(57)【要約】  熱交換面のファウリングを、固定熱交換器に機械的力を印加して熱交換面に振動を励起し、熱交換面に隣接する流体にせん断波をもたらすプロセスによって軽減する。機械的力を、コントローラに結合された動的アクチュエータによって印加することにより、熱交換構造に対する悪影響を最小限にする制御された周波数および振幅出力で振動を生成する。動的アクチュエータを、熱交換器の適所に結合し、熱交換器がオンラインである間に動作させてもよい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器におけるファウリングを低減するプロセスであって、
液体流用の管および前記管を支持する固定取付要素を備えた熱交換器を提供する工程；
前記固定取付要素に機械的力を印加して、前記管のファウリングを低減するように、前記管に隣接して流れる前記液体にせん断運動をもたらす振動を、前記管において誘発する工程であって、制御された振動エネルギーを誘発するように力の印加を制御することを含む工程；および
前記管に誘発される振動エネルギーを検知し、前記検知された振動エネルギーに基づいて、前記力の印加の制御を調整する工程
を含むことを特徴とするプロセス。
【請求項２】
前記熱交換器の提供が、前記管が管束として形成され、前記固定取付要素が管板フランジとして形成されるシェルチューブ熱交換器を提供することを含むことを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
前記機械的力の印加が、前記力を前記固定取付要素に直接印加することを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のプロセス。
【請求項４】
前記機械的力の印加が、前記力を前記固定取付要素に間接的に印加することを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のプロセス。
【請求項５】
前記機械的力の印加が、前記力を、前記固定取付要素に接続された構造要素に印加することを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のプロセス。
【請求項６】
前記機械的力の印加が、前記力を前記管に対して軸方向に印加することを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のプロセス。
【請求項７】
前記機械的力の印加が、前記力を前記管に対して横方向に印加することを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のプロセス。
【請求項８】
前記機械的力の印加が、動的アクチュエータを作動させることを含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のプロセス。
【請求項９】
前記機械的力の印加が、前記動的アクチュエータの周波数および振幅出力を制御することを含むことを特徴とする請求項８に記載のプロセス。
【請求項１０】
前記周波数力の制御が、１０００Ｈｚ以上の高周波数で振動を誘発することを含むことを特徴とする請求項９に記載のプロセス。
【請求項１１】
前記機械的力の印加が、加振器を作動させることを含むことを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項１２】
前記機械的力の印加が、圧電スタックを作動させることを含むことを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項１３】
前記熱交換器の提供が、処理システムの適所に既存の熱交換器を提供することを含み、前記機械的力の印加が、前記既存の熱交換器に動的アクチュエータを後付することを含むことを特徴とする請求項１に記載のプロセス。
【請求項１４】
前記熱交換器の提供が、精製システムにおいてオンラインである熱交換器を提供することを含むことを特徴とする請求項１３に記載のプロセス。
【請求項１５】
精製システムにおける熱交換器のファウリングを低減するプロセスであって、
シェルによって包囲される管束として形成される管であって、液体が前記管内および前記シェルの前記管周囲を流れる管、および前記管を支持する固定管板フランジを含むシェルチューブ熱交換器を提供する工程；
前記固定管板フランジに機械的力を印加して、前記管のファウリングを低減するように、前記管を流れる前記液体にせん断運動をもたらす振動を、前記管において誘発する工程であって、前記機械的力が動的アクチュエータによって印加される工程；および
