ES2216052T3 - Boquillas electrostaticas para liquidos abrasivos y conductores. - Google Patents
Boquillas electrostaticas para liquidos abrasivos y conductores.Info
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Abstract
TOBERAS PULVERIZADORAS DE CARGA POR INDUCCION Y ATOMIZACION POR AIRE ADECUADAS PARA LIQUIDOS, SOLUCIONES, SUSPENSIONES O EMULSIONES DE TIPO CONDUCTIVO. ESTOS SISTEMAS PRESENTAN UN ALTO NIVEL DE CARGA DE PULVERIZACION A UNA TENSION E INTENSIDAD DE ELECTRODO DE BAJA INDUCCION. ENTRE SUS PRINCIPALES VENTAJAS CABE CITAR SU FUNCIONAMIENTO COHERENTE Y FIABLE EN ENTORNOS RIGUROSOS AGRICOLAS E INDUSTRIALES CON UNA AMPLIA GAMA DE FORMULACIONES DE PULVERIZACION, ESPECIALMENTE LAS QUE TIENEN CONCENTRACIONES RELATIVAMENTE ALTAS DE MATERIALES ABRASIVOS Y CONDUCTIVOS. LAS SUPERFICIES EXTERIORES DEL CUERPO DE LA TOBERA (1), JUNTO A LAS CONEXIONES CON LAS PIEZAS DEL PULVERIZADOR PUESTAS A TIERRA, SE MANTIENEN FLOTANTES O EN UN POTENCIAL PROXIMO A TIERRA. LAS SUPERFICIES DE LA CUBIERTA (2) ADYACENTES AL ELECTRODO DE INDUCCION (18) SE MANTIENEN CERCA DEL POTENCIAL DEL ELECTRODO (18). ENTRE LAS PARTES DE ALTA Y BAJA TENSION DE LA TOBERA SE MANTIENE UNA VIA MUY RESISTIVA Y LA TENSION DEL ELECTRODO O EL NIVEL DE CARGA DE PULVERIZACION NO DISMINUYEN SIGNIFICATIVAMENTE YA QUE LAS SUPERFICIES DE LA TOBERA SE RECUBREN DE CHORRO PULVERIZADO O SE CONTAMINAN DE OTRO MODO POR MATERIALES CONDUCTIVOS PRESENTES EN EL ENTORNO DE PULVERIZACION.
Description
Boquillas electrostáticas para líquidos abrasivos
y conductores.
Esta invención se refiere a dispositivos
pulverizadores electrostáticos en general, y en particular a
sistemas pulverizadores de atomización neumática, atomización
hidráulica y otros tipos de carga por inducción.
Existen hoy día varios métodos de cargar y
suministrar partículas pulverizadas al objeto de mejorar la calidad
y eficiencia de transferencia de masa de material de pulverización
sobre el blanco deseado. A menudo se seleccionan tipos de boquillas
electrostáticas de carga por inducción para uso en algunos entornos
industriales y agrícolas porque en general usan voltaje y corriente
de entrada más bajos que otros tipos de boquillas electrostáticas,
tal como las que se basan en principios de carga en corona, por
contacto o electrohidrodinámicos que utilizan voltajes del orden de
25 a 50 kV o más para carga adecuada. Hay básicamente dos clases de
sistemas de carga de pulverización por inducción en la técnica
anterior. El primero contiene boquillas que colocan electrodos
cerca de una zona relativamente ancha de atomización hidráulica,
neumática o de otro tipo y obtienen gradientes de campo de carga
por inducción suficientemente altos a voltajes operativos del orden
de 5 kV a 15 kV. Ejemplos de este tipo son los de Burls y
colaboradores, Pay, Swanson, Sickles, Inculet y colaboradores, y
Brown y colaboradores. La segunda clase de dispositivos a base de
inducción contiene boquillas que tienen electrodos embebidos
internos que se colocan muy cerca de una zona de atomización mejor
definida y, a causa de la proximidad del electrodo a la zona de
atomización, son capaces de desarrollar suficientes gradientes de
campo de carga por inducción a voltajes de electrodo de solamente 1
a 3 kV. Ejemplos de este último tipo son los de Law y Parmentar y
colaboradores.
La magnitud de la fuerza con la que las gotitas
cargadas son impulsadas eléctricamente hacia el blanco deseado es
una función del nivel de carga de gotitas y el tamaño de las
gotitas. El control apropiado del tamaño de las gotitas y la carga
adecuada puede dar lugar a eficiencia de deposición muy mejorada,
especialmente sobre regiones ocultas de blancos tridimensionales.
Los dispositivos convencionales de carga por inducción y
atomización de aire de Law y de Parmentar atomizan con éxito
gotitas de agua al rango de tamaño deseado para efecto
electrostático de menos de 100 mm de diámetro, y cargan estas
gotitas al nivel mínimo deseado de al menos 3 mC/litro. Con estos
parámetros, se puede lograr aumentos que doblan al menos la
deposición en comparación con la pulverización no cargada similar
sobre geometrías de blanco complejas tal como las cubiertas de
plantas que se encuentran en el rociado de cultivos agrícolas.
Pero, cuando se mezclan materiales comúnmente utilizados con el
líquido de pulverización y se utilizan en estas boquillas de la
técnica anterior, los niveles de carga pueden disminuir
considerablemente durante los períodos de tiempo que se consideran
períodos de uso normales. Por ejemplo, a lo largo de media jornada
de pulverización con la boquilla de Law (o sus versiones
comerciales modificadas con una punta de líquido dieléctrica),
usando mezclas de polvos, líquidos conductores o metales utilizados
comúnmente en la pulverización de pesticidas agrícolas y nutrientes
foliares, los niveles de carga pueden disminuir a menos de un quinto
de los logrados con agua solamente. El uso continuado con estos
tipos de aditivos al agua, y en el entorno contaminado que se
encuentra en pulverización industrial y agrícola, puede dar lugar a
daño irreversible de las boquillas de pulverización electrostática
y las fuentes de alimentación.
La disminución del nivel de carga de
pulverización y la eventual destrucción de los componentes de la
boquilla se deben en gran parte a varios problemas eléctricos que
surgen de la formación de depósitos conductores en las superficies
interiores y exteriores de la boquilla. Estos depósitos, aunque son
ligeros, crean recorridos de corrientes eléctricas parásitas que
atraviesan fácilmente las superficies de la boquilla y los hilos y
las mangueras unidos a la boquilla. Este fenómeno de seguimiento
eléctrico se produce incluso con los voltajes relativamente bajos de
aproximadamente 1 a 3 kV asociados con boquillas de carga por
inducción de electrodos internos, tal como a los niveles descritos
por Law y por Parmentar. Eventualmente, se forman depósitos
conductores de negro de carbón a lo largo de estos recorridos de
corrientes parásitas que atacan a las superficies dieléctricas,
estableciendo conductores eléctricos permanentes que el operador no
puede quitar durante la limpieza normal. Estos recorridos
eléctricos se pueden formar tanto en las superficies internas como
externas de la boquilla.
Los recorridos más obvios que siguen las
corrientes parásitas se forman en las superficies dieléctricas
externas de la boquilla que están sometidas a gran contaminación
por humedad y partículas en el entorno de pulverización. Estos
recorridos de corriente comienzan generalmente en superficies en el
orificio de la boquilla cerca del electrodo de alto voltaje y se
extienden hacia fuera del electrodo hacia superficies externas de
potencial más bajo cuando las superficies dieléctricas limpias
expuestas de la boquilla de carga se humedecen o contaminan de otro
modo. Dado que la contaminación crea un conducto resistivo que
conecta eléctricamente el electrodo a tierra, las superficies
intermedias están a algún voltaje intermedio al del electrodo y
tierra, dependiendo de su posición y el grado de contaminación
superficial.
El primer efecto de las corrientes parásitas en
las superficies externas es aumentar los requisitos de potencia del
sistema que tiende a reducir el voltaje de salida de la fuente de
alimentación del electrodo no regulado de la boquilla. Esto produce
reducciones proporcionales del voltaje de electrodo y del nivel de
carga de pulverización. Cuando se contaminan suficientemente las
superficies aislantes destinadas a separar las partes
pulverizadoras puestas a tierra del electrodo, aumenta
drásticamente la corriente del electrodo tomada de la fuente de
alimentación. En condiciones limpias, con agua, una boquilla de Law
o Parmentar puede tomar solamente 20 mA. Sin embargo, cuando las
superficies de la boquilla se hacen conductoras por contaminación
por humedad medioambiental, partículas o líquido de pulverización,
se reduce la resistencia efectiva del electrodo de inducción puesto
a tierra y el seguimiento superficial resultante hace que la
corriente de salida del suministro de potencia aumente 200 veces o
más, dependiendo de la capacidad de salida de la fuente de
alimentación. Con tipos no regulados de fuentes de alimentación,
que se usan normalmente a causa de su seguridad inherente, el nivel
de corriente incrementado hace que el voltaje se reduzca por debajo
de 1/3 de su salida sin carga. El gran requisito de potencia
también reduce el número de boquillas que se puede poner en
funcionamiento con una sola fuente de alimentación electrostática.
La demanda de potencia de la superficie sucia ha hecho que algunos
fabricantes de boquillas de carga por inducción comerciales
utilicen para cada boquilla una fuente de alimentación individual
capaz de producir corrientes que exceden con mucho de los
requisitos operativos de una boquilla no contaminada. Este método de
diseño aumenta la complejidad y el costo de los sistemas de
boquillas múltiples, tales como los pulverizadores agrícolas de
brazo, y la excesiva potencia disponible puede acelerar la
destrucción de las superficies dieléctricas por seguimiento
eléctrico y producir problemas de seguridad. Como describe Law en la
Patente de Estados Unidos número 4.004.733, puede ser deseable
montar la fuente de alimentación directamente en la boquilla de
carga o embeberla dentro de la boquilla. Las ventajas explicadas
por Law son que esto evita los cables de alto voltaje que pueden
ser susceptibles a daño mecánico o pueden presentar un peligro
eléctrico. Law muestra la fuente de alimentación montada
directamente en la porción de boquilla que contiene el electrodo.
El problema de esta realización es que se contaminarán los hilos de
entrada de la fuente de alimentación de voltaje bajo, y el
aislamiento se degradará eventualmente por la actividad eléctrica a
lo largo de las superficies de aislamiento. La diferencia de
potencial entre el conductor dentro de la línea de voltaje bajo y
la contaminación en el hilo está por lo general cerca de la del
potencial de electrodo. Por lo tanto, es probable la rotura
dieléctrica del aislamiento, especialmente si el aislamiento se
debilita por daño mecánico o por daño por seguimiento eléctrico.
Además, suele haber un conector eléctrico en algún punto de los
hilos de voltaje bajo para poder quitar fácilmente la boquilla. Las
partes internas del conector están a un voltaje bajo y el exterior
del conector está a un voltaje alto a causa de los recorridos
conductores que se forman en el aislamiento del hilo y/o en las
superficies conectoras debido a contaminación. Por lo tanto, en la
práctica, los conectores interiores y exteriores de voltaje bajo
también son susceptibles de fallo a causa de la diferencia de
potencial.
