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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Werkzeuge zum Entfernen von Verkokungen aus Behältern, z. B. Verkokungstrommeln, die beim Raffinieren von Öl verwendet werden, und insbesondere Verbesserungen bei Schneid- und Bohrdüsen, die für ein Entkokungs-Werkzeug verwendet werden.
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Bei herkömmlichen Erdöl-Raffinierungs-Verfahren wird Rohöl zu Benzin, Diesel, Kerosin, Schmierstoffen oder dergleichen verarbeitet. Es ist eine gängige Praxis, schwere Rest-Kohlenwasserstoff-Nebenprodukte durch ein als verzögerte Verkokung bekanntes thermisches Krackverfahren zu erholen. Bei dem verzögerten Verkokungs-Verfahren wird schwerer Kohlenwasserstoff (Öl) in großen Heizgeräten, die als Fraktionierungseinheiten bekannt sind, auf eine hohe Temperatur (zum Beispiel zwischen 900°F und 1000°F) erhitzt und dann in zylindrische Behälter übertragen, die als Kokstrommeln bekannt sind, und etwa 30 Fuß im Durchmesser und 140 Meter hoch sind, und die in der Regel so konfiguriert sind, dass sie in Paaren arbeiten. Das erhitzte Öl gibt seine Kohlenwasserstoffdämpfe (einschließlich, unter anderem, Gas, Benzin und Gasöl) zum Boden der Fraktionierungseinheit zur Verarbeitung in nützliche Produkte ab und hinterlässt, durch die kombinierte Wirkung von Temperatur und Verweilzeit, festen Ölkoks. Dieser Koksrückstand muss aufgebrochen werden, dass er aus dem Behälter entfernet werden kann, was vorzugsweise unter Verwendung eines Entkokungs-(oder Koks-Schneide)-Werkzeugs in Verbindung mit einem Entkokungsfluid, wie z. B. Hochdruck-Wasser erreicht wird.
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Ein solches Werkzeug umfasst einen Bohrkrone mit Bohr- und Schneiddüsen. Das Werkzeug wird durch eine Öffnung an der Oberseite des Behälters in den Behälter abgesenkt, und die Hochdruck-Wasser-Versorgung zum Werkzeug wird ausgeführt, so dass es selektiv entweder durch die Bohr- oder Schneiddüsen der Bohrkrone geleitet werden kann, um, in Abhängigkeit von der Betriebsart, als Fluidstrahl zu wirken. Da hohe Strömungsraten bzw. -geschwindigkeiten und Drücke (z. B. Ströme von 1000 Gallonen pro Minute (gpm) bei 3000 bis 4000 Pfund pro Quadratzoll (psi)) in der Regel für solche Operationen verwendet werden, ist es weder praktikabel noch wünschenswert, Bohr- und Schneiddüsen zur gleichen Zeit zu öffnen. Stattdessen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, Verteilungsventile oder andere Strömungs-Steuervorrichtungen zu verwenden, um selektiv die Strömung zu den Schneiddüsen oder Bohrdüsen zu leiten, je nachdem, welcher Teil des Entkokungsbetriebs des Werkzeugs zu diesem Zeitpunkt ausgeführt wird. Ein paar Beispiele von Entkokungs-Werkzeugen, die derartige Modus-Umschalt-Eigenschaften verwenden sind in
US-Patent 5,816,505 (manuelle Modus-Umschaltung) und in
US-Patent 6,644,567 (automatische Modus-Umschaltung) dargestellt, wobei beides Schriften der gleichen Anmelderin sind und hierin unter Bezugnahme aufgenommen werden.
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Unabhängig davon, ob ein Entkokungs-Werkzeug Modus-Umschaltungs-Merkmale nutzt, bedingt die relativ große Größe des Werkzeugs, in Verbindung mit den in der Regel nach außen zeigenden Schneiddüsen, ein deutlich radiales Profil im Bett des zu schneidenden Koks. Ein konventionelles Werkzeug ist etwa 22 Zoll im Durchmesser und 35 Zoll lang, wobei die Abmessungen der Düsenanordnung etwas mehr als 5 Zoll in der Länge mit einem Außendurchmesser am Einlass von etwa 3,75 Zoll und einem Außendurchmesser am Auslass von etwa 1,875 Zoll sind. Diese Größe verschärft die Tendenz des Werkzeugs, vor allem in Situationen stecken zu bleiben, in denen die im Koks freigebohrte Strecke nachgibt, z. B. wenn das Koksbett kollabiert, oder Koksstücke, die von der Kraft des Entkokungsfluids aus den Schneiddüsen befreit oder gelöst wurden, die Bohrkrone blockieren. In einer solchen Situation könnte das Werkzeug stecken bleiben, was schwierige und zeitaufwändige Schritte nötig macht, um es zu befreien.
