換熱器超聲波防除垢和強(qiáng)化傳熱技術(shù)研究綜述

張朔昕

摘要：換熱器傳熱表面積污結(jié)垢造成的傳熱劣化問題，是國際上多年來一直未解決的難題，也是制約化工等高能耗行業(yè)提高能源利用率的瓶頸問題。本文研究了超聲波技術(shù)的防除垢機(jī)理和超聲波防除垢設(shè)備的原理，并根據(jù)超聲波防除垢設(shè)備在國內(nèi)的工程應(yīng)用實例，綜述了其防除垢效果與優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：超聲波；強(qiáng)化傳熱；防垢；除垢

1引言

換熱器是工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的熱力設(shè)備。通常換熱設(shè)備在運(yùn)行一段時間之后都會出現(xiàn)結(jié)垢的現(xiàn)象，即在固體表面上逐漸積聚起來一層固態(tài)或軟泥狀物質(zhì)，通常是以混合物的形態(tài)存在。污垢極大地增加了傳熱熱阻，使傳熱效率降低，嚴(yán)重影響了換熱設(shè)備的傳熱過程，甚至使設(shè)備不能正常運(yùn)行，縮短了設(shè)備的使用壽命，造成巨大的能源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，一直是傳熱方面亟待解決的問題。因此對換熱設(shè)備采取合適的技術(shù)措施進(jìn)行防垢除垢，從根本上解決結(jié)垢問題，對企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境保護(hù)等都有重要意義。

2換熱設(shè)備常用防除垢方法

目前企業(yè)中較為常用的換熱設(shè)備防除垢方法主要有機(jī)械清洗法、化學(xué)清洗法和超聲波清洗法。

機(jī)械清洗法是采用人工清洗工具或?qū)Ｓ霉ぞ咴O(shè)備對換熱器表面進(jìn)行清理。該方法可除掉化學(xué)清洗不能除去的碳化污垢和硬質(zhì)垢，并且對鋼材損耗小，但對于換熱面的死角清洗不到，而且該方法需離線停車清垢，影響生產(chǎn)，清洗用時長，所需費(fèi)用高。

化學(xué)清洗法是利用化學(xué)洗劑使換熱面上的污垢脫離，可在線清洗，勞動強(qiáng)度小，但容易對設(shè)備造成腐蝕；清洗結(jié)束后還需對廢液進(jìn)行處理，否則直接排放會污染環(huán)境。

超聲波清洗法利用了脈沖彈性波能量首先在金屬中傳播的原理。超聲波因具有方向性好、穿透力強(qiáng)、在固體或液體中傳播衰減小等優(yōu)點，將其應(yīng)用于換熱設(shè)備不僅能減緩換熱設(shè)備表面污垢顆粒的沉積速度，而且還能夠有效地除掉已經(jīng)形成的污垢。該方法既不會污染環(huán)境和浪費(fèi)資源，也不會對設(shè)備造成損傷，對工作人員也不會造成任何有害影響。與此同時，它可清除的污垢種類廣泛、除垢速度快、耗水量少、自動化程度高、工作性能可靠，還能連續(xù)在線工作。超聲波防除垢技術(shù)從根本上防止或清除污垢的沉積，實現(xiàn)了實時動態(tài)防除垢的效果，并且能夠起到一定的強(qiáng)化傳熱的作用，表現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性。

3超聲波防垢除垢技術(shù)

3.1超聲波防垢除垢機(jī)理

超聲波是一種頻率大于20kHz的聲波，方向性好、穿透力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能。超聲波在線防垢除垢技術(shù)，就是通過超聲波強(qiáng)聲場在管、板壁和介質(zhì)接觸界面間產(chǎn)生效應(yīng)，破壞污垢的形成和附著條件來實現(xiàn)防垢、除垢的。

超聲波在換熱界面間產(chǎn)生的效應(yīng)主要有：空化效應(yīng)、活化效應(yīng)、剪切應(yīng)力效應(yīng)及抑制效應(yīng)。超聲波防垢除垢機(jī)理如圖所示。

（1）空化效應(yīng)

超聲波的輻射能使被處理液體介質(zhì)產(chǎn)生大量的空穴和氣泡，當(dāng)這些空穴和氣泡破裂或互相擠壓時，產(chǎn)生一定范圍的強(qiáng)大的壓力峰，液體里的成垢物質(zhì)在這種能量的作用下粉碎、細(xì)化懸浮于液體介質(zhì)中，使物體表面及縫隙之中的污垢迅速剝落。

（2）活化效應(yīng)

超聲波在液體中通過空化作用使水分子裂解成自由基，在一定程度上增加水的溶解能力、提高流動液體中成垢物質(zhì)的活性，增強(qiáng)其溶垢能力，可抑制污垢生成以及在管壁上沉積，使得成垢物質(zhì)在液體中形成分散沉積體而不會在壁面上沉積，從而達(dá)到防垢的目的。

