BR102019013736A2

BR102019013736A2 - ANTI-SCALING SYSTEM.

Info

Publication number: BR102019013736A2
Application number: BR102019013736-3A
Authority: BR
Inventors: Valdemir Alexandre Dos Santos; Bruno Maciel Do Nascimento; Andrea Karla Pereira Da Silva; Renata Laranjeiras Gouveia; Múcio Luiz Banja Fernandes; Adriana De Andrade Nacentes Da Silva
Original assignee: Termopernambuco S/A; Instituto Avançado De Tecnologia E Inovação - Iati
Priority date: 2019-07-02
Filing date: 2019-07-02
Publication date: 2021-01-12

Abstract

“sistema antiincrustação” a presente invenção se refere a um sistema eletroeletrônico gerador de ondas ultrassônicas, com a finalidade de inibir incrustação de superfícies metálicas em contato com águas marinhas, em tubulação localizada acima do nível do mar.“Anti-fouling system” the present invention refers to an electro-electronic system that generates ultrasonic waves, with the purpose of inhibiting fouling of metallic surfaces in contact with marine waters, in pipes located above sea level.

Description

ANTI-SCALING SYSTEM.

FIELD OF THE INVENTION

[001] A presente invenção está no campo de sistemas anti-incrustação utilizando vibrações mecânicas.[001] The present invention is in the field of anti-fouling systems using mechanical vibrations.

FUNDAMENTALS

[002] Hoje em dia, na busca de processos ambientalmente amigáveis, e a fim de resolver problemas com incrustações por depósito de sedimentação, vários sistemas e métodos vêm sendo estudados. Entretanto, a maioria deles afeta, de alguma forma, a vida marinha.[002] Nowadays, in the search for environmentally friendly processes, and in order to solve problems with deposits of sedimentation deposits, several systems and methods have been studied. However, most of them affect marine life in some way.

[003] O documento KR101903020 3 descreve um aparelho para reduzir incrustação usando onda ultrassônica, em que o meio de propagação das ondas é a própria água do mar.[003] Document KR101903020 3 describes a device to reduce fouling using ultrasonic wave, in which the wave propagation medium is sea water itself.

[004] O documento US 5,532,980 descreve um sistema anti-incrustação vibracional que utiliza um efeito eletromagnético, cuja vibração de um diafragma se propaga através da água do mar.[004] US 5,532,980 describes a vibrational antifouling system that uses an electromagnetic effect, the vibration of which a diaphragm propagates through seawater.

[005] Os documentos encontrados no estado da técnica utilizam a vibração das ondas através da água para evitar a incrustação.[005] The documents found in the state of the art use the vibration of the waves through the water to prevent encrustation.

[006] O objetivo do presente pedido foi desenvolver uma solução ecoeficiente para inibição de incrustação por cracas ou quaisquer outros organismos capazes de se ligarem a qualquer peça ou parte que esteja em ambiente sub-aquático, que ocorrem de forma ininterrupta, ou seja, sem sazonalidade nos ciclos reprodutivos. Estas incrustações podem comprometer, p.ex. mas não limitado ao mesmo, o resfriamento de um condensador de uma usina termelétrica (UTE), acarretando em perdas técnicas e econômicas.[006] The purpose of the present application was to develop an eco-efficient solution for inhibiting fouling by barnacles or any other organisms capable of attaching to any part or part that is in the underwater environment, occurring uninterruptedly, that is, without seasonality in reproductive cycles. These incrustations can compromise, for example, but not limited to, the cooling of a condenser in a thermoelectric plant (UTE), resulting in technical and economic losses.

[007] A solução para problema de incrustação por organismos vivos, tais como mas não limitados a, p.ex. cracas, é obtida com auxílio de vibrações mecânicas na superficie do substrato metálico (paredes internas de tubulações) por ondas ultrassônicas. Tais ondas são geradas com auxílio de um transdutor angular-circular, atendendo um direcionamento de 360°. O referido transdutor opera com uma inclinação um pouco abaixo da denominada crítica (Lei de Snell), para o cristal piezoelétrico. Dessa forma, ocorre um direcionamento das ondas ultrassônicas para atingir uma área bem maior que a atingida por um transdutor com feixe de ondas ultrassônicas normal à superficie da tubulação. O sistema do presente pedido é responsável por um nível baixíssimo de agressão à natureza, uma vez que as ondas ultrassônicas não são detectadas pelos demais animais marinhos.[007] The solution to the problem of fouling by living organisms, such as but not limited to, for example barnacles, is obtained with the aid of mechanical vibrations on the surface of the metallic substrate (inner walls of pipes) by ultrasonic waves. Such waves are generated with the aid of an angular-circular transducer, serving a 360 ° direction. This transducer operates with an inclination slightly below the so-called critic (Snell's Law), for the piezoelectric crystal. This way, ultrasonic waves are directed to reach an area much larger than that reached by a transducer with a beam of ultrasonic waves normal to the surface of the pipe. The system in this application is responsible for a very low level of aggression to nature, since ultrasonic waves are not detected by other marine animals.

