ES2223547T3 - Metodo de limpieza por ultrasonidos. - Google Patents
Metodo de limpieza por ultrasonidos.Info
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Abstract
Un método de limpieza por ultrasonidos para limpiar una película, incrustación o lodo de una superficie, que comprende las etapas de: introducir un transductor ultrasónico (52) que tiene una superficie externa en un recipiente (10) que contiene un conjunto que tiene una superficie, cuyo conjunto ha estado expuesto previamente al agua o al vapor a temperaturas de aproximadamente 200ºC o superiores, estando recubierta al menos en parte la superficie del conjunto por una película, incrustación o lodo; sumergir en un líquido el transductor ultrasónico (52) y al menos una parte de la superficie del conjunto; y generar energía ultrasónica en un nivel de potencia de al menos aproximadamente 5, 3-16 vatios/litro (20-60 vatios/galón) de líquido dentro del recipiente en la superficie externa del transductor (52) y a una frecuencia desde aproximadamente 10 kHz hasta alrededor de 200 kHz para introducir la energía ultrasónica en el líquido.
Description
Método de limpieza por ultrasonidos.
El invento se refiere a un método de limpieza
ultrasónica para limpiar depósitos de películas, de incrustaciones
y de lodos de superficies de conjuntos tras su exposición al agua o
al vapor a temperatura elevada y, más particularmente, a un método
para limpiar las superficies de recipientes utilizados en procesos
industriales tales como intercambiadores de calor de carcasa y
tubos y equipos similares.
Las superficies metálicas expuestas al agua o a
soluciones acuosas durante largos períodos de tiempo en sistemas
cerrados de transferencia de calor tienden a desarrollar películas
o incrustaciones y/o a llegar a cubrirse con lodos
independientemente de los niveles de pureza de los sistemas, Así,
por ejemplo, en las centrales de energía eléctrica para uso
comercial, después de varios meses de funcionamiento acopladas a la
cadena a temperaturas elevadas de 200ºC o más, los recipientes de
gran tamaño tales como los intercambiadores de calor de carcasa y
tubos, que comúnmente son conocidos como generadores de vapor,
tienden a desarrollar depósitos adherentes de películas,
incrustaciones y/o lodos en las superficies de los tubos, placas de
tubos, placas de soporte de tubos y otras partes estructurales
internas, aún en el caso de que la pureza del agua pueda controlarse
hasta un nivel de partes por millón o menor. Estás películas,
incrustaciones y lodos, transcurrido un período de tiempo,
afectarán perjudicialmente al rendimiento operativo de los
generadores de vapor. Asimismo, en las centrales nucleares con
reactores de agua a presión para la producción de energía
eléctrica, tienden a desarrollarse películas de materiales
radiactivos en las superficies internas de las cabezas de canal de
los generadores de vapor o de otros componentes del circuito
primario, aunque se controle la pureza del agua presurizada al
nivel de partes por billón, con el inconveniente de que dichas
películas radiactivas pueden aumentar los niveles de radiación de
fondo en una central.
Se han desarrollado diversos métodos de limpieza
fuera de la línea de producción para extraer las películas,
incrustaciones y lodos que se hayan acumulado en las superficies
internas de los intercambiadores de calor que generan vapor. Entre
los métodos satisfactorios desde el punto de vista comercial se
incluyen: producción de impulsos de presión con ondas de choque;
golpeteo con agua; limpieza con productos químicos; proyección de
lodos; uso de agentes de acondicionamiento de incrustaciones y/o
lavado a presión con volúmenes muy grandes de agua. Sin embargo,
estos métodos utilizados fuera de la línea de producción, incluyendo
la configuración y otras diversas operaciones auxiliares,
requieren invariablemente largos períodos de tiempo en programas de
camino crítico para extraer las películas, las incrustaciones o los
lodos adherentes que se acumulan en las superficies de los tubos
cerca de las placas de tubos y de las placas de soporte de éstos.
Asimismo, se ha demostrado que resultan especialmente difíciles de
eliminar las incrustaciones adherentes que se desarrollan en las
hendiduras anulares entre las superficies externas de los tubos y
las placas de soporte de los tubos, así como los apilamientos
silíceos de lodos que se acumulan en las placas de tubos. De ese
modo, a las cantidades residuales de incrustaciones y lodos
adherentes que no se puedan eliminar se les deja permanecer sobre
las superficies internas de los generadores de vapor al final de
una etapa de limpieza comercial, lo cual reduce el rendimiento de
la operación de limpieza. El problema de las incrustaciones y lodos
residuales se agrava por la tendencia de la industria hacia una
rapidez todavía mayor en las interrupciones del servicio para
reaprovisionamiento de combustible, lo cual limita el marco de
tiempo disponible para las operaciones de limpieza.
De acuerdo con lo anterior, la industria de
producción de energía eléctrica y sus suministradores han buscado
durante mucho tiempo métodos prácticos que ataquen de un modo más
efectivo las películas, incrustaciones y/o lodos adherentes
acumulados en las partes internas de los generadores de vapor. Así,
hace unos veinte años (cuando se presentó la patente de EE.UU. Nº
4.320.528) o más, se propuso emplear ultrasonidos solamente o en
unión de composiciones conocidas para limpieza con productos
químicos en los sistemas de reactores nucleares de aplicación
comercial, con el fin de eliminar la acumulación de corrosión,
oxidación y sedimentación en los tubos, placas de tubos y placas de
soporte de tubos de los generadores de vapor. La patente de EE.UU.