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Neben den großen Abmessungen neigen herkömmliche Schneid- und Bohrdüsen zu einem Druckabfall, der größer als erforderlich ist. Ein Großteil davon ist bedingt durch ein unnötig großes radiales Profil, das in der Ausstoßebene des Entkokungsfluids an der Düsenspitze erzeugt wird. Die herkömmliche Düse ist relativ lang, um eine große Zahl an gebohrten Strömungskanälen unterzubringen, wobei die große radiale Abmessung die Notwendigkeit für eine Vielzahl von solchen Passagen wiederspiegelt.
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Darüber hinaus sind verschiedene Komponenten, aus denen die Düse besteht, aus Anordnungen gebildet, die aus mehreren Stücke bestehen, was eine komplexe Bearbeitung und entsprechende Fertigungsverfahren erfordern kann.
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Es ist daher erwünscht, Düsen für ein Entkokungs-Werkzeug auszubilden, die einen oder mehrere der vorgenannten Nachteile vermeiden.
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Dieser Wunsch wird durch die vorliegende Erfindung erfüllt, die Düsen für ein Entkokungsfluid bereitstellt, die verbesserte Strömungseigenschaften haben. Die Oberflächen von internen Strömungswegen sind im Wesentlichen kegelstumpfförmig bzw. konisch oder konvergierend ausgebildet, wodurch die Radialkomponenten der Strömungsgeschwindigkeit verringert werden können, und, in gleicher Weise, die Standardabweichung der Axialkomponente der Entkokungsfluid-Strömung verringert werden kann. Da die Standardabweichung der Axialgeschwindigkeit repräsentativ für jede Abweichung von einem Mittelwert ist, haben die Erfinder herausgefunden, dass durch Optimieren der Düsenform (z. B. durch Ausführen eines Optimierungsverfahrens) dieser Parameter auf ein Minimum gesenkt werden kann, und dass dieses Ergebnis eine Düse erzeugt, die einen Strahl erzeugt, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit über einen Querschnitt so nahe wie möglich am Mittelwert liegt, und dass ein derart gleichmäßiger Strahl höchst effektiv beim Schneiden von Koks im Entkokungsverfahren ist. Durch derartige Verbesserungen beim Gestalten des Strömungsweges kann die Größe (insbesondere die axiale Länge) der Düse verringert werden während diese dennoch die notwendige Strahlaufprallkraft und Strahlkohärenz bietet. Eine derartige Größenreduktion (sowie eine Verringerung in der Zahl der Teile) verbessert die Herstellbarkeit und Handhabung.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Düsenanordnung zur Verwendung in einem Fluidstrahl-Entkokungs-Werkzeug offenbart. Die Anordnung umfasst ein Gehäuse, in dessen inneren eine Entkokungsfluid-Leitung ausgebildet ist, die geeignet ist, ein Entkokungsfluid (wie unter Druck stehendes Wasser) zu einer oder mehreren Düsen zu transportieren, die mit der Leitung in Fluidverbindung stehen. Die Düse umfasst einen Fluideinlass, einen Fluidauslass und einen internen Strömungsweg, der sich von dem Einlass der Düse zu dem Auslass der Düse erstreckt. Der Strömungsweg definiert eine kegelstumpfartige bzw. konische Form, so dass, wenn das Entkokungsfluid durch die Düse strömt, ein dadurch gebildetes Strömungsmuster überwiegend kohärent ist. Eine derartige Kohärenz wird durch Vermeidung von Stillstandsbereichen und großen Wirbelströmen erzielt. Die Wandgrenzschicht wird auch durch Verringerung der Turbulenzverluste minimiert.
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Optional sind mehrere Düsen im Gehäuse ausgebildet. Derartige Düsen können eine oder mehrere Schneiddüsen und eine oder mehrere Bohrdüsen enthalten. In einer bevorzugten Ausführungsform ragt ein beträchtlicher Teil der zumindest einen Düse nicht seitlich über eine äußere Abmessung heraus, die durch das Gehäuse definiert ist. Obgleich hierin keine exakte Abgrenzung diskutiert wird, was darunter zu verstehen ist, dass die Düsen nicht nennenswert über den „Fußabdruck” und die damit verbundenen Abmessungen des Gehäuses hinausragen, können bestimmte Bereiche verwendet werden, um als Beispiel zu dienen. Beispielsweise können, bei Düsen die in einem herkömmlichen Entkokungs-Werkzeug (wie nachfolgend in Verbindung mit dem Stand der Technik gezeigt und beschrieben) verwendet werden, die Bohrdüsen sich über eine Gesamt-Anordnungslänge von bis zu 40% oder mehr erstrecken, während die Schneiddüsen sich über eine Gesamt-Radial- oder -Breiten-Abmessung von bis zu 60% oder mehr erstrecken können. Derartige Abmessungen sind wesentlich größer als die 0% bis etwa 10%, um die die Düsen der vorliegenden Erfindung den Gehäuse-Fußabdruck vergrößern können.
