SUPERFÍCIE PROMOTORA DE FLUXO TURBULENTO

Âmbito da invenção

A presente invenção refere-se a uma superfície para uso no arej amento de fluidos , nomeadamente a uma superfície constituída por bolsas que promovem o fluxo turbulento de fluidos .

Enquadramento da invenção

Várias indústrias utili zam processos e sistemas que necessitam de um fluido que apresente determinadas características especí ficas , em que um dos componentes de tal processo ou sistema é um arej ador de fluidos , nomeadamente de água . Tais indústrias necessitam que a água apresente um nível seguro de oxigénio dissolvido ( OD) que sej a propício ao crescimento de microrganismos aeróbicos . Estes microrganismos degradam matéria biológica que possa estar presente na água, sendo por isso os referidos are j adores mais indicados para uso , nomeadamente , mas não exclusivamente , no tratamento de águas res iduais , na compostagem de produtos orgânicos e no arej amento de lagos e reservatórios de água .

Locais aquáticos que apresentem um baixo teor de OD apresentam inerentemente uma elevada carência de oxigénio , podendo esta ser química ( carência química de oxigénio , CQO) ou bioquímica ( carência bioquímica de oxigénio , CBO) . Nestas condições , concentrações de moléculas orgânicas oxidáveis e/ou quantidades muito elevadas de microrganismos aeróbicos estão presentes em excesso na água, relativamente à concentração de oxigénio dissolvido ( saturação de oxigénio , SO2 ) existente .

Altos teores de CQO e de CBO di ficultam a presença de vida aeróbica na água . Por exemplo , devido ao elevado número de moléculas orgânicas que estão presentes em águas de esgotos , o corrimento desta para rios causa uma zona de eutrof i zação, caracteri zada por uma quantidade excessiva de nutrientes , aumentando exponencialmente a quantidade de microrganismos . Tal aumento reduz exponencialmente a percentagem de SO2 da água, impossibilitando o crescimento de microrganismos aeróbicos , não podendo a zona, assim, ser naturalmente limpa .

Para evitar que este efeito de eutrofi zação ocorra, estações de tratamento de águas residuais ( ETAR) foram desenvolvidas e instaladas por todo o mundo , onde são tratadas as águas residuais de modo a que sej am escoadas de forma mais segura para o mar ou o rio , com niveis de poluição considerados aceitáveis para o meio ambiente . Estas estações apresentam pelo menos um sistema de arej amento de água, que permite o aumento na oxidação de compostos orgânicos e do crescimento de microrganismos aeróbicos , aumentando a degradação de matéria biológica das águas residuais . Desta forma, menos nutrientes são efluidos para habitats aquáticos .

Mesmo em habitats aquáticos para onde uma grande quantidade de lamas tenha sido libertada e que , por isso , devido à eutrofi zação , os organismos aeróbicos tinham sido erradicados , o arej amento permite um novo desenvolvimento de vida aquática nestes habitats .

Na compostagem de produtos orgânicos , microrganismos aeróbicos degradam nutrientes , libertando outros nutrientes que permitem o desenvolvimento de outros microrganismos , e assim sucessivamente , criando uma comunidade que apresenta uma riqueza nutritiva que torna o composto apropriado para organismos de maior porte como , por exemplo , plantas . Compostagem, por esta razão , é principalmente reali zada na produção de fertili zante .

Estado da técnica

Várias soluções no estado da técnica existem para o arej amento de águas .

0 documento US2016214071 apresenta uma tecnologia inicialmente desenvolvida por Anzai Kantetsu KK, mas aplicada no arej amento de vinhos . 0 sistema compreende uma bomba, uma mangueira unida à bomba pelo primeiro bocal , uma conduta de gás acoplada ao segundo bocal da mangueira e submersa no vinho , tendo na sua ponta um compósito de cerâmica poroso . Ar bombeado pela bomba passa com uma grande pressão pelos poros do compósito de cerâmica, libertando uma grande quantidade de bolhas , chamadas bolhas finas . Bolhas finas são caracterizadas por apresentarem um diâmetro entre 10 pm e 2 mm, sendo também denominadas de microbolhas .

