BRPI0715302A2 - dispositivo de transferÊncia de pressço e mÉtodo para a transferÊncia da energia de pressço a partir de um primeiro fluido de alta pressço para um segundo fluido de menor pressço - Google Patents
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Abstract
DISPOSITIVO DE TRANSFERÊNCIA DE PRESSçO E MÉTODO PARA A TRANSFERÊNCIA DA ENERGIA DE PRESSçO A PARTIR DE UM PRIMEIRO FLUIDO DE ALTA PRESSçO PARA UM SEGUNDO FLUIDO DE MENOR PRESSçO. A presente invenção se refere aos dispositivos de transferência de pressão giratórios em que um primeiro fluido sob uma alta pressão se comunica hidraulicamente com um segundo fluido de menor pressão em um rotor e transfere a pressão entre os fluidos produzindo uma corrente de descarga de alta pressão do segundo fluido. De acordo comum a realização da invenção, o dispositivo de transferência de pressão compreende um rotor cilíndrico (63) montado de modo giratório possuindo um par de faces finais planas (68) opostas com pelo menos dois canais (65) que se prolongam axialmente através das mesmas, entre as aberturas localizadas em ditas faces finais planas; e um par de invólucros finais (69, 71) opostos possuindo superfícies finais (70) axialmente internas e externas, com ditas superfícies finais axialmente internas de cada um possuindo regiões planas que interferem e acoplam, de modo deslizante e com vedação, ditas respectivas faces finais planas (68) de dito rotor; cada dito invólucro final possuindo duas ou mais passagens de entrada (103, 109) e duas ou mais passagens de descarga (105, 107) em que pelo menos quatro passagens abrem-se para ditas superfícies finais axialmente internas (70), ditos invólucros finais sendo alinhados de modo que quando um canal (65) em dito rotor (63) é alinhado com uma abertura da passagem de entrada (103, 109) em um dito invólucro final (69. 71), também é alinhado com uma abertura da pasaagem de descarga (105, 107) em dito invólucro final oposto, ditas aberturas da passagem de entrada e ditas aberturas da passagem de descarga no mesmo invólucro final sendo constantemente vedadas uma da outra durante a operação por uma área de
Description
"DISPOSITIVO DE TRANSFERÊNCIA DE PRESSÃO E MÉTODO PARA A
TRANSFERÊNCIA DA ENERGIA DE PRESSÃO A PARTIR DE UM PRIMEIRO FLUIDO DE ALTA PRESSÃO PARA UM SEGUNDO FLUIDO DE
MENOR PRESSÃO" Campo da Invenção
A presente invenção se refere aos dispositivos de transferência de pressão giratórios em que um primeiro fluido sob uma alta pressão se comunica hidraulicamente com um segundo fluido de menor pressão em um rotor e transfere a pressão entre os fluidos produzindo uma corrente de descarga de alta pressão do segundo fluido. Particularmente, a presente invenção se refere aos dispositivos de transferência de pressão giratórios, em que o modelo do invólucro final e as disposições do rotor associadas são melhorados para aumentar a eficiência.
Antecedentes da Invenção Muitos processos industriais, especialmente os processos
químicos, operam em pressões elevadas. Estes processos requerem freqüentemente uma alimentação do fluido em alta pressão, que pode ser um gás, um líquido ou um gel, para produzir um produto fluido ou efluente. Um modo de fornecer uma alimentação do fluido em alta pressão a tal processo industrial é pela alimentação de uma corrente de pressão relativamente baixa através de um dispositivo de transferência de pressão, para trocar pressão entre uma corrente de alta pressão e uma corrente de alimentação de baixa pressão. Um tipo particularmente eficiente de dispositivo de transferência de pressão utiliza um rotor possuindo canais axiais, em que a comunicação hidráulica entre o fluido de alta pressão e o fluido de baixa pressão é estabilizado em seqüências alternadas.
As patentes US 4.887.942; US 5.338.158; US 6.537.035; US 6.540.487; US 6.659.731 e US 6.773.226 ilustram os dispositivos de transferência de pressão giratórios do tipo geral descrito no presente para a transferência da energia da pressão de um fluido para outro. A operação deste tipo de dispositivo é uma aplicação direta da Lei de Pascal: "A pressão aplicada a um fluido fechado é transmitida em sua plenitude a cada porção do fluido e para as paredes do recipiente". A Lei de Pascal considera que, se um fluido de alta pressão for colocado em contato hidráulico com um fluido de baixa pressão, a pressão do fluido de alta pressão é reduzida, a pressão do fluido de baixa pressão é aumentada, e tal troca de pressão é realizada com uma mistura mínima. O dispositivo de transferência de pressão giratório do tipo do presente interesse aplica a Lei de Pascal ao alternar e trazer seqüencialmente (1) um canal que contém um primeiro fluido de menor pressão em contato hidráulico com um segundo fluido de alta pressão, pressurizando, deste modo, o primeiro fluido no canal e ocasionando a saída de uma quantidade do primeiro fluido que estava no canal para a proporção volumétrica de que o segundo fluido de maior pressão ocorre e, portanto (2) coloca este canal em contato hidráulico com uma segunda câmara de entrada contendo a corrente de entrada do primeiro fluido de menor pressão que pressuriza levemente o segundo fluido então no canal, causando a descarga do segundo fluido ainda em uma menor pressão. O resultado líquido do processo de transferência de pressão, de
acordo com a Lei de Pascal, é ocasionar a aproximação das pressões de dois fluidos entre si. Em um processo químico, tal como a osmose reversa da água do mar que pode, por exemplo, operar em altas pressões, por exemplo, de 4.800 kPa a 8.300 kPa (700 a 1.200 libras por polegada quadrada gauge (psig)), uma alimentação da água do mar pode, em geral, estar disponível em uma baixa pressão, por exemplo, a pressão atmosférica de cerca de 350 kPa (50 psig) e, provavelmente, também haverá uma corrente de salmoura de alta pressão do processo disponível em cerca de 4.500 - 7.900 kPa (650 - 1150 psig). A corrente de água do mar de baixa pressão e a corrente de salmoura de alta pressão podem ambas ser alimentadas em um dispositivo de transferência de pressão giratório para pressurizar vantajosamente a água do mar enquanto despressuriza o resíduo de salmoura. O efeito resultante vantajoso do dispositivo de transferência de pressão giratório em tal processo industrial é uma redução muito substancial na quantidade da capacidade de bombeamento de alta pressão necessária para aumentar a corrente de alimentação da água do mar à alta pressão desejada para a operação eficiente; isto pode resultar freqüentemente em uma redução de energia de até 65% para tal processo e pode permitir uma redução correspondente no tamanho da bomba requerida.
