KR101206635B1

KR101206635B1 - 진동 유도 에너지 발생 장치 및 열교환기 개조 키트

Info

Publication number: KR101206635B1
Application number: KR1020087030830A
Authority: KR
Inventors: 모센 샤미르자디 예가네; 글렌 배리 브론즈; 헨리 앨런 울프; 리민 송
Original assignee: 엑손모빌 리서치 앤드 엔지니어링 컴퍼니
Priority date: 2006-05-19
Filing date: 2007-05-17
Publication date: 2012-11-29
Also published as: CA2652647C; CA2652647A1; JP2009537786A; KR20090016593A; WO2007136698A3; US20070267175A1; CN101473183A; JP5050050B2; US7823627B2; AU2007254264A1; CN101473183B; WO2007136698A2; EP2038600A2; AU2007254264B2; MY149494A

Abstract

열교환기가 작동하는 동안 열교환 표면에 진동을 일으키고 열교환 표면 근처의 유체에 전단파를 생성하기 위해 고정된 열교환기에 기계적 힘을 인가함으로써 파울링을 저감하기 위한 장치가 열교환기에 결합된다. 전자기 구동 임펄스 장치는 파울링을 감소시키기 위해 열교환기 튜브에 진동을 유도하고 및/또는 액상 작동 유체를 통해서 음향파를 유도한다. 상기 장치는 외측 부분 또는 배관에 직접 장착될 수 있으며, 튜브 상에 또는 튜브의 표면 근처에 음향/진동 모드를 생성한다.

파울링, 베이스, 스프링 로드형 지지체, 충돌체, 액추에이터, 콘트롤러, 진동 에너지, 열교환기, 튜브, 센서, 주파수

Description

진동 유도 에너지 발생 장치 및 열교환기 개조 키트{A DEVICE FOR GENERATING ACOUSTIC AND/OR VIBRATION ENERGY FOR HEAT EXCHANGER TUBES}

본 발명은 정유 공장 및 석유화학 플랜트에 사용되는 열교환기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 열교환기 내에서의 파울링(fouling : 오염부착물)의 저감에 관한 것이다.

파울링은 일반적으로, 처리 설비의 표면 상의 바람직하지 않은 물질의 축적체로서 정의된다. 석유 처리에 있어서, 파울링은 열교환기 표면에 바람직하지 않은 탄화수소-계열 증착물의 축적체이다. 이는 정유 공장 및 석유화학 처리 시스템의 설계 및 작동에 있어서 거의 보편적인 문제이며, 설비의 작동에 두 가지로 영향을 미친다. 첫째로, 파울링 층은 낮은 열전도성을 갖는다. 이는 열전달에 대한 저항을 증대시키고, 열교환기의 효율을 저하시키며, 따라서 시스템 내의 온도를 상승시킨다. 둘째로, 증착이 일어남에 따라, 단면적이 감소되고, 이는 장치에 걸쳐서 압력 강하의 증대를 초래하며, 열교환기에 있어서 비효율적인 압력 및 유동을 생성한다.

열교환기 튜브내 파울링은 손실된 효율, 생산성 및 추가 에너지 소비로 인해 정유 공장에 매년 수억 달러의 비용이 들게 한다. 에너지 비용의 증대로 인해, 열교환기 파울링은 공정 수익성에 막대한 영향을 미친다. 정유 공장 및 석유화학 플랜트는 또한 열전달 설비에 있어서 전체 원유, 혼합물, 및 유분(fraction)의 열처리 중에 발생하는 파울링의 결과로서 요구되는 청소로 인해 높은 조업 비용이 들게 된다. 많은 형태의 정유 설비가 파울링의 영향을 받고 있지만, 비용 평가에 의하면 대부분의 이익 손실은 예열 트레인(pre-heat train) 교환기에 있어서의 전체 원유 및 혼합물의 파울링으로 인해 발생하는 것으로 나타났다.

석유 형태 스트림과 연관된 열교환기 내의 파울링은 화학 반응, 부식, 불용성 물질의 증착, 및 유체와 열교환 벽 사이의 온도차에 의해 불용화된 물질의 증착을 포함한 여러가지 메카니즘에 기인할 수 있다.

급속 파울링의 보다 일반적인 근본 원인 중 하나는, 특히 원유 아스팔텐(asphaltene)이 열교환기 튜브 표면 온도에 과도하게 노출될 때 발생하는 코크(coke)의 형성이다. 교환기의 다른 측에서의 액체는 전체 원유보다 훨씬 뜨거우며, 결국 상대적으로 높은 표면 온도 또는 스킨 온도를 초래한다. 아스팔텐은 오일로부터 침전되어 이들 고온 표면에 부착될 수 있다. 특히 후미-트레인(late-train) 교환기에 있어서 이러한 표면 온도에 오래 노출되면 아스팔텐이 코크로 열퇴화(thermal degradation)될 수 있다. 코크는 이후 절연체로서 작용하며, 표면이 유닛을 통과하는 오일을 가열하지 못하게 함으로써 열교환기에서의 열전달 효율 손실의 원인이 된다. 정유 공장을 보다 수익성있는 레벨로 복귀시키려면, 파울링된 열교환기는 청소될 필요가 있는 바, 이는 통상 후술하듯이 가동 중지를 필요로 한다.