Nanobolhas , ou bolhas ultrafinas , apresentam um diâmetro na escala nanométrica . Microbolhas são conhecidas no estado da técnica por diminuírem de tamanho exponencialmente passados 5 minutos , passando a ser nanobolhas . Devido à alta quantidade de bolhas presentes na água, a área de interface entre água e ar aumenta consideravelmente , aumentando , assim, a percentagem de SO2 na água .

0 equipamento referido no documento US3970731 produz o mesmo efeito que o referido no documento anterior, sendo contudo alcançado a partir de um prato poroso colocado no final de um meio de ej eção de água, tal como uma torneira .

A solução S IO da empresa Ultrafine Nanobubble Cavitation utili za um misturador estático que forma nanobolhas a partir da promoção de fluxo turbulento . Água, ao passar pelo interior deste misturador, atinge pás em forma de hélice que se encontram à entrada do misturador . Ao bater nestas pás , a água dissipa, formando bolhas . Água, agora com bolhas e sob fluxo turbulento , passa por lâminas existentes no interior do misturador que dividem o fluxo da água em duas direções , formando mais bolhas , dividindo também as bolhas j á formadas . Desta forma, bolhas passam a microbolhas , passando ainda a nanobolhas . À saida, a água volta a apresentar um fluxo laminar, mas com uma grande quantidade de nanobolhas presente .

Fluxo turbulento é também conhecido por aumentar o valor de SO2 . Fluxo turbulento ocorre quando um fluido em circulação encontra um obstáculo . Quando tal ocorre , o fluido muda de direção perdendo o momento que apresentava na sua deslocação , entrando assim em fluxo turbulento . Por o movimento ser aleatório , a área de contacto com o ar aumenta . Estes dois parâmetros em conj unto aumentam a propensão para a criação de bolhas de ar, aumentando ainda mais a área de contacto entre fluido e ar .

0 equipamento do documento CN105036296 produz este efeito técnico através de uma membrana para promoção de fluxo turbulento que compreende espigões que separam água que se encontra em fluxo pela membrana, formando fluxo turbulento .

Vantagens da invenção

0 equipamento da presente invenção tem como finalidade promover fluxo turbulento , através de uma técnica s imilar à referida no último documento referido no capitulo anterior e que compreende uma superfície protuberante que integra protuberâncias por onde passa um fluido em arej amento . Tais protuberâncias apresentam ainda uma trincheira, que promove a mistura entre o fluido e o ar, e um bloqueio lateral que obstrui o fluxo de fluido em turbulência de sair pelas laterais da trincheira .

Este efeito sinérgico permite uma maior mistura entre fluido e ar, ao promover a formação de fluxo turbulento através dos três componentes individuais do equipamento da invenção , melhorando signi ficativamente a formação de microbolhas e de nanobolhas e , assim, o arej amento do fluido .

0 equipamento da presente invenção pode ainda ser aplicado em qualquer uma das soluções do estado da técnica acima apresentadas , melhorando exponencialmente a performance dos mesmos equipamentos , podendo ainda ser aplicada em outras soluções que tenham como finalidade o arej amento de fluidos e/ou a formação de fluxo turbulento .

Breve descrição das figuras

Estas e outras características podem ser facilmente compreendidas através dos desenhos anexos , que devem ser considerados como meros exemplos e não restritivos de modo algum do âmbito da invenção . Nos desenhos , e para fins ilustrativos , as medidas de alguns dos constituintes podem estar exageradas e não desenhadas à escala . As dimensões absolutas e as dimensões relativas não correspondem às relações reais para a reali zação da invenção .

Numa forma de reali zação preferencial : A figura 1 apresenta uma vista da superficie do equipamento da presente invenção , em que a repetição translacional dos promotores forma um padrão geométrico , com os componentes substancialmente alinhados sobre eixos substancialmente perpendiculares .

A figura 2 apresenta uma vista em perspetiva superior frontal de um promotor .

A figura 3 apresenta uma vista em perspetiva superior traseira de um promotor .

A figura 4 apresenta uma vista de topo de um promotor .

A figura 5 apresenta uma vista de topo de dois promotores lado-a-lado , mostrando a obstrução de que a trincheira é alvo .

A figura 6 apresenta uma vista da superficie do equipamento da presente invenção , em que a repetição translacional dos promotores forma um padrão geométrico , com os componentes substancialmente alinhados sobre eixos substancialmente diagonais .

