專利名稱：利用受控的機(jī)械振動(dòng)減少熱交換器的管內(nèi)結(jié)垢的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在精煉廠和石化工廠中使用的熱交換器。特別地，本發(fā)明 涉及減少所述熱交換器中的結(jié)垢。
背景技術(shù)：
通常結(jié)垢定義為不需要的物質(zhì)在處理設(shè)備的表面上積聚。在石油加工 過程中，結(jié)垢是指熱交換器表面上不希望的烴基沉淀物的沉積。這已被認(rèn) 為是在精煉和石化處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中的近乎普遍的問題，并且在兩 個(gè)方面影響設(shè)備的運(yùn)行。第一，結(jié)垢層具有低的熱傳導(dǎo)性。這增加了對熱 傳遞的阻力并降低熱交換器的效率-因此增加系統(tǒng)內(nèi)的溫度。第二，當(dāng)發(fā)生 沉積時(shí)，橫截面積減小，這引起通過設(shè)備的壓降的增大并在熱交換器中產(chǎn) 生導(dǎo)致低效率的壓力和流動(dòng)。
由于造成失效、產(chǎn)量減少和附加的能源消耗，熱交換器的管內(nèi)結(jié)垢每 年會(huì)使得石油精煉廠花費(fèi)數(shù)億美元。隨著能源成本的增加，熱交換器的結(jié) 垢對處理過程的盈利能力的影響更大。由于全原油、混合物和分餾物在熱 傳遞設(shè)備中的熱處理過程中所發(fā)生的結(jié)垢而導(dǎo)致需求清潔處理，因此會(huì)造 成石油精煉和石化工廠承受高的運(yùn)行成本。雖然很多類型的精煉設(shè)備受到 結(jié)垢的影響，但是，成本的評估顯示利潤損失的主要部分是由于在預(yù)熱系
列交換器(pre-heat train exchanger )中全原油和混合物的結(jié)祐。
與石油類型的流相關(guān)的熱交換器中的結(jié)垢由于多種機(jī)制形成，包括化
學(xué)反應(yīng)、腐蝕、不溶解物質(zhì)的沉積和由于流體和熱交換壁之間的溫度差而
導(dǎo)致不溶解的物質(zhì)的沉積。
特別地， 一種引起快速結(jié)垢的更普遍的根源是當(dāng)原油瀝青質(zhì)過度暴露于加熱器管表面溫度時(shí)所發(fā)生的焦炭成形。在交換器的另一側(cè)的液體的溫 度比全原油更高，導(dǎo)致相對較高的表面或表皮溫度。瀝青質(zhì)可從油中沉淀 并粘附在這些高溫表面上。延長暴露于此表面溫度，特別是在隨后的系列
熱交換器(late train exchanger)中，使得瀝青質(zhì)熱降解為焦炭。焦炭接著 作為絕緣體并且由于阻止所迷表面對通過該單元的油進(jìn)行加熱而導(dǎo)致熱交 換器中熱傳遞效率損失。為了使得精煉廠恢復(fù)到更有利潤的水平，結(jié)垢的 熱交換器需要進(jìn)行清潔，這通常要求拆除下線，如下所述。
熱交換器的結(jié)垢使得精煉廠不得不采用高成本的停工來進(jìn)行清潔處 理。當(dāng)前，大多數(shù)精煉廠通過使熱交換器停止服務(wù)而進(jìn)行化學(xué)或才幾械的清 潔來進(jìn)行熱交換管束的離線清潔。該清潔可按照計(jì)劃的時(shí)間或使用或按照 實(shí)際監(jiān)控的結(jié)垢情況來進(jìn)行。這些情況可通過估計(jì)熱交換效率損失來進(jìn)行 判斷。但是離線清潔會(huì)4吏服務(wù)中斷。這對于小的精煉廠來說是特別難以承 擔(dān)的，因?yàn)閷?huì)有段時(shí)間停產(chǎn)。
減輕或有可能的話消除熱交換器的結(jié)垢僅僅在減能方面就會(huì)獲得很大 的成本節(jié)約。結(jié)垢的減少還導(dǎo)致能源節(jié)約、更高產(chǎn)量、減少維護(hù)、更低的 清潔開支以及設(shè)備的整體實(shí)用性的改進(jìn)。