DRAWINGS

[008] A Figura 1 mostra o esquema com os principais componentes eletroeletrônicos básicos do circuito gerador de ondas ultrassônicas utilizado no presente pedido.[008] Figure 1 shows the diagram with the main basic electronics components of the ultrasonic wave generator circuit used in the present application.

[009] A Figura 2 mostra o efeito da difração nula sobre um fluxo de ondas ultrassônicas incidente normal a uma chapa metálica, segundo a lei de Snell.[009] Figure 2 shows the effect of zero diffraction on a flow of ultrasonic waves incident to a metal plate, according to Snell's law.

[010] A Figura 3 mostra um corte transversal de um transdutor normal mostrando seus componentes constituintes.[010] Figure 3 shows a cross section of a normal transducer showing its constituent components.

[011] A Figura 4 mostra um corte transversal de um transdutor angular convencional.[011] Figure 4 shows a cross section of a conventional angular transducer.

[012] A Figura 5 mostra o tipo de aplicação atual de um transdutor angular.[012] Figure 5 shows the current application type of an angle transducer.

[013] A Figura 6 mostra o efeito da difração de 90° sobre um fluxo de ondas ultrassônicas incidente com um ângulo crítico em relação a uma chapa metálica, segundo a lei de Snell.[013] Figure 6 shows the effect of 90 ° diffraction on a flow of ultrasonic waves incident at a critical angle in relation to a metal plate, according to Snell's law.

[014] A Figura 7 mostra o efeito da difração menor que 90° sobre o fluxo de ondas ultrassônicas incidente com um ângulo menor que o ângulo crítico, conforme a lei de Snell.[014] Figure 7 shows the effect of diffraction less than 90 ° on the flow of incident ultrasonic waves with an angle less than the critical angle, according to Snell's law.

[015] A Figura 8 mostra um corte transversal de um transdutor angular-circular com direcionamento de 360° elaborado para atender ao uso específico de inibir bioincrustação por biofouling na superficie de uma chapa metálica em contato com água do mar.[015] Figure 8 shows a cross section of an angular-circular transducer with 360 ° direction designed to meet the specific use of inhibiting bio-fouling by biofouling on the surface of a metal plate in contact with seawater.

[016] A Figura 9 mostra uma vista isométrica do protótipo em escala de bancada de um sistema de resfriamento interno de turbinas de usina termelétrica para utilização de água do mar.[016] Figure 9 shows an isometric view of the bench scale prototype of an internal cooling system for thermoelectric power plant turbines for the use of sea water.

DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

[017] O som é uma onda viajante ou uma oscilação de pressão transmitida através de um sólido, líquido ou gás, composto de frequências dentro da faixa de audição e de um nível suficientemente forte para ser ouvido, ou a sensação estimulada em órgãos de audição por tais vibrações. Geralmente, as vibrações mecânicas criam ondas sonoras ou de pressão em um meio elástico, transferindo energia para o meio e para qualquer objeto em contato com o som. O alcance humano típico para o som audível é de 20 Hz a 20 kHz; há também ondas ultrassônicas e ondas infrassônicas que estão além das escalas audíveis do ser humano. Infrassom é a onda sonora abaixo de 20 Hz, enquanto ultrassom, na sua definição mais básica, refere-se às ondas de pressão com frequência de 20 kHz ou mais, que está acima da faixa audível dos humanos.[017] Sound is a traveling wave or an oscillation of pressure transmitted through a solid, liquid or gas, composed of frequencies within the hearing range and at a level strong enough to be heard, or the sensation stimulated in hearing organs by such vibrations. Generally, mechanical vibrations create sound or pressure waves in an elastic medium, transferring energy to the medium and to any object in contact with the sound. The typical human range for audible sound is 20 Hz to 20 kHz; there are also ultrasonic waves and infrasonic waves that are beyond the audible scales of the human being. Infrasound is the sound wave below 20 Hz, while ultrasound, in its most basic definition, refers to pressure waves with a frequency of 20 kHz or more, which is above the audible range of humans.

[018] Quanto à forma de propagação das ondas ultrassônicas é importante salientar que as partículas do meio em que se propaga a energia não caminham junto com a onda e sim executam um movimento de vibração ao longo de um eixo orientado. Em uma onda que se propaga longitudinalmente as partículas do meio vibram na mesma direção da propagação da onda. Nas ondas longitudinais existem compressões de planos de partículas e entre eles, encontram-se “zonas diluídas”. As distâncias entre duas zonas de compressão determinam o comprimento de onda (λ) da onda longitudinal.[018] Regarding the form of propagation of ultrasonic waves, it is important to note that the particles in the medium in which the energy propagates do not walk along with the wave, but perform a vibration movement along an oriented axis. In a longitudinally propagating wave, the particles in the medium vibrate in the same direction as the wave propagates. In the longitudinal waves there are compressions of planes of particles and between them, there are “diluted zones”. The distances between two compression zones determine the wavelength (λ) of the longitudinal wave.

