强化换热管型对超声波传播特性及空化效果的影响

张艾萍，张毅，谢媚娜，张帅

（东北电力大学能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012）

在现代工业中广泛使用的管道、换热器、蒸发设备等，总是在其与液体的接触面产生结垢问题，这不仅影响设备使用效率使能源消耗增大，还影响安全生产。由于超声波除垢有着安全、高效、无污染的特点，因此近年来日益受到人们的重视[1-4]。

Niemczewski[5]研究了介质中所含的盐类的种类和浓度的不同以及超声波参数对超声空化的影响。皇磊落等[6]研究了超声波功率和流体参数对超声波除垢效果的影响。朱秀丽等[7]通过测量声致发光强度，研究了温度等因素与超声空化之间的关系。目前，国内外关于超声波传播特性及空化影响因素的研究主要集中在换热介质参数和超声波参数方面，对于管型的几何参数对超声波传播特性及空化影响的研究还较少。本文通过实验选取几种常见强化换热管型，分别研究各种管型对超声波传播特性和空化的影响，为超声波除垢应用提供参考。

1 实验部分

1.1 实验原理

当超声波在强化换热管内传播时，会因为管道几何结构的变化使声波发生反射和折射，导致声波在传播过程中发生衰减。声波的反射和折射定律见式（1）、式（2）。

式中，c1和c2是声波在媒质1 和媒质2 中的传播速度，m/s；θi、θr、θt分别为入射角、反射角和折射角；k1和k2为媒质1 和媒质2 中的声波波数。

当声波在介质中传播时，声波的能量会有部分被传播介质所吸收，并转化为热能、动能等，导致声强降低，见式（3）、式（4）[8]。

式中，I 为声强，W/cm；α为水的吸收系数；L为声波在介质中的直线传播距离，m。

实验中通过比较不同管型出口处的超声波声强值，分析超声波在管内传播时的衰减强度，对超声波在不同管型中的传播特性进行比较。

超声空化是指声场中空泡的非线性振动以及空化泡破裂产生的二次冲击波的组合。当介质内空化泡破灭时，产生的冲击波会辐射连续噪声。因此Frohly 等[9-10]认为当气泡从稳态振动变为瞬态振动后，可用连续白噪声谱的积分值大小来表示空化效应的强弱，见式（5）。

本文通过测量空化连续噪声并积分，计算空化噪声积分数。通过比较超声波在不同管型中的空化噪声积分数的大小来比较管内超声空化效果[11-12]。

1.2 实验设备和方法

图1 为由超声波发生器、加热水箱、声强测量仪、热电偶、循环水箱空冷塔等设备组成的超声波实验台。超声波发生器由电源控制，可产生固定频率为20kHz 的超声波。实验中，加热水箱通过与温控仪连接的加热管加热水箱中的水来加热循环水，本文所研究的温度段为20～80℃。强化换热管均采用不锈钢304，直径为25mm，长度为2m。

实验前需先开启超声波换能器约5min，待超声波功率与频率稳定后再开始实验。实验中通过调节温控仪来控制加热水箱中的温度加热管内的循环水，当温度达到实验温度后维持温度稳定不变。流速由进出口阀门调节，通过流量计进行测量。实验中依次采用圆管、波纹管、螺纹管、横纹管，使用数据采集记录系统分别测量实验段前后端的声强波形图、声强值、空化噪声积分值、温度等参数。

图1 超声波试验台

2 实验数据和分析

2.1 强化换热管入口处声强值

实验过程中由于换热管前测点与换能器之间有一段管程，导致超声波在这段管道中传播时会受到传热介质的影响而造成衰减而使声强发生改变，使实际入口处的声强是变化的。控制超声波功率1200W、频率20kHz 不变。将温度由20℃升高到80℃，流速由0.2m/s 升高到0.5m/s，分别测量管道入口处的超声波声强。如图2 为入口处声强随温度和流速的变化曲线。

图2 入口处声强变化曲线

当超声波在介质中传播时，影响超声波传播的因素不但有超声波的参数还包括换热介质的参数。从图2 中可以看出，入口处声强随温度的升高先升高后下降，当温度达到55℃左右时声强达到最大值。这是由于当温度较低时，随温度的升高水的黏 度下降，使超声波传播过程中的衰减作用减弱，有利于超声波传播。当温度较高时，黏度随温度的变化较小，此时热传导吸收称为衰减的主要原因。随温度升高，管内介质与外界的热交换加强，而热交换产生的压缩和膨胀的变化会对超声波的传播产生影响，使超声波的机械能在这个过程中转换为热能，这个过程称之为热传导吸收。随温度的升高热传导吸收作用加强，导致超声波衰减作用加强，传播特性变差[13]。

