Un aparato (10) para medir al menos un parámetro de una mezcla partícula/fluido (12) en una tubería (14) que comprende:

una serie espacial de al menos dos sensores de presión (15, 16, 17, 18), dispuestos en localizaciones axiales diferentes a lo largo de la tubería (14), y cada uno de los cuales mide una presión no estacionaria dentro de la tubería (14) en una localización axial correspondiente (X1, X2, X3, XN), proporcionando cada uno de dichos sensores una señal de presión indicativa de la presión no estacionaria dentro de la tubería (14) en dicha localización axial (X1, X2, X3, XN) de uno correspondiente de dichos sensores (15, 16, 17, 18); y

un procesador de señales (30), sensible a dichas señales de presión,

caracterizado por que el procesador de señales (30) está adaptado para determinar la velocidad de propagación del sonido en la mezcla (12) como una función de la frecuencia para caracterizar las propiedades de dispersión de la mezcla (12) y comparar las propiedades de dispersión de la mezcla (12) con un modelo de dispersión de la mezcla (12) para proporcionar una señal indicativa de al menos un parámetro de la mezcla (12) en la tubería (14).

Aparato y método para medir parámetros de una mezcla que tiene partículas sólidas suspendidas en un fluido que fluye en una tubería Referencia cruzada a solicitudes de patente relacionadas Esta solicitud reivindica el beneficio de la Solicitud Provisional de Estados Unidos Nº 60/351.232 (Cidra Docket Nº CC-0410) , presentada el 23 de enero de 2002; Solicitud Provisional de Estados Unidos Nº 60/359.785 (Cidra Docket Nº CC-0403) , presentada el 26 de febrero de 2002; Solicitud Provisional de Estados Unidos Nº 60/375.847 (Cidra Docket Nº CC-0468) , presentada el 24 de abril de 2002; Solicitud Provisional de Estados Unidos Nº 60/425.436 (Cidra Docket Nº CC-0538) , presentada el 12 de noviembre de 2002; y Solicitud Provisional de Estados Unidos Nº 60/426.724 (Cidra Docket Nº CC-0554) , presentada el 15 de noviembre de 2002, todas las cuales se incorporan en este documento por referencia en su totalidad.

Campo técnico

Esta invención se refiere a un aparato para medir el flujo que pasa dentro de una tubería y, más particularmente, a un aparato y método para medir la velocidad del sonido y/o alteraciones vorticiales que se propagan en el flujo, que tiene partículas suspendidas dentro de un fluido continuo, para determinar parámetros, tales como la proporción partícula/fluido, tamaño de partícula y caudal volumétrico del flujo en tuberías usando presiones acústicas y/o dinámicas.

Técnica anterior Esta invención proporciona un método para medir parámetros de una mezcla de fluido/partícula en una tubería que puede usarse en muchas aplicaciones, tales como en industrias químicas, farmacéuticas, del petróleo o de generación de energía. En particular, la invención proporciona un método para medir mezclas de carbón pulverizado y aire usadas en sistemas de suministro de combustible pulverizado en lugar de, en un gran porcentaje, calderas que funcionan con carbón usadas en la industria de generación de energía.

Actualmente, bastante por encima del 50% de la electricidad en Estados Unidos se genera con carbón. Aunque el carbón se considera eficaz respecto a costes, es un recurso abundante en Estados Unidos, el uso de carbón ha sido restringido debido en gran parte a preocupaciones medioambientales. Para mitigar este impacto, el Departamento de Energía de Estados Unidos y la industria de generación de energía tienen grandes programas diseñados para desarrollar tecnología para reducir los efectos medioambientales de la quema de carbón. Estas iniciativas de quema limpia del carbón incluyen tecnologías diseñadas para desarrollar mejoras en el proceso de combustión, para mejorar la eficacia mientras que reducen los contaminantes, tales como carbón sin quemar, cenizas y óxidos nitrosos (NOx) .

La capacidad para medir el caudal y composición de la mezcla aire/carbón dentro de las tuberías de carbón es un aspecto importante de cualquier sistema o estrategia diseñada para optimizar el rendimiento del sistema de suministro de CP. La industria reconoce esto y, por lo tanto, ha desarrollado una amplia variedad de tecnologías para realizar esta medición. Estas incluyen dispositivos de muestreo y basados en sonda, así como medidores en tiempo real basados en una amplia variedad de tecnologías incluyendo cargas electrostáticas, microondas y ultrasonidos.