열교환기 파울링은 정유 공장이 청소 작업을 위해 비용이 드는 조업 중단을 빈번하게 실시할 수 밖에 없게 만든다. 오늘날, 대부분의 정유 공장은 화학적 또는 기계적 청소를 실시하기 위해 열교환기를 가동 중지시킴으로써 열교환기 튜브 다발의 오프라인 청소를 수행한다. 이 청소는 예정된 기간 또는 용도에 기초하거나, 실제의 모니터링되는 파울링 조건에 기초할 수 있다. 이러한 조건은 열교환 효율의 손실을 평가함으로써 결정될 수 있다. 그러나, 오프라인 청소는 가동을 중지시킨다. 이는 생산중지 기간이 있을 것이기 때문에 소형 정유 공장에게는 특히 부담스러울 수 있다.

열교환기의 파울링을 저감하거나 또는 가능할 경우 제거시키게 되면, 에너지 절감에 있어서만 막대한 비용 절감을 달성할 수 있다. 파울링의 저감은 에너지 절약, 보다 높은 용량, 정비의 감소, 낮은 청소 비용, 및 설비의 전체 이용가능성의 개선으로 이어진다.

진동력을 이용하여 파울링을 저감하려는 시도가 있었다. 메텐리터(Mettenleiter)의 미국 특허 제 3,183,967 호는 복수의 가열 튜브를 갖는 열교환기로서, 열교환기 표면에 축적되는 고체가 정착하여 규모가 커지지 못하도록 격퇴시키기 위해 탄성적 또는 가요적으로 장착되어 진동되는 열교환기를 개시하고 있다. 이 조립체는 특수한 탄성 장착 조립체를 요구하지만, 기존의 열교환기에 쉽게 적합화될 수 없다. 벨렛(Bellet) 등의 미국 특허 제 5,873,408 호 역시 열교환기 내의 도관에 기계적 진동자를 직접 연결시킴으로써 진동을 이용한다. 다시, 이 시스템은 열교환기 내의 개별 도관에 대해 특수한 장착 조립체를 요구하지만 기존의 시스템에는 적합하지 않을 것이다.

따라서, 특히 기존의 설비에 사용하기 위한, 튜브내 파울링 저감 방법을 개발할 필요가 있다. 열교환기 설비가 작동 중에 있는 동안 파울링을 저감하거나 제거할 필요가 있다. 또한 특히 정유 공장에서 예열 트레인 교환기 내의 파울링을 해결할 필요가 있다.

본 발명의 실시예의 양태는, 열교환 표면의 파울링을 저감하기 위해 상기 표면 근처의 유체에 전단파(shear wave)를 생성하는 진동 에너지를 발생하기 위한 장치의 제공에 관한 것이다.

본 발명의 실시예의 다른 양태는, 작동 중에 있는 기존의 열교환기에 추가되어 사용될 수 있는 장치의 제공에 관한 것이다.

본 발명의 실시예의 추가적인 양태는, 시스템의 구조적 일체성을 유지하면서 최적한 정도의 진동 에너지를 부여하도록 제어될 수 있는 장치의 제공에 관한 것이다.

본 발명은, 파울링을 저감하기 위해 열교환 시스템에 진동을 유도하기 위한 에너지를 발생하기 위한 장치로서, 충돌면(impact surface)을 가지며 열교환기에 장착되는 베이스, 상기 베이스에 장착되는 스프링 로드형(spring loaded) 지지체, 상기 스프링 로드형 지지체에 장착되는 충돌체(impactor), 상기 충돌체 부근에 배치되어 충돌체를 충돌면에 대해 이동하도록 선택적으로 작동시키는 액추에이터를 포함하며, 상기 충돌체는 베이스를 통해서 열교환기에 전달되는 진동 에너지를 광범위한 주파수에 걸쳐서 발생시키는 장치에 관한 것이다.

바람직한 실시예에서, 상기 충돌체는 강철 볼(steel ball)이며, 상기 스프링 로드형 지지체는 탄성 막대(rod)이고, 상기 액추에이터는 전자석이다.

상기 액추에이터에는, 특정 주파수의 진동을 발생시키기 위해 충돌체를 소정의 패턴에 기초하여 이동하도록 제어하는 콘트롤러가 연결된다. 충돌체에 의해 유도되는 진동에 관한 피드백을 제공하기 위해 센서가 열교환기에 결합되고 콘트롤러에 연결된다.

상기 장치는 열교환기와 조합하여 제공될 수 있는 바, 상기 베이스는 열교환기에 구조적으로 연결된다. 열교환기는 열교환용 유체를 운반하는 복수의 튜브를 구비하는 것이 바람직하다. 충돌체로부터 발생되는 진동 에너지는 튜브가 운반하는 유체에 부여된다. 열교환기는 정유 공장에서 본래 장소에 있을 수 있다.