换热管入口处声强随流速的增加先减小后增大，当流速达到3.3m/s 左右时声强的衰减最严重，入口处的声强达到最小值。之后随着流速的增加，入口处的声强值又缓慢上升。由于随换热管道水的流速增大，管内湍流强度增强，使空化阈值下降，有利于超声空化的产生。但超声空化产生的空化泡又会对超声波传播造成阻碍，使入口处声强降低。而随着流速的进一步增加，由于湍流强度增加引起空化阀值减小的同时又导致超声空化所消耗的能量减小，使入口处的声强增大。

2.2 强化换热管型对超声波传播特性的影响

实验过程中控制超声波功率1200W、频率20kHz 不变。将温度由20℃升高到80℃，流速由0.2m/s 升高到0.5m/s，每隔5℃测一组数据。得到强化换热管出口处超声波声强随温度和流速的变化曲线。

图3～图5 为实验所用强化换热管的几何结 构图。

图3 横纹管

图4 螺纹管

图5 波纹管

横纹管的几何参数：φ1为25mm，φ2为21mm，L 为30mm，R 为0.5mm。螺纹管的几何参数：φ1为25mm，L 为7mm，R 为0.5mm。波纹管的几何参数：D 为25mm，d 为21mm，S 为30mm。

图6 为4 种管型在55℃时出口处的声强波形图。从图6 中可以看出，超声波在圆管中的传播特性明显优于其他管型，其次为横纹管和螺纹管，在波纹管中传播特性最差。

图6 出口声强波形图

由超声波声强测量仪测量得到出口处超声波声强随温度和流速的变化曲线，见图7。从图7 可以看出，出口处的声强与进口处声强的变化趋势基本相同，均是随温度的升高先升高后下降，当温度 达到55℃左右时出口处的声强达到最大值，随着流速的增加先减小后增大。几种管型之间相互比较发现：超声波在圆管中的传播性最好，其次为横纹管和螺纹管，超声波在螺纹管中的传播特性最差。这是由于相比其他几种管型，长度相同时波纹管有更多的管径变化的管段，且管径变化幅度更大，导致超声波在波纹管内传播时，更容易发生折射，使超声波的声强发生衰减；同时由于截面变化导致管中流体湍流增强升高以及空间梯度发生改变，造成管内超声波的声流驱动力降低[14-15]。

对于出口处的声强与进口处的声强比较，即图2 与图7 进行对比可知，超声波在沿换热管流动的方向有着明显的衰减，即使在传播特性最好的圆管中衰减也十分剧烈，达到3×102倍。因此对于使用超声波除垢的换热管，管道的长度不应过长，在没有弯曲的情况下一般应控制在200～300m 以内；而管道类型的选择也应尽量采用管径变化较小的圆管或横纹管。

图7 出口处声强波动曲线

2.3 强化换热管型对超生波空化效果的影响

实验过程中控制超声波功率1200W、频率20kHz 不变。将温度由20℃升高到80℃，流速由0.2m/s 升高到0.5m/s，每隔5℃测一组数据。测量出口处的空化噪声积分数。图8 为强化换热管出口处超声波声强随温度和流速的变化曲线。

由图8 可以看出，当温度较低时，随着温度的升高，空化噪声积分数逐渐增大，当超过某一临界值之后，随着液体温度的升高反而减少。这是由于当温度升高时会使液体黏滞系数G 下降，导致空化的阀值下降，能够促进超声空化[16-18]。但同时温度的升高又会导致蒸汽压上升，使空化强度降低，使空化噪声减小。从图8 中还可以看出，强化换热管出口处声强随流速的升高先减小后增大。对比几种管型可以看出，管型对超声空化有着明显的影响，在横纹管中的空化噪声积分数明显大于其他几种管 型，其次为圆管和螺纹管，波纹管出口处的空化噪声积分数最低。在相同温度和流速下，横纹管出口处的空化噪声积分数达到圆管与螺纹管的两倍。这是因为在相同流速下横纹管中的湍流强度要大于圆管。随湍流强度的增加，会使超声空化的阀值下降，有利于超声空化，但同时空化阀值的下降，又会使空化强度降低，空化噪声减小。因此，螺纹管和波纹管出口处的空化噪声积分数比横纹管小。

图8 出口处空化噪声积分数波动曲线

3 结 论

通过使用超声波实验台，模拟工业常见的换热器，分别采用圆管、波纹管、螺纹管、横纹管，研究各种管型对超声波除垢以及超声空化的影响，得到以下结论。

在各种管型中，圆管最有利于超声波的传播，其次为横纹管和螺纹管，在波纹管中的传播特性 最差。

在横纹管和螺纹管内，由于湍流强度升高，更有利于超声空化。在波纹管中，由于过高的湍流强度，反而抑制超声空化。

管型的几何参数对超声波的传播有着明显的影响。相比于改变流体介质的参数，管道的几何参数对超声空户的影响更加明显。

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