Tobera binaria con toberas de aire secundario dispuestas en círculo.

Tobera binaria con una tobera principal con una cámara de mezclado (40) y una boquilla de tobera (46;

76) unidacon la cámara de mezclado (40) y dispuesta aguas abajo de la cámara de mezclado (40), estando previstas unastoberas de aire secundario (52a, 52b; 72a, 72b, 72c, 72d), que desembocan en círculo anular en la zona de laboquilla de tobera (46; 76), caracterizada porque las toberas de aire secundario están formadas entre doscomponentes enfrentados en la zona de la boquilla de tobera por medio de rebajes en al menos uno de los doscomponentes enfrentados en la zona de la boquilla de tobera.

Tobera binaria con toberas de aire secundario dispuestas en círculo.

La invención se refiere a una tobera binaria con una tobera principal, con una cámara de mezclado y una boquilla de tobera unida con la cámara de mezclado y dispuesta aguas abajo de la cámara de mezclado, estando previstas toberas de aire secundario, que desembocan en la zona de la boquilla de tobera en círculo anular.

La patente US nº 1.451.063 muestra una tobera de quemador, en la que un combustible líquido se introduce por medio de una tobera de alimentación dispuesta de manera centrada en una cámara de mezclado. La cámara de mezclado está configurada de manera cilíndrica y se ensancha en tres escalones sucesivos hasta una abertura de salida. En la zona de los escalones individuales de la cámara de mezclado y en la zona de la boquilla de tobera desembocan en cada caso toberas de aire secundario dispuestas en círculo anular. Las toberas de aire secundario están configuradas como taladros cilíndricos y están dispuestas de modo que no cortan un eje longitudinal central de la cámara de mezclado.

El documento EP 0 205 739 A1 describe una tobera para la alimentación de lodos. En la zona de la boquilla de tobera desembocan taladros de tobera cilíndricos para la introducción de un medio fraccionador.

En muchas instalaciones de la técnica de procesos se distribuyen líquidos en un gas. A este respecto con frecuencia presenta una importancia decisiva que el líquido se pulverice en gotas lo más finas posible. Cuanto más finas sean las gotas, mayor será la superficie específica de la gota. De ello pueden desprenderse ventajas considerables desde el punto de vista de la técnica de procesos. Así, por ejemplo, el tamaño de un recipiente de reacción y sus costes de fabricación dependen en gran medida del tamaño de gota promedio. Sin embargo, muchas veces no es en absoluto suficiente que el tamaño de gota promedio no supere un determinado valor límite. Incluso unas pocas gotas esencialmente más grandes pueden conducir a fallos de funcionamiento considerables. Éste es el caso en particular cuando las gotas, debido a su tamaño, no se evaporan lo suficientemente rápido, de modo que aún se depositan gotas o también partículas pastosas en componentes posteriores, por ejemplo sobre mangueras de filtro textil o en palas de ventilador, y conducen a fallos de funcionamiento debido a incrustaciones o corrosión.

Para pulverizar líquidos de manera fina, se utilizan o bien toberas unitarias de alta presión o bien toberas binarias de presión media. Una ventaja de las toberas binarias radica en que presentan secciones transversales de flujo relativamente grandes, de modo que también pueden pulverizarse líquidos que contienen partículas gruesas.

La representación de la figura 1 muestra a modo de ejemplo una tobera binaria 3 esencialmente simétrica con respecto al eje 24 según el estado de la técnica.

El líquido 1 que va a pulverizarse se introduce a través de un tubo de lanza central 2 en el punto estrecho 10 en la cámara de mezclado 7. El gas a presión 15 se alimenta a través de un tubo de lanza exterior 4 a una cámara anular 6, que rodea la cámara de mezclado en círculo anular; a través de un cierto número de taladros 5 se introduce el gas a presión en la cámara de mezclado 7. En esta cámara de mezclado tiene lugar una primera fragmentación del líquido en gotas, de modo que aquí se forma un gas 9 que contiene gotas. También en la salida de la cámara de mezclado 7 existe un punto estrecho 14. En el punto estrecho 14 se conecta una pieza de salida 26 divergente, que termina con la boquilla de tobera 8. El flujo de gas 9 que contiene gotas formado en la cámara de mezclado 7 se acelera mucho en la tobera convergente-divergente, también denominada tobera de Laval, de modo que aquí se provoca una fragmentación adicional de las gotas.