前記動的アクチュエータの周波数および振幅出力を制御する工程
を含むことを特徴とするプロセス。
【請求項１６】
前記機械的力の印加が、前記固定管板フランジに直接影響を及ぼすことを含むことを特徴とする請求項１５に記載のプロセス。
【請求項１７】
前記機械的力の印加が、前記固定管板フランジに構造的に接続された部材に間接的に影響を及ぼすことを含むことを特徴とする請求項１５に記載のプロセス。
【請求項１８】
熱交換をもたらすために流体が内部を流れる管の管束および前記管束を支持するフランジを含む適所に固定された熱交換器を有する精製システムを改造するキットであって、
アクチュエータを備えた力付与装置、および前記力付与装置を適所に固定された前記熱交換器に接続する取付装置を含む動的アクチュエータ；および
前記動的アクチュエータに接続され、前記アクチュエータを制御して、前記力付与装置に対し、制御された振動エネルギーの印加を前記管に誘発させることにより、前記管のファウリングを低減するように、前記管に隣接して流れる前記液体にせん断運動をもたらすコントローラ
を具備することを特徴とするキット。
【請求項１９】
前記取付装置が、前記管束を支持する前記フランジに接続することを特徴とする請求項１８に記載のキット。
【請求項２０】
前記取付装置が、前記管束を支持する前記フランジに接続された構造部材に接続することを特徴とする請求項１８に記載のキット。
【請求項２１】
前記管に誘発される振動エネルギーを検知するように、前記熱交換器に接続する前記コントローラと通信するセンサを含むことを特徴とする請求項１８に記載のキット。
【請求項２２】
前記力付与装置が加振器であることを特徴とする請求項１８に記載のキット。
【請求項２３】
前記力付与装置が圧電スタックであることを特徴とする請求項１８に記載のキット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、製油所および石油化学工場で使用される熱交換器に関する。特に、本発明は、熱交換器におけるファウリングの軽減に関する。
【背景技術】
【０００２】
ファウリングは、一般に、処理装置の表面の不要な物質の蓄積として定義される。石油処理において、ファウリングは、熱交換器表面の不要な炭化水素ベースの堆積物の蓄積である。それは、精製処理システムおよび石油化学処理システムの設計および動作において概して普遍的な問題として認識されており、２つの点で装置の動作に影響を与える。第１に、ファウリング層は熱伝導率が低い。これにより、熱伝達に対する抵抗が増大し、熱交換器の有効性が低減し、そのためシステムの温度が上昇する。第２に、堆積が発生すると、断面積が低減し、それにより装置全体に亙って圧力降下が増大し、熱交換器における圧力および流れが非効率になる。
【０００３】
熱交換器の管内ファウリングにより、効率およびスループットが低下しエネルギー消費が追加されるため、石油精製所に毎年何億ドルものコストがかかる。エネルギーのコストが上昇することにより、熱交換器のファウリングはプロセス収益性に更により大きい影響を与える。石油精製所および石油化学工場ではまた、熱伝達装置において全原油、混合物および留分の熱処理中に発生するファウリングの結果として清掃が必要であるため、運転コストが高くなる。多くのタイプの製油所装置がファウリングの影響を受けるが、コスト見積りにより、収益損の大部分が、予熱列の交換器における全原油および混合物のファウリングによってもたらされることが分かった。
【０００４】
石油タイプの流れに関連する熱交換器のファウリングは、化学反応、腐食、不溶性材料の堆積、および流体と熱交換壁との間の温度差によって不溶性となった材料の堆積を含む、多数のメカニズムからもたらされる可能性がある。
【０００５】
急速なファウリングのより一般的な根本原因の１つは、特に、原油アスファルテンがヒータ管表面温度に過度に晒される場合に発生するコークスの形成である。交換器の反対側の液体は、全原油よりはるかに高温であり、それら液体によって表面または膜の温度が比較的高くなる。アスファルテンは、油から沈殿し、これら高温の表面に付着する可能性がある。特に後方列の交換器において、かかる表面温度に長く晒されることにより、アスファルテンが熱劣化してコークスになる可能性がある。そして、コークスは、断熱材として作用し、表面がユニットを通過する油を加熱するのを妨げることにより、熱交換器における熱伝達効率損失の原因となる。製油所をより収益性の高いレベルに戻すために、汚染された熱交換器を清掃する必要があり、それには、通常、後述するように熱交換器を運用から外すことが必要になる。