Em tal dispositivo de transferência de pressão giratório, existe geralmente um rotor com uma pluralidade de canais paralelos, de extremidades abertas. O rotor pode ser direcionado por uma força externa, mas é, de preferência, direcionado pela entrada direcional das correntes de fluido nos canais através de um invólucro final, conforme conhecido no estado da técnica. Durante a rotação, existe uma comunicação hidráulica do fluido que reside em cada canal, alternativamente e exclusivamente, com uma passagem de entrada em uma extremidade do rotor e na outra extremidade. Mais especificamente, o fluido de entrada de maior pressão entra no canal através de um invólucro final a partir de uma câmara de entrada de alta pressão, ocasionando a descarga simultânea de outra extremidade do canal e, então, um intervalo muito curto, depois, o canal adquire comunicação exclusiva com um fluido de entrada de menor pressão que entra através do invólucro final oposto a partir de uma câmara de entrada na outra extremidade. Como resultado, o fluxo contra- corrente axial dos fluidos é alternadamente efetuado em cada canal do rotor, criando duas correntes de descarga, por exemplo, uma corrente de água do mar de pressão consideravelmente aumentada e uma corrente de salmoura de pressão consideravelmente reduzida. Em um dispositivo de transferência de pressão giratório que possui tal rotor giratório, haverá muitos intervalos bastante curtos de comunicação hidráulica entre a pluralidade de canais longitudinais no rotor e ambas as câmaras nas extremidades opostas que estão mantendo os dois fluidos, cujas câmaras são normalmente isoladas hidraulicamente entre si. Uma mistura mínima ocorre dentro dos canais porque a operação é tal que os canais irão possuir, cada um, uma região de fluido relativamente inativo que serve como um tampão ou interface entre os fluidos que entram de maneira oposta; cada fluido entra e sai de uma extremidade respectiva do rotor. Como resultado, por exemplo, uma alta pressão, maior concentração de sal, a corrente de salmoura pode transferir sua pressão para uma corrente de água marinha de entrada de baixa pressão sem mistura significativa.
Em tais dispositivos do estado da técnica, o rotor geralmente gira em uma manga cilíndrica, com suas faces finais planas interagindo, de modo deslizante e com vedação, com as placas do invólucro oposto. O rotor no dispositivo de transferência da pressão é freqüentemente sustentado por um suporte hidrostático e direcionado pelas correntes de fluidos que entram nos canais do rotor ou por um motor. Para obter uma operação de fricção extremamente baixa, tal dispositivo de transferência de pressão giratória, em geral, não utiliza selos giratórios. Ao invés, os selos dos fluidos e os suportes do fluido são freqüentemente utilizados e adaptadores de tolerância extremamente próximos são utilizados para minimizar o vazamento.
Os invólucros finais opostos possuem, cada um, uma abertura de entrada e uma abertura de descarga que estão localizados nos locais diametralmente opostos em suas faces internas com as quais, as aberturas dos canais no rotor irão se tornar alternadamente alinhadas. Os invólucros finais são geralmente sustentados perifericamente pelo contato com a manga dentro da qual, o rotor gira. Portanto, os canais do rotor longitudinais, em uma extremidade, conectam alternadamente de modo hidráulico com uma entrada da salmoura de alta pressão, por exemplo, e então com uma saída da descarga da salmoura, enquanto o mesmo canal, em sua outra extremidade, respectivamente se comunica de modo hidráulico com uma saída de descarga de água do mar de alta pressão e então com uma entrada da água do mar de baixa pressão. Em ambos os exemplos, há uma descarga do líquido a partir da extremidade oposta do canal através de uma abertura da descarga no invólucro final na medida em que o preenchimento ocorre na alimentação final. À medida que o rotor gira entre estes intervalos de comunicação hidráulica alternadas, os canais são brevemente vedados da comunicação com as duas
aberturas em cada face do invólucro final.
Nos dispositivos de transferência de pressão giratórios deste tipo
geral, o volume do líquido que flui dentro e fora de tal dispositivo como um resultado da rotação do rotor cilíndrico é pelo menos parcialmente dependente do volume total dos canais longitudinais em tal rotor e a capacidade de alimentar e retirar o líquido destes canais. Os modos de aumentar a eficiência destes dispositivos de transferência de pressão têm sido buscados continuamente.
Descrição Resumida da Invenção
Os dispositivos de transferência de pressão giratórios comerciais
atuais empregam um rotor que possui uma pluralidade de canais que são freqüentemente espaçados de modo razoavelmente amplo e um par de invólucros finais opostos que possuem uma entrada e uma saída. Conseqüentemente, à medida que o rotor realiza uma revolução completa, cada canal irá preencher duas vezes, uma vez com o líquido de alta pressão que entra de uma extremidade, e uma vez com o líquido de baixa pressão que entra a partir do final oposto e, da mesma forma, descarrega duas vezes. Cada preenchimento de descarga, obviamente, ocorre conforme o canal longitudinal gira além dos pares alinhados respectivos das entradas e saídas nos
invólucros finais opostos.