Las toberas binarias con un único taladro de salida de tipo constructivo convencional padecen la característica de que el chorro 21 que sale de la tobera formado por gotas y aire atomizado sólo presenta un ángulo de apertura a reducido. Esto tiene como consecuencia que, para la volatilización de las gotas, son necesarios trayectos relativamente grandes o recipientes grandes.

En estas toberas se deriva un problema básico de que las paredes en la cámara de mezclado 7 se mojan con líquido. El líquido, que moja la pared en la cámara de mezclado, se impulsa por las fuerzas de esfuerzo cortante y de presión como película 20 de líquido hacia la boquilla de tobera. Uno se ve tentado de suponer que las paredes hacia la boquilla de tobera, como consecuencia de velocidades de flujo elevadas de la fase de gas, se soplan en seco y que con ello a partir de la película de líquido se forman sólo gotas muy finas.

Sin embargo, trabajos teóricos y experimentales del inventor han mostrado que las películas de líquido sobre paredes pueden existir incluso aún como películas estables sin formación de gotas cuando el flujo de gas, que impulsa la película de líquido hacia la boquilla de tobera, alcanza una velocidad supersónica. Y éste es el motivo por el que es posible aplicar en toberas de propulsión de cohetes un enfriamiento de película de líquido. El flujo de líquido es especialmente crítico en el caso de la pulverización de líquidos muy viscosos, que presentan al mismo tiempo una alta tensión superficial, por ejemplo de glicol en deshumidificadores de refrigeración de estaciones de bombeo de gas natural o de suspensiones de sólidos en absorbedores de pulverización.

Las películas de líquido, que se impulsan por el flujo de gas hacia la boquilla de tobera 8, pueden rodear incluso, debido a las fuerzas de adhesión, un borde vivo en la boquilla de tobera; forman entonces en el lado exterior de la boquilla de tobera una protuberancia 12 de agua, véase la figura 1. De esta protuberancia de agua se desprenden unas gotas 13 marginales, cuyo diámetro asciende a un múltiplo del diámetro de gota medio en el núcleo del chorro. Aunque estas gotas marginales grandes sólo contribuyen en un porcentaje de masa pequeño a la carga de gotas total, son en última instancia determinantes para el dimensionamiento del recipiente, en el que por ejemplo la temperatura de un gas debe disminuirse de desde 350ºC hasta 120ºC por enfriamiento por evaporación, sin que ello lleve a un aporte de gotas en componentes situados aguas abajo tales como ventiladores o filtros textiles.

La solicitud de patente alemana, no publicada previamente, DE 10 2005 048 489.1 del mismo inventor se refiere a una tobera binaria, en la que la formación de gotas marginales grandes se impide de manera fiable mediante una atomización de intersticio anular. La figura 2 muestra una tobera binaria correspondiente con atomización de intersticio anular. En la variante representada, el aire de intersticio anular, también denominado en este caso aire secundario, se ramifica a través de taladros 19 directamente desde la cámara anular 6. Sin embargo, este tipo de tobera padece también la característica de que se crea un chorro 21 relativamente delgado, con un ángulo de apertura a de aproximadamente 15º. Se sabe que este tipo de toberas pueden estar rodeadas básicamente por un anillo 25 de aire en cortina o de bloqueo y una tobera de aire en cortina o de bloqueo 23. La diferencia esencial entre el aire 11 de bloqueo y el aire de intersticio anular consiste en que la presión total del aire de intersticio anular procedente del intersticio anular 16 coincide en orden de magnitud con la presión del gas a presión 15 para la atomización, mientras que la presión del aire 11 de bloqueo por regla general es menor en de uno a dos órdenes de magnitud.

Del intersticio anular 16 sale gas a presión a alta velocidad y se encarga de que una película de líquido en la pared de la boquilla de tobera, en particular de la sección de salida divergente, se estire para dar una lámina de líquido muy fina, que puede entonces descomponerse en pequeñas gotas. De esta manera puede evitarse la formación de gotas grandes a partir de películas de líquido de pared en la zona de salida de la tobera o reducirse en una medida aceptable y, al mismo tiempo, puede obtenerse el espectro de gotas finas en el núcleo del chorro, sin que para ello tenga que aumentarse el consumo de gas a presión de la tobera binaria o la necesidad de energía propia asociada a ello. La cantidad de aire de intersticio anular puede ascender, por ejemplo, a del 10% al 40% de la cantidad de aire de atomización total. La presión total del aire en el intersticio anular asciende, de manera ventajosa, a de 1, 5 bar a 2, 5 bar en valor absoluto. La presión total del aire en el intersticio anular es de manera ventajosa tan alta que en caso de expansión... [Seguir leyendo]