El dispositivo descrito por Parmentar y otros
resuelve el problema del seguimiento eléctrico en las superficies
exteriores de la boquilla e intenta limitar la corriente alargando
la distancia de aislamiento superficial desde la salida de la
boquilla al soporte de montaje puesto a tierra con una serie de
ranuras en las paredes externas de la boquilla y una pestaña radial
grande que rodea la boquilla. Pero, dado que las ranuras y la
pestaña están expuestas directamente al polvo y a la nube de
pulverización cargada, pueden hacerse rápidamente suficientemente
conductoras transportando una corriente sustancial procedente del
electrodo. Además, las ranuras profundas se pueden llenar de
materiales de pulverización secos y son difíciles de limpiar bien y
por lo tanto pueden seguir siendo conductoras después de la
limpieza.
Un segundo efecto de la corriente parásita en las
superficies externas de la boquilla es reducir la intensidad de la
carga de pulverización a causa del contacto eléctrico con el
suministro de líquido a través de costuras en la conexión de
entrada de líquido en el cuerpo de boquilla. Cuando se hace contacto
eléctrico con el líquido puesto normalmente a tierra, el potencial
del líquido se eleva hacia el del electrodo de inducción. La
diferencia de potencial entre el electrodo de inducción y la
corriente de líquido se reduce, dando lugar a una reducción
proporcional del nivel de carga de pulverización.
Se puede producir daño físico por arco eléctrico
en las superficies aislantes contaminadas de los hilos, tubos de
aire y tubos de líquido cerca de donde las superficies de estos
componentes de boquillas contactan partes pulverizadoras puestas a
tierra. La corriente del electrodo o los conectores eléctricos de
alto voltaje contaminados avanza a lo largo de las superficies
contaminadas, y se produce arco eléctrico en las superficies cerca
de partes pulverizadoras puestas a tierra, erosionando
eventualmente agujeros en el tubo y en el aislamiento del hilo que
originan fugas de líquido y conductores expuestos que están
sometidos a cortocircuito directo.
Eventualmente, el ataque a lo largo de recorridos
de corriente y el picado debido a descargas eléctricas desfiguran
permanentemente las superficies que son importantes para la función
básica de la boquilla, tal como las paredes del canal de
atomización, la punta del orificio de líquido, y las superficies del
electrodo. La erosión debida a actividad eléctrica en estas zonas
produce una disrupción de la configuración de la pulverización, que
afecta en gran medida al nivel de carga de pulverización y la
calidad de la atomización.
Aunque el flujo de carga a través de las
superficies externas contaminadas de la boquilla produce la mayor
parte del deterioro físico visible en boquillas convencionales de
inducción y atomización de aire y explica gran parte de la
corriente tomada de la fuente de alimentación, las superficies
internas también están sometidas a contaminación. Esta
contaminación da lugar a reducción de la carga de pulverización
cuando influye en el potencial del líquido hacia arriba del
electrodo.
Algunos tipos de boquillas convencionales de
carga por inducción utilizan juntas estancas dentro de la boquilla
para aislar el líquido del electrodo colocado en la boquilla. Las
superficies dieléctricas de estas juntas estancas pueden ser
suficientemente conductoras por contaminación durante el desmontaje
proporcionando recorridos de corriente al líquido. El nivel de las
corrientes a través de las juntas estancas dieléctricas puede no
ser suficiente para producir arco eléctrico o ataque superficial.
Sin embargo, el contacto eléctrico puede ser suficiente para elevar
el voltaje de la corriente de líquido hacia el del electrodo, dando
lugar a una reducción considerable del campo eléctrico de carga de
pulverización por inducción. Algunas boquillas anteriores están
diseñadas de manera que se puedan desmontar en todas las piezas
componentes básicas. Aunque esto permite el acceso conveniente a
cada parte para inspección o sustitución, agrava el problema de la
posible contaminación de las superficies interiores porque se ha
hallado que algunos residuos conductores pueden permanecer después
de la limpieza normal y el nuevo montaje.
Un ejemplo de cómo una superficie interior puede
contaminarse accidentalmente durante el desmontaje, es la boquilla
de Law modificada con una punta de fluido dieléctrica doble. La
base de esta punta de fluido doble está enroscada en el cuerpo de
boquilla y la costura está sometido a contaminación durante el
desmontaje, dando lugar a un recorrido de seguimiento eléctrico
entre el canal de líquido y corrientes parásitas superficiales que
se originan en el electrodo. Se ha observado que este recorrido
puede hacer que el líquido hacia arriba del electrodo alcance un
voltaje de 40-70% del voltaje del electrodo, dando
lugar a una reducción proporcional de la carga de pulverización.
También se produce contaminación interna en las
boquillas de la técnica anterior cuando una cantidad pequeña de
material de pulverización fluye de nuevo a los canales de aire
cuando se para el flujo de aire. Esta contaminación crea grandes
recorridos de corriente eléctrica en las superficies entre el
electrodo y el aislamiento de la punta del orificio de líquido
preferiblemente a voltaje bajo y el canal de líquido. Estas
superficies pueden ser picadas por descargas eléctricas. Se
desarrollan eventualmente agujeros en el material dieléctrico que
rodea la punta del orificio de líquido o el canal de líquido,
exponiendo así el canal de líquido directamente al voltaje del
electrodo y también a la cavidad de gas a presión.
En una versión comercial anterior de la boquilla
de Law, la punta de fluido doble y su base roscada de acoplamiento
son conductoras y están puestas a tierra. Se instala una cubierta
sobre la porción de tapón del electrodo y el metal expuesto de la
punta de fluido doble. Esta estrategia tiene la finalidad de
mantener el líquido a potencial de tierra incluso en presencia de
corrientes parásitas. Sin embargo, durante los períodos de uso
normales y durante la limpieza de la boquilla, las superficies
dentro de esta cubierta se contaminan. Por lo tanto, la corriente
avanza hacia fuera del electrodo, a través de las juntas estancas
contaminadas de la cubierta, y a lo largo de las superficies
interiores contaminadas de la cubierta hacia el metal expuesto en la
base de la punta de fluido doble puesta a tierra. El líquido
permanece puesto a tierra, pero el recorrido de corriente es
directo a través de la punta de fluido doble conductora y la salida
del suministro de potencia se reduce severamente y somete a fallo
por la excesiva demanda de corriente. En un esfuerzo por eliminar
este problema, la punta metálica de fluido doble se sustituyó por
una punta de diseño similar hecha de plástico Delrin. Esto aumenta
algo la duración de la boquilla, pero los recorridos de corriente a
la corriente de líquido penetran eventualmente en la costura entre
la punta de fluido doble Delrin y el cuerpo de boquilla con arco
eléctrico suficiente para crear eventualmente ranuras entre las
superficies sellantes y abrir recorridos eléctricos continuos a la
corriente de líquido.
En algunas boquillas electrostáticas
convencionales, tal como la de Sickles, se pone una resistencia del
orden de giohmios entre la salida del suministro de potencia y el
electrodo de la boquilla para limitar la corriente al electrodo
para seguridad del operador y para evitar un gran arco eléctrico en
el interior de la boquilla. Esta resistencia también puede tener el
efecto beneficioso de limitar las corrientes de fuga que se
originan en el electrodo, pero se reducen los niveles de carga de
pulverización porque las corrientes de fuga muy pequeñas sobre
superficies contaminadas producen una caída sustancial del voltaje
sobre la resistencia limitadora de alto valor conectada al
electrodo. Cuando materiales de pulverización o polvo suspendido en
el aire recubren eventualmente una boquilla dieléctrica, la
resistencia efectiva desde el electrodo a tierra se reduce a un
valor muy inferior al de una resistencia en serie de fuente de
alimentación de un tamaño que limitaría adecuadamente la corriente a
un valor seguro. En la práctica, cuando las boquillas de la técnica
anterior operan en entornos agrícolas, la resistencia a tierra del
electrodo de la boquilla se reduce a menudo a mucho menos de 1
megohmio. El esquema representado en la figura 13 ilustra el efecto
en el voltaje de electrodo, V_{e}, para el caso de una
resistencia de limitación de corriente, R, colocada entre un
electrodo de boquilla y la fuente de alimentación cuando existe un
recorrido de escape resistivo, R_{n}, a través de las superficies
de la boquilla a tierra.
Considérese el ejemplo de una resistencia de
limitación de corriente de 5 megaohmios, R, conectada entre una
fuente de alimentación no regulada de 1 kV y una boquilla
contaminada que tiene un recorrido de escape resistivo de 1
megohmio, R_{n}, desde el electrodo a tierra a lo largo de las
superficies contaminadas de la boquilla. Como en un circuito
divisor de voltaje clásico, el voltaje de la fuente de alimentación
se divide en el electrodo, reduciendo el voltaje de electrodo
(V_{e}) y el campo interno de carga por inducción a solamente 1/6
del de una boquilla con superficies perfectamente limpias y sin
corrientes de fuga. Otro ejemplo: para R = R_{n}, el voltaje
efectivo de carga se divide por la mitad. Estos ejemplos simples
ilustran que los componentes de carga de la boquilla deben mantener
un valor considerablemente más alto de resistencia de escape a
tierra que las resistencias limitadoras de corriente de tamaño
apropiado de la fuente de alimentación si tales resistencias se han
de usar efectivamente. Los beneficios primarios de tal sistema de
alta impedancia de fuga son la seguridad, mayor duración de la
boquilla, mejor fiabilidad operativa con boquillas mantenidas
pobremente, carga de pulverización consistente en una amplia gama
de conductividades de líquido, la capacidad de utilizar fuentes de
alimentación muy pequeñas con voltajes relativamente bajos, y la
capacidad de alimentar muchas boquillas de carga desde una sola
fuente de alimentación.
Sickles intenta mantener un recorrido altamente
resistivo entre el electrodo de la boquilla y tierra manteniendo
limpias las superficies de la boquilla usando una corriente de aire
secundario diseñada para evitar que la pulverización cargada vuelva
al cuerpo de la boquilla. Sin embargo, el volumen de aire
comprimido usado para esta corriente de aire secundario hace que sea
inviable para grandes sistemas de boquillas múltiples tal como los
pulverizadores agrícolas de brazo de 30 a 80 boquillas usados para
tratar cultivos de campo. Los compresores o ventiladores de aire
deben ser lo más compactos que sea posible en estas aplicaciones
móviles. Una energía neumática excesiva en el blanco es indeseable
a menudo, puesto que el campo de fuerza electrostática puede ser
superado por las fuerzas aerodinámicas dando lugar a pobre
electrodeposición y a pulverización excesiva. Además, las boquillas
que operan en este tipo de entorno difícil tienden a recoger polvo
conductor suspendido en el aire y pulverización excesiva en
superficies incluso cuando se utiliza aire secundario para alejar
los contaminantes de la boquilla.
La nube de pulverización cargada que sale de un
orificio de boquilla de inducción crea un campo eléctrico intenso
que termina en el blanco deseado, así como en la cara de la
boquilla y otros componentes pulverizadores. El campo impuesto por
carga espacial en la boquilla produce una fuerza de atracción
intensa entre la superficie de la boquilla y las gotitas cargadas.
