АППАРАТ ДЛЯ ЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ КОМПОНЕНТОВ Российский патент 2015 года по МПК B08B3/12 

ОБЛАСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к способу и аппарату для чистки промышленных компонентов, в частности теплообменников.

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Теплообменники и другие промышленные компоненты, например бухты труб, клапаны, фитинги, секции труб и т.п., загрязняются во время работы, и их требуется периодически чистить. Типы загрязняющихся компонентов различны в различных отраслях промышленности. Чистка является важным процессом, так как эффективность эксплуатации этих компонентов зависит от поверхностей, чистых и свободных от загрязнений, для обеспечения надлежащих теплообмена, течения, скорости, смешивания, осуществления контроля во время осуществления промышленного процесса.

Традиционные способы чистки промышленных компонентов такого типа, который описан в настоящем документе, включают: использование воды под высоким давлением для механического смещения и смывания загрязнений; промывку химическими составами или замачивание для растворения загрязнений; механическую (абразивную) чистку или объединение всех трех способов.

Теплообменники используют для эффективного осуществления обмена тепловой энергией между двумя средами. В некоторых случаях этот обмен может производиться с целью охлаждения рабочей текучей среды, а в других случаях он может производиться с целью повышения температуры текучей среды. В большинстве случаев среды отделены друг от друга материалом, через который должно проходить тепло; обычно таким материалом является металлическая труба некоторого вида. Совершенно обычным типом теплообменника является конструкция, содержащая «кожух и трубу», в которой одна среда протекает через комплексное сооружение, или «пучок» труб, внутри большого кожуха, через который протекает вторая среда по непрямому пути, огибая пучок труб. Примеры типичных кожухов и труб теплообменников показаны на Фиг.1a и 1b, предназначенных для демонстрации сложности такого устройства. Теплообменник, обозначенный ссылочной позицией 102 на Фиг.1a и ссылочной позицией 103 на Фиг.1b, содержит трубы 106 теплообменника, которые в общем представляют собой пучок прямых труб теплообменника (показаны в частично извлеченном из кожуха состоянии) или согнутых U-образно труб. На Фиг.1a показана конструкция, содержащая согнутые трубы или трубы U-образной формы, 102, а на Фиг.1b показана более обычная конструкция, содержащая прямые трубы 103. Кожух 104 служит в качестве трубопровода для одной из сред, протекающей по непрямому пути, направляемая посредством перегородок 105 таким образом, чтобы она огибала пучки труб 102 или 103, где среда контактирует с наружной поверхностью 107 труб 106 теплообменника. Лист 108, соединенный с трубами, предназначен для удерживания труб 106 в определенном положении в виде пучка и для отделения двух сред друг от друга (между кожухом и трубами) и для обеспечения возможности прохода второй среды через внутренний проход труб теплообменника. Во время эксплуатации обе поверхности (внутренняя и наружная) труб, составляющих пучок труб, могут загрязняться загрязняющими веществами таким образом, что расход через трубы и/или теплопередающая способность труб пагубным образом снижаются, приводя в результате к снижению эффективности общего процесса. Существует много других типов конструкций теплообменников, включая пластинчатые теплообменники, в которых две или большее количество текучих сред отделены друг от друга тонкими металлическими пластинами, установленными в виде близкорасположенного набора таким образом, чтобы чередующиеся пространства были заполнены чередующимися средами. При использовании пластинчатого теплообменника обеспечивается большая площадь поверхности контакта между средами, но такой теплообменник особенно сложно чистить из-за компактности его конструкции, из-за того, что его обычно невозможно разобрать, и из-за того, что только небольшая часть поверхности пластин доступна для осуществления традиционных способов механической чистки.

Аналогичным образом, секции труб, бухты труб, клапаны и другие компоненты, расположенные как выше по потоку, так и ниже по потоку от теплообменника, могут загрязняться в такой степени, что эффективность общего процесса снижается и чистку этих компонентов обычно требуется производить по графику, аналогичному графику чистки теплообменников, с которым они находятся в линии. Другие промышленные компоненты в системах, не содержащих теплообменников, могут также загрязняться, и требуется их чистка.

Состав загрязнений определяется средой и условиями (температурой, давлением, скоростью, свойствами поверхностей и т.п.), имеющими место при использовании рабочей среды. Например, в нефтегазовой отрасли промышленности, в тяжелой сырой нефти присутствуют битумные и асфальтовые загрязнения, которые могут сильно ограничивать, а в некоторых случаях полностью блокировать трубы, клапаны и теплообменники. В химической отрасли промышленности полимерные или частично полимеризированные загрязнения являются обычными, а в пищевой отрасли промышленности часто наблюдаются загрязнения, представляющие собой тяжелые жиры, карамелизированные сахара и микробные загрязнения. Твердая накипь, осаждающаяся из холодной воды, также наблюдается во всех отраслях промышленности, где используют воду в качестве охлаждающей среды.