Nº 4.244.749 proporcionaba una técnica para colocar una pluralidad
de transductores ultrasónicos en una configuración plana entre
tuberías espaciadas y hacer funcionar a los transductores a niveles
de potencia suficientes para producir cavitación. Sin embargo, las
técnicas de ultrasonidos no han demostrado hasta la fecha ser
comercialmente satisfactorias para la limpieza de muchas hileras
interiores de tubos muy poco espaciados y de pequeños diámetros que
se extienden desde las placas de tubos y placas de soporte de tubos
en el lado del secundario (o de la carcasa) de los generadores de
vapor. De acuerdo con la patente de EE.UU. Nº 4.645.542, la
instalación de transductores en los generadores de vapor de acuerdo
con la realización descrita en la patente de EE.UU. Nº 4.320.528
requiere un tiempo, un esfuerzo y una inversión considerables.
Asimismo, en algunos casos es necesario cortar y separar una parte
de los generadores de vapor, operación que muchos propietarios
están poco dispuestos a realizar (de acuerdo con la patente).
Un objeto del presente invento es proporcionar un
método eficaz para limpiar por ultrasonidos las películas, las
incrustaciones y los lodos adherentes de superficies de conjuntos
expuestas previamente al agua o al vapor a temperaturas iguales o
mayores de 200ºC. Un objeto adicional es proporcionar un método de
limpieza que sea eficaz a escala comercial.
Con estos objetos a la vista, el presente invento
se basa en un método de limpieza por ultrasonidos, que incluye las
etapas de: introducir un transductor ultrasónico en un recipiente
que contiene un conjunto que tiene una superficie que haya estado
expuesta previamente al agua o al vapor a temperaturas iguales o
mayores de 200ºC, y que tiene al menos parte de su superficie
recubierta por una película, incrustaciones o lodos; sumergir el
transductor ultrasónico en al menos una parte de la superficie en
un líquido; y generar energía ultrasónica a un nivel de potencia de
al menos aproximadamente 5,3 vatios/litro (20 vatios por galón) en
la superficie externa del transductor que está en contacto con el
líquido y a una frecuencia desde aproximadamente 10 KHz hasta
alrededor de 200 KHz para introducir en el líquido la energía
ultrasónica. En una realización preferida, la energía se genera en
un nivel de potencia de al menos 1,6 vatios/cm^{2} (10 vatios por
pulgada cuadrada). Con más preferencia, se emplea una cadena de
transductores para producir al menos entre 5 y 16 vatios/litro (20
a 60 vatios por galón) de líquido contenido en el recipiente.
Ventajosamente, las películas, incrustaciones o lodos se rompen sin
generar vibraciones intensas en el conjunto ni dañar
estructuralmente de otro modo al conjunto en el transcurso de la
operación de limpieza. Asimismo, aunque se pueden desgajar de la
película, incrustaciones o lodos algunas partículas de gran tamaño,
la energía intensa tiende a producir partículas de pequeño tamaño
que tienen largos tiempos de sedimentación en el líquido
turbulento que circula en el recipiente, de tal manera que las
partículas se pueden transportar lejos de la superficie del
conjunto hasta, por ejemplo, sistemas de filtros externos en los
que las partículas se pueden separar del líquido, y luego recircular
el líquido filtrado a la superficie.
En una realización preferida del presente
invento, un transductor ultrasónico o una cadena de transductores
se pueden introducir en un recipiente y suspenderse en el interior
del mismo (y luego retirarse después de efectuar la operación de
limpieza). Así, por ejemplo, el transductor o una cadena de
transductores se pueden suspender de una placa de soporte de tubos
dentro del lado del circuito secundario de un generador de vapor y
colgar en un haz de tubos. La cadena se puede colgar hacia abajo
hasta la región situada encima de la superficie superior de la
próxima placa inferior de soporte de tubos, o bien puede colgar a
través de las ranuras de flujo existentes en las placas de soporte
de tubos hasta la región situada por encima de una placa de soporte
de tubos más distante, o incluso hacia abajo hasta la región
situada encima de la chapa de tubos. En el lado del circuito
primario del generador, se pueden suspender de la chapa de tubos un
transductor o una cadena de transductores y colgar en una cabeza de
canal. En una variante de esta realización, un transductor o una
cadena de transductores puede permanecer en el generador de vapor
durante operaciones de producción de energía en lugar de
introducirse y retirarse del generador de vapor al principio y al
final de cada operación de limpieza. Ventajosamente, se pueden
ensamblar in situ en el recipiente grandes cadenas de
transductores (y posteriormente desensamblarse) a partir de
subconjuntos más pequeños de transductores que ajustarán a través de
boquillas relativamente pequeñas del recipiente. En una realización
similar, el transductor o la cadena de transductores se pueden
introducir en un recipiente y soportarse mediante un conjunto de
soporte retirable, en lugar de mediante el recipiente.