曾經(jīng)嘗試過使用振動(dòng)力來減少結(jié)垢。授予Mettenleiter的美國專利No. 3,183,967公開了 一種具有多個(gè)加熱管的熱交換器，該加熱管彈性地或有柔 韌性地安裝并進(jìn)行振動(dòng)以驅(qū)除積聚在熱交換器表面上的固體從而防止固體 沉淀形成積垢。但是此組件要求特殊的彈性安裝組件且不易適應(yīng)現(xiàn)有的熱 交換器。授予Bellet等的美國專利No. 5,873,408也通過直接將機(jī)械振動(dòng)器 聯(lián)接到熱交換器中的管道上使用振動(dòng)。同樣，此系統(tǒng)要求用于熱交換器中 的單個(gè)管道的特殊的安裝組件，該安裝組件不適于現(xiàn)有的系統(tǒng)。
因此，需要改進(jìn)用于減輕管內(nèi)結(jié)垢的方法，特別是用于現(xiàn)有設(shè)備的方 法。需要在熱交換器設(shè)備在線時(shí)減輕或消除結(jié)垢。還特別需要處理精煉廠 中的預(yù)熱系列交換器中的結(jié)垢
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例的方面涉及用于在熱交換器表面附近引發(fā)剪切波以干 擾結(jié)垢機(jī)制的方法。
本發(fā)明的實(shí)施例的另 一方面提供了 一種可在例如精煉廠的現(xiàn)有系統(tǒng)中 執(zhí)行的方法。
本發(fā)明的實(shí)施例的附加的方面涉及在熱交換器運(yùn)行時(shí)實(shí)施減輕結(jié)垢的 方法。
這些和其它的方面可通過本發(fā)明實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明涉及一種用于減少熱交
換器中的結(jié)垢的方法，包括這些步驟提供一熱交換器，該熱交換器具有 用于液體流動(dòng)的管和支承管的固定安裝元件；以及向所述固定安裝元件施 加機(jī)械力以在管中引發(fā)振動(dòng)，該振動(dòng)使得在管附近流動(dòng)的液體中產(chǎn)生剪切 運(yùn)動(dòng)，從而減少管的結(jié)垢。
施加機(jī)械力包括控制力的施加以便引發(fā)受控的振動(dòng)能。該方法也可包 括檢測管中引發(fā)的振動(dòng)能和基于所檢測的振動(dòng)能調(diào)節(jié)對力的施加的控制。 振動(dòng)在1000Hz或更高的頻率下尤其有效。
機(jī)械力可直接或間接施加到固定安裝元件并可相對于管沿軸向或橫向 施加。機(jī)械力可由動(dòng)態(tài)致動(dòng)器或包括例如錘、振蕩器或壓電管組 (piezoelectric stack)的致動(dòng)器纟且來施加。
熱交換器可以是具有形成為管束的管和形成為管板凸緣的固定安裝元 件的管殼式熱交換器。熱交換器可以是處理系統(tǒng)中就位的現(xiàn)有熱交換器， 施加機(jī)械力可包括用動(dòng)態(tài)致動(dòng)器改進(jìn)現(xiàn)有的熱交換器。熱交換器可以在線 于精煉系統(tǒng)中。
本發(fā)明還涉及用于改進(jìn)具有固定就位的熱交換器的精煉系統(tǒng)的裝備。 該熱交換器包括由用于使流體從中流過以進(jìn)行熱交換的管形成的管束和用 于支承所述管束的凸緣。所述裝備包括動(dòng)態(tài)致動(dòng)器(動(dòng)力致動(dòng)器，dynamic actuator)，該動(dòng)態(tài)致動(dòng)器包括帶有致動(dòng)器的力產(chǎn)生裝置；用于將力產(chǎn)生 裝置連接到固定就位的熱交換器的安裝裝置；以及控制器，該控制器連接 到動(dòng)態(tài)致動(dòng)器以便控制致動(dòng)器使得力產(chǎn)生裝置向所述管引入受控的振動(dòng) 能，以在鄰近管流動(dòng)的液體中引起剪切運(yùn)動(dòng)，從而減少管的結(jié)垢。接合詳細(xì)說明和附圖時(shí)可清楚地了解本發(fā)明的這些和其它方面。


下面將結(jié)合附圖來描述本發(fā)明 圖l是管殼式熱交換器的側(cè)透視圖2是根據(jù)本發(fā)明的帶有機(jī)械引發(fā)振動(dòng)系統(tǒng)的管殼式熱交換器的側(cè)視
圖3是其中機(jī)械引發(fā)振動(dòng)系統(tǒng)位于管板凸緣上并相對于管束軸向定位
的熱交換器的側(cè)面示意圖4是其中機(jī)械引發(fā)振動(dòng)系統(tǒng)位于管板凸緣上并相對于管束橫向定位
