(57)【要約】  装置は、固定熱交換器に機械的力を印加することによって、熱交換器が作動中に、熱交換表面における振動を励起し、熱交換表面に隣接する流体にせん断波を生成して、ファウリングを軽減するために、熱交換器に結合される。電磁駆動式インパルス装置は、熱交換器管の上への振動および／または液体使用流体を介した音波を誘発して、ファウリングを低減する。この装置は、外部部分または配管に直接取付けることができ、管上または管の表面付近に、音響／振動モードを生成する。【選択図】図１０
2009537786.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換システムに振動を誘発するためのエネルギーを生成して、ファウリングを軽減する装置であって、
衝撃表面を含むベースであって、熱交換器に取付けられるベース；
前記ベースに取付けられるばね負荷支持体；
前記ばね負荷支持体に取付けられる衝突体；および
前記衝突体に隣接して配置され、前記衝撃表面に対して移動するように前記衝突体を選択的に作動するアクチュエータ
を備え、
前記衝突体は、前記ベースを介して前記熱交換器に伝達される振動エネルギーを生成することを特徴とする装置。
【請求項２】
前記アクチュエータに連結され、前記衝突体の移動を制御するコントローラを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
熱交換器と組み合わされ、前記ベースは、前記熱交換器に構造的に接続されることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記熱交換器は、熱交換用の流体を搬送する複数の管を含み、前記衝突体から生成される前記振動エネルギーは、前記管によって搬送される前記流体に与えられることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記ベースは、前記衝突体が、前記管内に縦モードの振動を生成するように接続されることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記ベースは、前記衝突体が、前記管内に横モードの振動を生成するように接続されることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記ベースは、前記衝突体が、前記管内に縦モードおよび横モードの振動を生成するように接続されることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項８】
製油所と組み合わされることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
製油所内の熱交換器にファウリング軽減システムを後付けするキットであって、前記熱交換器は、流体流れに晒される熱交換表面を有し、
前記キットは、
前記熱交換器において振動を誘発するためにエネルギーを生成する装置であって、衝撃表面を備えたベース、前記ベースに取付けられるばね負荷支持体、前記ばね負荷支持体に取付けられる衝突体および前記衝突体に隣接して配置され、前記衝撃表面に衝突するように前記衝突体を選択的に作動するアクチュエータを含む装置；
エネルギーを生成する前記装置と前記熱交換器との間の構造的接続を形成する取付装置；および
前記アクチュエータに接続され、所定の周波数に基づいて前記アクチュエータを選択的に駆動して、前記ベースを介して前記熱交換器に伝達される振動エネルギーを生成して、流体流れにおいてせん断波を生成するコントローラ
を備えることを特徴とするキット。
【請求項１０】
前記衝突体は、鋼球であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
前記ばね負荷支持体は、弾性ロッドであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
前記アクチュエータは、電磁石であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
前記コントローラは、パルス発振器であることを特徴とする請求項２〜１２のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
前記衝突体は、金属から構成され、前記衝撃表面は、金属から構成されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
前記コントローラは、所定のパターンに基づいて、前記アクチュエータを制御し、一定の周波数における振動を生成することを特徴とする請求項２〜１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
前記コントローラは、前記アクチュエータを制御し、２００Ｈｚ〜５，０００Ｈｚの周波数における振動を生成することを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記コントローラは、前記アクチュエータを制御し、５００Ｈｚ〜１，０００Ｈｚの周波数における振動を生成することを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記熱交換器に結合され、前記コントローラに接続されて前記衝突体に誘発される前記振動に関するフィードバックを提供するセンサを更に備えることを特徴とする請求項１〜１７のいずれかに記載の装置。
【請求項１９】
熱交換器と組み合わされ、生成される周波数は、２００Ｈｚ〜１０，０００Ｈｚの範囲にあることを特徴とする請求項１〜８および請求項１０〜１８のいずれかに記載の装置。
【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、表面のファウリングを軽減するために、熱交換表面に隣接する流体におけるせん断波を形成する振動エネルギーを生成する装置を提供することに関する。
【００１２】
本発明の実施形態の別の態様は、動作中、既存の熱交換器に対して追加して使用することができる装置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、システムの構造的完全性を維持しながら、最適な量の振動エネルギーを印加するように制御することができる装置を提供することに関する。
【００１４】
