feeding of emulsifiers.

Description

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DESCRIÇÃODESCRIPTION

"INSTRUMENTO PARA PULSAÇÃO DUM ESCOAMENTO EM CONDUTA FECHADA"" CLUTCH DRIVING PULSE INSTRUMENT "

Dominio técnico / aplicações 0 presente invento consiste num instrumento com capacidade para induzir uma oscilação de caudal e pressão numa corrente de fluido de alimentação a determinados dispositivos, tais como micro reactores de jactos em T, misturadores estáticos, jactos de erosão ou corte, câmaras de combustão e emulsionadores.TECHNICAL DOMAIN / APPLICATIONS The present invention is an instrument capable of inducing a flow and pressure oscillation in a feed fluid stream to certain devices, such as T-jet micro-reactors, static mixers, erosion or cutting jets, combustion and emulsifiers.

Estado da arte A oscilação da corrente de entrada tem sido proposta como meio de garantir a boa operação de misturadores estáticos, i.e. sem meios mecânicos de agitação (por exemplo, os pedidos de patente WO 2005/097477 e US 2005/0058014) . Outros dispositivos há em que é igualmente utilizada a pulsação de uma corrente liquida, refira-se a titulo de exemplo os jactos para corte ou erosão de determinadas superfícies (por exemplo, o pedido de patente US 4474251). A maior eficiência obtida por oscilação forçada de qualquer processo atinge-se nos valores da frequência de vibração natural do escoamento, ressonância [2]. Alguns misturadores, como por exemplo de jactos em T, apresentam fenómenos oscilatórios com números de Strouhal entre 0.1 e 0.05 [1], em que o número de Strouhal se define como, υ 2 em que d é uma dimensão típica da geometria, no caso dos jactos em T o diâmetro, υ a velocidade do escoamento e φ a frequência de oscilação. Para reactores em que o diâmetro do injector é cerca de lmm e a velocidade do jacto é de lm/s, um valor de St=0.05 equivale a uma frequência de oscilação de 50Hz.State of the art The oscillation of the inlet stream has been proposed as a means of ensuring the proper operation of static mixers, i.e. without mechanical stirring means (e.g., patent applications WO 2005/097477 and US 2005/0058014). Other devices in which pulsation of a liquid stream is also utilized, mention is made, for example, of the jets for cutting or eroding certain surfaces (for example, U.S. patent application 4474251). The higher efficiency obtained by forced oscillation of any process is reached in the values of the natural vibration frequency of the resonance, resonance [2]. Some mixers, such as T-jets, exhibit oscillatory phenomena with Strouhal numbers between 0.1 and 0.05 [1], where the Strouhal number is defined as, υ 2 where d is a typical geometry dimension, in the case T jets the diameter, υ the flow velocity and φ the oscillation frequency. For reactors where the diameter of the nozzle is about 1mm and the speed of the jet is 1m / s, a value of St = 0.05 equals an oscillation frequency of 50Hz.

Para o caso de micromisturadores, a redução da geometria, d, implica um aumento da frequência de oscilação, se d=100pm e mantendo u = lm/s, o valor de φ para o mesmo St=0.05 é ^=500Hz. Considerando que se mantém o mesmo número de Reynolds, definido como μ em que p e μ são a massa volúmica e viscosidade, respectivamente, quando se reduz d num factor de dez (d=100pm), υ deve aumentar também num factor de dez (L> = 10m/s), e logo para o mesmo St=0.05 o valor da frequência será ^=5kHz.In the case of micromixers, the reduction of geometry, d, implies an increase in oscillation frequency, if d = 100pm and keeping u = 1m / s, the value of φ for the same St = 0.05 is ^ = 500Hz. Considering that the same Reynolds number, defined as μ where p and p are the density and viscosity respectively, when reducing d by a factor of ten (d = 100pm), υ should also increase by a factor of ten (L > = 10m / s), and then for the same St = 0.05 the frequency value will be ^ = 5kHz.