Чистку загрязненных промышленных компонентов наиболее часто выполняли, используя впрыскивание (вдувание) воды под высоким давлением. Эта технология включает использование насосов высокого давления как с ручным управлением, так и с автоматизированным управлением, создающих давление в диапазоне 15000-50000 фунт/кв. дюйм (1054,60 кг/см² - 3515,35 кг/см²), для подачи множества струй воды к загрязненным частям, для удаления загрязняющего материала. Эта технология приводит к ограниченным успехам на сложных поверхностях не только из-за недостаточной растворимости многих загрязнений и бетонирующей природы загрязнений, но также из-за сложности конструкции пучка труб, пластин теплообменника, клапанной части или секции труб, что делает невозможным прямое воздействие на большинство поверхностей, подлежащих чистке, струями воды. Технология вдувания воды также очень опасна; при ее использовании требуется, чтобы оператор носил защитные средства, и она приводит в результате к тысячам повреждений, включая смертельные случаи, на рабочих местах в Северной Америке каждый год. Кроме того, способы впрыскивания струй воды под высоким давлением являются очень затратными по времени. Для удаления массы загрязнений при чистке одного теплообменника может потребоваться до недели непрерывной работы (24 часа в день) бригады из 3 операторов.

Можно также выполнять химическую чистку промышленных компонентов, например теплообменников, труб и клапанов, используя стратегию промывки химическими составами, где рабочую текучую среду заменяют на химический состав, разработанный с целью растворения загрязнений. При использовании этой методологии часто требуются большие объемы опасных химических веществ и часто бывают неудачи в деле удаления загрязнений полностью из-за сложных траекторий течения жидкости внутри системы или из-за того, что трубы забиты загрязнениями и через них не может протекать химический состав.

Способы чисто механической чистки, в которых используют абразивы (например, пескоструйный способ), обычно применяют только в наиболее экстремальных случаях, частично из-за того, что этим технологиям свойственны некоторые пагубные риски и недостатки, аналогичные способам впрыскивания воды под высоким давлением, а также из-за потенциально возможных ударов и повреждений материалов поверхностей частей, подвергаемых чистке.

Другая необязательная возможность чистки компонентов заключается в использовании ультразвуковой энергии, например в способе, описанном в Канадском патенте № 2412432 (зарегистрированном на имя Нокса), озаглавленном «Резервуар для ультразвуковой чистки», где описан резервуар, в котором осуществляют чистку промышленных компонентов с помощью ультразвуковой энергии.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Создан аппарат, состоящий из емкости, к которой прикреплены ультразвуковые преобразователи таким образом, чтобы направлялась ультразвуковая энергия, которую в сочетании с пригодной чистящей текучей средой можно использовать для чистки промышленных компонентов, например теплообменников, расположенных в емкости. Отношение ультразвуковых преобразователей к объему жидкости обеспечивает номинальную плотность энергии в емкости, составляющую между 5 Вт/галлон и 25 Вт/галлон, однако из-за расположения (расстояния между преобразователями) и рабочих характеристик (мощности и типа) преобразователей обеспечивается неравномерная плотность энергии в объектах, подлежащих чистке, и вокруг них, где разница в некоторых местах превышает 20 Вт/галлон. Предложено обеспечение расстояния между преобразователями, составляющего между 2 длин волн и 10 длин волн внутри контейнера для обеспечения равномерного поля энергии, при котором поддерживают плотность энергии, которая выше номинальной плотности энергии внутри емкости в объеме, в котором расположен компонент, подлежащий чистке.

Создан аппарат, состоящий из емкости, к которой прикреплены ультразвуковые преобразователи таким образом, чтобы ультразвуковая энергия направлялась с частотой между 20 кГц до 30 кГц, которую в сочетании с пригодной чистящей текучей средой можно использовать для чистки промышленных компонентов, в частности теплообменников, расположенных в емкости. Преобразователи могут быть задействованы с частотой в диапазоне 20-30 кГц, при которой обеспечивается длина волн ультразвуковой энергии, пригодная для чистки компонентов промышленного масштаба, например теплообменников.

Преобразователи, используемые в одном примере исполнения аппарата, сообщают 2000 Вт энергии каждый, при номинальной средней частоте 25 кГц, посредством использования «двухтактной» конструкции, например, преобразователя, описанного в патенте США № 5200666 (зарегистрированном на имя Вальтера и др.), озаглавленном «Ультразвуковой преобразователь», в котором металлический стержень побуждают к резонированию посредством приложения ультразвуковой энергии к обоим концам стержня, вызывающей расширение и сжатие пьезоэлектрических кристаллических элементов, размещенных один поверх другого внутри преобразователя, или посредством конвертерного устройства, прикрепленного к каждому концу стержня. Вибрация, создаваемая посредством продольного удлинения и сжатия пьезоэлектрических элементов, иногда называемая «колебанием по толщине», в основном осуществляется посредством резонирующего стержня в виде радиальной вибрации (относительно оси стержня) при обеспечении правильной настройки длины стержня на резонансную частоту элементов преобразователя, которые действуют синхронно и прикреплены к каждому концу стержня.