En otra realización preferida del presente
invento, se introducen en un recipiente un transductor ultrasónico
o una cadena de transductores ultrasónicos; y el transductor
ultrasónico o la cadena de transductores ultrasónicos y al menos una
parte del conjunto se sumergen en un líquido. Luego se introduce
energía ultrasónica en el líquido mediante el transductor o la
cadena de transductores, se mueve el transductor o la cadena de
transductores, y se vuelve a introducir la energía ultrasónica en el
líquido mediante el transductor o la cadena de transductores.
Ventajosamente, los nodos de alta energía del transductor
ultrasónico o los nodos de alta energía de la cadena de
transductores ultrasónicos se pueden mover a través del líquido y
limpiar las superficies distantes tales como las hileras interiores
de tubos y la zona circundante en el conjunto. En esta realización,
el transductor o la cadena de transductores se pueden mover a
través del líquido a una velocidad de aproximadamente 2,5 mm/minuto
(0,1 pulgadas /minuto) o mayor, mientras simultáneamente se
introduce energía en el líquido. En otras operaciones, el
transductor o la cadena de transductores se pueden mover a través
del líquido solamente entre olas.
En realizaciones comerciales preferidas del
presente invento, el líquido de limpieza es agua o una solución
acuosa diluida que contiene agentes de limpieza o agentes de
acondicionamiento de incrustaciones.
El invento según se especifica en las
reivindicaciones resultará más aparente a partir de la siguiente
descripción detallada de una realización preferida del mismo que se
muestra, solamente a título de ejemplo, en los dibujos adjuntos, en
los que:
La Figura 1 es una representación esquemática de
un generador de vapor que se puede limpiar con la realización del
presente invento; y
La Figura 2 es una representación en perspectiva
de un transductor ultrasónico móvil que se extiende a través de una
placa de soporte de tubos de un generador de vapor de la Figura
1.
Refiriéndose ahora a los dibujos detallados, y en
particular a la Figura 1, se muestra un generador 10 de vapor del
tipo empleado en los reactores nucleares de agua a presión a escala
comercial para producir energía eléctrica. El generador 10 de vapor
tiene una sección cilíndrica inferior 12 con una carcasa
sustancialmente concéntrica 14 que contiene un haz de tubos en U
(que comprende miles de tubos como el representado por el tubo 16),
que se extiende verticalmente desde una placa 18 de tubo y a través
de una pluralidad de placas 20 de soporte de tubo. En otro diseño de
generador de vapor, se puede proporcionar un haz de tubos rectos
(no mostrado) en una sección cilíndrica inferior. Una cabeza 22 de
canal soldada a la placa 18 de tubo tiene una placa divisora
interna 24 que divide a la cabeza de canal en dos secciones, que
incluyen una sección de rama caliente 26 para recibir refrigerante
caliente (típicamente agua a alta presión que contiene pequeñas
cantidades de boro y litio) procedente de una vasija de reactor (no
mostrada) y una sección de rama fría 28 para el retorno del
refrigerante relativamente más frío a la vasija del reactor. El
generador 10 de vapor tiene una o más boquillas de pequeño diámetro
(15,2 cm o menos, 6'' o menos) cerca del fondo del haz de tubos
para el mantenimiento e inspección de los tubos 16 y placa 18 de
tubos. Además, los generadores de vapor pueden tener boquillas
similares (no mostradas) más altas en la sección cilíndrica
inferior para el mantenimiento y la inspección de las placas de
soporte de tubos y de otras estructuras internas de la región
superior de haces de tubos. El generador 10 de vapor tiene una
sección superior 34 con una boquilla de entrada 36 para recibir
agua de alimentación desde un turbogenerador para producir energía
eléctrica, y una boquilla de salida para el vapor de retorno al
turbogenerador. Otros generadores de vapor son de diseño
horizontal, en el que el haz de tubos está orientado
horizontalmente en lugar de verticalmente como se ha mostrado en la
Figura 1. El método de limpieza descrito en la presente memoria es
igualmente aplicable a dichos diseños.
Durante las operaciones de generación de energía
sin parar la producción, el agua de alimentación entra a un
generador 10 de vapor, se mezcla con el agua de recirculación en la
sección cilíndrica superior 34, circula generalmente hacia abajo a
través de un anillo formado por la sección cilíndrica inferior 12 y
la cubierta 14, y vuelve a dirigirse hacia arriba en la región
situada entre el fondo de la carcasa 14 y la superficie superior 40
de la placa 18 de tubos. Una parte principal del agua circula luego
hacia arriba a través de cuatro a seis (o más) ranuras 42 de flujo
practicadas en cada una de las placas 20 de soporte de tubos y a lo
largo de los tubos 16 a medida que se genera vapor en las
superficies de los tubos. Otra parte del agua de recirculación
circula en paralelo a través de hendiduras anulares 44 entre los
tubos 16 y las placas 20 de soporte de tubos para que las
hendiduras no se bloqueen por incrustaciones y/o lodos. Una mezcla
de dos fases de vapor y agua circula entonces desde la sección
cilíndrica inferior 12 a la sección cilíndrica superior 34. El
vapor producido se separa del agua arrastrada en separadores y
secadores (no mostrados) en la sección cilíndrica superior 34 del
generador 10 de vapor, y luego circula hacia fuera por la boquilla
38 de salida. El lado de los tubos de los generadores de vapor
trabaja normalmente a presiones de hasta 155 bares (2250 psi) o
superiores, y a temperaturas de hasta 340ºC (650ºF) o superiores. El
lado de la carcasa de los generadores de vapor trabaja normalmente
a presiones de hasta aproximadamente 63 bares (920 psi) o
superiores, y a temperaturas de hasta aproximadamente 280ºC (540ºF)
o superiores.