Las boquillas de inducción convencionales, tal como la de Law, que
utilizan atomización neumática, tienen el beneficio de un gas
portador para alejar efectivamente la mayor parte de la
pulverización de la cara de la boquilla. Dentro de la nube de
pulverización propiamente dicha, las gotitas se repelen mutuamente y
algunas gotitas en la periferia externa escapan al arrastre por el
chorro de gas. Sin embargo, las gotitas cargadas que se liberan del
chorro de gas portador y no recorren una distancia suficiente para
escapar del campo a la cara de la boquilla, vuelven a la superficie
de la boquilla a lo largo de las líneas de campo eléctrico
impuestas por el campo de carga espacial. Esta porción
relativamente pequeña de pulverización cargada que vuelve a la
boquilla produce gran parte de la contaminación superficial nociva y
problemas resultantes de corriente eléctrica. Otra consecuencia
nociva es que el líquido de pulverización que es atraído de nuevo a
la boquilla, tiende a acumularse en la cara plana de la boquilla de
carga convencional. Esta acumulación puede producir neutralización
parcial de la pulverización cargada. Cuando el líquido depositado
comienza a gotear lejos de las superficies exteriores de la
boquilla, es llevado hacia la nube de pulverización por la fuerza
del campo eléctrico de la nube de pulverización. El líquido
acumulado forma picos pronunciados alineados con el campo. La
intensidad del campo eléctrico en los picos es suficiente para
producir rotura dieléctrica del aire circundante. Las descargas
eléctricas gaseosas resultantes envían cargas iónicas de polaridad
opuesta a la nube de pulverización, neutralizando después
eléctricamente una porción sustancial de la pulverización. Además,
el líquido acumulado superficialmente aspirado eléctricamente de la
boquilla o que cae por gravedad, se desperdicia y produce pobre
deposición a causa de una pulverización pobremente atomizada. Las
gotitas que caen de una cara de la boquilla, son generalmente
bastante grandes y tienen carga opuesta a la pulverización. En
aplicaciones de pulverización de pintura, estas gotitas grandes
dañan un recubrimiento superficial por lo demás uniforme. En la
práctica de pulverización de pesticidas a plantas, la deposición de
estas gotas grandes puede producir severo deterioro del tejido
vegetal en lugares donde se produce la sobredosis.
La forma de la boquilla convencional de Parmentar
reduce los puntos de ionización que se forman a partir de películas
superficiales en la zona del orificio de la boquilla rebajando la
salida en una cavidad en forma de copa, mirando el reborde externo
a la nube de pulverización. Sin embargo, se produce ionización y
goteo en otras superficies de la boquilla cuando se humedecen
suficientemente. Las gotitas cargadas que vuelven a la boquilla, son
atraídas al borde de la cavidad puesto que allí se concentran las
líneas de campo eléctrico. Esto contribuye a limitar la cantidad de
pulverización que recubre el cuerpo hacia atrás del borde, pero las
gotitas recogidas se acumulan y coalescen en el borde propiamente
dicho. Justo antes de gotear, el líquido es aspirado hacia la nube
de pulverización en picos pronunciados de los que se emite carga
opuesta de la nube de pulverización y tiende a neutralizar una
porción considerablle de la nube de pulverización cargada.
Parmentar también incorpora una pestaña radial grande alrededor de
la boquilla. Esta pestaña sirve para alargar la superficie aislante
y evitar que la pulverización cargada de retorno recubra la porción
situada hacia arriba del cuerpo de boquilla. Sin embargo, las
superficies delanteras y de borde hacia la nube de pulverización se
recubren eventualmente y se forman múltiples puntos de goteo
propensos a ionización. Además, la cavidad en forma de copa en la
parte delantera de la boquilla evita que la boquilla sea utilizada
en una orientación hacia arriba, puesto que la cavidad tiende a
llenarse de líquido que se acumula en el borde y gotea a la cavidad,
bloqueando eventualmente parcialmente el orificio y/o expulsándose
como masas líquidas grandes que degradan drásticamente la calidad
de la pulverización depositada.
Todas las versiones de la boquilla convencional
de Law exhiben también el problema del goteo y neutralización de la
nube de pulverización, especialmente las versiones comerciales
recientes donde se instala una cubierta de protección de superficie
plana sobre la cara plana más pequeña del tapón de electrodo. En
comparación con la boquilla de Parmentar, la boquilla de Law tiende
a recoger menos líquido puesto que la cara de la cubierta es menos
de la mitad de grande. Sin embargo, la acumulación es suficiente
para originar la formación de picos prominentes, propensos a
ionización que gotean del borde inferior de la cara.
Otra limitación de las boquillas convencionales
de carga por inducción es la tendencia del canal de atomización y la
salida del chorro a desgastarte rápidamente bajo uso normal con
pulverizaciones que contienen sustancias abrasivas. La estrecha
configuración de la pulverización y envuelta de aire creada entre
la pulverización y las paredes de canal por la boquilla de Law
limita algo el desgaste por abrasión, pero con el tiempo las paredes
del canal de atomización se deforman ligeramente con los depósitos
de pulverización que quedan de la limpieza inadecuada o se
desfiguran por la actividad eléctrica, tal como la ionización
inducida de la punta del orificio de líquido o el seguimiento de
corriente a lo largo de las paredes internas de la zona de
atomización. La deformación perturba la configuración estrecha, y
una porción de la pulverización movida por aire impacta sobre la
pared de plástico cerca de la salida y la erosiona mecánicamente.
En la práctica, la salida de la boquilla puede erosionar al doble
el diámetro inicial en un período de solamente medio día mientras
se pulverizan algunos materiales abrasivos como tierra de diatomeas
o aluminofluoruro de sodio. Si no se cuida, el electrodo también
comenzará a desgastarse, comenzando por el extremo de salida y
continuando hacia atrás. El consumo de aire, la carga de
pulverización, y la calidad de la atomización pueden quedar
afectados adversamente por el desgaste abrasivo.
La presente invención proporciona sistemas
mejorados de boquilla de carga de pulverización electrostática para
carga de pulverización fiable con una amplia variedad de líquidos
de pulverización, especialmente los que contienen concentraciones
de masa relativamente altas de polvos abrasivos, elementos
metálicos, materiales corrosivos, y/o materiales altamente
conductores. Tales sistemas también son más seguros y más fiables
en entornos donde es probable que las superficies de boquilla se
contaminen con pulverización y otro material, las boquillas están
sometidas a operación por operadores no expertos y se puede
despreciar el mantenimiento de la boquilla. Los sistemas también
proporcionan boquillas con bajo requisito de corriente eléctrica
para permitir la operación de muchas boquillas de pulverización
electrostática desde una sola fuente de alimentación miniatura o
para permitir la operación de una sola boquilla desde una fuente de
alimentación subminiatura que se puede embeber, si se desea, dentro
de la boquilla.
Los sistema de boquilla de carga por inducción y
atomización neumática según la presente invención avanzan la
técnica, entre otras formas, (a) manteniendo la estabilidad del
campo interno de carga electrostática entre el chorro de líquido y
el electrodo de inducción mediante aislamiento eléctrico de la
corriente de líquido contra fuga de corrientes internas y externas,
y mediante el establecimiento de una barrera eléctrica entre el
campo de carga interno y los campos de nube de pulverización que se
originan fuera de la boquilla; (b) manteniendo los potenciales de
la superficie de la boquilla para excluir el escape de carga en las
superficies interiores y exteriores de la boquilla; (c) creando
alta resistencia eléctrica entre partes pulverizadoras puestas a
tierra, la fuente de alimentación de alto voltaje, y el electrodo
de la boquilla de pulverización; y (d) utilizando materiales
resistentes a la abrasión en la salida de la boquilla.
Los conjuntos de boquilla según la presente
invención incluyen un cuerpo que termina en una punta de fluido
doble que anida en una cubierta que contiene una cámara de
atomización neumática y electrodo de carga. El electrodo de
inducción se coloca apropiadamente al efectuar el montaje en
relación a la zona de atomización para concentrar y mantener un
campo eléctrico adecuadamente intenso en la superficie del chorro
de líquido en la zona de formación de gotitas. El chorro de líquido
se mantiene a o cerca del potencial de tierra y conectado a tierra
en una posición apropiada situada hacia arriba. Se hace que la carga
fluya a través del líquido y se concentre en la superficie del
chorro de líquido que entra en la zona de atomización en respuesta
al campo eléctrico en la superficie de chorro. Se forman gotitas
con energía neumática que también aleja la pulverización cargada de
la zona de electrodo, a través de la salida del chorro de boquilla
y hacia el blanco deseado.
Según la presente invención se facilita una
boquilla de carga de pulverización por inducción según la
reivindicación 1. Según una disposición, el conjunto de boquilla
consta de un cuerpo que termina en una punta de fluido doble que
está conectada extraíblemente a una cubierta. La cubierta incluye
una superficie exterior de forma cónica u otra forma aerodinámica
que termina en una salida de chorro de pulverización. Contiene una
superficie interior que forma un canal de atomización e incluye un
electrodo de inducción. El cuerpo y la cubierta se pueden separar
fácilmente para proporcionar acceso a todas las zonas que se deben
limpiar periódicamente, incluyendo los canales de aire, el canal de
líquido, la punta del orificio de líquido, el canal de atomización,
la superficie del electrodo de carga, y la zona de la cámara
impelente de aire. La punta del orificio de líquido, el electrodo y
otros componentes internos de la boquilla son integrales al cuerpo
o cubierta y no hay que extraerlos. Por lo tanto, no están
sometidos a desalineación o contaminación durante el nuevo montaje,
el desmontaje o la operación.
En otra disposición, el contacto eléctrico del
electrodo con la fuente de alimentación se interrumpe cuando se
afloja o quita la cubierta. Esto reduce la posibilidad de que un
operador contacte accidentalmente la fuente de alimentación al
inspeccionar o limpiar el electrodo u otras porciones de la zona de
atomización. Esta característica también elimina la manipulación y
deformación de los hilos frágiles mientras se limpia el canal de
atomización u otras zonas.
Varias disposiciones de la boquilla eliminan
corrientes parásitas a través de películas superficiales
contaminantes que se forman fácilmente en las superficies
dieléctricas interiores de las boquillas de carga por inducción,
tales como las superficies en las zonas alrededor de la punta del
orificio de líquido y la cámara de atomización. En las superficies
interiores de la boquilla se mantienen intencionadamente
superficies equipotenciales en las zonas de la porción de cubierta
junto a y hacia arriba del electrodo. Las superficies de las
cámaras impelentes de gas, las juntas estancas, y el canal de
atomización, que son porciones internas del conjunto de tapa, están
colocadas entre el electrodo y un aro conductor o semiconductor que
está a un potencial parecido al electrodo. Esto iguala el voltaje
en estas superficies dieléctricas, en el caso muy probable de que
en ellas se forme una película contaminante conductora, y evita que
la corriente retroceda desde el electrodo hacia la porción de cuerpo
de potencial más bajo del montaje y forme recorridos de seguimiento
eléctrico dañinos en estas zonas internas clave de la boquilla. El
aro conductor interno también sirve convenientemente para hacer
contacto eléctrico independiente de la alineación desde el conducto
de suministro de potencia en el cuerpo al electrodo en la cubierta.
Otro beneficio de la superficie anular cargada interior es que
impone inherentemente una barrera eléctrica entre el campo eléctrico
interno de carga por inducción y los campos originados fuera,
existentes alrededor de la boquilla, tal como los impuestos por la
carga espacial de la nube de pulverización, que es opuesto y
suprimirá el campo de carga de pulverización de la boquilla.