Поскольку ультразвуковая энергия распространяется радиально от стержневых преобразователей, используемых в примере, описанном выше, то расстояние между преобразователями является важным фактором для обеспечения равномерного поля энергии в контейнере. Обычно энергия, передаваемая преобразователем, уменьшается (ослабляется) в радиальном направлении пропорционально квадрату расстояния от преобразователя. Для предотвращения этого преобразователи располагают на расстоянии друг от друга, соответствующем интегральной длине волн, составляющем между 2 и 10 длин волн, обычно - между 4 дюймов и 24 дюймов в предпочтительном частотном диапазоне. При таком расположении создается акустическая аппроксимация плоского преобразователя на расстояниях от преобразователей, приблизительно равных 5-10 длинам волн, и обеспечивается значительно более равномерная плотность энергии в объеме, в котором размещен объект, подлежащий чистке. Плотность мощности в контейнере может быть вычислена как суммарный выход всех преобразователей в контейнере для жидкости в ваттах, деленный на объем контейнера в галлонах США. Когда контейнер 500 заполнен чистящей текучей средой до минимального уровня жидкости, предпочтительно обеспечивать плотность мощности в диапазоне между 10 Вт/галлон и 60 Вт/галлон. Плотность мощности может быть также вычислена для специфических объемов контейнера, например объема вокруг компонента, подлежащего чистке.

Согласно другому аспекту изобретения преобразователи могут быть приведены в действие посредством использования пригодных электронных генераторов, от которых подают электрическую энергию в виде, пригодном для понуждения преобразователей к резонированию в диапазоне между 20 кГц и 30 кГц, при типичной средней частоте 25 кГц, для рассеивания в диапазоне между 500 и 3000 Вт на отдельный преобразователь с резонирующим стержнем или до 60000 Вт на преобразователи погружаемого пластинчатого типа.

Согласно другому аспекту изобретения преобразователи могут действовать при номинальной частоте (например, 25 кГц), управляемой электронными генераторами, где обеспечивают возможность колебания частоты преобразователей относительно номинальной частоты для поддержания максимальной выходной мощности и где колебания могут создаваться намеренно для предотвращения кавитационных повреждений оборудования, вызываемых стоячими волнами. В некоторых обстоятельствах может быть предпочтительным исключение любого контроля за фазой звуковых волн между смежными преобразователями таким образом, чтобы преобразователям была предоставлена возможность действия при несколько отличающихся переменных частотах. По меньшей мере, в некоторых обстоятельствах благодаря варьируемым частотам создается поле динамической энергии, под действием которого улучшается чистящий эффект, но в то же самое время снижается потенциальная возможность повреждения компонентов от статических стоячих волн высокой энергии.

Согласно другому аспекту изобретения создана соответствующая чистящая текучая среда, основанная на правильной оценке загрязнителей, загрязняющих компоненты, подлежащие чистке. Установлено, что для очистки от асфальтов, битума и других производных тяжелой сырой нефти очень хороший эффект достигается при использовании обезжиривающего раствора на водной основе, обладающего значением pH, близким к нейтральному значению, например, состава Paratene D-728, изготавливаемого компанией Woodrising Resources Ltd. (г. Калгари, провинция Альберта, Канада), и он относительно просто удаляется. В некоторых случаях небольшие количества растворителя могут быть добавлены в водный раствор для улучшения удаления определенных загрязнений. В некоторых других случаях необходимо использовать сильно кислые или щелочные чистящие текучие среды для удаления специфических загрязнений, например полимеров, эпоксидных смол, накипи и т.п. Выбор материалов для изготовления контейнера является, таким образом, важным фактором, и установлено, что, хотя стали с нормальной перлитной структурой (или «углеродистые стали») служат хорошо в качестве конструкционных элементов и в качестве стенок контейнера в условиях, очень близких к нейтральным применениям, нержавеющая сталь предпочтительнее для изготовления стенок для исключения коррозии в случае применения не нейтральных чистящих текучих сред. Другие конструкционные материалы можно также использовать, основываясь на применении предусмотренной чистящей текучей среды при известных загрязнениях, как это признано специалистами в данной области техники.

Согласно другому аспекту изобретения контейнером для жидкости может служить кожух или модифицированный кожух существующего теплообменника.

Таким образом, создан согласно аспекту изобретения аппарат для чистки промышленных компонентов, содержащий: контейнер для жидкости, представляющий собой огражденное пространство для чистящей жидкости; и ультразвуковые преобразователи, действующие с рабочей частотой при длине волны в чистящей жидкости, прикрепленные, по меньшей мере, к части контейнера для жидкости на расстоянии друг от друга, составляющем между 2 длин волн и 10 длин волн. Во время работы ультразвуковые преобразователи генерируют большую плотность мощности в области контейнера для жидкости для приема компонента, чем средняя плотность мощности, создаваемая в контейнере для жидкости.

Согласно другому аспекту изобретения создан способ чистки промышленных компонентов, включающий этапы: прикрепление ультразвуковых преобразователей, по меньшей мере, к части контейнера для жидкости на расстоянии друг от друга в диапазоне между 2 длин волн и 10 длин волн, где ультразвуковые преобразователи действуют на рабочей частоте и с длиной волны в чистящей жидкости; введение чистящей жидкости в контейнер для жидкости таким образом, чтобы был достигнут минимальный уровень жидкости и чтобы все ультразвуковые преобразователи были погружены в чистящую жидкость; введение промышленного компонента в чистящую жидкость; обеспечение функционирования ультразвуковых преобразователей для генерирования большей плотности мощности в области контейнера для жидкости для приема компонента, чем средняя плотность мощности контейнера для жидкости.

Согласно другому аспекту изобретения преобразователи могут генерировать частоту в диапазоне между 20 кГц и 30 кГц и могут генерировать частоты относительно средней частоты, составляющей 25 кГц. По меньшей мере, некоторые из преобразователей одновременно могут генерировать различные частоты в диапазоне между 20 кГц и 30 кГц. По меньшей мере, некоторые из преобразователей могут действовать не в фазе.