Este tipo de centrales de generación de energía
eléctrica a escala comercial funcionan siempre acopladas a la red de
distribución y generan continuamente energía eléctrica durante
alrededor de uno o dos años, y luego se retiran de la producción en
períodos de parada programados para reabastecimiento de combustible,
y simultáneamente para mantenimiento e inspecciones de la central.
Durante los períodos de funcionamiento con producción de energía,
cuando se genera vapor a alta temperatura y alta presión en los
lados de carcasa de los generadores 10 de vapor, las películas e
incrustaciones tienden a acumularse sobre las superficies externas
de los tubos, especialmente en la zona situada justo encima de las
placas 18 de tubos y placas 20 de soporte de tubos. En particular,
las incrustaciones adherentes tienden a acumularse en las
hendiduras 44 entre los tubos 16 y las placas 20 de soporte de
tubos. Asimismo, los depósitos de lodos tienden a acumularse en las
zonas centrales de las superficies superiores 40 de las placas 18
de tubos y, en menor grado, sobre las superficies superiores de las
placas 20 de soporte de tubos. Posteriormente, durante las etapas
de parada para reabastecimiento de combustible, el lado del circuito
secundario de los generadores de vapor se puede limpiar mediante
impulsos de presión o mediante uno de los otros métodos comerciales
anteriormente mencionados, dependiendo de la naturaleza del
problema de ensuciamiento y del tiempo disponible para la limpieza.
Asimismo, en el lado de los tubos de los generadores de vapor, las
películas de materiales radiactivos depositadas en las cabezas de
canal o en las superficies de componentes adjuntos al sistema tales
como las bombas de refrigerante del reactor (no mostradas) se
pueden limpiar mediante uno de varios métodos comerciales (por
ejemplo, mediante una combinación de tratamientos con permanganato
con tratamientos ácidos con ácido cítrico-ácido oxálico o bien con
tratamientos con metales de bajo estado de oxidación) para reducir
los niveles de la radiación de fondo.
En el método de limpieza por ultrasonidos del
presente invento, se pueden introducir un transductor ultrasónico o
una cadena de transductores (representada por el transductor 52 de
la Figura 2) a través de la pequeña boquilla 46 en el generador 10
de vapor o de una de las boquillas superiores de pequeño diámetro
(no mostradas) a lo largo de la zona de haces de tubos. El
transductor ultrasónico 52 puede ser un transductor radial de doble
efecto que tiene una varilla de resonancia con generadores (también
conocidos como convertidores ultrasónicos) en cualquiera de los dos
extremos del tipo fabricado por Martín Walter Ultraschalltechnik
GMBH de Straubenhardt, Alemania, que es el objeto de la patente de
EE.UU. Nº 5.200.666, y cuya patente se incorpora por la presente a
título de referencia para su descripción de estructura de un
transductor radial. Estos transductores 52 pueden tener una potencia
de salida de hasta alrededor de 1.000 vatios o más. Los
transductores radiales eficaces para romper ciertas incrustaciones
adherentes en generadores de vapor comerciales funcionan a 25 kHz y
tienen un diámetro de 50 a 70 mm y una longitud de alrededor de 70
mm. En pruebas preliminares se ha demostrado que dichos
transductores pueden aflojar los collares de incrustaciones
depositadas en tubos que no se pueden eliminar por limpieza con
productos químicos. Otros transductores radiales que tienen un
diámetro desde 40 a 50 mm y una longitud de aproximadamente 60 mm
pueden hacerse funcionar a 40 kHz para atacar películas,
incrustaciones y lodos particularmente adherentes. Estos
transductores pueden funcionar con una potencia de salida de 1,5
vatios/cm^{2} (10 vatios por pulgada cuadrada) o superior en sus
superficies externas al líquido circundante. Otros transductores
pueden funcionar a 20 KHz o incluso menos, y producir densidades de
energía superficial de 5 vatios/cm^{2} o superiores. Por ejemplo,
se pueden emplear transductores de alta potencia que pueden
entregar 4.000 vatios. Se pueden ensamblar cadenas de dichos
transductores radiales a partir de una primera hilera de dos o más
transductores alineados axialmente y separados entre sí por
aproximadamente la longitud de un transductor con una segunda
hilera paralela y adyacente de transductores similarmente espaciados
situados junto a los vanos entre los transductores de la primera
hilera. Preferiblemente, la energía total de entrada al líquido es
del orden de aproximadamente 5,3 a 16 vatios/litro (20 a 60
vatios/galón) o más. En una realización preferida, el intervalo
está entre aproximadamente 10,6 y 16 vatios/litro (40 a 60
vatios/galón. La patente de EE.UU. Nº 4.537.511 se ha incorporado
mediante esta referencia para su descripción del diseño de las
cadenas de transductores. Se pueden emplear también otros
transductores que pueden ser móviles y produzcan una energía de
salida del mismo valor o superior. Por ejemplo, pueden utilizarse
sono-electrodos que tengan un transductor en el
extremo de una varilla resonante.