El canal de líquido, las conexiones de entrada de
líquido, y la punta de líquido se contienen dentro de la porción de
voltaje bajo del cuerpo. El líquido se pone a tierra en algún punto
hacia arriba del orificio de líquido, y la resistencia paralela del
segmento de corriente y su conducto sin costura entre el punto de
tierra y el electrodo hace que el potencial del chorro de líquido en
el orificio flote entre voltaje de tierra durante el funcionamiento
normal y el voltaje de electrodo durante una situación de gran
cortocircuito. En caso de un cortocircuito directo entre la punta
del orificio de líquido y el electrodo producido por un puente de
contaminante conductor, se hace que la corriente pase por el puente
de material que produce el corto, y a través de la corriente de
líquido resistivo y su conducto. El líquido entre la punta y su
punto de tierra situado hacia arriba forma una resistencia, que
autolimita la corriente y después limita el daño de los componentes
de la boquilla. También se evita el daño porque el flujo de líquido
de la boquilla se para porque se interrumpe la corriente cuando el
contacto de líquido se interrumpe cuando el líquido es evacuado del
canal a la punta del orificio de líquido.
Las posibilidades de cortocircuito en la punta
del orificio de líquido las limitan además el gas atomizante que se
desplaza en la cámara impelente que rodea la base de la punta y el
gas a velocidad muy alta que se impulsa a la zona de atomización
que rodea la punta del orificio de líquido. Para mayor seguridad y
para evitar un corto eléctrico entre el electrodo y la punta del
orificio de líquido, que es probable que se produzca en ausencia de
flujo de gas atomizante a través del canal de atomización, el
voltaje de electrodo se desconecta preferiblemente por medio de un
interruptor de presión que controla la fuente de alimentación.
Varias disposiciones reducen en gran medida las
corrientes parásitas en las superficies exteriores de la boquilla en
comparación con las boquillas de la técnica anterior que operan en
condiciones donde las superficies de la boquilla se pueden
contaminar. Se ha descubierto que cuando se forman fácilmente
películas contaminantes en las superficies dieléctricas externas de
boquillas de pulverización electrostática, las superficies
adyacentes a y hacia abajo del electrodo son después
suficientemente conductoras para acoplar eléctricamente el
electrodo a los componentes puestos a tierra del pulverizador. Las
corrientes parásitas superficiales resultantes producen deformación
y eventual destrucción de superficies dieléctricas, superficies de
electrodo, conexiones de fluido y hilos de las boquillas de carga
de pulverización de la técnica anterior. Un aspecto primario de la
presente invención es el mantenimiento de un recorrido altamente
resistivo desde el electrodo a tierra, evitando por ello flujo de
carga significativo desde el electrodo a lo largo de las paredes
interiores del canal de atomización hacia atrás hacia la punta de
fluido doble y hacia adelante hacia la cara exterior de la boquilla
y a lo largo de las superficies dieléctricas exteriores
contaminadas unidas a puntos de tierra en el pulverizador. El
recorrido altamente resistivo se crea protegiendo contra la
contaminación porciones seleccionadas de las superficies de la
boquilla. Un método para mantener un recorrido de alta impedancia
es formar apropiadamente cavidades en superficies seleccionadas de
la boquilla, y/o en los distanciadores eléctricos que se utilizan
para conectar la boquilla a las partes pulverizadoras puestas a
tierra, y proteger el interior de estas cavidades contra la entrada
de contaminantes. La protección contra la entrada de contaminantes
a las cavidades se puede obtener mediante aplicaciones de entrada de
energía aerodinámica, sónica, térmica, eléctrica, mecánica u otras
formas de energía o pasivamente configurando apropiadamente las
cavidades para evitar inherentemente la entrada de contaminantes
por interacción con los campos eléctricos existentes, los campos
eléctricos impuestos, y los campos próximos de flujo aerodinámico.
En una disposición preferida la forma aerodinámica de la boquilla
tiene la finalidad de crear un flujo generalmente laminar en las
superficies de la boquilla para reducir la propensión de las
partículas arrastradas a adherirse a las superficies de la
boquilla, aunque algunos concentradores de campo eléctrico colocados
con esmero, tal como rebordes o bordes, crean zonas de intensidad de
campo que tienden a repeler o desviar tales partículas.
En una disposición, el cuerpo de boquilla
dieléctrica, en el que están situados el gas, el líquido y los
terminales eléctricos y se hacen conexiones de montaje, está
aislado eléctricamente de la porción de cubierta por cavidades
protegidas formadas en el cuerpo. La superficie exterior del cuerpo
se mantiene así a cerca de tierra por la conductividad de la
superficie contaminada del cuerpo y la resistividad de la cavidad
interior protegida evita el flujo apreciable de corriente eléctrica
a través de las superficies corporales de componentes de alto
voltaje de la boquilla. Una disposición preferida también incluye
una superficie protegida en la porción de cubierta del conjunto de
boquilla conteniendo el electrodo interno. Esta cavidad protegida
aísla más el electrodo de tierra en el caso probable de
ensuciamiento de la superficie, y hace así que el canal de
atomización y otras superficies externas de la cubierta se eleven a
un potencial parecido al electrodo y se mantengan a dicho potencial,
evitando por ello el flujo de carga desde el electrodo a través de
todas las superficies adyacentes al electrodo.
El potencial impuesto en la superficie exterior
de la cubierta es de signo contrario al de las gotitas de
pulverización, pero esto no aumenta considerablemente la atracción
de las gotitas cargadas hacia la superficie de la boquilla con
respecto a la de una superficie puesta a tierra de la boquilla, ni
la pulverización cargada que choca en la cubierta produce una
corriente significativa de suministro de potencia. Una vez que las
superficies dieléctricas inicialmente limpias del cuerpo de
boquilla de carga y la cubierta se ensucian con películas
contaminantes conductoras, asumen respectivamente los potenciales
eléctricos que se aproximan a los de la unión de montaje puesta a
tierra y del electrodo de inducción. Cuanta menos corriente se drene
de estas superficies contaminadas, más se aproximarán a las
respectivas superficies equipotenciales.
La magnitud medida del campo eléctrico de carga
espacial creado por una nube de pulverización con carga negativa es
de más de -3 kV/cm a una distancia de 10 a 15 cm por debajo de la
línea central de chorro de pulverización en la salida de la
boquilla. Por lo tanto, el potencial de carga espacial está cerca de
-35 kV con relación a una superficie puesta a tierra de la boquilla
y -36 kV con relación a una superficie de cubierta elevada al
voltaje de electrodo de +1 kV. Una cubierta cargada a +1 kV puede
atraer preferentemente pulverización con carga negativa, pero la
fuerza solamente es 3% mayor en comparación con una superficie
pulida de similar geometría y proximidad a la nube de pulverización.
Cuando se deposita pulverización con carga negativa en la cubierta
cargada, se hace fluir una corriente de neutralización desde el
electrodo de inducción para que la cubierta mantenga su potencial,
pero la corriente requerida es muy pequeña. Suponiendo un retorno
de 1% de la pulverización a la boquilla, yendo 2/3 a la superficie
de la cubierta, una corriente típica de nube de pulverización de
10mA requeriría solamente 66 nA de la fuente de alimentación del
electrodo para neutralizar el retorno. En la práctica, es probable
un retorno muy inferior a 1% de la pulverización cargada.
Las boquillas pueden reducir en gran medida el
retorno de la pulverización cargada y la deposición de partículas
en superficies de boquilla seleccionadas dando a la boquilla
exterior la forma apropiada. La forma de la boquilla crea campos de
flujo de aire ambiente, crea configuraciones beneficiosas del campo
eléctrico a partir del potencial próximo de la nube de pulverización
cargada, y crea formas curvilíneas estratégicas de campo eléctrico
entre las superficies dieléctricas ensuciadas en las que se
mantienen intencionadamente los potenciales eléctricos.
Las gotitas cargadas que vuelven a la cara de la
boquilla de pulverización y producen neutralización por descarga
eléctrica inducida de la nube de pulverización y seguimiento
eléctrico son un problema que se halla en todas las versiones
comerciales anteriores del dispositivo de Law y otras boquillas de
carga por inducción. Ello es debido a que tienen superficies
frontales generalmente más planas perpendiculares al eje del chorro
de gas cargado con gotitas. Los depósitos de líquido pueden ser
especialmente pesados en situaciones donde la boquilla pulveriza
hacia arriba, o pulveriza horizontalmente, o en situaciones donde
boquillas de carga opuesta pulverizan una hacia otra, tal como con
los pulverizadores de viñas.
Para reducir la deposición de pulverización sobre
la boquilla, el acabado superficial se puede hacer liso y es
generalmente preferiblemente cónico o de forma por lo demás
aerodinámica, ahusándose hacia adelante de manera que sea lo más
estrecho que sea posible en la salida del chorro. Esta forma cónica
ahusada hacia adelante que termina en el chorro de velocidad alta
produce arrastre de un volumen significativo de aire ambiente. El
aire ambiente arrastrado fluye a través del exterior liso de la
boquilla hacia el chorro de pulverización principal y crea una
"cortina" de aire a través de los agujeros de las cavidades,
que contribuye a evitar la entrada de partículas. Además, el flujo
de aire a través de las superficies de la boquilla contribuye a
evitar la deposición de contaminantes y redirige las partículas y
gotitas parásitas de pulverización hacia el blanco deseado. El
volumen de gas arrastrado aumenta la capa externa del chorro
principal de gas que sale de la boquilla. Dicho flujo másico
adicional tiende a impulsar gotitas más lentas en la periferia
externa de la nube de pulverización en la dirección deseada
alejándolas de la boquilla, elevando las fuerzas eléctricas que
producen retorno de gotitas. Con boquillas de caras planas, las
gotitas periféricas tienden a volver fácilmente y depositarse en la
superficie de la boquilla.
Para reducir más la deposición de pulverización y
la acumulación de líquido en la boquilla, se puede hacer que las
líneas de campo eléctrico que se originan a partir del potencial
eléctrico de la nube de pulverización se concentren en el extremo
delantero de la boquilla, más próximo al chorro principal de
gas/pulverización. La forma ahusada hacia adelante de la cubierta
reduce la zona superficial de deposición inmediatamente adyacente a
la nube de pulverización cargada y la curvatura incrementada en la
salida hace que la porción mayor de las líneas de campo eléctrico
termine en la superficie de película conductora alrededor del
chorro de pulverización. Las gotitas cargadas que vuelven a la
boquilla son atraídas así preferentemente hacia esta zona de
curvatura pronunciada y, puesto que el campo de flujo de aire
también está más concentrado en esta región, casi todas las gotitas
que se aproximan a esta región son re-arrastradas
al chorro principal de gas/pulverización antes de la deposición y
descarga en la cara de la boquilla. La cantidad pequeña de líquido
que se deposita en la superficie cerca de la salida de chorro es
empujada inmediatamente por fuerte acción venturi al chorro
principal de gas/pulverización y re-atomiza antes
de que se pueda producir goteo e ionización inducida consiguiente.
Se puede depositar algo de material líquido de pulverización en las
superficies situadas hacia arriba de la cubierta cónica, aunque la
influencia del campo de la nube de pulverización se hace mucho más
débil allí por la distancia de la nube principal y por la forma lisa
continua. En este caso, el líquido no se acumula fácilmente lo
suficiente para gotear o iniciar ionización inducida, porque el
líquido es aspirado constantemente al chorro principal por el aire
ambiente envolvente que es arrastrado hacia el flujo del chorro
principal de gas de la boquilla.