본 발명은 또한 파울링 저감 시스템이 구비된 정유 공장 내의 열교환기를 개조하기 위한 키트로서, 상기 열교환기가 유체 유동에 노출되는 열교환 표면을 갖는 키트에 관한 것이다. 상기 키트는 열교환기에 진동을 유도하기 위한 에너지를 발생시키기 위한 장치를 구비한다. 이 장치는 충돌면을 갖는 베이스, 상기 베이스에 장착되는 스프링 로드형 지지체, 상기 스프링 로드형 지지체에 장착되는 충돌체, 및 상기 충돌체 부근에 배치되어 상기 충돌체를 충돌면을 때리도록 선택적으로 작동시키는 액추에이터를 구비한다. 장착 장치에 의해 상기 에너지 발생 장치와 열교환기 사이의 구조적 연결이 이루어진다. 상기 액추에이터에는, 유체 유동에 전단파를 생성하기 위해 베이스를 통해서 열교환기에 전달되는 진동 에너지를 광범위한 주파수에 걸쳐서 발생시키도록 상기 액추에이터를 소정 주파수에 따라서 선택적으로 구동시키는 콘트롤러가 연결된다.

본 발명의 상기 및 기타 양태는 상세한 설명 및 첨부도면을 참조할 때 명백해질 것이다.

이제 본 발명을 첨부도면을 참조하여 설명할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 진동 에너지 발생 장치의 제 1 위치에서의 측면도,

도 2는 도 1의 장치의 제 2 위치에서의 측면도,

도 3은 기계적으로 유도되는 진동 시스템이 튜브-시트 플랜지에 위치하고 튜브 다발에 대해 축방향으로 배치되는 열교환기의 개략 측면도,

도 4는 기계적으로 유도되는 진동 시스템이 튜브-시트 플랜지에 위치하고 튜브 다발에 대해 횡방향으로 배치되는 열교환기의 개략 측면도,

도 5는 기계적으로 유도되는 진동 시스템이 튜브-시트 플랜지에 대해 원격 배치되는 열교환기의 개략 측면도,

도 6은 축방향 벽 진동을 나타내는 튜브 내부의 개략도,

도 7은 접선방향 또는 비틀림 벽 진동을 나타내는 튜브 내부의 개략도,

도 8은 진동 튜브 내부의 양력(lift force), 항력(drag force) 및 전단력을 도시하는 개략도,

도 9는 쉘-튜브형 열교환기의 측면 사시도,

도 10은 본 발명에 따른 기계적으로 유도되는 진동 시스템을 구비한 쉘-튜브형 열교환기의 측면도.

도면에 있어서, 유사한 도면부호들은 여러 도면에서 대응하는 부분들을 지칭하는 것이다.

본 발명은 일반적으로 열교환기 내의 파울링을 저감하기 위한 장치에 관한 것이다. 바람직한 사용에 있어서, 상기 장치는 정유 공장 또는 석유화학 처리 플랜트에서와 같은 정유 공정에 사용되는 열교환기에 적용된다. 이러한 처리는 일반적으로 본 명세서에서 간명함을 위해 일괄적으로 원유로 총칭되는 전체 원유, 혼합물, 및 유분을 수반한다. 본 발명은 특히, 열교환기가 작동 중에 있고 사용되고 있는 동안 공정이 기존의 열교환기에 사용될 수 있도록 기존의 플랜트를 개조하는데 적합하다. 물론, 본 발명은 다른 처리 설비와 열교환기, 특히 정제 공정 중에 겪는 것과 마찬가지로 파울링이 초래되기 쉽고 수리 및 청소를 위한 작동 중지가 불편한 처리 설비와 열교환기에 적용될 수 있다.

본 발명이 기존의 시스템에 사용될 수 있지만, 신규 설비에 있어서 본 명세서에 기술된 진동 유도 장치를 구비한 열교환기를 먼저 제조하는 것도 가능하다.

원유와의 열교환은 두 가지 중요한 파울링 메카니즘, 즉 화학 반응 및 불용성 물질의 증착을 수반한다. 두 경우에, 벽에 인접한 점성 부계층(sub-layer)(또는 경계층)의 감소는 파울링 속도를 저감시킬 수 있다. 이 개념은 본 발명에 따른 공정에 적용된다.

화학 반응의 경우에, 열전달 벽의 표면에서의 고온은 분자를 활성화시켜 파울링 잔류물의 전구체(precursor)를 형성한다. 이들 전구체가 비교적 정체적인(stagnant) 벽 구역으로부터 소제(sweep)되지 않으면, 결합되어 벽에 증착될 것이다. 경계층의 감소는 정체 구역의 두께를 감소시킬 것이며, 따라서 파울링 잔여물을 형성하는데 이용될 수 있는 전구체의 양을 감소시킬 것이다. 따라서, 접착을 방지하기 위한 한 가지 방법은 높은 표면 온도에서의 노출 시간을 줄이기 위해 표면에서의 필름 층을 파괴시키는 것이다. 본 발명에 따르면, 이 공정은 벽을 진동시켜 필름 층에 파괴를 초래하는 것을 포함한다.