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Daneben passt ein Großteil (oder beinahe alles) der Struktur, die die Düse bildet (einschließlich der Struktur, die den Einlass, den Auslass und den dazwischen liegenden Strömungspfad, der zwischen dem Einlass und dem Auslass ausgebildet ist) in die existierende Gehäusestruktur. Daher ist diese im Wesentlichen vom Gehäuse umschlossen. Dies ist insbesondere für die Schneiddüsen zutreffend, von denen nur die an den Düsenauslass angrenzende Kante außerhalb des Gehäuses liegt. Aufgrund der vorstehenden Diskussion darüber, wie weit die Düse über die Abmessungen des Gehäuses herausragt, wird keine präzise Abgrenzung diskutiert, was darunter zu verstehen ist, dass ein Abschnitt der Düse oder der Düsen über das Gehäuse hinaus ragt.
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Dennoch können (wie vorstehend angemerkt) gewisse Bereiche als Beispiel verwendet werden. Bei in herkömmlichen Entkokungs-Werkzeugen (wie nachfolgend in Verbindung mit dem Stand der Technik gezeigt und beschrieben) eingesetzten Düsen können sowohl die Bohr- als auch die Schneiddüse zu 60% oder mehr über das Gehäuse hinausragen, wohingegen bei den Düsen der vorliegenden Erfindung nicht mehr als etwa 15% der Länge der Schneiddüsen und nicht mehr als 25% der Länge der Bohrdüsen außerhalb des Gehäuses liegen.
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Als zusätzliche Möglichkeit kann die Düse im Wesentlichen relativ zum Gehäuse befestigt sein, so dass diese nicht kippt oder sich anderweitig bewegt, um dadurch einen konstanten Schneidwinkel für die Schneiddüsen und einen relativ festen Bohrwinkel für die Bohrdüsen zu unterstützen. Weiterhin können die Düsen eine Strömungs-Konditionierungs-Kammer aufweisen, die unmittelbar oberhalb bzw. stromauf des Fluideinlasses ausgebildet ist. Diese Kammer schwächt jede Vorverwirbelung, die als Ergebnis der Fluidbewegung durch den Werkzeugkörper entsteht, ab. Die Vorverwirbelung ist ein unerwünschtes Phänomen, da es zur Radialgeschwindigkeits-Komponente beiträgt, wenn der Strahl die Düse verlässt. Der interne Strömungsweg ist vorzugsweise derart optimiert, um wenigstens Eines von den Folgenden zu erreichen: (a) eine minimale Radialgeschwindigkeit, (b) eine minimale Axialfluß-Ungleichmäßigkeit, und/oder (c) eine minimale axiale Länge der Düse. Im vorliegenden Kontext umfasst der Begriff „optimiert” und seine Variationen insbesondere derartige Strömungsweg-Konfigurationen, die zumindest eine computergestützen Fluiddynamik-Berechnung (CFD-Berechnung) durchlaufen haben, um festzustellen, welches Strömungswegprofil die besten (oder optimalen) Werte für einen oder mehrere der vorgenannten Düsenleistungswerte gibt. Bei einer Ausführungsform kann das CFD-Verfahren verwendet werden, um eine Strömungsweg-Optimierung zu erreichen. Beispielsweise können zwei Düsenprofile verwendet werden, von denen eines einen Lineargeschwindigkeitsgradienten entlang der Düsenlänge erzeugt und das andere einen Lineardruckgradienten entlang der Düsenlänge erzeugt. Diese können mathematisch durch Verwendung von Bezier-Kurven abgebildet und als Startpunkt für den Optimierungsprozess verwendet werden. Es sei angemerkt, dass neben den Bezier-Kurven auch andere mathematische Darstellungsverfahren zu diesem Zweck dienen können. Durch Variieren der Parameter, die die Kurve beschreiben, können zahlreiche Simulationen ausgeführt werden, um den optimalen Bereich zu bestimmen, der die vorgenannten drei Leistungskriterien erfüllt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fluidstrahl-Entkokungs-Werkzeug offenbart. Das Werkzeug umfasst: einen Entkokungsfluid-Zuführmechanismus, der derart ausgestaltet ist, dass er ein unter Druck stehendes Entkokungsfluid von einer Quelle aufnehmen kann, sowie eine Düsenanordnung, die mit dem Entkokungsfluid-Zuführmechanismus in Fluidverbindung bringbar ist. Bei einer Ausführungsform ist der Entkokungsfluid-Zuführmechanismus als Zufuhrrohr, -röhre, -schlauch oder ähnliche Leitung ausgebildet. Die Anordnung umfasst ein Gehäuse, das in seinem Inneren eine oder mehrere Entkokungsfluid-Leitungen definiert, sowie eine oder