Más allá de los métodos de exclusión mecánicos
para proteger los interiores de cavidades, y la protección
proporcionada por la cortina de aire explicada anteriormente
producida a través de las superficies de boquilla y los agujeros de
cavidad por el aire ambiente arrastrado por el chorro de gas
comprimido que sale en el extremo delantero de la boquilla, se
puede lograr protección adicional contra la entrada de
pulverización cargada configurando apropiadamente líneas de campo
eléctrico en las entradas a la cavidad para hacer que la
pulverización cargada se repela lejos de los agujeros. Como se ha
explicado anteriormente, la nube de pulverización cargada próxima
impone un campo de fuerza de "carga espacial" del orden de 2 a
3 kV/cm que mueve las gotitas cargadas desde la región de la nube
de pulverización cargada hacia el blanco puesto a tierra previsto.
Este campo de carga espacial también da lugar a líneas de campo
eléctrico que terminan en la boquilla propiamente dicha. La energía
del gas portador es suficiente para alejar casi toda la
pulverización de la boquilla, pero una porción se aproxima a las
superficies de la boquilla a lo largo de estas líneas de campo.
Estas líneas de campo de carga espacial terminan perpendicularmente
en superficies contaminadas conductoras de la boquilla. Además del
campo impuesto por la presencia de la nube de pulverización cargada,
también hay intensos campos eléctricos entre la cubierta de alto
voltaje y las superficies de bajo voltaje del cuerpo de la boquilla
según la presente invención. Estos dos campos son complementarios
en dirección de flujo. En las superficies planas, las líneas de
campo están espaciadas uniformemente, pero en las discontinuidades
superficiales, las líneas de campo eléctrico están mucho más
concentradas. Una opción es poner discontinuidades o concentradores
de campo en la superficie de la boquilla para concentrar la
intensidad de campo y producir líneas de campo eléctrico de una
forma curvilínea que resultan del potencial de la nube de
pulverización y el potencial mantenido intencionadamente en las
superficies de la boquilla. Las gotitas de pulverización cargadas
que se aproximan a las líneas de campo curvadas experimentan
fuertes fuerzas centrífugas y son expulsadas lejos de los agujeros
de cavidad, al campo de flujo de aire ambiente y
re-arrastradas a la nube de pulverización principal
dirigida hacia el blanco deseado.
En una disposición preferida, la superficie
exterior de la cubierta es generalmente una forma cónica
convergente hacia adelante y rodea la zona de atomización y carga.
La superficie de la cubierta es preferiblemente de un material
dieléctrico y se contamina suficientemente cuando se expone en un
entorno de pulverización siendo algo conductora. Por lo tanto, se
mantiene un límite beneficioso de campo eléctrico que rodea el
campo interno de inducción de carga para desacoplarlo efectivamente
del espacio de campo de carga opuesto creado por la presencia de la
pulverización de carga alta que sale de la salida de la
boquilla.
Las superficies interiores de la cavidad
protegida antes explicadas de la boquilla dan lugar a una alta
impedancia entre la fuente de alimentación del electrodo de la
boquilla y tierra y reduce considerablemente la corriente de la
fuente de alimentación en comparación con las boquillas anteriores.
Esta alta impedancia permite ahora la implementación exitosa de un
elemento resistivo protector en serie con la boquilla, entre la
fuente de alimentación y el electrodo de carga por inducción sin
sufrir una caída significativa de voltaje en el electrodo. En una
disposición preferida, este elemento resistivo deberá contenerse
dentro de la boquilla propiamente dicha. Una configuración donde la
fuente de alimentación está montada dentro de la boquilla tendría
simplemente una resistencia en la salida del suministro de
potencia. En caso de múltiples boquillas conectadas a una fuente de
alimentación remota, se podría colocar una resistencia en la fuente
de alimentación además de los elementos resistivos individuales
dentro de las boquillas. O se podría colocar múltiples resistencias
de salida dentro de la fuente de alimentación propiamente dicha con
conexiones directas a la boquilla. También se puede emplear hilo
resistivo para lograr este objetivo. Si múltiples boquillas han de
ser alimentadas por una sola fuente se prefiere usar una
resistencia de salida para cada boquilla para evitar que una
boquilla cortocircuitada afecte a las otras.
Uno de los beneficios de un conducto resistivo
entre la salida del suministro de potencia y el electrodo de alta
impedancia de la boquilla es la seguridad. El sistema se puede
diseñar de manera que no haya shock considerable al manipular una
boquilla energizada. Otros beneficios observados debido a una
resistencia en serie utilizada conjuntamente con una boquilla de
alta impedancia son la reducción considerable de la corriente de la
fuente de alimentación tomada debido a ionización eléctrica
inducida del chorro de líquido y la corriente iónica consecuente
del electrodo de inducción. Se han observado tales corrientes
iónicas en boquillas de la técnica anterior una vez que el electrodo
se humedece o tiene bordes expuestos u otras discontinuidades.
La naturaleza de alta impedancia de la boquilla
se presta a la colocación exitosa de la fuente de alimentación en o
dentro de la boquilla. No sólo la reducida corriente y voltaje de
la fuente de alimentación permiten el uso de convertidores de CC a
CC muy miniaturizados que se pueden montar convenientemente en la
boquilla o encerrarse dentro de ella, sino que los hilos de voltaje
bajo o la batería que proporcionan entrada a al transformador de
potencia se puede proteger contra el daño debido a seguimiento
eléctrico que se origina en el electrodo. En diseños previos, tal
como el de Law, donde la fuente de alimentación se unió a la
boquilla o contenía en su interior, los cables de voltaje bajo
salían de una superficie de la boquilla que era susceptible a
contaminación y voltaje y corriente del electrodo. Si la fuente de
alimentación se ha de montar sobre la boquilla o embeberse en una
porción de ella, la disposición preferida tendría los hilos de
entrada de bajo voltaje o conectores saliendo de la sección de
voltaje bajo de una boquilla de alta impedancia, tal como la aquí
descrita. Esto evitaría que los recubrimientos de material
contaminante en las superficies exteriores del aislamiento de los
hilos o el aislamiento que rodea los conectores alcancen un
potencial eléctrico próximo al del electrodo, dando lugar a rotura
eléctrica del aislamiento. La fuente de alimentación propiamente
dicha se podría montar en la sección de alto voltaje con los
conductores de entrada de voltaje bajo protegidos contra la
contaminación colocándolos dentro de la porción de bajo voltaje de
la boquilla.
Una característica adicional preferida de la
boquilla según la presente invención es el uso de un material duro
resistente a la abrasión que se incorpora en el canal de
atomización para evitar el prematuro ataque eléctrico o mecánico de
este canal. En la realización preferida, se elige cerámica por sus
características de resistencia a la abrasión y aislamiento
eléctrico. Como un material de electrodo se pueden usar algunos
tipos de cerámica que se hacen conductores eléctricos. El electrodo
resistente a la abrasión puede formar una porción de las paredes
del canal de atomización o constituir toda la superficie del
canal.
En la disposición preferida, el canal de zona de
atomización es un agujero recto, que diverge en la salida del
chorro, en contraposición a un canal convergente que se ha usado en
diseños anteriores y puede producir acumulación de material en el
canal o en la salida del chorro.
Además de estos objetos, características, y
ventajas de la presente invención, otros objetos, características,
ventajas y beneficios de la invención serán evidentes con
referencia al resto de este documento.
La figura 1 muestra una vista en perspectiva de
una primera realización montada de la boquilla de carga de
pulverización por inducción según la presente invención.
La figura 2 muestra una vista en perspectiva de
una primera realización desmontada de la boquilla de pulverización
por inducción según la presente invención.
La figura 3 muestra una vista en sección
transversal de la primera realización de la boquilla de carga de
pulverización por inducción según la presente invención.
La figura 4 muestra una vista en perspectiva
detallada de la sección de punta de fluido doble de una realización
de la boquilla de carga de pulverización por inducción según la
presente invención donde se utilizan canales de aire para dirigir
aire a la zona de atomización.
La figura 5 muestra una vista en sección
transversal en alzado de una segunda realización de la boquilla de
carga de pulverización por inducción según la presente invención,
que incluye una capucha.
La figura 6 muestra una vista en perspectiva de
una tercera realización del sistema de boquilla según la presente
invención.
La figura 7 muestra el campo de flujo de aire
arrastrado y el campo eléctrico impuesto en una boquilla según una
realización preferida de la presente invención.
La figura 8 muestra el campo de flujo de aire
arrastrado y el campo eléctrico impuestos en una boquilla según la
presente invención que tiene una capucha instalada sobre las
cavidades para protección mecánica de las superficies así como para
crear un mejor campo eléctrico curvilíneo para la exclusión de
partículas cargadas.
La figura 9 muestra una cuarta realización de la
boquilla de carga por inducción según la presente invención en la
que se instalan elementos resistivos dentro de la boquilla entre la
salida de la fuente de alimentación y el electrodo de la
boquilla.
La figura 10 muestra un gráfico semilogarítmico
de la resistencia de electrodo a tierra medida en un intervalo de
tiempo mientras se pulveriza una mezcla agrícola común altamente
conductora comparando una boquilla de la técnica anterior con una
boquilla según la presente invención.
La figura 11 es un gráfico que muestra el nivel
de carga logrado con el tiempo para una boquilla según la invención
en comparación con el de una boquilla de la técnica anterior.
La figura 12 es un gráfico semilogarítmico de la
corriente de fuente de alimentación típica requerida en un
intervalo de tiempo de un día para operar una boquilla según la
invención en comparación con la de una boquilla de la técnica
anterior.
La figura 13 es una representación esquemática de
un sistema de boquilla de carga de pulverización en la que una
resistencia está interpuesta entre la fuente de alimentación y una
boquilla que tiene una superficie resistiva contaminada.
La figura 1 muestra una forma de realización
preferida de boquillas de carga por inducción según la presente
invención. En esta realización, la boquilla se compone en sentido
amplio de un cuerpo 1 y una cubierta 2. La entrada de líquido 8, la
entrada de gas 7 y la entrada eléctrica 9 están situadas en la cara
trasera de la porción de cuerpo 1. Pulverización cargada en un gas
portador 15 sale por el extremo delantero de la boquilla a través
de la salida 33. La cubierta de forma cónica 2 de la boquilla se
ahusa hacia la cara de salida 24. Una capucha 30 se representa
colocada sobre la porción de cuerpo 1 de la boquilla. Con
referencia a la figura 2 que muestra una realización desmontada, la
cubierta 2 se puede desmontar preferiblemente fácilmente del cuerpo
1 exponiendo las regiones internas para el servicio. La cubierta 2
se sujeta preferiblemente sobre el cuerpo 1 y se puede separar
fácilmente usando roscas 3, o con tornillos, retenes u otros medios
de unión que permiten el desmontaje para inspección, limpieza y
nuevo montaje sin desalineación o daño ocasionado por personas no
expertas y preferiblemente sin herramientas o con el uso de
herramientas comunes. El extremo situado hacia abajo del cuerpo se
configura en una punta de fluido doble 12 conteniendo una salida de
gas 21 y una cámara impelente 13 y la punta del orificio de líquido
16. Se puede hacer contacto eléctrico con la fuente de alimentación
mediante un contacto terminal 23 que acopla en la superficie
conductora anular 19 representada en la figura 3.
Con referencia de nuevo a la figura 3, en la que
se representa una vista en sección transversal de una boquilla
según una realización preferida de la invención, el cuerpo de
boquilla 1 se hace de un material dieléctrico, que tiene
preferiblemente baja humectabilidad superficial, valores bajos de
conductividad superficial y volumétrica, y bajas propiedades de
adhesión superficial. El cuerpo 1 contiene conductos para gas 4,
líquido 5, y corriente eléctrica (no representado en esta vista,
consúltese la figura 9, número 6). Las entradas de gas 7, líquido
8, y corriente eléctrica (véase la figura 1, número 9) están
situadas preferiblemente en la cara trasera 10 del cuerpo 1 a la
mayor distancia de la cara 24 de la boquilla. Se puede hacer que la
entrada de gas 7 acomode un tamiz filtro 11, si se desea.
