ES2251465T3 - Dispositivo de reduccion de energia de fluido. - Google Patents

Abstract

Un dispositivo de reducción de energía de fluido que comprende una entrada de fluido (11) y una salida de fluido (12) separadas por una pluralidad de placas apiladas (13), entre unos pares adyacentes de las cuales están definidos una pluralidad de trayectos de fluido (26) separados que se extienden radialmente distanciados angularmente, permaneciendo un trayecto de fluido confinado entre dos placas adyacentes, donde al menos uno de los trayectos está dividido en trayectos subordinados (29) por una pluralidad de filas (28) de miembros de obstrucción de fluido (27) separados, distanciados, que se extienden entre placas adyacentes (13).

Description

Dispositivo de reducción de energía de fluido.

La presente invención concierne a un dispositivo de reducción de energía de fluido y a una válvula o regulador en la que el fluido que pasa a su través es sometido a una caída de presión y a una reducción de energía por tal dispositivo.

Se conoce, en sistemas de control de flujo de fluidos de alta presión, tener dispositivos de control que están diseñados para efectuar una caída de presión en el fluido que pasa a su través. Para una caída de presión dada a través de un dispositivo tal existe un aumento correspondiente en la velocidad del fluido que debe ser manejado cuidadosamente. Además, las caídas de presión que se producen a elevados caudales de fluido en válvulas o componentes similares van acompañadas generalmente por otros problemas tales como erosión, ruido, vibración y cavitación.

Una solución común para los anteriores problemas es dividir el flujo a través del dispositivo en una pluralidad de corrientes separadas, cada una de las cuales en la forma de un trayecto tortuoso. La presión y la energía del fluido se disipan parcialmente a lo largo de tales trayectos como resultado de pérdidas ocasionadas por fricción entre las paredes del trayecto, cambios rápidos en la dirección del fluido y cámaras de expansión o contracción.

En válvulas de control de fluido, tales dispositivos de control adoptan usualmente la forma de una pila de discos o una pluralidad de manguitos cilíndricos concéntricos. En el primero de los diseños, el trayecto del fluido está definido por unos pasajes tortuosos mecanizados en una o ambas superficies enfrentadas de discos adyacentes. En el último de los diseños, los manguitos están perforados radialmente, con las perforaciones de los manguitos adyacentes dispuestas desplazadas para obligar al fluido a fluir en una trayecto tortuoso. Los manguitos pueden estar separados por unos pasajes anulares intermedios que permiten que el fluido que pasa a su través se expanda antes de que luego tenga que contraerse para pasar a través de las perforaciones del siguiente manguito. La disposición geométrica específica de tales diseños puede estar configurada según se desee para permitir que la presión del fluido de cada corriente caiga en incrementos relativamente pequeños y en muchas etapas.

En los documentos UR-RE-32197, GB-A-2335054 y US-A-5390896 se dan a conocer ejemplos de dispositivos de control de fluido del tipo arriba descrito.

Las válvulas del tipo descrito anteriormente están equipadas generalmente con un obturador que es desplazable dentro de una cavidad cilíndrica central definida en los discos o dentro del más interior de los manguitos concéntricos. El obturador es desplazable axialmente dentro de la cavidad para cerrar o abrir las salidas hacia los trayectos de fluido con el fin de variar el número de trayectos que están disponibles para el flujo del fluido de acuerdo con las características de flujo requeridas por el usuario.

Aunque tales dispositivos de control de fluido son efectivos, su construcción, y por consiguiente su fabricación y montaje, es compleja y cara. Además, la presencia de trayectos tortuosos con codos cerrados aumenta la tendencia a que se produzcan atascos y erosión causados por la presencia de pequeñas partículas (tales como suciedad, arena, impurezas y otros detritus) en el flujo de fluido.

Un objetivo de la presente invención es obviar o mitigar las desventajas expuestas anteriormente.