的熱交換器的側(cè)面示意圖5是其中機(jī)械引發(fā)振動(dòng)系統(tǒng)相對于管板凸緣位于遠(yuǎn)處的熱交換器的
側(cè)面示意圖6是管道內(nèi)側(cè)的示意圖，示出軸向壁振動(dòng)；
圖7是管道內(nèi)側(cè)的示意圖，示出切向或扭轉(zhuǎn)壁振動(dòng)；
圖8是示出振動(dòng)管內(nèi)的升力、曳力和剪切力的示意圖；以及
圖9是示出基于本發(fā)明概念的測試結(jié)果圖，示出對于標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行和結(jié)垢
減少的運(yùn)行，液體溫度相對桿表面溫度的改變。
在附圖中，不同的附圖中的對應(yīng)零部件由相同的附圖標(biāo)記指示。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明總體涉及一種減輕熱交換器中結(jié)垢的方法和用于實(shí)施該方法的 裝置。在優(yōu)選的用途中，該方法和裝置用于例如精煉廠或石化處理廠的精 煉過程中使用的熱交換器。本發(fā)明特別適于改進(jìn)現(xiàn)有的設(shè)備，使得在現(xiàn)有 的熱交換器中可使用該方法，特別是在熱交換器在線且處于使用中時(shí)。當(dāng) 然，能夠?qū)⒈景l(fā)明應(yīng)用到其它的處理設(shè)備和熱交換器，特別是那些易于以 與精煉過程中所發(fā)生的方式類似的方式結(jié)垢且不方便離線以進(jìn)行修理和清 潔的設(shè)備。盡管本發(fā)明可用于現(xiàn)有的系統(tǒng)，但是，也能夠最初就制造具有在此描 述的振動(dòng)引發(fā)裝置的熱交換器并在新的裝備中使用根據(jù)本發(fā)明的方法。
與原油進(jìn)行熱交換涉及兩個(gè)重要的結(jié)垢機(jī)理化學(xué)反應(yīng)和不溶解物質(zhì) 的沉積。在這兩種情況下，接近于壁的粘性子層(或邊界層)的減少可降 低結(jié)垢率。這一觀念貫穿在根據(jù)本發(fā)明的方法中。
在化學(xué)反應(yīng)的情況下，熱交換壁表面處的高溫會(huì)激活分子以形成用于
垢渣的前體(precursor)。如果這些前體沒有從相對停滯的壁區(qū)域清除，
它們將聯(lián)合在一起并沉積在壁上。邊界層的減小將減小停滯區(qū)域的厚度并
因此減少可用于形成垢渣的前體的量。因此， 一種防止粘附的途徑是^C壞
表面處的薄膜層以減少在高表面溫度的暴露時(shí)間。根據(jù)本發(fā)明，該方法包
括振動(dòng)壁以引起薄膜層的破裂。
在不溶解物質(zhì)的沉積的情況下，邊界層的減少會(huì)增加壁附近的剪切力。
通過這樣，在位于壁附近的不溶解顆粒上施加了更大的作用力以克服壁對 顆粒的吸引力。根據(jù)本發(fā)明，壁在垂直于管半徑的方向上的振動(dòng)將產(chǎn)生從 壁傳播到流體中的剪切波。這將減小沉積和結(jié)合形成垢渣的可能性。
結(jié)合附圖，圖1示出常規(guī)的管殼式熱交換器10,其中單獨(dú)的管14組 成的管束12由至少一個(gè)管板凸緣(管板法蘭)16支承。如圖2中所示， 管束12保持在具有入口和出口 (未示出)的殼體18中，使得一種流體在 管內(nèi)流動(dòng)而另一種流體受迫通過所述殼體并流過管外側(cè)以進(jìn)行熱交換，如 已知的那樣。如上面在背景部分所描述的，管壁表面，包括外表面和內(nèi)表 面在內(nèi)，易于發(fā)生結(jié)垢或不希望的烴基沉積物的積聚。
在熱交換器領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員可意識到，雖然管殼式交換器作為 示例性實(shí)施例而在此描述，但是本發(fā)明可應(yīng)用到不同類型的已知熱交換裝 置中的任何熱交換器表面。因此，本發(fā)明不應(yīng)當(dāng)限制于殼式熱交換器。