（3）剪切應(yīng)力效應(yīng)

污垢與金屬的物理性質(zhì)和彈性阻抗不同，所以超聲波在金屬換熱管壁與垢層處的吸收和傳播速度也不同，從而在兩者上產(chǎn)生了速度差，形成相對剪切力，使污垢層產(chǎn)生松動、破碎而脫落，起到了除垢效果。

（4）抑制效應(yīng)

超聲波改變了管道內(nèi)流體的物理化學(xué)性質(zhì)，縮短了成垢物質(zhì)的成核誘導(dǎo)期，刺激了微小晶核的生成，可抑制離子在壁面處的成核和長大，使既定結(jié)構(gòu)的晶粒長大，因此減少了粘附于管壁上成垢離子的數(shù)量，從而減小了積垢的沉積速率。

3.2超聲波防除垢設(shè)備

超聲波防除垢裝置主要由超聲波電源發(fā)生器、超聲波換能器、傳輸電纜以及安裝超聲波換能器的管道組合件組成。其中超聲波電源發(fā)生器是一種將市電轉(zhuǎn)換為換能器相應(yīng)的高頻交流電以驅(qū)動換能器進(jìn)行工作的設(shè)備，由電源單元、主控單元、參數(shù)調(diào)測單元、顯示單元、功放單元、遙控單元組成。1臺主機(jī)（超聲波電源發(fā)生器）可配置多個超聲換能器頭，能夠提供超音頻脈沖功率電能。超聲波換能器是把來自電源發(fā)生器的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能（聲能）的部分，是產(chǎn)生超聲波的源。其內(nèi)采用換能效率高的壓電材料。超聲波的頻率相位實現(xiàn)自動跟蹤，從而使發(fā)生器和換能器在最佳狀態(tài)下工作，且超聲波的輸出功率可根據(jù)不同的工況需要而進(jìn)行無極調(diào)節(jié)。

3.3超聲波防除垢設(shè)備應(yīng)用實例

（1）中石化某分公司一調(diào)溫水換熱器由于循環(huán)水中含有大量的鈣鎂離子以及微生物，在運(yùn)行多年之后導(dǎo)致其每運(yùn)行4-6個月左右就會形成一層0.5-1.5mm的硬垢，硬質(zhì)垢表面附著少量淤泥等雜質(zhì)，影響其正常使用，需要經(jīng)常清洗處理。通過在檢修時安裝了超聲波防除垢裝置，一年半以后再次打開換熱器時，發(fā)現(xiàn)換熱器表面清潔無垢，部分呈現(xiàn)金屬原色，且循環(huán)水進(jìn)出口溫度溫差穩(wěn)定維持在7℃左右，運(yùn)行效果穩(wěn)定。

（2）某石化公司的油漿蒸汽發(fā)生器用于油漿與除鹽水換熱產(chǎn)生中壓蒸汽。因油漿中含有較多的固化物，換熱過程中易結(jié)焦積碳，使換熱效率降低，蒸汽產(chǎn)量下降。同時，油漿無法冷卻到工藝要求的溫度，只能通過降低流量來確保油漿的冷卻效果。該發(fā)生器每年都需要清洗，每次清洗是管束內(nèi)側(cè)結(jié)垢、腐蝕較重，垢層厚度2-3mm，部分管束堵塞。該公司在安裝了超聲波在線防垢除垢裝置后，蒸汽產(chǎn)量增加，經(jīng)濟(jì)效益顯著。一年后打開換熱器，基本無垢質(zhì)，不需清洗。該裝置的使用減少了設(shè)備清洗次數(shù)，節(jié)約了清洗費(fèi)用。

（3）中油管道某輸油氣分公司輸油站使用了6套熱媒/原油換熱器，由于污垢的產(chǎn)生，換熱器換熱效率普遍下降10%左右，每年經(jīng)濟(jì)損失十余萬元。通過改造安裝了2套超聲波脈沖防除垢裝置并投入使用。投運(yùn)一個半月后，換熱效率提高2個左右百分點，投運(yùn)五個月后，效率提高6個左右百分點，成功解決了換熱設(shè)備的結(jié)垢問題，并為企業(yè)節(jié)約了能源和資金。

4結(jié)論

超聲波在線防垢技術(shù)利用超聲脈沖振蕩波破壞污垢的附著條件，有效解決設(shè)備的防除垢問題，提高換熱設(shè)備傳熱能力，降低達(dá)到同樣工藝要求所需的能耗量，實現(xiàn)節(jié)能目的，在節(jié)能環(huán)保、提高功效、降低成本等諸多方面具有廣泛的應(yīng)用前景。