WO2023134852A1 - Druckwellengenerator - Google Patents

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Publication number
WO2023134852A1
WO2023134852A1 PCT/EP2022/050620 EP2022050620W WO2023134852A1 WO 2023134852 A1 WO2023134852 A1 WO 2023134852A1 EP 2022050620 W EP2022050620 W EP 2022050620W WO 2023134852 A1 WO2023134852 A1 WO 2023134852A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
actuator
pressure
chamber
outlets
wave generator
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/050620
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans Rüegg
Original Assignee
P-Wave Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by P-Wave Ag filed Critical P-Wave Ag
Priority to PCT/EP2022/050620 priority Critical patent/WO2023134852A1/de
Publication of WO2023134852A1 publication Critical patent/WO2023134852A1/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K15/00—Acoustics not otherwise provided for
    • G10K15/04—Sound-producing devices
    • G10K15/043—Sound-producing devices producing shock waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/02—Generating seismic energy
    • G01V1/133—Generating seismic energy using fluidic driving means, e.g. highly pressurised fluids; using implosion
    • G01V1/137—Generating seismic energy using fluidic driving means, e.g. highly pressurised fluids; using implosion which fluid escapes from the generator in a pulsating manner, e.g. for generating bursts, airguns

Definitions

  • the invention relates to a pressure wave generator (DWG) and a system for generating a pressure wave, as well as a method for generating a pressure wave and the use of a DWG, system or method.
  • DWG pressure wave generator
  • DWGs can be used to clean a dirty tank, pipe or steam boiler, e.g. in a power plant.
  • a DWG is described, for example, in WO 2021/078754 A1.
  • Compressed air is pressed into a pressure chamber, e.g. at 100 bar.
  • a very fast air flow is generated, which creates a strong pressure wave with high total pressure in the area surrounding the DWG.
  • this pressure wave exerts a strong force on the existing soiling, e.g. deposits and caking, and blasts it away.
  • DWGs have various disadvantages: on the one hand, they have a large form factor and a high weight, particularly in the range of several hundred kilograms, due to the compressed air volumes required. As a result, such DWGs can hardly be used in a mobile manner and, in particular, cannot be maneuvered by hand and they cannot be brought into the room to be cleaned. On the other hand, part of the potential energy that is stored with the compressed air in the DWG dissipates either inside the DWG, e.g. due to impacts on the walls of the pressure chamber, or outside due to the non-directional propagation of the pressure wave, e.g. in directions where there is no contamination .
  • a possible object of the invention is to provide a DWG that can be maneuvered by hand and, in particular, can also be used in locations that are difficult to access.
  • Another possible object of the invention is is to provide a DWG with increased cleaning efficiency.
  • an object of the invention can be seen as providing a correspondingly improved method for generating a pressure wave.
  • the DWG according to the invention which is set up to generate a pressure wave in the vicinity of the DWG and, via the pressure wave, to bring about a cleaning effect, e.g. on a dirty container, a dirty pipe or a steam boiler.
  • a DWG includes
  • a pressure chamber which can be filled with a working medium, in particular with compressed air, via a pressure chamber inlet, with at least two pressure outlets located opposite one another;
  • an actuator chamber which can be filled with an actuator medium, in particular with compressed air, via an actuator chamber inlet,
  • the closure element in the pressure chamber which, in a closed position, closes the pressure chamber in relation to the pressure outlets and, in an open position, allows the working medium to flow out through the pressure outlets: the closure element in the pressure chamber is at least partially arranged between the passage and the pressure outlets.
  • the closure element can be moved from the closed position into the open position by displacement in the axial direction.
  • the pressure outlets are advantageously arranged essentially radially outwards.
  • radial means any direction that is orthogonal to “axial”. “Essentially radial” should in particular include deviations of up to 45°, in particular up to 30°, from the radial direction;
  • the actuator element in the actuator chamber, which in a closed position closes the pressure chamber in relation to the actuator outlets and, in an open position, allows the working medium to flow out, in particular out of the pressure chamber through the passage and the actuator outlets:
  • the actuator element is in the actuator chamber between the actuator chamber inlet and the passage arranged.
  • the actuator chamber inlet is advantageously sealed off from the passage by the actuator element, which in particular has no passage opening.
  • the actuator element is still through Move in the axial direction from the closed position to the open position.
  • the actuator outlets are advantageously arranged essentially radially outwards.
  • the closure element can be moved from the closed position to the open position by moving the actuator element from the closed position to the open position.
  • a “pneumatic actuator” comprising the actuator element and advantageously a second actuator element, as is illustrated below.
  • the pressure chamber is essentially cylindrical and the closure element comprises a hollow cylinder which is open at one end.
  • An opposite end face of the hollow cylinder is essentially closed.
  • the opposite end face can have a passage opening, in particular one that is arranged centrally, through which an interior space of the hollow cylinder can be filled with the working medium.
  • an outer surface of the closure element must lie tightly and in particular gas-tightly against an inner surface of the pressure chamber.
  • a seal is fitted between the outer surface of the closure element and the inner surface of the pressure chamber.
  • the closed end face of the closure element has an inner surface facing the interior space, which is smaller, in particular at least 5%, than an opposite outer surface.
  • This has the effect that the closure element also remains in the closed position when the pressure chamber is closed, in particular when the actuator element is in the closed position.
  • F p-A
  • an effective force F in the direction of the closed position is exerted on the closure element, since the pressure p is the same on both sides in the stationary state.
  • a pressure wave is generated by the DWG both at the pressure outlets and at the actuator outlets.
  • the arrangement described effectively uses the entire volume, in particular both the partial volume on the outer surface of the closure element and the partial volume on the inner surface of the closure element, of the working medium under pressure in the pressure chamber to generate pressure waves with a cleaning effect. This achieves an increased cleaning effect.
  • the pressure chamber is between 1.2 and 2 times, in particular between 1.4 and 1.7 times, as large as the interior space of the closure element. This allows the closure element to be easily moved between the closed and open positions.
  • the interior of the closure element can have a volume of 1 to 2 liters and the pressure chamber can have a volume of one and a half to 3 liters.
  • the closure element can have an outside diameter of 100 to 150 mm.
  • the passage opening in the closure element advantageously has a diameter of between 1 and 10 mm, in particular between 3 and 5 mm. Such dimensioning enables the closure element to be easily moved between the closed and open positions and at the same time allows the pressure chamber to be quickly filled with working medium, e.g. within a maximum of 5 s, in particular a maximum of 3 s.
  • the pressure chamber can be filled with the working medium, in particular air, under a pressure of at least 100 bar, in particular at least 200 bar.
  • the actuator chamber can advantageously be filled with the actuator medium, which is advantageously the same as the working medium, under a pressure of at least 10 bar.
  • the pressure chamber can be filled with an amount of air, for example, which at 1 bar has a volume of at least 150 liters, in particular at least 300 liters.
  • a speed of movement of the closure element from the closed to the open position of at least 15 m/s, in particular at least 30 m/s can be achieved. This generates a sufficiently strong pressure wave so that even stubborn dirt, eg caked-on soot or corrosion products such as rust, is removed.
  • the actuator element which in its closed position closes the passage from the pressure chamber, must be dimensioned depending on the pressure of the working medium and the pressure of the actuator medium so that it remains in the closed position when the pressure chamber and actuator chamber are filled. Only by lowering the pressure of the actuator medium should the actuator element be moved into the open position. This is achieved in that an end face of the actuator element which is directed towards the passage is smaller than an opposite end face which is directed towards the actuator chamber inlet.
  • the at least two pressure outlets are arranged opposite one another, i.e. symmetrically, in particular axially symmetrically on the DWG, has the effect that at least the radial components of the recoil forces on the DWG caused by the outflowing working medium cancel each other out.
  • the DWG can thus be designed as a mobile device, which can be held manually, e.g. in a dirty kettle. Without a special arrangement of the outlets, the recoil forces of the working medium flowing out would be too great for the DWG and mobile handling would be impossible.
  • a total opening area of the pressure outlets is at least as large, in particular at least 20% larger, than the open end face of the hollow cylinder. This enables the working medium to flow out of the pressure chamber quickly as soon as the closure element is in the open position, and thus a high outflow speed and a strong pressure wave.
  • the outflow speed at a narrowest point, ie, for example in the pressure outlets is approximately Mach 1, so that the strongest possible pressure wave is achieved.
  • the described dimensioning of the pressure outlets avoids that the working medium flows out excessively Applying forces to components of the DWG, particularly adjacent to the pressure outlets, which could result in damage to the DWG, at least in the long term.
  • the at least two pressure outlets each comprise at least three outlet openings on at least two sides of the pressure wave generator.
  • the outlet openings can be configured with a substantially square cross section.
  • the actuator outlets may also comprise one or more outlet openings, for example in the form of elongated outlet slots or, in particular, with a square cross-section.
  • the shape of the outlets can be used to influence the strength and directivity of the pressure wave generated.
  • the at least two actuator outlets are essentially aligned in the same way as the at least two pressure outlets, in particular with a deviation of at most 30 degrees.
  • the actuator outlets may be located at substantially the same angular position on the DWG as the pressure outlets.
  • Such an arrangement has the effect that the pressure waves generated at the actuator outlets and at the pressure outlets are directed into the same angular range and reinforce each other's cleaning effect.
  • a total open area of the actuator outlets or the passage to the actuator outlets is less than the total open area of the pressure outlets.
  • the total opening area of the actuator outlets or the passage can be less than half the total opening area of the pressure outlets.
  • the DWG also includes - a second actuator chamber, which can be filled with the actuator medium via a second actuator chamber inlet, with at least two opposite second actuator outlets: the second actuator chamber and the actuator chamber are connected by a second passage.
  • This second passage advantageously corresponds to the actuator chamber inlet;
  • the second actuator element in the second actuator chamber, which in a closed position closes the actuator chamber and the second actuator chamber in relation to the second actuator outlets and, in an open position, allows the actuator medium to flow out through the second passage and the second actuator outlets: the second actuator element is in the second actuator chamber disposed between the second actuator chamber inlet and the second passage.
  • the actuator chamber can be filled with the actuator medium via the second actuator chamber and the second actuator chamber inlet.
  • the second actuator chamber and the second actuator element are advantageously cylindrical.
  • the cylindrical shape generally has the advantage that the pressure forces are distributed without having an excessive effect on individual components or wall parts, and that at the same time the (second) actuator element in the (second) actuator chamber or the closure element in the pressure chamber acts like a piston is movable.
  • the second actuator element can have a passage opening, in particular one that is arranged centrally.
  • the actuator chamber can also be filled with actuator medium from the second actuator chamber inlet via this passage opening.