En los casos en que se deba introducir un
transductor 52 en un generador 10 de vapor a través de una boquilla
de un diámetro relativamente pequeño, y luego manipularse a través
de componentes internos de la vasija hasta las superficies que
necesiten limpiarse, tales como tubos 16 de un haz de tubos que se
extienda verticalmente desde una placa horizontal 18 de tubos con
placas espaciadas 20 de soporte de tubos por encima de la placa 18
de tubos, se puede manipular el transductor mediante un dispositivo
de robot tal como el dispositivo de descarga de la patente de
EE.UU. Nº 5.265.129 (conocido en la industria de energía eléctrica
como un robot SID), o bien el sistema de raíl de lanza para lodos
del cesionario de la patente de EE.UU. Nº 5.069.172, cuyas patentes
se han incorporado por la presente mediante esta referencia para su
descripción de la estructura y uso de estos dispositivos de
despliegue. Estos dispositivos de descarga se diseñaron
originalmente para manipular cámaras, cabezas de limpieza y lanzas
para lodos en generadores de vapor, y se pueden adaptar fácilmente
para transportar un transductor 52 o una cadena de transductores.
Otros sistemas robóticos se describen en la patente de EE.UU. Nº
5.036.871; patente de EE.UU.Nº 5.564.371, y patente de EE.UU. Nº SIR
H1,115. Ventajosamente, un raíl u otro dispositivo para descargar un
transductor 52 con el fin de introducir alta energía a frecuencias
elevadas (y por tanto, de inducir bajos desplazamientos) puede
estabilizar suficientemente al transductor 52 para que el
transductor 52 no necesite sujetarse fijamente al generador 10 de
vapor. La Figura 2 muestra un dispositivo 54 de descarga que se
extiende a través una ranura 42 de flujo practicada en una placa 20
de soporte de tubos. La ranura 42 de flujo puede ser una cualquiera
de hasta seis o más ranuras de flujo a lo largo de la calle central
de tubos, y puede tener una anchura de aproximadamente 12,7 cm (5'')
o más, y una longitud de aproximadamente 35,6 cm (14'') o más. En
las realizaciones en que se emplean niveles de potencia
relativamente elevados, puede que sea conveniente estabilizar el
conjunto de transductores en un lugar intermedio mediante una de
las placas de soporte de tubos, de una manera similar a la indicada
en la patente de EE.UU. Nº 5.564.371. Ventajosamente, un
dispositivo de descarga puede trasladar al transductor 52 (o a una
cadena de transductores) entre las ramas calientes y las ramas
frías de los tubos 16 a lo largo del centro de una calle de tubos
en un haz de tubos en U del generador 10 de vapor.
Opcionalmente, se puede emplear una pantalla
reflectora (no mostrada) por encima o junto al transductor 52 (o a
la cadena de transductores) para proporcionar una distribución
preferencial de la energía ondulatoria hacia abajo hacia las placas
de tubos y radialmente hacia fuera al haz de tubos. Una pantalla
reflectora eficaz puede tener un cuerpo de hoja de forma de galón o
de "V" con un interior lleno de gas. Una pantalla menos eficaz
se puede fabricar simplemente de placas metálicas. Similarmente, se
puede emplear una pantalla reflectora en la zona superior de haces
de tubos (no mostrada) por encima de las placas de soporte de
tubos, si se desea.
En una realización del presente invento, una o
más cadenas 53 de transductores 52 (como se ha mostrado en la Figura
1) se pueden suspender dentro de un generador de vapor desde la
placa más alta 20 de soporte de tubos, o desde un lugar más alto en
el generador de vapor, y luego fijarse (y posteriormente
desmontarse) mediante un robot introducido por separado en el
generador de vapor a través de una boquilla de pequeño diámetro,
para permitir que una cadena grande de transductores se ensamble
in situ y se emplee para limpiar las regiones superiores de
haces del generador de vapor. En algunos generadores de vapor, se
dispone de unas boquillas adicionales 46 (no mostradas) en las
partes superiores de la parte inferior 12 para permitir el acceso
a dicho despliegue. La Figura 1 muestra una cadena larga 53 que se
extiende entre las placas de extremo 55 y 56 instaladas en las
ranuras de flujo mediante un robot que trabaja en las mismas
ranuras de flujo o en ranuras adyacentes (no mostrado). Los
transductores 52 se pueden colocar encima de las placas 20 de
soporte de tubos (como se ha mostrado generalmente) o en las
ranuras 42 de flujo, como se muestra mediante el transductor 52. En
otra realización, se puede sustituir la placa inferior 56 por una
plomada (no mostrada) y suspenderse la cadena 53 de la placa
superior 55. Se puede emplear ventajosamente una cadena 53 con una
plomada para limpiar hendiduras alrededor de tubos en diseños de
generadores de vapor en los que múltiples tubos se extienden a
través de agujeros alargados practicados en las placas de soporte
de tubos, según se describe, por ejemplo, en la patente de EE.UU.