本発明は、ファウリングを軽減するために、熱交換システムに振動を誘発するためのエネルギーを生成する装置であって、衝撃表面を含むベースであって、熱交換器に取付けられるベースと、ベースに取付けられるばね負荷支持体と、ばね負荷支持体に取付けられる衝突体と、衝突体に隣接して配置され、衝撃表面に対して移動するように衝突体を選択的に作動するアクチュエータと、を備え、衝突体がベースを介して熱交換器に伝達される一定の範囲の周波数にわたる振動エネルギーを生成する装置に関する。
【００１５】
好ましい実施形態において、衝突体は、鋼球であり、ばね負荷支持体は、弾性ロッドであり、アクチュエータは、電磁石である。
【００１６】
コントローラは、所定のパターンに基づいて移動するように衝突体を制御して、一定の周波数における振動を生成するアクチュエータに接続される。センサは、熱交換器に結合され、コントローラに接続されて、衝突体によって誘発される振動に関するフィードバックを提供する。
【００１７】
この装置は、熱交換器と組み合わせられて設けることができ、ベースは、熱交換器に構造的に接続される。熱交換器は好ましくは、熱交換用の流体を搬送する複数の管を含む。衝突体から生成される振動エネルギーは、管によって搬送される流体に与えられる。熱交換器は、製油所における現場にあってもよい。
【００１８】
本発明はまた、製油所内の熱交換器にファウリング軽減システムを後付けするキットに関し、熱交換器は流体流れに晒される熱交換表面を有する。キットは、熱交換器において振動を誘発するためにエネルギーを生成する装置を備える。この装置は、衝撃表面を備えたベースと、ベースに取付けられるばね負荷支持体と、ばね負荷支持体に取付けられる衝突体と、衝突体に隣接して配置され、衝撃表面に衝突するように衝突体を選択的に作動するアクチュエータと、を含む。取付装置は、エネルギーを生成する装置と熱交換器との間の構造的接続を形成する。コントローラは、アクチュエータに接続され、所定の周波数に基づいてアクチュエータを選択的に駆動して、ベースを介して熱交換器に伝達される一定の範囲の周波数にわたる振動エネルギーを生成して、流体流れにおいてせん断波を生成する。
【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指す。
【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装置に関する。好ましい使用では、この装置は、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。そのような処理では一般に、全原油、混合物および留分を必要とする。これらは、分かりやすくするために、本明細書では単に原油と総称される。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、新たな設備で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９は、従来のシェルチューブ型熱交換器を示し、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１０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１０は、本発明による動的アクチュエータ装置１０が熱交換器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装置１０は、熱交換システムに振動を誘発するためにエネルギーを生成する装置である。この場合には、動的アクチュエータ装置１０は、交換器のフランジ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。取付装置は、動的アクチュエータ装置１０をフランジ１６に結合する。任意の適切な取付け装置を使用して、動的アクチュエータ装置１０と熱交換器との間の機械的連結を提供することができる。それを、動的アクチュエータ装置１０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。取付装置はまた、必要な場合は、動的アクチュエータ装置１０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。
【００３０】
コントローラ２２は、好ましくは、動的アクチュエータ装置１０と通信することにより、熱交換器に印加される力を制御する。熱交換器に結合され、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装置１０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いかなる悪影響も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。
【００３１】
コントローラ２２は、動的アクチュエータ装置１０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。
【００３２】
動的アクチュエータ装置１０は、熱交換器の構造的完全性を維持しながら管振動を誘発するように設計される。必要に応じて、動的アクチュエータ１０のアレイを、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。
【００３３】
図１および図２は、本発明の好ましい実施形態による動的アクチュエータ装置１０の詳細を示す。動的アクチュエータ装置１０は、支持体２８を有するベース２６と、支持体２８に取付けられる衝突体３０と、を含む。この実施形態における衝突体３０は、ばね負荷ロッド３４に保持された球３２である。球３２は、任意の剛性材料、たとえば、鋼などであってもよく、ばね負荷ロッド３４は、任意の強力な弾性材料または可撓性材料、たとえば、金属またはプラスチックであってもよく、直立する態様で、球３２を支持するが、以下に示すように、球を位置間で移動することを可能にする。
【００３４】
ベース２６はまた、衝撃表面３６を含み、この衝撃表面３６は、衝突体３０に隣接して配置され、任意の剛性材料、たとえば、鋼ブロックから構成される。衝撃表面３６は、ベース２６の一部であり、支持体２８と一体であってもよく、支持体２８に接続されてもよく、またはベース２６に対して近い位置にあってもよい。熱交換器構造に振動を直接伝達することができる構造に衝撃表面３６を接続することが重要である。振動を効果的に伝達するために、構造が適所に固定されることが好ましい。また、管に振動を伝達することができる熱交換器の既存の面を使用することも可能である。
【００３５】