mehrere Schneiddüsen und Bohrdüsen. Das Gehäuse kann eine separate Struktur haben, die an dem Entkokungs-Werkzeugskörper (z. B. durch Befestigen, Reibbefestigung oder andere geeignete Maßnahmen) gesichert werden kann, oder es kann ein Teil des Werkzeugkörpers sein, z. B. durch integrale Ausbildung und dergleichen. In jedem Fall ist es wahrscheinlich, dass die maximale laterale (oder radiale) Abmessung des Abschnitts des Entkokungs-Werkzeugs, der ein Entkokungs-Gefäß durchläuft, durch das Gehäuse (zusammen mit den Düsen) definiert wird. Eine jede der Schneid- und Bohrdüsen kann selektiv mit der Leitung im Werkzeugkörper in Fluidverbindung gebracht werden. Ein Ventil oder ein ähnlicher Strömungsverteilmechanismus ist in Strömungswegen angeordnet, die sich zwischen den Düsen und der Leitung im Werkzeugkörper erstrecken, um das selektive Leiten von Entkokungsfluid durch das Gehäuse derart zuzulassen, dass, während eines bestimmten Schneid- oder Bohrbetriebs, die dann nicht genutzten Düsen im Wesentlichen von der Quelle fluidentkoppelt werden. Die Düsen können ferner einen internen Strömungsweg enthalten, der eine kegelstumpfförmige bzw. konische Form definiert, so dass, nachdem das Entkokungsfluid diesen durchströmt hat, ein Strömungsmuster, das durch das Entkokungsfluid gebildet wird, wenn dieses aus der Düse austritt, überwiegend kohärent ist.
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Bei einer detaillierter dargestellten Ausführungsform des Entkokungs-Werkzeugs werden die Ventile durch eine Schaltvorrichtung betrieben, die das Entkokungsfluid der Bohr- oder der Schneiddüse zuführt. Bei einer anderen Ausführungsform sind eine oder mehrere Düsen derart in dem Entkokungs-Werkzeug-Körper angeordnet, dass ein Großteil der Struktur, die die Düse bildet, in einen „Fußabdruck” passt, der vom Werkzeugkörper gebildet wird. Dies ermöglicht, dass zumindest die radial nach Außen ragenden Vorsprünge des Werkzeugs aufgrund der Düsen verringert werden. Wie vorstehend angeführt kann die Konstruktion der Anordnung sicherstellen, dass der größte Teil des Düsenprofils im Werkzeugkörper aufgenommen ist, so dass der Düsenauslass entweder vollständig oder nahezu vollständig in der vom Werkzeug definierten Außenabmessung liegt. Gemäß einer weiteren Möglichkeit ragt ein beträchtlicher Teil der zumindest einen Schneiddüse nicht seitlich über eine äußere Abmessung heraus, die durch das Gehäuse definiert ist. Genauer gesagt kann der beträchtliche Teil im Wesentlichen alles umfassen. Die Anordnung kann ferner dergestalt sein, dass eine oder mehrere Düsen im Wesentlichen relativ zum Gehäuse befestigt sind, während eine bestimmte Form der Düse derart ist, dass sie eine Strömungs-Konditionierungs-Kammer enthält, die unmittelbar stromauf des Fluideinlasses ausgebildet ist und in Fluidverbindung mit der Leitung steht. Wie beim vorangehenden Aspekt ist der interne Strömungsweg vorzugsweise derart optimiert, um wenigstens (a) eine minimale Radialgeschwindigkeit, (b) eine minimale Axialfluß-Ungleichmäßigkeit, und/oder (c) eine minimale axiale Länge der Düse zu erreichen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Leiten eines Entkokungsfluids durch eine Düse offenbart. Das Verfahren umfasst dabei das Ausbilden einer oder mehrerer Düsen derart, dass das Entkokungsfluid durch diese strömen kann, wobei die Düse oder die Düsen einen internen Strömungsweg aufweist/aufweisen, der eine konische Form definiert. Das Verfahren umfasst ferner das Zuführen des Entkokungsfluids zu der Düse/den Düsen derart, dass ein Strömungsmuster, das durch das Entkokungsfluid gebildet wird, wenn dieses durch selbige strömt, überwiegend kohärent ist.