Nº 4.143.709. Si se desea, la cadena 53 puede permanecer en el
generador de vapor durante la producción de energía, y
posteriormente emplearse durante la parada siguiente.
Preferiblemente, los transductores se unen mediante ojetes u otros
conectores flexibles adecuados. Para limpiar la región situada
encima de una de las placas 20 de soporte de tubos, se pueden
suspender de tres a cuatro cadenas de hasta aproximadamente cuatro
o más transductores 52 de 1.000 vatios de potencia (o más) en la
calle de tubos del centro del haz de tubos, por encima de la
superficie superior de la placa 20 de soporte de tubos, con el fin
de introducir un total de aproximadamente 5,3 a 16 vatios/litro (20
a 60 vatios/galón) o más en el líquido. Ventajosamente, las cadenas
grandes de transductores que no podrían introducirse a través de
boquillas de pequeño diámetro, se pueden introducir en subconjuntos
mediante el dispositivo de descarga, manipulado a través de las
placas 20 de soporte de tubos y luego ensamblado (y después
desensamblado) in situ, y emplearse para limpiar las
regiones superiores de haces de los generadores de vapor en períodos
de tiempo más cortos. La Figura 1 muestra también un transductor 52
(que podría ser una cadena de transductores 52) con una plomada 59
suspendida de una placa 18 de tubos en una cabeza 22 de canal para
limpiar la cabeza de canal.
Una vez que el transductor 52 se ha introducido
en el generador 10 de vapor a través de una boquilla pequeña 46
cerca de la placa 18 de tubos, se cierra herméticamente la boquilla
46, y luego se introduce un líquido tal como agua o una solución
acuosa en el generador 10 de vapor, de tal manera que al menos una
parte de los tubos 16 y la placa 18 de tubos se sumerjan en el
líquido. Si se va a limpiar una placa 20 de soporte de tubos,
entonces se sumergirá también. En una realización del presente
invento en la que se tienen que limpiar todas las placas 20 de
soporte de tubos, es preferible limpiar primero la placa más alta
de soporte de tubos y luego bajar el nivel de líquido hasta la
siguiente placa más baja 20 de soporte de tubos y limpiar esta
placa 20 de soporte de tubos, y así sucesivamente hasta la placa 22
de tubos, de tal manera que se puedan lavar hacia abajo las
incrustaciones y lodos desalojados. En una realización
alternativa, se pueden limpiar simultáneamente varias o incluso
todas las placas 20 de soporte, o bien se pueden limpiar
simultáneamente una o más placas 20 de soporte de tubos.
Ventajosamente, el lado del circuito primario del generador de vapor
se puede llenar con un gas (aire o nitrógeno) de tal manera que una
película o incrustación depositada en el lado del circuito primario
no sea perturbada por un líquido que cavite. En una realización, la
presión en el generador de vapor se aumenta, por ejemplo, mediante
la introducción de aire o de un gas inerte (por ejemplo, nitrógeno)
en el generador 10 de vapor. Cuando se aumenta la presión hasta
varios bares o más, se elimina la cavitación en la superficie de
los transductores, aumentando de ese modo la penetración de la
energía ultrasónica en el conjunto de tubos o a través de la cabeza
de canal. Adicionalmente, se puede controlar la temperatura del agua
o del producto de limpieza, preferiblemente a 35ºC o más, para
lograr el mismo efecto. Finalmente, el agua o el producto de
limpieza se pueden desgasificar aplicando un vacío al generador 34
de vapor. La desgasificación del fluido líquido mejora la acción
limpiadora del invento.
En otra realización del presente invento, se
puede generar energía ultrasónica mientras se mueve el transductor
52 o la cadena de transductores, bien de forma continua o bien
escalonadamente, con respecto a los tubos 16 y las placas 20 de
soporte de tubos o a la placa 18 de tubos. Alternativamente, y si es
deseable en niveles de alta potencia, se puede mover el transductor
52 (o la cadena de transductores) desde una posición inicial hasta
una posición subsiguiente entre los períodos cuando se introduce
energía en el líquido, con el fin de soportar adecuadamente el
dispositivo de descarga cerca del transductor 52 o de la cadena de
transductores, por ejemplo, según se describe en la patente de
EE.UU. Nº 5.564.371. Ventajosamente, al mover el transductor 52 (o
la cadena de transductores) se mueven los nodos de ultrasonido de
tal manera que las superficies y hendiduras adyacentes y también
las superficies de los tubos y hendiduras de las hileras interiores
del haz están expuestas a los nodos de máxima energía sónica. En
una realización preferida, el transductor 52 o la cadena de
transductores se mueven a una velocidad nominal de al menos
aproximadamente 2,5 mm/minuto (0,1 pulgadas/minuto) cuando se
introduce energía ultrasónica en el líquido. Ventajosamente, los
transductores radiales pueden introducir hasta aproximadamente 500
Gs o más de energía de baja amplitud en el líquido sin dañar los
tubos, las soldaduras de las placas de tubos u otras estructuras
internas del generador de vapor.