  • the second actuator element similar in principle to the closure element—is shaped such that an end face oriented toward the actuator chamber is smaller, in particular at least 5% smaller, than an end face oriented toward the second actuator chamber inlet. This in turn has the effect, as described above in connection with the closure element, that the second actuator element remains in the closed position when the actuator chamber and the second actuator chamber are in the filled state, and thus closes the second actuator outlets.
  • the actuator element and the closure element also remain in the closed position and the pressure chamber can be filled with working medium.
  • the DWG also includes a controllable drain valve, in particular for the second actuator chamber inlet, for triggering the release of actuator medium from the actuator chamber.
  • the drain valve includes a solenoid valve. Opening the release valve actuates the “pneumatic actuator” mentioned above as follows: The pressure in the second actuator chamber drops as actuator medium flows out through the release valve. As a result, an effective force acts in the direction of the open position on the second actuator element and displaces it into the open position, so that the second actuator outlets are released. The actuator medium now also flows out of the actuator chamber quickly, in particular via the second actuator outlets. As a result, an effective force acts on the actuator element in the direction of the open position from the working medium that is under pressure. The actuator element is moved into the open position and releases the actuator outlets, so that working medium flows out there, the closure element moves into the open position, as described above, and pressure waves are generated.
  • the flow of the working medium when it flows out of the pressure outlets also has an axial component of the flow velocity in addition to the radial component, in particular while the closure element is moving into the open position.
  • the recoil force on the DWG also includes an axial component, which is not compensated for by the above-described clever arrangement of the pressure outlets and causes an undesirable impact on the operator, particularly in the case of manual operation.
  • At least one projection is attached on an outside of the DWG adjacent to the at least two pressure outlets in the direction of the end face of the DWG.
  • the pressure outlets should also be arranged in a part of the pressure chamber facing the end face of the DWG, and in particular the closure element should be in its closed position in a position close to the end face, while in the open position it should be in a position remote from the end face.
  • Such an arrangement of the pressure outlets leads to an axial component of the flow velocity of the outflowing working medium in the direction of the end face.
  • the projections are advantageously set up in such a way that they influence and, in particular, deflect the flow of the working medium flowing out through the pressure outlets.
  • Ribs are suitable as projections, which in particular protrude by at least 1 cm and advantageously run parallel to the end faces.
  • the at least one projection is designed as a peripheral ring adjacent to the at least two pressure outlets.
  • a DWG can be provided that can be hand-held during operation, in other words that can be operated hand-held.
  • Such manual maneuverability facilitates, accelerates and improves the cleaning of dirty containers, since the DWG can be held at the points to be cleaned without great effort, e.g. by repeated assembly.
  • the weight of the DWG also plays an important role.
  • the DWG weighs at most 12 kg, in particular at most 7 kg. This can be achieved by making essential components of the DWG, in particular the pressure chamber, the actuator chamber, the second actuator chamber, the closure element, the actuator element and/or the second actuator element, from aluminum. A low weight in turn improves the handling.
  • a further aspect of the invention relates to a system for generating a pressure wave.
  • the system includes the DWG described above and a lance with the DWG attached to the distal end.
  • the system can be held by a user at the proximal end of the lance and controlled from there.
  • the lance comprises a first supply line for working medium and a second supply line for actuating medium.
  • the lance advantageously includes a control line for activating the drain valve, for example an electrical line in the case of a solenoid valve.
  • the lance can be at least 3 m, in particular at least 5 m long, for example.
  • such a system allows dirty containers to be cleaned during ongoing operation, for example in the case of a power station or generator, without the latter having to be switched off.
  • the DWG or the system must be designed in such a way that it can withstand temperatures of several hundred degrees Celsius, in particular at least 900 degrees Celsius.
  • the following embodiment is advantageous for this:
  • the lance comprises a multi-chamber hollow profile.
  • An outer chamber of the hollow profile is set up for supplying cooling water and/or cooling air for the DWG to the distal end of the lance.
  • the lance can in particular have outlet openings which are arranged in such a way that the cooling water trickles or flows over the DWG during operation and cools it.
  • the first and second supply line and in particular the control line run in an inner chamber of the hollow profile. The supply lines and the control line are thus also protected from the high temperatures during operation, which enables cleaning at high temperatures, in particular when the power plant is in operation.
  • the system includes a camera which is attached to the pressure wave generator, in particular to the end face of the pressure wave generator, and is set up to inspect the surroundings of the pressure wave generator.
  • An infrared camera IR camera
  • the camera can speed up and/or improve the cleaning of dirty containers because dirty areas can be better identified and the DWG can be better aligned to these areas.
  • the system also includes at least one storage bottle to which the first and second feed lines are connected.
  • the at least one storage bottle can, for example, contain a total volume of 200 to 300 liters of the working or actuator medium.
  • the at least one storage bottle can be filled with working or actuator medium using a compressor up to a pressure of over 300 bar, e.g. 330 bar.
  • a compressor with a capacity of at least 500 to 800 liters/min at 330 bar has proven to be practical for this purpose.
  • a further aspect of the invention relates to a method for generating a pressure wave, in particular for cleaning soiled containers.
  • the procedure is carried out using the DWG described above and includes the following steps: (a) Filling the actuator chamber with a gaseous actuator medium at a pressure of more than 10 bar, in particular less than 50 bar;
  • the pressurized working medium is discharged from the pressure chamber in step (c) with a half-life of less than 10 ms, in particular less than 6 ms.
  • a half-life of less than 10 ms, in particular less than 6 ms.
  • the working medium and in particular the actuator medium is air.
  • the pressure chamber can be filled with an amount of air which, at 1 bar, has a volume of at least 150 bar, in particular at least 300 liters.
  • the actuator chamber is filled in step (a) via the second actuator chamber and the passage opening in the second actuator element. This avoids a separate inlet for the actuator chamber and enables a compact design.
  • the pressure chamber advantageously has its own pressure chamber inlet.
  • step (c) is effected in one embodiment by discharging actuator medium from the actuator chamber through the actuator chamber inlet and in particular by discharging actuator medium from the second actuator chamber via the second actuator chamber inlet, in particular by opening the drain valve, see the description above to the "pneumatic actuator".
  • the DWG In continuous operation when cleaning a dirty container, the DWG is usually not only actuated once, i.e. it does not only generate a one-off pressure wave, but "shoots" at regular intervals.
  • the method therefore advantageously comprises repeating steps (a), (b) and (c) with a pressure wave interval of at most 10 s, in particular at most 5 s. Theoretically This means that at least 6, in particular at least 12, "shots", ie pressure waves, are generated per minute.
  • the method for cleaning the container additionally includes moving the DWG to a next point to be cleaned, in particular by hand.
  • the invention relates to a use of the DWG, the system or the method for cleaning a dirty container, pipe or steam boiler.
  • Such vessels, tubes and boilers are usually part of a power plant, e.g., a coal-fired, waste-to-energy, biomass or gas turbine power plant.
  • the DWG When used in a coal-fired power plant, the DWG will primarily clean the surfaces of the container from contamination from combustion products, e.g. soot. As described, this can even happen while the power plant is in operation, ie while hot flue gases are circulating in the container.
  • the DWG When used in a gas turbine combined cycle power plant, the DWG will primarily remove rust from the finned tube surfaces of the downstream steam boiler. The rust arises as a corrosion product in the further utilization of the residual heat contained in the flue gas.
  • the DWG is in this case attached to a cable hoist which is set up in such a way that the DWG can reach and clean the entire surface of a tube bundle in the tank.
  • the position of the DWG can be automatically controlled via the cable pull and a computer-implemented controller and adapted to the respective container.
  • FIG. 1 shows a schematic drawing of a pressure wave generator (DWG) according to an embodiment of the invention
  • FIGS. 2 and 3 show schematic drawings of systems for generating a pressure wave according to embodiments of the invention in use.
  • FIG. 1 the structure of a DWG is shown schematically.
  • a housing 16 which is advantageously made of aluminum for reasons of weight, encloses a pressure chamber, which is composed of the interior space 12 and the gas spring space 11, an actuator chamber 18 and a second actuator chamber 19.
  • a hollow cylinder 13 which acts as a closure element in the sense described above.
  • the hollow cylinder 13 encompasses the interior 12 and, in its closed position (as shown in FIG. 1), closes pressure outlets 15 from the pressure chamber 11, 12 to the environment of the DWG.
  • the hollow cylinder can, for example, have an outside diameter of approx. 0.1 m.
  • the volume of the interior 12 can be approximately 1 liter, for example, and the volume of the gas spring chamber 11 can be approximately 0.6 liters, for example.
  • a seal 13a e.g. an O-ring with Teflon, is fitted between the hollow cylinder 13 and the inner wall of the housing 16.
  • the housing 16 can generally have a sealing layer 14, in particular made of Teflon, on the end face of the DWG, against which the hollow cylinder 13 is pressed in the closed position.
  • the pressure chamber can be filled with a pressurized working medium, eg air, via a valve-controlled supply line 10 .
  • the pressure of the working medium in the pressure chamber can be more than 200 bar in particular to generate a powerful pressure wave with a good cleaning effect.
  • This pressure prevails both in the gas spring chamber 11 and in the interior space 12, since it equalizes via a passage opening 17 in the hollow cylinder 13 and a state of equilibrium is established.
  • An actuator element 6 is located in the actuator chamber 18, which is also cylindrical in shape. In its closed position (as shown in Fig.
  • the actuator element 6 closes a passage 7 between the pressure chamber, in particular the gas spring chamber 11, and the actuator outlets 8.
  • the actuator element 6 seals against the inner wall of the actuator chamber 18 .
  • a sealing ring 6a for example comprising Teflon, can be inserted on the inner wall of the actuator chamber.
  • a second actuator element 2 which (like the hollow cylinder 13 ) has a passage bore 5 .
  • the second actuator element 2 closes a passage 3 between the actuator chamber 18 and the second actuator outlets 4.
  • the second actuator element 2 is also sealed against the inner wall of the housing by means of a seal 2a, e.g. an O-ring with Teflon , sealed.
  • the second actuator chamber 19 and also the actuator chamber 18 via the passage bore 5 are filled under pressure from a valve-controlled supply line 1 with actuator medium, e.g. air.
  • actuator medium e.g. air
  • a discharge valve 9 which is also attached to the inlet to the second actuator chamber 19, is closed.
  • the pressure in the actuator chamber 18 is typically significantly lower, in particular approximately an order of magnitude, than the pressure in the pressure chamber.
  • the actuator chamber 18 is filled with air at a pressure of between 8 and 25 bar, for example at approximately 20 bar.
  • the supply valves 1, 10 and the drain valve 9 are advantageously solenoid valves that can be controlled via an electrical pulse.
  • the controller is advantageously designed as a computer or hardware-implemented controller, so that the valves are opened and closed automatically during operation.