Согласно другому аспекту изобретения преобразователи могут быть прикреплены к внутренней поверхности контейнера для жидкости или к наружной поверхности контейнера для жидкости. Преобразователи могут быть преобразователями пластинчатого типа или преобразователями с резонирующим стержнем. Преобразователи с резонирующим стержнем могут содержать одну или две активные ультразвуковые головки. Преобразователи могут генерировать плотность мощности внутри контейнера для жидкости, когда он заполнен жидкостью, в диапазоне между 10 Вт/галлон и 60 Вт/галлон. Преобразователи могут быть прикреплены вертикально, горизонтально и/или диагонально к внутренней поверхности контейнера для жидкости. Преобразователи могут быть прикреплены с использованием совместимых зажимов у верха преобразователя и установочного устройства, не ограничивающего перемещение вдоль оси резонирующего стержня.

Согласно аспекту изобретения контейнер может быть резервуаром для жидкости с открытым верхом. Контейнер может содержать съемную или сдвигаемую верхнюю крышку. Контейнер может быть достаточно большим для приема группы труб теплообменника, которая может иметь длину в диапазоне между 2 футов и 150 футов, и диаметр в диапазоне между 6 дюймов и 12 футов. Дно контейнера для жидкости может быть плоским, вогнутым или V-образным.

Согласно аспекту изобретения контейнер для жидкости может быть наружным кожухом, содержащим группу труб теплообменника.

Согласно аспекту изобретения контейнер для жидкости может содержать: обезжиривающий поверхностно-активный раствор на водной основе, обладающий показателем pH, составляющим 7-11; водный чистящий раствор, содержащий, по меньшей мере, одну из растворяющих добавок; раствор кислоты и раствор щелочи; водный чистящий раствор, содержащий раствор кислоты; или водный чистящий раствор, содержащий раствор щелочи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие признаки станут более очевидными после ознакомления с последующим описанием, в котором даны ссылки на прилагаемые чертежи; чертежи приведены только с целью иллюстрации и не предназначены для ограничения в какой-либо мере объема изобретения; на чертежах изображено:

на Фиг.1a - вид в перспективе в разобранном состоянии типичного кожухотрубного теплообменника, где показаны пучок труб и кожух;

на Фиг.1b - вид сбоку в разрезе кожухотрубного теплообменника, показанного на Фиг.1a;

на Фиг.2 - вид в перспективе аппарата для чистки промышленных компонентов;

на Фиг.3a - вид в перспективе аппарата для чистки промышленных компонентов, сконструированного для чистки теплообменников размерами 5 футов × 30 футов;

на Фиг.3b - вид с конца (вертикальный разрез) аппарата, показанного на Фиг.3a;

на Фиг.3c - вид сверху аппарата, показанного на Фиг.3a;

на Фиг.3d - вид сбоку аппарата, показанного на Фиг.3a;

на Фиг.4a - вид в перспективе альтернативного аппарата для чистки промышленных компонентов, содержащего вертикально ориентированный резервуар;

на Фиг.4b - вид сверху (в разрезе) альтернативного аппарата, показанного на Фиг.4a;

на Фиг.4c - вид сбоку (в разрезе) альтернативного аппарата, показанного на Фиг.4a;

на Фиг.5a - вид сбоку (в разрезе) аппарата для чистки труб теплообменника, образованного из кожуха теплообменника;

на Фиг.5b - вид с конуса аппарата, показанного на Фиг.5a;

на Фиг.6a - вид в перспективе альтернативного аппарата для чистки промышленных компонентов, сконструированного для чистки небольших теплообменников и клапанов;

на Фиг.6b - вид сверху альтернативного аппарата, показанного на Фиг.6a;

на Фиг.6c - вид сбоку альтернативного аппарата, показанного на Фиг.6a;

на Фиг.7 - пример преобразователя типа резонирующего стержня;

на Фиг.8 - пример преобразователя пластинчатого типа;

на Фиг.9a - вид сбоку (в разрезе) установки преобразователя, который может быть использован для установки преобразователей в аппарате;

на Фиг.10 - вид в перспективе альтернативного аппарата, сконструированного для чистки промышленных компонентов размерами до 6 футов × 31 фут.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Для ультразвуковой чистки используют ультразвуковые волны для разрушения нормального жидкого диффузионного слоя относительно поверхности для резкого повышения скорости реакции (взаимодействия) между загрязненной поверхностью и чистящей текучей средой. Кроме того, в результате кавитации, создаваемой в жидкости вблизи поверхности посредством сжатия и разрежения, индуцируемых посредством падающих звуковых волн, образуются микроструи, обладающие высоким давлением и высокой температурой, способствующие физическому разрушению загрязнений на поверхности и перемещению их в чистящую жидкость.

Посредством объединения ультразвука и пригодной чистящей жидкости, например обладающей значением pH, близким к нейтральному, представляющей собой раствор на водной основе поверхностно-активного вещества и обезжиривающего вещества, можно эффективно чистить компоненты в течение части времени, требующегося для традиционных способов чистки, описанных выше.

Настоящее описание относится к усовершенствованию резервуаров для ультразвуковой чистки, при использовании которых повышается эффективность и расширяются возможности их использования, включая использование для обработки компонентов больших размеров или более сложных промышленных компонентов.