Generalmente, en las realizaciones que emplean
cadenas de transductores 52, los transductores 52 trabajan a la
misma frecuencia. En ciertas realizaciones, tanto si se emplean
cadenas de transductores 52 soportadas por un accesorio como si se
descargan y manipulan mediante robots, raíl, o un elemento análogo,
se pueden hacer funcionar simultáneamente dos de los transductores
52 a frecuencias diferentes con el fin de lograr una rotura más
eficaz de las incrustaciones. Por ejemplo, un transductor 52 de una
cadena puede funcionar a unos 25 kHz, mientras que otro transductor
52 funciona a unos 40 kHz. Las frecuencias particulares en cada
aplicación dependerán de la localización de las incrustaciones o
lodos (es decir, en hendiduras entre tubos y placas de tubos o
placas de soporte de tubos, en superficies expuestas como las
superficies de tubo de vano libre, o en las zonas de "sombra".
Además, pueden influir de algún modo las condiciones de trabajo
tales como la morfología de los depósitos y el tamaño de las
partículas.
Debido a que los transductores 52 producen
energía ondulatoria de alta amplitud mediante ondas estacionarias,
el campo energético no es uniforme a lo largo de la longitud de una
varilla resonante de transductor. Sin embargo, la falta de
uniformidad del campo energético alrededor de un transductor tiende
a disminuir con la distancia a la varilla resonante, debido a la
difracción de las ondas, así como a la dispersión y reflexión
dentro del haz de tubos. Mediante el uso de frecuencias diferentes,
se pueden superar sustancialmente los efectos de un campo
energético inicialmente no uniforme, y se puede producir un
diagrama más uniforme de formación y aplastamiento de burbujas.
A frecuencias inferiores, las burbujas tienen más
tiempo para crecer antes de que se aplasten, con lo que se aplastan
con una fuerza más intensa y liberan menos energía. Asimismo, hay
menos "sombreado" a frecuencias inferiores, porque no se
producen sombras hasta que el objeto situado en el campo energético
tiene el mismo tamaño que la longitud de onda [que es de 6,1 cm
(2,4 pulgadas) a 25 kHz y de 3,8 cm (1,5 pulgadas) a 40 kHz]. Como
los diámetros de los tubos son de menos de 2,5 cm (1 pulgada) y por
tanto más pequeños que la longitud de onda, no es probable que la
formación de sombras afecte perjudicialmente a la rotura de los
depósitos del generador de vapor. Adicionalmente, el uso simultáneo
de frecuencias diferentes puede reducir la "transparencia" de
los componentes internos relativamente grandes de un generador de
vapor, tales como las placas de soporte de tubos y las placas
desviadoras de distribución de flujo. A frecuencias más altas, la
difracción de las ondas tiende a aumentar, debido a que la longitud
de onda se hace más corta. De ese modo, la limpieza de los
depósitos de lugares situados detrás de los tubos tiende a ser más
eficaz a 40 kHz que a 25 kHz.
Ventajosamente, si el campo energético en un
generador de vapor es suficientemente uniforme, no es necesario
mover los transductores 52 con el fin de alinear los antinodos de
ondas con los espacios entre las columnas de tubos. Por tanto, se
puede reducir sustancialmente el tiempo de limpieza; y, en algunos
casos, disminuir hasta aproximadamente el 25% del tiempo de
limpieza "con energía".
Adicionalmente, se pueden sintonizar las
frecuencias diferentes para superponer sus diagramas de nodos. Por
ejemplo, los antinodos a 25 kHz están separados 3 cm (1,2
pulgadas), y los antinodos a 40 kHz están separados 1,9 cm (0,75
pulgadas). De ese modo, los diagramas de nodos se pueden superponer
a la mitad de la frecuencia de onda de la onda más larga, es decir,
un antinodo sí y uno no del transductor 52 de 40 kHz se pueden
sincronizar con cada antinodo del transductor 52 de 25 kHz
sintonizado a 20 kHz.
El presente invento se puede emplear con agua y
con soluciones acuosas que contengan agentes de acondicionamiento de
incrustaciones como los descritos por las patentes de EE.UU. Nº
5.841.826 y 5.764.717, o con agentes de limpieza con productos
químicos como se describe en las patentes de EE.UU. Nº 5.194.223 y
Nº 5.368.775, que se mencionan para el uso de dichos productos
químicos. Preferiblemente, el agua y las soluciones acuosas se
desgasifican, ya que la presencia de gases disueltos requeriría
energía adicional. El presente invento se puede emplear también como
una de varias etapas en un procedimiento de limpieza que incluya
tales métodos tradicionales de limpieza hidráulica como proyección
de lodos, impulsos de presión, limpieza hidráulica del haz superior
y lavado de haces con alto volumen según se describen en las
patentes de EE.UU. Nº 4.079.701; Nº 4.276.856; Nº 4.273.076; Nº
4.655.846; Nº 4.699.665; Nº 5.154.197, y Nº 5.564.371, que se han
mencionado para su descripción de dichas realizaciones.
