Dispositivo de pulverización por energía cinética de dos etapas.

Un dispositivo de pulverización por energía cinética de dos etapas que comprende:

una primera etapa (122) que tiene una primera tobera, teniendo la primera tobera un extremo de recepción de laprimera tobera que recibe una corriente de materia prima y de gas vehículo, y un extremo de inyección de laprimera tobera situado axialmente con respecto al extremo de recepción de la primera tobera, recibiendo elextremo de inyección de la primera tobera la corriente de materia prima y de gas vehículo del extremo derecepción de la primera tobera;

una segunda etapa (124) que tiene una segunda tobera (118), teniendo la segunda tobera (118) una porción derecepción de gas que recibe un gas de efluente, una parte convergente que está aguas abajo de la porción derecepción de gas y una porción divergente que está aguas abajo de la porción convergente, coincidiendo laporción convergente y la porción divergente en una segunda garganta de la tobera (126); donde la primeratobera está situada anularmente dentro de la segunda tobera (118);

donde la primera tobera es una tobera convergente;

donde la corriente de materia prima y de gas vehículo forman una corriente de partículas, y la corriente departículas es acelerada a una primera velocidad en la primera tobera;

donde el gas de efluente es acelerado a una segunda velocidad en la segunda tobera (118); y

donde el extremo de inyección de la primera tobera está situado en la porción divergente de la segunda tobera(118),

caracterizado por que el extremo de inyección de la primera tobera tiene al menos un cheurón (120; 130).

Dispositivo de pulverización por energía cinética de dos etapas

Antecedentes de la invención 1. Campo de la invención La presente invención se refiere en general a un aparato y métodos relacionados con la aplicación de revestimientos, y más particularmente, a un dispositivo de pulverización por energía cinética de dos etapas.

2. Descripción de la técnica relacionada La pulverización térmica se puede describir generalmente como un método de revestimiento en el que el polvo u otro material de materia prima se introduce en una corriente de gas energizado que se calienta, acelera, o ambos. El material de materia prima es atrapado por la corriente de energizado, de la que el material de materia prima recibe energía térmica y/o cinética. Esta energía térmica o cinética absorbida ablanda y energiza la materia prima. La materia prima energizada se impacta después sobre una superficie donde se adhiere y se solidifica, formando un revestimiento térmicamente pulverizado relativamente grueso por el repetido recubrimiento de delgadas capas posteriores.

Los dispositivos de pulverización en frío convencionales o bien inyectan la materia prima en polvo antes o después de la garganta de una tobera convergente/divergente de tipo Laval. Cuando se inyecta la materia prima antes de la tobera, esto se realiza típicamente en una orientación axial en o cerca del comienzo de la sección de tobera convergente, y la materia prima en polvo se calienta y se acelera a través de la tobera de Laval. Esto permite que las partículas tengan un perfil de aceleración relativamente uniforme, sin embargo, las partículas se someten también a las mismas elevadas temperaturas de los gases que se requieren para un rendimiento óptimo de la tobera de Laval ya que la velocidad del gas es una función de la raíz cuadrada de la temperatura del gas. Estas temperaturas óptimas, típicamente por encima de 500C, pre-ablandan la materia prima en polvo que puede y, a menudo, da como resultado la adherencia del polvo a las paredes de la tobera en la garganta. Otra limitación es que la temperatura de partícula no se puede controlar de forma independiente dado que la temperatura del gas controla directamente tanto la velocidad de partículas como la temperatura de partícula.

La inyección de la materia prima después de la garganta se realiza radialmente en cualquier lugar a lo largo de la sección divergente de la tobera. Este método tiene las ventajas de no cargar la garganta de la tobera con polvo, así como proporcionar cierta independencia a la temperatura de partícula debido a que la materia prima en polvo se inyecta cuando el gas se está expandiendo y enfriando rápidamente. Una desventaja significativa es que la materia prima en polvo se inyecta en una corriente de gas supersónico y la diferencia en velocidad entre el gas y las partículas da como resultado un calentamiento por arrastre y desperdicio de energía considerable y significativo. El resultado es que una porción medible de la energía cinética de los gases se transfiere en calor tanto en el gas como en las partículas. En consecuencia, cuanto mayor sea la diferencia en las velocidades entre las partículas y el gas, aumentará de forma exponencial la energía cinética desperdiciada.