Los conductos de fluido 4 y 5, así como el
conducto eléctrico, se forman generalmente de forma continua
mediante el cuerpo de boquilla 1 sin costuras o separaciones en el
cuerpo. No es deseable permitir una costura que se pueda contaminar
y por lo tanto exponer el líquido al voltaje de electrodo de
inducción mediante corrientes parásitas en las superficies de la
boquilla. En algunos casos puede ser deseable encapsular la fuente
de alimentación dentro o unirla sobre el cuerpo de boquilla 1,
eliminando así un cable de alto voltaje desde el exterior de la
porción de cuerpo 1.
El cuerpo termina en una punta de fluido doble
12, como se representa en la figura 2 y una versión ligeramente
modificada en la figura 4. Como se ve en la figura 3, el conducto
de gas 4 a través del cuerpo 1 termina en una salida 21 en una
cámara impelente 13 que rodea la base de la punta de fluido doble
12. El reborde externo 22 de la cámara impelente 13 puede servir
para sellar contra la base de la cámara impelente 26 en la porción
de cubierta 2. Una junta estanca flexible 17 puede proporcionar un
cierre hermético adicional contra el reborde 25 formado en el
interior de la cubierta 2. Estas juntas estancas evitan el escape
de gas y también sirven para limitar los recorridos de corriente
superficiales interiores. El gas a presión procedente de la cámara
impelente 13 puede ser canalizado a través de múltiples orificios
14 que rodean la base 34 de la punta de fluido doble como se
representa en la figura 4, o, como en las figuras 2 y 3, la base 34
de la punta de fluido doble 12 se puede hacer más estrecha y suave
para permitir que fluya gas completamente alrededor de la
circunferencia de la base 34. Esto último se prefiere para máximo
aislamiento eléctrico de la punta de fluido 12. Sin embargo, si se
necesita un canal de gas en esta zona para dirigir el flujo de aire,
se prefieren canales ranurados 14 a agujeros puesto que las
superficies de pared lateral de las ranuras están expuestas cuando
la cubierta 2 se quita y se pueden limpiar más fácilmente que el
interior de los agujeros. Estas ranuras se pueden hacer en la
dirección axial de la pulverización corriente 15 o las ranuras 14 se
pueden formar en un ángulo (como se representa en la figura 4) si
se desea un movimiento radial del gas saliente para crear un ángulo
de pulverización más grande.
El conducto de líquido 5 termina en la salida de
la punta del orificio de líquido 16. En general se prefiere que la
punta de orificio 16 esté colocada hacia arriba del electrodo 18
como se representa en la figura 3. Pero se ha hallado que la
posición de esta punta 16 se puede variar para lograr las
cualidades de atomización y carga deseadas y para variar el caudal
de líquido.
Con referencia de nuevo a la figura 3, dentro del
interior del extremo delantero de la cubierta 2 de la boquilla se
ha formado una cámara impelente de gas 26 que rodea la base 34 de
la punta de fluido doble 12. La cámara impelente de gas 26 sirve
para igualar, acelerar, y dirigir el flujo de gas a presión a la
zona de atomización y puede formar parte de la pared del canal de
atomización 35. La forma de la cámara impelente 26 se muestra en
general como un cono truncado que pasa a un cilindro, que funciona
bien para una pulverización estrechas, pero se puede usar otras
configuraciones que pueden dar lugar a una configuración de
pulverización modificada. La cámara impelente de gas 26 colocada
alrededor de la base de la punta 12 contribuye a mantener el área
libre de contaminación gruesa, mientras está presionizada. Cuando
se elimina la presión de gas, puede gotear líquido de pulverización
a la zona de atomización 35 y la zona de cámara impelente 26, y por
esta razón se prefiere utilizar un simple interruptor de presión
para controlar la fuente de alimentación de electrodo. De otro modo,
se podría producir arco entre el electrodo 18 a la punta 16 en la
ausencia de flujo de gas. También se prefiere que la presión de gas
permanezca durante un período de tiempo corto después de pararse el
flujo de líquido para purgar por la acción venturi el líquido
restante de la punta 16.
En la realización preferida de la presente
invención, un electrodo de inducción conductor 18 está colocado
apropiadamente de manera que su superficie interior forme parte de
la pared del canal de atomización 35, preferiblemente hacia abajo
de la punta del orificio de líquido 16. Hacia adelante o hacia
abajo, preferiblemente, del electrodo está la salida de chorro de
canal de atomización 33 que sirve para dirigir el chorro de
pulverización y cubrir el borde delantero del electrodo. La salida
de chorro 33 se forma preferiblemente, pero no es necesario
hacerlo, a partir de materiales resistentes a la abrasión tal como
cerámica. No es necesario que la salida 33 sea no conductora, y se
puede seleccionar materiales conductores duros, tal como acero
inoxidable, aunque se preferiría materiales aislantes para
seguridad personal. Las boquillas de carga por inducción de la
técnica anterior tienden a desgastarse o degradarse en la zona de
salida de chorro al atomizar líquidos conteniendo polvos abrasivos o
sustancias químicas ásperas. Las boquillas según la presente
invención incorporan una salida de chorro formada preferiblemente
de cerámica. Se elige típicamente una cerámica industrial de alúmina
para esta finalidad a causa de la resistencia al desgaste sumamente
alta y degradación por soluciones ácidas, soluciones alcalinas,
sales, y solventes. La cerámica de alúmina exhibe un nivel de
dureza que supera al de casi todos los otros materiales. Además,
estos tipos de cerámica exhiben alta resistencia dieléctrica, alta
resistividad superficial, baja humectabilidad superficial y baja
porosidad. La forma cerámica se puede moldear usando técnicas
estándar de formación de piezas cerámicas. Algunas cerámicas de
alúmina de un tipo que lleva mica unida a vidrio, tal como el
producto de Corning "MACOR" son especialmente adecuadas para
formar la salida de chorro 33 por métodos de maquinado estándar.
Otros materiales adecuados para esta aplicación incluyen plásticos
resistentes a la abrasión. Estos pueden contener fibras de carbono
que hacen que el plástico sea conductor eléctrico. Con tales
materiales, los componentes que forman las paredes de la zona
atomizada, tal como el electrodo 18 y la salida de chorro 33, se
pueden formar de una sola pieza. Esta solución evita el problema de
embeber un electrodo metálico y simplifica en gran medida la
fabricación y el diseño de la boquilla.
Los conceptos principales de este sistema de
pulverización electrostática incluyen el mantenimiento de
potenciales superficiales en componentes seleccionados de la
boquilla y el mantenimiento de un recorrido altamente resistivo del
electrodo 18 a tierra. Los principales beneficios incluyen la
prevención de seguimiento de corrientes superficiales, la reducción
de ionización inducida en la cara de la boquilla, una reducción del
tamaño y potencia de la fuente de alimentación, y mayor seguridad.
Para eliminar el flujo de carga superficial, las superficies
exteriores e interiores de la boquilla que contactan el electrodo
18 mediante contaminación superficial se mantienen a un voltaje
parecido al electrodo 18. El cuerpo de la boquilla 1 está
suficientemente aislado de la cubierta 2 de manera que en caso de
que se contaminen las superficies base traseras 10, estarán cerca
del potencial de tierra con corriente mínima a las conexiones de
fluido 7 y 8 y las partes pulverizadoras puestas a tierra a las que
el cuerpo 1 puede estar eventualmente conectado.
Un método de lograr una alta resistencia
eléctrica entre el electrodo de la boquilla 18 y las porciones
puestas a tierra es protegiendo físicamente porciones seleccionadas
de las superficies de la boquilla de contaminación por
pulverización u otros materiales que se pueden depositar en la
boquilla y producir la formación de recorridos de corrientes
parásitas. Las realizaciones de las figuras 2 y 3 muestran un
ejemplo de una cavidad limitadora de corriente 28 que se forma en
la porción de cuerpo 1 y una cavidad limitadora de corriente
adicional 29 que se forma en la porción de cubierta 2. Estas
cavidades 28, 29, que pueden ser anulares o de cualquier otra forma
deseada, crean regiones que están parcialmente protegidas contra la
pulverización u otros contaminantes y se conserva una superficie
altamente resistiva. La pulverización cargada que vuelve a la
boquilla movida en líneas de campo eléctrico carece de suficiente
energía cinética para penetrar fácilmente hasta el fondo de la
cavidad y la mayor parte se deposita en el borde de la cavidad
donde se concentran las líneas de campo. Si se deposita
eventualmente material de pulverización u otros líquidos dentro de
la cavidad 28 o 29, la cantidad suele ser pequeña y no se acumula
líquido para formar un recorrido continuo, siendo las películas de
líquido mucho más conductoras que los pequeños depósitos discretos
de gotitas. Las cavidades 28, 29 se puede limpiar periódicamente y
a ellas se accede fácilmente cuando se quitan las porciones del
cuerpo 1 y la cubierta 2.
En los casos en que las boquillas operan en
algunas condiciones difíciles, se puede dirigir chorros de gas 40
(representados en la figura 3) a la cavidad 28, 29 para purgar
continua o periódicamente el interior de la cavidad. Por ejemplo,
cuando el suministro de gas atomizante no es una preocupación, parte
del gas podría dirigirse a través de varios agujeros de diámetro
pequeño 40 perforados radialmente o algo tangencialmente hacia
fuera del conducto de gas 4 creando un gradiente de presión y
barriendo un gas activo de la cavidad de cuerpo 28 para excluir la
deposición de partículas en el interior.
Se obtiene protección adicional contra la
contaminación superficial en el interior de las cavidades añadiendo
blindajes para protección mecánica y para crear líneas de campo
eléctrico de forma beneficiosa para evitar la entrada de gotitas
cargadas. Un ejemplo de tal blindaje se representa en la vista en
sección transversal de la figura 5 (aunque se puede emplear otras
estructuras o formas). Este blindaje exterior en forma de una
capucha 30 sirve para proteger más las superficies externas de la
boquilla y las superficies de la cavidad de cuerpo de boquilla 28 y
la cavidad de la cubierta 29. La capucha 30 se puede colocar como
se representa para orientaciones de la boquilla hacia abajo, o
invertida y montada en la cubierta en el asiento 31 para
orientaciones de la boquilla hacia arriba. Además, se puede añadir
protección adicional mediante la colocación de una barrera
dieléctrica anular en forma de disco 32 colocado entre el cuerpo y
la cubierta. Esta barrera 32 cubre además las cavidades 28, 29 y
crea un laberinto de superficies para desviar o limitar de otro modo
la entrada y deposición superficial de pulverización cargada u
otros contaminantes que pueden avanzar en corrientes de aire
alrededor de la boquilla. La capucha exterior 30 y la barrera
interior 32 se pueden hacer como una parte integral del cuerpo de
boquilla o hacerse por separado, formarse preferiblemente a partir
de un material dieléctrico con baja humectabilidad superficial,
bajo volumen y conductividad superficial, y bajas características
de adhesión superficial, tal como UHMW o PTFE.