A figura 7 apresenta uma vista da superficie do equipamento da presente invenção assente sobre uma base curvilinea .

A figura 8 apresenta o fluxo do fluido ao longo da superficie da presente invenção .

A figura 9 apresenta o percurso que o fluxo do fluido reali za quando encontra um promotor da superficie da presente invenção . Nas figuras estão assinalados os elementos e os componentes do equipamento da presente invenção, bem como elementos necessários ao funcionamento da invenção:

1. superfície

2. promotor

2.1. protuberância

2.1.1. cavidade

2.1.2. aresta

2.1.3. abertura central

2.2. trincheira

2.3. elemento de bloqueio

3. fluxo do fluido

Descrição detalhada da invenção

Por "substancialmente semiesf érico" , "substancialmente piramidal", "substancialmente paralelepipédico" , "substancialmente prismático", "substancialmente cónico", "substancialmente em tronco", "substancialmente troncocónico " , "substancialmente em meia-cana" e "substancialmente complementar" entendem-se como formas ou formatos possíveis de realização dos elementos da invenção, podendo os mesmos funcionar com outras formas ou formatos.

Por "substancialmente horizontal", "substancialmente vertical", "substancialmente alinhado", "substancialmente perpendicular", "substancialmente diagonal" entendem-se como posições possíveis de realização dos elementos da invenção, podendo os mesmos funcionar em outras posições.

Por "repetição translacional " entende-se a repetição sucessiva e indefinida de elementos da presente invenção num plano bidimensional , em que uma cópia de um elemento da presente invenção é colocado numa posição substancialmente linear em relação ao elemento original , sem que haj a rotação ou alteração de qualquer característica do elemento original .

Por " lado-a-lado" , como observável na figura 5 , entende-se a colocação em contacto de um elemento da presente invenção à direita ou à esquerda de um outro elemento .

Por "padrão geométrico" entende- se o plano bidimensional formado pela colocação ordenada de elementos da invenção .

Por " fluxo do fluido" entende-se o fluxo de fluido inicial que percorre a superfície da presente invenção .

Como será claro para um perito na especialidade , a aplicação dos princípios aqui descritos não é limitada às formas de reali zação apresentadas . Possíveis alterações que possam ocorrer na presente invenção , definidas em número , permanecem dentro do âmbito da presente invenção .

Superficies promotoras de fluxo turbulento de acordo com os princípios aqui descritos podem compreender qualquer número das características apresentadas . Igualmente , os princípios aqui descritos podem ser aplicados a qualquer superfície promotora de fluxo turbulento .

Igualmente , será claro para um perito na especialidade que devido à natureza da presente invenção , esta pode ser aplicada em qualquer superfície , tanto plana como curva, de um qualquer produto utili zado no arej amento ou promoção de fluxo turbulento , nomeadamente , mas não exclusivamente, em f ermentadores de compostagem, estações de tratamento de águas residuais, arejadores de bebidas e refrigerantes, sistemas de cultivo de animais marinhos, pás de arejamento, equipamentos para transporte de fluidos e navegações marinhas .

De acordo com as figuras, a presente invenção compreende uma superfície (1) que é aplicada sobre uma base. A base pode ser fabricada em qualquer material adequado para uso em fluidos, nomeadamente água, tal como, nomeadamente, mas não exclusivamente, metais pesados, aço, aluminio, polímeros e copolimeros plásticos, polímeros e copolimeros orgânicos, vidro, fibra de carbono, celulose envernizada, celulose forrada com polímeros ou copolimeros plásticos e madeira envernizada .

A superfície (1) é aplicada sobre a base. A superfície (1) compreende uma repetição translacional indefinida de promotores (2) de fluxo turbulento. Numa outra forma de realização, a superfície (1) é a própria base.

Cada promotor (2) compreende uma protuberância (2.1) . A protuberância (2.1) apresenta um qualquer formato adequado para o efeito, nomeadamente, mas não exclusivamente, substancialmente semiesf érico, substancialmente piramidal, substancialmente paralelepipédico, substancialmente prismático, substancialmente cónico, substancialmente em tronco ou substancialmente troncocónico, preferencialmente curvilíneo semifechado, mais preferencialmente substancialmente semiesf érico . A protuberância (2.1) está assente sobre a superfície (1) e apresenta ainda um corte inferior em formato de meio tubo na extremidade que está em contacto com a superfície (1) . Em posição superior ao corte acima referido, a protuberância (2.1) apresenta um segundo corte superior com um formato circular cujo limite acompanha a parede da protuberância (2.1) e que forma uma aresta

(2.1.2) .

