超声波在线防除垢实验研究

龚发云， 郭卫林， 汤　亮， 叶方平， 王　亮

(湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068)



超声波在线防除垢实验研究

龚发云， 郭卫林， 汤亮， 叶方平， 王亮

(湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068)

[摘要]结合生产实际情况建立实验平台，研究超声波防除垢装置的在线清洗效果。通过在蒸发器上实时监测烟草提取液的一系列物性参数以及产品质量的变化情况，获得安装超声波防除垢装置前后相应的实验数据。实验结果表明，安装超声波防除垢装置后，提取液的各项参数较之前有明显变化，平均浓缩效率提升约为32%，说明该装置达到在线防除垢目的。

[关键词]超声波防除垢； 物性参数； 浓缩效率

换热设备管道内的积垢问题不仅会导致换热器传热性能下降、增大动力设备的能耗，而且会降低产品质量，增加生产投资及设备维护成本。传统的机械除垢、化学清洗等方法治标不治本，易腐蚀设备，并且会对环境造成二次污染。近年来，新兴的超声波管道防除垢技术由于其环保、效果佳、低成本、无腐蚀、质量高、装置简单等优点，成为研究的热门[1]。孟陶[2]研究了在准静态下超声波作用能加快溶液中碳酸钙初级晶核生成速度,使溶液硬度降低,电导率减小。傅俊萍[3]通过实验发现，超声波频率固定为28 kHz，功率在200 W以下时具有抑垢效应，而功率超过200 W则具有除垢效应。谭延坤[4]研究了换热管中的污水在不同流速和粘度下的结垢规律。张爱萍[5]研究了超声波频率及功率恒定的条件下超声波声强随温度变化的规律。本文在实际工况条件下，实时记录烟草提取液的一系列物性参数及浓缩效率的变化情况，探讨超声波防除垢装置在蒸发器中的在线防、除垢效果。

1超声波防、除垢作用机理

超声波通过在介质中传播使介质质点产生高频机械振动从而产生巨大能量，具有方向性好、穿透力强、能量易于集中等优点。超声波防垢除垢主要通过超声波强声场来处理流体，使流体在超声场作用下，产生空化效应、活化效应、剪切效应、抑制效应[6]。液体介质在空化作用下能产生接近真空或含少量气体的空穴和气泡，它们破裂或相互挤压时会产生强大的压力峰，这一强大压力峰能够破坏垢质的附着环境，阻碍垢质在换热管壁上聚集成垢，产生防垢作用。活化效应能提高液体的活性，破坏结垢物质的分子特性，使结垢物质不能大面积沉积，从而不能在管壁上形成硬垢。剪切效应形成的相对剪切力能使垢层疲劳、松脱、脱落，以此达到超声波除垢的目的。因此超声波以其集防垢、除垢于一身的优点，可在烟草提取液蒸发器等设备中广泛使用。超声波防除垢原理如图1所示。

图 1　超声波防除垢原理示意图

2实验分析

2.1实验装置

本实验采用两台相同型号的的烟草双效蒸发器(SX2500-D)。1台安装了超声波防除垢装置(记为1号蒸发器)，1台未安装(记为2号蒸发器)。超声波发生器频率均为20 kHz,频率在一定范围内可调。按以往经验，未安装超声波防除垢装置的蒸发器每3 d停机除垢一次，因此通过定时且同时记录一个周期(3 d)内，7组实验中提取液的一系列物性参数随时间的变化情况及产量输出，分析对比两台蒸发器的浓缩效率。

2.2实验流程

提取液浓缩工艺流程：提取液从储存罐中出液进入到加热室，在加热蒸汽的作用下进入到气液分离器，一部分原液回流至加热室，剩余气体被回收用于二次蒸汽，最后排出的即为完成液(图2)。

图 2　提取液浓缩工艺流程图

3实验数据及分析

3.1提取液温度的变化情况

由图3可见，加热室中的提取液在加热蒸汽的作用下温度从50℃左右逐渐提高并稳定在70℃左右。每组实验的温度在初始的数小时内增幅较为明显，并逐渐趋于稳定。提取液的温度不仅受加热蒸汽的影响还局限于蒸发器的工况条件，总体上，蒸发器的真空负压维持在0.055～0.065 MPa，系统温度与蒸发器的真空负压相对应，这也是每组实验最后温度波动不大的原因。

图 3　提取液温度随时间变化情况

图3中超声波作用下的1号蒸发器温度一直略高于2号蒸发器，可能是液体介质在超声波作用下能产生空化效应，并在一定范围内产生高压冲击波和高速射流，使局部区域温度骤升，这也间接提高了液体介质的温度，并且能够阻碍污垢的附着，强化了加热管壁的传热能力。因此可以看出超声波作用下的1号蒸发器换热效果较为明显。

3.2提取液波美度以及固含量的变化情况

图4表示提取液波美度随时间变化的情况。每组提取液的波美度均由进液时的5 °Bé左右持续上升至出液时的25 °Bé左右，并呈持续上升趋势。与2号蒸发器相比，1号蒸发器每组波美度一直较高。图5为提取液固含量随时间的变化情况，每组提取液固含量均由进液时的10%持续上升至出液时的45%左右，1号蒸发器每组固含量均略高于2号蒸发器。