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner das Strömen des Entkokungs-Fluids durch zumindest eine Bohrdüse und zumindest eine Schneiddüse. Das Verfahren kann ferner das selektive Führen des Entkokungsfluids durch die Eine oder die Andere der Bohrdüsen und der Schneiddüsen zu einem gegebenen Zeitpunkt enthalten. Ein derart selektives Führen bzw. Leiten kann allgemein durch Verwenden einer Modusumschaltvorrichtung, und insbesondere mit einer automatischen Modusumschaltvorrichtung erzielt werden, die Änderungen im Entkokungsfluiddruck nutzt, um zwischen dem Schneid- und dem Bohrmodus umzuschalten. Bei einer besonderen Ausführungsform umfasst das Verfahren das Ausführen einer oder mehrerer CFD-Berechnungen zur Unterstützung beim Düsendesign, wobei ein besonderes Augenmerk auf dem Ausbilden des Düsen-Strömungsweges gemäß dem Ergebnis der CFD-Berechnung liegt. Das erhaltene Ergebnis ist insbesondere von Vorteil, um die erfindungsgemäße Düse auszubilden, um wenigstens (a) eine minimale Radialgeschwindigkeit, (b) eine minimale Axialfluß-Ungleichmäßigkeit, und/oder (c) eine minimal mögliche, axiale Länge der Düse zu erreichen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Strömungs-Konditionierungs-Kammer enthalten sein, um Vorverwirbelungen, die Aufgrund der Fluidbewegung im Werkzeugkörper entstanden sein können, zu verringern oder zu beseitigen.
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Die nachfolgende detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist am besten in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Bestandteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigt:
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1 eine Schnittdarstellung eines Kombinations-Entkokungs-Werkzeugs und einer Modus-Umschalt-Vorrichtung gemäß einem Aspekt aus dem Stand der Technik;
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2 eine Detaildarstellung der Düsenanordnung des Werkzeugs aus 1;
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3 eine Detaildarstellung eines internen Strömungsweges einer der Düsen des Werkzeugs und der Anordnung der 1 und 2;
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4 eine Detaildarstellung einer Düsenanordnung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
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5 eine Detaildarstellung eines internen Strömungsweges einer der Düsen der vorliegenden Erfindung.
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Zunächst Bezug nehmend auf
1 werden ein herkömmliches Entkokungs-Werkzeug
1 mit schützenden Bohrblättern oder -schaufeln
3 sowie eine an dem Werkzeug
1 montierte Modus-Umschalt-Vorrichtung
4 dargestellt. Die Modus-Umschalt-Vorrichtung
4 besteht aus einer Vielzahl von Komponenten mit einem Körper
4A, einer Aktuatormanschette
4B, einem Aktuatorslot
4C, einem Aktuatorpin
4D, einer Feder
4E, einem Einlass für unter Druck stehendes Fluid
4F, einem ringförmigen Hydraulikzylinder
4G, einem ringförmigen Kolben
4H, einem Aktuatorpin-Träger
41, und einer Laufbuchsenmanschette
4J, die einen unteren Abschnitt
6B eines Steuerstabes
6 umgibt, der auch einen oberen Abschnitt
6A hat. Der Steuerstab
6 ist mit einer Hydraulik-Verteilungs-Umlenkplatte
5 (auch als Umschaltplatte bezeichnet) verbunden, so dass, wenn die Modus-Umschalt-Vorrichtung
4 – entweder manuell oder durch sequentielles Beaufschlagen und Wegnehmen von Druck von einer (nicht dargestellten) Fluidzufuhr – aktiviert wird, der Steuerstab
6 die Umschaltplatte
5 dreht, wodurch Öffnungen, die durch dessen axiale Richtung ausgebildet sind, abwechselnd der Fluidzufuhrleitung
7 ausgesetzt sind und entweder die Bohrdüsen
10 oder die Schneiddüsen
11 durch eine Einlassleitung oder ein Bohrgestänge
9 mit einem Hochdruckfluid (z. B. Wasser) versorgt werden. Bei der in
1 gezeigten Darstellung stehen die Bohrdüsen
10 mit dem unter Druck stehenden Fluid in Fluidverbindung, um einen allgemein nach unten gerichteten Hochdruckfluidstrahl auf den (nicht dargestellten) Koks zu richten, um dadurch ein Loch zu bohren, so dass der Rest der Vorrichtung
4 folgen kann. Die allgemein flache Scheibenform der Umschaltplatte
5, die durch ihre drehbare Befestigungsanordnung mit dem Steuerstab
6 verbunden ist, ermöglicht ein Umschalten zwischen einem Schneidmodus und einem Bohrmodus durch intermittierende Rotation der Umschaltplatte
5 im Uhrzeigersinn. Details der Konstruktion und des Betriebs der Umschaltplatte
5 werden hierin nicht wiederholt; vielmehr scheint es diesbezüglich ausreichend, darauf zu verweisen, dass derartige Details in dem allgemein bekannten
US-Patent US 6,644,567 gefunden werden können.