[019] As zonas de compressão e de diluição movem-se através do corpo de prova com uma certa velocidade denominada longitudinal. A velocidade de onda transversal é aquela na qual as partículas do meio vibram na direção perpendicular ao de propagação longitudinal. Neste caso, observa-se que os planos das partículas se mantêm na mesma distância um do outro, movendo-se apenas perpendicularmente à direção longitudinal. A velocidade transversal do som também é uma constante do material. Da mesma forma anterior, a velocidade de propagação de uma onda transversal pode ser calculada em função das características físicas de um material.[019] The compression and dilution zones move through the specimen with a certain speed called longitudinal. The transverse wave velocity is that in which the particles of the medium vibrate in the direction perpendicular to that of longitudinal propagation. In this case, it is observed that the planes of the particles remain at the same distance from each other, moving only perpendicular to the longitudinal direction. The transverse speed of sound is also a constant of the material. Likewise, the velocity of propagation of a transverse wave can be calculated according to the physical characteristics of a material.

[020] Outros tipos ondas, consideradas secundárias, mas muito importante para o controle de incrustações em chapas metálicas são as ondas superficiais. São assim chamadas, pela característica de se propagarem na superficie dos materiais. Sua vibração é uma combinação dos modos de vibração longitudinal e transversal, e dividem-se em:

• Ondas de Raleigh - As quais se apresentam em movimento elíptico e se propagam exclusivamente na superfície do sólido em movimento elíptico, cuja espessura é maior que o próprio comprimento de onda. A velocidade de propagação das ondas de Raleigh é aproximadamente 10% inferior a velocidade de uma onda transversal, considerando o mesmo material de ensaio.
• Ondas de Love - Propagam-se na superfície do material, sem componente normal. Apresentam um movimento paralelo à superfície, e transversal em relação à direção de propagação do feixe de ondas longitudinais. São uma espécie de ondas transversais de superfície. Sua aplicação restringe-se à inspeção de camadas finas de materiais que recobrem outros materiais (por exemplo, chapas galvanizadas ou com eletrodeposição).
• Ondas de Lamb - Quando a espessura do material é igual ou aproximadamente igual ao comprimento de onda, tem-se as ondas de Lamb. Elas também podem ser responsáveis pelo movimento perpendicular à superfície do material, podendo ser simétrica ou assimétrica.

[020] Other types of waves, considered secondary, but very important for the control of incrustations in sheet metal are surface waves. They are so called, due to the characteristic of propagating on the surface of the materials. Its vibration is a combination of the longitudinal and transverse vibration modes, and are divided into:

• Raleigh waves - Which are presented in elliptical movement and propagate exclusively on the surface of the solid in elliptical movement, whose thickness is greater than the wavelength itself. The propagation speed of Raleigh waves is approximately 10% lower than the speed of a transverse wave, considering the same test material.
• Waves of Love - Propagate on the surface of the material, without a normal component. They have a movement parallel to the surface, and transversal in relation to the direction of propagation of the longitudinal wave bundle. They are a kind of transverse surface waves. Its application is restricted to the inspection of thin layers of materials that cover other materials (for example, galvanized sheets or electroplated).
• Lamb waves - When the material thickness is equal or approximately equal to the wavelength, there are Lamb waves. They can also be responsible for the movement perpendicular to the material surface, and can be symmetrical or asymmetrical.

[021] Em um ensaio ultrassônico de materiais com ondas superficiais, como é o de um possível controle de incrustações, a propagação das ondas principais, como as longitudinais ou transversais, sejam paralelas às superfícies expostas ao biofouling. Deve-se ajustar as condições do comprimento da chapa metálica para o de propagação máxima. Somente assim, as ondas superficiais poderão atuarem em uma área maior e proporcionarem uma maior razão potência elétrica/área sem incrustação. Desta forma, associação das ondas longitudinais e ondas superficiais é notada.[021] In an ultrasonic test of materials with surface waves, such as that of a possible scale control, the propagation of the main waves, such as longitudinal or transversal ones, are parallel to the surfaces exposed to biofouling. The conditions of the length of the sheet metal must be adjusted to that of maximum propagation. Only then, the surface waves can act in a larger area and provide a greater electric power / area ratio without fouling. Thus, an association of longitudinal and surface waves is noted.

[022] A incrustação biológica, também chamada de incrustação biológica, é a formação indesejável de organismos e vegetais marinhos numa superfície imersa em água. O acúmulo de incrustação aumenta o arrasto causado pela água que passa pela superfície. Este fenômeno pode causar o bloqueio de tubos de entrada e trocadores de calor, e pode resultar em biocorrosão. A incrustação biológica é um problema significativo para todas as estruturas marinhas, como navios, plataformas costeiras, trocadores de calor e sensores oceanográficos.[022] Biological fouling, also called biological fouling, is the undesirable formation of marine organisms and plants on a surface immersed in water. The build-up of fouling increases the drag caused by water passing through the surface. This phenomenon can cause blockage of inlet tubes and heat exchangers, and can result in biocorrosion. Biological fouling is a significant problem for all marine structures, such as ships, coastal platforms, heat exchangers and oceanographic sensors.