Sumario de la invención Los objetos de la presente invención incluyen proporcionar un sistema para medir la velocidad del sonido que se propaga a través de una mezcla de partícula/fluido en tuberías en sistemas de caldera que funcionan con carbón y procesos relacionados, por ejemplo, para determinar los parámetros particulares de la mezcla.

De acuerdo con la presente invención, un aparato para medir al menos un parámetro de una mezcla de partícula/fluido en una tubería incluye una serie espacial de al menos dos sensores de presión, dispuestos en diferentes localizaciones axiales a lo largo de la tubería. Cada uno de los sensores de presión mide una presión no estacionaria dentro de la tubería en una localización axial correspondiente. Cada uno de dichos sensores proporciona una señal de presión indicativa de la presión no estacionaria dentro de la tubería en dicha localización axial de uno de dichos sensores correspondiente. Un procesador de señales, sensible a dichas señales de presión proporciona una señal indicativa de al menos un parámetro de la mezcla en la tubería.

De acuerdo con la presente invención, un método para medir al menos un parámetro de una mezcla de partícula/fluido en una tubería incluye medir presiones no estacionarias dentro de la tubería, al menos en dos localizaciones de medición axial predeterminadas a lo largo de la tubería para proporcionar una señal de presión indicativa de la presión no estacionaria dentro de la tubería en cada una de al menos dos localizaciones de medición axial predeterminadas. Adicionalmente el método incluye calcular al menos un parámetro de la mezcla partícula/fluido en la tubería usando la presión no estacionaria medida en las localizaciones de medición axial.

El anterior y otros objetos, características y ventajas de la presente invención resultarán más evidentes a la luz de la siguiente descripción detallada de las realizaciones ejemplares de las mismas.

Breve descripción de los dibujos La Figura 1 es un diagrama de bloques de un caudalímetro para medir la velocidad del sonido de la mezcla fluido/partícula que fluye dentro de una tubería, de acuerdo con la presente invención. La Figura 2 es un diagrama esquemático de un sistema de medición de parámetros de una mezcla de combustible pulverizado (CP) /aire dentro de un sistema de caldera que funciona con carbón, de acuerdo con la presente invención. La Figura 3 es una fotografía aumentada que muestra el tamaño de partícula de carbón típico del sistema mostrado en la Figura 2. La Figura 4 es una representación de la velocidad del sonido de una mezcla frente a la frecuencia en una proporción de flujo másico aire/carbón, de acuerdo con la presente invención. La Figura 5 es una representación de datos reales y un modelo de la velocidad del sonido como una función de la frecuencia para mezclas aire/carbón de acuerdo con la presente invención. La Figura 6 es una representación que muestra la desviación típica de la velocidad del sonido frente a la frecuencia para diversas series de un sistema de medición de parámetros de la mezcla CP/aire, de acuerdo con la presente invención. La Figura 7 es una representación de la velocidad del sonido como una función de la frecuencia para mezclas aire/carbón con un tamaño de partícula fijo (50 mm) y una proporción en masa aire a combustible variable de acuerdo con la presente invención. La Figura 8 es una representación de la velocidad del sonido como una función de la frecuencia para mezclas aire/carbón con tamaño de partícula variable donde la proporción en masa de aire a combustible es igual a 1, 8 de acuerdo con la presente invención. La Figura 9 es una representación de la velocidad del sonido como una función de la proporción aire/carbón de acuerdo con la presente invención. La Figura 10 es un diagrama de flujo de un procedimiento de optimización empleado para determinar la proporción de aire a combustible y el tamaño de partícula a partir de un modelo analítico y una velocidad de dispersión determinada experimentalmente de los datos de sonido de acuerdo con la presente invención. La Figura 11 es una representación de los resultados del procedimiento de optimización de la Figura 10 aplicados a los datos registrados desde una serie de sensores que escuchan un flujo en un conducto circular de 15, 2 cm (seis pulgadas) , tamaño de partícula 50 !m, caudal de aire 30, 5 m/s (100 pies/s) con una proporción de aire a combustible de 1, 8. La Figura 12 es una representación de los resultados del procedimiento de optimización de la Figura 10 aplicados a una serie de conjuntos de datos con una proporción de aire a combustible variable. La Figura 13 es una representación kw de datos procesados a partir de una serie de sensores de presión usados para medir la velocidad del sonido de una mezcla de carbón/aire que fluye en una tubería, de acuerdo con la presente invención. La Figura 14 es una diagrama de bloques de un caudalímetro para medir el campo vorticial de la mezcla de fluido/partícula que fluye dentro de una tubería, de acuerdo con la presente invención. La Figura 15 es una vista en sección transversal de una tubería que muestra un perfil de velocidad de flujo de tubería turbulento. La Figura 16 es una vista en alzado lateral de otra realización de caudalímetro para... [Seguir leyendo]