불용성 물질의 증착의 경우에, 경계층의 감소는 벽 근처에서의 전단을 증가시킬 것이다. 따라서, 벽에 대한 입자의 흡인력을 극복하기 위해 벽 근처의 불용성 입자에 더 큰 힘이 가해진다. 본 발명에 따르면, 튜브의 반경에 수직한 방향으로 벽이 진동하면 벽으로부터 유체 내로 전파되는 전단파가 생성될 것이다. 이는 파울링 잔여물에의 증착 및 합체 가능성을 감소시킬 것이다.

도면을 참조하면, 도 9는 개별 튜브(14)의 다발(12)이 적어도 하나의 튜브 시트 플랜지(16)에 의해 지지되는 종래의 쉘-튜브형 열교환기를 도시하고 있다. 다발(12)은 도 10에 도시된 쉘(18) 내에 유지되며, 상기 쉘은 알려져 있듯이, 하나 의 유체가 쉘을 통하여 튜브의 외부 전체에 걸쳐서 강제 유동되는 동안 다른 유체가 튜브 내부를 유동하여 열교환을 달성하도록 입구와 출구(도시되지 않음)를 갖는다. 앞서 배경 부분에서 기술했듯이, 내표면과 외표면을 구비하는 튜브의 벽면은 파울링 또는 바람직하지 않은 탄화수소 계열 증착물의 축적체가 초래되기 쉽다.

열교환기 분야의 당업자라면, 본 명세서에서는 예시적인 실시예로서 쉘-튜브형 열교환기가 기술되지만, 본 발명이 다양한 형태의 공지된 열교환기 장치에서의 임의의 열교환기 표면에 적용될 수 있음을 알 것이다. 따라서, 본 발명은 쉘-튜브형 열교환기로 제한되지 않아야 한다.

도 10은 본 발명에 따른 동적 액추에이터(dynamic actuator) 장치(10)가 열교환기에 추가되는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한다. 동적 액추에이터 장치(10)는 열교환 시스템에 진동을 유도하기 위한 에너지 발생 장치이다. 이 경우, 동적 액추에이터 장치(10)는 다발(12)의 튜브(14)에 제어된 진동 에너지를 부여하기 위해 교환기의 플랜지(16)에 배치된다. 동적 액추에이터 장치(10)는 장착 장치에 의해 플랜지(16)에 결합된다. 동적 액추에이터 장치(10)와 열교환기 사이를 기계적으로 링크시키기 위해 임의의 적합한 장착 장치가 사용될 수 있다. 장착 장치는 동적 액추에이터 장치(10)를 과도한 가열로부터 차단하기 위한 열 절연체(heat insulator)로서 설계될 수 있다. 이는 또한 진동 질량체(seismic mass)로서 형성될 수도 있다. 장착 장치는 또한 필요할 경우 동적 액추에이터 장치(10)를 위한 기계적 증폭기로서 기능할 수 있다.

상기 동적 액추에이터 장치(10)에는 열교환기에 가해지는 힘을 제어하기 위 한 콘트롤러(22)가 연통되는 것이 바람직하다. 상기 콘트롤러(22)에는 열교환기에 결합된 센서(24)가 연통 관계로 제공될 수 있는 바, 이 센서는 인가되는 힘이 구조 일체성에 미치는 일체의 부정적 효과를 최소화하면서 파울링을 저감하기 위해 튜브 근처의 유체에 전단파를 실현하도록 동적 액추에이터 장치(10)의 주파수 및 진폭 출력을 조절하기 위해 진동을 측정하여 데이터를 콘트롤러(22)에 제공한다.

콘트롤러(22)는, 동적 액추에이터 장치(10)를 임의의 필요한 증폭으로 구동하기 위한 신호를 발생하기 위해 특정 위치에 또는 원격 배치되는 전기적 마이크로프로세서를 포함하는 임의의 공지된 형태의 프로세서일 수 있다. 콘트롤러(22)는 신호 발생기, 신호 필터 및 증폭기, 디지털 신호 처리 유닛을 구비할 수 있다.

동적 액추에이터 장치(10)는 열교환기의 구조적 일체성을 유지하면서 진동을 유도하도록 설계된다. 필요할 경우, 동적 액추에이터(10)의 어레이는 최적의 진동 주파수를 달성하기 위한 소정의 동적 신호를 발생시키기 위해 입체적으로 분포될 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 동적 액추에이터 장치(10)의 상세를 도시한다. 동적 액추에이터 장치(10)는 지지체(28)를 갖는 베이스(26), 및 상기 지지체(28)에 장착되는 충돌체(30)를 구비한다. 본 실시예에서의 충돌체(30)는 스프링 로드형 막대(34) 상에 지지되는 볼(32)이다. 볼(32)은 강철과 같은 임의의 경질 재료일 수 있으며, 스프링 로드형 막대(34)는 볼(32)을 직립적으로 지지하지만 볼이 후술하듯이 위치 사이에서 이동할 수 있게 하는 금속이나 플라스틱과 같은 임의의 강력한 탄성 또는 가요성 재료일 수 있다.