[023] As ondas ultrassônicas, assim como qualquer outro tipo de ondas mecânicas, são fenômenos dependentes das dimensões espaço-tempo. A forma do campo ultrassônico depende das dimensões e da frequência da fonte. A energia com a qual a onda ultrassônica propaga-se através de um meio diminui, assim como sua pressão acústica, uma vez que ambos também dependem das propriedades desse meio. Esta queda é causada por:

- Divergência do feixe de onda;
- Processos de absorção de energias;
- Processos de espalhamento (reflexões, refração e difração de ondas para as vizinhanças dos grãos, inclusões, porosidade, etc.) e;
- Perdas através das superfícies do meio em que se propaga.

[023] Ultrasonic waves, like any other type of mechanical waves, are phenomena dependent on space-time dimensions. The shape of the ultrasonic field depends on the dimensions and frequency of the source. The energy with which the ultrasonic wave propagates through a medium decreases, as does its sound pressure, since both also depend on the properties of that medium. This drop is caused by:

- Divergence of the wave beam;
- Energy absorption processes;
- Scattering processes (reflections, refraction and diffraction of waves to the vicinity of grains, inclusions, porosity, etc.) and;
- Losses through the surfaces of the medium in which it spreads.

[024] Dessa forma, um dos principais problemas da aplicação de ondas ultrassônicas é que a eficiência da redução da incrustação diminui com a distância do transdutor, à medida que as ondas são atenuadas quando se propagam.[024] Thus, one of the main problems of applying ultrasonic waves is that the efficiency of scaling reduction decreases with the distance of the transducer, as the waves are attenuated when they propagate.

[025] A biocorrosão pode ser causada pela incrustação biológica, que afeta a integridade das estruturas em contato com a água do mar. Em consequência, existem custos de manutenção, perda no tempo de operação e produção de resíduos tóxicos associados ao tratamento desses problemas de incrustação biológica. As preocupações ambientais, associadas à toxicidade dos revestimentos desenvolvidos como uma das técnicas de combate ao biofouling, levaram a estudos sobre métodos alternativos de controle de bioincrustação, que incluem técnicas acústicas.[025] Biocorrosion can be caused by biological encrustation, which affects the integrity of structures in contact with seawater. As a result, there are maintenance costs, lost operating time and the production of toxic waste associated with the treatment of these biological scale problems. Environmental concerns, associated with the toxicity of coatings developed as one of the techniques to combat biofouling, have led to studies on alternative methods of bio-encrustation control, which include acoustic techniques.

[026] Os métodos anti-incrustantes acústicos podem fornecer uma alternativa não tóxica para a prevenção da incrustação biológica. As aplicações que foram estudadas incluem a inibição de incrustação biológica de cascos de navios, em tubulações e tratamento de água de lastro. Os métodos utilizados podem ser divididos em dois grupos; sistemas de emissão de ondas ultrassônicas e de áudio.[026] Acoustic antifouling methods can provide a non-toxic alternative for preventing biological fouling. The applications that have been studied include the inhibition of biological encrustation of ship hulls, in pipelines and ballast water treatment. The methods used can be divided into two groups; systems for emission of ultrasonic waves and audio.

[027] Foram realizados estudos de anti-incrustação utilizando-se métodos acústicos em várias faixas de frequência ultrassônica. Observou-se em vários ensaios um sucesso para freqüências ultrassônicas mais baixas para prevenir o crescimento de bioincrustação.[027] Anti-fouling studies have been carried out using acoustic methods in various ultrasonic frequency ranges. Success in lower ultrasonic frequencies has been observed in several tests to prevent the growth of bio-encrustation.

[028] O efeito do ultrassom no controle de incrustações marinhas induzidas por cracas tem sido extensivamente estudado. Estudos laboratoriais têm mostrado que frequências nas ordens de dezenas de kHz matam eficientemente larvas de cracas. No teste de campo, a faixa de frequência de ultrassom entre 20 e 100 kHz foi eficaz, sendo o mais eficaz o de 23 kHz. O efeito de cavitação induzida por ultrassom também foi usado para pulverizar larvas de cracas.[028] The effect of ultrasound on the control of marine incrustations induced by barnacles has been extensively studied. Laboratory studies have shown that frequencies in the order of tens of kHz efficiently kill barnacle larvae. In the field test, the ultrasound frequency range between 20 and 100 kHz was effective, with 23 kHz being the most effective. The ultrasound-induced cavitation effect was also used to spray barnacle larvae.

[029] Vários transdutores podem ser usados juntos como uma matriz para otimizar o ganho geral. A geometria de posicionamento e o espaçamento dos transdutores precisam ser considerados, devido aos efeitos de interferência construtiva ou destrutiva. A interferência destrutiva pode produzir áreas de alto coeficiente de atenuação, reduzindo potencialmente o efeito de prevenção à bioincrustação. A eficiência pode diminuir com o aumento da distância dos locais do transdutor, mas essas distâncias precisam ser otimizadas.[029] Several transducers can be used together as a matrix to optimize the overall gain. The positioning geometry and spacing of the transducers need to be considered, due to the effects of constructive or destructive interference. Destructive interference can produce areas of high attenuation coefficient, potentially reducing the effect of preventing bio-encrustation. Efficiency may decrease with increasing distance from the transducer locations, but these distances need to be optimized.