Foi agora constatado que é prático empregar duas ou mais entradas e duas ou mais saídas em cada invólucro final, organizando-os de modo que cada canal seja preenchido pelo menos duas vezes em cada final enquanto descarrega conseqüentemente pelo menos duas vezes no final oposto. Como resultado, tal dispositivo giratório bombeará potencialmente, isto é, aumentar a pressão de um volume líquido pelo menos cerca de duas vezes maior durante cada revolução do que o dispositivo do estado da técnica, com apenas uma única entrada em cada invólucro final.
Em um aspecto particular, é fornecido um dispositivo de transferência de pressão para a transferência de energia da pressão a partir de um primeiro fluido de alta pressão para um segundo fluido de menor pressão para fornecer um segundo fluido pressurizado, cujo dispositivo compreende um rotor cilíndrico montado de modo giratório possuindo um par de faces finais planas opostas com pelo menos dois canais que se prolongam axialmente através dos mesmos, entre as aberturas localizadas em ditas faces finais planas; e um par de invólucros finais opostos possuindo superfícies finais axialmente internas e externas, com ditas superfícies finais axialmente internas de cada um possuindo regiões planas que interferem e acoplam, de modo deslizante e com vedação, ditas respectivas faces finais planas de dito rotor, cada dito invólucro final possuindo duas ou mais passagens de entrada e duas ou mais passagens de descarga que, pelo menos quatro passagens abertas em ditas superfícies finais de ditas superfícies finais axialmente internas, ditos invólucros finais sendo alinhados, tal que quando um canal em dito rotor é alinhado com uma abertura da passagem de entrada em um dito invólucro final, também é alinhado com uma abertura da passagem de descarga em dito invólucro final oposto, ditas aberturas da passagem de entrada e ditas aberturas da passagem de descarga no mesmo invólucro final sendo constantemente vedado um do outro durante a operação por uma região de vedação na interface entre dita face final plana do rotor e dito invólucro final, pelo qual durante a revolução de dito rotor, ditas aberturas do canal são, na seqüência alternada, trazidas em alinhamento parcial ou total com ambas uma entrada da passagem em um dito invólucro final e uma abertura da passagem de descarga em dito invólucro final oposto e, então, no alinhamento parcial ou total com ambas a abertura da passagem de descarga em dito invólucro final e uma abertura da passagem de entrada em dito invólucro final oposto, pelo menos duas vezes durante cada revolução de dito rotor, tal que cada um de dito canal é pelo menos fornecido duas vezes com o primeiro fluido de alta pressão e pelo menos descarrega duas vezes o segundo fluido pressurizado.
Em um aspecto particular, é fornecido um método para a transferência da energia da pressão a partir de um primeiro fluido de alta pressão para um segundo fluido de menor pressão para fornecer um segundo fluido pressurizado, cujo método compreende as etapas de montar de modo giratório um rotor cilíndrico em um nicho, cujo rotor possui um par de faces finais planas opostas e possui pelo menos dois canais que se prolongam longitudinalmente através do mesmo entre as aberturas localizadas em ditas faces finais planas; dispor um par de invólucros finais opostos no nicho possuindo superfícies axialmente internas com regiões de superfície plana, tal que suas superfícies finais axialmente internas com um acoplamento, de modo deslizante e com vedação, de ditas faces finais planas de dito rotor, cujos invólucros finais possuem cada um, uma pluralidade de passagens de entrada e uma pluralidade de passagens de descarga que abrem em ditas regiões de superfície plana; fornecer um primeiro fluido de alta pressão para ditas passagens de entrada em um invólucro final, enquanto descarrega simultaneamente um segundo fluido pressurizado de ditas passagens de descarga alinhadas no invólucro final na extremidade oposta; e ocasionar o ciclo de dito rotor em torno de seu eixo, então tais aberturas dos canais são respectivamente trazidas em alinhamento parcial ou total com uma abertura da passagem interna em um invólucro final e uma abertura da passagem de descarga no outro invólucro final pelo menos duas vezes durante cada revolução do rotor, segundo o qual um maior volume do segundo líquido pressurizado é descarregado para cada revolução do rotor porque cada canal é preenchido e descarregado pelo menos duas vezes.
Breve Descrição das Figuras A Figura 1 é uma vista frontal em seção transversal do dispositivo
de transferência de pressão do estado da técnica deste tipo geral que utiliza um rotor que gira em torno de seu eixo.
A Figura 2 é uma vista em perspectiva mostrada em seção transversal de um dispositivo de transferência de pressão deste tipo geral que utiliza um rotor que gira em torno de seu estator, cujo dispositivo incorpora
diversos aspectos novos.
A Figura 3 é uma vista em perspectiva explodida, aumentada em tamanho, de um subconjunto de dois invólucros finais, um rotor, um estator e uma vara de tensão conforme empregado no dispositivo de transferência de
pressão da Figura 2.
A Figura 4 é uma vista em perspectiva explodida similar à Figura 3 de uma realização alternativa do rotor e um subconjunto do invólucro final que emprega uma manga circundante e pode ser utilizada no dispositivo de transferência de pressão da Figura 2 ao invés do subconjunto da Figura 3. Descrição Detalhada da Invenção
É mostrado na Figura 1 um dispositivo de transferência de pressão giratório 11 do tipo geral daquele do estado da técnica que inclui um nicho ou corpo 13 alongado, geralmente cilíndrico, em que está disposto um rotor cilíndrico 15 possuindo uma pluralidade de canais longitudinais 16 que se prolongam de ponta a ponta e abrem sobre as faces finais respectivas do rotor. O rotor 15 gira dentro de uma manga tubular circundante 17 e dois invólucros finais 19, 21 possuindo aberturas internas e externas fecham respectivamente as extremidade normalmente abertas da manga tubular. Para os propósitos de conveniência de explicação, os componentes são referidos como invólucros finais superior e inferior de acordo com a orientação do dispositivo na figura. Entretanto, tal é meramente utilizado para a conveniência conforme pode ser entendido que o dispositivo pode ser operado em qualquer orientação, vertical, horizontal ou outra. Para permitir que estes componentes internos sejam manuseados como uma unidade, eles são freqüentemente unidos como um subconjunto através do uso de uma vara central ou haste 23 que está localizada em uma câmara alongada 25 disposta axialmente do rotor, cuja vara também passa através de um par de passagens axiais alinhadas 27, 29 nos invólucros finais superior e inferior. Esta vara de tensão em filamento 23 é então protegida por arruelas, argolas de vedação (o-rings) e porcas sextavadas ou similares para criar o subconjunto. Este arranjo fixa perifericamente os dois invólucros finais 27, 29 em contato adjacente com as respectivas extremidades da manga tubular 17 e as tolerâncias são tal que, quando o rotor 15 está girando de modo a transferir pressão entre as soluções aquosas ou similares, existe uma vedação líquida muito fina criada entre as faces finais inferior e superior do rotor e as faces finais internas justapostas dos invólucros finais superior e inferior 19, 21. Caso desejado, cavilhas curtas 31 podem ser empregadas para assegurar que os invólucros finais sejam mantidos em alinhamento preciso com a manga tubular de suporte.