В частности, ультразвуковые преобразователи, используемые в сочетании с резервуаром для чистки, располагают относительно близко друг к другу, например на расстоянии в диапазоне от 2 длин волн до 10 длин волн друг от друга, или в диапазоне от 2 длин волн до 6 длин волн друг от друга, или в диапазоне от 6 длин волн до 10 длин волн друг от друга. Этим вызывают интерференцию ультразвуковых волн, генерируемых преобразователями. Установлено, что при этом градиент плотности мощности, получающейся в результате распространения ультразвуковых волн в резервуаре для чистки, может быть изменен таким образом, чтобы повышалось проникновение ультразвуковых волн через резервуар. Если принципы, изложенные в настоящем описании, понятны, то специалист в данной области может понять взаимоотношение между ультразвуковыми волнами, генерируемыми преобразователями, и плотностью мощности, индуцируемой в чистящей жидкости посредством этих волн. Преобразователи работают таким образом, что частотой и фазой смежных преобразователей не управляют одновременно, чем предотвращают образование статических и, возможно, вредоносных стоячих волн в чистящей жидкости.

На Фиг.2 показан контейнер 200, содержащий боковые стенки 202 и 203, торцевые стенки 204 и 205, наклонную и изогнутую нижнюю плиту 201 и торцевую перегородку 206 для поддержания погруженных частей и предотвращения их соскальзывания к торцевой стенке 205. Контейнер 200 выполнен с использованием соответствующих практически применяемых приемов конструирования емкостей для содержания в них жидкостей и обычно содержит конструктивные элементы, например: вертикальные и горизонтальные балки жесткости; опорные плиты и т.п., не описанные здесь подробно, но известные специалистам в данной области техники, знакомым с этим типом конструкции контейнера. Внутренние стороны боковых стенок 202 и 203 контейнера 200 снабжены ультразвуковыми преобразователями 207, установленными с использованием верхних держателей 208 и нижних держателей 209 таким образом, чтобы преобразователи находились на расстоянии друг от друга, составляющем приблизительно 4 длины волны (например, на расстоянии 10 дюймов по центрам). Высота установки преобразователей предпочтительно следует наклону нижней плиты 201 таким образом, чтобы сохранялась приближенность к длинным объектам, помещенным в контейнер 200, которые укладывают на нижнюю плиту 201. Защитные брусья 210 расположены между преобразователями 207 для предотвращения случайного повреждения преобразователей 207 в результате контакта с большими компонентами, находящимися в резервуаре. Контейнер 200 предпочтительно снабжен проушинами 211 для подъема, для облегчения перемещения контейнера 200 и для облегчения обращения с такелажными средствами, используемыми для поддержания объектов, подвешенных в контейнере для чистки 200. Дренажные отверстия 213 могут быть выполнены для облегчения слива чистящей текучей среды. Салазки в сборе 212 могут быть включены в состав конструкции для облегчения перемещения контейнера 200 по земле и для предотвращения наклона транспортных средств.

На Фиг.3a-3d показан пример аппарата, обозначенного в общем ссылочной позиции 300 на Фиг.3a, построенный для чистки теплообменников и других компонентов размерами до 5 футов в диаметре и 30 футов в длину. В дополнение к признакам, раскрытым в других примерах, этот пример выполнен с рабочими мостками 304, поддерживаемыми подкосами 305, снабженными перилами 308 и лестницами 306 и 307 для подъема на мостки. Эти компоненты могут быть включены в состав аппарата для повышения безопасности рабочих и для облегчения использования аппарата. Помимо боковых стенок 309 и 310, торцевых стенок 311 и 312 и наклонного дна 313, контейнер может быть также снабжен опорами 314, с помощью которых может быть обеспечено крепление жесткой или гибкой крышки на контейнере. Крышку используют для способствования поддержанию температуры в контейнере для жидкости, если ее нагревают. Ее можно также использовать для предотвращения потерь на испарение. Электрические кабели от преобразователей 315 предпочтительно собраны в трассы 316, 317 и 318 кабелей, где они выходят из контейнера и присоединены к электрическим усилителям (генераторам), доставляющим сигнал к ультразвуковым преобразователям.

На Фиг.4a-4c показан альтернативный вертикальный пример аппарата, выполненный для размещения погружением теплообменников и секций труб таким образом, чтобы кусочки загрязнений из частей падали прямо на дно контейнера и чтобы можно было легко откачивать или сливать их, и для размещения погружением других типов компонентов, которые удобнее обрабатывать в вертикально ориентированном резервуаре. Этот контейнер изготовлен из четырех боковых стенок 403, 404, 405, 406 и нижней плиты 407 и съемной верхней крышки 408. Преобразователи 409 показаны установленными под углом 45°; они расположены приблизительно на расстоянии 10 длин волн друг от друга (приблизительно на расстоянии 24 дюйма и отделены защитными брусьями 410, с помощью которых предотвращают какие-либо случайные повреждения преобразователей в результате контакта с компонентами, подвергаемыми чистке, когда они находятся в резервуаре и во время погружения или извлечения. Дренажные отверстия 411 обеспечены для удобного удаления чистящей текучей среды или нижнего слоя, содержащего кусочки загрязнений и жидкие загрязнения. Подъемные проушины 412, 413 и 414 обеспечены для облегчения удаления и поддержания резервуара во время работы.