[030] Os sistemas anti-incrustantes que usam frequências de áudio podem ter um impacto negativo na vida marinha, já que estão na faixa de frequência da maioria das espécies marinhas. Métodos de incrustação acústicos, que usam ultrassom, também podem gerar sinais de frequência de áudio. Esses sinais são fortuitos e também estão propensos a causar danos nos tecidos auditivos na fauna marinha. Uma vez que esses sinais sejam normalmente usados dentro de tubulações, isso pode ter efeitos indesejáveis, especialmente se a seção do tubo que está sendo utilizado para inibir incrustação biológica esteja imersa na água.[030] Antifouling systems that use audio frequencies can have a negative impact on marine life, as they are in the frequency range of most marine species. Acoustic fouling methods, which use ultrasound, can also generate audio frequency signals. These signals are fortuitous and are also likely to cause damage to hearing tissues in marine fauna. Since these signals are normally used inside pipes, this can have undesirable effects, especially if the section of the pipe being used to inhibit biological fouling is immersed in water.

[031] A incrustação biológica em estruturas marinhas é caracterizada por dois eventos críticos: a formação de biofilmes, que inclui adsorção física reversível, adesão secundária irreversível e, depois, proliferação dos microorganismos; e o assentamento e crescimento de esporos ou larvas dos macroorganismos.[031] Biological encrustation in marine structures is characterized by two critical events: the formation of biofilms, which includes reversible physical adsorption, irreversible secondary adhesion and, later, proliferation of microorganisms; and the settlement and growth of spores or larvae of macroorganisms.

[032] A exposição ao ultrassom de chapas metálicas, dentro de tanques contendo águas oceânicas em circulação, afetou de forma significativa a incrustação das larvas de cracas sobre um substrato metálico. As referidas chapas representaram as paredes internas da uma tubulação ou o casco de embarcações. Uma maior eficiência contra o biofouling foi demonstrada para frequência de 23 kHz. Quando exposto ao ultrassom de 23 kHz por 300 s a uma pressão de 20 kPa, o biofouling foi reduzido por um fator de dois e a mortalidade foi aumentada por um fator de três. Estas alterações foram provavelmente uma consequência dos organismos que sofreram danos físicos, presumivelmente induzidos por cavitação e pelas forças de cisalhamento líquidas geradas pelas ondas ultrassônicas, concluíram os referidos autores. Entretanto, mais estudos são necessários para elucidar qualquer dano induzido pelo ultrassom à carapaça do cípride e suas antenas, incluindo seus órgãos sensoriais e discos de fixação. Estes estudos ainda podem esclarecer os mecanismos responsáveis pela viabilidade reduzida dos ciprestes e pela inibição da incrustação.[032] Exposure to ultrasound of metallic plates, inside tanks containing circulating ocean waters, significantly affected the incrustation of barnacle larvae on a metallic substrate. Said plates represented the internal walls of a pipe or the hull of vessels. Greater efficiency against biofouling was demonstrated for a frequency of 23 kHz. When exposed to 23 kHz ultrasound for 300 s at a pressure of 20 kPa, biofouling was reduced by a factor of two and mortality was increased by a factor of three. These changes were probably a consequence of organisms that suffered physical damage, presumably induced by cavitation and by the liquid shear forces generated by ultrasonic waves, the authors concluded. However, further studies are needed to elucidate any ultrasound-induced damage to the cyprid carapace and its antennae, including its sensory organs and fixation discs. These studies can still clarify the mechanisms responsible for the reduced viability of cypress trees and for inhibiting fouling.

[033] Como conclusão de todos os estudos realizados no estado da técnica, o uso do ultrassom mostrou-se promissor como uma tecnologia de prevenção de incrustações, particularmente como substituto de revestimentos biocidas em superfícies com baixo fluxo de cisalhamento. A incorporação de uma compreensão adequada dos mecanismos de ação no projeto de engenharia deve permitir a otimização da aplicação de ultrassom, limitando, ao mesmo tempo, qualquer efeito ambiental indesejado. Isso pode resultar em uma estratégia de prevenção anti-incrustante prática e ambientalmente segura.[033] As a conclusion of all the studies carried out in the state of the art, the use of ultrasound has shown promise as a fouling prevention technology, particularly as a substitute for biocidal coatings on surfaces with low shear flow. The incorporation of an adequate understanding of the action mechanisms in the engineering design should allow the optimization of the ultrasound application, while limiting any unwanted environmental effects. This can result in a practical and environmentally safe antifouling prevention strategy.