1. Un aparato (10) para medir al menos un parámetro de una mezcla partícula/fluido (12) en una tubería (14) que comprende:

una serie espacial de al menos dos sensores de presión (15, 16, 17, 18) , dispuestos en localizaciones axiales diferentes a lo largo de la tubería (14) , y cada uno de los cuales mide una presión no estacionaria dentro de la tubería (14) en una localización axial correspondiente (X1, X2, X3, XN) , proporcionando cada uno de dichos sensores una señal de presión indicativa de la presión no estacionaria dentro de la tubería (14) en dicha localización axial (X1, X2, X3, XN) de uno correspondiente de dichos sensores (15, 16, 17, 18) ; y un procesador de señales (30) , sensible a dichas señales de presión, caracterizado por que el procesador de señales (30) está adaptado para determinar la velocidad de propagación del sonido en la mezcla (12) como una función de la frecuencia para caracterizar las propiedades de dispersión de la mezcla (12) y comparar las propiedades de dispersión de la mezcla (12) con un modelo de dispersión de la mezcla (12) para proporcionar una señal indicativa de al menos un parámetro de la mezcla (12) en la tubería (14) .

2. El aparato (10) de la reivindicación 1, en el que los sensores de presión (15, 16, 17, 18) se seleccionan entre el grupo que comprende dispositivos piezoeléctricos, dispositivos ópticos, dispositivos capacitivos, dispositivos resistivos, dispositivos para medir la velocidad, dispositivo para medir el desplazamiento y acelerómetros o geófonos.

3. El aparato (10) de la reivindicación 1, en el que los sensores de presión (15, 16, 17, 18) incluyen sensores basados en tensión o galgas.

4. El aparato (10) de la reivindicación 1 cuyo modelo de dispersión se deduce analíticamente.

5. El aparato (10) de la reivindicación 1, en el que el modelo de dispersión deducido analíticamente es:

en la que

∗ mezcla es la velocidad del sonido que se propaga a través de la mezcla;

∗ f es la velocidad del sonido que se propaga a través del fluido; &f es la densidad del fluido; &p es la densidad de la partícula;

# es la frecuencia; +p es el volumen de partícula; K es una constante de proporcionalidad; , p es la fracción en fase volumétrica.

6. El aparato (10) de la reivindicación 1 adaptado para medir una mezcla sólido/fluido (12) que incluye una de una mezcla sólido/líquido (12) y una mezcla sólido/aire (12) .

7. El aparato (10) de la reivindicación 1 adaptado para medir, al menos, un parámetro de la mezcla (12) que incluye al menos uno de proporción sólido/líquido y un tamaño promedio de las partículas de la mezcla (12) .

8. El aparato (10) de la reivindicación 1 en el que el procesador de señales (30) está adaptado adicionalmente para caracterizar las propiedades de dispersión de la mezcla (12) en respuesta a la viscosidad del fluido, densidad del fluido, densidad de las partículas, volumen de partículas estimado y fracción en fase volumétrica estimada de la mezcla (12) .

9. El aparato (10) de la reivindicación 1, en el que la característica dispersiva de la mezcla (12) proporciona una medición del tamaño de partícula medio y la proporción sólido/fluido de la mezcla (12) .

10. El aparato (10) de la reivindicación 1 que incluye la capacidad de medir el caudal volumétrico de la mezcla (12)

55 comparando la diferencia de velocidad de las ondas de sonido unidimensionales que se propagan con y contra el medio de flujo.

11. El aparato (10) de la reivindicación 1 en el que cada sensor está adaptado para medir una presión acústica y proporciona una señal indicativa de un ruido acústico dentro de la tubería (14) .

12. El aparato (10) de la reivindicación 1 en el que dicho procesador de señales (30) está adaptado para proporcionar una señal basada en frecuencia para cada una de dichas señales de presión.

13. El aparato (10) de la reivindicación 1 que comprende al menos tres de dichos sensores (15, 16, 17) .

14. El aparato (10) de la reivindicación 1 en el que la serie de sensores de presión (15, 16, 17, 18) están separados suficientemente de manera que toda la longitud de la serie es al menos una fracción significativa de la longitud de onda medida de las ondas acústicas que se están midiendo.