Estas frequências são difíceis de impor ou controlar com mecanismos baseados em bombas (por exemplo, o pedido de patente US 2005/0058014) ou outros dispositivos mecânicos tais como válvulas rotativas (por exemplo, o pedido de patente US 5143121), pistões de abertura e fecho (por exemplo, os pedidos de patente US4077569 e US5070907), pistões para deslocamento positivo de correntes pulsadas (por exemplo, o pedido de patente US5364240). Osciladores capazes de operar a frequências altas incluem os osciladores fluidicos (por exemplo, o pedido de patente US5638867) ou osciladores com interferência acústica por passagem do fluído num tubo de órgão (por exemplo, o pedido 3 de patente US6584774). 0 controlo destes osciladores em que se obtêm altas frequências a partir dum determinado padrão de escoamento não tem a flexibilidade requerida em novas aplicações de mistura, nomeadamente em micromisturadores. Os dispositivos de alimentação pulsada de misturadores devem ter a capacidade de rapidamente alterar a amplitude e frequência da oscilação e de imposição de sinais com mais de uma frequência de oscilação, por exemplo batimentos que são produzidos pela combinação de duas frequências que têm valores próximos entre si.These frequencies are difficult to impose or control with pump-based mechanisms (for example, U.S. patent application 2005/0058014) or other mechanical devices such as rotary valves (for example, U.S. patent application 5143121), opening and (for example, patent applications US4077569 and US5070907), pistons for positive displacement of pulsed chains (for example, patent application US5364240). Oscillators capable of operating at high frequencies include fluidic oscillators (for example, patent application US5638867) or oscillators with acoustic interference by passage of the fluid in an organ tube (for example, patent application US6584774). Control of these oscillators in which high frequencies are obtained from a given flow pattern does not have the flexibility required in new mixing applications, in particular in micromixers. The pulsed mixer feeders should be able to rapidly change the amplitude and frequency of oscillation and imposition of signals with more than one oscillation frequency, for example beats which are produced by the combination of two frequencies having values close to each other .

Os dispositivos de geração de ondas sonoras, como os altifalantes, permitem impor oscilações com uma ou mais frequências numa gama muito larga de frequências, dos infra sons aos ultra sons, e de forma perfeitamente controlada. A presente invenção visa suprir as dificuldades de pulsar escoamentos a altas frequências, com uma amplitude e frequência de oscilação perfeitamente controladas, propondo a utilização de dispositivos de geração de ondas sonoras, ou outros dispositivos baseados nos mesmos princípios de funcionamento, para actuarem através de um diafragma numa câmara com pelo menos uma entrada e uma saída duma corrente de fluído. A oscilação da corrente é produzida pelo movimento oscilatório do diafragma e somada a um caudal médio. A amplitude do movimento oscilatório do diafragma é ampliada na oscilação da corrente de saída pela razão entre as áreas do diafragma e das saídas de fluído da câmara de pulsação. 0 invento tem como principal vantagem permitir a pulsação a frequências elevadas de uma corrente de fluído num circuito de alimentação a qualquer tipo de dispositivo. 4 0 invento apresenta como grande vantagem sobre o actual estado da arte a flexibilidade de impor diferentes frequências de oscilação completamente definidas através dum sinal eléctrico gerado por uma ou mais fontes de sinal. 0 invento apresenta ainda a vantagem de operar a valores da pressão da corrente de fluido muito superiores à pressão atmosférica, aumentando o seu espectro de utilização industrial. 0 invento apresenta ainda como grande vantagem a possibilidade de construção com um custo reduzido devido à ausência de dispositivos mecânicos complexos.Sound wave generation devices, such as loudspeakers, allow to impose oscillations with one or more frequencies in a very wide range of frequencies, from infrasound to ultra sound, and in a perfectly controlled manner. The present invention seeks to overcome the difficulties of pulsating high frequency flows with a perfectly controlled amplitude and frequency of oscillation by proposing the use of sound wave generation devices or other devices based on the same operating principles to operate through a diaphragm in a chamber with at least one inlet and outlet of a fluid stream. The oscillation of the current is produced by the oscillatory movement of the diaphragm and added to an average flow. The amplitude of oscillating movement of the diaphragm is magnified by the oscillation of the output current by the ratio between the diaphragm areas and the fluid outlets of the heart chamber. The main advantage of the invention is to allow pulsation at high frequencies of a fluid stream in a power circuit to any type of device. The invention has as a great advantage over the current state of the art the flexibility of imposing different completely defined oscillation frequencies through an electrical signal generated by one or more signal sources. The invention still has the advantage of operating at fluid pressure values much higher than atmospheric pressure, increasing its spectrum of industrial use. The invention furthermore has the advantage of the possibility of construction at a reduced cost due to the absence of complex mechanical devices.