[034] A presente invenção diferencia-se do estado da técnica, por dois pontos básicos:[034] The present invention differs from the state of the art by two basic points:

[035] - O primeiro ponto baseia-se em que todas as aplicações de ultrassom no estado da técnica, voltadas para a inibição de biofouling, até a presente data, têm sido realizadas com transdutores normais. No presente pedido, utiliza-se um transdutor angular-circular, obtendo-se um fluxo de ondas ultrassônicas superficiais de maior intensidade do que com um transdutor normal e consequente aumento do efeito de inibição da incrustação.[035] - The first point is based on the fact that all ultrasound applications in the state of the art, aimed at inhibiting biofouling, until the present date, have been performed with normal transducers. In the present application, an angular-circular transducer is used, obtaining a flow of superficial ultrasonic waves of greater intensity than with a normal transducer and a consequent increase in the fouling inhibition effect.

[036] - O segundo ponto é de que a energização do sistema não é ininterrupta, ocorrendo paralizações intermitentes, podendo-se variar esses intervalos de tempo de funcionamento, de acordo com o tipo de microorganismo predominante na fauna incrustante.[036] - The second point is that the energization of the system is not uninterrupted, with intermittent interruptions, with the possibility of varying these operating time intervals, according to the type of microorganism prevalent in the fouling fauna.

[037] A combinação dessas duas condições operacionais atua no stress mecânico, elevando a duração da vida da chapa metálica e reduzindo os custos operacionais.[037] The combination of these two operating conditions acts on mechanical stress, increasing the life span of the metal sheet and reducing operating costs.

[038] A presente invenção trata-se de um sistema eletroeletrônico gerador de ondas ultrassônicas, com a finalidade de inibir incrustação de superfícies metálicas em contato com águas marinhas, em tubulação localizada acima do nível do mar. O referido sistema é composto de um circuito gerador de ondas ultrassônicas, transdutores e cabo de conexão de cada transdutor com o circuito gerador.[038] The present invention is an electro-electronic system that generates ultrasonic waves, with the purpose of inhibiting the fouling of metallic surfaces in contact with marine waters, in pipes located above sea level. This system is composed of an ultrasonic wave generator circuit, transducers and connection cable of each transducer with the generator circuit.

[039] O circuito conversor de eletricidade em ondas ultrassônicas funciona com auxílio de um gerador, o qual converte a tensão de uma fonte de alimentação de 110/220 Volts, 50/60 Hz, em frequência de 20 a 40 kHz e tensão de 1000 a 1800 Volts (Figura 1). O referido sinal é aplicado a uma cerâmica piezoeléctrica, a qual converterá o sinal em oscilações mecânicas. Estas oscilações serão amplificadas pelo conversor, criando assim uma espécie de “martelo”. O circuito da Figura 1 transforma energia elétrica em vibração mecânica de alta frequência (30 a 47 kHz). Os elementos ativos são geralmente de cerâmica piezelétrica e ficam instalados num dispositivo denominado transdutor. O sistema eletrônico completo possui um componente temporizador que pode ser regulado para atuar por um determinado tempo, de acordo com o tipo de fauna marinha que se deseja inibir.[039] The circuit for converting electricity into ultrasonic waves works with the aid of a generator, which converts the voltage of a 110/220 Volts, 50/60 Hz power supply, into a frequency of 20 to 40 kHz and a voltage of 1000 at 1800 Volts (Figure 1). This signal is applied to a piezoelectric ceramic, which will convert the signal into mechanical oscillations. These oscillations will be amplified by the converter, thus creating a kind of “hammer”. The circuit in Figure 1 transforms electrical energy into high frequency mechanical vibration (30 to 47 kHz). The active elements are generally piezoelectric ceramic and are installed in a device called a transducer. The complete electronic system has a timer component that can be adjusted to act for a certain time, according to the type of marine fauna to be inhibited.

[040] O transdutor é a parte ativa da unidade de geração de ultrassom. Este componente deve ficar em contato com a parte externa da superfície que receberá a onda ultrassônica, transmitindo as vibrações mecânicas causadas pelas ondas ultrassônicas. Este componente promove vibrações das moléculas no interior do meio por onde as ondas ultrassônicas deverão propagar-se. Vários transdutores poderão ser instalados simultaneamente, desde que cada um ocupe uma determinada área e que não haja interferências destrutivas entre os mesmos.[040] The transducer is the active part of the ultrasound generation unit. This component must be in contact with the outer part of the surface that will receive the ultrasonic wave, transmitting the mechanical vibrations caused by the ultrasonic waves. This component promotes vibrations of the molecules inside the medium through which the ultrasonic waves must propagate. Several transducers can be installed simultaneously, as long as each occupies a certain area and there is no destructive interference between them.

[041] Para a confecção de um transdutor angular, um ângulo crítico de incidência da radiação na chapa de aço deve ser determinado, observando-se o seguinte:[041] For the manufacture of an angular transducer, a critical angle of incidence of radiation on the steel plate must be determined, observing the following:

[042] - Quando a incidência do feixe de radiação ultrassônica é normal à superfície da chapa metálica (meio onde ocorre a refração), os ângulos de incidência e de refração são iguais (Figura 2). Isto ocorrem em um transdutor normal (Figura 3).[042] - When the incidence of the ultrasonic radiation beam is normal on the surface of the metal plate (medium where refraction occurs), the incidence and refraction angles are the same (Figure 2). This occurs on a normal transducer (Figure 3).

