TEN BAUTEILEN

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhöhen der Standzeit von fluiddurchströmten Bauteilen, insbesondere von Wärmetauschern.

Aus dem Stand der Technik ist es grundsätzlich bekannt, die Standzeit von fluid durchströmten Bauteilen, wie beispielsweise Wärmetauscher, insbesondere der chemischen, pharmazeutischen, petrochemischen oder Lebensmittelindustrie, durch Anregung von Ultraschall zu erhöhen. Durch die Ultraschallanwendung kann einerseits ein Entfernen von Anhaftungen an fluiddurchströmten Flächen, d.h. ein Reinigen, im laufenden Betrieb erfolgen. Andererseits kann hierdurch auch die erneute Anlagerung von Anhaftungen verhindert werden. Die vorliegende Erfindung ist zwar nicht auf die Anwendung bei Wärmetauschern beschränkt, eig net sich jedoch gut für derartige Bauteile, die nach längerer Betriebszeit im Inne ren der Wärmetauscherkanäle Rückstände ansetzen, so dass sich der Strö mungswiderstand erhöht.

Im Stand der Technik wurde bereits vorgeschlagen, Ultraschallwandler an einem Montageflansch eines Bündelwärmetauschers zu befestigen und die Ultraschall wandler in unterschiedlichen Frequenzbereichen zu betreiben.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Ver fahren zum Erhöhen der Standzeit von fluiddurchströmten Bauteilen zu schaffen, das besonders einfach und gleichzeitig höchst effektiv ist. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 und ins besondere dadurch, dass zumindest zwei Ultraschallwandler an dem Bauteil an gekoppelt werden und gleichzeitig derart betrieben werden, dass sich die Fre quenzen des von jedem Ultraschallwandler erzeugten Ultraschalls voneinander unterscheiden, insbesondere um etwa 100 bis 2000 Hz. Überraschenderweise hat sich nämlich herausgestellt, dass - im Gegensatz zu Anwendungen, bei denen Gegenstände im Tauchbad mittels Ultraschall gereinigt werden - eine Anregung mehrerer an das Bauteil direkt angekoppelter Ultraschallwandler mit geringfügig voneinander verschiedenen Frequenzen im laufenden Betrieb außergewöhnlich gute Ergebnisse zeigt. Dennoch ist die Erfindung nicht auf einen solchen Betrieb mit sich geringfügig unterscheidenden Anregungsfrequenzen beschränkt.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich als besonders wirksam für die Anwen dung bei Wärmetauschern im petrochemischen Bereich herausgestellt, bei denen beispielsweise Öl, Bitumen oder Gasöl bei Temperaturen im Bereich von etwa 300°C den Wärmetauscher durchströmt. Im Gegensatz zu Versuchen, bei denen die Frequenzen der Ultraschallwandler variiert werden oder bei denen die Ultra schallwandler getaktet oder abwechselnd betrieben werden, hat sich eine Verfah rensweise als besonders vorteilhaft herausgestellt, bei der mehrere Ultraschall wandler, insbesondere vier Ultraschallwandler, gleichzeitig und derart betrieben werden, dass sich alle (vier) Frequenzen des erzeugten Ultraschalls voneinander unterscheiden, insbesondere um etwa 100 bis 2000 Hz.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich die Standzeit von fluiddurch- strömten Bauteilen deutlich erhöhen, d.h. der Zeitraum, währenddessen das Bau teil ohne Wartung unterbrechungsfrei benutzt werden kann, lässt sich deutlich ver längern. Hierdurch kann insgesamt die Lebensdauer der Bauteile verlängert wer den und erforderliche Wartungsintervalle lassen sich bis auf ein Minimum reduzie ren. Gleichzeitig lässt sich auch der Wirkungsgrad von Wärmetauschern erhöhen, da nach erfolgter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zunächst eine Reinigung erfolgt und im laufenden Betrieb dafür gesorgt wird, dass sich uner wünschte Anlagerungen nur in verringertem Umfang an den von Fluid durchström ten Flächen ansetzen.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind nachstehend beschrieben.

So kann es - wie bereits erwähnt - besonders vorteilhaft sein, wenn jeder Ultra schallwandler mit konstanter Frequenz betrieben wird, was nicht nur die Ansteue rung vereinfacht sondern auch die Effizienz erhöht.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann zunächst die Eigenfre quenz des zu reinigenden Bauteils ermittelt werden, woraufhin dann einer der Ult raschallwandler mit der ermittelten Eigenfrequenz betrieben wird. Mittels Anregung und Messung unter Verwendung von Ultraschall kann beispielsweise zunächst die Eigenfrequenz eines Bündelwärmetauschers zu 21 ,5 kFIz ermittelt werden. Zur Reinigung können dann vier Ultraschallwandler so betrieben werden, dass diese im laufenden Betrieb Ultraschall mit vier sich geringfügig unterscheidenden Fre quenzen von beispielsweise 21 ,5 kFIz, 21 ,6 kFIz, 21 ,7 kFIz und 21 ,8 kFIz erzeugen.