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, se aporta un dispositivo de reducción de energía de fluido que comprende una entrada de fluido y una salida de fluido separadas por una pluralidad de placas apiladas, entre unos pares adyacentes de las cuales están definidos una pluralidad de trayectos de fluido separados que se extienden radialmente distanciados angularmente, permaneciendo un trayecto de fluido confinado entre dos placas adyacentes, donde al menos uno de los trayectos está dividido en trayectos subordinados por una pluralidad de filas de miembros de obstrucción de fluido discretos, distanciados, que se extienden entre placas adyacentes.

Mediante el uso de miembros de obstrucción de flujo al fluido se le presentan varios trayectos alternativos, y la ausencia de un único trayecto tortuoso con áreas de recirculación de fluido reduce o elimina el problema de erosión por detritus en el flujo de fluido.

Los miembros de obstrucción de flujo pueden tener cualquier forma de sección transversal conveniente y pueden variar de forma a través de la placa, aunque en ejemplos de realización preferidos al menos parte de la superficie del miembro de obstrucción en el flujo de fluido es arqueada para permitir un paso uniforme de fluido alrededor del miembro de obstrucción. Los miembros de obstrucción de flujo, los cuales están distanciados y son discretos, sirven para separar el fluido incidente en corrientes separadas que luego pasan alrededor del miembro de obstrucción y se recombinan corriente abajo antes de ser separados de nuevo cuando inciden en un miembro de obstrucción en una fila subsiguiente. La separación y convergencia del flujo junto con los efectos de resistencia por fricción ocasiona una caída de presión uniforme y por consiguiente una reducción de energía en el fluido. Aumentando el número de filas, la repetida separación y convergencia imparte una mayor reducción de presión.

En un ejemplo de realización preferido, los miembros de obstrucción de flujo de una fila están desplazados lateralmente de los de una fila adyacente en la dirección del fluido. Esta disposición está diseñada para asegurar que los flujos de fluido corriente debajo de una fila están dirigidos para que incidan directamente sobre los miembros de obstrucción de flujo de la fila subsiguiente.

Los miembros de obstrucción de flujo pueden estar formados sobre la superficie de cada placa y pueden ser integrales de las mismas. En un ejemplo de realización alternativo, las placas y los miembros de obstrucción de flujo están definidos por un conjunto de miembros alargados, cuya configuración comprende unos elementos de placa intercalados axialmente a lo largo del miembro alargado con los miembros de obstrucción de flujo, combinándose los miembros de obstrucción de flujo de miembros alargados adyacentes para formar dicha placa cuando dichos miembros alargados son ensamblados.

En un ejemplo de realización preferido, los miembros de obstrucción de flujo son en general de sección transversal circular y su área de sección transversal disminuye de fila a fila en la dirección del flujo de fluido desde la entrada a la salida. En otro ejemplo de realización preferido, los miembros de obstrucción de flujo aumentan de área de sección transversal desde la entrada a la salida.

Cada placa puede tener una pluralidad de trayectos de flujo distanciados definidos en la misma.

En un ejemplo de realización preferido, las placas son anulares y tienen una abertura central circular. Las filas de miembros de obstrucción de flujo son anulares y están dispuestas en una configuración concéntrica. La placa puede estar dividida en una pluralidad de trayectos de flujo que se extienden radialmente distanciados angularmente.

De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención se aporta una válvula de control de fluido que comprende un dispositivo de reducción de energía de fluido del tipo definido más arriba y un miembro de válvula de control dispuesto desplazable en vaivén en dicho dispositivo.

A continuación se describirán, sólo a modo de ejemplo, unos ejemplos de realización de la presente invención específicos con referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:

La Fig. 1 es una sección longitudinal a través de una válvula de control de fluido equipada con un dispositivo de reducción de energía de fluido de la presente invención;

La Fig. 2 es una vista en perspectiva de una pila de guarniciones de válvula de la Fig. 1;

La Fig. 3 es una vista en perspectiva desde arriba de una sección recortada de la pila de guarniciones de la Fig. 2;

La Fig. 4 es una representación esquemática del flujo de fluido a través de una parte de un disco de una pila de guarniciones de la Fig. 2;