Se ha reconocido previamente que, en el caso de algunas aplicaciones de pulverización térmica, la inyección de 45 materia prima axialmente en una corriente de gas energizado presenta ciertas ventajas sobre otros métodos de inyección de materia prima. Típicamente, la materia prima se alimenta en una corriente en una dirección generalmente descrita como inyección radial. En otras palabras, en una dirección que es generalmente perpendicular a la dirección general de desplazamiento de la corriente gaseosa. La inyección radial se utiliza comúnmente, ya que proporciona un medio eficaz para mezclar partículas en una corriente de efluente y transferir energía a las partículas en un lapso corto. Este es el caso con el plasma donde distancias de pulverización cortas y elevadas cargas térmicas requieren una rápida mezcla y transferencia de energía para que el proceso aplique los revestimientos correctamente. La inyección axial puede proporcionar ventajas sobre la inyección radial debido a la posibilidad de controlar mejor la linealidad y la dirección de la trayectoria de las partículas de materia prima cuando se inyectan axialmente. Otras ventajas incluyen tener el material en partículas en la región central de la corriente de 55 efluente, donde es probable que la densidad de energía sea la más elevada, dando de este modo el potencial máximo para la ganancia de energía en forma de partículas. También, adicionalmente, la inyección axial tiende a interrumpir la corriente de efluente menos que las técnicas de inyección radial practicadas en la actualidad.

Por consiguiente, en muchas pistolas del proceso de pulverización térmica, se prefiere la inyección axial de las partículas de materia prima para la inyección las partículas, utilizando un gas vehículo, en el gas calentado y/o acelerado referido simplemente en esta divulgación como efluente. El efluente puede ser plasma, gas calentado eléctricamente, gas calentado de combustión, gas de pulverización en frío, o combinaciones de los mismos. La energía se transfiere desde el efluente a las partículas en la corriente de gas vehículo. Debido a la naturaleza del flujo de corriente y del flujo bifásico, esta mezcla y la posterior transferencia de energía se limita en los flujos axiales 65 y requiere que las dos corrientes, el efluente y el vehículo que porta el material en partículas, dispongan de tiempo y distancia de recorrido suficiente para permitir que la capa límite entre los dos flujos se rompa y permitir, por tanto,

que se produzca la mezcla. Durante esta distancia de recorrido, la energía se pierde en el entorno a través de la transferencia de calor y la fricción lo que da como resultado tanto la pérdida de eficiencia como la ralentización del flujo mezclado. Muchas pistolas del proceso de pulverización térmica que utilizan la inyección axial están diseñadas por tanto más largas ya lo que normalmente se requiere para permitir esta mezcla y la posterior transferencia de energía.

Estas limitaciones para mezclar las corrientes de vehículo que porta el material en partículas y de efluente se hacen aún más pronunciadas cuando el fluido del vehículo que porta el material en partículas es un líquido, y, en muchos casos, han evitado el uso efectivo de líquido de alimentación en pistolas del proceso de pulverización térmica de inyección axial pistolas. Para las técnicas de inyección de líquidos, el uso de atomización de gas para producir corrientes de finas gotitas ayuda conseguir que el líquido se mezcle con la corriente de efluente más fácilmente para permitir que la inyección de líquido funcione absolutamente, pero este método requiere todavía cierta distancia considerable para permitir que la corriente de gas y de finas gotitas y la corriente de efluente se mezclen y transfieran energía. Este método produce también una cierta cantidad de turbulencia en los flujos de corriente.

Intentos en la promoción de la mezcla, tales como la introducción de discontinuidades e impacto de los flujos producen también turbulencia. La Inyección radial, comúnmente utilizada con los procesos de pulverización térmica tales como el plasma para asegurar una mezcla en una corta distancia produce también turbulencia dado que las dos corrientes se intersecan en ángulos rectos. De hecho, la mayoría de los métodos de inyección aceptables que promueven la mezcla rápida utilizan actualmente métodos que introducen turbulencia deliberadamente como los medios para promover la mezcla. La turbulencia sirve para romper la capa límite entre los flujos y una vez que esto se logra se puede producir la mezcla.

La turbulencia adicional a menudo da como resultado la transferencia de energía impredecible entre la corriente de efluente y la del vehículo que porta el material en partículas debido a que el campo de flujo está constante en flujo. Esta turbulencia adicional produce variaciones dentro del campo de flujo que afectan a la transferencia de energía. La turbulencia representa un proceso caótico y provoca la formación de remolinos de diferentes escalas de longitud. La mayor parte de la energía cinética de los movimientos turbulentos está contenida en las estructuras de gran escala. La energía cae en "cascada" desde las estructuras a gran escala a las estructuras de menor escala mediante un mecanismo inercial y, esencialmente, no viscoso. Este proceso continúa creando estructuras cada vez más pequeñas, lo que produce una jerarquía de remolinos. Eventualmente, este proceso crea estructuras... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo de pulverización por energía cinética de dos etapas que comprende:

