UMSTRÖMTEN OBERFLÄCHE

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung einer mit einem Fluid umströmten Oberfläche eines Körpers, insbesondere eines mit Wasser umströmten Schiffsrumpfs, umfassend einen ersten Ultraschallgeber zur Einkopplung von Ultraschall in den Körper. Die Erfindung betrifft weiterhin ein zugehöriges Verfahren zur Reinigung.

STAND DER TECHNIK

Technische Oberflächen von Fluid-umströmten Körpern, insbesondere Schiffsrümpfe oder beispielsweise Innenwände von Pipelines, unterliegen im Betriebseinsatz in der Wechselwirkung mit dem Fluid und/oder darin mitgeführten Stoffen oder Organismen permanenten Verunreinigungs- und Verschleißprozessen.

Im Falle von Schiffsrümpfen stellt insbesondere der Bewuchs der unterhalb der Wasserlinie liegenden Oberfläche ein wesentliches Problem dar. Dieser auch als Fouling bezeichnete Prozess der unerwünschten Ansiedlung von Organismen und Organismengemeinschaften führt innerhalb kurzer Zeit zur Bildung makroskopischer Bewuchsschichten, welche den Strömungswiderstand der Schiffsrümpfe erhöhen und im Extremfall eine nicht vernachlässigbare Gewichtserhöhung der Schiffe verursachen, was zu einem signifikanten Anstieg des Treibstoffbedarfs der Schiffe führt.

Die Verwendung von Biozid-haltigen Beschichtungen auf der Oberfläche von Schiffsrümpfen zur Vermeidung von Bewuchs ist aufgrund von gesetzlichen Vorgaben nur sehr eingeschränkt möglich. Daher werden in der Schifffahrtspraxis regelmäßige mechanische Reinigungen der Schiffsrümpfe durchgeführt. Dazu werden die Schiffe beispielsweise in Trockendocks verbracht, was ein nachteilig zeit- und kosten intensives Vorgehen darstellt. Alternativ können Reinigungsarbeiten im Hafenbecken durchgeführt werden, beispielsweise manuell durch professionelle Taucher oder mittels Reinigungsvorrichtungen oder -robotern, welche typischerweise als kabelgebundene Systeme vom Deck des betreffenden Schiffes bedient werden. Auch derartige Reinigungsmaßnahmen bedingen unerwünscht lange Standzeiten der Schiffe, und zudem sind in zahlreichen Weltregionen Verordnungen in Kraft, welche das Reinigen von Schiffsrümpfen im Hafenbecken verbieten, um das Einschleppen invasiver Arten in das lokale Ökosystem zu verhindern.

Es ist daher wünschenswert, die Reinigung von Schiffsrümpfen während der Fahrt des Schiffes, vorzugsweise auf hoher See, durchzuführen. Insbesondere kann eine im Wesentlichen kontinuierliche Durchführung der Reinigung die Bildung von makroskopischem Bewuchs dauerhaft unterbinden. Ein kontinuierlicher Reinigungsbetrieb ist auch deshalb wünschenswert, weil typischerweise bereits nach wenigen Tagen ungestörten Bewuchses strömungstechnisch nachteilige Effekte signifikant zu Tage treten, wobei mehrwöchige Reisedauern von Fracht- oder Kreuzfahrtschiffen nicht unüblich sind.

Im Stand der Technik ist ein Verfahren zur Reinigung von Schiffsrümpfen basierend auf Ultraschallschwingungen bekannt. Dabei werden ein oder mehrere Ultraschallgeber an der aus dem Schiffsinneren zugänglichen Innenfläche des Schiffsrumpfs angeordnet, derart, dass mittels der Geber Ultraschall direkt in den Schiffsrumpf einkoppelbar ist. Die Ultraschallausbreitung innerhalb des Schiffsrumpfes sorgt für Vibrationen der zu reinigenden Außenfläche und aufgrund dieser Vibrationen wird die Ansiedlung von Mikroorganismen auf der Außenfläche unterdrückt. Die Ultraschallreinigung wirkt somit insbesondere auf die Frühphase des Fouling-Prozesses ein und wird daher vorzugsweise in einem kontinuierlichen Betriebsmodus durchgeführt, sodass der Aufbau makroskopischer Bewuchsschichten unterdrückt wird.