【０００６】
熱交換器のファウリングにより、製油所は清掃プロセスのために頻繁にコストのかかる電源遮断を行うことが余儀なくされる。現在、大部分の製油所は、化学的または機械的清掃を行うために熱交換器の動作を停止することにより、熱交換器の管束のオフライン清掃を行う。清掃は、スケジュールされた時間または使用に基づくか、または実際の監視されたファウリング状態に基づく場合がある。かかる状態は、熱交換効率の損失を評価することによって確定され得る。しかしながら、オフライン清掃は運用を中断する。これは、非生産期間があることになるため、小さい製油所には特に負担となる可能性がある。
【０００７】
熱交換器のファウリングを軽減しまたは恐らくは除去することのみにより、エネルギー削減において多大なコスト節減をもたらすことができる。ファウリングの低減により、エネルギーが節約され、容量が高くなり、メンテナンスが縮小され、清掃費用が低減し、装置の全可用性が向上する。
【０００８】
ファウリングを低減するために振動力を使用する試みがなされてきた。メッテンライター（Ｍｅｔｔｅｎｌｅｉｔｅｒ）に対する特許文献１は、弾性的にかつ柔軟に取り付けられ、熱交換器表面に蓄積している固形物をはじくように振動して、固形物が沈下してスケールを形成しないようにする、複数の加熱管を有する熱交換器を開示している。しかしながら、この組立体は、専用の弾性取付組立体を必要とし、既存の熱交換器に容易に適合させることができない。ベレ（Ｂｅｌｌｅｔ）他に対する特許文献２もまた、熱交換器のダクトに機械的振動器を直接連結することにより、振動を使用する。この場合もまた、このシステムには、既存のシステムに適していない熱交換器の個々のダクト用の専用取付組立体が必要である。
【０００９】
【特許文献１】米国特許第３，１８３，９６７号明細書
【特許文献２】米国特許第５，８７３，４０８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このため、特に既存の装置と使用される、管内ファウリングを低減する方法を開発する必要がある。熱交換器装置がオンラインである間にファウリングを軽減または除去する必要がある。また、製油所の予熱列の交換器のファウリングに対処することが特に必要でもある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の実施形態の態様は、ファウリングメカニズムを妨げるために熱交換器の表面に隣接してせん断波を誘発するプロセスに関する。
【００１２】
本発明の実施形態の別の態様は、製油所等の既存のシステムにおいて実現することができるプロセスを提供することに関する。
【００１３】
本発明の実施形態の更なる態様は、熱交換器が動作している間にファウリングを軽減するプロセスを実施することに関する。
【００１４】
これらおよび他の態様を本発明によって具現化することができ、本発明は、熱交換器においてファウリングを低減するプロセスであって、流体流用の管とそれら管を支持する固定取付要素とを備えた熱交換器を提供する工程と、固定取付要素に機械的力を印加して、管のファウリングを低減するように、管において管に隣接して流れる液体にせん断運動をもたらす振動を誘発する、工程と、を含むプロセスに関する。
【００１５】
機械的力を印加することは、制御された振動エネルギーを誘発するように力の印加を制御することを含む。本プロセスはまた、管に誘発される振動エネルギーを検知し、検知された振動エネルギーに基づいて力の印加の制御を調整する工程を含んでもよい。振動は特に、１０００Ｈｚ以上の高周波数で効果的である。
【００１６】
機械的力を、固定取付要素に直接印加しても間接的に印加してもよく、管に対して軸方向に印加しても横方向に印加してもよい。機械的力を、たとえばハンマ、加振器または圧電スタックを含む、動的アクチュエータまたはアクチュエータのアレイによって印加してもよい。
【００１７】
熱交換器は、管が管束として形成され固定取付要素が管板フランジとして形成されるシェルチューブ熱交換器であってもよい。熱交換器は、処理システムの適所にある既存の熱交換器であってもよく、機械的力を印加することは、既存の熱交換器に動的アクチュエータを後付することを含んでもよい。熱交換器は、精製システムにおいてオンラインであってもよい。
【００１８】