una primera etapa (122) que tiene una primera tobera, teniendo la primera tobera un extremo de recepción de la primera tobera que recibe una corriente de materia prima y de gas vehículo, y un extremo de inyección de la primera tobera situado axialmente con respecto al extremo de recepción de la primera tobera, recibiendo el extremo de inyección de la primera tobera la corriente de materia prima y de gas vehículo del extremo de recepción de la primera tobera; una segunda etapa (124) que tiene una segunda tobera (118) , teniendo la segunda tobera (118) una porción de recepción de gas que recibe un gas de efluente, una parte convergente que está aguas abajo de la porción de recepción de gas y una porción divergente que está aguas abajo de la porción convergente, coincidiendo la porción convergente y la porción divergente en una segunda garganta de la tobera (126) ; donde la primera tobera está situada anularmente dentro de la segunda tobera (118) ;

donde la primera tobera es una tobera convergente; donde la corriente de materia prima y de gas vehículo forman una corriente de partículas, y la corriente de partículas es acelerada a una primera velocidad en la primera tobera; donde el gas de efluente es acelerado a una segunda velocidad en la segunda tobera (118) ; y donde el extremo de inyección de la primera tobera está situado en la porción divergente de la segunda tobera (118) , caracterizado por que el extremo de inyección de la primera tobera tiene al menos un cheurón (120; 130) .

2. Un dispositivo de pulverización por energía cinética de dos etapas de la reivindicación 1, donde la segunda velocidad es mayor que la primera velocidad. 25

3. Un dispositivo de pulverización por energía cinética de dos etapas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la primera velocidad es menor o igual a la coincidencia 1 y/o la segunda velocidad es igual o mayor que la coincidencia 1.

4. Un dispositivo de pulverización por energía cinética de dos etapas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la porción de recepción de gas tiene al menos una abertura de recepción de gas (112) .

5. Un dispositivo de pulverización por energía cinética de dos etapas de acuerdo con cualquiera de las 35 reivindicaciones anteriores, donde la primera tobera y la segunda tobera (118) están montadas de forma móvil.

6. Un dispositivo de pulverización por energía cinética de dos etapas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la primera tobera y la segunda tobera (118) están, al menos una de, selladas a presión, roscadas, soldadas, soldadas con latón, prensadas, y con empaquetadura.

7. Un dispositivo de pulverización por energía cinética de dos etapas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la corriente de partículas y el gas de efluente se mezclan aguas abajo de la garganta (126) de la segunda tobera (118) .

8. Un dispositivo de pulverización por energía cinética de dos etapas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la primera tobera es una tobera recta.

9. Un método de uso de un dispositivo de pulverización por energía cinética de dos etapas que comprende las etapas de:

recibir una corriente de materia prima y de gas vehículo en un extremo de recepción de la primera tobera; transmitir axialmente la corriente de materia prima y de gas vehículo a través de un primera tobera; recibir la corriente de materia prima y de gas vehículo en un extremo de inyección de la primera tobera; inyectar la corriente de materia prima y de gas vehículo desde el extremo de inyección de la primera tobera;

recibir un gas de efluente en una porción de recepción de gas de la segunda tobera; transmitir el gas de efluente a través de una porción convergente de la segunda tobera (118) , la porción convergente aguas abajo de la porción de recepción de gas; acelerar el gas de efluente a través de una porción divergente de la segunda tobera (118) que está aguas abajo de la porción convergente, coincidiendo la porción convergente y la porción divergente en una garganta (126) ; y mezclar la corriente de materia prima y de gas vehículo con el gas de efluente; donde la primera tobera está situada anularmente dentro de la segunda tobera (118) ; donde la primera tobera es una tobera convergente; donde la corriente de materia prima y de gas vehículo forman una corriente de partículas, y la corriente de partículas es acelerada a una primera velocidad en la primera tobera;

donde el gas de efluente es acelerado a una segunda velocidad en la segunda tobera (118) ; y donde el extremo de inyección de la primera tobera está situado en la porción divergente de la segunda tobera (118) , caracterizado por que el extremo de inyección de la primera tobera tiene al menos un cheurón (120; 130) .

10. Un método de uso del dispositivo de pulverización por energía cinética de dos etapas de la reivindicación 9, 5 donde la segunda velocidad es mayor que la primera velocidad.

11. Un método de uso del dispositivo de pulverización por energía cinética de dos etapas de la reivindicación 9 o de la reivindicación 10, donde la primera velocidad es menor o igual a la coincidencia 1 y/o la segunda velocidad es igual o mayor que la coincidencia 1.

12. Un método de uso del dispositivo de pulverización por energía cinética de dos etapas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, donde la porción de recepción de gas tiene al menos un puerto de recepción de gas (112) .

13. Un método de uso del dispositivo de pulverización por energía cinética de dos etapas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, donde la primera tobera y la segunda tobera (118) están montadas de forma móvil.