  • the drain valve 9 is arranged close to the second actuator chamber 19 in order to allow actuator medium to be drained off quickly.
  • the discharge valve should be attached at most 1 m away from the second actuator chamber 19 .
  • the supply valves 1, 10, can be further away from the housing 16, for example at the end of the lance or more than 1 m or more than 3 m away from the housing 16.
  • the supply valves 1, 10 can be in a supply and control unit which, for example, also contains pressurized gas cylinders and is connected upstream of the lance. This has the Advantage that the system of lance and DWG, which should be mobile, has a lower weight and can therefore be held by hand.
  • a "firing cycle" in which a pressure wave is generated during operation of the DWG runs as follows:
  • the supply valve 1 for the actuator medium is opened.
  • the driving pressure rises in front of the second actuator element 2 and forces it into its seat in the passage 3, closing the second actuator outlets 4.
  • the valves 9 and 10 remain closed in this phase.
  • the actuator medium now flows through the small passage bore 5 to the actuator element 6 and presses it into the seat in the passage 7, ie in the closed position, with the actuator outlets 8 being closed.
  • the power supply valve 10 is opened and the gas spring chamber 11 and the interior 12 are filled with working medium via the small passage opening 16 in the hollow cylinder or piston 13 .
  • the gas spring piston surface is larger than the piston inner surface, the gas spring force therefore presses the piston 13 in the direction of the end face into the soft seal 14, i.e. in the closed position, and thereby closes the radial pressure outlets 15.
  • the DWG is now loaded.
  • the release valve 9 is opened: The drive pressure behind the second actuator element 2 drops and the actuator element is opened by the now higher pressure force on the outlet side 7.
  • the drive pressure of the actuator element 6 escapes via the second actuator outlets 4 and the pressure of the working medium in the gas spring chamber 11 presses the actuator element 6 open (open position) and releases the radial actuator openings 8 .
  • the gas spring air escapes via the actuator openings 8 and relieves the gas spring 11.
  • the piston internal pressure in the interior 12 is now greater than the gas spring pressure in the gas spring chamber 11 and the piston 13 is moved backwards by the differential force, i.e. into the open position, and with it open at high speed.
  • the working medium now escapes radially outwards from the piston 13 via the pressure outlets 15 .
  • the pressure outlets 15 are arranged opposite one another on the housing 16; the same applies to the actuator outlets 8.
  • projections 20, e.g. in the form of ribs or a circumferential ring, are attached to the outside of the housing 16 next to the pressure outlets 15. Outflowing gas impinges on the protrusions 20 with an axial component of flow.
  • the axial recoil exerted by the outflowing working medium on the pressure chambers 11, 12 and the piston 13 and the oppositely directed impact of the working medium on the projections 20 compensate at least partially. This in turn allows for easier handling of the DWG.
  • FIG. 2 shows a DWG 24 and lance 25 system to which the DWG 24 is mounted, in use in a steam boiler.
  • Tube bundles 23 with a large number of heat exchanger tubes are installed in the convective pass 21 of the steam boiler, which cover the entire flow cross-section of the boiler.
  • Hot flue gas 22 flows through the tube bundle 23, called “bundles” for short, past the heat exchanger tubes and gives off its heat to the tubes. Since the flue gas 22 often carries combustion products with it, which settle or condense on the bundles 23, contamination occurs there, e.g. in the form of soot and caking.
  • the side length of the e.g. square boiler cross-section is typically between 3 and 25 m.
  • a DWG 24 according to the invention can now be used to clean up this contamination.
  • the DWG 24 can be introduced into the alley 27 through the boiler door 28 using the lance 25 .
  • the lance 25 is more than 3 m and eg up to 12 m long in order to be able to clean larger boilers that are accessible from both sides and have a cross-sectional side length of up to 25 m.
  • the DWG 24 generates strong pressure waves 26, which are optimally directed at the bundles 23 and the dirt.
  • the optimized handling described allows the lance 25 to be held by hand even in "firing operation".
  • FIG. 3 shows an alternative mounting of a DWG 32 in a container in the form of a boiler 31, eg a downstream steam boiler in a combined cycle power plant.
  • the DWG 32 is suspended in the vessel 31 by ropes 35 .
  • the feed lines for the working and actuator medium and the control line can also run along the cables 35 .
  • the position of the DWG 32 can be controlled via motor-driven rollers 36 over which the cables 35 run.
  • the position of the DWG 32 and the "shots", i.e. the generation of the pressure waves 33, are advantageously controlled automatically, for example via a computer-implemented control 37.
  • Another advantageous feature is a camera 34 attached to the DWG 32 . This allows particularly dirty areas to be detected and the cleaning success to be estimated. It is also conceivable to control the position and the "shots" of the DWG 32 in real time via the computer-implemented control 37 as a function of images recorded by the camera 34 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckwellengenerator (DWG) sowie ein System und ein Verfahren zur Erzeugung einer Druckwelle, insbesondere zum Reinigen eines Behälters, z.B. eines Dampfkessels oder Rohrs. Der DWG umfasst eine Druckkammer (11, 12), die über einen Druckkammereinlass mit einem Arbeitsmedium fällbar ist, mit mindestens zwei einander gegenüberliegenden Druckauslässen (15), und weiterhin eine Aktuatorkammer (18), die über einen Aktuatorkammereinlass (5) mit einem Aktuatormedium fällbar ist, und mindestens zwei einander gegenüberliegende Aktuatorauslässe (8), die mit der Druckkammer (11, 12) durch einen Durchlass verbunden sind. Weiterhin umfasst der DWG ein Verschlusselement (13) in der Druckkammer (11, 12), welches in einer Schliessstellung die Druckkammer (11, 12) gegenüber den Druckauslässen (15) verschliesst und in einer Offenstellung ein Ausströmen des Arbeitsmediums durch die Druckauslässe (15) ermöglicht. Ausserdem umfasst der DWG ein Aktuatorelement (6) in der Aktuatorkammer (18), welches in einer Schliessstellung die Druckkammer (11, 12) gegenüber den Aktuatorauslässen (8) verschliesst und in einer Offenstellung ein Ausströmen des Arbeitsmediums durch den Durchlass (7) und die Aktuatorauslässe (8) ermöglicht.

Description

Druckwellengenerator
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Druckwellengenerator (DWG) sowie ein System zur Erzeugung einer Druckwelle, ausserdem ein Verfahren zur Erzeugung einer Druckwelle sowie eine Verwendung von DWG, System oder Verfahren.
Hintergrund
Zum Reinigen eines verschmutzten Behälters, Rohrs oder Dampfkessels, z.B. in einem Kraftwerk, können DWG verwendet werden. Ein solcher DWG ist z.B. in WO 2021/078754 Al beschrieben. Verdichtete Luft wird, z.B. mit 100 bar, in eine Druckkammer gepresst. Beim plötzlichen Ausströmen aus der Druckkammer wird eine sehr schnelle Luftströmung erzeugt, die in der Umgebung des DWG eine starke Druckwelle mit hohem Totaldruck erzeugt. Diese Druckwelle übt beim Auftreffen auf verschmutzte Oberflächen des Behälters, Rohrs bzw. Dampfkessels eine starke Kraft auf die vorhandenen Verschmutzungen, z.B. Beläge und Anbackungen, aus und sprengt sie weg.
Bekannte DWG weisen verschiedene Nachteile auf: Einerseits haben sie aufgrund der erforderlichen Druckluft Volumina einen grossen Formfaktor und ein hohes Gewicht, insbesondere im Bereich von mehreren hundert Kilogramm. Dadurch lassen sich solche DWG kaum mobil einsetzen und insbesondere nicht von Hand manövrieren und sie können nicht in den zu reinigenden Raum eingebracht werden. Andererseits verpufft ein Teil der potentiellen Energie, welche mit der Druckluft im DWG gespeichert ist, entweder noch innerhalb des DWG, z.B. durch Stösse an Wänden der Druckkammer, oder ausserhalb durch die ungerichtete Ausbreitung der Druckwelle, z.B. in Richtungen, in denen keine Verschmutzungen vorhanden sind.
Darstellung der Erfindung
Es besteht also ein Bedarf nach einem verbesserten Druckwellengenerator (DWG). Eine mögliche Aufgabe der Erfindung ist es, einen DWG bereitzustellen, welcher von Hand manövriert und insbesondere auch an schwer zugänglichen Orten eingesetzt werden kann. Eine weitere mögliche Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen DWG mit erhöhter Reinigungswirkung bereitzustellen. Weiterhin kann eine Aufgabe der Erfindung darin gesehen werden, ein entsprechend verbessertes Verfahren zur Erzeugung einer Druckwelle bereitzustellen.
Druckwellengenerator
Eine oder mehrere der genannten Aufgaben werden gelöst durch den erfindungsgemässen DWG, welcher dazu eingerichtet ist, eine Druckwelle in der Umgebung des DWG zu erzeugen und über die Druckwelle insbesondere eine Reinigungswirkung z.B. auf einen verschmutzten Behälter, ein verschmutztes Rohr oder einen Dampfkessel, zu bewirken. Ein solcher DWG umfasst
- eine Druckkammer, die über einen Druckkammereinlass mit einem Arbeitsmedium, insbesondere mit Druckluft, fällbar ist, mit mindestens zwei einander gegenüberliegenden Druckauslässen;
- eine Aktuatorkammer, die über einen Aktuatorkammereinlass mit einem Aktuatormedium, insbesondere mit Druckluft, fiillbar ist,
- mindestens zwei einander gegenüberliegende Aktuatorauslässe, die mit der Druckkammer durch einen Durchlass verbunden sind;
- ein Verschlusselement in der Druckkammer, welches in einer Schliessstellung die Druckkammer gegenüber den Druckauslässen verschliesst und in einer Offenstellung ein Ausströmen des Arbeitsmediums durch die Druckauslässe ermöglicht: Das Verschlusselement in der Druckkammer ist zumindest teilweise zwischen dem Durchlass und den Druckauslässen angeordnet. Vorteilhafterweise ist das Verschlusselement durch Verschieben in axialer Richtung von der Schliessstellung in die Offenstellung bewegbar. Die Druckauslässe sind mit Vorteil im Wesentlichen radial nach aussen angeordnet. Dabei ist unter „radial“ jegliche Richtung zu verstehen, die orthogonal zu „axial“ verläuft. „Im Wesentlichen radial“ soll insbesondere Abweichungen von bis zu 45°, insbesondere bis zu 30°, von der radialen Richtung umfassen;
- ein Aktuatorelement in der Aktuatorkammer, welches in einer Schliessstellung die Druckkammer gegenüber den Aktuatorauslässen verschliesst und in einer Offenstellung ein Ausströmen des Arbeitsmediums, insbesondere aus der Druckkammer durch den Durchlass und die Aktuatorauslässe ermöglicht: Das Aktuatorelement ist in der Aktuatorkammer zwischen dem Aktuatorkammereinlass und dem Durchlass angeordnet. Mit Vorteil ist der Aktuatorkammereinlass durch das Aktuatorelement, welches insbesondere keine Durchlassöffnung aufweist, gegen den Durchlass abgedichtet. Vorteilhafterweise ist das Aktuatorelement weiterhin durch Verschieben in axialer Richtung von der Schliessstellung in die Offenstellung bewegbar. Die Aktuatorauslässe sind mit Vorteil im Wesentlichen radial nach aussen angeordnet.