Descrição dos desenhosDescription of the drawings

Figura 1: Esquema do oscilador da corrente de fluido com a câmara de pulsação (1), a entrada (2), a saída da corrente de fluído (3), o altifalante (4) para pulsar o escoamento, o diafragma do altifalante (5) nas paredes da câmara (1) e a fonte de sinal eléctrico (6) que determina a amplitude e frequência de oscilação do diafragma (5) e por conseguinte da corrente de fluído à saída (3) . Δ oscilação da corrente de saída (3) é aferida por um instrumento de medição tal como um hídrofone ou um transdutor de pressão (7).Figure 1: Schematic of the oscillator of the fluid stream with the pulsating chamber (1), the inlet (2), the fluid flow outlet (3), the loudspeaker (4) to pulse the flow, the diaphragm of the loudspeaker 5) in the walls of the chamber 1 and the electrical signal source 6 which determines the amplitude and frequency of oscillation of the diaphragm 5 and hence of the fluid stream to the outlet 3. Δ oscillation of the output current (3) is measured by a measuring instrument such as a hydrophone or a pressure transducer (7).

Figura 2: Esquema do oscilador da corrente de fluido com os elementos descritos na Figura 1 e compreendendo os meios para operação a pressões elevadas, nomeadamente um restritor de caudal ou válvula de agulha (11), na corrente de entrada (2) e uma 5 câmara de equalização de pressão (8) entre ambos os lados do diafragma (5) do altifalante (4) com uma parede elástica (9) e um manómetro (10) para regular a pressão na câmara de equalização (8) .Figure 2: Schematic view of the fluid current oscillator with the elements described in Figure 1 and comprising the means for operating at high pressures, namely a flow restrictor or needle valve (11), in the inlet stream (2) and a (8) between both sides of the diaphragm (5) of the loudspeaker (4) with an elastic wall (9) and a manometer (10) for regulating the pressure in the equalization chamber (8).

Figura 3: Esquema do oscilador da corrente de fluido descrito na Figura 1, com uma segunda câmara de pulsação (la) com entrada (2a) e saida (3a) do escoamento e diafragma (5a) independentes da primeira câmara (1) . As duas câmaras (1 e la) estão unidas por uma câmara fechada de ligação (13) completamente cheia dum fluido preferencialmente incompressivel preenchendo o espaço entre os diafragmas de ambas as câmaras (5 e 5a) . A mesma bobina e iman do altifalante (12) servem os dois diafragmas (5 e 5a).Figure 3 is a schematic diagram of the fluid current oscillator described in Figure 1, with a second pulsating chamber (la) with inlet (2a) and outlet (3a) of the flow and diaphragm (5a) independent from the first chamber (1). The two chambers 1 and 1 are connected by a closed plenum 13 completely filled with a preferably incompressible fluid filling the space between the diaphragms of both chambers 5 and 5a. The same coil and magnet of the loudspeaker (12) serve the two diaphragms (5 and 5a).

Figura 4: Esquema do oscilador da corrente de fluido descrito na Figura 1, com três altifalantes (4) , respectivos sinais de controlo (14a, b e c) e sinal de saida (15) medido no controlador (7) da corrente de fluido pulsada à saida (3).Figure 4: Fluid current oscillator scheme depicted in Figure 1, with three loudspeakers (4), respective control signals (14a, bk) and output signal (15) measured in the controller (7) of the pulsed fluid stream at outlet (3).

Descrição da invenção 0 objecto do invento relaciona-se com um instrumento que impõe uma oscilação de caudal e pressão a uma corrente dum fluido. A oscilação pode ter uma frequência simples, ou várias frequências, podendo mesmo impor-se um batimento de baixa frequência associado a um sinal com frequência mais alta. 0 invento consiste numa câmara (1) na qual se introduz uma corrente de fluido (2) . A câmara está equipada com um ou 6 mais dispositivos de emissão de ondas sonoras (4) que fazem vibrar o respectivo diafragma (5) colocado numa das paredes da câmara, o que introduz uma componente oscilatória, ou pulsada, na corrente à saida da câmara (3). A frequência e amplitude de vibração são determinadas por uma ou mais fontes (6) de sinal eléctrico (14a, b e c) , podendo as caracteristicas da vibração (15) da corrente de saida (3) serem controlados em modo fechado por incorporação dum instrumento de medição (7) dessas referidas caracteristicas. A corrente de alimentação pode ser produzida por quaisquer dispositivos, desde bombas centrífugas ou de deslocamento positivo a tanques de alimentação pressuarizados. Para evitar contra escoamento na alimentação à câmara de pulsação, induzida pela nova componente de pressão oscilatória, podem-se acoplar restritores de caudal (11) , tais como válvulas de agulha, entre o dispositivo que fornece a corrente de alimentação (2) e a câmara pulsadora (D ·Description of the invention The subject of the invention relates to an instrument which imposes an oscillation of flow and pressure to a stream of a fluid. The oscillation may have a single frequency, or several frequencies, and may even impose a low frequency beating associated with a higher frequency signal. The invention consists of a chamber (1) in which a stream of fluid (2) is introduced. The chamber is equipped with one or more further sound emitting devices (4) which vibrate the respective diaphragm (5) placed in one of the walls of the chamber, which introduces an oscillatory or pulsed component in the current at the chamber outlet (3). The frequency and amplitude of vibration are determined by one or more electric signal sources (6) (14a, b and c), the characteristics of the vibration (15) of the output current (3) being controlled in closed mode by the incorporation of a (7) of said characteristics. The feed stream can be produced by any device, from centrifugal or positive displacement pumps to pressurized feed tanks. In order to avoid flow in the feed to the pulsating chamber induced by the new oscillatory pressure component, flow restrictors 11, such as needle valves, may be coupled between the device providing the feedstream 2 and push button chamber (D ·