O nicho externo cilíndrico 13 é fechado por conjuntos de placas superior e inferior 35, 37 para cada um dos quais um par de conduítes são respectivamente protegidos. Por exemplo, o conjunto da placa superior 35 através da qual um primeiro líquido de alta pressão pode entrar é protegido dentro do nicho em um local espaçado do invólucro final superior 19. Um conduíte de entrada tipo cotovelo 43 é fixado neste conjunto de placa 35 e descarrega em uma câmara plena curta 45 que é criada entre a superfície externa do invólucro final superior e a parte de baixo do conjunto de placa superior 35. Em baixa pressão, um conduíte de descarga, reto, 39 é conectado por uma torneira de regulação 40, em uma disposição à prova de fluido (fluidtight), para uma passagem de descarga 41 no invólucro final superior 19 e este conduíte 39 se prolonga através do conjunto da placa superior para um local onde ela é então conectada adequadamente para o tubo de descarga ou similar. Os detalhes são mostrados na patente US 7.201.557, a descrição da qual é incorporada no presente como referência.
Uma construção similar existe na extremidade inferior na qual uma segunda corrente de entrada de pressão inferior entra através de um conduíte reto 49 que é ligado a uma torneira de regulação 55 que é fixada na passagem interna do invólucro final inferior 21. Um conduíte de descarga cotovelo 51 é fixado em um conjunto de placa inferior externa 37, e o fluxo entra nele através de uma câmara plena similar 53 localizada entre o invólucro final inferior 21 e a superfície interna do conjunto da placa inferior. O segundo líquido, ao qual a pressão está sendo transferida no dispositivo 11, descarrega dos canais do rotor através de uma abertura de descarga no invólucro final inferior na câmara plena 53 e sai por meio de um conduíte cotovelo 51.
Por exemplo, na operação, a água do mar de baixa pressão de cerca de 210 kPa (30 psig) é fornecida, como por bombeamento, no conduíte reto 49, na extremidade inferior do dispositivo e salmoura de alta pressão a partir de uma operação de osmose reversa é fornecida no conduíte de entrada do cotovelo 43 na extremidade superior do dispositivo, por exemplo, de cerca de 5.300 kPa (770 psig). As passagens nos invólucros finais 19, 21 são orientadas, tais que as correntes de líquido que entram em cada extremidade irão ocasionar a rotação do rotor 15, conforme é bem conhecido no estado da técnica, com a maioria da força sendo fornecida pela salmoura de alta pressão. A salmoura de alta pressão preenche a câmara plena superior 45 e flui através de uma passagem da entrada moldada 57 no invólucro final superior 19 de modo a entrar de modo subseqüente a extremidade superior de cada canal 16 no rotor conforme o rotor gira, fornecendo líquido de alta pressão àquele canal enquanto está em comunicação com este; isto causa ocasionalmente que a mesma quantidade de líquido, por exemplo, água do mar, seja descarregada da extremidade oposta do canal longitudinal acerca da pressão da salmoura de entrada. O fluxo de descarga do segundo líquido agora pressurizada (isto é, água do mar) viaja através de uma passagem de saída no invólucro final inferior 21 e o pleno inferior 53, e então ele sai através do conduíte de saída do cotovelo 51. Quando um canal 16 depois se torna alinhado com a passagem de entrada na face interna do invólucro final inferior 21 e a passagem de saída 41 no invólucro final superior 19, a água do mar de pressão inferior flui na extremidade inferior do canal em cerca da mesma quantidade volumétrica, ocasionando a descarga da salmoura agora despressurizada da extremidade superior do dispositivo 11 através do conduíte de saída linear 39. Nas realizações das Figuras 2 e 3, um dispositivo de
transferência da pressão 59 é mostrado que incorpora certas características novas; esta realização difere essencialmente em seu exterior da Figura 1 do dispositivo do estado da técnica da Figura 1 ao possuir um conduíte localizado axialmente, grande, na extremidade superior e na extremidade inferior, e conduítes de dois lados, que se comunicam respectivamente com uma das câmaras plena descrita anteriormente no presente. Mais especificamente, o dispositivo de transferência da pressão 59 mostrado na Figura 2 inclui um corpo ou nicho externo geralmente cilíndrico 61 em que um rotor 63 possuindo uma pluralidade de canais que se prolongam longitudinalmente 65 e giram periodicamente ao redor de um estator central 67, com as faces finais planas 68 do rotor 63 interagindo de modo vedado com as regiões planas justapostas das superfícies internas axiais 70 de um invólucro final superior 69 e um invólucro final inferior 71. Uma vara de tensão centralmente disposta 73 liga os invólucros finais, estatores e rotor em um subconjunto, que é mostrado em uma vista de perspectiva explodida na Figura 3. O nicho 61 é fechado em suas extremidades pelas placas de fechamento superior e inferior 75, 77 criando plenos superiores e inferiores grandes 79, 81. Os anéis de pressão (não mostrados) ou outras disposições de anéis de travamento apropriados são recebidos em ranhuras 82 no nicho para fixar as placas de fechamento 75, 77 na posição. Um conduíte superior 83 alinhado axialmente passa através de uma abertura central na placa de fechamento da extremidade superior 75, e sua passagem é selada adequadamente na superfície interna da placa de fechamento. Um conduíte similar 85 passa axialmente através da placa de fechamento final inferior 77. Um conduíte lateral superior 87 entra através da parede lateral do nicho e se comunica com o pleno superior 79 entre a placa 75 e o invólucro final 69, e um conduíte lateral inferior 89 leva a um pleno inferior similar 81.