Como observável na figura 8, a protuberância (2.1) serve de obstáculo ao percurso do fluxo do fluido (3) , promovendo o fluxo turbulento no mesmo. 0 fluido bate na protuberância (2.1) perde estabilidade na sua direção, entra em fluxo turbulento e contorna a protuberância (2.1) de forma a continuar o seu movimento.

A protuberância (2.1) apresenta uma trincheira (2.2) , que numa forma de realização preferencial, apresenta um formato em meio-tubo e que complementa o formato em meio-tubo do corte inferior efetuado na protuberância (2.1) , ou seja, o corte inferior efetuado na protuberância (2.1) , juntamente com a trincheira (2.2) , forma uma cavidade (2.1.1) com formato cilíndrico oco no seu interior e que apresenta uma abertura central (2.1.3) resultante do corte circular efetuado na protuberância (2.1) acima do corte inferior. A cavidade (2.1.1) está localizada na zona de contacto entre a protuberância (2.1) e a superfície (1) e preferencialmente em posição substancialmente perpendicular em relação ao sentido do fluxo do fluido (3) e de forma que o fluido choque diretamente na cavidade (2.1.1) . Numa outra forma de realização, a trincheira (2.2) apresenta um formato substancialmente paralelepipédico, substancialmente prismático, substancialmente cónico, substancialmente em tronco ou substancialmente troncocónico .

A aresta (2.1.2) corta o fluxo do fluido (3) em dois fluxos. Um destes fluxos contorna a protuberância (2.1) por cima e pelos lados, continuando na direção em que vinha, enquanto o outro fluxo entra na cavidade (2.1.1) pela abertura central (2.1.3) . Como observável na figura 8, a cavidade (2.1.1) tem como função receber o fluido em circulação, obstruindo o fluxo do mesmo. 0 formato curvilíneo semifechado da protuberância

(2.1) obriga a que o fluido entre na cavidade (2.1.1) pela abertura central (2.1.3) . 0 formato cilíndrico da cavidade

(2.1.1) permite que o fluido circule repetidamente no seu interior, dificultando a sua saida da cavidade (2.1.1) , permitindo assim a promoção de fluxo turbulento e uma maior formação de bolhas. Devido ao choque com a protuberância

(2.1) , parte do fluxo turbulento do fluido é intensificado, pelo que a circulação fechada do fluido no interior da cavidade (2.1.1) permite aumentar consideravelmente a formação de microbolhas e nanobolhas.

A cavidade (2.1.1) apresenta duas aberturas laterais, cada uma posicionada em cada uma das extremidades laterais opostas da cavidade (2.1.1) . Numa destas aberturas laterais encontra-se um elemento de bloqueio (2.3) que impede que o fluido saia da cavidade (2.1.1) pela abertura lateral em que está localizado. Dado que, numa forma de realização preferencial, um determinado promotor (2) está lado-a-lado com os promotores (2) adjacentes, a outra abertura lateral é bloqueada pelo elemento de bloqueio (2.3) do promotor (2) adjacente. Quando o promotor (2) não está lado-a-lado com promotores (2) adjacentes, numa forma de realização, cada uma das duas aberturas laterais está bloqueada por um elemento de bloqueio (2.3) . Numa outra forma de realização, só uma das aberturas laterais está bloqueada pelo elemento de bloqueio (2.3) . Numa forma de realização preferencial, o elemento de bloqueio (2.3) apresenta um formato substancialmente complementar ao formato da cavidade

(2.1.1) . Desta forma, fluido apenas poderá entrar na cavidade

(2.1.1) pela abertura central (2.1.3) e sair pela mesma abertura central (2.1.3) , ocorrendo o máximo de pressão de saída junto das faces do elemento de bloqueio (2.3) direcionadas para a cavidade (2.1.1) , onde será maior a perturbação do fluxo e a formação de bolhas. Numa outra forma de realização, o elemento de bloqueio (2.3) apresenta dimensões inferiores às extremidades laterais da cavidade (2.1.1) , permitindo que uma pequena quantidade de fluido saia pelas extremidades laterais.

