Procedimiento para aumentar la eficiencia de reducción de resistencia dinámica de polímeros para aplicaciones marinas e industriales.

Un procedimiento para reducir las tasas de consumo de polímero por medio del establecimiento de unrevestimiento viscoelástico que reduce la resistencia dinámica sobre una superficie marina o industrial,

comprendiendo dicho procedimiento las etapas siguientes, llevadas a cabo en el orden indicado, pero nonecesariamente en orden secuencial:

(a) mezclar un polímero que reduce la resistencia dinámica con un disolvente para dar una soluciónconcentrada para producir un primer fluido que tiene aproximadamente la misma densidad que un segundofluido que está fluyendo sobre la superficie, reduciéndose de forma deseada la resistencia dinámica porfricción del segundo fluido que fluye sobre la superficie;

(b) expulsar tangencialmente el primer fluido formado en la etapa (a) al interior del segundo fluido que fluyesobre la superficie de manera que no mejore la difusión del primer fluido expulsado a través de la capalímite de flujo de fluido del segundo fluido a medida que el segundo fluido fluye sobre la superficie, siendo laexpulsión del primer fluido a una concentración y a un caudal de expulsión tales que se adsorbe unrevestimiento de polímero que reduce la resistencia dinámica, que comprende capas de entrelazado deadsorción de polímero, sobre la superficie y el revestimiento de polímero que reduce la resistencia dinámicainicialmente se hace más grueso con el tiempo y en el que uno o más de:

la concentración Ci del primer fluido,

la tasa de expulsión Qi del primer fluido, y

la velocidad U∞ de la corriente libre del segundo fluido

están controlados con el fin de controlar la tasa de adsorción del revestimiento de polímero sobre lasuperficie; y

(c) reducir la tasa de expulsión del primer fluido de manera que las capas de entrelazado de adsorción depolímero se vuelvan más finas con el tiempo.

Procedimiento para aumentar la eficiencia de reducción de resistencia dinámica de polímeros para aplicaciones marinas e industriales Declaración de interés gubernamental

El Gobierno de los Estados Unidos puede usar la invención descrita en el presente documento con fines gubernamentales sin el pago de ningún derecho de autor relacionado.

Campo técnico

El potencial de los revestimientos viscoelásticos para reducir la resistencia dinámica ha sido objeto de investigación y de una serie de patentes durante los últimos 40 años en Estados Unidos, Francia, Japón, Ucrania y Rusia. Los revestimientos se pueden usar solos o junto con otras técnicas de reducción de resistencia dinámica. El rendimiento de dichos revestimientos no ha sido uniforme; son frágiles, pesados, costosos de instalar y, cuando fallan, pueden aumentar la resistencia dinámica. Debido a su coste y complejidad, se ha considerado únicamente su aplicación para barcos militares de alto valor. Además, los revestimientos están sometidos a obstrucción marina, lo que puede degradar su rendimiento y el rendimiento del buque. Algunos revestimientos requieren energía eléctrica, térmica o neumática para adaptar los parámetros dinámicos de una aplicación marina o industrial. Existe una necesidad de un revestimiento viscoelástico de bajo coste, de fácil mantenimiento y eficaz que se amolde a las demandas de los entornos marinos e industriales.

Objetivos de la invención Los objetivos de la presente invención son:

(1) proporcionar un sistema de revestimiento viscoelástico que reduzca la resistencia dinámica eficaz que pueda auto-mejorarse y tolerar la tensión de los entornos marino/industrial;

(2) proporcionar un procedimiento para aumentar la eficacia de las técnicas de reducción de resistencia dinámica a la fricción tal como el bien conocido "Toms Effect" [Toms. B.A., "Some Observations on the Flow of Linear Polymer Solutions through Straight Tubes at Large Reynolds Numbers" Proc. 1st Intern. Congr. Rheol. Amsterdam, 11, 135-141, 1948]

(3) mejorar el impacto ambiental favorable de la reducción de resistencia dinámica del polímero reduciendo de forma adicional las emisiones nocivas y las emisiones de dióxido de carbono de los sistemas de propulsión marinos;

(4) proporcionar un revestimiento viscoelástico anisótropo regenerador que, por sí mismo, reducirá la resistencia dinámica a la fricción del orden de un diez por ciento;

(5) proporcionar un medio para inhibir la bio-obstrucción y la resistencia dinámica "en servicio" concomitante asociada a la operación en un entorno marino;

(6) proporcionar un revestimiento reductor de la resistencia dinámica que no requiera una instalación costosa y la re-entrada en dársena para mantenimiento y reparación;

