[摘要]本文首先比較了工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中常用的幾種不同的清垢方法，并對(duì)超聲波防垢器的防垢機(jī)理、原理結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和介紹，最后通過(guò)各種詳實(shí)的使用案例資料，有效地證實(shí)了超聲波防垢器在不同環(huán)境和用途中的防除結(jié)垢效果，其推廣價(jià)值在環(huán)保節(jié)能、提高工效、降低成本等諸方面具有廣泛的意義。
        [關(guān)鍵詞]超聲波；防垢器；防垢；除垢
        1引言
        在化工、石油、冶金、熱電、制糖、食品等行業(yè)中，換熱傳熱設(shè)備、蒸發(fā)冷卻設(shè)備及金屬管道內(nèi)的結(jié)垢問(wèn)題，一直長(zhǎng)期困擾著這些企業(yè)的生產(chǎn)和效益。對(duì)此，不同的行業(yè)采取了不同的清垢方式。其方式主要有兩類：在線連續(xù)清垢和離線停工清垢。在線連續(xù)清垢的傳統(tǒng)方法有注入阻垢劑法、涂料法、永磁法、電磁法及高頻法。其中阻垢劑需要連續(xù)注入，每次用量難以把握，清垢效果時(shí)好時(shí)壞；涂料法對(duì)涂料工藝要求高且價(jià)格昂貴，若達(dá)不到工藝要求，會(huì)造成涂料脫落，起不到防垢作用；而后三種方法因成本高或?qū)嵤├щy，因此不能有效地解決實(shí)際問(wèn)題。離線停工清垢常常是在計(jì)劃外停工、裝置局部停工或各設(shè)備切換條件下進(jìn)行，而傳統(tǒng)采用的各種手段，如高壓水噴射（機(jī)械清垢法）和化學(xué)清洗劑（化學(xué)清垢法）等，也只是治標(biāo)不治本，不但給生產(chǎn)造成了影響，同時(shí)會(huì)增加計(jì)劃外費(fèi)用、磨損腐蝕設(shè)備、污染區(qū)域環(huán)境、損害工人健康等。
        目前，與傳統(tǒng)清垢方法有著本質(zhì)區(qū)別的超聲波防垢器，因具有在線連續(xù)工作、自動(dòng)化程度高、工作性能可靠、無(wú)環(huán)境污染、運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)，已廣泛用于眾多行業(yè)的設(shè)備及管道中的防垢和除垢。
        2超聲波防垢器的防垢機(jī)理
        超聲波防垢器主要是利用超聲波強(qiáng)聲場(chǎng)處理流體，使流體中成垢物質(zhì)在超聲場(chǎng)作用下，其物理形態(tài)和化學(xué)性能發(fā)生一系列變化，使之分散、粉碎、松散、松脫而不易附著管壁形成積垢。超聲波的防垢機(jī)理主要表現(xiàn)在：
        （1）"空化"效應(yīng)
        超聲波的輻射能對(duì)被處理液體介質(zhì)直接產(chǎn)生大量的空穴和氣泡，也就是把液體拉裂而形成無(wú)數(shù)極微小的局部空穴，當(dāng)這些空穴和氣泡破裂或互相擠壓時(shí)，產(chǎn)生一定范圍的強(qiáng)大的壓力峰，這一強(qiáng)壓力峰能使成垢物質(zhì)粉碎懸浮于液體介質(zhì)中，并使已生成的垢層破碎使其易于脫落。根據(jù)理論和實(shí)踐測(cè)算，用20KHz、50W/cm2的超聲波對(duì)1cm3液體輻射時(shí)，其發(fā)生空化事件的氣泡數(shù)為5×104/s，局部增壓峰值可達(dá)數(shù)百甚至上千大氣壓。
        （2）"活化"效應(yīng)
        超聲波在液體介質(zhì)中通過(guò)空化作用，可以使水分子裂解為H·自由基和HO·自由基，甚至H+和OH-等。而OH與成垢物質(zhì)離子可形成諸如CaOH、MgOH等的配合物，從而增加水的溶解能力，使其溶垢能力相對(duì)提高。也就是說(shuō)，超聲波能提高流動(dòng)液體和成垢物質(zhì)的活性，增大被水分子包裹著的成垢物質(zhì)微晶核的釋放，破壞垢類生成和在管壁沉積的條件，使成垢物質(zhì)在液體中形成分散沉積體而不在管壁上形成硬垢。
        （3）"剪切"效應(yīng)
        水分子裂解產(chǎn)生的活性H自由基的壽命比較長(zhǎng)，它進(jìn)入管道后將產(chǎn)生還原作用，可以使生成的積垢剝落下來(lái)。而且因超聲波輻射在垢層和管壁上，加熱管上的吸收和傳播速度不同，產(chǎn)生速度差，形成垢層與管壁界面上的相對(duì)剪切力，從而導(dǎo)致垢層產(chǎn)生疲勞而松脫。