Der wesentliche Nachteil dieses Verfahrens besteht in der eingeschränkten Zugänglichkeit des Schiffsrumpfs von Seiten des Schiffsinneren, insbesondere bei großen Fähr- oder Frachtschiffen. Voraussetzung für eine wirksame Ultraschallanregung des Schiffsrumpfs ist eine zweckmäßige Platzierung der Ultraschallgeber. Dabei ist zu berücksichtigen, dass Schiffsrümpfe typischerweise als Flächentragwerke ausgebildet sind, welche aus schwingungsfähigen flächigen Blechelementen und diese stützenden Spanten, Rahmen, Trägern oder dergleichen aufgebaut sind. Für eine effektive Schwingungsanregung mittels eingekoppelten Ultraschalls sollte der jeweilige Ultraschallgeber möglichst mittig auf einem Blechelement angeordnet sein, während eine Anordnung in unmittelbarer Nähe eines Trägerelements nicht zu der gewünschten Schwingungsanregung und Reinigungswirkung führt. Aufgrund der Einschränkungen hinsichtlich der Platzierbarkeit der Ultraschallgeber wird das beschriebene Reinigungsverfahren im Wesentlichen nur bei kleinen Schiffen, beispielsweise Sportbooten oder Yachten, eingesetzt, nicht aber bei großen Fracht- oder Fährschiffen. Weiterhin ist das Verfahren nicht anwendbar bei doppelwandigen Schiffsrümpfen, bei welchen eine Ultraschalleinkopplung in die innere Wand nicht zu einer signifikanten Vibration der Außenfläche der äußeren Wand führt und somit keine Reinigungswirkung erzielbar ist. OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Ausführungsform einer Vorrichtung mit wenigstens einem ersten Ultraschallgeber zur Reinigung einer fluidumströmten Oberfläche eines Körpers, insbesondere eines mit Wasser umströmten Schiffsrumpfs, sowie ein darauf basierendes Reinigungsverfahren vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird gelöst von einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren gemäß Anspruch 10. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Vorrichtung Mittel zum autarken Betrieb des ersten Ultraschallgebers aufweist und ein Haltesystem zur ortsfesten Befestigung der Vorrichtung auf der zu reinigenden Oberfläche umfasst.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Vorrichtung zum Betrieb direkt auf der zu reinigenden Oberfläche, d.h., innerhalb der Fluidströmung, zu ertüchtigen. Dazu ist die Vorrichtung mit einem Haltesystem ausgestattet, welches es erlaubt, die Vorrichtung zweckmäßig in jedem gewünschten Bereich auf der zu reinigenden Oberfläche anzuordnen. Aufgrund dieser flexiblen Positionierbarkeit können die für eine effektive Ultraschalleinkopplung in den Körper geeignetsten und/oder die besonders reinigungsbedürftigen Bereiche der Oberfläche zielgerichtet mit einer oder mehrerer erfindungsgemäßer Vorrichtungen bestückt werden. Die in die Vorrichtung integrierten Mittel zum autarken Betrieb ermöglichen einen zumindest zeitweiligen Dauerbetrieb der Vorrichtung, ohne dass eine externe Energieversorgung oder Datenverbindung vonnöten ist. Bei einer Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reinigung eines Schiffsrumpfs wird mitels des ersten Ultraschallgebers Ultraschall, beispielsweise im Frequenzbereich von 20 kHz bis 100 kHz, von außen in den Schiffsrumpf eingekoppelt, d.h., die Vorrichtung ist unterhalb der Wasserlinie ortsfest auf dem Schiffsrumpf angeordnet und der erste Ultraschallgeber steht vorzugsweise in direktem Körperkontakt mit dem Schiffsrumpf. Der Schiffsrumpf, auch als Schiffshülle oder Schiffsschale bezeichnet, umfasst das gesamte Unterwasserschiff, d.h., die Bordwand und den Schiffsboden, wobei sich die zu reinigenden Oberflächen beispielsweise auch auf Seekästen, Ruder, Wasserkühler oder Schraubenwellen erstrecken können.