또한, 상기 베이스(26)는 충돌체(30) 근처에 배치되고 예를 들어 강철 블록과 같은 임의의 경질 재료로 제조되는 충돌면(36)을 갖는다. 상기 충돌면(36)은 베이스(26)의 일부이며 지지체(28)와 일체일 수 있거나, 지지체(28)에 연결될 수 있거나, 또는 베이스(26)에 근접할 수 있다. 상기 충돌면(36)은 열교환기 구조물에 직접 진동을 전달할 수 있는 구조물에 연결될 수 있는 것이 중요하다. 진동을 효과적으로 전달하기 위해서는, 상기 구조물이 적소에 고정되는 것이 바람직하다. 튜브에 진동을 전달할 수 있는 열교환기 상의 기존 표면을 사용하는 것도 가능하다.

액추에이터(38)는 충돌체(30)를 충돌면(36)에 대해 이동시키기 위해 베이스(26)에 의해 지지되거나 또는 베이스(26) 근처에서 충돌체(30) 가까이에 배치될 수 있다. 액추에이터(38)는 충돌체를 이동시키는, 특히 볼(32)을 충돌면(36)에 대해 근접 및 이격 이동시키는 임의의 기구일 수 있다. 바람직한 실시예에서, 액추에이터(38)는 콘트롤러(22), 예를 들면 펄스 발생기를 구비한 콘트롤러에 의해 구동되는 전자석이다.

바람직하게, 동적 액추에이터 장치(10)의 부품들은, 기존의 열교환기에 대한 용이한 설치 및 효과적인 개조가 가능하도록 충돌체(30), 충돌면(36) 및 액추에이터(38)가 함께 지지되는 단일 유닛으로서 형성된다. 이로 인해, 상기 장치(10)는 쉘-튜브 열교환기와 같은 소정 시스템에 간단히 부착되어 이 시스템에 진동 에너지를 부여할 수 있다.

작동시에, 액추에이터(38)는 충돌체(30)를 도 1에 도시하듯이 충돌면(36)으 로부터 이격된 제 1 위치에 유지시킨다. 이후 액추에이터(38)는 선택적으로, 충돌체(30)가 충돌면(36)을 향해 이동하여 충돌면(36)을 때리고 베이스(26)를 통해서 열교환기의 구조적 지지체에 진동을 부여하게 한다. 이는 충돌체(30)가 제 2 위치에 위치하는 도 2에 도시되어 있다.

바람직한 실시예에서, 전자석(38)은 대전되어 강철 볼(32)을 도 1에 도시하듯이 끌어당긴다. 스프링 로드형 막대(34)는 휘어져 기계적 에너지를 저장한다. 콘트롤러(22)의 펄스 발생기는 전자석(38)을 소정 주파수에 따라 대전시킨다. 전자석(38)의 오프 사이클 시에, 볼(32)은 해제되고 막대(34) 내의 저장된 기계적 에너지는 볼(32)이 도 2에 도시하듯이 충돌면(36)을 향해 스윙하여 충돌면을 타격하게 한다. 타격의 힘은 충돌면(36)의 블록에 펄스를 유도하며 이는 플랜지(16)를 통해서 베이스(26)로 전달되고 궁극적으로는 열교환기의 튜브(14)로 전달된다.

물론, 진동 에너지를 생성할 수 있는 장치라면 어느 것이든 사용될 수 있다. 예를 들어, 볼 대신에, 충돌체가 해머로 형성될 수도 있다. 막대는 레버, 스윙 아암, 플런저 또는 회전 지지체와 같은 다른 형태의 가동 지지체로 대체될 수 있다. 충돌체의 운동을 전자석 이외의 다른 수단, 예를 들면 소형 모터에 의해 작동시키는 것도 가능하다. 적절한 모터는 전기적으로 또는 공기압식으로 구동될 수 있으며, 진동 에너지를 생성하는 운동을 초래하기 위해 기어 시스템 및/또는 캠 배치를 사용할 수 있다.

충돌체(30)로부터의 펄스는, 도 1 및 도 2에서 플랜지(16) 상의 장착 배치(mounting arrangement)로 도시하듯이 베이스(26)가 열교환기에 대해 축방향으로 배향되는 상태로 동적 액추에이터 장치(10)가 장착될 때 시스템에 종방향 진동 모드를 유도한다. 대안적으로, 도 1 및 도 2에서 플랜지(16A) 상의 장착 배치로 도시하듯이 베이스(26)를 열교환기 튜브에 대해 수직하게 장착함으로써 진동이 횡방향 모드로 유도될 수도 있다. 상기 장착 배치 등의 조합이 사용될 수도 있다.