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Unter Bezugnahme auf die 2 und 3 werden die Bohrdüsen 10 und die Schneiddüsen 11 aus dem Stand der Technik dargestellt, wobei die Anordnung, welche die Düsen 10 und 11 umfasst, auch ein Gehäuse H enthält, das eine radiale Abmessung R und eine axiale Abmessung A definiert. Wie ersichtlich ist, erstrecken sich die Bohrdüsen 10 axial in einem deutlichen Abstand über die axiale Abmessung A hinaus, während die Schneiddüsen 11 sich radial in einem deutlichen Abstand über die radiale Abmessung R hinaus erstrecken. Ferner bestehen die Düsen 10 und 11 aus einer Anzahl von einzelnen Strömungsrohren oder -kanälen, die ihre jeweiligen Fluidströme über den Großteil der Düsenlänge voneinander isoliert halten. Die Schneiddüse 11 (die ähnliche Eigenschaften zeigt wie die Bohrdüse 10) zeigt am Konditionierer 11A einen Einlass sowie einen Auslass 11F und separate Strömungskanäle 11B, 11C und 11D, die in Form von konzentrischen Rohren, gebündelten „Strohhalmen” oder anderen, hinlänglich bekannten Anordnungen ausgebildet sind. Wie dargestellt ist, geben all diese separaten Strömungskanäle das Entkokungsfluid in einen gemeinsamen Kopf 11E, wodurch der Strom plötzliche Winkeländerungen erfährt, während er sich zum Auslass 11F bewegt. Derart plötzliche Änderungen können Reibung, Turbulenzen und andere Anomalien erzeugen, die sich nachteilig auf die Qualität des aus der Düse 11 ausgegebenen Stroms auswirken können. Diese Anomalien können durch eine Strömungsteilung verschlimmert werden, die beispielsweise durch Lücken in der Rohrdüse 11G (so genannter Düseneinsatz) auftreten kann, der stromauf der Kehle ausgebildet ist, an der der Kopf 11E auf den Auslass 11F trifft. Insbesondere Bezug nehmend auf 3 werden die drei Hauptbestandteile der Schneiddüse 11 dargestellt, bei der der Konditionierer 1A, die Rohrdüse 11G und die Gehäusekappe 11H in Verbindung mit den Strömungskanälen 11B, 11C und 11D, den gemeinsamen Kopf 11E und dem Auslass 11F verwendet werden, um den Strom des unter Druck stehenden Wassers zu leiten. Die Rohrdüse 11G sammelt den Strom vom Konditionierer 11A und beschleunigt ihn zum Auslass 11F der derart ausgestaltet sein kann, dass er im Auslassbereich (und Strömungskoeffizienten) der Düse variiert. Die Gehäusekappe 11H stellt eine abgedichtete Druckgrenze bereit und richtet den Strömungskonditionierer 11A und den verschleißbeständigen Düseneinsatz 11G aus.
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Nachfolgend Bezug nehmend auf die 4 und 5 werden die Merkmale, die eine Anordnung 100 und die Düsen 110, 111 der vorliegenden Erfindung betreffen beschrieben. Die Anordnung 100 umfasst ein Gehäuse H, das eine Leitung 107A, 107B enthält, die als Fluidleitung dient, um ein Entkokungsfluid, das von einer (nicht gezeigten) unter Druck stehenden Quelle kommt, den Bohrdüsen 110 und den Schneiddüsen 111 zuzuführen. In 5 ist insbesondere eine Schneiddüse 111 dargestellt, obgleich die darin gezeigte Struktur und der Strömungsweg gleichermaßen auf die Bohrdüse 110 anwendbar sind. Im Gegensatz zu dem in 3 dargestellten, herkömmlichen Strömungsweg kann die Innenfläche in 5 eine allgemein konische bzw. kegelstumpfartige, zusammenlaufende Form 111A definieren, die optimal ausgebildet ist, um einen Entkokungsfluidstrahl zu verspritzen, und die unter Verwendung einer CFD-Berechnung erhalten wurde, um eine minimale Radialgeschwindigkeit und eine minimale Axialfluß-Ungleichmäßigkeit bei der kürzestmöglichen Länge der Düse zu erreichen. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass durch Optimieren der Düsen auf die für den Schneidbetrieb gezeigten Weise, ein mehr säulenförmig ausgeprägter, kohärenter Fluß erzeugt wird, da die Radialkomponenten der Strömungsgeschwindigkeit minimiert werden. Durch eine derartige Verbesserung beim Ausbilden des Strömungsweges kann die Größe der Düsen 110, 111 verglichen zu den Düsen 10, 11 der 2 und 3 (insbesondere deren axiale Abmessung) verringert werden, während sie dennoch die nötige Strahl-aufprall-kraft und Strahlkohärenz bieten. Eine derartige Größenreduktion (sowie die Verringerung der Teilezahl) verbessert die Herstellbarkeit und ermöglicht aufgrund des kleineren Bohrprofils ein einfacheres Bohren. Die Erfinder haben CFD-Modellierung und Prüfungsverfahren verwendet, um die Form des internen Strömungsweges 111A basierend auf den besonderen Anforderungen des Entkokungs-Werkzeugs und dessen Umgebung zu optimieren. Durch Verringern oder Verhindern von Stillstandsbereichen und großen Wirbelströmen kann der Düsenströmungsweg einen hohen Grad an Flußkoharenz einhalten.