Die zur Reinigung in den Schiffsrumpf eingekoppelte Leistung ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass eine Antifouling Wirkung mit subkavitativer Intensität resultiert. Der Ultraschall verursacht dabei

Vibrationen in der zu reinigenden Oberfläche, welche schon bei geringer Intensität zu derartigen Anregungen des umströmenden Wassers führen, dass es für Gewässer-Mikroorganismen und Kleinstlebewesen wie etwa Seepocken signifikant erschwert wird, sich auf dem Schiffsrumpf anzusiedeln. Die Störung dieser ersten Stufe des sich auf dem Schiffsrumpf bildenden "Biofilms" verhindert wirkungsvoll die gesamte Abfolge der weiteren Besiedlung. Der Begriff der „Reinigung“ schließt im Rahmen der vorliegenden Erfindung somit insbesondere auch den Aspekt der präventiven Reinhaltung der behandelten Oberfläche ein.

In vorteilhafter Ausführungsform umfassen die Mittel zum autarken Betrieb eine Turbine zur Entnahme von Strömungsenergie aus dem umströmenden Fluid, einen elektrischen Generator und einen Akkumulator, wobei der elektrische Generator von der Turbine antreibbar und zum Aufladen des Akkumulators eingerichtet ist. In dieser Ausführungsform ist die Vorrichtung energetisch weitgehend autark, sofern eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit des umgebenden Fluids vorliegt, insbesondere kann bei Verwendung der Vorrichtung auf einem Schiffsrumpf unterhalb der Wasserlinie ein kontinuierlicher Reinigungsbetrieb während der Fahrt des Schiffes durchgeführt werden. Die Turbine kann beispielsweise endseitig der Vorrichtung angeordnet sein, und das Schaufelrad der Turbine ist vorzugsweise zwischen einer Arbeitsstellung und einer Ruhestellung schwenkbar ausgebildet. In der Arbeitsstellung bietet das Schaufelrad dem umströmenden Fluid einen hohen Strömungswiderstand und wird in Rotation versetzt und in der Ruhestellung wird der Strömungswiderstand signifikant verringert und es erfolgt kein Antreiben des elektrischen Generators. Der Durchmesser des Schaufelrades kann beispielsweise 20 cm bis 30 cm betragen, womit bei einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluid von 20 km/h und einem Gesamtwirkungsgrad (Turbine und Generator) von 50% eine elektrische Leistung von ca. 1 kW erzeugbar ist.

Vorzugsweise ist das Haltesystem als ein magnetisches Haltesystem zur lösbaren Befestigung der Vorrichtung ausgebildet. Das magnetische Haltesystem umfasst insbesondere einen oder mehrere Permanentmagnete zur Anlage an der zu reinigenden Oberfläche des Körpers. Beispielsweise können dazu Seltenerdmagnete wie Neodym- Eisen-Bor verwendet werden, welche sich aufgrund ihrer hohen spezifischen Haftkraft für die sichere Befestigung der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einer umströmten Oberfläche besonders eignen.

Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung ein mediendichtes Gehäuse, wobei das Gehäuse insbesondere eine torpedoförmige Gestalt aufweist, d.h. , dass das Gehäuse einen im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt aufweist, wobei der Durchmesser des Gehäuses entlang einer Längserstreckungsrichtung variieren kann. In dieser torpedoförmigen Gestalt weist das Gehäuse, und damit die Vorrichtung, vorteilhafterweise einen sehr geringen Strömungswiderstand auf. In vorteilhafter Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen zweiten Ultraschallgeber auf, welcher zur Aussendung von Ultraschall in das umströmende Fluid eingerichtet ist. Mittels des zweiten Ultraschallgebers ist keine direkte Ultraschalleinkopplung in den Körper vorgesehen, vielmehr ist die wesentliche Aussendungsrichtung des von dem zweiten Ultraschallgeber emittierten Ultraschalls parallel zur zu reinigenden Oberfläche orientiert. Der daraus resultierende Reinigungseffekt basiert auf der Bildung von Kavitationsblasen innerhalb einer Grenzschicht des Fluids an der zu reinigenden Oberfläche und die bei der Implosion der Kavitationsblasen freigesetzte Energie in Form von Druckstößen führt zu einem Abplatzen von auf der Oberfläche anhaftenden Verunreinigungen. Weiterhin werden schädliche Mikroorganismen in der Nähe der Oberfläche durch die unmittelbare Einwirkung des Ultraschalls und den wirkenden Kavitationseffekt unschädlich gemacht. Um eine in der Praxis ausreichende Reichweite zu erzielen weist der zweite Ultraschallgeber vorzugsweise eine Leistung in der Größenordnung von 100 W bis zu 1 kW auf.

Der erste Ultraschallgeber kann insbesondere in einem Leistungsbereich von 10 W bis 100 W betrieben werden, da sich gezeigt hat, dass mit derartigen Leistungen eine zweckmäßige Ultraschallschwingungsanregung von Schiffsrumpfsegmenten erzeugt ist. Die direkte Einkopplung von Ultraschall in den Körper kann insbesondere durch einen robusten Festkörperkontakt zwischen dem ersten Ultraschallgeber und dem Körper erzeugt werden, wobei dieser Festkörperkontakt auch mittelbar ausgebildet sein kann, beispielsweise, indem der Kontakt durch einen Permanentmagneten des magnetischen Haltesystems vermittelt wird.

Mit weiterem Vorteil weist die Vorrichtung eine Abzieheinrichtung auf, mittels welcher die Vorrichtung entgegen der Haltekraft des Haltesystems von der zu reinigenden Oberfläche lösbar ist Beispielsweise kann die Abzieheinrichtung derart ausgebildet sein, dass die Vorrichtung mittels Betätigung einer ausfahrbaren Spindel von der Oberfläche des Körpers abdrückbar ist.

Weiterhin weist die Vorrichtung beispielsweise ein Mikrophon auf, welches zur Aufnahme von Ultraschall aus dem Körper eingerichtet ist. Bei Verwendung einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Vorrichtungen auf einer zu reinigenden Oberfläche kann anhand der Mikrophonaufnahme beispielsweise die Frequenz der von einer anderen Vorrichtung in den Körper eingekoppelten Ultraschallschwingung ermittelt werden.

Insbesondere weist die Vorrichtung eine Steuereinheit zur Steuerung der elektrisch betriebenen Komponenten auf. Die Steuereinheit dient als Signalgeber für die Ultraschallgeber, wobei der erste und der zweite Ultraschallgeber von unterschiedlichen Steuersignale angesteuert werden können.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Reinigung einer mit einem Fluid umströmten Oberfläche eines Körpers, insbesondere eines mit Wasser umströmten Schiffsrumpfs, wobei die Reinigung mittels wenigstens einer Vorrichtung nach einer der vorherigen Ausführungsformen durchgeführt wird, wobei die Vorrichtung mittels des Haltesystems ortsfest auf der zu reinigenden Oberfläche befestigt wird, und mittels des ersten Ultraschallgebers Ultraschall in den Körper eingekoppelt wird und/oder mittels des zweiten Ultraschallgebers Ultraschall in das umströmende Fluid ausgesendet wird.