콘트롤러(22)는, 유도된 진동을 모니터링하고 충돌 및 그 결과적인 진동의 주파수를 제어하여 후술하듯이 시스템의 구조적 일체성을 유지하면서 열교환 표면, 이 경우 튜브(14) 근처에서의 전단파를 최적화하기 위해 센서(24)에 연결되는 것이 바람직할 것이다.

동적 액추에이터 장치(10)는 튜브(14)에 대한 기계적 링크가 존재하는 한 열교환기 상의 또는 그 근처의 다양한 위치에 설치될 수 있다. 플랜지(16)는 튜브(14)에 대한 직접적인 기계적 링크를 제공한다. 플랜지(16)의 림은 동적 액추에이터 장치(10)를 연결하기 위한 적합한 장소이다. 플랜지(16)에 결합된 다른 지지 구조물 또한 튜브에 기계적으로 링크될 것이다. 예를 들어, 열교환기를 지지하는 헤더(header) 역시 동적 액추에이터 장치(10)에 대한 적합한 장소가 될 것이다. 액추에이터가 직접 플랜지(16)에 연결될 필요가 없도록 진동이 시스템 내의 다양한 구조물을 통해서 전달될 수 있다.

앞서 설명하고 도 3 내지 도 5에 개략적으로 도시하듯이, 동적 액추에이터 장치(10)에 의해 인가되는 힘은 본 발명에 따라 튜브에 대해 다양한 방향으로 배향될 수 있다. 도 3은 열교환기의 플랜지(16)에 직접 인가되는 축방향 힘(A)을 도시한다. 도 4는 열교환기의 플랜지(16)에 직접 인가되는 횡방향 힘(T)을 도시한다. 도 5는 열교환기의 플랜지(16)에 연결된 구조적 부재에 인가되는 원격 힘(R)을 도시한다. 상기 힘 인가는 모두 적합할 것이며, 튜브(14)에 진동을 유도할 것이다. 시스템 용도에 따라, 상기 힘은 열교환기, 특히 다발(12)의 구조적 일체성을 유지하도록 제어될 것이다. 힘은 연속적으로 또는 단속적으로 인가될 수 있다.

본 발명에 따른 용도에 있어서, 동적 힘의 작동은 도 6 및 도 7에 도시하듯이 벽 근처의 유체에 튜브 벽 진동(V) 및 대응 전단파(SW : shear wave)를 생성한다. 특정 튜브 진동 모드는 튜브 벽 근처의 유체에 진동하는 전단파를 유도할 것이나, 이 전단파는 벽으로부터 유체 내로 급속히 감쇠하여 벽 근처에서 매우 얇은 음향 경계층 및 매우 높은 동적 전단 응력을 생성할 것이다. 감쇠된 전단파는 내부 튜브면과 접촉하는 비교적 정지 상태의 유체 경계층을 파괴하여, 파울링 전구체가 정착하여 성장 및 파울링화되는 것을 방지하거나 감소시킨다.

본 발명자들은 실험을 통해서, 본 발명의 개념에 따른 기계적 진동이 파울링 정도를 현저히 감소시키게 됨을 확인하였다. 적절한 진동 주파수에 의하면, 진동하는 유체의 두께는, 전단파가 없을 경우 정체 상태에 있게 될 서브-층류(sub-laminar) 경계층 내의 유체가 벽면에 대해 강제로 이동하도록 충분히 작아질 수 있다. 이 개념이 도 8에 도시되어 있다. 벽 근처에서의 전단파(SW)는 유체 내의 전구체 또는 파울링 입자에 항력(D) 및 양력(L)을 발휘한다. 동적 항력(D)은 입자들을 벽에 대해 이동 상태로 유지시키고, 입자들이 벽에 접촉하지 못하게 하여 파울링 발생의 필수 조건인 입자가 벽에 달라붙을 가능성을 감소시킨다. 동시에, 양력(L)은 입자들이 벽면으로부터 멀어져 벌크 유체로 향하게 만들며, 따라서 벽 근 처에서의 입자 농도를 감소시키고 파울링 경향을 더욱 최소화한다. 벽에 이미 부착된 입자에 대해서는, 전단파가 그 입자에 대해 전단력(S)을 발휘하며, 전단력이 충분히 강하면 입자가 벽에서 떨어져나온다. 경계층 내에서의 전단파의 고유한 불안정성은 파울링을 감소시키는데 있어서 벌크 유동의 고속 효과보다 효과적이다. 진동하는 유동에 있어서 튜브 벽에 대한 입자의 접착 강도는 정상적인(steady) 일방향 유동에서보다 훨씬 낮을 것으로 기대된다. 따라서, 전단파의 청소 효과는 매우 효과적이다.