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Unter Bezugnahme auf
5 in Verbindung mit den Daten der Tabelle 1 werden Darstellungen und Abmessungen der internen Wasserströmungswege für die Schneiddüse
111 dargestellt. Es sei angemerkt dass die nachfolgend für die Schneiddüse
111 diskutierten Merkmale gleichermaßen für die Bohrdüse
110 angewandt werden können und daher nicht wiederholt werden. Tabelle 1 zeigt die entsprechenden X- und Y-Abmessungen der Oberfläche des internen Strömungswegs einer Düse, die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, bei der ein CFD-Algorithmus verwendet wurde. Tabelle 1 Düsenabmessungen
| X (Zoll) | Y (Zoll) |
| 0.0000 | 0.8400 |
| 0.0169 | 0.8389 |
| 0.0317 | 0.8351 |
| 0.0442 | 0.8297 |
| 0.0549 | 0.8235 |
| 0.0640 | 0.8172 |
| 0.0720 | 0.8110 |
| 0.0791 | 0.8051 |
| 0.0856 | 0.7996 |
| 0.0916 | 0.7946 |
| 0.0972 | 0.7899 |
| 0.1025 | 0.7856 |
| 0.1077 | 0.7817 |
| 0.1128 | 0.7781 |
| 0.1179 | 0.7748 |
| 0.1231 | 0.7718 |
| 0.1283 | 0.7687 |
| 0.1338 | 0.7655 |
| 0.1402 | 0.7619 |
| 0.1473 | 0.7578 |
| 0.1552 | 0.7534 |
| 0.1639 | 0.7485 |
| 0.1735 | 0.7433 |
| 0.1840 | 0.7376 |
| 0.1954 | 0.7315 |
| 0.2077 | 0.7250 |
| 0.2210- | 0.7181 |
| 0.2353 | 0.7107 |
| 0.2506 | 0.7030 |
| 0.2669 | 0.6948 |
| 0.2842 | 0.5863 |
| 0.3026 | 0.6774 |
| 0.3220 | 0.6681 |
| 0.3424 | 0.6585 |
| 0.3640 | 0.6485 |
| 0.3865 | 0.6382 |
| 0.4102 | 0.6276 |
| 0.4348 | 0.6167 |
| 0.4605 | 0.6056 |
| 0.4871 | 0.5943 |
| 0.5148 | 0.5826 |
| 0.5433 | 0.5712 |
| 0.5728 | 0.5594 |
| 0.6032 | 0.5475 |
| 0.6344 | 0.5356 |
| 0.6663 | 0.5237 |
| 0.6990 | 0.5118 |
| 0,7324 | 0.4999 |
| 0.7663 | 0.4882 |
| 0.8009 | 0.4765 |
| 0.8359 | 0.4651 |
| 0.8713 | 0.4538 |
| 0.9071 | 0.4428 |
| 0.9432 | 0.4320 |
| 0.9794 | 0.4216 |
| 1.0158 | 0.4114 |
| 1.0523 | 0.4016 |
| 1.0888 | 0.3922 |
| 1.1252 | 0.3631 |
| 1.1514 | 0.3744 |
| 1.1974 | 0.3662 |
| 1.2331 | 0.3583 |
| 1.2884 | 0.3510 |
| 1.3034 | 0.3440 |
| 1.3378 | 0.3374- |
| 1.3718 | 0.3313 |
| 1.4051 | 0.3257 |
| 1.4379 | 0.3204 |
| 1.4699 | 0.3156 |
| 1.5012 | 0.3111 |
| 1.5318 | 0.3071 |
| 1.5617 | 0.3034 |
| 1.5907 | 0.3001 |
| 1.6189 | 0.2971 |
| 1.6462 | 0.2944 |
| 1.6727 | 0.2921 |
| 1.6983 | 0.2900 |
| 1.7230 | 0.2882 |
| 1.7469 | 0.2867 |
| 1.7698 | 0.2854 |
| 1.7919 | 0.2843 |
| 1.8131 | 0.2834 |
| 1.8331 | 0.2826 |
| 1.8478 | 0.2822 |
| 1.8592 | 0.2819 |
| 1.8684 | 0.2817 |
| 1.8760 | 0.2815 |
| 1.8824 | 0.2814 |
| 1.8881 | 0.2813- |
| 1.8931 | 0.2813 |
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Durch Verringern des mit herkömmlichen Düsen einhergehenden Druckabfalls zeigen die Düsen 110, 111, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, eine kürzere axiale Abmessung und einen dementsprechend kleineren „Fußabdruck” für die Düsenanordnung 100, wodurch die Düse in enge Grenzen passt. Beispielsweise ist die neue, kleinere Düse primär in die Anordnung 100 zurückgesetzt, wodurch eine deutlich stromlinienförmigere Form entsteht, die, in Situationen bei denen ein Zusammenbrechen des Betts auftritt, oft direkt aus dem zusammengebrochenen Bett gezogen werden kann. Zudem kann eine derartige Konfiguration Energie einsparen und erlaubt möglicherweise die Verwendung einer kleineren Pumpe und/oder eines kleineren Motors, da das gleiche Fluidvolumen und die gleiche Geschwindigkeit am Ausgang der Düsen 110, 111 mit weniger Pumpleistung erzielt werden kann. Zudem besteht die neue Düsenanordnung 100 aus zwei kleineren Teilen, die einfacher und weniger kostenintensiv hergestellt werden können.