圖2示出本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施例，其中動(dòng)態(tài)致動(dòng)器20被添加到熱交換 器10上。動(dòng)態(tài)致動(dòng)器20定位于熱交換器10的凸緣16處以向管束12的管 14傳遞受控的振動(dòng)能。安裝裝置21將動(dòng)態(tài)致動(dòng)器20連結(jié)于凸緣16?？刂?器22優(yōu)選地與動(dòng)態(tài)致動(dòng)器20進(jìn)行通信以控制施加到熱交換器10的作用力。連結(jié)到熱交換器10上的傳感器24可設(shè)置成與控制器22進(jìn)行通信，從 而提供用于測量振動(dòng)的反饋并向控制器22提供數(shù)據(jù)以調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)致動(dòng)器20 的頻率和振幅的輸出，從而實(shí)現(xiàn)在管附近的流體中形成剪切波以減輕結(jié)垢， 同時(shí)施加的作用力對結(jié)構(gòu)整體性的負(fù)面影響最小。
控制器22可以是設(shè)置在當(dāng)?shù)鼗蜻h(yuǎn)處以任何需要的方法產(chǎn)生信號來驅(qū) 動(dòng)動(dòng)態(tài)致動(dòng)器20的任何已知類型的處理器，包括電微處理器?？刂破?2 可包括信號發(fā)生器、信號過濾器和放大器以及數(shù)字信號處理單元。
動(dòng)態(tài)致動(dòng)器20可以是引發(fā)管振動(dòng)同時(shí)保持熱交換器10的結(jié)構(gòu)整體性 的任何類型的機(jī)械裝置。任何能夠以所選定的頻率產(chǎn)生足夠動(dòng)態(tài)力的裝置 都是合適的。動(dòng)態(tài)致動(dòng)器20可以是單個(gè)的裝置，例如沖擊錘或電磁振蕩器， 或一組裝置例如錘、振蕩器或壓電管組。該組裝置可以進(jìn)行空間地分布以 產(chǎn)生所要求的動(dòng)態(tài)信號來達(dá)到最佳振動(dòng)頻率。
根據(jù)動(dòng)態(tài)致動(dòng)器20的類型可使用任何合適的安裝裝置21。安裝裝置 21在動(dòng)態(tài)致動(dòng)器20和熱交換器10之間提供機(jī)械聯(lián)接。它可以設(shè)計(jì)成熱絕 纟彖體以使 床護(hù)動(dòng)態(tài)致動(dòng)器20防止過熱。它也可以形成為震動(dòng)質(zhì)量塊。如果 需要，安裝裝置21也可用作用于動(dòng)態(tài)致動(dòng)器20的機(jī)械放大器。
只要存在與管14的機(jī)械聯(lián)接，動(dòng)態(tài)致動(dòng)器20可安置在熱交換器10 上或附近的不同位置處。凸緣16提供了與管14的直接的機(jī)械聯(lián)接。凸緣 16的邊是用于連接動(dòng)態(tài)致動(dòng)器20的合適位置。連結(jié)到凸緣16的其它支承 結(jié)構(gòu)也可以機(jī)械聯(lián)接到管上。例如，支承熱交換器的管座也可以是用于動(dòng) 態(tài)致動(dòng)器20的合適的位置。振動(dòng)可通過系統(tǒng)中的不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳遞，因此 致動(dòng)器不必直接連接到凸緣16上。
如圖3-圖5所示，才艮據(jù)本發(fā)明，由動(dòng)態(tài)致動(dòng)器20施加的作用力可相對 于管朝向任何方向。圖3示出直接施加到熱交換器的凸緣16上的軸向力A。 圖4示出直接施加到熱交換器的凸緣16上的橫向力T。圖5示出施加到連 接于熱交換器凸緣16的結(jié)構(gòu)性構(gòu)件上的遠(yuǎn)程力R。上述所有力的施加都是 合適的并可引發(fā)管14的振動(dòng)。還可使用作用力的不同組合。例如，可施加 橫向力和軸向力來引發(fā)振動(dòng)的雙模式。同樣，直接施加到凸緣16上的作用力和遠(yuǎn)程施加的作用力可用于改變引發(fā)的振動(dòng)的量和類型。取決于系統(tǒng)的
應(yīng)用，作用力可受到控制以保持熱交換器特別是管束12的結(jié)構(gòu)整體性。作 用力可以連續(xù)地或間歇地施加。