정확한 주파수의 선택은 물론 열교환기의 설계 및 사용되는 동적 액추에이터의 형태에 좌우될 것이다. 그러나, 선택은 열교환기 부품에 대한 손상을 회피하면서 튜브 벽에서의 축적(buildup)을 방지하기에 충분한 에너지를 부여하는 최적 주파수의 결정에 기초할 것이다. 이상적으로, 구동 주파수는 열교환 부분의 고유 주파수와 다를 것인바 이는 구동 주파수를 장치의 탄성 모드에 매치시키면 열교환기 부품이 손상될 수 있기 때문이다. 구동 주파수의 허용가능한 범위는, 열교환 구조물의 공진 주파수를 회피하는 상태에서 약 200㎐ 내지 약 5,000㎐, 보다 바람직하게는 약 500㎐ 내지 1,000㎐가 될 것이다.

파울링 저감을 위해 고주파 진동을 사용하는 것은, ① 높은 벽 전단 응력 레벨을 생성하고, ② 공진 조건의 용이한 튜닝을 위해 고밀도의 진동 모드가 존재하며, ③ 열교환기의 구조적 일체성을 유지하기 위해 튜브 진동의 변위가 적고, ④ 공격적 소음 레벨이 낮기 때문에 유리하다.

동적 액추에이터(10)의 정밀한 장착 위치, 방향, 개수의 선택, 및 액추에이 터 출력의 진폭의 주파수의 제어는, 잠재적인 튜브 손상을 회피하기 위해 횡방향 튜브 진동의 변위를 작게 유지하면서 파울링을 감소시키도록 튜브 벽 근처에서 유체의 충분한 전단 운동을 초래하기에 충분한 튜브 진동을 유도하는 것에 기초한다. 분명히, 동적 액추에이터 장치(10)의 추가는 기존의 열교환기에 시스템을 결합시킴으로써 달성될 수 있으며, 동적 액추에이터의 작동 및 제어는 교환기가 적소에 있고 작동하는 동안 이루어질 수 있다. 튜브-시트 플랜지는 대개 접근가능하므로, 열교환기가 가동 중인 상태에서 진동 액추에이터가 설치될 수 있다. 열교환기를 변경하거나 벌크 유동의 유동 또는 열 조건을 변경시키지 않고서 파울링이 감소될 수 있다.

본 명세서에 기술했듯이 본 발명은 다양하게 변형될 수 있으며, 청구범위에서 한정되는 본 발명의 정신 및 범위 내에서 장치 및 방법의 여러가지 상이한 실시예가 만들어질 수 있다. 명세서에 포함되는 모든 내용은 단지 예시적인 것일 뿐이지 제한적이지 않음을 알아야 한다.

Claims

파울링(fouling)을 저감하도록 열교환 시스템에 진동을 유도하기 위해 에너지를 발생시키는 진동 유도 에너지 발생 장치(10)에 있어서,

충돌면(36)을 가지며 열교환기에 장착되는 베이스(26)와,

탄성 로드이며 상기 베이스에 장착되는 스프링 로드형 지지체로서, 상기 탄성 로드는 제 1 단부와 제 2 단부를 가지며, 상기 제 1 단부는 상기 베이스에 고정된, 상기 스프링 로드형 지지체(34)와,

상기 스프링 로드형 지지체(34)의 제 2 단부에 장착되는 충돌체(30)와,

상기 충돌체 부근에 배치되어 상기 충돌체가 상기 충돌면에 대해 이동하도록 상기 충돌체를 선택적으로 작동시키는 액추에이터(38)로서, 상기 충돌체는 상기 베이스를 통해서 상기 열교환기에 전달되는 진동 에너지를 발생시키고, 상기 스프링 로드형 지지체는, 제 1 위치에서, 상기 충돌체가 상기 스프링 로드형 지지체의 편향력에 저항하여 상기 충돌체에 인접하게 유지되고, 제 2 위치에서, 상기 충돌체가 상기 충돌면에 접촉하여 충돌체 유도 진동을 상기 열교환 시스템 안으로 발생시키는, 상기 액추에이터(38)를 포함하는

진동 유도 에너지 발생 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 충돌체는 강철 볼(steel ball)(32)인

진동 유도 에너지 발생 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 액추에이터는 전자석인

진동 유도 에너지 발생 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 충돌체는 금속으로 만들어지고, 상기 충돌면은 금속으로 만들어지는

진동 유도 에너지 발생 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 액추에이터에 연결되어 상기 충돌체의 이동을 제어하는 콘트롤러(22)를 더 포함하는

진동 유도 에너지 발생 장치.
제 5 항에 있어서,

상기 콘트롤러는 일정한 주파수로 진동을 발생하도록 미리 설정된 패턴에 기초하여 상기 액추에이터를 제어하는

진동 유도 에너지 발생 장치.
제 6 항에 있어서,

상기 콘트롤러는 200Hz와 5,000Hz 사이의 주파수로 진동을 발생시키도록 상기 액추에이터를 제어하는

진동 유도 에너지 발생 장치.
제 6 항에 있어서,

상기 콘트롤러는 500Hz와 1,000Hz 사이의 주파수로 진동을 발생시키도록 상기 액추에이터를 제어하는

진동 유도 에너지 발생 장치.
제 5 항에 있어서,

상기 충돌체에 의해서 유도된 진동에 관련된 피드백을 제공하도록 상기 콘트롤러에 연결되고 상기 열교환기에 연결되는, 진동을 측정하기 위한 센서(24)를 더 포함하는