(7) proporcionar un revestimiento que no produzca "efectos de borde" de degradación;

(8) proporcionar un revestimiento que no produzca deformaciones superficiales que se extiendan por encima de la subcapa viscosa y que, de este modo, actúen como elementos de rugosidad "dinámica", con un aumento de la resistencia dinámica;

(9) proporcionar un revestimiento que, por su naturaleza, sea anisótropo en la dirección de flujo;

(10) proporcionar un revestimiento polimérico ablativo que se pueda rellenarse fácilmente durante la marcha en el mar o durante la operación en un entorno industrial; y

(11) proporcionar una superficie viscoelástica que forme una superficie fibrosa o de tipo cepillo que reduzca el nivel de turbulencia como se ha demostrado con las fibras expulsadas en el flujo y con las superficies de micro-surcos que son denominadas riblets.

Técnica anterior

El interés en los revestimientos de conformidad para vehículos marinos data de mediados de 1960, cuando Max. O. Kramer estudió los revestimientos de conformidad como medio para reducir la resistencia dinámica ampliando la región de flujo laminar en una capa límite [Kramer, M. O., "Means and Method for Stabilizing Laminar Boundar y Layer Flow", Patente de EE.UU. Nº 3.161.385, expedida el 15 de diciembre de 1964; y Kramer, Max Otto, "Means and Method for Stabilizing Laminar Boundar y Layer Flow", Patente de EE.UU. Nº 3.585.953, expedida el 22 de junio

de 1971]. Kramer sugirió que los revestimientos superficiales que imitan satisfactoriamente la piel de delfín tenían el potencial de reducir el componente de fricción de la resistencia dinámica de un buque marino. Se llevó a cabo una demostración satisfactoria en la Bahía de Long Beach bajo el patrocinio de Navy Office of Naval Research de EE.UU. [Kramer, M.O., "Boundar y Layer Control by `Artificial Dolphin Coating`, " Naval Engineers Journal 89 (5) : 4145, 1977]. Desde ese momento, ha existido poco éxito por parte de los investigadores de EE.UU. para reproducir ese trabajo. No obstante, durante la década de 1970 y 1980, se desarrolló trabajo sobre resistencia dinámica de revestimientos, patrocinado por la Armada Soviética, principalmente en Kiev, Ucrania y Novosibirsk, Rusia. Este trabajo, pionero por parte de L. F. Kozlov y Victor. V. Babenko, en el Institute of Hydromechanics de Kiev, Ucrania, produjo una serie de Certificados de Invención Soviéticos [Certificados Soviéticos 1413286, 1483538, 1597866, 1802672]. Estos esfuerzos soviéticos difieren de los de Kramer en que únicamente pretenden reducir el nivel de turbulencia en la capa límite en lugar de ampliar la región de flujo laminar. Se integraron algunos revestimientos con aditivos poliméricos para producir un sistema que fuera más eficaz que cualquier técnica sola. Barbenko et al. están entre los investigadores recientes en reconocer el potencial de estos revestimientos viscoelásticos tanto solos como en combinación con otras técnicas. El equipo de Kiev fue capaz de identificar características específicas de un revestimiento satisfactorio que no habían sido especificadas por parte de Kramer en los detalles de su esfuerzo inicial. Resultó evidente a partir del diseño de estos revestimientos que una característica importante era la anisotropía en la dirección de flujo.

La mayoría de los revestimientos viscoelásticos sometidos a ensayo en los Estados Unidos no resultaron satisfactorios y, en realidad, algunos aumentaron la resistencia dinámica. Después de Kramer, el enfoque de los investigadores de EE.UU. fue intentar una gama de materiales de revestimiento disponibles. Fueron May y Voropapyev [May. C.L. et al., "Design of Viscoelastic Coatings to Reduce Turbulent Friction Drag", Patente de EE.UU. Nº 6.516.652 B1, expedida el 21 de febrero de 2003] los primeros en llevar a cabo un esfuerzo para seleccionar cuidadosamente las propiedades del revestimiento viscoelástico considerando los parámetros de la capa límite turbulenta adyacente. Con este enfoque, se evitaron las condiciones desfavorables que han acompañado a los investigadores de EE.UU., tales como "divergencia estática", rugosidad dinámica y ondas sobre el revestimiento que avanza en contra del flujo, [Hansen, R. J. y Hunston, D.L., "Fluid-property Effects on Flow-generated Waves on a Compliant Surface", J. Fluid Mechanics, v. 133, 161-177, 1983]. May y Voropayev mostraron que se deberían adaptar las propiedades del material del revestimiento para adsorber las pulsaciones de la capa límite turbulenta en la dirección normal a la superficie y que la respuesta resultante debe estar 90 grados fuera de la fase y en la dirección del flujo. Tras ese enfoque, identificaron un número de características necesarias para que el revestimiento viscoelástico fuera satisfactorio. En primer lugar, reiteraron las consideraciones de Babenko de que el revestimiento debe ser anisótropo en la dirección de flujo. En segundo lugar, May y Voropayev también mostraron que cualesquiera deformaciones generadas por turbulencia sobre la superficie del revestimiento no deben superar la altura de la subcapa viscosa. En tercer lugar, mostraron que los bordes transversales de revestimiento formados de manera inapropiada podrían dar como resultado la reflexión de las ondas producidas por turbulencia en el revestimiento (es decir, efectos de borde) que degradarían la eficacia del revestimiento. En cuarto lugar, mostraron que la densidad de revestimiento debería ser aproximadamente la densidad del fluido que fluye sobre el revestimiento.