如圖6和圖7所示，在上述根據(jù)本發(fā)明的應(yīng)用中，動(dòng)態(tài)力的作用產(chǎn)生 管壁振動(dòng)V和鄰近壁的流體中相應(yīng)的剪切波SW。某些管振動(dòng)模式將在管 壁附近引發(fā)流體振蕩剪切波，但是該剪切波將從壁到流體非常迅速地衰減， 在壁附近產(chǎn)生非常薄的聲邊界層和非常高的動(dòng)態(tài)剪切應(yīng)力。衰減的剪切波 破壞了與管表面內(nèi)側(cè)相接觸的相對靜止的流體邊界層，因此防止或減少了 污垢前體停留及隨后的生長和結(jié)垢。
發(fā)明者通過實(shí)驗(yàn)確定了根據(jù)本發(fā)明的機(jī)械振動(dòng)能顯著降低結(jié)垢的程 度。使用合適的振動(dòng)頻率，振蕩流體的厚度可足夠小，使得層流邊界層的 子層內(nèi)的流體被迫相對于壁表面移動(dòng)(否則在沒有剪切波的情況下會(huì)停 滯)。此概念在圖8中示出。壁附近的剪切波SW在流體中的前體或結(jié)垢 物的顆粒上施加曳力D和升力L。動(dòng)態(tài)曳力D佳:得顆粒相對于壁運(yùn)動(dòng)，防 止它們與壁接觸并因此降低顆粒粘在壁上的可能性一 一顆粒與壁接觸并粘 在壁上是發(fā)生結(jié)垢的必要條件。同時(shí)，升力L使得顆粒從壁表面移開并移 到總體流體中，因此減少壁附近的顆粒濃度并進(jìn)一步使得結(jié)垢的趨勢最小 化。對于已經(jīng)粘結(jié)到壁上的顆粒，剪切波也在顆粒上施加剪切力S，如果 剪切力足夠強(qiáng)的話就將顆粒從壁上扯下來。邊界層內(nèi)的剪切波的內(nèi)在不穩(wěn) 定性使得它們在減少結(jié)垢方面比總體流動(dòng)的高速作用更加有效。在振蕩流 中顆粒粘結(jié)到管壁的粘結(jié)強(qiáng)度預(yù)期比穩(wěn)定的單向流動(dòng)低;f艮多。因此剪切波 的清潔效果是高度有效的。
使用了石油工業(yè)中用于測定結(jié)垢的商業(yè)可用單元來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該商業(yè) 可用單元稱為ALCOR高溫液體處理模擬器(HLPS) (Hot Liquid Process Simulator)結(jié)垢測試系統(tǒng)。該測試向加熱桿施加振動(dòng)激A力，振動(dòng)振蕩器的 驅(qū)動(dòng)力和頻率選擇成激勵(lì)加熱桿在流體和振動(dòng)表面之間具有充分的相對運(yùn) 動(dòng)，同時(shí)維持ALCOR單元的機(jī)械整體性和正常運(yùn)行?？捎玫念l率范圍從 數(shù)個(gè)Hz到20,000Hz，驅(qū)動(dòng)點(diǎn)處的加速力的范圍從幾分之一個(gè)g到20g。驅(qū)動(dòng)力和頻率的其它值也被認(rèn)為在結(jié)垢最小化方面有效。選擇最佳頻率的 過程包括確定加熱桿的一組自然頻率和模式和選擇接近但不等于自然頻率 中的一個(gè)的驅(qū)動(dòng)頻率。可選地，可產(chǎn)生合成波形，使得能夠激勵(lì)加熱桿的 多重振動(dòng)諧振。
測試進(jìn)料是Arab Extra Light全原油，其通過ALCOR HLPS， 以 3ml/min在直流條件(once-through condition )下，在氮?dú)鈮毫ο率褂?70 °C (698°F )的表面溫度以引發(fā)結(jié)垢。結(jié)垢物的堆積引起(熱)絕緣的效果， 非常類似于精煉廠熱交換設(shè)備。絕緣效果減小了加熱表面加熱流體的能力， 結(jié)果由于更多的結(jié)垢物沉積而使得出口液體溫度降低。出口溫度的降低的 測量為Outlet Delta T。測量的時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)為3個(gè)小時(shí)(180分鐘)。最終 結(jié)垢指示器稱為ALCOR Outlet Delta T180。在以前沒有振動(dòng)的ALCOR 測試中Arab Extra Light的Delta T180通常在-57。C到-63。C之間。