Beispielsweise wird die Reinigung mit einer Mehrzahl von Vorrichtungen durchgeführt, wobei zunächst eine Angleichung der Frequenzen des von den jeweiligen ersten Ultraschallgebern in den Körper eingekoppelten Ultraschalls vorgenommen wird, indem: - eine erste Vorrichtung Ultraschall mit einer Sollfrequenz einkoppelt,

- die übrigen Vorrichtungen den eingekoppelten Ultraschall mittels der Mikrophone aufnehmen und daraus mittels der Steuereinheit die Sollfrequenz ermitteln, und

- die übrigen Vorrichtungen anschließend Ultraschall mit der Sollfrequenz einkoppeln.

Bei Verwendung einer ausreichenden Anzahl von Vorrichtungen und deren zweckmäßiger Platzierung kann erfindungsgemäß insbesondere ein großer Schiffsrumpf, beispielsweise eines Fracht- oder Fährschiffs, mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens unterhalb der Wasserlinie vollflächig gereinigt werden.

Außer der Anwendung zur Reinigung von Schiffsrümpfen können die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Reinigung der Innenwandung von Rohrleitung, insbesondere Pipelines, eingesetzt werden.

BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 : eine schematische Querschnittsansicht eines

Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und

Fig. 2a, 2b: schematische Ansichten eines Schiffsrumpfs mit erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Demonstration des erfindungsgemäßen Verfahrens. Figur 1 zeigt einen schematischen Halbschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur Reinigung einer mit einem Fluid umströmten Oberfläche eines Körpers, insbesondere eines mit Wasser umströmten Schiffsrumpfs.

Die Vorrichtung umfasst den ersten Ultraschallgeber 1 zur Einkopplung von Ultraschall in den Körper sowie das Haltesystem 2 zur ortsfesten Befestigung der Vorrichtung 100 auf der zu reinigenden Oberfläche. Das Haltesystem 2 ist als ein magnetisches Haltesystem zur lösbaren Befestigung der Vorrichtung 100 ausgebildet und umfasst die zwei Permanentmagneten 21 , deren Unterseiten zur Anlage an der zu reinigenden Oberfläche vorgesehen sind. Der erste Ultraschallgeber 1 steht in direktem Körperkontakt zu dem vorderen Permanentmagneten 21 , sodass über den Permanentmagneten 21 Ultraschallanregungen in den zu reinigenden Körper einkoppelbar sind.

Weiterhin umfasst die Vorrichtung den zweiten Ultraschallgeber 7, welcher zur Aussendung von Ultraschall in das umströmende Fluid eingerichtet ist, wobei die Hauptemissionsrichtung des Ultraschalls vorzugsweise in einer Ebene parallel zur zu reinigenden Oberfläche liegt. Dadurch wird zusätzlich zu der durch den ersten Ultraschallgeber 1 erzeugten Schwingungsanregung der zu reinigenden Oberfläche eine oberflächennahe Kavitationsschicht in dem umströmenden Fluid erzeugt, sodass eine kombinierte Reinigungswirkung erfolgt.

Die Mittel zum autarken Betrieb der elektrischen Verbraucher der Vorrichtung 100 umfassen die Turbine 5, den Generator 6 und den Akkumulator 3, wobei der elektrische Generator 6 von der Turbine 5 antreibbar und zum Aufladen des Akkumulators 3 eingerichtet ist. Elektrische Verbindungsleitung zwischen den diversen Komponenten der Vorrichtung 100 sind der Übersicht halber nicht dargestellt. Das Schaufelrad 51 der Turbine 5 ist in einer Arbeitsstellung zum Antrieb durch ein umströmendes Fluid dargestellt. Beispielsweise kann das Schaufelrad schwenkbar ausgebildet sein, etwa in eine um 90° geschwenkte Ruhestellung.