[043] - Quando a velocidade do ultrassom é maior no meio onde ocorre a refração (chapa de aço) do que no meio incidente (chapa acrílica), o ângulo de refração é maior que o ângulo de incidência, previsto pela Lei de Snell. Este comportamento do ultrassom é utilizado pelos transdutores angulares (Figura 4). Estes transdutores têm sido utilizados para monitoramento de cordões de solda em tubulações (Figura 5).[043] - When the speed of the ultrasound is greater in the medium where the refraction occurs (steel plate) than in the incident medium (acrylic plate), the angle of refraction is greater than the angle of incidence, provided by Snell's Law. This ultrasound behavior is used by angle transducers (Figure 4). These transducers have been used to monitor weld beads in pipes (Figure 5).

[044] - A relação entre os ângulos de incidência e refração e as respectivas velocidades dos feixes de radiação ultrassônica em dois meios diferentes são correlacionados pela lei de Snell:

ou

[044] - The relationship between the incidence and refraction angles and the respective speeds of the ultrasonic radiation beams in two different media are correlated by Snell's law:

or

[045] - Quando um feixe de ultrassom colide muito obliquamente sobre um meio no qual a velocidade do ultrassom é maior, o feixe pode ser refratado para que nenhuma energia de ultrassom entre no meio. O ângulo de incidência no qual a refração não causa a entrada da radiação ultrassônica em um meio é denominado ângulo crítico θc (Figura 6). Para o ângulo crítico, o ângulo de refração é de 90° e o seno de 90° é de 1. Ou seja:

e

[045] - When an ultrasound beam collides very obliquely on a medium in which the ultrasound speed is greater, the beam can be refracted so that no ultrasound energy enters the medium. The angle of incidence at which refraction does not cause ultrasonic radiation to enter a medium is called critical angle θc (Figure 6). For the critical angle, the refractive angle is 90 ° and the sine of 90 ° is 1. That is:

and

[046] Em que sen-1, ou arcsen, refere-se ao ângulo cujo seno é

[046] Where sen-1, or arcsen, refers to the angle whose sine is

[047] - Para qualquer interface em particular, o ângulo crítico depende apenas da velocidade do ultrassom nos dois meios separados pela interface. No caso do sistema proposto nesta patente de invenção o meio de incidência é o acrílico e o meio de refração é o aço carbono.[047] - For any particular interface, the critical angle depends only on the speed of the ultrasound in the two media separated by the interface. In the case of the system proposed in this patent, the incidence medium is acrylic and the refraction medium is carbon steel.

[048] - Para um ângulo de incidência menor que o ângulo crítico, a refração faz com que o feixe de ondas ultrassônicas seja transmitido ao longo do comprimento axial do meio onde ocorrem a refração (Figura 7). Como a chapa é fina, pode-se usar um ângulo de incidência (menor que o ângulo crítico) para aumentar a proteção de incrustação, de cerca de 4 vezes maior que a área determinada pelos testes experimentais com o modelo de bancada. Neste caso utilizar-se-á um transdutor angular-circular sobre a superfície externa da chapa metálica em contato com a água do mar (Figura 8).[048] - For an angle of incidence smaller than the critical angle, the refraction causes the beam of ultrasonic waves to be transmitted along the axial length of the medium where the refraction occurs (Figure 7). As the sheet is thin, an incidence angle (less than the critical angle) can be used to increase the fouling protection, about 4 times greater than the area determined by the experimental tests with the bench model. In this case, an angular-circular transducer will be used on the outer surface of the metal plate in contact with sea water (Figure 8).

[049] Transdutores normais emitem ondas ultrassônicas em uma direção perpendicular à superfície externa da tubulação. O transdutor elaborado para ser utilizado nesta invenção tem formato angular-circular permitindo um aumento do fluxo longitudinal da radiação ultrassônica no entorno do transdutor. De forma conservadora, espera-se com isto uma quadruplicação do efeito inibitório sobre o biofouling.[049] Normal transducers emit ultrasonic waves in a direction perpendicular to the outer surface of the tubing. The transducer designed to be used in this invention has an angular-circular shape allowing an increase in the longitudinal flow of ultrasonic radiation around the transducer. Conservatively, a quadruplication of the inhibitory effect on biofouling is expected.

[050] Foram realizados testes para comprovar e quantificar os efeitos de inibição do biofouling sobre as superfícies metálicas em contato com águas oceânicas. Para isto foi construído um protótipo, em escala de bancada, de um sistema em escala industrial de resfriamento interno de uma turbina de uma Usina Termelétrica (Figura 9). No referido arranjo experimental, uma bomba centrífuga recalca água do mar através do protótipo, composto de uma tubulação de entrada, uma caixa de entrada de água, um trocador de calor simulando um condensador de vapor e uma tubulação de saída. Na confecção da tubulação de entrada teve-se o cuidado de se reproduzir trechos com curvaturas semelhantes à instalação em escala industrial. Dentro da caixa de entrada de água no trocador teve-se a preocupação de se instalar um dispositivo de aquecimento de água, visando a obtenção de condições para a reprodução das cracas.[050] Tests were carried out to prove and quantify the effects of biofouling inhibition on metallic surfaces in contact with ocean waters. For this, a bench-scale prototype was built for an industrial-scale system for internal cooling of a thermoelectric plant turbine (Figure 9). In the aforementioned experimental arrangement, a centrifugal pump presses seawater through the prototype, composed of an inlet pipe, a water inlet box, a heat exchanger simulating a steam condenser and an outlet pipe. In making the inlet piping care was taken to reproduce sections with curvatures similar to the installation on an industrial scale. Inside the water inlet box in the exchanger, the concern was to install a water heating device, aiming at obtaining conditions for the reproduction of barnacles.