Ao contrário da realização do estado da técnica da Figura 1,
conforme melhor observado na vista em perspectiva explodida da Figura 3, a realização ilustrada do rotor cilíndrico 63 emprega um número bem grande de canais longitudinais 65 que são geralmente em formato de torta na seção transversal e espaçado uniformemente ao redor do eixo central. Por exemplo, os canais 22 mostrados, que são eqüiangularmente espaçados em torno do eixo central em uma região anular, com cada canal 65 constituindo um segmento anular de cerca de 13 a 14° do arco de 360°. O estator central é unido com um ou ambos os invólucros finais 68, 71, por exemplo, como por cavilhas curtas (não mostradas) recebidas em três buracos 90 nas superfícies axialmente internas 70 dos invólucros finais e diante de buracos no estator e fornece uma plataforma rotacional estável para o rotor. A vara de tensão central 73 une este subconjunto para ligar rigidamente os dois invólucros finais 68, 71 ao estator 67; o rotor gira em torno do estator entre as superfícies axialmente internas 70 dos invólucros finais. Um mancai cilíndrico circundante pode ser opcionalmente incluso; entretanto, as superfícies de sustentação hidrodinâmicas 91 entre o estator 67 e a superfície interna cilíndrica do rotor Iubrificado pelo fluido de alta pressão é preferida e possui certas vantagens nesta disposição geral. Esta construção difere da disposição básica dos invólucros finais que empregam uma manga em suas periferias conforme utilizado em muitos dispositivos de transferência de pressão giratórios do estado da técnica, tal como aquele mostrado na Figura 1. Embora uma construção de manga externa possa ser alternativamente utilizada, conforme ilustrado e descrito depois no presente com relação à Figura 4, a presente construção possui de modo surpreendente vantagens quando utilizada com os invólucros finais melhorados que são descritos abaixo no presente. Isto deve ser mais eficiente por causa da menor circunferência das superfícies de sustentação axialmente espaçadas 91 e do reservatório 92 que elas flanqueiam, e ela deve resultar em uma menor quantidade de fluxo de lubrificação e vazamento através do mesmo.
Os dois invólucros finais 69, 71 são de construção geralmente similar, sendo essencialmente imagens espelho de cada uma, exceto possivelmente pelos ângulos de entrada das passagens de entrada nas regiões adjacentes às suas aberturas nas superfícies planas 70. Ao invés de apenas duas passagens cruzando cada um dos invólucros finais, como no dispositivo de transferência de pressão giratório 11 mostrado na Figura 1, cada invólucro final 69, 71 possui quatro passagens. As quatro passagens terminam em aberturas de formato de feijão 93 na superfície final axialmente interna 70 de cada invólucro final, cujas aberturas são eqüiangularmente espaçadas em intervalos de 90° ao redor do centro do invólucro final. Os detalhes dos formatos interiores das passagens são apresentados na descrição da patente US '557' mencionada anteriormente. Na realização ilustrada, estas passagens através dos invólucros finais abrem em quatro aberturas circulares na superfície axialmente externa de cada invólucro final 69, 71.
Em cada invólucro final, cada par de passagens diametralmente opostas serve um propósito similar, como passagens de entrada ou como passagens de descarga. Como um resultado desta disposição, deve ser evidente que, durante cada revolução do rotor 63, cada um dos canais longitudinais 65 será seqüencialmente fornecido com o líquido de alta pressão que entra de uma extremidade do dispositivo, através de duas aberturas 93 diametralmente opostas entre si e, portanto, irão descarregar duas vezes o segundo de pressão agora elevada através de uma de duas aberturas de descarga alinhadas 93 no invólucro final oposto. O repreenchimento com líquido de pressão inferior através do invólucro final oposto também irão ocorrer duas vezes. Portanto, durante uma única revolução do rotor 63, o líquido de alta pressão será descarregado duas vezes de cada canal longitudinal 65; isto dobra essencialmente a capacidade do dispositivo 59 descarregar o líquido de alta pressão durante cada revolução do rotor, quando comparado a um dispositivo do estado da técnica que utiliza uma entrada em cada invólucro final e uma passagem de saída, em geral, diametralmente oposta em cada invólucro final. A operação geral dos dispositivos de transferência de pressão giratórios conforme descritos e mostrados nas Figuras 2, 3 e 4 é, em geral, normalmente a mesma que o dispositivo do estado da técnica representado na Figura 1, exceto pelos invólucros finais melhorados e os componentes associados ilustrados na Figura 3. Mais especificamente, conforme pode ser observado na Figura 3, os invólucros finais superior e inferior 69, 71 são construídos de modo que cada um possui duas ou mais passagens de entrada e cada um possui duas ou mais passagens de saída. Nesta realização, todas as quatro passagens em cada invólucro final termina em aberturas circulares nas superfícies axialmente externas dos invólucros finais 69, 71. O par de aberturas maiores 95 no invólucro final superior 69 é construído de modo a receber as respectivas extremidades de um conduíte ramificado 99 que se prolonga entre o invólucro final 69 e o conduíte axial 83 que passa através da placa de fechamento final superior. Um conduíte ramificado similar 99 conecta o conduíte axial inferior 85 às aberturas maiores no invólucro final inferior 71. As menores aberturas de passagens circulares 97 na superfície axialmente externa de cada invólucro final comunica diretamente com as respectivas câmaras plana de alta pressão 79, 81 e através das mesmas com os portos laterais 87, 89 através do nicho 61. Interiormente, as passagens nos invólucros finais são transicionadas suavemente entre as aberturas circulares 95, 97 na superfície externa e mais ou menos as aberturas em formato de feijão 93 na superfície interna plana 90 de cada invólucro final, cuja superfície plana 90 é justaposicionada com uma face final 68 do rotor 63. Os detalhes de tal contra-íon interno das passagens da entrada que podem ser empregadas para os invólucros finais são descritos na patente US '558' previamente mencionada; todas as quatro passagens de descarga podem ser contornadas de modo similar. Na realização ilustrada, todas as oito passagens possuem rampas 101 adjacentes às aberturas 93 nos dois invólucros finais e servem para potencializar o rotor 63. Embora todas as quatro passagens em cada invólucro final