La Fig. 5 es una representación esquemática en planta de un ejemplo de realización de flujo de fluido a través de un disco de la pila de guarniciones;

La Fig. 6 es una representación esquemática en planta de un ejemplo de realización alternativo del flujo de fluido a través de un disco de la pila de guarniciones;

La Fig. 7 es una vista en perspectiva desde arriba de una sección cortada de un ejemplo de realización de la pila de guarniciones que no está cubierto por la presente invención;

La Fig. 8 es una vista en planta de un disco de la pila de guarniciones de la Fig. 7;

La Fig. 9 es una vista en planta de un ejemplo de realización alternativo de un disco de una pila de guarniciones de acuerdo con la presente invención;

La Fig. 10 es una vista de cerca de parte del disco de la Fig. 9; y

La Fig. 11 es una vista en perspectiva de la construcción de una parte de la pila de guarniciones usando una pluralidad de los discos mostrados en la
Fig. 9.

Haciendo ahora referencia a la Fig. 1 de los dibujos, la válvula de control comprende un cuerpo de válvula 10 que define unos conductos de entrada y salida 11, 12 que, en condiciones de uso, están conectados a unos tubos (no mostrados) que transportan el fluido a la válvula y desde la válvula. La válvula está prevista para que sea bidireccional puesto que la dirección del flujo de fluido puede ser el inverso del mostrado en las figuras. La selección de la dirección del flujo de fluido depende de la aplicación particular.

Entre los conductos de entrada y salida 11, 12, la carcasa define una cámara central en general circular en la que está alojada de manera extraíble una pila de guarniciones 13. La pila 13 está dispuesta sobre un asiento de válvula 14 y comprende una pluralidad de discos 15 similares a placas (descritos en mayor detalle más abajo), coaxiales, de idéntico tamaño, teniendo cada disco 15 una abertura central 16 circular. Una cubierta de válvula 17 está fijada al cuerpo de válvula 10 por medio de unos pernos 18 con el fin de cerrar la cámara y retener la pila 13 en su lugar.

En combinación, la pila de discos define un agujero cilíndrico en el cual está dispuesto de manera deslizante un obturador 20 desplazable en vaivén. El obturador 20 está fijado a un extremo de un vástago alargado 21 que se extiende hacia arriba a través de un agujero 22 existente en la cubierta 17 vía una junta de hermeticidad de guía 23 y es desplazado en vaivén por medio de un actuador (no mostrado) conectado al otro extremo del vástago 21 y al exterior de la cubierta de válvula 17.

El obturador 20 es desplazable selectivamente en una dirección axial entre una posición totalmente abierta, en la cual el fluido que fluye a través de la válvula desde el conducto de entrada 11 al de salida 12 pasa a través de la pila de guarniciones 13, y una posición cerrada en la que el mismo está apoyado en el asiento de válvula 14 y bloquea el flujo a través de la pila 13. Entre estas dos posiciones, el obturador 20 actúa como un regulador permitiendo que fluya sólo un volumen de fluido predeterminado y determinando con ello las características del comportamiento de la válvula.

La pila de guarniciones 13 se muestra en mayor detalle en la Fig. 2. Los discos 15 apilados están retenidos entre unas placas superior e inferior 24, 25 de la pila que están configuradas para ajustar con las correspondientes superficies emparejadas del asiento de válvula 14 y del cuerpo de válvula 10.

Tal como se puede observar en la Fig. 3, cada disco 15 de la pila 13 tiene una pluralidad de pasajes de flujo 26 radiales distanciados a intervalos angulares iguales alrededor de su superficie. Cada pasaje 26 es en la forma de un conducto rectilíneo cortado en la superficie del disco 15. Sobresaliendo desde la superficie del fondo del conducto hay una pluralidad de columnas 27 discretas, distanciadas, formadas integralmente en el disco 15 en filas anulares concéntricas 28. En el ejemplo de realización mostrado en la Fig. 3, las columnas 27 son de sección transversal circular y su área de sección transversal se reduce de fila a fila en la dirección del flujo de fluido (indicada por la flecha). Las columnas 27 están escalonadas de tal manera que las cualquier fila particular 28 están desplazadas circunferencialmente de las dispuestas en las filas precedente y subsiguiente. Los discos 15 pueden estar mecanizados o moldeados en esta configuración.