Otra configuración de blindaje para conservar
recorridos de alta resistencia del electrodo de la boquilla 18 a
tierra se representa en la figura 6. En esta realización ejemplar
de la presente invención, se coloca un blindaje básicamente en
forma de capucha 36 entre una boquilla de carga 38 y una parte
pulverizadora puesta a tierra 39. En este ejemplo, la estructura
distanciadora dieléctrica 37 son las líneas de gas y/o líquido que
entran en la cara trasera 10 de la boquilla. El blindaje 36 protege
mecánicamente el soporte distanciador dieléctrico 37 contra la
contaminación. También modifica beneficiosamente el campo eléctrico
para evitar la deposición de gotitas cargadas en el blindaje
interior.
Se puede añadir capuchas adicionales, cavidades u
otros métodos de blindaje al cuerpo de boquilla, la cubierta,
montajes de boquilla, tubos o cables, colocados uno encima de otro
para formar un laberinto, o añadir y/o configurar de otro modo si
se necesitan mayores grados de aislamiento. Los blindajes exteriores
perforados ofrecen a menudo protección contra la electrodeposición
en superficies internas permitiendo al mismo tiempo que el escape
del líquido acumulado (o lluvia).
Las superficies de la boquilla se configuran para
influir en la forma y concentración de las líneas de campo
eléctrico de carga espacial impuestas en las varias superficies del
cuerpo 1 y la cubierta 2 al objeto de influir beneficiosamente en
la trayectoria de gotitas de pulverización cargadas que vuelven a
la boquilla. Una nube de pulverización adecuadamente cargada salida
de una boquilla de carga por inducción impone típicamente un campo
de carga espacial pasiva de 2 a 4 kV/cm de magnitud en las
superficies planas de la boquilla. Sobre superficies planas,
continuas lisas, conductoras por contaminantes, de la boquilla, las
líneas de campo de carga espacial terminan espaciadas uniformemente
y perpendicularmente. Cuando se encuentran discontinuidades
superficiales angulares, las líneas de campo todavía terminan
perpendicularmente, pero se concentran más en formas convexas, y se
concentran menos dentro del interior de las formas cóncavas. Para
la boquilla, los potenciales se mantienen en las películas
superficiales de la boquilla, y los bordes de las cavidades y otras
superficies de boquilla se conforman intencionadamente de manera
que se imponga un campo eléctrico curvilíneo activo para proteger
las superficies de la boquilla contra la deposición de
pulverización cargada. Las gotitas cargadas que se desplazan a lo
largo de tales líneas de campo curvadas experimentan fuertes
fuerzas centrífugas que las repelen efectivamente de la zona de
abertura de la cavidad, y las alejan de la boquilla, a un campo de
flujo de aire, protegiendo así estas zonas contra la
deposición.
Para el ejemplo representado en la figura 7, los
campos de contaminantes superficiales que se forman en la porción de
cuerpo 1 unida a partes pulverizadoras puestas a tierra dan lugar a
una superficie puesta a tierra de la porción de cuerpo 1. Cada una
de las superficies 50 de la porción de cubierta 2 lleva un
potencial próximo al del electrodo 18. Esto da lugar a formación de
campo eléctrico en el espacio que separa las dos porciones. En la
realización representada en la figura 7, las líneas de campo se
concentran en los rebordes 54, 55 de las cavidades opuestas 28, 29,
respectivamente, para crear líneas de campo eléctrico curvilíneas
intensas 60 como se representa. Se evita que entren en las
cavidades las gotitas cargadas que vuelven a la boquilla a lo largo
de las líneas de campo eléctrico de carga espacial que se originan
en la nube de pulverización, porque cuando son arrastradas en el
campo curvilíneo cada vez más intenso, se aceleran y la fuerza
centrífuga hace que las gotitas sean alejadas del recorrido de
curva pronunciada de las líneas de campo y al campo de flujo de
aire de arrastre 61 que rodea la boquilla de pulverización.
El campo de flujo de aire 61 y este campo
eléctrico activo 60 trabajan conjuntamente, moviendo cada uno las
gotitas parásitas cargadas en la dirección del blanco de
pulverización deseado. Aunque para este ejemplo se utilizan gotitas
con carga negativa resultantes de un electrodo de inducción
positiva, esta dirección hacia el blanco resultante de las gotitas
que se desplazan en el campo curvado es la misma independientemente
de la polaridad del electrodo de inducción.
Con referencia a la figura 8, la adición de una
capucha de forma adecuada 30 sobre los agujeros de cavidad se
utiliza para crear un campo curvilíneo muy intenso 62 a través de
la entrada, entre el reborde 56 de la capucha y un borde 57 formado
en la cubierta 2 de la boquilla. Un potencial positivo típico de 800
V en la película superficial de la cubierta dieléctrica 2 colocada
a 1/2 cm de un plano de tierra creará un campo eléctrico lineal de
1,6 kV/cm. En el caso de un contorno nítido estratégicamente
formado en el cuerpo, enfrente de un labio nítido en una capucha
puesta a tierra, la forma del campo es curvilínea y se puede hacer
que se aproxime a la intensidad de ruptura dieléctrica de aire si
así se desea, aunque tal intensidad de campo no es deseable porque
la corriente iónica resultante aumenta la demanda de suministro de
potencia. Se requiere una intensidad de campo mucho menor para
producir la repulsión por fuerza centrífuga de gotitas de 30 mm
cargadas a un nivel de -5 mC/kg. En condiciones severas, donde se
acumula líquido en la capucha 30 o cerca del cuerpo 1, el líquido se
desplaza al reborde de capucha 56 y es empujado al campo curvado 62
antes de la formación de puntos de goteo propensos a ionización.
Este líquido tiende a ser atraído a la cubierta 2, evitando las
cavidades 28, 29 a lo largo de líneas curvilíneas, y es impulsado
por acción venturi al chorro y es reatomizado.
Los bordes 54, 55 de la cavidad utilizan el campo
eléctrico mantenido activamente entre bordes de boquilla y cavidad,
conformando el campo de manera que promueva la repulsión de gotitas
de lugares superficiales protegidos. A la inversa, el extremo
delantero de la boquilla 58 está configurado para atraer gotitas
hacia la superficie frontal 24 en la salida 33, utilizando el campo
eléctrico pasivo 63 creado por la nube de pulverización cargada
próxima. Las formas convexas nítidas en el extremo delantero de
boquilla 58 y la estrecha proximidad de esta superficie a la nube
de pulverización cargada, crean una concentración intensa de líneas
de campo alrededor de la cara de la salida 24. Las gotitas cargadas
se aproximan al extremo delantero 58 de la boquilla y la mayor
parte es arrastrada de nuevo al chorro de pulverización y aproximada
al blanco antes de chocar en la boquilla. El líquido de
pulverización depositado es impulsado a lo largo de la superficie
50 y reatomizado al chorro por la fuerte acción venturi.
El chorro de pulverización de gas a alta
velocidad se utiliza para repeler y/o expulsar cualquier
pulverización cargada o no cargada que tienda a recogerse sobre
superficies de la boquilla. La alta energía cinética localizada y la
velocidad del chorro de gas atomizante cuando éste y las gotitas
cargadas acompañantes salen de la salida de chorro 33 produce una
zona de presión reducida que empuja al chorro cualquier
pulverización que tienda a depositarse y/o acumularse sobre las
caras de área pequeña de la salida resistente a la abrasión 33, la
cara de la salida 24, u otras superficies 50 de la cubierta 2.
Obedeciendo a la ley de conservación del momento, los impactos
moleculares del chorro central de gas a alta velocidad que sale de
la boquilla en la salida del chorro delantero 33 imparten una
velocidad y arrastran un volumen significativo de aire ambiente
circundante. Este arrastre acelera volúmenes adicionales de aire
que barren superficies externas del cuerpo de boquilla 1 y la
cubierta 2 al chorro principal central de gas/pulverización a alta
velocidad que sale de la boquilla. Tales movimientos controlados
del aire a lo largo de superficies de boquilla de contornos
adecuados son beneficiosos para separar el líquido depositado antes
de que se pueda acumular suficientemente para iniciar picos de
descarga eléctrica inducida. Además, las pequeñas gotitas
pulverizadas suspendidas en el aire y otras partículas
contaminantes que se difunden inadvertidamente a las cavidades
protectoras serán expulsadas por vacío o acción venturi parecido al
humo de un cigarrillo expulsado del interior de un vehículo en
marcha por una ventana ligeramente abierta.
La presente invención puede incluir contornear la
forma externa del cuerpo de boquilla y las piezas de cubierta
acompañantes de manera que los efectos beneficiosos de la fuerza
centrífuga ejercida en las partículas cargadas que se desplazan en
campos eléctricos curvilíneos trabajen conjuntamente con campos de
flujo aerodinámico para excluir la excesiva acumulación de líquido,
la descarga de gotitas por deposición, y los problemas de
acumulación de líquido y corona inducida observados en las
boquillas de carga convencionales.
La figura 9 muestra una vista en sección
transversal en alzado tomada a través del eje del conducto
eléctrico 6 que termina en el extremo situado hacia abajo del
cuerpo de boquilla 1 en un poste de contacto 23. El conducto
eléctrico 6 a través del cuerpo 1 puede contener un cable de fuente
de alimentación, la fuente de alimentación propiamente dicha, o
hacerse de material conductor o semiconductor para conexión a una
fuente de alimentación. Si se ha de incorporar una fuente de
alimentación de electrodo 43 en la boquilla o unirse a ella, la
realización preferida deberá incluir las conexiones de entrada de
bajo voltaje 64 en la sección de cuerpo de voltaje bajo 1 de la
boquilla. En este caso, la fuente de alimentación 43 puede estar
situada en o dentro del cuerpo 1 o la cubierta 2. Si la fuente de
alimentación 43 está montada en la porción de cubierta 2, los
cables de entrada de bajo voltaje deberán estar dentro del cuerpo
de voltaje bajo de la boquilla 1. Si se desea tener cables de
entrada de bajo voltaje en el exterior de una sección de alto
voltaje de la boquilla, se debe usar adecuado aislamiento contra
alto voltaje de los cables y se debería usar una capucha protectora
u otra estructura para proteger una porción de los cables para
minimizar seguimiento eléctrico a lo largo de superficies de
aislamiento de cable hacia los conectores o partes pulverizadoras
puestas a tierra.
En la realización representada en la figura 9 en
la que el conductor de alto voltaje está en un conducto 6 en el
cuerpo de boquilla 1, el conducto 6 tiene un extremo terminal 23
que contacta con una superficie conductora 19 que está conectada
eléctricamente al electrodo en la porción de cubierta 2. La
superficie conductora 19 puede ser un aro de metal o plástico
conductor introducido en la cavidad de cubierta o puede ser un
plástico conductor colado o inyectado. Es preferible que la
superficie sea continua y rodee el interior de la porción de
cubierta para establecer un equipotencial en la película superficial
en las superficies internas 59 de la cubierta hacia arriba del
electrodo 18 a la superficie conductora 19. Esta superficie
equipotencial 59 evita que se formen recorridos de corriente desde
el electrodo 18 hacia atrás a cualquiera de las superficies
críticas de la zona de atomización de la boquilla y también evita el
deterioro de la región de la punta de fluido doble 12. En caso de
cortocircuito directo entre la punta del orificio de líquido 12 y
el electrodo 18, la corriente se dirige hacia la corriente de
líquido propiamente dicha, en lugar de a lo largo de recorridos en
las superficies dieléctricas, y el recorrido resistivo de la
corriente de líquido y el elemento resistivo en la entrada de
electrodo limita el arco grande en la punta.