本発明はまた、適所に固定された熱交換器を有する精製システムを改造するキットに関する。熱交換器は、熱交換をもたらすために流体が内部を流れる管の管束と、管束を支持するフランジと、を含む。キットは、アクチュエータを備えた力付与装置と、力付与装置を適所に固定された熱交換器に接続する取付装置と、を含む動的アクチュエータと、動的アクチュエータに接続され、アクチュエータを制御して、力付与装置に対し、管に振動エネルギーの制御された印加を誘発させることにより、管のファウリングを低減するように管に隣接して流れる液体にせん断運動をもたらす、コントローラと、を備える。
【００１９】
本発明のこれらおよび他の態様は、詳細な説明および添付図面に関連して明らかとなろう。
【００２０】
ここで、本発明を、添付図面に関連して説明する。
【００２１】
図面において、同様の参照数字は異なる図面の対応する部分を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明は、概して、熱交換器におけるファウリングを軽減する方法と、その方法を実施する装置と、に関する。好ましい使用では、本方法および装置は、製油所または石油化学処理工場におけるような、精製プロセスで使用される熱交換器に適用される。本発明は、特に熱交換器がオンラインでかつ使用されている間に、既存の熱交換器でプロセスを使用することができるように、既存の設備を改造することに特に適している。当然ながら、本発明を他の処理施設および熱交換器、特に、精製プロセス中に受けるのと同様にファウリングを受け易く、かつ修理および清掃のためにオフラインにすることが不都合であるものに適用することが可能である。
【００２３】
本発明を既存のシステムで使用することができるが、最初に、本明細書で説明する振動誘発装置を備えた熱交換器を製造し、新たな設備で本発明による方法を使用することも可能である。
【００２４】
原油との熱交換には、２つの重要なファウリングメカニズムが含まれており、即ち化学反応と不溶性材料の堆積とである。両方の場合において、壁に近い粘性底層（または境界層）を低減することにより、ファウリング率を軽減させることができる。この概念が、本発明によるプロセスにおいて適用される。
【００２５】
化学反応の場合、熱伝達壁の表面の温度が高いことにより、分子がファウリング残留物に対する前駆体を形成するのが促進される。これら前駆体は、比較的沈滞している壁領域から一掃されない場合、結合して壁に堆積する。境界層を低減することにより、停滞領域の厚さが低減し、そのため、ファウリング残留物を形成するために利用され得る前駆体の量が低減する。そのため、付着を防止する１つの方法は、表面の薄膜層を破壊することにより表面温度が高い時に露出時間を低減する、というものである。本発明によれば、このプロセスは、薄膜層の破壊をもたらすために壁を振動させることを含む。
【００２６】
不溶性材料の堆積の場合、境界層を低減することにより、壁近くのせん断が増大する。これにより、壁の近くの不溶性粒子に対してより大きい力が加わることにより、粒子の壁に対する引付力が克服される。本発明によれば、管の半径に対して垂直な方向における壁の振動が、壁から流体内に伝播するせん断波をもたらす。これにより、堆積およびファウリング残留物内への混入の可能性が低減する。
【００２７】
図面を参照すると、図１は、従来のシェルチューブ型熱交換器１０を示し、そこでは、個々の管１４の束１２は、少なくとも１つの管板フランジ１６によって支持されている。束１２は、図２に示す入口および出口（図示せず）を有するシェル１８内に保持されており、それにより、既知であるように、１つの流体が管の内側を流れ、別の流体が強制的にシェル内を通り管の外側に亙って流れることにより、熱交換がもたらされる。背景部分で上述したように、内側面および外側面をともに含む管の壁面は、ファウリング、即ち不要な炭化水素ベースの堆積物の蓄積を受け易い。
【００２８】
熱交換器の技術分野における当業者には、本明細書では例示的な実施形態としてシェルチューブ交換器について説明するが、本発明を、さまざまなタイプの既知の熱交換器装置においていかなる熱交換器表面に適用してもよい、ということが理解されよう。従って、本発明は、シェル型交換器に限定されるべきではない。
【００２９】