Además de para la limpieza de intercambiadores de
calor de carcasa y tubos tales como generadores 10 de vapor, el
presente invento se puede emplear para limpiar las superficies de
miembros estructurales internos de otras vasijas y recipientes
similares como tanques, bombas, tuberías y elementos análogos.
Además, una vasija puede contener conjuntos portátiles que hayan
estado previamente expuestos al agua o al vapor a alta
temperatura.
Aunque se ha mostrado y descrito una realización
preferida del presente invento, se entenderá que el invento puede
realizarse de otros modos diversos dentro del alcance de las
siguientes reivindicaciones.
Claims (15)
1. Un método de limpieza por ultrasonidos para
limpiar una película, incrustación o lodo de una superficie, que
comprende las etapas de:
introducir un transductor ultrasónico (52) que
tiene una superficie externa en un recipiente (10) que contiene un
conjunto que tiene una superficie, cuyo conjunto ha estado
expuesto previamente al agua o al vapor a temperaturas de
aproximadamente 200ºC o superiores, estando recubierta al menos en
parte la superficie del conjunto por una película, incrustación o
lodo;
sumergir en un líquido el transductor
ultrasónico (52) y al menos una parte de la superficie del
conjunto; y
generar energía ultrasónica en un nivel de
potencia de al menos aproximadamente 5,3-16
vatios/litro (20-60 vatios/galón) de líquido dentro
del recipiente en la superficie externa del transductor (52) y a
una frecuencia desde aproximadamente 10 kHz hasta alrededor de 200
kHz para introducir la energía ultrasónica en el líquido.
2. El método de limpieza por ultrasonidos de la
Reivindicación 1, en el que la energía ultrasónica se genera en un
nivel de potencia de al menos aproximadamente 1,6 vatios/cm^{2}
(10 vatios/pulgada cuadrada) en la superficie externa del
transductor (52).
3. El método de limpieza por ultrasonidos de la
Reivindicación 2, en el que la energía ultrasónica se genera en un
nivel de potencia de aproximadamente 2,3-6,2
vatios/cm^{2} (15 - 40 vatios/pulgada cuadrada).
4. El método de limpieza por ultrasonidos de la
Reivindicación 1, y que, antes de la etapa de sumergir el
transductor ultrasónico (52) en el líquido, incluye la etapa
de:
suspender en el recipiente (10) el transductor
ultrasónico (52).
5. El método de limpieza por ultrasonidos de la
reivindicación 4, en el que se suspende en el recipiente (10) una
cadena (53) de transductores ultrasónicos (52).
6. El método de limpieza por ultrasonidos de la
Reivindicación 1, en el que un transductor ultrasónico está
instalado en una ranura (42) practicada en una placa (20) en el
recipiente (10) para limpiar la superficie del conjunto.
7. El método de limpieza por ultrasonidos de la
Reivindicación 1, en el que el transductor ultrasónico (52) se
introduce en una calle de tubos de un haz (16) de tubos que se
extiende desde una placa (18) de tubos.
8. El método de limpieza por ultrasonidos de la
Reivindicación 7, en el que el transductor ultrasónico (52) se
introduce en un haz (16) de tubos entre placas espaciadas (20) de
soporte.
9. El método de limpieza por ultrasonidos de la
Reivindicación 1, que incluye las etapas de:
mover el transductor ultrasónico (52) antes de la
etapa de generar energía ultrasónica: y
volver a mover el transductor ultrasónico (52)
después de la etapa de generar energía ultrasónica; y
generar otra vez energía ultrasónica en un nivel
de potencia de al menos aproximadamente 1,6 vatios/cm^{2} (10
vatios/pulgada cuadrada) en la superficie externa del transductor
(52) y a una frecuencia desde aproximadamente 10 kHz hasta
alrededor de 200 kHz para introducir en el líquido la energía
ultrasónica.
10. El método de limpieza por ultrasonidos de la
Reivindicación 1, que incluye la etapa de:
mover el transductor (52) a través del líquido a
medida que el transductor (52) introduce energía en el líquido.
11. El método de la Reivindicación 10, en el que
el transductor (52) se mueve a una velocidad de al menos 2,5
mm/minuto (0,1 pulgadas/minuto) mientras introduce en el líquido
energía ultrasónica.
12. El método de la reivindicación 1, en el que
se introduce una cadena de transductores (52) en el generador (10)
de vapor a través de una boquilla (46) en un dispositivo (54) de
descarga para mover el transductor (52) a través del líquido en
dos direcciones.
13. El método de la Reivindicación 1, en el que
el líquido es una solución acuosa que comprende un agente
acondicionador de incrustaciones o un agente de limpieza con
productos químicos.
14. El método de la reivindicación 1, que incluye
las etapas adicionales de:
introducir un robot (54) de descarga en el
recipiente (10) por separado del transductor ultrasónico (52); y
fijar el transductor ultrasónico (52) en el robot
(54) de descarga en el recipiente (10) antes de introducir energía
ultrasónica en el líquido.
15. El método de la reivindicación 1, que incluye
una etapa adicional seleccionada de: limpieza por impulsos de
presión, lavado de haces de tubos con alto volumen, limpieza
hidráulica de haces superiores de tubos, y proyección de lodos.
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