使用上述振動(dòng)參數(shù)，垂直于ALCOR加熱桿引發(fā)振動(dòng)。如圖9所示， 觀察到Arab Extra Light全原油的最終ALCOR Outlet Delta T180減少僅 僅19。C。與沒有振動(dòng)而獲得的數(shù)據(jù)相比，這大概表示結(jié)垢減少三分之二。 在接近運(yùn)行結(jié)束時(shí)顯示的出口溫度的輕微上揚(yáng)暗示發(fā)生輕微的剪切。對于 圖9所示的測試數(shù)據(jù)，使用并測量了以下振動(dòng)參數(shù)2.11kHz的頻率和驅(qū) 動(dòng)點(diǎn)處203mV的加速度。沉積物只會(huì)聚集在桿的相對側(cè)，發(fā)明人認(rèn)為這 是由于振動(dòng)是垂直于桿施加的?？深A(yù)想，如果振動(dòng)沿桿軸向施加可觀察到 更加有利的效果。
基于管束12的振動(dòng)測量和分析，發(fā)明人斷定管板凸緣16提供了與內(nèi) 部管14的有效的機(jī)械聯(lián)接，并可用于實(shí)施機(jī)械激勵(lì)。能夠從凸緣16以振 動(dòng)的方式向管14傳遞足夠的振動(dòng)能。存在管的低頻和高頻振動(dòng)模式。對于 低頻振動(dòng)模式(通常低于1000Hz),在傳遞振動(dòng)能方面軸向激勵(lì)更加有效， 而高頻振動(dòng)才莫式下，橫向激勵(lì)更加有效。振動(dòng)才莫式的密度在高頻范圍高于 在低頻范圍(通常低于1000Hz)，而且振動(dòng)能量傳遞效率在高頻范圍也更 高。此外，管振動(dòng)的位移在高頻(>1000Hz)時(shí)很小，對管的潛在危害不 明顯。通過振動(dòng)減輕結(jié)垢很大程度上依賴于由剪切波引發(fā)的壁剪切應(yīng)力。因 此，壁剪切應(yīng)力用作量化地評估不同激勵(lì)方法的效率的主要設(shè)計(jì)參數(shù)之一 。
由于壁的振動(dòng)而引起的管的壁剪切應(yīng)力可根據(jù)以下等式來估算
其中C是常數(shù)，p和;/是流體密度和粘度，、是壁振動(dòng)的速度幅值，"是 循環(huán)振動(dòng)頻率。假設(shè)一個(gè)參考壁剪切應(yīng)力，超過該參考壁剪切應(yīng)力結(jié)垢減
輕很明顯，管壁剪切應(yīng)力對設(shè)計(jì)目標(biāo)的比例以下面的等式來表示
根據(jù)上面描述的實(shí)驗(yàn)，在一個(gè)示例中，通過使用所計(jì)算的由軸向(平
行于管道的軸線)施加在凸緣上的750N的動(dòng)力而引起的軸向和橫向管振 動(dòng)的壁剪切應(yīng)力比例來選擇用于壁剪切應(yīng)力的設(shè)計(jì)目標(biāo)。同樣在凸緣上橫 向(垂直于管軸線)施加等量的動(dòng)態(tài)力。顯示，在這兩種情況下管振動(dòng)可 被激勵(lì)到期望的程度以便在大多數(shù)以壁剪切應(yīng)力比例為>1.0的振動(dòng)模式下 減輕結(jié)垢。管橫向振動(dòng)的位移幅度(以微米計(jì))在高于100Hz的頻率時(shí)總 體遠(yuǎn)小于最大允許振動(dòng)位移，為i殳計(jì)避免由于振動(dòng)而導(dǎo)致管破損，該最大 允許振動(dòng)位移通常大約為0.025英寸或600微米。對于高于1000Hz的頻率， 管的動(dòng)態(tài)位移在對于管和支承件的潛在振動(dòng)破壞方面是可忽略的。
有利地，可使用高頻振動(dòng)以減輕結(jié)垢，因?yàn)?1)它產(chǎn)生高的壁剪切應(yīng) 力水平，(2)對于易于調(diào)整諧振條件，存在振動(dòng)模式的高密度，(3)為 保持熱交換器的結(jié)構(gòu)整體性存在小的管振動(dòng)位移，和(4)令人不愉快的噪 聲水平低。