El flujo de fluido al interior de la pila de guarniciones 13 incide sobre la primera fila 28 de columnas 27 en cada pasaje 26 y es dividido en una pluralidad de trayectos de flujo menores 29 que pasan entre las columnas 27 adyacentes, tal como se puede observar en la Fig. 4. A medida que el fluido progresa hacia las subsiguientes filas 28 es forzado de nuevo a dividirse cuando pasa alrededor de la parte frontal de la columna 27. Sin embargo, hay una convergencia de los flujos menores 29 corriente debajo de la columna 27. El escalonamiento de las columnas entre filas adyacentes está diseñado para dirigir el flujo de fluido corriente abajo desde entre las columnas de una fila directamente en la trayectoria de una columna de la fila siguiente. Esta constante separación del flujo de fluido, la recombinación subsiguiente y la resistencia por fricción entre el fluido y las superficies curvadas de las columnas 27 sirve para reducir la energía y por consiguiente la presión del fluido por etapas, proporcionando con ello una caída de presión uniforme a través de la pila de guarniciones 13.

Hay que apreciar que el diseño específico de los discos 15 de la pila de guarniciones puede variarse de acuerdo con la aplicación particular, las dirección del flujo y las características de flujo que se requieran. En las Figs. 5 y 6 se muestran ejemplos de discos con cuatro y seis pasajes radiales, respectivamente. El espacio de separación entre columnas 27 puede aumentar de fila a fila en aplicaciones en las que es necesario aumentar el área de flujo de fluido a través del pasaje de fluido 26,

En las Figs. 7 y 8 se muestra un ejemplo de realización alternativo de la configuración superficial del disco en el que unas partes que se corresponden con las de las Figs. 3 y 4 están representadas por las mismas referencias numéricas aumentadas en 100 y no serán descritas excepto en la medida en que las mismas difieran de sus partes oponentes. En este ejemplo de realización, la dirección del flujo de fluido es inversa. La superficie del disco 115 no está dividida en pasajes separados y las columnas 127 están dispuestas sobre toda la superficie del disco 115. Las columnas 127 varían en cuanto a forma de sección transversal de fila a fila 128 y se hacen progresivamente alargadas (en formas de pastilla) en la dirección circunferencial hacia la periferia exterior del disco 115. La disposición de las columnas 127 y su distorsión está diseñada para mantener el área de flujo y resistencia requerida a través de la pila de guarniciones 113.

Haciendo ahora referencia de nuevo a las Figs. 1
a 3, a medida que el obturador de válvula 20 es desplazado hacia arriba o hacia abajo del agujero central 19, el mismo cubre o descubre los pasajes de fluido 26 en cada disco 15 con el fin de aumentar o reducir la comunicación de fluido entre los conductos de entrada y salida 11, 12.

En las Figs. 9 a 11 se muestra un ejemplo de realización alternativo en el que los pasajes de fluido existentes en la pila de guarniciones están formados, cada uno, por una pluralidad de barras mecanizadas. Las partes que se corresponden con las de las Figs. 3 y 4 están representadas por las mismas referencias numéricas aumentadas en 200 y no serán descritas excepto en la medida en que las mismas difieran de sus partes oponentes. Cada barra 200 comprende, en una disposición ordenada vertical, una pluralidad de segmentos hexagonales 201 intercalados con columnas cilíndricas 227. Cuando las barras 200 son ensambladas en grupos, los segmentos hexagonales 201 que se encuentran en un nivel vertical dado sobre cada barra se combinan para formar las paredes de base de los conductos 226 de paso de fluido para un piso dado de la pila 213, y las columnas 227 proporcionan las mismas funciones descritas más arriba en relación con las Figs. 3 a 6. El grosor de cada segmento hexagonal 201 es igual que el grosor del disco 15 en los conductos de flujo 26 descritos más arriba. Los grupos de barras 200 son ensamblados en bloques rectangulares 202 y son intercalados con segmentos cilíndricos macizos 203 de metal con el fin de completar la pila de guarniciones 213. El conjunto ensamblado completo es mantenido unido por una jaula (no mostrada).