图 4　提取液波美度随时间变化情况

图 5　提取液固含量随时间变化情况

对比图4、图5可以发现，提取液固含量的曲线走势与波美度一致。这是因为随着时间的推移，提取液受热挥发出一部分水蒸气，因此每组提取液的波美度以及固含量整体呈上升趋势。从两图中还可发现，1号蒸发器每组的提取液波美度及固含量数值高于2号蒸发器。这是因为在蒸发器浓缩过程中，加热室换热管壁逐渐累积了成垢物质，降低了加热蒸汽对加热室的换热系数。而当超声波作用在换热管壁上时，其通过介质产生的空化效应破坏垢质的附着环境，使已生成的垢体产生一系列变化直至松软脱落，从而加强了管壁的换热能力，提高了蒸发器的浓缩效率，这也使得1号蒸发器每组实验的出液时间均较早，说明超声波防、除垢装置起到了强化传热的作用。

3.3提取液黏度的变化情况

图6为提取液粘度随时间变化的情况。每组数据的粘度基本由接近水的动力粘度(0.001 Pa·s)上升为0.025～0.03 Pa·s，结合图3、图4及图5可以看出，随着蒸发器工作时间的延长，虽然加热室内温度逐渐增高，但由于提取液的水含量持续减少，提取液的黏度不降反增。其中1号蒸发器的最后两组实验数据较2号蒸发器增幅明显，可能是蒸发器工作时间临近一个结垢周期，附着于换热管壁的部分垢体在超声波防除垢装置的作用下软化并脱落，在出液时混合着浓缩液一起流出，故液体的粘度偏高，这充分表明超声波防除垢装置在除垢方面有明显效果。

图 6　提取液粘度随时间变化情况

3.4实验结果分析

浓缩效率即为单位时间内提取液的出液量。如图7所示，1号蒸发器在一个工作周期内的平均浓缩效率为133 kg/h，2号蒸发器为100.6 kg/h。

图 7　提取液浓缩效率对比情况

经计算，1号蒸发器比2号蒸发器平均浓缩效率提升了32%。可以看出，超声波防除垢装置在烟草提取液蒸发器的浓缩过程中，起到了显著的强化传热作用。

1号蒸发器运行3 d停机清洗时的表面实物如图8所示，显示换热器管板污垢较少；图9所示的2号蒸发器中换热器管板污垢堆积明显。可见，超声波防除垢装置不仅较好解决了烟草提取液蒸发器的结垢问题，同时也强化了加热室的传热效果，使得蒸发器性能得到一定程度的提高。

图 8　1号蒸发器工作3 d后管板的结垢情况

图 9　2号蒸发器工作3 d后管板的结垢情况

4结论

1)超声波能破坏垢物附着环境，强化加热管壁传热能力。

2)超声波能通过液体介质使加热管壁上的垢体松软至脱落，管壁换热能力得到提高，蒸发器浓缩效率上升明显。

3)超声波防除垢装置能减少换热设备上的污垢，延长结垢周期，提高蒸发器浓缩效率。

[参考文献]

[1]佟帅.超声波防除垢机理及提高效率的方法研究[D].大连：大连理工大学，2008.

[2]孟陶,陈永昌,颜琳,等.超声波对水垢形成过程影响的准静态实验研究[J].应用化工,2011,40(6)：952-954.

[3]傅俊萍,李录平,刘泽利,等.超声波除垢与强化传热实验研究[J].热能动力工程，2006，21(4):355-357.

[4]谭延坤.污水源热泵系经统污水侧声空化除污与强化换热特性实验研究[D].哈尔滨：哈尔滨商业大学，2013.

[5]张爱萍，胡剑文.换热器中介质温度对超声波传播特性的影响[J].化工机械，2013(01):34-37.

[6]聂祜川，聂日丛.超声波防除垢技术在换热设备上的应用[J].材料与设备，2012(6):34-39.

[责任编校： 张众]

An Experimental Study on Online Ultrasonic Anti-fouling

GONG Fayun，GUO Weilin，TANG Liang, YE Fangping, WANG Liang

(SchoolofMechanicalEngin.，HubeiUniv.ofTech.，Wuhan430068，China)

Abstract：Combined with the actual production and the establishment of experimental platform, the online cleaning effect of the ultrasonic anti-fouling device was studied in the paper. A series of changes in physical parameters and product quality were real-time monitored in the evaporator thus to obtain the corresponding experimental data of ultrasonic device and anti-ultrasonic device. Experimental results show that the parameters of extraction have significantly changed after installing the ultrasonic device, and the average concentration efficiency have a improvement of about 32%, which means that the installation of the device has fulfilled the purpose of online anti-fouling.

Keywords：ultrasonic anti-fouling；physical parameters；concentration efficiency

[中图分类号]O426.9

[文献标识码]：A

[文章编号]1003-4684(2016)01-0001-03

[通讯作者]汤亮(1978—)，男，湖北十堰人，工学博士，湖北工业大学副教授，研究方向为轻工机械设计

[作者简介]龚发云(1964-)， 男， 湖北鄂州人，工学硕士，湖北工业大学教授，研究方向为轻工机械

[基金项目]湖北省自然科学基金重点资助项目(2012FFA059)

[收稿日期]2015-11-05