Numa forma de realização preferencial, a distância entre dois promotores (2) adjacentes é substancialmente igual à distância entre quaisquer dois promotores (2) adjacentes. Numa outra forma de realização a distância entre dois promotores (2) adjacentes é dependente da distância entre quaisquer dois promotores (2) adjacentes, de forma que apresentem uma maior ou menor distância relativamente a uma distância aplicada entre quaisquer dois promotores (2) adjacentes. Ainda numa outra forma de realização, a distância entre dois promotores (2) é independente da distância entre quaisquer outros dois promotores (2) , podendo apresentar distâncias substancialmente iguais ou diferentes, sem nenhuma relação específica. Numa outra forma de realização, existe dependência, ou seja, a distância entre dois promotores (2) adjacentes é substancialmente igual ou metricamente dependente da distância entre quaisquer dois promotores (2) adjacentes, e independência, ou seja, a distância entre dois promotores (2) adjacentes é independente da distância entre quaisquer dois promotores (2) adjacentes, na distância entre dois promotores (2) adjacentes. Numa forma de realização preferencial, a distância entre dois promotores (2) adjacentes é tal que permite que o elemento de bloqueio (2.3) de um primeiro promotor (2) fique colocado na abertura lateral da cavidade (2.1.1) de um segundo promotor (2) . Tal permite que as cavidades (2.1.1) dos promotores (2) estejam bloqueadas em ambas as aberturas laterais, obstruindo a deslocação do fluido pelas duas aberturas laterais das cavidades (2.1.1) .

Numa forma de realização preferencial, as dimensões de um promotor (2) são substancialmente iguais às dimensões de um qualquer outro promotor (2) . Numa outra forma de realização as dimensões de um promotor (2) são dependentes das dimensões de um qualquer outro promotor (2) . Ainda numa outra forma de realização, as dimensões de um promotor (2) são independentes das dimensões de um qualquer outro promotor (2) , podendo ser substancialmente iguais ou diferentes. Numa outra forma de realização, existe dependência, ou seja, as dimensões de um promotor (2) são substancialmente iguais ou metricamente dependentes das dimensões de um qualquer outro promotor (2) e independência, ou seja, as dimensões de um promotor (2) são independentes das dimensões de um qualquer outro promotor (2) , nas dimensões dos promotores (2) .

Os promotores (2) são colocados de forma repetitiva translacional sobre a superfície (1) . Tal repetição translacional é realizada no plano da superfície (1) , tanto na horizontal como na vertical, como observável na figura 1. Esta repetição translacional forma na superfície (1) um padrão geométrico bidimensional de promotores (2) . Este padrão geométrico será doravante definido como sendo um padrão que possui um número indefinido de filas de promotores (2) substancialmente horizontais e substancialmente paralelas entre si.

Numa forma de realização preferencial, as linhas horizontais estão alinhadas de forma que cada promotor (2) está substancialmente alinhado verticalmente com os promotores (2) que estão colocados nas linhas adjacentes imediatamente acima e imediatamente abaixo, tal como observável na figura 1. Numa segunda forma de realização, as linhas horizontais estão alinhadas de forma que cada promotor (2) não está substancialmente alinhado verticalmente com os promotores (2) que estão colocados nas linhas adjacentes acima e abaixo, ou seja, cada promotor (2) faz um ângulo com os promotores (2) que estão colocados nas linhas adjacentes imediatamente acima e imediatamente abaixo, tal como observável na figura 6. Tal ângulo pode ser um qualquer ângulo adequado para o efeito, tal como ângulos entre 80° e 10°, preferencialmente entre 60° e 30°, mais preferencialmente entre 50° e 40°, nomeadamente 45°. Deste modo, o alinhamento dos promotores (2) permite a formação de um padrão geométrico, nomeadamente quadrangular ou losangular.