        （4）"抑制"效應(yīng)
        通過(guò)超聲波的作用，改變了液體主體的物理化學(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。新生成的這些微小晶核，由于體積小、質(zhì)量輕、比表面積大，懸浮于液體中，生成比壁面大得多的界面，有很強(qiáng)的爭(zhēng)奪水中離子的能力，能抑制離子在壁面處的成核和長(zhǎng)大，讓既定結(jié)構(gòu)的晶粒長(zhǎng)大，因此減少了粘附于換熱面上成垢離子的數(shù)量，從而也就減小了積垢的沉積速率。實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)液體的過(guò)飽和系數(shù)一定時(shí)，在同一超聲波參數(shù)下，超聲波作用時(shí)間越長(zhǎng)，則成垢物質(zhì)的成核誘導(dǎo)期越短。
        此外，超聲波輻射壓力、聲學(xué)毛細(xì)管現(xiàn)象、科努瓦諾夫效應(yīng)和聲流對(duì)積垢生成也有直接的防除效應(yīng)。
        3超聲波防垢器的原理結(jié)構(gòu)
        超聲波防垢器主要由超聲波電源發(fā)生器、超聲波換能器、傳輸電纜組成。
        （1）發(fā)生器的工作原理
        超聲波電源發(fā)生器將220V交流電經(jīng)濾波、整流、電源激勵(lì)波形控制等幾個(gè)部分，產(chǎn)生20～30KHz的功率信號(hào)，經(jīng)電纜傳輸?shù)匠暡〒Q能器，換能器內(nèi)采用居里點(diǎn)較高、換能效率高的壓電材料，由換能器實(shí)現(xiàn)電、機(jī)、聲的轉(zhuǎn)換而發(fā)出超聲波，超聲波的頻率相位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤，從而使發(fā)生器和換能器在最佳狀態(tài)工作，且超聲波的輸出功率可根據(jù)不同的工況需求而進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。其工作原理如圖1。
        （2）換能器的一般結(jié)構(gòu)
        換能器按其超聲波的發(fā)射方向相對(duì)于被處理液體介質(zhì)的流動(dòng)方向可分為：軸向發(fā)射結(jié)構(gòu)和徑向發(fā)射結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖2、3所示。
        在軸向發(fā)射結(jié)構(gòu)中，因其壓電材料隨結(jié)構(gòu)外殼直接處于被處理液體介質(zhì)的環(huán)境溫度中，因此僅適用于液體介質(zhì)溫度在80℃以下的工況條件。增加總裝機(jī)功率的一般方式有：串聯(lián)安裝和矩陣安裝，而矩陣安裝方式僅適合于管道外管直徑大于377mm的設(shè)備裝置中。
        在徑向發(fā)射結(jié)構(gòu)中，因其壓電材料隨結(jié)構(gòu)外殼處于被處理液體介質(zhì)的外部，因此，若附加上換能器的冷卻系統(tǒng)裝置，該結(jié)構(gòu)可適用于液體介質(zhì)溫度高達(dá)360℃左右的工況條件。
        4超聲波防垢器的應(yīng)用案例
        超聲波防垢器除了大量應(yīng)用在防止和清除水質(zhì)結(jié)垢的管線中，另外在流體物料結(jié)垢的管線中也取得了成功的應(yīng)用，有的甚至還應(yīng)用在流體物料溫度高達(dá)360℃的條件下，以下僅以"九洲牌"TC系列型超聲波防垢器在不同環(huán)境和用途中的使用情況，作為本文應(yīng)用案例的引用資料，從而驗(yàn)證超聲波防垢器的防除結(jié)垢效果。
        （1）用于化工廠的冷卻器水質(zhì)結(jié)垢
        北京燕山石化化工一廠高壓車間，由于該廠二循供給高壓裝置的循環(huán)水雜質(zhì)較多，造成高壓裝置的冷卻器走水管道內(nèi)壁附著較多的水垢，嚴(yán)重影響冷卻效果，尤其夏季水溫較高，物料冷卻效果更差，極大地影響著裝置產(chǎn)量及部分設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。為此，在2000年高壓裝置大檢修期間，在一線最重要的冷卻器E-14、E-15上水總管線加裝了2臺(tái)TC-4-10型超聲波防垢器，使用后不僅減少了走水管道內(nèi)壁的水垢，而且一線的單位產(chǎn)量還有所提高。表1為該車間使用超聲波防垢器前后三個(gè)月的生產(chǎn)情況（產(chǎn)品牌號(hào)為112A-1）對(duì)比。