Im Betrieb mit dem Arbeitsmedium ist durch ein Bewegen des Aktuatorelements von der Schliessstellung in die Offenstellung das Verschlusselement von der Schliessstellung in die Offenstellung bewegbar. Dies kann insbesondere durch einen „pneumatischen Aktuator“ umfassend das Aktuatorelement und vorteilhafterweise ein zweites Aktuatorelement bewerkstelligt werden, wie es im Folgenden dargestellt ist.
Druckkammer und Aktuatorkammer
In einer Ausführungsform ist die Druckkammer im Wesentlichen zylinderförmig und das Verschlusselement umfasst einen Hohlzylinder, der an einer Stirnseite offen ist. Eine gegenüberliegende Stirnseite des Hohlzylinders ist im Wesentlichen abgeschlossen. Die gegenüberliegende Stirnseite kann aber eine, insbesondere zentral angeordnete, Durchlassöffnung aufweisen, durch die ein Innenraum des Hohlzylinders mit dem Arbeitsmedium fällbar ist. In diesem Fall muss eine Aussenfläche des Verschlusselements dicht und insbesondere gasdicht an einer Innenfläche der Druckkammer anliegen. Insbesondere ist zwischen der Aussenfläche des Verschlusselements und der Innenfläche der Druckkammer eine Dichtung angebracht.
Vorteilhafterweise weist die abgeschlossene Stirnfläche des Verschlusselements eine zum Innenraum gewandte Innenfläche auf, die, insbesondere mindestens 5 %, kleiner ist als eine gegenüberliegende Aussenfläche. Dies hat den Effekt, dass das Verschlusselement bei geschlossener Druckkammer, insbesondere bei Aktuatorelement in Schliessstellung, ebenfalls in der Schliessstellung bleibt. Dabei wird nach der allgemeinen Formel F = p-A aufgrund des Unterschieds in der Fläche A zwischen Aussenfläche und Innenfläche des Verschlusselement eine effektive Kraft F Richtung Schliessstellung auf das Verschlusselement bewirkt, da der Druck p im stationären Zustand auf beiden Seiten gleich gross ist.
Wird der Durchlass geöffnet, insbesondere durch Bewegen des Aktuatorelements in die Offenstellung, so entweicht Arbeitsmedium durch den Durchlass und die Aktuatorauslässe. Dadurch sinkt der Druck auf der Aussenfläche des Verschlusselements schnell. Auf der Innenfläche des Verschlusselements baut sich der Druck hingegen nur langsam ab, nämlich solange der Verschlusselement in Schliessstellung ist, nur über die Durchlassöffnung. Dadurch wirkt eine effektive Kraft in Richtung Offenstellung auf das Verschlusselement und das Verschlusselement wird in die Offenstellung bewegt, wodurch die Druckauslässe der Druckkammer geöffnet werden und das Arbeitsmedium, insbesondere aus dem Innenraum des Verschlusselements, schnell entweicht. Unter „schnell“ wird insbesondere verstanden, dass eine Halbwertszeit des Drucks des Arbeitsmediums in der Druckkammer nach Bewegen des Aktuatorelements in Offenstellung höchstens 10 ms, insbesondere höchstens 6 ms, beträgt.
Im Allgemeinen werden durch den DWG also sowohl an den Druckauslässen als auch an den Aktuatorauslässen jeweils eine Druckwelle erzeugt. Durch die beschriebene Anordnung wird also effektiv das gesamte Volumen, insbesondere sowohl das Teilvolumen an der Aussenfläche des Verschlusselements als auch das Teilvolumen an der Innenfläche des Verschlusselements, des in der Druckkammer unter Druck stehenden Arbeitsmediums zur Erzeugung von Druckwellen mit Reinigung s Wirkung verwendet. Dadurch wird eine erhöhte Reinigung s Wirkung erzielt.
In einer Ausfuhrungsform ist die Druckkammer zwischen 1.2 und 2 Mal, insbesondere zwischen 1.4 und 1.7 Mal, so gross wie der Innenraum des Verschlusselements. Dadurch wird ein einfaches Bewegen des Verschlusselements zwischen Schliess- und Offenstellung ermöglicht. Insbesondere kann der Innenraum des Verschlusselements ein Volumen von 1 bis 2 Liter und die Druckkammer ein Volumen von anderthalb bis 3 Liter aufweisen. Weiterhin kann das Verschlusselement einen Aussendurchmesser von 100 bis 150 mm aufweisen.
Die Durchlassöffnung im Verschlusselement hat vorteilhafterweise einen Durchmesser zwischen 1 und 10 mm, insbesondere zwischen 3 und 5 mm. Eine solche Dimensionierung ermöglicht ein einfaches Bewegen des Verschlusselements zwischen Schliess- und Offenstellung und gleichzeitig ein rasches Befüllen der Druckkammer mit Arbeitsmedium, z.B. innert höchstens 5 s, insbesondere höchstens 3 s.
In einer Ausfuhrungsform ist die Druckkammer mit dem Arbeitsmedium, insbesondere Luft, unter einem Druck von mindestens 100 bar, insbesondere mindestens 200 bar, befällbar. Ausserdem ist die Aktuatorkammer vorteilhafterweise mit dem Aktuatormedium, welches mit Vorteil gleich ist wie das Arbeitsmedium, unter einem Druck von mindestens 10 bar befällbar. Bei einer solchen Dimensionierung kann die Druckkammer z.B. mit einer Luftmenge befällt werden, welche bei 1 bar ein Volumen von mindestens 150 Liter, insbesondere mindestens 300 Liter, aufweist. Insbesondere kann so eine Geschwindigkeit der Bewegung des Verschlusselements von Schliess- zu Offenstellung von mindestens 15 m/s, insbesondere mindestens 30 m/s, erreicht werden. Dadurch wird eine genügend starke Druckwelle erzeugt, sodass auch hartnäckiger Schmutz, z.B. Anbackungen von Russ oder Korrosionsprodukte wie Rost, entfernt wird.
Ausserdem muss das Aktuatorelement, welches in seiner Schliessstellung den Durchlass von der Druckkammer verschliesst, abhängig vom Druck des Arbeitsmediums und vom Druck des Aktuatormediums so dimensioniert sein, dass es bei gefüllter Druckkammer und gefüllter Aktuatorkammer in der Schliessstellung verbleibt. Erst durch Absenken des Drucks des Aktuatormediums soll das Aktuatorelement in die Offenstellung bewegt werden. Dies wird dadurch erreicht, dass eine Stirnfläche des Aktuatorelements, die zum Durchlass gerichtet ist, kleiner ist als eine gegenüberliegende Stirnfläche, die zum Aktuatorkammereinlass hin gerichtet ist. Das erforderliche Verhältnis der Stirnflächen lässt sich - abhängig von den Drücken von Aktuatormedium und Arbeitsmedium - wiederum über die allgemeine Formel F = p-A berechnen.
Druckauslässe und Aktuator uslässe
Die Tatsache, dass die mindestens zwei Druckauslässe einander gegenüberliegend, also in anderen Worten symmetrisch, insbesondere achsensymmetrisch am DWG, angeordnet sind, hat den Effekt, dass sich zumindest die radialen Anteile der durch das ausströmende Arbeitsmedium auftretenden Rückstosskräfte auf den DWG gegenseitig aufheben. Gleiches gilt für die mindestens zwei Aktuatorauslässe, die ebenfalls einander gegenüberliegend am DWG angebracht sind. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der DWG handgehalten betrieben werden kann. Der DWG kann also als mobile Vorrichtung ausgestaltet sein, welche händisch z.B. in einen verschmutzten Kessel gehalten werden kann. Ohne spezielle Anordnung der Auslässe würden die Rückstosskräfte des ausströmenden Arbeitsmediums den DWG zu gross und eine mobile Handhabung unmöglich.
In einer Ausführungsform ist eine Gesamtöffnungsfläche der Druckauslässe mindestens gleich gross, insbesondere mindestens 20 % grösser, wie die offene Stirnseite des Hohlzylinders. Dies ermöglicht ein rasches Ausströmen des Arbeitsmediums aus der Druckkammer, sobald sich das Verschlusselement in der Offenstellung befindet, und somit eine hohe Ausströmgeschwindigkeit und eine starke Druckwelle. Vorteilhafterweise beträgt die Ausströmgeschwindigkeit an einer engsten Stelle, also z.B. in den Druckauslässen, ungefähr Mach 1, damit eine möglichst starke Druckwelle erreicht wird. Ausserdem vermeidet die beschriebene Dimensionierung der Druckauslässe, dass das Arbeitsmedium beim Ausströmen übermässige Kräfte auf Komponenten des DWG, insbesondere benachbart zu den Druckauslässen, ausübt, was zumindest langfristig zu einer Beschädigung des DWG fuhren könnte.
In einer Ausführungsform umfassen die mindestens zwei Druckauslässe auf mindestens zwei Seiten des Druckwellengenerators jeweils mindestens drei Auslassöffnungen. Die Auslassöffnungen können mit im Wesentlichen quadratischem Querschnitt ausgestaltet sein. Eine solche Ausgestaltung der Druckauslässe fährt zu einer starken Druckwelle, die in einem Winkelbereich von z.B. 90 Grad gerichtet ist und damit eine gute Reinigungswirkung in diesem Winkelbereich erzielt.
Die Aktuatorauslässe können ebenfalls eine oder mehrere Auslassöffnungen, z.B. in Form von länglichen Auslassschlitzen oder insbesondere mit quadratischem Querschnitt, umfassen. Auch hier lässt sich über die Form der Auslässe die Stärke und Richtcharakteristik der erzeugten Druckwelle beeinflussen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die mindestens zwei Aktuatorauslässe im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von höchstens 30 Grad, gleich ausgerichtet sind wie die mindestens zwei Druckauslässe.
Insbesondere können die Aktuatorauslässe im Wesentlichen an der gleichen Winkelposition am DWG angeordnet sind wie die Druckauslässe. Eine solche Anordnung bewirkt, dass die an den Aktuatorauslässen und an den Druckauslässen generierten Druckwellen in den gleichen Winkelbereich gerichtet sind und sich gegenseitig in ihrer Reinigung s Wirkung verstärken.