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CFD und verwandte Strömungs-Simulations-Algorithmen sowie Musterbau- bzw. Werkbank-Prüfverfahren können dazu verwendet werden, um bevorzugte Formen für Entkokungsfluid-Strömungswege zu schaffen. Es sei angemerkt dass eine zugrunde liegende CFD-Einheit speziell für die vorliegende Erfindung entwickelt werden kann, oder dass ein Programm „von der Stange” dazu verwendet werden kann, die hier diskutierten CFD-Analysen durchzuführen. CFD-Modellierung kann dazu verwendet werden, um bestimmte Flußeigenschaften, wie z. B, kohärenete Strömung, laminare oder turbulente Strömung, Orte, an denen eine geteilte Strömung erwartet wird, etc. zu zeigen. Insbesondere kann CFD dazu verwendet werden, um bestimmte Innenprofile (z. B. Strömungswege) in Düsen auszubilden, wie zum Beispiel das einzigartige Profil, das bei den Düsen der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommt. Derartige computergestützte Berechnungsmethoden können dabei besondere hydraulische Eigenschaften des Entkokungs-Fluids berücksichtigen. Iterative Versuche können auch zur Anwendung kommen, um die Effekte der Strömungsperturbation und der Optimierung der Form des internen Strömungsweges zu studieren. Derartige Iterationen können auf einfachen Startgeometrien basieren (z. B. röhrenartigen Teilen, einfachen Kegeln oder anderen leicht definierbaren Konfigurationen), die dann verändert werden können, um gewünschte Fließeigenschaften (z. B. einen Linear-Druckabfall entlang der Strömungsachse) zu erzeugen. Die Optimierungsparameter können das Minimieren der radialen Einströmung an der Ausgangskehle der Düse und der Standardabweichung der axialen Strömungsgeschwindigkeit enthalten (wodurch ein einheitlicher Fluß über die Ausgangskehle erzeugt wird). Ein zusätzlicher Nutzen ist, dass die resultierende Geometrie, abhängig von der benötigten Größe der Anordnung 100, wohl bekannte Ähnlichkeitsgesetze zur Skalierung verwenden kann. Daher können Düsen für eine Auswahl an Strömen und Drücken innerhalb der durch die vollständig entwickelte turbulente Strömung – deren Wichtigkeit darin liegt, dass sie die lineare Wandlung von kinetischer und Druckenergie zulässt – vorgegebenen Grenzen hergestellt werden, wodurch es einfacher wird, genaue Vorhersagen zu skalierten Designs zu treffen.
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Obgleich vorstehend bestimmte Ausführungsformen im Detail zum Zwecke der Darstellung der Erfindung beschrieben wurden, ist es für jene, die über entsprechendes Fachwissen verfügen, ersichtlich, dass verschiedene Änderungen gemacht werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, der durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5816505 [0003]
- US 6644567 [0003, 0024]