        表1：超聲波防垢器使用前后對(duì)比
        使用情況
        （N/Y）日期
        （y.m）產(chǎn)量
        （t）累積時(shí)間
        （h）單位產(chǎn)量
        （t/h）提高量
        （t/h）使用前/后1999.12/2000.124760.5/4800.8550/5298.66/9.07＋0.41使用前/后2000.01/2001.011182.0/6619.5146/7448.08/8.90＋0.82使用前/后2000.02/2001.025422.3/1298.5645/1458.40/8.92+0.52
        （2）用于糖廠的蒸發(fā)罐糖漿結(jié)垢
        內(nèi)蒙古赤峰糖廠因原用輪洗罐和高壓清洗機(jī)一直未能從根本上解決一至四效蒸發(fā)罐的積垢問(wèn)題，后又輔以使用"8501"防垢劑，雖然防垢劑對(duì)一、二效罐有一定緩解作用效果，但由于后面的三、四效罐的溫度比前兩效罐高（四效罐出口溫度約為135℃），積垢問(wèn)題卻更為嚴(yán)重，生產(chǎn)成本也大大增加。通過(guò)使用TC-2-10型超聲波防垢器后，一至四效蒸發(fā)罐連續(xù)工作一個(gè)榨期（120d）無(wú)積垢生成，并且停止使用了"8501"防垢劑。整個(gè)榨期由于蒸發(fā)罐無(wú)積垢使蒸發(fā)效率始終處于最佳狀態(tài)，未發(fā)生過(guò)去因蒸發(fā)罐積垢而輪洗蒸發(fā)罐，還克服了蒸發(fā)效率鋸齒狀波動(dòng)的不良影響。主要表現(xiàn)為：蒸發(fā)糖漿錘度合格率比原來(lái)提高12%；因蒸發(fā)效率得到改善，用正汽壓力比原來(lái)平均降低0.02Mpa，減少了"高溫汽"對(duì)糖漿色值、純度、PH值的影響；因減少了部分正汽耗用量，每百噸甜菜耗標(biāo)煤比原來(lái)下降0.21t；節(jié)約了輪洗蒸發(fā)罐、"8501"防垢劑等大量費(fèi)用的支出。
        （3）用于煉油廠的換熱器重油結(jié)垢
        金陵石化南京煉油廠重油催化車間的兩臺(tái)油漿換熱器（E206、E207）因換熱溫度高（油溫為360℃），油漿成份復(fù)雜，其管程結(jié)垢非常嚴(yán)重，經(jīng)常需要六個(gè)月左右的時(shí)間就停機(jī)切換工作。原來(lái)采用高壓射流清除管程油垢，每次切換清洗一臺(tái)換熱器需耗時(shí)3～5d，耗資20萬(wàn)元左右，除了直接影響生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益外，同時(shí)還造成因每次清出的油垢和污水而嚴(yán)重污染環(huán)境。自從2001年5月份在油漿換熱器E206管線上，安裝了一套為此進(jìn)行專門特殊設(shè)計(jì)和制造的ExTC-6-20型超聲波防垢器后，設(shè)備至今還未下線進(jìn)行切換清洗，使該設(shè)備的清洗間隔和維護(hù)保養(yǎng)周期延長(zhǎng)了3倍以上，同時(shí)對(duì)換熱系數(shù)K值提高了8%左右，節(jié)約資金80多萬(wàn)元。
        5結(jié)語(yǔ)
        據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用情況和研究結(jié)果表明，超聲波功率一定時(shí)，頻率低、作用時(shí)間長(zhǎng)，防垢效果較好；超聲波頻率一定時(shí)，功率大、作用時(shí)間長(zhǎng)，防垢效果較好。同時(shí)，超聲波防垢效果還與流體的流量與壓力、液體的粘度與溫度、超聲波電源發(fā)生器與超聲波換能器的距離（即傳輸電纜長(zhǎng)度）、原已生成積垢的程度等因素有很大的關(guān)系?？傊?，超聲波防垢器具有既能防止積垢的形成，又能破壞已有積垢的雙重作用，其推廣價(jià)值在環(huán)保節(jié)能、提高工效、降低成本等諸方面具有廣泛的意義。
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