Da erfindungsgemäß mehrere nahe beieinander liegende Frequenzen für die Ult raschallanregung eingesetzt werden, ist das erfindungsgemäße Verfahren auch dann sehr effektiv, wenn sich die ursprünglich ermittelte Eigenfrequenz beispiels weise aufgrund unterschiedlicher Temperaturen oder aufgrund unterschiedlicher Strömungsfluide etwas verschiebt. In diesem Fall muss nämlich keine erneute Er mittlung der Eigenfrequenz erfolgen und es muss auch keine Nachregelung der Ultraschallfrequenzen durchgeführt werden, da aufgrund der leicht unterschiedli chen Anregungsfrequenzen auch bei einer Verschiebung der Eigenfrequenz stets eine passende Anregung erfolgt. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann es hierzu vorteilhaft sein, wenn die Ultraschallwandler über eine gemeinsame Steuerung betrieben werden, mit der die sich voneinander unterscheidenden Frequenzen eingestellt und über wacht werden.

Nach einerweiteren vorteilhaften Ausführungsform kann zumindest ein Ultra schallwandler an das zu reinigende Bauteil über ein Koppelelement angekoppelt werden, das mit mehreren Kühlkanälen versehen ist, die mit Kühlluft durchströmt werden. Ein solches Koppelelement koppelt in dem Bauteil entstehende Rück schwingungen gegenüber dem Ultraschallwandler ab. Durch eine Kühlung dieses Koppelelements lässt sich ein stabiler Dauerbetrieb erzielen. Die Kühlluft kann hierbei zusätzlich durch mit Düsen versehene Lanzen oder dergleichen in die Kühlkanäle eingeblasen werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Kühlluft in benachbar te Kühlkanäle eingeblasen werden, die quer zueinander verlaufen, wodurch eine gleichmäßige und effektive Kühlung des Koppelelements bewirkt wird. Hierbei kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn sich benachbarte Kühlkanäle nicht schneiden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann ein Koppelelement ver wendet werden, das einen sich quer zu den Kühlkanälen erstreckenden Verbin dungskanal aufweist, wobei sich dieser insbesondere über die gesamte Längser streckung des Koppelelements erstrecken kann. Ein derartiger Axialkanal verbes sert das Verfahren in zweierlei Hinsicht, da er einerseits die zur Kühlung des Kop pelelementes zur Verfügung stehende Oberfläche vergrößert. Andererseits hat sich herausgestellt, dass ein solcher Axialkanal ein verbessertes Schwingungs verhalten des Koppelelementes bewirken kann. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann bei dem Verfahren ein Koppelelement verwendet werden, dessen axiale Länge gleich einem ganzzahli gen Vielfachen oder einem ganzzahligen Bruchteil des Produkts aus der Schallge schwindigkeit des Koppelelements und einer der im Betrieb verwendeten Fre quenzen ist. Unter der Schallgeschwindigkeit des Koppelelements wird hierbei die in dem Material des Koppelelements für die Longitudinal-Welle vorherrschende Schallgeschwindigkeit verstanden. Diese beträgt beispielsweise für ein Kop pelelement aus Titan etwa 6.100 m/s, so dass sich bei einer Anregungsfrequenz von 20 kHz eine axiale Länge von etwa 30 cm oder 60 cm oder 15 cm ergibt.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann jeder Ultraschallwandler über ein Koppelelement angekoppelt werden, dessen Länge an die Betriebsfre quenz des angekoppelten Ultraschallwandlers angepasst ist. In diesem Fall wer den Koppelelemente mit geringfügig unterschiedlichen Längen verwendet, die an das Material des Koppelelements und an die Frequenz des Ultraschallwandlers angepasst sind.