アクチュエータ３８は、衝突体３０を衝撃表面３６に対して移動させるように、ベース２６によって支持されるか、または衝突体３０に隣接するベース２６に対して近い位置に配置されてもよい。アクチュエータ３８は、衝突体を移動させる、特に球３２を衝撃表面３６に近づけたり衝撃表面３６から遠ざけたりさせる任意の機構であってもよい。好ましい実施形態において、アクチュエータ３８は、コントローラ２２、たとえば、パルス発振器を備えたコントローラによって駆動される電磁石である。
【００３６】
好ましくは、動的アクチュエータ装置１０の構造要素は、衝突体３０、衝撃表面３６およびアクチュエータ３８を共に支持するユニットとして形成され、既存の熱交換器に対して容易に据付けて効率的に改造することを可能にする。これにより、装置１０は、所望のシステム、たとえば、シェルチューブ熱交換器などに簡単に装着して、振動エネルギーをシステムに与えることができる。
【００３７】
図１において分かるように、動作中、アクチュエータ３８は、衝撃表面３６から離隔される第１の位置に衝突体３０を保持する。アクチュエータ３８は次に、衝突体３０を衝撃表面３６に選択的に近づけさせ、従って、衝撃表面３６に衝突させ、ベース２６を介して熱交換器の構造的支持体に振動を与える。これは、衝突体３０が第２の位置にある図２において分かる。
【００３８】
図１において分かるように、好ましい実施形態において、電磁石３８は、荷電されて鋼球３２を引き付ける。ばね負荷ロッド３４は、曲げられ、機械的エネルギーを蓄える。コントローラ２２のパルス発振器は、所定の周波数に応じて、電磁石３８を荷電する。図２において分かるように、電磁石３８のオフサイクルで、球３２は、解放され、ロッド３４に蓄えられた機械的エネルギーが、球３２を衝撃表面３６に向かって揺動させて衝突させる。衝突力は、衝撃表面３６のブロックにパルスを誘発し、フランジ１６を介してベース２６に伝達し、最終的には熱交換器の管１４に達する。
【００３９】
当然ながら、振動エネルギーを生成することができる任意の装置を使用してもよい。たとえば、球の代わりに、衝突体をハンマとして形成することも可能である。ロッドは、別のタイプの可動支持体、たとえば、てこ、揺動アーム、プランジャまたは回転支持体と置き換えることも可能である。また、電磁石以外の他の手段、たとえば、小型モータによって、衝突体の移動を作動させることも可能である。適切なモータを電気的または空気力学的に駆動することができ、歯車システムおよび／またはカム構成を使用して、振動エネルギーを発生する移動を生じることもできる。
【００４０】
動的アクチュエータ装置１０が、図１および図２においてフランジ１６における取付構成によって示されているように、熱交換器に対して軸方向に向けられるベース２６によって取付けられるとき、衝突体３０からのパルスは、システムにおける縦モードの振動を誘発する。或いは、図１および図２においてフランジ１６Ａにおける取付構成によって示されているように、熱交換器管に対して垂直にベース２６に取付けられることによって、横モードで振動を誘発してもよい。上記の取付構成の組合せもまた、使用することができる。
【００４１】
コントローラ２２は好ましくは、センサ２４に接続され、誘発される振動を監視し、衝撃および結果的な振動の周波数を制御して、以下で説明するように、システムの構造的完全性を維持しながら、熱交換表面、この場合には管１４に隣接するせん断波を最適化する。
【００４２】
動的アクチュエータ装置１０を、管１４への機械的連結がある限り、熱交換器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装置１０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装置１０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。
【００４３】
上記で説明し、図３〜図５に概略的に示すように、本発明により、動的アクチュエータ装置１０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。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。
【００４４】
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。
【００４５】
本発明者らは、実験を通して、本発明の概念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。
【００４６】
正確な周波数の選択は、当然ながら、熱交換器の設計および使用される動的アクチュエータのタイプに左右される。しかし、選択は、熱交換器部分に対する損傷を回避しながら、管壁における付着を防止するほど十分なエネルギーを与える最適な周波数の決定に基づく。この装置の常駐モードに駆動周波数を適合させることは、熱交換器部分に損傷を及ぼす可能性があるため、理想的には、駆動周波数は、熱交換器部分の固有周波数とは異なる。駆動周波数の許容可能な範囲は、熱交換構造の共振周波数を回避しながら、約２００Ｈｚ〜約５，０００Ｈｚであり、更に好ましくは、約５００Ｈｚ〜１，０００Ｈｚである。
【００４７】
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。
【００４８】
動的アクチュエータ装置１０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装置１０の追加を、システムを既存の熱交換器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。
【００４９】
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】
【００５０】
【図１】本発明による第１の位置における振動エネルギーを生成する装置の側面図である。
【図２】第２の位置における図１の装置の側面図である。
【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】シェルチューブ熱交換器の側面斜視図である。
【図１０】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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【図１０】
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【国際調査報告】
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