Para operação da câmara (1) a alta pressão, a força a que fica submetido o diafragma (5) pode ser atenuada pela inclusão dum câmara de equalização da pressão (8), que pode ser preenchida preferencialmente por um fluido compressível, um gás, até uma pressão controlado por um manómetro (10) e ainda ter uma parede elástica (9) para facilitar a vibração do diafragma (5).For operation of the high pressure chamber 1, the force exerted by the diaphragm 5 can be attenuated by the inclusion of a pressure equalization chamber 8, which may preferably be filled by a compressible fluid, a gas, to a pressure controlled by a manometer (10) and still has an elastic wall (9) to facilitate the vibration of the diaphragm (5).

Para pulsação desfasada de duas correntes líquidas (2 e 2a) pode usar-se uma adaptação dum altifalante electrodinâmico com uma bobina e o mesmo íman ou magneto (12) ligado a dois diafragmas (5 e 5a) , cada um associado à sua câmara de 7 pulsação (1 e la). As correntes de saída (3 e 3a) terão uma pulsação em anti-fase se não existirem mecanismos adicionais de pulsação em cada uma das câmaras (1 e la). A câmara de ligação (13) entre as ditas câmaras de pulsação (1 e la) pode ser preenchida com um fluído preferencialmente incompressível para diminuir as diferenças de pressão entre as duas faces dos diafragmas (5 e 5a) .For an off-phase pulsation of two liquid streams (2 and 2a) one can use an adaptation of an electrodynamic speaker with a coil and the same magnet or magnet (12) connected to two diaphragms (5 and 5a), each associated with its 7 pulsation (1 e la). The output currents (3 and 3a) will have an anti-phase pulse if there are no additional pulse mechanisms in each of the chambers (1 and 1). The connecting chamber 13 between said pulsation chambers 1 and 1 may be filled with a preferably incompressible fluid to decrease the pressure differences between the two faces of the diaphragms 5 and 5a.

Para obtenção de características oscilatórias complexas (15) da corrente de saída (3) podem montar-se na câmara de pulsação (1) vários altifalantes (4) cada um com uma determinada frequência de vibração, como ilustrado na Figura 4, em que se somam duas frequências com um valor aproximado (14b e 14c) para produzir um batimento a uma frequência mais alta (14a).In order to obtain complex oscillatory characteristics (15) of the output current (3), several loudspeakers (4) can be mounted in the pulsating chamber (1) each with a certain frequency of vibration, as shown in Figure 4, in which add two frequencies with an approximate value (14b and 14c) to produce a beat at a higher frequency (14a).