На Фиг.5a и 5b показан альтернативный пример аппарата, в котором контейнер выполнен из кожуха самого теплообменника, а преобразователи установлены внутри кожуха. В этом примере кожух 501 образует контейнер для чистки, содержащий боковые стенки в виде камеры-трубы высокого давления. Преобразователи 502 установлены внутри кожуха любым удобным способом; в данном случае посредством использования перегородок 503, с помощью которых удерживают преобразователи 502 на месте, для обеспечения ультразвуковой энергии для чистки пучка труб (не изображен) теплообменника на месте, т.е. без необходимости извлечения пучка труб из кожуха 501. Перегородки 503 сконструированы с возможностью работы с перегородками пучка труб для способствования перемещению по непрямому пути потока жидкости во время работы от впуска 505 к выпуску 506. По существу безопасное стыковочное устройство около плиты, добавленной в коллектор 504 кожуха, предпочтительно обеспечено для электропроводки, используемой для передачи электрической энергии к преобразователям 502. Преобразователи 502, используемые в данной конфигурации, по существу являются безопасными, так как они заполнены инертной, токонепроводящей текучей средой, и доступны для приобретения. Как изображено на чертеже, преобразователи 502 являются горизонтально установленными преобразователями стержневого типа. Однако могут быть также использованы преобразователи пластинчатого типа, прикрепленные с наружной стороны кожуха, или погружаемые преобразователи, иным образом установленные внутри кожуха, как это должно быть понятно специалистам в данной области техники.

На Фиг.6a-6c показан пример аппарата меньшего размера, предназначенного для чистки небольших компонентов, например теплообменников, клапанов и т.п. Аппарат, обозначенный в общем ссылочной позицией 600 на Фиг.6a, состоит из контейнера, выполненного из боковых стенок 603 и 604, торцевых стенок 605 и 606 и нижней плиты 607 с преобразователями 608, установленными вертикально на боковых стенках и горизонтально на торцевых стенках 605 и 606. Так как объем контейнера значительно меньше объемов некоторых контейнеров больших размеров, расстояние между преобразователями не так важно, и в этом примере преобразователи установлены на расстоянии друг от друга, составляющем приблизительно 7 длин волн, или приблизительно 17 дюймов. Аппарат предпочтительно снабжен складными защитными плитами 609, которые служат для защиты преобразователей, и обеспечен трубопроводом для электропроводки, требующейся для питания преобразователей требующейся электрической энергией. Аппарат дополнительно предпочтительно снабжен: рабочими мостками 610, удерживаемыми на месте подкосами 611; дренажной пробкой 612 и салазками из труб 613 для облегчения действий вилочного погрузчика. Контейнер предпочтительно снабжен проушинами 614 для подъема для его подъема, а также для крепления такелажных средств для обращения с компонентами, находящимися внутри контейнера во время чистки.

Для подачи ультразвуковой мощности (например, в виде переменного тока с частотой 25 кГц) к преобразователям используют электронную, ультразвуковую, генераторную систему. Пригодный электронный генератор доступен для приобретения у компании Crest Ultrasonics Corp. (г. Трентон, шт. Нью-Джерси, США). Тип выбираемого генератора зависит от предпочтений пользователя и от требований, касающихся конкретной конструкции. Преобразователи присоединяют к генераторам посредством электропроводки, с помощью которой присоединяют каждый преобразователь к соответствующему источнику питания электрической энергией. В некоторых примерах может требоваться генератор для питания энергией каждого преобразователя. В других примерах можно использовать доступное для приобретения оборудование, включающее преобразователи и генератор, с помощью которого можно питать больше одного преобразователя от одного генератора. В некоторых обстоятельствах только определенные преобразователи могут быть в активном состоянии, чтобы только в определенных областях резервуара производилась активная чистка компонентов. В других обстоятельствах в специализированных резервуарах могут быть установлены преобразователи только в определенных областях, например для чистки специфических частей компонентов.

На Фиг.7 показан пример резонирующего стержня ультразвукового преобразователя 700. Преобразователь 700 содержит резонирующий стержень 701, прикрепленный соединительным устройством 702 и 703 к так называемым головкам 704 и 705 преобразователя, содержащим (внутри) набор пьезоэлектрических кристаллов 706, соединенных электрически последовательно и накрытых противовесом/теплоотводящей массой 707, которые под влиянием переменного электрического напряжения расширяются и сжимаются, создавая вибрацию, передающуюся резонирующему стержню 701 через соединители 702 и 703. Каждый набор пьезоэлектрических кристаллических элементов обычно обладает специфическими резонирующими частотами, некоторые из которых приводят в результате к радиальному расширению и сжатию кристаллов и некоторые из которых приводят в результате к осевому (или по толщине) расширению и сжатию материала. Эти типичные стержневые преобразователи обычно задействуют при частотах, настроенных на резонирующую частоту системы кристаллических наборов и резонирующего стержня. В предпочтительных примерах, описанных в настоящем документе, используемые частоты находятся в диапазоне от 20 кГц до 30 кГц, где частота, составляющая 25 кГц, является нормальной рабочей частотой. Стержневые преобразователи могут быть установлены в резервуаре для жидкости в вертикальном, горизонтальном или диагональном положении. При их установке в резервуаре рассматривают пространственное расположение этих преобразователей для направления распространения ультразвуковых волн. Например, при использовании стержневых преобразователей 701, показанных на Фиг.7, относительно малая энергия распространяется наружу от головок 704 и 705 преобразователя. Таким образом, пространственное расположение измеряют в радиальном направлении, т.е. между параллельными стержнями скорее, чем в осевом направлении, т.е. между стержнями, располагаемыми конец к концу. Другие типы ультразвуковых преобразователей также доступны для приобретения и могут быть использованы в примерах, описанных в настоящем документе, в пригодных обстоятельствах. Например, другие типы преобразователей включают преобразователи в виде резонирующих стержней с одной головкой, погружаемые преобразователи пластинчатого типа (показан на Фиг.8 и обозначен ссылочной позицией 810) и т.п. Доступны для приобретения пластинчатые преобразователи, которые можно прикреплять к наружным стенкам контейнера, или они могут быть полностью капсулированы с возможностью их погружения. Соответственно, существует множество различных видов преобразователей, которые можно использовать для передачи ультразвуковой энергии в аппаратах, примеры которых описаны в настоящем документе. Конструкция контейнера и установка преобразователей должны быть оптимизированы для каждого вида преобразователей, выбранных для обеспечения равномерного поля ультразвуковой энергии внутри контейнера.