1. Tobera binaria con una tobera principal con una cámara de mezclado (40) y una boquilla de tobera (46; 76) unida con la cámara de mezclado (40) y dispuesta aguas abajo de la cámara de mezclado (40) , estando previstas unas toberas de aire secundario (52a, 52b; 72a, 72b, 72c, 72d) , que desembocan en círculo anular en la zona de la boquilla de tobera (46; 76) , caracterizada porque las toberas de aire secundario están formadas entre dos componentes enfrentados en la zona de la boquilla de tobera por medio de rebajes en al menos uno de los dos componentes enfrentados en la zona de la boquilla de tobera.

2. Tobera binaria según la reivindicación 1, caracterizada porque unos taladros de tobera de las toberas de aire secundario se intersecan en la zona de la boquilla de tobera.

3. Tobera binaria según la reivindicación 1 o 2, caracterizada porque una dirección de pulverización principal de las toberas de aire secundario (52a, 52b; 72a, 72b, 72c, 72d) está orientada hacia un chorro de pulverización principal procedente de la boquilla de tobera (46; 76) .

4. Tobera binaria según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los ejes longitudinales centrales de las toberas de aire secundario (52a, 52b; 72a, 72b, 72c, 72d) están dispuestos con respecto a un eje longitudinal central (32) de la tobera principal con un ángulo (ß) de 20º a 80º.

5. Tobera binaria según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los ejes longitudinales centrales de las toberas de aire secundario (52a, 52b; 72a, 72b, 72c, 72d) no cortan el eje longitudinal central (32) de la tobera principal.

6. Tobera binaria según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque las toberas de aire secundario (72a, 72b, 72c, 72d) están orientadas de manera tangencial con respecto a un círculo imaginario, concéntrico con respecto al eje longitudinal central (32) de la tobera principal, presentando en particular el círculo imaginario un radio (r1) , que está comprendido entre un 30% y un 80% del radio del chorro principal a la altura del círculo.

7. Tobera binaria según la reivindicación 6, caracterizada porque el círculo está dispuesto aguas abajo de la boquilla de tobera (76) de la tobera principal.

8. Tobera binaria según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque las toberas de aire secundario (52a, 52b; 72a, 72b, 72c, 72d) desembocan aguas arriba de la boquilla de tobera (46; 76) de la tobera principal en un canal de salida (44; 74) desde la cámara de mezclado (40) hasta la boquilla de tobera (46; 76) .

9. Tobera binaria según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque está prevista un conducto de entrada de aire separado con respecto a las toberas de aire secundario, estando previstos unos medios de ajuste para ajustar una presión de aire en las toberas de aire secundario.

10. Tobera binaria según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la boquilla de tobera (46; 76) está rodeada por un intersticio anular (80) , pudiendo ser alimentado el intersticio anular (80) con gas a presión.

11. Tobera binaria según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque, a partir de la cámara de mezclado (40) , un canal de salida (44; 74) se estrecha en primer lugar de manera continua y, después, a partir de un punto estrecho (45; 86) , vuelve a ensancharse hacia la boquilla de tobera (46; 76) de manera continua.

12. Tobera binaria según la reivindicación 11, caracterizada porque, durante el funcionamiento de la tobera, una mezcla binaria en el canal de salida (44; 74) alcanza al menos a tramos una velocidad supersónica.

13. Tobera binaria según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque está prevista una tobera de aire en cortina (82) adicional, que rodea la boquilla de tobera (76) en círculo anular.

14. Tobera binaria según al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque en la entrada a la cámara de mezclado está prevista una tobera de líquido (142) .

15. Tobera binaria según la reivindicación 14, caracterizada porque la tobera de líquido (142) presenta un tubo de tobera (144) que se extiende hacia el interior de la cámara de mezclado (140) .

16. Tobera binaria según la reivindicación 14 o 15, caracterizada porque están dispuestos unos taladros de gas a presión (134) para la introducción de gas a presión en la cámara de mezclado (140) para conducir gas a presión a una boquilla de la tobera de líquido (142) .