Incluso cuando se colocan de forma apropiada, los revestimientos son frágiles y se pueden romper, degradándose de este modo su eficacia. En general, los revestimientos fueron de suficiente complejidad y elevado coste de manera que su aplicación se ha limitado aparentemente a submarinos militares. Normalmente, los revestimientos son del orden de uno a diez centímetros de espesor, lo que les convierte... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento para reducir las tasas de consumo de polímero por medio del establecimiento de un revestimiento viscoelástico que reduce la resistencia dinámica sobre una superficie marina o industrial, comprendiendo dicho procedimiento las etapas siguientes, llevadas a cabo en el orden indicado, pero no necesariamente en orden secuencial:

(a) mezclar un polímero que reduce la resistencia dinámica con un disolvente para dar una solución concentrada para producir un primer fluido que tiene aproximadamente la misma densidad que un segundo fluido que está fluyendo sobre la superficie, reduciéndose de forma deseada la resistencia dinámica por fricción del segundo fluido que fluye sobre la superficie;

(b) expulsar tangencialmente el primer fluido formado en la etapa (a) al interior del segundo fluido que fluye sobre la superficie de manera que no mejore la difusión del primer fluido expulsado a través de la capa límite de flujo de fluido del segundo fluido a medida que el segundo fluido fluye sobre la superficie, siendo la expulsión del primer fluido a una concentración y a un caudal de expulsión tales que se adsorbe un revestimiento de polímero que reduce la resistencia dinámica, que comprende capas de entrelazado de adsorción de polímero, sobre la superficie y el revestimiento de polímero que reduce la resistencia dinámica inicialmente se hace más grueso con el tiempo y en el que uno o más de:

la concentración Ci del primer fluido,

la tasa de expulsión Qi del primer fluido, y

la velocidad Uo de la corriente libre del segundo fluido están controlados con el fin de controlar la tasa de adsorción del revestimiento de polímero sobre la superficie; y

(c) reducir la tasa de expulsión del primer fluido de manera que las capas de entrelazado de adsorción de polímero se vuelvan más finas con el tiempo.

2. El procedimiento que se explica en la reivindicación 1, y que además incluye, durante la etapa (b) , relajar

temporalmente una o más veces la tensión de cizalladura sobre el revestimiento adsorbido de polímero reduciendo la velocidad Uo de corriente libre del segundo fluido con el fin de controlar el atrapamiento potencial de gases u otros materiales y de consolidar la (s) capa (s) de entrelazado de adsorción de polímero resultante (s) .

3. El procedimiento que se explica en la reivindicación 2, en el que, después de haber relajado la tensión de cizalladura, se expulsa el primer fluido a una concentración y una tasa que logren un estado de equilibrio del

revestimiento durante el cual la tasa de ablación del polímero a partir de la superficie esté equilibrada con la tasa de deposición del polímero sobre la superficie.

4. El procedimiento que se explica en la reivindicación 3, en el que el estado de equilibrio del revestimiento existe solo momentáneamente.

5. El procedimiento que se explica en la reivindicación 1, en el que dichas etapas (a) a (c) de la misma se repiten

una o más veces de manera que se mantenga un espesor mínimo deseado de revestimiento durante un período de tiempo prolongado.

6. El procedimiento que se explica en cualquier reivindicación anterior, en el que dicho disolvente que se mezcla con el polímero de reducción de la resistencia dinámica y dicho segundo fluido que fluye sobre la superficie son agua salada.