超聲波頻率對除垢范圍及除垢效率的影響

傅俊萍，石沛，何葉從，張玉珍，劉琦，梁昌勝

（長沙理工大學能源與動力工程學院，湖南 長沙 410076）

當今，熱交換設備中存在的結垢問題不僅影響換熱效果，還增大了設備運行風險及成本。超聲波除垢技術因其具有無污染、自動化程度高、除垢效率高、成本低以及維護簡單等優(yōu)點，已被廣泛應用于電力、化工、石油、暖通等行業(yè)[1-9]。

國內外學者[10-20]對影響超聲波除垢性能的因素進行了大量研究，張艾萍等[10]研究了不同管型對超聲波除垢以及超聲空化的影響，認為管型的幾何參數(shù)對超聲波除垢有明顯影響。余濤、傅俊萍等[11-12]通過實驗認為，利用超聲波能夠防垢除垢與強化傳熱，適當提高超聲波頻率、功率和反應體系溫度有利于提高除垢效率。劉振等[13]通過實驗研究發(fā)現(xiàn)超聲波除垢效果與管壁材質、功率、頻率以及溶液pH值等有關，超聲波對銅管的抑垢效果比對不銹鋼管要好，功率越大，除垢效果越好。不同頻率的超聲波其阻垢機理不同，53kHz 超聲波除垢效果比85kHz 好，溶液偏酸性或偏堿性都會影響超聲波 作用。

已有研究由于實驗條件各異，很難得到完全一致的結論，但可以得出的是超聲波的除垢性能受多種因素的影響。為進一步研究超聲波頻率對除垢范圍及除垢效率的影響，本文選取了3 種不同的超聲波頻率，模擬碳酸鈣結垢環(huán)境設計了實驗，并通過MATLAB 軟件模擬了超聲波聲場及聲強分布規(guī)律，進而與實驗結果進行了對比分析。

1 實驗方案

超聲波防除垢主要利用超聲波的超聲空化效應達到除垢效果。超聲波在液體介質中傳播時，會立即產生大量空化氣泡，這些氣泡由于壓力的急劇變化會迅速膨脹，突然破裂時將會產生局部短時高溫和高壓，這些能量足以破壞成垢的條件，使成垢雜質被粉碎而懸浮在液體之中。同時氣泡破裂時在其周圍產生的強烈局部沖擊波及高速射流，能強烈地沖刷垢件表面，使水垢難以在其表面附著及長大，還能對已存在的垢層起到清洗作用。此外，超聲波通過空化作用能促使水分子裂解，增大水的溶解能力，在溶液中形成大量的小沉淀顆粒，消除了溶液的過飽和度，從而緩解固體表面的成垢壓力。但并非超聲波在液體中產生的氣泡都能產生明顯的空化作用，只有當空化泡的自然共振頻率與超聲波頻率相等時，超聲波與空化泡之間才能達到最有效的能量耦合。超聲波頻率較低時，空化泡少但直徑大，生長、崩潰過程較明顯，空化核能在稀疏階段達到共振而發(fā)生強烈振蕩，瞬間崩潰，空化強度會更加強烈。高頻超聲波作用時，聲波膨脹相時間變短以致空化核來不及增長到可產生空化的空化泡，使空化強度明顯減弱。

圖1 超聲波除垢實驗裝置圖

實驗裝置圖如圖1 所示，不銹鋼保溫水箱體積規(guī)格為500mm×500mm×500mm，實驗采用的超聲 波發(fā)生器額定功率為1500W，頻率可控范圍為20～40kHz，精度為0.1kHz，為研究不同頻率超聲波對除垢性能的影響，實驗分別取20kHz、28kHz、40kHz共3 種不同發(fā)生器頻率進行研究。超聲波換能器半徑為30mm，并通過氬弧焊接和專用膠黏劑固定在保溫水箱一外側面中心處。超聲波發(fā)生器將電能轉化成與換能器相匹配的高頻交流電信號，通過專用導線傳遞給換能器，換能器將來自發(fā)生器的電信號轉化為同頻率的機械振動，從而產生超聲波。

本實驗是在結垢溶液里利用超聲波抑除垢。當水流速較低或相對靜止時，在其熱交換過程中，水中的一些鈣鎂鹽類受熱分解，或其溶解度達到過飽和，或者水中原溶解度較大的鹽類與其他鹽類、堿發(fā)生化學反應，都容易形成水垢。實際生產生活中，水垢成分較為復雜，為控制實驗參量，本實驗采用無水氯化鈣和碳酸鈉按摩爾比1∶1 比例配置碳酸鈣結垢溶液來模擬結垢環(huán)境，并利用溫控系統(tǒng)將溶液溫度控制在50℃。保溫水箱上放置支撐鐵網(wǎng)，以換能器所在外側面上邊中點為中心，在支撐鐵網(wǎng)上作一直徑為500mm 的半圓，從-90°到90°每隔15°從圓心作一條直線與半圓相交，在得到的13個相交點處懸掛結垢銅片，如圖2 所示。