Forma de realização preferidaPreferred Embodiment

Como exemplo prático de utilização do invento refira-se o fornecimento de correntes de escoamento pulsadas a micro reactores de jactos opostos em T, tais como precipitadores. Cada jacto é pulsado com uma frequência tal que o número de Strouhal seja St=0.1 mas desfasadamente num arranjo de duas câmaras (1, la) ligadas da forma apresentada na Figura 3. 0 desfasamento força a oscilação dos jactos opostos no seu ponto de contacto, designado por ponto de impingem, e promove a formação de vórtices no escoamento a jusante do ponto de impingem dos jactos. A formação dos vórtices pode ser também controlada por meio duma frequência mais baixa, correspondendo a um número de Strouhal St=0.03, adicionada por um altifalante segundo numa das câmaras de pulsação. 8 A representação descrita do instrumento para oscilação duma corrente de fluido é feita como um exemplo não limitativo que pode ser sujeito a modificações e variações levadas a cabo por uma pessoa perita na matéria, as quais, no entanto, estão abrangidas pelo âmbito da invenção, como definido pelas reivindicações que se seguem.As a practical example of the use of the invention, the provision of pulsed flow streams to micro-reactors of opposing T-jets, such as precipitators, is disclosed. Each jet is pulsed with a frequency such that the Strouhal number is St = 0.1 but lag in an arrangement of two chambers (1, 1a) connected as shown in Figure 3. The offset causes the oscillation of the opposing jets at their point of contact , referred to as the impingement point, and promotes the formation of vortices in the flow downstream of the jet point of the jets. The formation of the vortices can also be controlled by a lower frequency, corresponding to a Strouhal number St = 0.03, added by a second loudspeaker in one of the heart rate chambers. The described depiction of the apparatus for oscillating a fluid stream is given as a non-limiting example which may be subject to modifications and variations carried out by a person skilled in the art, which, however, are within the scope of the invention, as defined by the following claims.

Bibliografia [1] Teixeira, A.M., Santos, R.J., Costa, M.R.P.F.N. and Lopes, J.C.B. Hydrodynamics of the Mixing Head in RIM: LDA Flow-Field Characterisation, AIChE Journal, 51, 1608-1619 (2005).Bibliography [1] Teixeira, A.M., Santos, R.J., Costa, M.R.P.F.N. and Lopes, J.C.B. Hydrodynamics of the Mixing Head in RIM: LDA Flow-Field Characterization, AIChE Journal, 51, 1608-1619 (2005).

[2] Williamson, C.H.K. and Govardhan, R. Vortex-induced vibrations, Annual Reviews of Fluid Mechanics, 36, 413-455 (2004).[2] Williamson, C.H.K. and Govardhan, R. Vortex-induced vibrations, Annual Reviews of Fluid Mechanics, 36, 413-455 (2004).

Lisboa, 11 de Abril de 2007Lisbon, April 11, 2007

Claims

An instrument for pulsating a flow in a closed conduit comprising at least one chamber (1) with at least one inlet (2) and a outlet (3) of pulsed, modulated or oscillated flow current qe, which stream is to be used later in the active mixture of a liquid flow stream in a reactor, characterized by adding a flow and pressure oscillation to a stream of fluid introduced by said inlet (2), by vibration of at least one diaphragm (5) located in the walls of the chamber (1) by varying its volume, wherein the amplitude of the oscillatory movement of the diaphragm is increased by the oscillation of the output current by the ratio between the diaphragm areas and the fluid outputs of the heart chamber.

An instrument according to claim 1, characterized in that the frequency (s) and amplitude of vibration are generated by a loudspeaker (4).

An instrument according to claim 2, characterized in that the vibration of the diaphragm is determined by an electrical wave signal generated in a signal source (6).

An apparatus as claimed in claim 1, characterized in that it comprises more than one sound wave generation device (4) in the same chamber (1) through one or more, . ,. , electric signal rings (14), (14a, 14b and 14c). The instrument according to claim 1, characterized in that it comprises a flow measuring instrument such as a hydrophone or a pressure transducer (7), for the closed control of the characteristics of the electric wave signal (14a, 14b and 14c) sent to the sound wave generator (4).

An instrument according to claim 1, characterized in that a pressure equalization chamber (8) is coupled to the outside of the chamber (1) in the area adjacent to the sound wave emitting devices (4) and to the respective diaphragm (5). ), covering the whole area of the diaphragm (5) with a compressible gas at a pressure comprised between the inside of the chamber (1) and the atmospheric pressure, or another which occurs outside the chamber (1).

An instrument according to claim 6, characterized in that part of the walls of the pressure equalization chamber (8) are made of resilient material (9) allowing variation of the volume of the chamber.

Apparatus according to claim 6, characterized in that it comprises means for operating at high pressures, namely a flow restrictor or needle valve (11), in the inlet stream (2) and a pressure gauge (10) for regulating the pressure in the equalization chamber (8).

An instrument according to claim 1, characterized in that it comprises two pulse chambers (1, 1a), wherein the diaphragms (5, 5a) of the sound wave generating devices, for example electrodynamic loudspeakers, are connected to opposite ends of the same magnet (12) to oscillate in anti-phase causing a lagging pulsation of two liquid streams (2, 2a) to be obtained.

An instrument according to claim 9, characterized in that the connecting chamber (13) between said pulsation chambers (1, 1a) is filled with an incompressible fluid. Lisbon, September 28, 2009