possam ser contornadas de modo similar, pode ser vantajoso moldar os pares da entrada de alta pressão e descarregar as passagens para possuir diferentes geometrias do que os pares de entrada de baixa pressão e passagens de descarga para facilitar o desempenho das passagens particulares. Por exemplo, as passagens da entrada de alta pressão no invólucro final superior
69 podem terminar em rampas 101 que são orientadas (por exemplo, cerca de
70 a 40° para a superfície plana) para criar uma maior quantidade de força de impacto para girar o rotor; as passagens de descarga na extremidade oposta
seria, em geral, contornada de modo similar. Por outro lado, as rampas 101 que fluem direto da água do mar de baixa pressão a partir das passagens de entrada no invólucro final inferior 71 e nos canais do rotor podem, caso desejado, ser alinhados diferentemente destas rampas nas passagens de alta pressão e em um ângulo maior (por exemplo, eles podem ser orientados em cerca de 25° a 50° na face plana). Tal disposição pode minimizar a turbulência
e a mistura potencial.
Como um exemplo de operação em conjunto com uma usina de dessalinização da água do mar, a salmoura de alta pressão pode ser fornecida a tal dispositivo de transferência de pressão 59 através do orifício lateral 87 para preencher a câmara de entrada plena 79 através da qual ela iria fluir através das duas aberturas de menor diâmetro 97 e nas passagens de entrada 103 no invólucro final superior 69. Nestas passagens, o líquido que flui é direcionado nas extremidades superiores dos canais do rotor 65 enquanto eles são momentaneamente alinhados com o mesmo, entrando pela rampa de descarga oblíqua 101 na abertura 93; esta entrada direcional da salmoura de alta pressão pode ser utilizada como a fonte primária da força para ocasionar a rotação do rotor 63. As outras duas passagens 105 no invólucro final 69 constituem o par de passagens de descarga ou saída diametralmente opostas para a salmoura após ela ter transferido a maioria de sua pressão super atmosférica. As aberturas em formato de feijão 93 na superfície interna 70 de cada invólucro final são angularmente espaçadas por uma distância arqueada suficiente entre si de modo a constituir um selo de largura maior do que a largura de cada abertura do canal na face final do rotor; portanto, um canal longitudinal 65 no rotor não pode, ao mesmo tempo, estar em comunicação fluida com ambas uma passagem de entrada e uma passagem de saída no
mesmo invólucro final. Quando existem mais de uma passagem de entrada e uma
passagem de saída em um invólucro final, é importante fornecer espaçamento, tal que um canal não pode estar ao mesmo tempo em comunicação fluida direta com ambas uma passagem de entrada e uma passagem de saída no mesmo invólucro final. Como resultado, é importante ser capaz de localizar as aberturas em formato de feijão 93 razoavelmente próximas da periferia dos invólucros finais circulares em que a dimensão circunferencial é maior. Tal disposição é facilitada pela capacidade de eliminar a espessura da manga circundante utilizada no estado da técnica, que então torna um espaço disponível, tal que um rotor de diâmetro maior pode ser acomodado. Conforme pode ser observado na Figura 3, isto permite que os canais do rotor 65 sejam prolongados radialmente para fora e possuam, conseqüentemente, regiões mais amplas em suas extremidades radialmente externas. Tal disposição aumenta ambos o volume de um canal e facilita seu preenchimento, que é particularmente importante quando se está preenchendo cada canal duas vezes durante uma revolução. Adicionalmente, quando tal estator 67 é utilizado ao invés de uma manga externa circunferencial, as superfícies da parede angular justapostas que servem como superfícies de sustentação 91 são substancialmente menores em área de superfície e, portanto, exerceria inerentemente menos obstáculo no rotor giratório 63. Adicionalmente, foi constatado que tal o local das superfícies de sustentação surpreendentemente fera o conjunto do dispositivo, ao combinar tolerâncias, surpreendentemente mais simples enquanto também facilita a proteção da lubrificação contínua e adequada. Esta disposição permite que o líquido de maior pressão que serve como o fluido lubrificante seja rapidamente fornecido ao reservatório 92 através de uma passagem radial 92a localizada na parede lateral do estator 67 que interconecta o reservatório com o espaço vazio anular 92b entre a vara de tensão 73 e a superfície interna do estator oco 67. Este espaço anular é mantido cheio de líquido de altar pressão através de uma passagem aumentada em um dos invólucros finais através do qual a vara de tensão 73 passa, de preferência, aquele invólucro final através do qual a água do mar entra e é descarregada. Conseqüentemente, a disposição assegura que o reservatório permaneça cheio com líquido sob alta pressão para assegurar a lubrificação destas superfícies de sustentação que é uma característica importante.