In einer Ausführungsform ist eine Gesamtöffnungsfläche der Aktuatorauslässe oder des Durchlasses zu den Aktuatorauslässen kleiner als die Gesam- töffhungsfläche der Druckauslässe. Insbesondere kann die Gesamtöffnungsfläche der Aktuatorauslässe bzw. des Durchlasses weniger als halb so gross sein wie die Gesamtöffnungsfläche der Druckauslässe. Dies hat den Vorteil, dass sich der Druck des Arbeitsmediums beim Bewegen des Verschlusselements in die Offenstellung über die Aktuatorauslässe langsamer abbaut als über die Druckauslässe, sodass das in der Druckkammer auf der Aussenseite des Verschlusselements verbleibende Arbeitsmedium als Gasfeder wirkt und die Bewegung des Verschlusselements abdämpft. Dies wiederum vermeidet einen starken Schlag des Verschlusselements auf die Innenseite der Druckkammer und verbessert damit sowohl die Handhabbarkeit als auch die Lebensdauer des DWG.
Zweite Aktuatorkammer
In einer vorteilhaften Ausfiihrungsform umfasst der DWG zusätz- lieh - eine zweite Aktuatorkammer, die über einen zweiten Aktuatorkammereinlass mit dem Aktuatormedium fällbar ist, mit mindestens zwei einander gegenüberliegenden zweiten Aktuatorauslässen: Die zweite Aktuatorkammer und die Aktuatorkammer sind durch einen zweiten Durchlass verbunden. Dieser zweite Durchlass entspricht vorteilhafterweise dem Aktuatorkammereinlass;
- ein zweites Aktuatorelement in der zweiten Aktuatorkammer, welches in einer Schliessstellung die Aktuatorkammer und die zweite Aktuatorkammer gegenüber den zweiten Aktuatorauslässen verschliesst und in einer Offenstellung ein Ausströmen des Aktuatormedius durch den zweiten Durchlass und die zweiten Aktuatorauslässe ermöglicht: Das zweite Aktuatorelement ist in der zweiten Aktuatorkammer zwischen dem zweiten Aktuatorkammereinlass und dem zweiten Durchlass angeordnet.
Für eine einfache und kompakte Bauform ist die Aktuatorkammer über die zweite Aktuatorkammer und den zweiten Aktuatorkammereinlass mit dem Aktuatormedium fällbar.
Vorteilhafterweise sind die zweite Aktuatorkammer und das zweite Aktuatorelement zylinderförmig. Die Zylinderform hat im Allgemeinen den Vorteil, dass sich die Druckkräfte verteilen, ohne übermässig auf einzelne Komponenten bzw. Wandteile einzuwirken, und dass gleichzeitig das (zweite) Aktuatorelement in der (zweiten) Aktuatorkammer bzw. das Verschlusselement in der Druckkammer in der Art eines Kolbens verschiebbar ist.
Weiterhin kann das zweite Aktuatorelement eine, insbesondere zentral angeordnete, Durchlassöffnung aufweisen. Über diese Durchlassöffhung ist auch die Aktuatorkammer vom zweiten Aktuatorkammereinlass her mit Aktuatormedium be fällbar. Mit Vorteil ist das zweite Aktuatorelement - vom Prinzip her ähnlich dem Verschlusselement - so geformt, dass eine zur Aktuatorkammer ausgerichtete Stirnfläche kleiner, insbesondere mindestens 5 % kleiner, ist als eine zum zweiten Aktuatorkammereinlass ausgerichtete Stirnfläche. Dies bewirkt wiederum, wie oben im Zusammenhang mit dem Verschlusselement beschrieben, dass das zweite Aktuatorelement im befällten Zustand der Aktuatorkammer und der zweiten Aktuatorkammer in der Schliessstellung verbleibt und so die zweiten Aktuatorauslässe verschliesst. Dadurch verbleiben auch das Aktuatorelement und das Verschlusselement in der Schliessstellung und die Druckkammer kann mit Arbeitsmedium befällt werden.
In einer vorteilhaften Ausfährungsform umfasst der DWG weiterhin ein steuerbares Ablassventil, insbesondere für den zweiten Aktuatorkammereinlass, zum Triggern des Ablassens von Aktuatormedium aus der Aktuatorkammer. Vorteilhafterweise umfasst das Ablassventil ein Magnetventil. Durch Öffnen des Ablassventils wird der oben erwähnte „pneumatische Aktuator“ wie folgt betätigt: Der Druck in der zweiten Aktuatorkammer sinkt, da Aktuatormedium durch das Ablassventil abfliesst. Dadurch wirkt eine effektive Kraft in Richtung Offenstellung auf das zweite Aktuatorelement und verschiebt dieses in die Offenstellung, sodass die zweiten Aktuatorauslässe freigegeben werden. Nun strömt auch das Aktuatormedium aus der Aktuatorkammer rasch ab, insbesondere über die zweiten Aktuatorauslässe. Dadurch wirkt vom unter Druck stehenden Arbeitsmedium her eine effektive Kraft auf das Aktuatorelement in Richtung Offenstellung. Das Aktuatorelement wird in die Offenstellung verschoben und gibt die Aktuatorauslässe frei, sodass dort Arbeitsmedium ausströmt, das Verschlusselement sich wie oben beschreiben in die Offenstellung verschiebt und Druckwellen erzeugt werden.
Weitere Aspekte des DWG
Es ist unvermeidlich, dass die Strömung des Arbeitsmediums beim Ausströmen aus den Druckauslässen zusätzlich zur radialen Komponente auch eine axiale Komponente der Strömungsgeschwindigkeit aufweist, insbesondere während sich das Verschlusselement in die Offenstellung bewegt. Dadurch umfasst auch die Rückstosskraft auf den DWG eine axiale Komponente, welche nicht durch die oben beschriebene geschickte Anordnung der Druckauslässe kompensiert wird und insbesondere bei händischem Betrieb einen unerwünschten Schlag auf den Betreiber verursacht.
Zur Minimierung dieses Rückstosses ist in einer vorteilhaften Ausführungsform an einer Aussenseite des DWG benachbart zu den mindestens zwei Druckauslässen Richtung Stirnfläche des DWG mindestens ein Vorsprung angebracht. Gleichzeitig sollen auch die Druckauslässe in einem der Stirnfläche des DWG zugewandten Teil der Druckkammer angeordnet sein und insbesondere soll sich das Verschlusselement in seiner Schliessstellung in einer Stirnflächen-nahen Tage befinden, während es sich in der Offenstellung in einer Stirnflächen- fernen Lage befindet. Eine solche Anordnung der Druckauslässe führt zu einer axialen Komponente der Strömungsgeschwindigkeit des ausströmenden Arbeitsmediums in Richtung Stirnfläche. Die Vorsprünge sind vorteilhafterweise so eingerichtet, dass sie die Strömung des durch die Druckauslässe ausströmenden Arbeitsmediums beeinflussen und insbesondere umlenken. Durch das Auftreffen der Strömung auf die Vorsprünge wirkt eine Kraft auf den DWG ein, welcher die axiale Komponente der Rückstosskraft zumindest teilweise, insbesondere zu mindestens 50 %, kompensiert. Als Vorsprünge eignen sich z.B. Rippen, welche insbesondere mindestens 1 cm vorstehen und vorteilhafterweise Stirnflächen-parallel verlaufen. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der mindestens eine Vorsprung als benachbart zu den mindestens zwei Druckauslässen umlaufender Ring ausgebildet.
Auf diese Weise kann ein DWG bereitgestellt werden, der im Betrieb von Hand gehalten werden kann, mit anderen Worten also handgehalten betrieben werden kann. Eine solche händische Manövrierbarkeit erleichtert, beschleunigt und verbessert das Reinigen von verschmutzten Behältern, da der DWG ohne grossen Aufwand z.B. durch wiederholte Montage, an die zu reinigenden Stellen gehalten werden kann.
Eine wichtige Rolle spielt dabei natürlich auch das Gewicht des DWG. Vorteilhafterweise weist der DWG ein Gewicht von höchstens 12 kg, insbesondere höchstens 7 kg, auf. Dies kann erreicht werden, indem wesentliche Komponenten des DWG, insbesondere die Druckkammer, die Aktuatorkammer, die zweite Aktuatorkammer, das Verschlusselement, das Aktuatorelement und/oder das zweite Aktuatorelement, aus Aluminium hergestellt sind. Ein geringes Gewicht verbessert wiederum die Handhabbarkeit.
System zur Erzeugung einer Druckwelle
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein System zur Erzeugung einer Druckwelle. Das System umfasst den oben beschriebenen DWG sowie eine Lanze, an deren distalem Ende der DWG angebracht ist. Am proximalen Ende der Lanze kann das System von einem Benutzer gehalten und von dort aus gesteuert werden. Die Lanze umfasst eine erste Zufuhrleitung für Arbeitsmedium und eine zweite Zufuhrleitung für Aktuatormedium. Ausserdem umfasst die Lanze vorteilhafterweise eine Steuerleitung zum Ansteuern des Ablassventils, im Falle eines Magnetventils z.B. eine elektrische Leitung.
Ein solches System ermöglicht das Reinigen von verschmutzten Behältern, insbesondere Rohren oder Kesseln, auch an abgelegenen Stellen, ohne dass der Benutzer sich selbst in den Behälter begeben muss. Dazu kann die Lanze z.B. mindestens 3 m, insbesondere mindestens 5 m, lang sein. Insbesondere ermöglicht ein solches System das Reinigen von verschmutzten Behältern während laufendem Betrieb, z.B. im Fall eines Kraftwerks oder Generators ohne Abschalten desselben. Gerade fur den letzteren Anwendungsfall muss der DWG bzw. das System so gestaltet sein, dass es Temperaturen von mehreren Hundert Grad Celsius, insbesondere von mindestens 900 Grad Celsius, aushält. Dazu ist folgende Ausfäh- rungsform vorteilhaft: Die Lanze umfasst ein mehrkammeriges Hohlprofil. Eine äussere Kammer des Hohlprofils ist für eine Zufuhr von Kühlwasser und/oder Kühlluft für den DWG zum distalen Ende der Lanze eingerichtet. Am distalen Ende kann die Lanze insbesondere Austrittsöffnungen aufweisen, die so angeordnet sind, dass das Kühlwasser im Betrieb über den DWG rieselt oder fliesst und diesen kühlt. Weiterhin verlaufen in einer inneren Kammer des Hohlprofils die erste und zweite Zufuhrleitung und insbesondere die Steuerleitung. Somit werden die Zufuhrleitungen und die Steuerleitung im Betrieb ebenfalls vor den hohen Temperaturen geschützt, was ein Reinigen bei hohen Temperaturen, insbesondere bei laufendem Betrieb des Kraftwerks, ermöglicht.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das System eine Kamera, die an dem Druckwellengenerator, insbesondere an der Stirnfläche des Druckwellengenerators, angebracht und zur Inspektion einer Umgebung des Druckwellengenerators eingerichtet ist. Zur Inspektion von verschmutzten Stellen hat sich insbesondere eine Infrarotkamera (IR-Kamera) als geeignet herausgestellt. Durch die Kamera kann das Reinigen von verschmutzten Behältern beschleunigt und/oder verbessert werden, da verschmutzte Stellen besser erkannt und der DWG besser auf diese Stellen ausgerichtet werden kann.