2 結果與分析

超聲波除垢范圍即超聲波有效作用范圍，通過超聲波的有效輻射角度來體現(xiàn)，有效輻射角度越大，除垢范圍越廣，本文所研究的除垢范圍指超聲波除垢效率達到50%以上時的有效輻射角度。除垢是使溶液中已生成的碳酸鈣晶體逐漸脫落，并能起到防止再積水垢的作用。而抑垢是在水中對于已生成的碳酸鈣晶體起到分散作用，使晶體長大緩慢，有效地抑制水垢產生?？梢姸咧g存在著一定的相似關系，除垢效率可用抑垢率來表示，抑垢率越大，除垢效果越好。抑垢率的計算公式為式（1）、式（2）。

圖2 結垢試件懸掛位置示意圖

式中，φ 為超聲波抑垢率，%；φ0為無超聲波作用的積垢量，g/(m2·h)；φn為有超聲波作用的積垢量，g/(m2·h)；M0為實驗前銅片質量，g；Mt為實驗后銅片質量，g；S 為銅片表面積，m2；t 為作用時間，h。

2.1 有無超聲波作用的對比實驗

為驗證超聲波確實有除垢效果，進行了無超聲波作用的對比實驗。實驗取超聲波頻率為28kHz，經過96h 的實驗，得出各角度處銅片結垢情況，并與同等實驗條件未加超聲波的情況下的實驗結果進行對比，如圖3 所示為兩種情況下各角度處試件的積垢情況。為研究有超聲波作用時不同位置角度處試件的除垢情況的差異，求出了各角度處的抑垢率，如圖4 所示。

圖3 有無超聲波作用時各角度處試件的積垢量

圖4 有超聲波作用時抑垢率隨角度變化情況

從圖3 可知，有超聲波作用時同位置的試件積垢量明顯比無超聲波作用時少，說明超聲波確實具有除垢的功能。同時發(fā)現(xiàn)無超聲波作用時，各角度處試件積垢量相當，說明此時試件積垢量與其所處位置角度關聯(lián)不大。而有超聲波作用時，0°角處的試件積垢量最少，試件積垢量隨所處位置角度向兩邊輻射而增多，兩側的試件積垢量最多。從圖4 可以看出，換能器中心處的抑垢率最高，達到了86.67%，隨著角度向兩邊發(fā)散，抑垢率逐漸減小。在±90°附近達到最小，此時的抑垢率只有35%左右，不能達到理想除垢效果，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能與超聲波聲場及聲強分布規(guī)律有關，處在聲場稀疏區(qū)，聲強較弱，容易形成除垢死角。

2.2 不同頻率超聲波作用對除垢效果影響的實驗及模擬

實驗選取的超聲波頻率分別為20kHz、28kHz、40kHz，為綜合考慮頻率對除垢范圍和除垢效率的影響，將不同頻率超聲波作用下各角度處的抑垢率繪制在同一圖形上，如圖5 所示。

從圖5 可以看出，超聲波頻率不同，不同角度處試件的抑垢率不同，但均是0°角位置處的試件抑垢率最大。20kHz 超聲波作用下，各角度處試件均有除垢效果，抑垢率均維持在50%～60%之間，這是因為20kHz 時，各角度處空化泡均勻，其生長、崩潰過程明顯，空化強度較為強烈；頻率為28kHz時，范圍在-50°～50°區(qū)間的試件除垢效果較好，抑垢率在68%以上；頻率為40kHz 時處在-40°～40°之間區(qū)域的試件除垢效果較明顯，抑垢率最大達到了91.11%，而其他區(qū)域的抑垢率比28kHz 或20kHz 的抑垢率均低，抑垢率最小只有22%，導致這一區(qū)域除垢效果不理想?？梢缘贸?，超聲波頻率越大，有效除垢范圍越窄，換能器中心區(qū)域的除垢效率越高。這是因為超聲波頻率越大，空化泡形成、聲波壓縮相時間變短，使得空化泡來不及發(fā)生崩潰，空化強度明顯減弱，因而有效除垢范圍變窄；而且超聲波在換能器中心區(qū)域產生的能量最高，產生的空化泡數(shù)量較多，因而此處空化效應最為明顯，除垢效果最好。