Se forma un paso eléctrico 20 en la cubierta 2
entre la superficie conductora 19 y el electrodo 18. Se puede
introducir un cable u otro material altamente conductor, o una
resistencia fija 41, en el paso 20, o el contacto eléctrico puede
ser mediante un material conductor o semiconductor que se pueda
inyectar o colar, tal como plástico cargado con carbono. Cuando es
deseable utilizar un elemento resistivo para contactar el
electrodo, se puede instalar un elemento resistivo en el paso 20 o
en el canal eléctrico en el cuerpo 6. Esto último es preferible
para seguridad y para garantizar que haya potenciales iguales en las
superficies interiores de los componentes de cubierta para evitar
allí las corrientes superficiales. Cuando se utiliza una sola
fuente de alimentación con una sola boquilla, se puede usar un
suministro no regulado de menor potencia si las características de
carga de salida son deseables, o se puede colocar una resistencia
limitadora en un circuito de suministro de potencia. Cuando varias
boquillas han de operar desde una sola fuente de alimentación puede
ser deseable usar un elemento resistivo en cada boquilla, si estas
resistencias se contienen dentro de la fuente de alimentación o la
boquilla. Esto evita que una boquilla cortocircuitada del conjunto
reduzca el voltaje de carga en otras boquillas que operen con la
misma fuente de alimentación.
Los métodos descritos en esta invención para
establecer y mantener bajo el escape superficial y una resistencia
alta entre la salida del suministro de potencia de la boquilla y
tierra permiten el uso de una resistencia adecuada de limitación de
corriente sin sacrificar un voltaje significativo en el electrodo.
Una resistencia colocada en el cuerpo o en cualquier lugar antes del
electrodo 18 tiene el beneficio de limitar la corriente a un nivel
no peligroso en caso de contacto con el electrodo 18 o las
superficies contaminadas de la boquilla. Pero, a causa de la
conexión en serie con la resistencia superficial contaminada, el
uso apropiado ha eludido a quienes diseñaron boquillas
convencionales. La seguridad es una motivación clave para reducir
los requisitos de la fuente de alimentación para boquillas de
inducción. A menudo se pueden tomar 9 mA a 800 voltios de las
superficies externas contaminadas de algunas boquillas comerciales
convencionales de este tipo general de carga por inducción que
tienen fuentes de alimentación sobredimensionadas para compensar las
altas corrientes de fuga problemáticas. El mayor peligro creado no
procede generalmente del shock eléctrico propiamente dicho, sino de
la acción de la persona que se retira rápidamente de la fuente y
cae o choca con algo. Sin embargo, intentos anteriores de usar
resistencias limitadoras o suministros no regulados de menor
potencia, aunque exitosos para la seguridad, reducen el voltaje de
electrodo y la carga.
El gráfico representado en la figura 10 ilustra
los resultados de una prueba donde los valores de resistencia
eléctrica desde los electrodos de inducción a tierra de una
boquilla convencional y una boquilla según la presente invención se
comprobaron durante un período de tiempo mientras se pulverizaba
agua conteniendo sustancias químicas comunes en agricultura. Las
resistividades de la mezcla de pulverización estaban cerca de 28
ohmio-cm para cada una de las soluciones (en
comparación con un valor típico de 5.000-10.000
ohmio-cm para el agua de grifo). Sin embargo, la
mezcla de fertilizante foliar conteniendo también fungicida de
cobre forma de manera característica un recubrimiento grueso en las
boquillas y no se pudo comprobar con éxito en la boquilla
convencional. Durante esta prueba se puso un ventilador que hiciese
volver una porción de la pulverización a la cara de las boquillas
para simular la situación que se produce frecuentemente cuando las
boquillas de carga se ponen para pulverizar en direcciones
opuestas, como en pulverización de viñedos, por ejemplo. Al
comienzo de la prueba de la boquilla convencional, las superficies
de la boquilla se limpiaron y la resistencia del electrodo a tierra
era 11 megaohmios, que está cerca del valor de 15 megohmios de la
resistencia shunt de salida del suministro de potencia. En una
hora, la resistencia del electrodo a tierra se redujo a menos de 1
kiloohmio y varió sustancialmente con el nivel observado de
recubrimiento resistivo presente en la boquilla. En este caso no se
usó una resistencia limitadora de fuente de alimentación en la
boquilla de la técnica anterior y no se pudo usar sin reducir
considerablemente el voltaje de electrodo. La curva superior de la
figura 10 muestra los resultados de la prueba usando una boquilla
según la presente invención pulverizando una mezcla mucho más
pesada del fertilizante foliar muy conductor con una cantidad
sustancial de fungicida de cobre añadido. En este caso la
resistencia inicialmente alta del sistema a tierra se mantuvo
durante todo el intervalo de prueba y se utilizó con éxito una
resistencia en serie de 1,2 megohmios. No se sintió shock eléctrico
al tocar la cubierta de la boquilla de carga, ni siquiera cuando
estaba sustancialmente recubierta por la pulverización.
También durante esta prueba, el nivel de carga de
pulverización se comprobó con respecto a cada boquilla y estos
resultados se representan en la figura 11. La carga de
pulverización se determinó midiendo la corriente de nube de
pulverización que se convirtió a carga por volumen unitario de
pulverización en base al caudal de líquido. Por ejemplo, cada
boquilla tenía un caudal de 120 ml/min de modo que un nivel de
corriente de nube de pulverización de 10 mA se convierte en un
nivel de carga de 5 mC/l. Se ha determinado previamente que un
nivel de carga deseable para una deposición beneficiosa doble frente
a pulverización no cargada es del orden de 3 mC/l o mayor. La
boquilla de la técnica anterior cargó pulverización de agua, que
tiene un valor de resistividad eléctrica de 6500
ohmio-cm, a un nivel de 5,5 mC/l. Sin embargo, con
el 10% de químicos añadidos al líquido de pulverización la carga se
redujo a solamente 3,8 mC/l inicialmente y además se redujo
rápidamente a menos de 2 mC/l cuando se contaminan las superficies
de la boquilla. La boquilla de la invención cargó pulverización de
agua a un nivel de 7,5 mC/l, y cuando se añadió el nivel de 20% de
las dos sustancias químicas, el nivel de carga se mantuvo a 7 mC/l
durante todo el tiempo de 5-6 horas de la
prueba.
La figura 12 muestra una prueba separada donde la
corriente de la fuente de alimentación de la boquilla se comprobó
con respecto a las dos boquillas como antes. En este caso, sin
embargo, se añadió fungicida de cobre así como fertilizante foliar
a la mezcla pulverizada con la boquilla convencional. La naturaleza
del cobre produce más recubrimiento de la boquilla que el
fertilizante foliar solo. El resultado final fue que la boquilla se
dañó irreversiblemente: en primer lugar, se deformó el canal de
atomización (alterando la atomización y la geometría del campo de
carga interno), y en menos de dos horas la punta dieléctrica del
orificio de líquido se picó severamente y la boquilla ya no podía
cargar la pulverización sobre 0,8 mC/l. Antes del fallo grave de la
punta, generalmente el requisito de corriente para la boquilla de la
técnica anterior era más de 40 veces mayor que la corriente
necesaria para operar la boquilla según la presente invención,
mientras que el nivel de carga logrado con la presente invención
era más de 3 veces más alto que la boquilla convencional. Así, la
presente invención proporciona una salida de corriente de
pulverización 120 veces mayor por unidad de entrada de corriente de
la boquilla que la boquilla convencional.
Otro beneficio confirmado durante estas pruebas
de pulverización fue que con la nueva boquilla de alta impedancia el
líquido no formó picos de descarga eléctrica ni ionizó en la cara
de la boquilla ni siquiera cuando se vertió intencionadamente
líquido sobre la cara. Sin embargo, se produjo fácil y
continuamente ionización inducida con el dispositivo de la técnica
anterior. Además, la boquilla convencional exhibía un brillo de
corona visible en el reborde de la punta del orificio de líquido,
indicando ionización y descarga eléctrica del líquido cuando salía
de la punta. Aunque esto puede mejorrar la carga por unión iónica
producirá eventualmente fallo de la punta de líquido debido a
picado físico y deformación del reborde de la punta.
La descripción anterior se ha referido a
realizaciones preferidas de la invención. Se puede emplear otras
estructuras, diseños, dimensiones, componentes, modificaciones,
supresiones y/o adiciones, que pueden tener la finalidad de crear
boquillas o porciones de boquillas que produzcan efectos parecidos
a las boquillas y porciones de boquillas descritas anteriormente,
sin apartarse del alcance de la invención definida por las
reivindicaciones.
Claims (4)
1. Una boquilla de carga de pulverización por
inducción incluyendo:
- (a)
- un cuerpo (1), construido de un material dieléctrico, incluyendo un canal de líquido (5) para transmisión de líquido y un canal de gas (4) para transmisión de gas, terminando el canal de líquido (5) en una punta (16);
- (b)
- una cubierta (2) conectada extraíblemente al cuerpo (1), cubierta (2) que se hace de material al menos parcialmente aislante, incluyendo la cubierta:
- (i)
- una superficie interior que coopera con una superficie exterior del cuerpo (1) para formar al menos un vacío al que pueden fluir líquido que emana de la punta (16) y gas que emana del cuerpo (1), formando la cubierta (2) un canal (35) a través del que fluyen el líquido y gas, estando adaptada la forma del canal (35) para hacer que líquido atomizado y gas emanen apropiadamente del canal (35) al aire que rodea la boquilla; y
- (ii)
- un electrodo (18) rodeando al menos parcialmente el canal (35), y adaptado para crear carga eléctrica en el líquido que fluye en el canal (35);
caracterizándose la boquilla porque:
(c) el líquido se pone a tierra hacia arriba de
la punta (16); y
(d) el canal de líquido (5) está aislado
eléctricamente del electrodo (18) y se forma sin discontinuidades
estructurales, tal como costuras o separaciones, en el material
dieléctrico del cuerpo (1) a lo largo de la longitud del canal (5),
y entre el canal (5) y la punta (16) del cuerpo de boquilla (1),
para evitar que fluya corriente desde el electrodo (18) al líquido
contenido en el canal (5).
2. Una boquilla de carga de pulverización por
inducción según la reivindicación 1, incluyendo además una
superficie conductora (19) dentro de la cubierta (2), acoplada
eléctricamente al electrodo (18) y adaptada para hacer que el
potencial en posiciones predeterminadas en superficies internas de
la cubierta (2) esté sustancialmente al mismo potencial que el
electrodo (18).
3. Una boquilla de carga de pulverización por
inducción según la reivindicación 1 o la reivindicación 2,
incluyendo además una salida (33) hecha de material resistente a la
abrasión colocada junto a y rodeando al menos parcialmente el canal
(35).
4. Una boquilla de carga de pulverización
por
inducción según cualquier reivindicación anterior en la que la cubierta (2) incluye además un elec-
trodo (18) hecho de material resistente a la abra-
sión.
inducción según cualquier reivindicación anterior en la que la cubierta (2) incluye además un elec-
trodo (18) hecho de material resistente a la abra-
sión.
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US506725 | 1983-06-22 | ||
US08/506,725 US5765761A (en) | 1995-07-26 | 1995-07-26 | Electrostatic-induction spray-charging nozzle system |
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US620088 | 1996-03-21 |
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