Vorteilhafterweise umfasst das System weiterhin mindestens eine Speicherflasche, an welche die erste und zweite Zuführleitung angeschlossen sind. Die mindestens eine Speicherflasche kann z.B. ein Gesamtvolumen von insgesamt 200 bis 300 Liter des Arbeits- bzw. Aktuatormediums beinhalten. In der Praxis kann die mindestens eine Speicherflasche mit einem Kompressor bis zu einem Druck von über 300 bar, z.B. 330 bar, mit Arbeits- bzw. Aktuatormedium befällt werden. Dazu hat sich insbesondere ein Kompressor mit einer Leistung von mindestens 500 bis 800 Liter/min bei 330 bar als praktisch herausgestellt.
Verfahren zur Erzeugung einer Druckwelle
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Druckwelle, insbesondere zum Reinigen von verschmutzten Behältern. Das Verfahren wird insbesondere unter Verwendung des oben beschriebenen DWG durchgeführt und umfasst die folgenden Schritte: (a) Befallen der Aktuatorkammer mit einem gasförmigen Aktuatormedium mit einem Druck von über 10 bar, insbesondere unter 50 bar;
(b) Befüllen der Druckkammer mit einem gasförmigen Arbeitsmedium mit einem Druck von über 100 bar, insbesondere über 200 bar;
(c) Bewegen des Aktuatorelements von der Schliessstellung in die Offenstellung, dadurch Bewegen des Verschlusselements von der Schliessstellung in die Offenstellung und dadurch Ablassen des unter Druck stehenden Arbeitsmediums aus der Druckkammer durch die Druckauslässe und die Aktuatorauslässe: Wie oben erläutert entsteht durch das rasche Ablassen infolge des hohen Drucks des Arbeitsmediums in der Druckkammer eine Druckwelle an den Druckauslässen und den Aktuatorauslässen, welche eine gute Reinigungswirkung aufweist.
Für eine gute Reinigungswirkung ist es vorteilhaft, dass das Ablassen des unter Druck stehenden Arbeitsmediums aus der Druckkammer in Schritt (c) mit einer Halbwertszeit von weniger 10 ms, insbesondere weniger als 6 ms, geschieht. Solche Halbwertszeiten sind mit einem DWG mit den oben beschriebenen Dimensionen erreichbar.
In einer Ausführungsform ist das Arbeitsmedium und insbesondere das Aktuatormedium Luft. Insbesondere kann das Befüllen der Druckkammer mit einer Luftmenge erfolgen, welche bei 1 bar ein Volumen von mindestens 150 bar, insbesondere mindestens 300 Liter, aufweist.
Weiterhin ist es in einer Ausführungsform mit zweiter Aktuatorkammer vorteilhaft, dass das Befüllen der Aktuatorkammer in Schritt (a) über die zweite Aktuatorkammer und die Durchlassöffnung im zweiten Aktuatorelement erfolgt. So wird ein separater Einlass für die Aktuatorkammer vermieden und eine kompakte Bauform ermöglicht. Die Druckkammer hingegen hat vorteilhafterweise einen eigenen Druckkammereinlass.
Ausserdem wird das Bewegen des Aktuatorelements in Schritt (c) in einer Ausführungsform durch Ablassen von Aktuatormedium aus der Aktuatorkammer durch den Aktuatorkammereinlass und insbesondere durch Ablassen von Aktuatormedium aus der zweiten Aktuatorkammer über den zweiten Aktuatorkammereinlass bewirkt, insbesondere durch Öffnen des Ablassventils, siehe die obige Beschreibung zum „pneumatischen Aktuator“.
Im Dauerbetrieb beim Reinigen eines verschmutzten Behälters wird der DWG üblicherweise nicht nur einmal betätigt, erzeugt also nicht nur eine einmalige Druckwelle, sondern „schiesst“ in regelmässigen Intervallen. Vorteilhafterweise umfasst das Verfahren also ein Wiederholen der Schritte (a), (b) und (c) mit einem Druckwellenintervall von höchstens 10 s, insbesondere höchstens 5 s. Theoretisch werden damit also mindestens 6, insbesondere mindestens 12, „Schüsse“, also Druckwellen, pro Minute erzeugt. Insbesondere umfasst das Verfahren zum Reinigen des Behälters zusätzlich ein Bewegen des DWG zu einer nächsten zu reinigenden Stelle, insbesondere von Hand.
Verwendung des DWG
Die oben beschriebenen Merkmale des DWG bzw. des Systems zur Erzeugung einer Druckwelle sollen auch in Verbindung mit dem genannten Verfahren offenbart sein und umgekehrt. Ausserdem bezieht sich die Erfindung auf eine Verwendung des DWG, des Systems oder des Verfahrens zum Reinigen eines verschmutzten Behälters, Rohrs oder Dampfkessels. Solche Behälter, Rohre und Dampfkessel sind üblicherweise Teil eines Kraftwerks, z.B. eines Kohlekraftwerks, Müll-, Biomasse- oder Gasturbinen-Kraftwerks.
Bei einer Verwendung in einem Kohlekraftwerk wird der DWG also vornehmlich die Oberflächen des Behälters von Verschmutzungen durch Verbrennungsprodukte, z.B. Russ, reinigen. Wie beschrieben, kann dies sogar im laufenden Betrieb des Kraftwerks geschehen, also während heisse Rauchgase in dem Behälter zirkulieren.
Bei einer Verwendung in einem Gasturbinen- Kombi- Kraftwerk wird der DWG vornehmlich Rost von den Rippenrohr-Oberflächen des nachgeschalteten Dampfkessels entfernen. Der Rost entsteht als Korrosionsprodukt bei der weiteren Ausnutzung der im Rauchgas enthaltenen Restwärme.
Wenn die Umgebung des DWG eher kühl, insbesondere unter 100 Grad Celsius warm, ist, z.B. bei nachgeschalteten Kesseln in einem Gasturbinen- Kraftwerk, ist anstatt des oben beschriebenen Systems mit Lanze auch eine Anordnung mit Seilzug denkbar. Der DWG ist in diesem Fall an einem Seilzug angebracht, welcher so eingerichtet ist, dass der DWG die gesamte Fläche eines Rohrbündels in dem Behälter erreichen und reinigen kann. Insbesondere kann die Position des DWG über den Seilzug und eine computer-implementierte Steuerung automatisch gesteuert und auf den jeweiligen Behälter angepasst werden. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Ausgestaltungen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der nun folgenden Figurenbeschreibung. Dabei zeigen:
Figur 1 eine Schemazeichnung eines Druckwellengenerators (DWG) gemäss einer Ausführungsform der Erfindung;
Figuren 2 und 3 Schemazeichnungen von Systemen zur Erzeugung einer Druckwelle gemäss Ausführungsformen der Erfindung im Einsatz.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In Fig. 1 ist der Aufbau eines DWG schematisch dargestellt. Ein Gehäuse 16, welches aus Gewichtsgründen vorteilhafterweise aus Aluminium hergestellt ist, umschliesst eine Druckkammer, welche sich aus dem Innenraum 12 und dem Gasfederraum 11 zusammensetzt, eine Aktuatorkammer 18 und eine zweite Aktuatorkammer 19.
In der Druckkammer 11, 12, die eine zylindrische Form aufweist, befindet sich ein Hohlzylinder 13, der als Verschlusselement im oben beschriebenen Sinne fungiert. Der Hohlzylinder 13 umfasst den Innenraum 12 und verschliesst in seiner Schliessstellung (wie dargestellt in Fig. 1) Druckauslässe 15 von der Druckkammer 11, 12 zur Umgebung des DWG. Der Hohlzylinder kann z.B. eine Aussendurchmesser von ca. 0.1 m aufweisen. Das Volumen des Innenraums 12 kann z.B. ca. 1 Liter betragen, das Volumen des Gasfederraums 11 z.B. ca. 0.6 Liter. Um ein Ausströmen von Arbeitsmedium aus dem Gasfederraum 11 durch die Druckauslässe 15 zu vermeiden, ist zwischen dem Hohlzylinder 13 und der Innenwand des Gehäuses 16 eine Dichtung 13a, z.B. ein O-Ring mit Teflon, angebracht.
Für eine optimale Abdichtung kann das Gehäuse 16 an der Stirnseite des DWG im Allgemeinen eine Dichtschicht 14, insbesondere aus Teflon, aufweisen, gegen welche der Hohlzylinder 13 in der Schliessstellung gedrückt wird. Die Druckkammer kann über eine ventilgesteuerte Zufuhrleitung 10 mit einem unter Druck stehenden Arbeitsmedium, z.B. Luft, befüllt werden. Der Druck des Arbeitsmediums in der Druckkammer kann zur Erzeugung einer kräftigen Druckwelle mit guter Reinigungswirkung insbesondere über 200 bar betragen. Bei geschlossener Druckkammer herrscht dieser Druck sowohl im Gasfederraum 11 als auch im Innenraum 12, da er sich über eine Durchlassöffnung 17 im Hohlzylinder 13 ausgleicht und sich ein Gleichgewichtszustand einstellt. In der Aktuatorkammer 18, die ebenfalls eine zylindrische Form aufweist, befindet sich ein Aktuatorelement 6. In seiner Schliessstellung (wie in Fig. 1 dargestellt) verschliesst das Aktuatorelement 6 einen Durchgang 7 zwischen der Druckkammer, insbesondere dem Gasfederraum 11, und den Aktuatorauslässen 8. Das Aktuatorelement 6 dichtet gegenüber der Innenwand der Aktuatorkammer 18 ab. Dazu kann beispielsweise an der Innenwand der Aktuatorkammer ein Dichtring 6a, z.B. umfassend Teflon, eingelegt sein.
In der zweiten Aktuatorkammer 19 befindet sich ein zweites Aktuatorelement 2, welches (wie der Hohlzylinder 13) eine Durchlassbohrung 5 aufweist. In seiner Schliessstellung (wie in Fig. 1 dargestellt) verschliesst das zweite Aktuatorelement 2 einen Durchgang 3 zwischen Aktuatorkammer 18 und zweiten Aktuatorauslässen 4. Auch das zweite Aktuatorelement 2 ist gegenüber der Innenwand des Gehäuses mittels einer Dichtung 2a, z.B. einem O-Ring mit Teflon, abgedichtet.