15. El aparato (10) de la reivindicación 1 en el que el procesador de señales (30) está adaptado para definir una cresta acústica en el plano k-# y determina la pendiente de al menos una porción de una cresta acústica para determinar la velocidad de propagación del sonido a través de la mezcla (12) .

16. Un método para medir al menos un parámetro de una mezcla sólido/fluido (12) en una tubería (14) comprendiendo dicho método:

medir presiones no estacionarias dentro de la tubería (14) en al menos dos localizaciones de medición axial predeterminadas (X1, X2, X3, XN) , a lo largo de la tubería (14) para proporcionar una señal de presión indicativa de la presión no estacionaria dentro de la tubería (14) en cada una de al menos dos localizaciones de medición axial predeterminadas (X1, X2, X3, XN) ; caracterizado por que dicho método comprende adicionalmente calcular el al menos un parámetro de la mezcla sólido/fluido (12) en la tubería (14) usando la presión no estacionaria medida en las localizaciones de medición axial (X1, X2, X3, XN) determinando la velocidad de propagación del sonido a través de la mezcla (12) como una función de la frecuencia para caracterizar las propiedades de dispersión de la mezcla (12) y comparar las propiedades de dispersión de la mezcla (12) con un modelo de dispersión de la mezcla (12) .

17. El método de la reivindicación 16, en el que los sensores de presión (15, 16, 17, 18) se seleccionan entre el grupo que comprende dispositivos piezoeléctricos, dispositivos ópticos, dispositivos capacitivos, dispositivos resistivos, dispositivos de medición de velocidad, dispositivos de medición del desplazamiento y acelerómetros o geófonos.

18. El método de la reivindicación 16 que usa un modelo de dispersión que se deduce analíticamente.

19. El método de la reivindicación 16, que usa un modelo de dispersión deducido analíticamente que es:

en la que

∗ mezcla es la velocidad de propagación del sonido a través de la mezcla;

∗ f es la velocidad de propagación del sonido a través del fluido; &f es la densidad del fluido; &p es la densidad de la partícula; # es la frecuencia; +p es el volumen de partícula; K es una constante de proporcionalidad; , p es la fracción en fase volumétrica.

20. El método de la reivindicación 16 para medir una mezcla sólido/fluido (12) que incluye una de una mezcla sólido/líquido (12) y una mezcla sólido/aire (12) .

21. El método de la reivindicación 16 para medir al menos un parámetro de la mezcla (12) que incluye al menos una proporción sólido/líquido y un tamaño de sólido promedio de la mezcla (12) .

22. El método de la reivindicación 16, en el que la correlación cruzada se usa para determinar el retraso temporal entre dos señales separadas por una distancia conocida que son indicativas de cantidades (80) que convergen con el flujo incluyendo, al menos, una de perturbaciones de densidad, perturbaciones de concentración, perturbaciones

de temperatura, alteraciones de la presión vorticial.

23. El método de la reivindicación 16, en el que la característica de dispersión de la mezcla (12) proporciona una medición del tamaño de partícula medio y la proporción sólido/fluido de la mezcla (12) .

24. El método de la reivindicación 16 que incluye la capacidad de medir el caudal volumétrico de la mezcla (12) por comparación de la diferencia de velocidad de las ondas de sonido unidimensionales que se propagan con y contra el medio de flujo.

25. El método de la reivindicación 16 en el que cada sensor mide una presión acústica y proporciona una señal indicativa de un ruido acústico dentro de la tubería (14) .

26. El método de la reivindicación 16 en el que dicho procesador de señales (30) proporciona una señal basada en frecuencia para cada una de dichas señales de presión.

27. El método de la reivindicación 16 que usa, al menos, tres de dichos sensores.

28. El método de la reivindicación 16 que usa una serie de sensores de presión (15, 16, 17, 18) que están

espaciados suficientemente de manera que toda la longitud de la serie es al menos una fracción significativa de la 20 longitud de onda medida de las ondas acústicas que se están midiendo.

29. El método de la reivindicación 16, en el que el método incluye determinar la mejor línea que representa la pendiente de una cresta acústica en el plano k-# y determinar la pendiente de dicha porción de la cresta acústica para determinara la velocidad de propagación del sonido a través de la mezcla (12) .

30. El método de la reivindicación 16, en el que los sensores de presión (15, 16, 17, 18) incluyen sensores basados en tensión o galgas.