Conseqüentemente, à medida que o rotor 63 gira, cada canal de formato de torta 65 no rotor irá mover em alinhamento com, por exemplo, uma abertura de entrada em formato de feijão 93 da passagem da entrada da salmoura de alta pressão 103 em uma extremidade superior e, simultaneamente, com uma abertura em formato similar em uma passagem da saída 107 no invólucro final inferior oposto 71 que leva a uma abertura lateral de descarga da água do mar de alta pressão 89 por meio do pleno inferior 81. Conseqüentemente, uma quantidade de salmoura de alta pressão igual a cerca de 50% - 90% do volume do canal longitudinal 65 irá fluir rapidamente no canal antes daquele canal atingir a área de vedação entre as aberturas adjacentes 93 na superfície final plana 70. Isto, obviamente, descarrega um volume igual de água do mar agora pressurizada da extremidade oposta, que flui no pleno 81 e então fora através da abertura de descarga lateral 89. Quanto mais cedo este canal 65 atingir as próximas duas aberturas alinhadas 93 nas superfícies planas internas dos invólucros finais 69, 71, a água do mar de baixa pressão (por exemplo, 275 kPa (40 psig)), fornecida através do conduíte de entrada axial inferior 85 e o conduíte ramificado 99 nas duas passagens de entrada 109 no invólucro final inferior 71, flui na extremidade (inferior) oposta do canal rotor 65, novamente a uma quantidade entre cerca de 50% a 90% de seu volume. Isto descarrega a salmoura agora de baixa pressão através da passagem de saída 105 na extremidade superior levando ao conduíte de descarga da salmoura de baixa pressão ramificada 83.
Portanto, pode ser observado que o ciclo de pressurização/ despressurização para um canal longitudinal 65 no rotor 63 (que, portanto, ocorreu apenas uma vez durante uma revolução completa do rotor nos dispositivos do estado da técnica) é agora obtido em apenas cerca de 180° de revolução, tal que a operação assim descrita é repetida durante o próximo 180° de revolução, portanto o bombeamento ocorre duas vezes durante cada revolução do rotor. Como resultado, durante cada 360° de revolução do rotor 63, o dispositivo 59 é capaz de pressurizar/ despressurizar essencialmente duas vezes o volume do líquido em um canal longitudinal do mesmo tamanho. Além disso, pode ser observado da Figura 3 que o tamanho dos
canais 65 no rotor 63 é tal que mais de um canal estará sempre em posicionamento com qualquer uma das aberturas em formato de feijão 93 em um dos invólucros finais. Entretanto, por causa do formato interno das passagens de entrada 103, 109 nos invólucros finais respectivos 69, 71 é tal que o líquido flui suavemente através destas passagens, existe uma garantia de que o preenchimento respectivo dos canais 65 na proporção adequada e a descarga do mesmo é obtida durante o curto tempo que cada canal está em posicionamento com os pares de aberturas de entrada e saída alinhada nos invólucros finais nas extremidades opostas do dispositivo. Portanto, pode ser observado que esta capacidade de preencher parcialmente duas vezes cada canal 65 com líquido a ser pressurizado e então descarregar duas vezes aquele líquido pressurizado durante cada revolução do rotor 63 fornece uma operação substancialmente mais eficiente. Embora a presente invenção tenha sido descrita com relação a certas realizações preferidas que constituem o melhor modo conhecida presentemente pelo inventor para a realização da presente invenção, deve ser entendido que diversas mudanças e modificações conforme seria óbvio para o técnico no assunto pode ser realizada sem se desviar do escopo da presente invenção que é definida pelas reivindicações anexas a este. Por exemplo, embora apenas duas entradas e duas saídas são mostradas na disposição ilustrada dos invólucros finais da Figura 3, deve ser entendido que um maior número também poderia ser utilizado e tal poderia ser fornecido o mais fácil possível nos invólucros finais de diâmetro maior. Por exemplo, o fornecimento de três entradas e três saídas, cada uma espaçada em incrementos angulares de 60° em torno do eixo do rotor em um dispositivo de transferência de pressão giratório deste tipo, particularmente, um de diâmetro ainda maior, permitiria três cargas e três descargas em cada extremidade do dispositivo durante cada revolução do rotor. Além disso, conforme mencionado previamente, ao invés de empregar o estator preferido 67 para fornecer superfícies de sustentação em torno da qual o rotor gira, uma disposição poderia ser empregada conforme ilustrado na Figura 4. Um par de invólucros finais multi-entrada e multi-saída substancialmente similar aos invólucros finais 69, 71, poderia ser empregado com um rotor 163 e uma manga circundante 173 similar à disposição mostrada na Figura 1. Com tal construção, a vara de tensão 175 iria unir os invólucros finais 169, 171 e a manga 173 como um subconjunto, criando uma câmara cilíndrica circular reta em que o rotor 163 iria girar como na realização da Figura 1. As características particulares da presente invenção são enfatizadas nas reivindicações que se seguem.
Claims (14)
1. DISPOSITIVO DE TRANSFERÊNCIA DE PRESSÃO para a transferência de energia de pressão a partir de um primeiro fluido de alta pressão para um segundo fluido de menor pressão, para fornecer um segundo fluido pressurizado, cujo dispositivo compreende: - um rotor cilíndrico (63) montado de modo giratório possuindo um par de faces finais planas (68) opostas com pelo menos dois canais (65) que se prolongam axialmente através das mesmas, entre as aberturas localizadas em ditas faces finais planas; e - um par de invólucros finais (69, 71) opostos possuindo superfícies finais (70) axialmente internas e externas, com ditas superfícies finais axialmente internas de cada um possuindo regiões planas que interferem e acoplam, de modo deslizante e com vedação, ditas respectivas faces finais planas (68) de dito rotor; - cada dito invólucro final possuindo duas ou mais passagens de entrada (103, 109) e duas ou mais passagens de descarga (105, 107) em que pelo menos quatro passagens abrem-se para ditas superfícies finais axialmente internas (70), ditos invólucros finais sendo alinhados de modo que quando um canal (65) em dito rotor (63) é alinhado com uma abertura da passagem de entrada (103, 109) em um dito invólucro final (69, 71), também é alinhado com uma abertura da passagem de descarga (105, 107) em dito invólucro final oposto, ditas aberturas da passagem de entrada e ditas aberturas da passagem de descarga no mesmo invólucro final sendo constantemente vedadas uma da outra durante a operação por uma área de vedação na interface entre dita face final plana (68) do rotor e dito invólucro final (69, 71); em que durante a revolução de dito rotor (63), ditas aberturas do canal (65) são, na seqüência alternada, trazidas em alinhamento parcial ou total com uma abertura da passagem de entrada (103, 109) em um dito 2 invólucro final (69, 71) e uma abertura da passagem de descarga (105, 107) em um dito invólucro final (71, 69) oposto e então em alinhamento parcial ou total com uma abertura da passagem de descarga em dito invólucro final e uma abertura da passagem de entrada em dito invólucro final oposto, pelo menos duas vezes durante cada revolução de dito rotor, de modo que cada um do dito canal (65) é pelo menos duas vezes fornecido com o primeiro fluido de alta pressão e pelo menos duas vezes descarrega o segundo fluido pressurizado.