図２は、動的アクチュエータ２０が熱交換器１０に追加されている本発明の好ましい実施形態を示す。動的アクチュエータ２０は、交換器１０のフランジ１６に配置されることにより、束１２の管１４に制御された振動エネルギーを与える。取付装置２１は、動的アクチュエータ２０をフランジ１６に結合する。コントローラ２２は、好ましくは、動的アクチュエータ２０と通信することにより、熱交換器１０に印加される力を制御する。熱交換器１０に結合され、フィードバックを提供するようにコントローラ２２と通信するセンサ２４を設けてもよく、それは、振動を測定し、動的アクチュエータ２０の周波数および振幅出力を調整して、構造の完全性に対し印加される力の悪影響を最小限にしながらファウリングを軽減するように、管に隣接する流体のせん断波を達成するように、データをコントローラ２２に提供する。
【００３０】
コントローラ２２は、動的アクチュエータ２０を任意の必要な増幅で駆動する信号を生成する、その位置にまたは遠隔に配置された、電気マイクロプロセッサを含むいかなる既知のタイプのプロセッサであってもよい。コントローラ２２は、信号発生器、信号フィルタおよび増幅器、並びにデジタル信号処理ユニットを含んでもよい。
【００３１】
動的アクチュエータ２０は、熱交換器１０の構造的完全性を維持しながら管振動を誘発する、いかなるタイプの機械的装置の形態をとってもよい。選択された周波数で十分な動的力を発生することができるいかなる装置も適している。動的アクチュエータ２０は、衝撃ハンマまたは電磁加振器等の単一装置であってもよく、若しくはハンマ、加振器または圧電スタック等の装置のアレイであってもよい。アレイを、最適な振動周波数を達成するために所望の動的信号を発生するように空間的に分散させてもよい。
【００３２】
動的アクチュエータ２０のタイプに応じて、いかなる適当な取付装置２１を使用してもよい。取付装置２１は、動的アクチュエータ２０と熱交換器１０との間の機械的連結を提供する。それを、動的アクチュエータ２０を過度な熱から遮蔽する断熱材として設計してもよい。また、サイズモ質量体として形成することも可能である。取付装置２１はまた、必要な場合は、動的アクチュエータ２０のための機械的増幅器として機能することも可能である。
【００３３】
動的アクチュエータ２０を、管１４への機械的連結がある限り、熱交換器１０のまたはその近くのさまざまな位置に配置してもよい。フランジ１６は、管１４に対する直接の機械的連結を提供する。フランジ１６のリムは、動的アクチュエータ２０を接続するための適当な位置である。フランジ１６に結合される他の支持構造もまた、管に機械的に連結される。たとえば、熱交換器を支持するヘッダも、動的アクチュエータ２０のための適当な位置である。振動をシステムのさまざまな構造を通して伝達することができ、そのためアクチュエータは、フランジ１６に直接接続される必要はない。
【００３４】
図３〜図５に示すように、本発明により、動的アクチュエータ２０によって印加される力を、管に対してさまざまな方向に向けることができる。図３は、熱交換器のフランジ１６に直接印加される軸方向の力Ａを示す。図４は、熱交換器のフランジ１６に直接印加される横方向の力Ｔを示す。図５は、熱交換器のフランジ１６に接続された構造部材に印加される遠隔の力Ｒを示す。力の上記印加のすべてが適しており、管１４に振動を誘発する。力のさまざまな組合せを同様に使用してもよい。たとえば、横方向の力と軸方向の力とをともに印加して、２重モードの振動を誘発することができる。また、フランジ１６に直接印加される力と遠隔に印加される力とを使用して、誘発される振動の量またはタイプを変更してもよい。システム用途に応じて、熱交換器、特に束１２の構造的完全性を維持するように力が制御される。力を、連続的に印加しても間欠的に印加してもよい。
【００３５】
本発明による上記適用では、動的力の作動により、図６および図７に示すように、管壁振動Ｖと、壁に隣接する流体における対応するせん断波ＳＷと、がもたらされる。管振動モードによっては、管壁近くの流体の振動するせん断波を誘発するが、せん断波は壁から流体内に非常に迅速に減衰し、壁の近くに非常に薄い音響境界層と非常に高い動的せん断応力とをもたらす。減衰したせん断波は、内側管面と接触する比較的静止した流体境界層を破壊し、これにより、ファウリング前駆体が沈下し後に成長して付着することを防止しまたは低減する。
【００３６】