動(dòng)態(tài)致動(dòng)器20的精確安裝位置、方向和數(shù)量的選擇以及致動(dòng)器輸出的 幅值的頻率的控制基于引發(fā)足夠的管振動(dòng)以引起管壁附近流體充分的剪切 運(yùn)動(dòng)以便減少結(jié)垢，同時(shí)保持小的管橫向振動(dòng)位移以避免潛在的管破損。明顯地，動(dòng)態(tài)致動(dòng)器20的添加可通過將系統(tǒng)連結(jié)到現(xiàn)有的熱交換器10上 來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)交換器就位或在線時(shí)可進(jìn)行動(dòng)態(tài)致動(dòng)器的致動(dòng)和控制。由于管 板凸緣通常是可接近的，在熱交換器處于使用中時(shí)可安裝振動(dòng)致動(dòng)器?？?在不改動(dòng)熱交換器或不改變總體流動(dòng)的流動(dòng)或熱條件的情況下減少結(jié)垢。
對于在此描述的本發(fā)明可做不同的變型，在由權(quán)利要求限定的本發(fā)明 的精神和范圍內(nèi)而不脫離此精神和范圍的情況下可對所述設(shè)備和方法做出 許多不同的實(shí)施例。說明書中包含的所有內(nèi)容應(yīng)當(dāng)僅視為解釋而不是加以 限制。
權(quán)利要求
1. 一種減少熱交換器中結(jié)垢的方法，包括提供一具有用于液體流動(dòng)的管和支承所述管的固定安裝元件的熱交換器；向所述固定安裝元件施加機(jī)械力以在管中引發(fā)振動(dòng)，該振動(dòng)使得在管附近流動(dòng)的液體中產(chǎn)生剪切運(yùn)動(dòng)以便減少管的結(jié)垢，其中施加機(jī)械力包括控制力的施加以便引發(fā)受控的振動(dòng)能；以及檢測管中引發(fā)的振動(dòng)能并基于所檢測的振動(dòng)能調(diào)節(jié)對力的施加的控制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，提供一熱交換器包括 提供一具有形成為管束的管和形成為管板凸緣的固定安裝元件的管殼式熱 交換器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，施加機(jī)械力包括 直接向所述固定安裝元件施加力。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，施加機(jī)械力包括 間接向所述固定安裝元件施加力。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，施加機(jī)械力包括 向連接于所述固定安裝元件的結(jié)構(gòu)性部件施加力。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，施加機(jī)械力包括相對于所述管沿軸向施加力。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，施加機(jī)械力包括相對于所述管沿橫向施加力。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，施加 機(jī)械力包括致動(dòng)一動(dòng)態(tài)致動(dòng)器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，對機(jī)械力的施加的控 制包括控制所述動(dòng)態(tài)致動(dòng)器的頻率和幅值輸出。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，控制頻率包括以1000Hz或更高的頻率引發(fā)振動(dòng)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，施加機(jī)械力包括致動(dòng) 一振蕩器。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，施加機(jī)械力包括致動(dòng) 一壓電管組。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，提供一熱交換器包括 提供一在處理系統(tǒng)中就位的現(xiàn)有熱交換器，施加機(jī)械力包括用動(dòng)態(tài)致動(dòng)器 改進(jìn)現(xiàn)有熱交換器。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，提供一熱交換器包括 提供一在精煉系統(tǒng)中在線的熱交換器。