진동 유도 에너지 발생 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 충돌체에 의해서 유도된 진동에 관련된 피드백을 제공하도록 상기 열교환기에 연결되는, 진동을 측정하기 위한 센서(24)를 더 포함하는

진동 유도 에너지 발생 장치.
제 1 항에 있어서,

열교환기와 조합되고,

상기 베이스는 상기 열교환기와 구조적으로 연결되는

진동 유도 에너지 발생 장치.
제 11 항에 있어서,

상기 열교환기는 열 교환을 위한 유체를 이송하는 복수의 튜브를 구비하고, 상기 충돌체로부터 생성된 진동 에너지는 상기 튜브에 의해서 이송되는 상기 유체에 부여되는

진동 유도 에너지 발생 장치.
제 12 항에 있어서,

상기 베이스는 상기 충돌체가 종방향 모드의 진동을 상기 튜브에 생성하도록 연결되는

진동 유도 에너지 발생 장치.
제 12 항에 있어서,

상기 베이스는 상기 충돌체가 횡방향 모드의 진동을 상기 튜브에 생성하도록 연결되는

진동 유도 에너지 발생 장치.
제 12 항에 있어서,

상기 베이스는 상기 충돌체가 종방향 및 횡방향 모드의 진동을 상기 튜브에 생성하도록 연결되는

진동 유도 에너지 발생 장치.
제 11 항에 기재된 진동 유도 에너지 발생 장치를 포함하는

정유기.
정유기 내의 열교환기를 개조하기 위한, 파울링 저감 시스템이 구비된 키트로서, 상기 열교환기는 유체 유동에 노출되는 열교환 표면을 갖는, 열교환기 개조 키트에 있어서,

상기 열교환기에 진동을 유도하기 위해 에너지를 발생시키기 위한 진동 유도 에너지 발생 장치(10)로서, 충돌면(36)을 갖는 베이스(26)와; 탄성 로드이며 상기 베이스에 장착되는 스프링 로드형 지지체(34)로서, 상기 탄성 로드는 제 1 단부와 제 2 단부를 가지며, 상기 제 1 단부는 상기 베이스에 고정된, 상기 스프링 로드형 지지체(34)와; 상기 스프링 로드형 지지체의 제 2 단부에 장착되는 충돌체(30)와; 상기 충돌체 부근에 배치되어 상기 충돌면을 때리도록 상기 충돌체를 선택적으로 작동시키는 액추에이터(38)로서, 상기 스프링 로드형 지지체는, 제 1 위치에서, 상기 충돌체가 상기 스프링 로드형 지지체의 편향력에 저항하여 상기 충돌체에 인접하게 유지되고, 제 2 위치에서, 상기 충돌체가 상기 충돌면에 접촉하여 충돌체 유도 진동을 상기 열교환 시스템 안으로 발생시키는, 상기 액추에이터(38)를 구비하는, 상기 진동 유도 에너지 발생 장치(10)와,

상기 진동 유도 에너지 발생 장치와 상기 열교환기 사이에 구조적 연결을 형성하기 위한 장착 장치와,

상기 액추에이터에 연결되고, 유체 유동에 전단파(shear waves)를 생성하기 위해 상기 베이스를 통해서 상기 열교환기에 전달되는 진동 에너지를 발생시키도록 상기 액추에이터를 미리 결정된 주파수에 따라서 선택적으로 구동시키는 콘트롤러(22)를 포함하는

열교환기 개조 키트.
제 17 항에 있어서,

상기 충돌체는 강철 볼(steel ball)(32)인

열교환기 개조 키트.
제 17 항에 있어서,

상기 액추에이터는 전자석인

열교환기 개조 키트.
제 17 항에 있어서,

상기 콘트롤러는 펄스 발생기를 구비하는

열교환기 개조 키트.
제 17 항에 있어서,

상기 콘트롤러는 일정한 주파수로 진동을 발생하도록 미리 설정된 패턴에 기초하여 상기 액추에이터를 제어하는

열교환기 개조 키트.
제 21 항에 있어서,

상기 콘트롤러는 200Hz와 5,000Hz 사이의 주파수로 진동을 발생시키도록 상기 액추에이터를 제어하는

열교환기 개조 키트.
제 21 항에 있어서,

상기 콘트롤러는 500Hz와 1,000Hz 사이의 주파수로 진동을 발생시키도록 상기 액추에이터를 제어하는

열교환기 개조 키트.
제 17 항에 있어서,

상기 충돌체에 의해서 유도된 진동에 관련된 피드백을 제공하도록 상기 콘트롤러에 연결되고 상기 열교환기에 연결되는, 진동을 측정하기 위한 센서를 더 포함하는

열교환기 개조 키트.
제 1 항에 있어서,

열교환기와 조합되며,

발생되는 주파수는 200Hz 내지 5,000㎐의 범위에 있는

진동 유도 에너지 발생 장치.