Die zweite Aktuatorkammer 19 sowie über die Durchlassbohrung 5 auch die Aktuatorkammer 18 sind von einer ventilgesteuerten Zufuhrleitung 1 mit Aktuatormedium, z.B. Luft, unter Druck befüllt werden. Dabei ist ein ebenfalls am Einlass zur zweiten Aktuatorkammer 19 angebrachtes Ablassventil 9 geschlossen. Der Druck in der Aktuatorkammer 18 ist typischerweise deutlich, insbesondere ca. eine Grössenordnung, geringer als der Druck in der Druckkammer. So wird die Aktuatorkammer 18 insbesondere mit Luft unter einem Druck zwischen 8 und 25 bar, z.B. mit ca. 20 bar, befüllt.
Die Zufuhrventile 1, 10 sowie das Ablassventil 9 sind vorteilhafterweise Magnetventile, die über einen elektrischen Impuls angesteuert werden können. Die Steuerung ist vorteilhafterweise als Computer- oder Hardware-implementierte Steuerung ausgebildet, sodass ein Öffnen und Schliessen der Ventile im Betrieb automatisch abläuft.
Es ist dabei vorteilhaft, dass das Ablassventil 9 nahe bei der zweiten Aktuatorkammer 19 angeordnet ist, um ein schnelles Ablassen von Aktuatormedium zu ermöglichen. Insbesondere soll das Ablassventil höchstens 1 m von der zweiten Aktuatorkammer 19 entfernt angebracht sein. Aus Gründen der Robustheit und kompakten Bauform bietet es sich an, dass das Ablassventil 9 im Gehäuse 16 integriert ist. Die Zufuhrventile 1, 10 können hingegen weiter von dem Gehäuse 16 entfernt sein, z.B. am Ende der Lanze bzw. mehr als 1 m oder mehr als 3 m von dem Gehäuse 16 entfernt. Insbesondere wenn der DWG an einer Lanze angebracht ist, wie oben beschrieben, können sich die Zufuhrventile 1 , 10 in einer Zufuhr- und Steuereinheit, die z.B. auch Druckgasflaschen enthält und der Lanze vorgeschaltet ist. Dies hat den Vorteil, dass das System aus Lanze und DWG, welches mobil sein soll, ein geringeres Gewicht aufweist und somit von Hand gehalten werden kann.
Ein „Schusszyklus“, bei dem im Betrieb des DWG eine Druckwelle erzeugt wird, läuft folgendermassen ab:
1. Das Zuführventil 1 für das Aktuatormedium wird geöffnet. Der Antriebsdruck steigt vor dem zweiten Aktuatorelement 2 und drückt es in seinen Sitz im Durchgang 3, wobei die zweiten Aktuatorauslässe 4 verschlossen werden. Die Ventile 9 und 10 bleiben in dieser Phase geschlossen.
2. Durch die kleine Durchlassbohrung 5 strömt das Aktuatormedium nun zum Aktuatorelement 6 und drückt es in den Sitz in Durchgang 7, also in Schliessstellung, wobei die Aktuatorauslässe 8 verschlossen werden.
3. Das Leistungs-Zuführventil 10 wird geöffnet und der Gasfederraum 11 sowie der Innenraum 12 über die kleine Durchlassöffnung 16 im Hohlzylinder bzw. Kolben 13 werden mit Arbeitsmedium gefüllt. Die Gasfeder-Kolbenfläche ist grösser als die Kolben-Innenfläche, die Gasfederkraft drückt den Kolben 13 deshalb Richtung Stirnfläche in die weiche Dichtung 14, also in Schliessstellung, und verschliesst dadurch die radialen Druckauslässe 15. Der DWG ist nun geladen.
4. Die Zufuhrventile 1 und 10 werden geschlossen.
5. Das Ablassventil 9 wird geöffnet: Der Antriebsdruck hinter dem zweiten Aktuatorelement 2 sinkt und das Aktuatorelement wird durch die nun höhere Druckkraft auf der Durchlassseite 7 geöffnet. Der Antriebsdruck des Aktuatorelements 6 entweicht über die zweiten Aktuatorauslässe 4 und der Druck des Arbeitsmediums im Gasfederraum 11 drückt das Aktuatorelement 6 auf (Offenstellung) und gibt die radialen Aktuatoröffnungen 8 frei.
6. Die Gasfederluft entweicht über die Aktuatoröffnungen 8 und entlastet die Gasfeder 11. Der Kolben-Innendruck im Innenraum 12 ist nun grösser als der Gasfederdruck im Gasfederraum 11 und der Kolben 13 wird durch die Differenzkraft nach hinten, also in die Offenstellung, bewegt und mit hoher Geschwindigkeit geöffnet. Dadurch entweicht nun das Arbeitsmedium aus dem Kolben 13 über die Druckauslässe 15 radial nach aussen.
Beim raschen Entweichen des Arbeitsmediums aus dem Gasfederraum 11 durch die Aktuatorauslässe 8 und aus dem Innenraum 12 durch die Druckauslässe 15 entstehen starke Druckwellen im umgebenden Gas. Die Druckwellen pflanzen sich in der Umgebung fort und reinigen beim Auftreffen auf Oberflächen diese von Verschmutzungen. Damit der DWG handgehalten betrieben werden kann, sind wie oben beschrieben einige Vorkehrungen zu treffen, da der Rückstoss des ausströmenden Arbeitsmediums den DWG sonst einem Benutzer aus der Hand reissen würde. Einerseits sind die Druckauslässe 15 einander gegenüberliegend am Gehäuse 16 angeordnet; gleiches gilt für die Aktuatorauslässe 8.
Andererseits ist es vorteilhaft, dass aussen am Gehäuse 16 neben den Druckauslässen 15 Vorsprünge 20, z.B. in Form von Rippen oder einem umlaufenden Ring, angebracht sind. Ausströmendes Gas mit einer Axialkomponente der Strömung trifft auf die Vorsprünge 20 auf. Wie oben erläutert, kompensieren sich der axiale Rückstoss, den das ausströmende Arbeitsmedium auf die Druckkammer 11, 12 und den Kolben 13 ausübt, und der entgegengesetzt gerichtete Stoss des Arbeitsmediums auf die Vorsprünge 20 zumindest teilweise. Dies ermöglicht wiederum eine leichtere Handhabung des DWG.
Fig. 2 zeigt ein System aus DWG 24 und Lanze 25, an die der DWG 24 montiert ist, beim Einsatz in einem Dampfkessel. Im Konvektivzug 21 des Dampfkessels sind Rohrbündel 23 mit einer Vielzahl von Wärmetauscherrohren eingebaut, welche den gesamten Strömungs-Querschnitt des Kessels abdecken. Heisses Rauchgas 22 strömt durch die Rohrbündel 23, kurz „Bündel“ genannt, an den Wärmetauscherrohren vorbei und gibt dabei seine Wärme an die Rohre ab. Da das Rauchgas 22 häufig Verbrennungsprodukte mit sich trägt, die sich an den Bündeln 23 absetzen oder kondensieren, kommt es dort zur Verschmutzungen, z.B. in Form von Russ und Anbackungen. Zwischen je zwei Bündeln 23 gibt es einen Zwischenraum 27, Gasse genannt, welcher über eine Kesseltür 28 zugänglich ist. Die Seitenlänge des, z.B. quadratischen, Kesselquerschnitts liegt typischerweise zwischen 3 und 25 m.
Ein DWG 24 gemäss der Erfindung kann nun verwendet werden, um diese Verschmutzungen zu beseitigen. Dazu kann der DWG 24 mithilfe der Lanze 25, durch die Kesseltür 28 in die Gasse 27 eingeführt werden. Vorteilhafterweise ist die Lanze 25 über 3 m und z.B. bis zu 12 m lang, um auch grössere, von beiden Seiten zugängliche Kessel mit einer Seitenlänge des Querschnitts von bis zu 25 m, reinigen zu können. In der Gasse 27 erzeugt der DWG 24 starke und optimalerweise auf die Bündel 23 und die Verschmutzungen gerichtete Druckwellen 26. Die beschriebene optimierte Handhabbarkeit erlaubt es dabei, dass die Lanze 25 selbst im „Schussbetrieb“ von Hand gehalten wird. Insbesondere bei einer Ausführungsform des Systems mit Wasserkühlung ist ausserdem nicht einmal ein Abschalten des heissen Gasstroms 22 nötig. Die Reinigung von Dampfkessel 21 und Bündeln 23 kann also im Betrieb erfolgen. Fig. 3 zeigt eine alternative Anbringung eines DWG 32 in einem Behälter in Form eines Kessels 31, z.B. eines nachgeschalteten Dampfkessels bei einem Gaskombi-Kraftwerk. Der DWG 32 ist an Seilen 35 in dem Kessel 31 aufgehängt. Gleichzeitig können auch die Zuführleitungen für Arbeits- und Aktuatormedium sowie die Steuerleitung entlang der Seile 35 verlaufen. Über motorbetriebene Rollen 36, über welche die Seile 35 laufen, lässt sich die Position des DWG 32 steuern. Die Steuerung der Position des DWG 32 und der „Schüsse“, also der Erzeugung der Druckwellen 33, erfolgt mit Vorteil automatisch, z.B. über eine computer-imple- mentierte Steuerung 37.
Eine weitere vorteilhafte Ausstattung ist eine Kamera 34, die an dem DWG 32 angebracht ist. Damit lassen sich besonders verschmutzte Stellen delektieren sowie der Reinigungserfolg abschätzen. Denkbar ist ausserdem eine Steuerung der Position sowie der „Schüsse“ des DWG 32 in Real-Zeit über die computerimplementierte Steuerung 37 in Abhängigkeit von Bildern, welche die Kamera 34 aufnimmt.
Während in der vorliegenden Anmeldung bevorzugte Ausführungen der Erfindung beschrieben sind, ist klar darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist und in auch anderer Weise innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche ausgeführt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Druckwellengenerator zur Erzeugung einer Druckwelle, umfassend
- eine Druckkammer (11, 12), die über einen Druckkammereinlass mit einem Arbeitsmedium fällbar ist, mit mindestens zwei einander gegenüberliegenden Druckauslässen (15),
- eine Aktuatorkammer (18), die über einen Aktuatorkammereinlass (3) mit einem Aktuatormedium füllbar ist,
- mindestens zwei einander gegenüberliegende Aktuatorauslässe (8), die mit der Druckkammer (11, 12) durch einen Durchlass (7) verbunden sind,
- ein Verschlusselement (13) in der Druckkammer (11, 12), welches in einer Schliessstellung die Druckkammer (11, 12) gegenüber den Druckauslässen (15) verschliesst und in einer Offenstellung ein Ausströmen des Arbeitsmediums durch die Druckauslässe (15) ermöglicht, wobei das Verschlusselement (13) in der Druckkammer (11, 12) zumindest teilweise zwischen dem Durchlass (7) und den Druckauslässen (15) angeordnet ist,
- ein Aktuatorelement (6) in der Aktuatorkammer (18), welches in einer Schliessstellung die Druckkammer (11, 12) gegenüber den Aktuatorauslässen (8) verschliesst und in einer Offenstellung ein Ausströmen des Arbeitsmediums durch den Durchlass (7) und die Aktuatorauslässe (8) ermöglicht, wobei im Betrieb mit dem Arbeitsmedium durch ein Bewegen des Aktuatorelements (6) von der Schliessstellung in die Offenstellung das Verschlusselement (13) von der Schliessstellung in die Offenstellung bewegbar ist.