本発明者らは、実験を通して、本発明による機械的振動がファウリングの程度を大幅に低減することを確定した。適当な振動周波数により、振動する流体の厚さを十分に小さくすることができ、それにより、せん断波がなければ停滞している、層流境界底層内の流体が壁表面に対して強制的に移動させられる。この概念を図８に示す。壁の近くのせん断波ＳＷは、流体内の前駆体またはファウラント（ｆｏｕｌａｎｔ）粒子に対しけん引力Ｄおよび揚力Ｌをともに加える。動的けん引力Ｄは、粒子を壁に対して移動した状態で維持し、それらが壁に接触しないようにして、それにより、ファウリングが発生するために必要な状態である粒子が壁に付着する可能性を低減する。同時に、揚力Ｌにより、粒子が壁表面から離れてバルク流体内に移動し、それにより、壁の近くの粒子濃度が低減し、ファウリングの傾向が更に最小限になる。壁にすでに付着した粒子の場合も、せん断波がそれら粒子に対してせん断力Ｓを加え、せん断力が十分に強い場合、それを壁から引き剥がす。境界層内のせん断波は、その固有の不安定さにより、バルク流の高粘性効果よりファウリングを低減することにおいてより効果的になる。振動する流れにおける管壁への粒子の付着強度は、安定した一方向流よりはるかに低いことが予測される。このため、せん断波の洗浄効果が非常に効果的である。
【００３７】
アルコア（ＡＬＣＯＲ）温液プロセスシミュレータ（Ｈｏｔ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ）（ＨＬＰＳ）として知られる、石油産業においてファウリングを測定するために使用される市販のユニットを使用して、実験を行った。試験では、加熱棒に対し、アルコア（ＡＬＣＯＲ）ユニットの機械的完全性および通常の動作を維持しながら、流体と振動面とが十分に相対運動するように加熱棒を励起するように選択された、加振器の駆動力および周波数で、振動励起を加えた。適用可能な周波数は、数Ｈｚから２０，０００Ｈｚまでの範囲であり、駆動点からの加速力は、何分の１ｇから２０ｇまでの範囲であった。駆動力および周波数の他の値も、ファウリングを最小限にするために有効であるものとして考えられる。最適な周波数を選択する手続きは、加熱棒の一組の固有振動数およびモードを特定すること、及び固有振動数のうちの１つに近いが同じではない駆動周波数を選択すること、である。別法として、加熱棒の振動共鳴の倍数を励起することができるように、合成波形を生成してもよい。
【００３８】
試験の供給原材料は、ファウリングを誘発するために３７０℃（華氏６９８度）表面温度を使用して、窒素圧力下で、３ｍｌ／分の貫流状態でアルコア（ＡＬＣＯＲ）ＨＬＰＳにかけたアラブエクストラライト（Ａｒａｂ  Ｅｘｔｒａ  Ｌｉｇｈｔ）全原油とした。ファウラントの蓄積により、製油所熱伝達装置の場合に非常に類似して、断熱効果がもたらされる。断熱効果により、加熱された表面の流体を加熱する能力が低減し、その結果、ファウラントが堆積するほど出口液体温度が低下する。出口温度の低下を、出口デルタ（Ｏｕｔｌｅｔ  Ｄｅｌｔａ）Ｔとして測定する。これは、３時間（１８０分間）に亙って測定される基準である。最終ファウリング指標をアルコア（ＡＬＣＯＲ）出口デルタＴ１８０と呼ぶ。アラブエクストラライトのデルタＴ１８０は、振動なしの先のアルコア（ＡＬＣＯＲ）試験では、通常、−５７℃と−６３℃との間であった。
【００３９】
上記振動パラメータを使用して、アルコア（ＡＬＣＯＲ）加熱棒に対して垂直に振動を誘発した。アラブエクストラライト全原油の最終アルコア（ＡＬＣＯＲ）出口デルタＴ１８０は、図９に示すようにわずか１９℃しか低下しないことが観察された。これは、振動なしで得られるデータと比較して、ファウリングがおよそ２／３低減することを表す。運転の最後の近くに示されている出口温度のわずかな上昇は、わずかなせん断が発生したことを示唆している可能性がある。図９に示す試験データの場合、以下の振動パラメータを使用し測定した。即ち、周波数が２．１１ｋＨｚであり駆動点における加速度が２０３ｍ／秒２である。堆積物は、棒の両側でのみ収集し、本発明者らは、振動が棒に対して垂直に印加されたためそこに発生したものと考える。振動を棒に対し軸方向に印加した場合、より有益な効果が観察されることが理解される。
【００４０】
管束１２の振動測定および分析に基づき、本発明者らは、管板フランジ１６が、内部管１４に対し有効な機械的連結を提供し、それを使用して、機械的励起を作用させることが可能であると確定した。管の低周波数振動モードと高周波数振動モードとがある。低周波数モード（通常１０００Ｈｚ未満）の場合、軸方向励起は、振動エネルギーを伝達する際により効率的であり、高周波数モードでは、横方向励起がより効率的である。振動モードの密度は、低周波数範囲（通常１０００Ｈｚ未満）より高周波数範囲の方が高く、振動エネルギー伝達効率もまた、高周波数範囲の方が高い。更に、管振動の変位は、高周波数（＞１０００Ｈｚ）で非常にわずかであり、管に対する潜在的な損傷に対して極わずかである。