Das Mikrophon 9 zur Aufnahme von Ultraschall dient der Frequenzangleichung beim gleichzeitigen Betrieb einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Vorrichtungen 100 im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Steuereinheit 10 ist zur Durchführung sämtlicher für den zweckmäßigen und autarken Betrieb der Vorrichtung 100 notwendigen Schritte eingerichtet, insbesondere zur Ausgabe von Steuersignalen an die Ultraschallgeber 1 , 7 sowie zur Auswertung der Aufnahmen des Mikrophons 9.

Die Abzieheinrichtung 8 dient zum Lösen der Vorrichtung 100 entgegen der Haltekraft des Haltesystems 2 von der zu reinigenden Oberfläche und ist als ein System von zwei in Nachbarschaft zu den Permanentmagneten 21 angeordneten, ausfahrbaren Spindeln 81 ausgebildet.

Das torpedoförmige Gehäuse 4 ist zum Schutz der aufgenommenen Komponenten mediendicht, insbesondere wasserdicht, ausgebildet. Die Länge des Gehäuses 4 beträgt beispielsweise ca. 1 m für eine Anwendung der Vorrichtung 100 zur Reinigung eines Schiffsrumpfs.

Die Figuren 2a und 2b zeigen schematische Ansichten zur Demonstration des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Reinigung einer mit Wasser W umströmten Oberfläche eines Schiffsrumpfs S mittels der drei erfindungsgemäßen Vorrichtungen 100.1 , 100.2, 100.3. Die Vorrichtungen 100.1, 100.2, 100.3 sind unterhalb der Wasserlinie und in regelmäßigen Abständen zueinander auf dem zu reinigenden Schiffsrumpf S mittels der Haltesysteme ortsfest befestigt. Die dargestellten Größenverhältnisse sind dabei rein schematisch und zum Zwecke der anschaulichen Darstellung gewählt. Beispielsweise erfolgt die Positionierung der Vorrichtungen 100.1 , 100.2, 100.3 derart, dass eine vollflächige Reinigung des gesamten Unterwasserschiffs gewährleistet ist, insbesondere werden die ersten Ultraschallgeber der Vorrichtungen 100.1 , 100.2, 100.3 dabei mittig in gut schwingungsfähige Bereiche des Schiffsrumpfs S platziert. Beispielsweise ist bei Betrieb von ersten Ultraschallgebern mit einer Leistung bis 100 W und zweiten Ultraschallgebern mit einer Leistung bis 1 kW eine ausreichende Reinigungswirkung in einem Bereich von ca. 15 m Radius um jede Vorrichtung 100 gegeben.

In Figur 2a ist ein Betriebszustand dargestellt, in welchem die erste Vorrichtung 100.1 Ultraschall mit einer Sollfrequenz in den Schiffsrumpf S einkoppelt, während die beiden übrigen Vorrichtungen 100.2, 100.3 mittels der Mikrophone den eingekoppelten Ultraschall aufnehmen, um daraus mittels der Steuereinheit die Sollfrequenz zu ermitteln.

In dem in der Figur 2b dargestellten Betriebszustand koppeln sämtliche Vorrichtungen 100.1 , 100.2, 100.3 Ultraschall mit der Sollfrequenz mittels der ersten Ultraschallgeber in den Schiffsrumpf S ein und gleichzeitig erfolgt eine Aussendung von Ultraschall mittels der zweiten Ultraschallgeber in das umströmende Wasser W, wodurch zusätzlich eine reinigende Kavitationsschicht im Grenzbereich zum Schiffsrumpf S erzeugt wird.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.

1 erster Ultraschallgeber

2 Haltesystem

21 Permanentmagnet

3 Akkumulator

4 Gehäuse

5 Turbine

51 Schaufelrad

6 elektrischer Generator

7 zweiter Ultraschallgeber

8 Abzieheinrichtung

81 Spindel

9 Mikrophon

10 Steuereinheit

S Schiffsrumpf

W Wasser