Em outras formas de realização, o alinhamento entre os promotores (2) pode ou não formar um padrão geométrico. Formando um padrão geométrico, este pode ou não ter uma repetição regular de filas horizontais. A ordem na posição dos promotores (2) depende da aplicação em que o equipamento da presente invenção é utilizado, dependendo do grau de arejamento pretendido. A disposição ordenada de promotores (2) permite obter uma maior dissipação de fluido que é diretamente proporcional a um maior arejamento. Para um menor grau de arejamento, uma disposição desordenada dos promotores (2) , inclusive distâncias irregulares entre dois quaisquer promotores (2) adjacentes, dissipará o fluido com menor intensidade, causando um arejamento menos intenso. Tal também depende da viscosidade do fluido, pois um fluido mais viscoso tem uma menor propensão para entrar em fluxo turbulento, requerendo um maior grau de dissipação. Ao invés, um fluido menos viscoso tem uma maior propensão para entrar em fluxo turbulento, podendo ser utilizada uma superfície (1) que apresente menos promotores (2) , podendo assim poupar recursos na produção do equipamento da presente invenção. Como é conhecido no estado da técnica, a presença de sólidos num fluido aumenta a viscosidade do mesmo, pelo que detritos também afetam a forma de realização da presente invenção a ser utilizada.

As dimensões dos promotores (2) também afetam a turbulência promovida, nomeadamente na presença de detritos. Se um fluido apresenta um elevada quantidade de detritos, as dimensões dos promotores (2) deverão ser preferencialmente mais pequenas, de forma que os detritos não choquem com os promotores (2) , permitindo assim a existência de uma maior área em que fluido pode criar fluxo turbulento. No caso de um fluido com poucos detritos, as dimensões dos promotores (2) poderão ser maiores, também para otimizar a área disponível para a dissipação do fluido.

Como observável na figura 8, a promoção de fluxo turbulento inicia-se quando o fluxo do fluido (3) começa a percorrer a superfície (1) . Ao encontrar a primeira fila de promotores (2) , o fluxo do fluido (3) vai de encontro à face exterior das protuberâncias (2.1) , nomeadamente de encontro à aresta (2.1.2) , dividindo-o em dois fluxos, sendo que um destes fluxos desce e entra na cavidade (2.1.1) pela abertura central (2.1.3) , enquanto o outro fluxo contorna a protuberância (2.1) quer superiormente quer lateralmente, sendo encaminhado para os promotores (2) que constituem as linhas seguintes de promotores (2) . A parte do fluido que é encaminhado para a cavidade (2.1.1) é forçado a embater contra o fundo central da cavidade (2.1.1) , o que leva a uma primeira dispersão e pulverização do fluido. Como consequência do embate, o fluido já disperso e pulverizado é dividido em dois fluxos, sendo cada um dos fluxos forçado a dirigir-se para uma das aberturas laterais da cavidade (2.1.1) indo embater nos elementos de bloqueio (2.3) , provocando uma segunda dispersão e pulverização, formando um leque de bolhas que é dirigido em todas as direções . Parte desse fluido já dissipado e pulverizado é projetado na direção do elemento de bloqueio (2.3) existente na extremidade oposta, fazendo com que ambos os fluidos projetados choquem também entre si no centro da cavidade

(2.1.1) , provocando uma terceira dispersão e pulverização do fluido, formando bolhas de menores dimensões que as bolhas formadas pela primeira dispersão e pulverização do fluido no promotor (2) . Após este processo, o fluido encontra-se borbulhado. Por continuar a entrar fluido na cavidade

(2.1.1) , o novo fluido empurra o fluido borbulhado para fora da cavidade (2.1.1) , pelo que o processo é repetido indefinidamente, enquanto houver fluido em circulação. 0 fluido borbulhado, após sair da cavidade (2.1.1) , entra no fluxo do fluido (3) e volta a entrar numa cavidade (2.1.1) de um outro promotor (2) , intensificando assim a quantidade de bolhas presentes. Deste modo, a repetição deste processo intensifica a formação de fluxo turbulento e a formação de microbolhas e de nanobolhas, arejando o fluido com uma maior eficiência do que as soluções conhecidas no estado da técnica .

Outra parte do fluido vai de encontro às partes laterais das protuberâncias (2.1) , formando uma pulverização adicional do fluido. Nas formas de realização em que os promotores (2) estão adjacentes, esta pulverização ocorre no espaço entre dois promotores (2) adjacentes, o que faz com que o fluido pulverizado choque entre si na zona entre os dois promotores (2) , intensificando o fluxo turbulento e a formação de bolhas .