【００４１】
振動によるファウリング軽減は、せん断波によって誘発される壁せん断応力に非常に依存する。従って、壁せん断応力を主な設計パラメータのうちの１つとして使用して、異なる励起方法の有効性を定量的に評価する。壁振動による管の壁せん断応力を、以下の式によって推定することができる。
τｗ＝ＣＶｗ√（ρμω）
ここで、Ｃは定数であり、ρおよびμは流体密度および粘度であり、Ｖｗは壁振動の速度振幅であり、ωは角振動周波数である。超えるとファウリング軽減が顕著になる基準壁せん断応力を想定すると、管壁せん断応力の設計目標に対する比は、以下の式によって表される。
τｗτｒｅｆ＝（Ｖｗ／Ｖｒｅｆ）√（ω／ωｒｅｆ）
【００４２】
上述した実験によれば、一例では、フランジに軸方向に（管軸に対して平行に）印加された７５０Ｎ動的力により、軸方向および横方向の管振動の計算された壁せん断応力比を使用して、壁せん断応力に対する設計目標を選択した。同じ大きさの動的力を、フランジに横方向に（管軸に対して垂直に）も印加した。両方の場合において、管振動を、壁せん断応力比＞１．０である大部分の振動モードにおいてファウリングを軽減する目的で、所望の程度まで励起することができることが分かった。管の横方向振動の変位振幅（マイクロメートル）は、１００Ｈｚを超える周波数で、最大許容振動変位より概してはるかに小さく、最大許容振動変位は、通常、震動による管損傷を回避する設計の場合、およそ０．０２５インチ（約０．０６３５ｃｍ）または６００ミクロンである。１０００Ｈｚを超える周波数では、管および支持体に対するあり得る振動損傷に関して管の動的変位は極わずかである。
【００４３】
ファウリング軽減に対し高周波数振動を使用することは有益である。それは、（１）それが高壁せん断応力レベルをもたらし、（２）共振状態を容易に調整するために高密度の振動モードがあり、（３）熱交換器の構造的完全性を維持するために管振動の変位が低く、（４）有害な雑音レベルが低いためである。
【００４４】
動的アクチュエータ２０の正確な取付位置、方向および数、並びにアクチュエータ出力の振幅の周波数の制御の選択は、あり得る管損傷を回避するために横方向管振動の変位を小さく維持しながら、ファウリングを低減するために管壁の近くの流体の十分なせん断運動をもたらすために十分な管振動を誘発することに基づく。明らかに、動的アクチュエータ２０の追加を、システムを既存の熱交換器１０に結合することにより達成することができ、動的アクチュエータの作動および制御を、交換器が適所にありオンラインである間に実施することができる。管板フランジは通常アクセス可能であるため、熱交換器が運転中である間に振動アクチュエータを取り付けることができる。ファウリングを、熱交換器を変更することなく、かつバルク流の流れまたは熱状態を変化させることなく、低減することができる。
【００４５】
本明細書で説明したように、本発明においてさまざまな変更を行うことができ、特許請求の範囲で定義されるような本発明の精神および範囲から逸脱することなく、かかる精神および範囲内にあり続けながら、装置および方法の多くの異なる実施形態を作成することができる。添付の明細書に含まれるすべての事柄は、限定する意味ではなく単に例示するものとして解釈されるべきであることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】シェルチューブ熱交換器の側面斜視図である。
【図２】本発明による機械的振動誘発システムを備えたシェルチューブ熱交換器の側面図である。
【図３】管板フランジに位置し管束に対して軸方向に配置された機械的振動誘発システムを備えた熱交換器の略側面図である。
【図４】管板フランジに位置し管束に対して横方向に配置された機械的振動誘発システムを備えた熱交換機の略側面図である。
【図５】管板フランジに対して遠隔に位置する機械的振動誘発システムを備えた熱交換器の略側面図である。
【図６】軸方向壁振動を示す管の内側の概略図である。
【図７】接線方向壁振動またはねじり壁振動を示す管の内側の概略図である。
【図８】振動する管の内側の揚力、けん引力およびせん断力を示す概略図である。
【図９】標準運転およびファウリングが低減した運転の場合の棒表面温度に対する液体温度変化を示す、本発明の概念に基づく試験の結果を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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