Nach einerweiteren vorteilhaften Ausführungsform können die Ultraschallwandler durch Anschrauben, Verklemmen oder magnetisch an das Bauteil angekoppelt werden. Sofern die Möglichkeit des Einbringens eines Gewindes in das Bauteil nicht besteht, kann vorteilhafterweise eine Klemmvorrichtung vorgesehen werden, an welcher der Ultraschallwandler befestigt ist und mit welcher dieser schallüber tragend an das Bauteil angekoppelt werden kann. Eine weitere rasch zu montie rende Variante ist bei Verwendung einer Magnethalterung gegeben, die sich nach Durchführung von Versuchen erstaunlicherweise als geeignet herausgestellt hat, den Ultraschallwandler auch im laufenden Betrieb fest an dem Bauteil zu fixieren. Eine besonders einfache Montage kann dabei beispielsweise über eine Magnet halterung erfolgen, die mit einem Ende des vorstehend beschriebenen Kop pelelementes verschraubt ist. Nach einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Koppelelement zur Verwendung in einem Verfahren der vorstehend beschriebenen Art, umfas send einen zylindrischen Grundkörper, in den mehrere axial voneinander beab- standete Kühlkanäle eingebracht sind, wobei benachbarte Kühlkanäle quer zuei nander verlaufen und sich nicht schneiden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform eines solchen Koppelelements kann eine ungerade Anzahl an Kühlkanälen vorgesehen sein, was das Schwingungsverhal ten des Koppelelements und die entkoppelnde Wirkung vorteilhaft beeinflusst.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können benachbarte Kühlka näle in Axialrichtung den gleichen Abstand aufweisen. Dies beeinflusst ebenfalls das Schwingungsverhalten positiv.

Nachfolgend werden zwei Komponenten zur Durchführung des erfindungsgemä ßen Verfahrens beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Koppelelements;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Ultraschallwandlers, der mit Hilfe einer Klemmvorrichtung an einem Bauteil befestigt ist;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein Koppelelement; und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines mit einer Magnethalte rung versehenen Koppelelements.

Fig. 1 zeigt ein Koppelelement 10, das aus einem zylindrischen Grundkörper 12 besteht, der als Vollzylinder ausgebildet ist. Das Koppelelement 10 weist eine un gerade Anzahl von Kühlkanälen und bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel insgesamt fünf Kühlkanäle 14 und 16 auf, die benachbart zueinander angeordnet sind und quer, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel insbesondere rechtwink lig zueinander verlaufen. Die Kühlkanäle sind als zylindrische Bohrungen ausge bildet, die sich nicht schneiden. Wie Fig. 1 zeigt, verlaufen einerseits die drei Kühl kanäle 14 und andererseits die beiden Kühlkanäle 16 jeweils parallel zueinander, wobei benachbarte Kühlkanäle in Axialrichtung gleich beabstandet sind. An den beiden Enden des Koppelelementes sind außenseitig jeweils Schlüsselflächen vorgesehen, um eine Montage angrenzender Bauteile zu erleichtern.

Fig. 2 zeigt eine etwas andere (längere) Ausführungsform eines Koppelelements 10', über welches ein Ultraschallwandler 20 an ein Bauteil 22 angekoppelt ist. Zur Ankopplung ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Klemmvorrichtung 24 vorge sehen, die eine Basis 26 aufweist, an welcher der Ultraschallwandler 20 sowie eine Zwingenhalterung 28 befestigt sind. An der Zwingenhalterung 28 ist ein Klemmhebel 30 verschiebbar befestigt, so dass die Klemmvorrichtung 24 nach Art einer Schraubzwinge an das Bauteil 22 angelegt und durch Umklappen des He- bels 30 mit dem Bauteil 22 verspannt werden kann.

Fig. 3 zeigt eine alternative Befestigungsmöglichkeit für ein Koppelelement 10 mit Hilfe eines Magnetfußes 40, der mit dem Koppelelement 10 verschraubt ist. Im Übrigen ist das Koppelelement von Fig. 3 so wie das von Fig. 1 ausgebildet.

Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch ein weiteres Koppelelement, das bis auf die an den Enden vorgesehenen Schlüsselflächen dem Koppelelement 10 von Fig. 1 entspricht. Auch dieses Koppelelement 10 weist einen zylindrischen Grundkörper 12 auf, in den mehrere axial voneinander beabstandete Kühlkanäle 14 und 16 eingebracht sind, die quer, bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel rechtwink lig, zueinander verlaufen. Wie aus der Schnittdarstellung von Fig. 4 zu erkennen ist, schneiden sich benachbarte Kühlkanäle 14 und 16 nicht. Allerdings sind diese durch einen durch die Mittelachse des Koppelelements 10 verlaufenden Axialkanal 18 miteinander verbunden. Dieser ist mittig in dem Koppelelement vorgesehen, weist etwa den gleichen Querschnitt wie die Kühlkanäle auf und erstreckt sich vollständig durch den Grundkörper 12 hindurch bis zu den beiden Stirnseiten des zylindrischen Grundkörpers 12. Im Bereich des Austritts des Axialkanals 18 ist in den Grundkörper jeweils ein Gewinde eingebracht, um das Koppelelement 10 mit einem Bauteil verschrauben zu können, oder um eine anderweitige Haltung, bei spielsweise den Magnetfuß 40 befestigen zu können. Das andere Ende des Kop pelelements kann dann mit dem Ultraschallwandler 20 verschraubt werden.