微課是一種新型的課堂教學模式，主要的物質載體是視頻。當教師進行微課教學時，他們使用視頻記錄他們在課堂內外的教育活動。微課程教學過程是在特定的知識點或教學環(huán)節(jié)下進行的以課堂的授課內容為核心的短視頻課程，教學設計、材料課件、實踐測試和與教學主題相關的學生反饋都是輔助教學資源，作為補充資料。與傳統(tǒng)的教學方法相比，微課教學方法具有明顯的優(yōu)勢，而且是以傳統(tǒng)教學為基礎進行革新變化而來的。

圖5 實驗條件下不同頻率超聲波在各角度處試件的抑垢率

為進一步驗證分析不同頻率超聲波的聲場及聲強分布對除垢的影響，本文利用MATLAB 軟件進行了編程模擬。本文研究的超聲波聲源為非點聲源，利用貝塞爾函數(shù)性質得出的非點聲源輻射聲壓公式為式（3）。

式中，P 為非點聲源輻射聲壓，Pa；j 為單位向量；ρ0為媒質的密度，kg/m3；ua為振源的振幅；R為超聲波換能器的半徑，m；r 為測點與換能器中心的距離，m；k 為波數(shù)，個；w 為聲波波動角速度，r/s；t 為時間，s；J1(x)為一階貝塞爾函數(shù)；θ 為輻射聲壓與聲源表面的振動速度之間的相位差。

超聲波的聲場分布指的是超聲波在媒介中的傳播和分布范圍，一般用聲源的指向性函數(shù)來表示。根據(jù)指向性函數(shù)性質，當x=0 時， J1( x )/ x= 1/2，從而可得到半徑為R 的圓形超聲波換能器的指向性函數(shù)D，如式（4）所示。

根據(jù)聲強的定義，聲強可以用單位時間內、單位面積的聲波向前進方向毗鄰的媒質所作的功來表示，可得聲強I 公式為式（5）。

式中，C0為波速，m/s。

為便于編程，將式（5）中的角度θ 、波數(shù)k 及半徑R 以外的量視為恒量，令 K =ρ0c0ua/8r2，則簡化后的聲強Γ 可表示為式（6）。

圖6 不同頻率超聲波的聲場分布模擬圖

圖7 不同頻率超聲波的聲強分布模擬圖

圖6 中用聲場的指向性函數(shù)來表示聲場分布，可知不同頻率超聲波均有明顯的指向性，且頻率越小，指向性越明顯。不同頻率超聲波的聲場分布隨角度的變化不盡相同，但在0°角（即換能器中心垂直方向）處，指向性函數(shù)值均最大，且主聲場在此區(qū)域附近最為集中。從圖7 可以看出，聲強的峰值均集中在0°角處，隨著角度向兩邊發(fā)散，聲強均減小，而且超聲波頻率越大，聲強的峰值越大，其中頻率為40kHz 時，換能器中心處聲強最大。

根據(jù)MATLAB 編程模擬得到的聲場及聲強分布規(guī)律對比實驗結果可知，超聲波聲場及聲強分布規(guī)律分別與實驗得出的除垢范圍及除垢效率表現(xiàn)出的規(guī)律相似，超聲波主聲場聚集區(qū)域分布越大，有效除垢范圍越大；超聲波聲強越強，實驗得到的除垢效率越高，且聲強峰值處的除垢效率最高。而不同頻率超聲波作用下的聲強模擬得到的圖形中，頻率為40kHz 的聲強峰值與頻率為28kHz 時相差很大，而實驗數(shù)據(jù)中兩者抑垢率卻相差不大，這可能與頻率為40kHz 時抑垢率達到飽和有關，當聲強達到一定程度時，再增大聲強，對抑垢率的影響不大，甚至會影響超聲波的空化作用，產生大量空化泡，形成聲屏蔽，影響了超聲波的傳播。

3 結 論

通過實驗研究與編程模擬得出以下結論。

（1）超聲波具有明顯的除垢作用，不同頻率超聲波，聲場及聲強分布不同，除垢范圍及除垢效率也不同。

（2）同一超聲波頻率下，換能器中心垂直方向0°角處除垢效率最高，隨著角度向兩邊發(fā)散，除垢效率逐漸降低。不同頻率下，頻率越高，換能器中心垂直方向處的除垢效率越高，其中頻率為40kHz時，此處的除垢效率最高，達91.11%。

（3）隨著頻率的增高，有效除垢范圍逐漸縮小，并向換能器中心垂直方向集中，其中發(fā)生器頻率為20kHz 時，有效除垢范圍最大。這也為實際工程中合理組合利用不同頻率超聲波的有效除垢范圍，盡可能地提高除垢效率，提供了參考依據(jù)。

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