2. DISPOSITIVO DE TRANSFERÊNCIA DE PRESSÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ditas passagens de entrada (103, 109) em dito invólucro final (69, 71) através do qual dito primeiro fluido de alta pressão flui, possui rampas oblíquas (101) adjacentes a ditas aberturas da superfície que criam efusões do fluido direcional em ditos canais do rotor e pelo fato de que ditas passagens de saída (105, 107) alinhadas também possuem rampas oblíquas (101) similares, como um resultado do qual é ocasionada a rotação de dito rotor (63).
3. DISPOSITIVO DE TRANSFERÊNCIA DE PRESSÃO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que ditas rampas oblíquas (101) em dito invólucro final são alinhadas entre cerca de Io a cerca de 40° na face final plana de dito rotor.
4. DISPOSITIVO DE TRANSFERÊNCIA DE PRESSÃO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que ditas rampas oblíquas (101) nas passagens da entrada em dito invólucro final oposto são alinhadas em um ângulo maior da face final plana de dito rotor.
5. DISPOSITIVO DE TRANSFERÊNCIA DE PRESSÃO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que ditas rampas oblíquas (101) em ditas passagens da entrada (103, 109) em dito invólucro final oposto são alinhadas em um ângulo de cerca de 25° a cerca de 50° da face final plana de dito rotor.
6. DISPOSITIVO DE TRANSFERÊNCIA DE PRESSÃO, de acordo com uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizado pelo fato de que cada invólucro final (69, 71) possui duas passagens de entrada (103, 109) diametralmente opostas e duas passagens de saída (105, 107) diametralmente opostas.
7. DISPOSITIVO DE TRANSFERÊNCIA DE PRESSÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dito rotor (63) gira em torno de um estator (67) que é interconectado com ambos ditos invólucros finais (69, 71).
8. DISPOSITIVO DE TRANSFERÊNCIA DE PRESSÃO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que dito estator possui duas superfícies de sustentação (91) lateral espaçadas, com uma ranhura circunferencial entre as mesmas que irá manter um reservatório (92) ou fluido para a lubrificação de ditas superfícies de sustentação.
9. DISPOSITIVO DE TRANSFERÊNCIA DE PRESSÃO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que uma passagem (92b) de fornecimento se prolonga, em geral, radialmente interna de dita ranhura e uma passagem de ramificação (92a) em dito estator conecta dita passagem de fornecimento para uma região de fluido de alta pressão.
10. DISPOSITIVO DE TRANSFERÊNCIA DE PRESSÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dito rotor (63) gira dentro de uma manga circuncidante (173), sendo que nas extremidades opostas da manga se encontra dito par de invólucros finais (169, 171).
11. MÉTODO PARA A TRANSFERÊNCIA DA ENERGIA DE PRESSÃO A PARTIR DE UM PRIMEIRO FLUIDO DE ALTA PRESSÃO PARA UM SEGUNDO FLUIDO DE MENOR PRESSÃO, para fornecer um segundo fluido pressurizado, cujo método compreende as etapas de: - montar de modo giratório um rotor cilíndrico (63) em um nicho, cujo rotor possui um par de faces finais planas (68) opostas e possui pelo menos dois canais (65) que se prolongam longitudinalmente através do mesmo entre as aberturas localizadas em ditas faces finais planas; - dispor um par de invólucros finais (69, 71) opostos no nicho possuindo superfícies axialmente internas com regiões de superfície plana, de modo que suas superfícies finais axialmente internas se interfaceiem com e se acoplem, de modo deslizante e vedante, com ditas faces finais planas de dito rotor (63), cujos invólucros finais (69, 71) possuem, cada um, uma pluralidade de passagens de entrada (103, 109) e uma pluralidade de passagens de descarga (105, 107) que se abrem em ditas regiões de superfície plana; - fornecer um primeiro fluido de alta pressão para ditas passagens de entrada (103, 109) em um invólucro final (69, 71), enquanto descarrega simultaneamente um segundo fluido pressurizado em ditas passagens de descarga (105, 107) alinhadas no invólucro final (69, 71) na extremidade oposta; e - ocasionar o ciclo de dito rotor (63) em torno de seu eixo, de forma que aberturas dos canais são respectivamente trazidas em alinhamento parcial ou total com uma abertura da passagem de entrada em um invólucro final e uma abertura da passagem de descarga no outro invólucro final pelo menos duas vezes durante cada revolução do rotor, segundo o qual um maior volume do segundo líquido pressurizado é descarregado para cada revolução do rotor porque cada canal é preenchido e descarregado pelo menos duas vezes.
12. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que dita rotação de dito rotor é causada pela entrada direcional pelo dito fluido de alta pressão em ditos canais.
13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que dito fluido de alta pressão é induzido ao entrar em uma extremidade de dito rotor em pelo menos dois locais (103, 109) espaçados equiangularmente em dito invólucro final.
14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que dita entrada está em dois locais(103, 109) diametralmente opostos em dito invólucro final.
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