На Фиг.9 показан пример установки 900 преобразователя, которую можно использовать в аппаратах, описанных в настоящем документе. Установка 900 содержит верхнюю установочную часть 901 и нижнюю установочную часть 902, с помощью которых преобразователь 912 крепят на месте. Конструкция содержит: зажим для верхней головки преобразователя, с помощью которого мягко зажимают головку 903 между двумя прокладками 904 и 905; и установочную трубу 906, несущую вес преобразователя, установленного в вертикальном положении. Нижней установочной частью предпочтительно не закрепляют нижнюю головку 907 преобразователя, а скорее обеспечивают возможность свободного вертикального перемещения преобразователя для оптимального выхода вибрации во время работы, но в то же самое время ограничивают перемещение нижней головки 907 преобразователя в горизонтальной плоскости посредством совместимой ограничительной прокладки 908, проложенной между направляющей плитой 909 и опорной плитой 910, таким образом предотвращая повреждение от вибрации или кручения во время транспортировки контейнера. Верхнюю установочную часть 901 привинчивают к стенке 911 контейнера для легкого съема, для технического обслуживания, а нижнюю установочную часть 902 крепят к контейнеру посредством сварки или пригодных крепежных средств.

На Фиг.10 показан аппарат 1000 для чистки промышленных компонентов, построенный для размещения теплообменников шириной 6 футов и длиной 31 фут. Эта емкость сконструирована для использования установок 900 преобразователя, показанных на Фиг.9, в которой размещено 86 резонирующих стержневых преобразователей с двумя головками типа, представленного на Фиг.7.

Аппарат для чистки промышленных компонентов содержит контейнер для жидкости, которым ограничено огражденное пространство для содержания в нем чистящей жидкости, и ультразвуковые преобразователи, обладающие рабочей частотой и длиной волны в чистящей жидкости, прикрепленные, по меньшей мере, к части контейнера для жидкости на расстоянии друг от друга в диапазоне от 2 длин волн до 10 длин волн. Во время работы преобразователи генерируют большую плотность мощности в области размещения компонента в контейнере для жидкости, чем средняя плотность мощности контейнера для жидкости. Преобразователи работают таким образом, что частотой и фазой смежных преобразователей не управляют одновременно, чем предотвращают образование статических и вредоносных стоячих волн в чистящей жидкости. 2 н. и 39 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Аппарат для чистки промышленных компонентов, содержащий:
- контейнер для жидкости, содержащий боковую стенку, которая образует огражденное пространство для содержания в нем чистящей жидкости, причем контейнер для жидкости имеет область для приема компонента, расположенную на расстоянии от боковой стенки; и
- ультразвуковые преобразователи, имеющие рабочую частоту и длину волны в чистящей жидкости и прикрепленные к, по меньшей мере, части контейнера для жидкости на расстоянии друг от друга, составляющем между 2 длинами волн и 10 длинами волн, причем во время работы ультразвуковые преобразователи генерируют плотность мощности в области приема компонента контейнера для жидкости, которая больше средней плотности мощности контейнера для жидкости, причем ультразвуковые преобразователи являются резонирующими стержневыми преобразователями, прикрепленными к внутренней поверхности контейнера для жидкости в двухмерной плоскости.

2. Аппарат по п.1, в котором преобразователи генерируют частоту в диапазоне между 20 кГц и 30 кГц.

3. Аппарат по п.1, в котором, по меньшей мере, некоторые из преобразователей одновременно генерируют различные частоты в диапазоне между 20 кГц и 30 кГц.

4. Аппарат по п.1, в котором, по меньшей мере, некоторые из преобразователей действуют не в фазе.

5. Аппарат по п.2, в котором преобразователи генерируют частоты относительно средней частоты 25 кГц.

6. Аппарат по п.1, в котором резонирующие стержневые преобразователи содержат одну или две активные ультразвуковые головки.

7. Аппарат по п.1, в котором контейнер является резервуаром для жидкости с открытым верхом.

8. Аппарат по п.1, в котором контейнер является резервуаром для жидкости со съемной или сдвигаемой верхней крышкой.

9. Аппарат по п.1, в котором контейнер является достаточно большим для приема группы труб теплообменника.