[051] O protótipo de bancada foi instalado em uma região às margens do oceano Atlântico, em uma região praieira na cidade de Recife, capital do estado de Pernambuco - Brasil. A temperatura das águas oceânicas no período de realização dos testes não necessitou de aquecimento para a reprodução de cracas.[051] The bench prototype was installed in a region on the shores of the Atlantic Ocean, in a beach region in the city of Recife, capital of the state of Pernambuco - Brazil. The temperature of ocean waters during the period of testing did not require heating for the reproduction of barnacles.

[052] Os testes realizados com o auxílio do protótipo foram de dois tipos. Em uma primeira parte constatou-se um efeito de inibição das ondas ultrassônicas sobre o biofouling. Para isto, manteve-se dentro da caixa de entrada de água do mar duas placas recém-infestadas de cracas, para aumentar a produção de larvas, uma placa conectada a um transdutor ultrassônico normal de 50 W e uma placa livre que serviu de testemunha. Todas as placas foram mantidas submersas. A eficiência da ação da radiação ultrassônica sobre a incrustação foi quantificada pela comparação percentual entre as áreas livres de biofouling, no início e no final do teste. Com o referido transdutor comercial normal de 50 W, convencional, obteve-se uma eficiência de inibição de 91%.[052] The tests carried out with the aid of the prototype were of two types. In the first part, an inhibitory effect of ultrasonic waves on biofouling was found. For this purpose, two freshly infested barnacle plates were kept inside the seawater inlet box to increase the larvae production, one plate connected to a normal 50 W ultrasonic transducer and a free plate that served as a witness. All plates were kept submerged. The efficiency of the action of ultrasonic radiation on the fouling was quantified by the percentage comparison between the biofouling free areas, at the beginning and at the end of the test. With the aforementioned conventional commercial 50 W transducer, an inhibition efficiency of 91% was obtained.

[053] Em uma segunda parte foi realizado um teste para avaliar a relação entre a potência elétrica utilizada na alimentação do transdutor e a área protegida da incrustação, pela ação do transdutor (W/m2). Um transdutor ultrassônico normal de 50 W foi instalado externamente às paredes da caixa de entrada de águas oceânicas do protótipo. Nesta fase a quantificação da ação protetora das ondas ultrassônicas foi realizada pela comparação das áreas livres do biofouling nas paredes internas do protótipo, protegidas pela ação do transdutor. Neste caso foi estimada uma razão entre a potência elétrica e a área protegida pelo transdutor normal, da ordem de 50 W/m2.[053] In a second part, a test was carried out to evaluate the relationship between the electrical power used in the transducer supply and the area protected from encrustation, by the action of the transducer (W / m2). A standard 50 W ultrasonic transducer was installed outside the prototype's ocean water inlet walls. In this phase, the quantification of the protective action of ultrasonic waves was carried out by comparing the free areas of biofouling on the prototype's internal walls, protected by the action of the transducer. In this case, a ratio between the electrical power and the area protected by the normal transducer was estimated, in the order of 50 W / m2.

[054] A partir do descrito, será observado que numerosas modificações e variações podem ser efetuadas sem se afastar do verdadeiro espírito e escopo dos novos conceitos da presente invenção. Deve ser compreendido que nenhuma limitação com relação às modalidades específicas ilustradas é pretendida ou deve ser inferida. A descrição destina-se a cobrir todas as ditas modificações que caiam dentro do escopo da invenção.[054] From the foregoing, it will be observed that numerous modifications and variations can be made without departing from the true spirit and scope of the new concepts of the present invention. It should be understood that no limitation with respect to the specific modalities illustrated is intended or should be inferred. The description is intended to cover all said modifications that fall within the scope of the invention.

Claims

Anti-fouling system characterized by being composed of an ultrasonic wave generator circuit, transducers and connection cable of each transducer with the generator circuit.

Anti-fouling system according to claim 1, characterized by the application of ultrasound directly to the material to prevent the formation of fouling.

Anti-fouling system, according to claim 1, characterized in that the system uses an angular-circular transducer that emits superficial ultrasonic waves to inhibit fouling.

Anti-fouling system, according to claim 1, characterized in that the system is energized with intermittent shutdowns, and the downtime is selected according to the type of microorganism prevalent in the fouling fauna.

Anti-fouling system, according to claim 4, characterized in that the time is stopped with a timer found in the electronic system.