2. Druckwellengenerator nach Anspruch 1, wobei das Verschlusselement (13) und insbesondere auch das Aktuatorelement (6) durch Verschieben in axialer Richtung von der Schliessstellung in die Offenstellung bewegbar sind, wobei die Druckauslässe (15) und die Aktuatorauslässe (8) im Wesentlichen radial nach aussen angeordnet sind.
3. Druckwellengenerator nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, wobei die Druckkammer (11, 12) im Wesentlichen zylinderförmig ist und das Verschlusselement (13) einen Hohlzylinder umfasst, der an einer Stirnseite offen ist, wobei eine gegenüberliegende Stirnseite des Hohlzylinders im Wesentlichen abgeschlossen ist und eine, insbesondere zentral angeordnete, Durchlassöffnung (17) aufweist, durch die ein Innenraum (12) des Hohlzylinders mit dem Arbeitsmedium fullbar ist.
4. Druckwellengenerator nach Anspruch 3, wobei die abgeschlossene Stirnfläche des Verschlusselements (13) eine zum Innenraum (12) gewandte Innenfläche aufweist, die, insbesondere mindestens 5 %, kleiner ist als eine gegenüberliegende Aussenfläche.
5. Druckwellengenerator nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei eine Gesamte ffnungsfläche der Druckauslässe (15) mindestens gleich gross, insbesondere mindestens 20 % grösser, ist wie die offene Stirnseite des Hohlzylinders.
6. Druckwellengenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druckkammer (11, 12) zwischen 1.2 und 2 Mal, insbesondere zwischen 1.4 und 1.7 Mal, so gross ist wie ein bzw. der Innenraum (12) des Verschlusselements (13), insbesondere wobei der Innenraum (12) des Verschlusselements
(13) ein Volumen von 1 bis 2 Liter und die Druckkammer (11, 12) ein Volumen von anderthalb bis 3 Liter aulweisen, und/oder insbesondere wobei das Verschlusselement (13) einen Aussendurchmesser von 100 bis 150 mm aufweist.
7. Druckwellengenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druckkammer (11, 12) mit dem Arbeitsmedium unter einem Druck von mindestens 100 bar, insbesondere mindestens 200 bar, befüllbar ist, insbesondere wobei die Aktuatorkammer (18) mit dem Aktuatormedium unter einem Druck von mindestens 10 bar befüllbar ist.
8. Druckwellengenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei Aktuatorauslässe (8) im Wesentlichen gleich ausgerichtet sind wie die mindestens zwei Druckauslässe (15), insbesondere wobei die Aktuatorauslässe (15) im Wesentlichen an der gleichen Winkelposition am Druckwellengenerator angeordnet sind wie die Druckauslässe (15).
9. Druckwellengenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Gesamtöffnungsfläche der Aktuatorauslässe (8) oder des Durchlasses (7) kleiner, insbesondere weniger als halb so gross, als die Gesamtöffnungsfläche der Druckauslässe (15) ist.
10. Druckwellengenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an einer Aussenseite des Druckwellengenerators benachbart zu den mindestens zwei Druckauslässen (15) Richtung Stirnfläche des Druckwellengenerators mindestens ein Vorsprung (20) angebracht ist insbesondere wobei die Vorsprünge (20) so eingerichtet sind, dass sie eine Strömung des durch die Druckauslässe (15) ausströmenden Arbeitsmediums beeinflussen und insbesondere umlenken.
11. Druckwellengenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend
- eine zweite Aktuatorkammer (19), die über einen zweiten Aktuatorkammereinlass mit dem Aktuatormedium füllbar ist, mit mindestens zwei einander gegenüberliegenden zweiten Aktuatorauslässen (4), wobei die zweite Aktuatorkammer (19) und die Aktuatorkammer
(18) durch einen zweiten Durchlass (3), insbesondere durch den Aktuatorkammereinlass (3), verbunden sind,
- ein zweites Aktuatorelement (2) in der zweiten Aktuatorkammer
(19), welches in einer Schliessstellung die Aktuatorkammer (18) und die zweite Aktuatorkammer (19) gegenüber den zweiten Aktuatorauslässen (4) verschliesst und in einer Offenstellung ein Ausströmen des Aktuatormediums durch den zweiten Durchlass (3) und die zweiten Aktuatorauslässe (4) ermöglicht, 21 wobei das zweite Aktuatorelement (2) in der zweiten Aktuatorkammer (19) zwischen dem zweiten Aktuatorkammereinlass und dem zweiten Durchlass (3) angeordnet ist, wobei die Aktuatorkammer (18) über die zweite Aktuatorkammer (19) und den zweiten Aktuatorkammereinlass mit dem Aktuatormedium fällbar ist.
12. Druckwellengenerator nach Anspruch 11, wobei die zweite Aktuatorkammer (19) und das zweite Aktuatorelement (2) zylinderförmig sind und wobei das zweite Aktuatorelement (2) eine, insbesondere zentral angeordnete, Durchlassöffnung (5) aufweist. f 3. Druckwellengenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aktuatorkammereinlass (3) durch das Aktuatorelement (6), welches insbesondere keine Durchlassöffnung aufweist, gegen den Durchlass (7) abgedichtet ist.
14. Druckwellengenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend
- ein steuerbares Ablassventil (9), insbesondere für den zweiten Aktuatorkammereinlass, zum Triggern des Ablassens von Aktuatormedium aus der Aktuatorkammer (18) und insbesondere aus der zweiten Aktuatorkammer (19), insbesondere wobei das Ablassventil (9) ein Magnetventil umfasst.
15. Druckwellengenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der so beschaffen ist, dass er handgehalten betrieben werden kann, insbesondere wobei der Druckwellengenerator ein Gewicht von höchstens 12 kg, insbesondere höchstens 7 kg, aufweist.
16. System zur Erzeugung einer Druckwelle umfassend
- den Druckwellengenerator (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
- eine Lanze (25), an deren distalem Ende der Druckwellengenerator (24) angebracht ist, wobei die Lanze (25) eine erste Zufuhrleitung für Arbeitsmedium und eine zweite Zufuhrleitung für Aktuatormedium umfasst, 22 insbesondere wobei die Lanze eine Steuerleitung zum Ansteuern des Ablassventils (9) umfasst.
17. System nach Anspruch 16, wobei die Lanze ein mehrkammeriges Hohlprofil umfasst, wobei eine äussere Kammer des Hohlprofils für eine Zufuhr von Kühlwasser und/oder Kühlluft für den Druckwellengenerator (24) zum distalen Ende der Lanze (25) eingerichtet ist, wobei in einer inneren Kammer des Hohlprofils die erste und zweite Zufuhrleitung und insbesondere die Steuerleitung verlaufen.
18. System nach einem der Ansprüche 16 oder 17, umfassend
- eine Kamera (34), insbesondere eine IR-Kamera, die an dem Druckwellengenerator (24, 32), insbesondere an der Stirnfläche des Druckwellengenerators (24, 32), angebracht und zur Inspektion einer Umgebung des Druckwellengenerators (24, 32) eingerichtet ist.
19. Verfahren zur Erzeugung einer Druckwelle mit dem Druckwellengenerator nach einem der Ansprüche 1-15 oder dem System nach einem der Ansprüche 16-18, umfassend die Schritte
(a) Befüllen der Aktuatorkammer (18) mit einem gasförmigen Aktuatormedium mit einem Druck von über 10 bar, insbesondere unter 50 bar;
(b) Befüllen der Druckkammer (11, 12) mit einem gasförmigen Arbeitsmedium mit einem Druck von über 100 bar, insbesondere über 200 bar;
(c) Bewegen des Aktuatorelements (6) von der Schliessstellung in die Offenstellung, dadurch Bewegen des Verschlusselements (13) von der Schliessstellung in die Offenstellung und dadurch Ablassen des unter Druck stehenden Arbeitsmediums aus der Druckkammer (11, 12) durch die Druckauslässe (15) und die Aktuatorauslässe (8).
20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Ablassen des unter Druck stehenden Arbeitsmediums aus der Druckkammer (11, 12) in Schritt (c) mit einer Halbwertszeit von weniger als 10 ms, insbesondere weniger als 6 ms, geschieht.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 oder 20, 23 wobei das Befüllen der Aktuatorkammer (18) in Schritt (a) über die zweite Aktuatorkammer (19) und die Durchlassöffnung (5) im zweiten Aktuatorelement (2) erfolgt.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19-21, wobei das Arbeitsmedium und insbesondere das Aktuatormedium Luft ist, insbesondere wobei das Befüllen der Druckkammer (11, 12) mit einer Luftmenge erfolgt, welche bei 1 bar ein Volumen von mindestens 150 Liter, insbesondere mindestens 300 Liter, aufweist.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19-22, wobei das Bewegen des Aktuatorelements (6) in Schritt (c) durch Ablassen von Aktuatormedium aus der Aktuatorkammer (18) durch den Aktuatorkammereinlass (3) und insbesondere durch Ablassen von Aktuatormedium aus der zweiten Aktuatorkammer (18) über den zweiten Aktuatorkammereinlass bewirkt wird, insbesondere durch Öffnen des Ablassventils (9).
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 19-23, zusätzlich umfassend Wiederholen der Schritte (a), (b) und (c) mit einem Druckwellenintervall von höchstens 10 s, insbesondere höchstens 5 s.
25. Verwendung des Druckwellengenerators nach einem der Ansprüche 1-15, des Systems nach einem der Ansprüche 16-18 oder des Verfahrens nach einem der Ansprüche 19-24 zum Reinigen eines verschmutzten Behälters, Rohrs oder Dampfkessels.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2007028264A2 (de) * 2005-09-05 2007-03-15 Explo Engineering Gmbh Verfahren und vorrichtung zum erzeugen von druckwellen
WO2021078754A1 (de) 2019-10-23 2021-04-29 Explotechnik AG Druckwellengenerator und verfahren zum betreiben eines druckwellengenerators

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