10. Аппарат по п.9, в котором группа труб теплообменника имеет размеры в диапазоне между 2 футов и 150 футов в длину и в диапазоне между 6 дюймов и 12 футов в диаметре.

11. Аппарат по п.1, в котором контейнер для жидкости содержит наклонную нижнюю поверхность.

12. Аппарат по п.11, в котором дно является плоским, вогнутым или V-образным.

13. Аппарат по п.1, в котором преобразователи генерируют плотность мощности внутри контейнера для жидкости, заполненного жидкостью, составляющую 10-60 Вт/галлон.

14. Аппарат по п.1, в котором преобразователи прикреплены в вертикальном положении к внутренней поверхности контейнера для жидкости.

15. Аппарат по п.14, в котором преобразователи установлены с использованием совместимого зажима вверху преобразователя и установочного устройства, которое не ограничивает перемещение вдоль оси резонирующего стержня.

16. Аппарат по п.1, в котором преобразователи прикреплены в горизонтально или диагонально к внутренней поверхности контейнера для жидкости.

17. Аппарат по п.1, в котором контейнер для жидкости представляет собой наружный кожух, содержащий группу труб теплообменника.

18. Аппарат по п.1, в котором контейнер для жидкости содержит поверхностно-активные обезжиривающие растворы на водной основе, обладающие значением pH в диапазоне между 7 и 11.

19. Аппарат по п.1, в котором контейнер для жидкости содержит водный чистящий раствор, содержащий, по меньшей мере, одну из растворяющих добавок: раствор кислоты и раствор щелочи.

20. Аппарат по п.1, в котором контейнер для жидкости содержит водный чистящий раствор, содержащий раствор кислоты.

21. Аппарат по п.1, в котором контейнер для жидкости содержит водный чистящий раствор, содержащий раствор щелочи.

22. Способ чистки промышленных компонентов, включающий этапы, на которых:
- прикрепляют резонирующие, стержневые, ультразвуковые преобразователи к внутренней поверхности, по меньшей мере, части контейнера для жидкости в плоскости на расстоянии друг от друга в диапазоне между 2 длинами волн и 10 длинами волн, основанном на рабочей частоте и длине волны ультразвуковых преобразователей в чистящей жидкости;
- вводят чистящую жидкость в контейнер для жидкости;
- вводят промышленный компонент в чистящую жидкость и располагают промышленный компонент в области приема компонента в контейнере для жидкости, которая находится на расстоянии от боковой стенки контейнера для жидкости; и
- обеспечивают функционирование ультразвуковых преобразователей для генерирования большей плотности мощности в области приема компонента в контейнере для жидкости, чем средняя плотность мощности контейнера для жидкости.

23. Способ по п.22, в котором этап обеспечения функционирования ультразвуковых преобразователей включает обеспечение функционирования преобразователей с частотой в диапазоне между 20 кГц и 30 кГц.

24. Способ по п.22, в котором, по меньшей мере, некоторые из преобразователей одновременно генерируют различные частоты в диапазоне между 20 кГц и 30 кГц.

25. Способ по п.22, в котором, по меньшей мере, некоторые из преобразователей действуют не в фазе.

26. Способ по п.23, в котором преобразователи генерируют частоты относительно средней частоты, составляющей 25 кГц.

27. Способ по п.22, в котором резонирующие стержневые преобразователи содержат одну или две активные ультразвуковые головки.

28. Способ по п.22, в котором контейнер является резервуаром для жидкости с открытым верхом.

29. Способ по п.22, в котором контейнер является резервуаром для жидкости со съемной или сдвигаемой верхней крышкой.

30. Способ по п.22, в котором промышленный компонент представляет собой группу труб теплообменника.

31. Способ по п.30, в котором группа труб теплообменника имеет размеры в диапазоне между 2 футов и 150 футов в длину и в диапазоне между 6 дюймов и 12 футов в диаметре.

32. Способ по п.22, в котором контейнер для жидкости содержит наклонную нижнюю поверхность.

33. Способ по п.32, в котором дно является плоским, вогнутым или V-образным.

34. Способ по п.22, в котором преобразователи генерируют плотность мощности внутри контейнера для жидкости, когда он заполнен жидкостью, в диапазоне от 10 Вт/галлон до 60 Вт/галлон.

35. Способ по п.22, в котором преобразователи прикреплены вертикально к внутренней поверхности контейнера для жидкости.

36. Способ по п.35, в котором преобразователи установлены с использованием совместимого зажима вверху преобразователя и установочного устройства, которое не ограничивает перемещение вдоль оси резонирующего стержня.

37. Способ по п.22, в котором контейнер для жидкости представляет собой наружный кожух, содержащий группу труб теплообменника.

38. Способ по п.22, в котором контейнер для жидкости содержит поверхностно-активные и обезжиривающие растворы на водной основе, обладающие значением pH в диапазоне между 7 и 11.

39. Способ по п.22, в котором контейнер для жидкости содержит водный чистящий раствор, содержащий, по меньшей мере, одну из растворяющих добавок: раствор кислоты и раствор щелочи.

40. Способ по п.22, в котором контейнер для жидкости содержит водный чистящий раствор, содержащий раствор кислоты.

41. Способ по п.22, в котором контейнер для жидкости содержит водный чистящий раствор, содержащий раствор щелочи.