15. —種用于減輕精煉系統(tǒng)中的熱交換器的結(jié)垢的方法，包括 提供一管殼式熱交換器，該熱交換器包括形成為管束的由一殼體包圍的管，其中液體在管內(nèi)流動(dòng)和在殼體內(nèi)圍繞管流動(dòng)；以及支承管的固定 管板凸緣；向所述固定管板凸緣施加機(jī)械力以在管中引發(fā)振動(dòng)，該振動(dòng)引起在管 內(nèi)流動(dòng)的液體中的剪切運(yùn)動(dòng)，從而減小管的結(jié)垢，其中才幾械力由一動(dòng)態(tài)致 動(dòng)器施加；以及控制動(dòng)態(tài)致動(dòng)器的頻率和幅值輸出。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，施加機(jī)械力包括直接 撞擊所述固定管板凸緣。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，施加機(jī)械力包括間接 撞擊在結(jié)構(gòu)上連接于所述固定管板凸緣的構(gòu)件。
18. —種用于改進(jìn)具有固定就位的熱交換器的精煉系統(tǒng)的裝備，所述 熱交換器包括由用于使流體從中流過以進(jìn)行熱交換的管形成的管束和用于 支承所述管束的凸緣，所述裝備包括包括帶有致動(dòng)器的力產(chǎn)生裝置的動(dòng)態(tài)致動(dòng)器和用于將力產(chǎn)生裝置連接 到固定就位的熱交換器的安裝裝置；以及控制器，該控制器連接到所述動(dòng)態(tài)致動(dòng)器以^更控制致動(dòng)器使得力產(chǎn)生裝置向所述管引入受控的振動(dòng)能，以引起在鄰近管流動(dòng)的液體中的剪切運(yùn) 動(dòng)從而減少管的結(jié)垢。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝備，其特征在于，所述安裝裝置連接到 支承所述管束的凸緣上。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝備，其特征在于，所述安裝裝置連接到 一與支承所述管束的凸緣連接的結(jié)構(gòu)性構(gòu)件上。
21. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝備，其特征在于，該裝備包括與連接到 熱交換器上的控制器進(jìn)行通信以檢測管內(nèi)引發(fā)的振動(dòng)能的傳感器。
22. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝備，其特征在于，所述力產(chǎn)生裝置是振 蕩器。
23. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝備，其特征在于，所述力產(chǎn)生裝置是壓 電管組。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過一種方法減輕熱交換表面的結(jié)垢，在該方法中，在固定的熱交換器上施加機(jī)械力以在熱交換表面激發(fā)振動(dòng)并在靠近熱交換表面的流體中產(chǎn)生剪切波。通過動(dòng)態(tài)致動(dòng)器來施加機(jī)械力，該動(dòng)態(tài)致動(dòng)器連結(jié)于控制器以便以受控的頻率和幅值輸出產(chǎn)生振動(dòng)，該振動(dòng)對熱交換結(jié)構(gòu)的不利影響最小化。該動(dòng)態(tài)致動(dòng)器可連結(jié)于就位的熱交換器并可在熱交換器在線時(shí)運(yùn)行。
文檔編號F28D7/16GK101443618SQ200780017304
公開日2009年5月27日 申請日期2007年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月19日
發(fā)明者G·A·盧茨, G·B·布龍斯, H·M·喬希, J·D·洛博, S·喬特雷, 宋利民 申請人:?？松梨谘芯抗こ坦?br>