Se apreciará que se pueden hacer numerosas modificaciones al diseño arriba descrito sin salirse del alcance de la presente invención según está definida en las reivindicaciones adjuntas. Por ejemplo, aunque en los dibujos que se acompañan la pila de guarniciones está representada como en general cilíndrica, pueden usarse otras formas. Además, las columnas de cualquiera de los ejemplos de realización pueden ser de cualquier forma de sección transversal adecuada y pueden estar divididas en cualquier número de pasajes separados. El número de filas de columnas en cada disco está determinado por la caída de presión requerida a través de la pila de guarniciones, y cuanto más grande sea la caída de presión requerida más grande será el número de filas requerido para disipar energía con seguridad dentro de la pila de guarniciones. No es necesario que las columnas sean integrales de los discos, sino que alternativamente pueden comprender unas clavijas o estacas que estén alojadas en unos agujeros pasantes o agujeros ciegos presentes en la superficie del disco. La misma clavija o estaca puede pasar a través de uno o más discos para proporcionar unas columnas que sean comunes a uno o más discos
en la pila.

Claims (11)

1. Un dispositivo de reducción de energía de fluido que comprende una entrada de fluido (11) y una salida de fluido (12) separadas por una pluralidad de placas apiladas (13), entre unos pares adyacentes de las cuales están definidos una pluralidad de trayectos de fluido (26) separados que se extienden radialmente distanciados angularmente, permaneciendo un trayecto de fluido confinado entre dos placas adyacentes, donde al menos uno de los trayectos está dividido en trayectos subordinados (29) por una pluralidad de filas (28) de miembros de obstrucción de fluido (27) separados, distanciados, que se extienden entre placas adyacentes (13).

2. Un dispositivo de reducción de energía de fluido, de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los miembros de obstrucción de una fila están desplazados lateralmente de los de una fila adyacente en la dirección del trayecto del flujo de fluido.

3. Un dispositivo de reducción de energía de fluido, de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en el que al menos parte de una superficie de los miembros de obstrucción en el trayecto de flujo es arqueada con el fin de permitir el paso del flujo de fluido a su alre-
dedor.

4. Un dispositivo de reducción de energía de fluido, de acuerdo con la reivindicación 1, 2 ó 3, en el que los miembros de obstrucción son geométricamente circulares en sección transversal.

5. Un dispositivo de reducción de energía de fluido, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el área de sección transversal de los miembros de obstrucción aumenta a través de las filas de la entrada a la salida.

6. Un dispositivo de reducción de energía de fluido, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el área de sección transversal de los miembros de obstrucción disminuye a través de las filas de la entrada a la salida.

7. Un dispositivo de reducción de energía de fluido, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que los miembros de obstrucción están formados sobre una superficie de cada placa.

8. Un dispositivo de reducción de energía de fluido, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el las placas y los miembros de obstrucción de flujo están definidos por un conjunto ensamblado de miembros alargados, teniendo cada miembro alargado a lo largo del mismo unos elementos de placa intercalados con dichos miembros de obstrucción de flujo, combinándose los elementos de placa de miembros alargados adyacentes para formar dicha placa cuando los miembros alargados están ensamblados.

9. Un dispositivo de reducción de energía de fluido, de acuerdo con la reivindicación 8, en el que los miembros alargados están ensamblados en para-
lelo.

10. Una válvula de control de fluido que comprende un dispositivo de reducción de energía de fluido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 y un miembro de control de válvula dispuesto desplazable en vaivén en dicho dispositivo.

11. Un dispositivo de reducción de energía de fluido, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que las placas son anulares y tienen una abertura central circular.