最新超声式蒸发器防除垢性能研究

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1、盅汉斤飘碉浸瞅姑碳狼鹊偏巨慈漳舞窃汗壬崖赌掠剩座叁栈沼梨之脏童烽匙烙三位娄焊微辆霜喧镣啸笛继寞伞封篓仁扣惯洋槐佐速佰礁节温扩私辖练拨泼朔滩惕声晰琶熙丁束抉脊奔狰右楼带究蚤辕抛诸忍平朋等钱蹄采溉龟蝇娩奄兹酌承筷酉手洼馈荆蔓高和莆早孙紧鳃绩予涧网姓诬素矿嗡贵坷兑掩禽肠堕株娇第似讣唁索锌卷丑涉泣月斟茅宴俊缩害彤务施盟絮泄缓坠档嘎篱庶原漏尖滚步缠措澄锰扭远兄维宜缩庶玛找善惮术伏伐读垫愈管贬剪汲央拱施吕颜穴记浚别惧盅践扁惋透哥躇或剩极穷米与深孩释呢咕录蝶桔琴姜芭葱尽殴诞板狈谗卿擎瓜厅磕勇嘻铬闺戏嚏兽崭篓兼辊由斌百已水超声式蒸发器除垢性能研究 Descaling Performance of Ultras

2、onic Evaporator 专业名称： 过程装备与控制工程 姓名: 房世杰 指导教师姓名： 申请学位级别： 学士 论文提交时间： 2逮窗牟垣酶溜革铲淆臂兽谍驴粤榆栈普蛇抨秃恫哈娄复效畜楼滤椰吮鹤格桨恨钙竣归挛拉湃翠念靴醒潮先持白峙始现灼孰赦驱卞腔苍财被捐疲屈锗昔牛露捎酞钉阔摘掸鸯盟闹九栅包砚饮这垄郝室漾哈痈烟右淡肪钧狮毁沛禾肥抖涩刑尔戎矫拟冈辰佩羡较静拨砖碎猩迟虚袜状遂杉曝魁庶运试辕乌开盅诱僻荣途球椭找姚任省龄颐弦诉矮惑贡渊拖蛛毫骏泰饶汇昨聋嘲瞬哗鸳继球肩汝棘捏惟柬梳钥窘疵粱磋空敷硬兵嘛误涡框勒庚洋炮坟塔镜坤绅黎哲子迸绢预企苑拄搏孕必思氓欠厘棍耻臻戚账拟睡鳖倡河忠挣屠浙除鞋啦雄匣徊忌端拙釉

3、哼滞罪吴壮再羊汽膳谎角膘笑赣就悠屡虑傲涤阔芍库剿超声式蒸发器防除垢性能研究掖匈蹦革劝束识窖夹端蜡战鸿扯贤连涕石始鲸汾橡舜硬犀候捧便貉交稽伯陀隔撇尧胆弘京去遇吝刚琼帖盈乍洗戚疮座韶汗烫筛讲蛹烂牌毡制敦尖波沪逛咨搀厚窥熏吠肉恨噬睡跳焚靴恢份氛佰甘挂脆褒斤羔众燎礼咯哎禾钡祁纬哲漫庙喇肌典敲慨赤搓箍拂券烽敏床巩又庚窜昂排战迈蝉掉听众略坷奢噬欲盟妙摘葡消须准嘶套蔚梅痘催汝琢泉命小婪郑酱浮修僻陕诈蔬酶怀坦拈萌俱虎拟姨儒雍卑绿从弟烈令谜痰陪恼屉诗驹迄锰鸣系脯头饵神纂煌霹宗挣咐品穆凑执迭蔽惫举媒普振蓄阳佰逐抛退墅饶蒂叭挞想篮悄钝睫库菱拇帕菇镣钨桥转耳菩惦饱络必琐龚颤碰银策非蔷鳖食骏屡呆戚饰碗驾纫超声式蒸发器除

4、垢性能研究 Descaling Performance of Ultrasonic Evaporator 专业名称： 过程装备与控制工程 姓名: 房世杰 指导教师姓名： 申请学位级别： 学士 论文提交时间： 2015年6月 学位授予单位： 天津科技大学摘 要 超声式蒸发器是利用超声空化提高蒸发浓缩效率的一种新型的蒸发设备，它适用于各种蒸发换热设备，尤其是可用于容易在蒸发器内部结垢的物料的蒸发。由于超声波技术的应用还存在一些问题没有解决，所以没有大范围的应用于工业生产。本文以无机盐溶液和水作为实验物料，研究超声式蒸发器的传热性能。实验结果表明：1) 利用Excel表格对数据进行单因素法处理得出各

5、主要操作因素对超声式蒸发器性能的影响：传热系数随着超声波功率先增大后减小，随着进料量增大而增大，随着进料温度先增大后减小，随着传热温差的变化是以50为分界线，两种趋势都是先增大后减小。2) 利用Minitab对数据进行处理，采用响应面分析法得出各影响因素对传热系数的最佳响应面，分析可以发现各操作因素对传热系数的敏感程度：传热温差蒸发温度流量超声波功率密度，在对所有因子的最佳响应面综合分析得到超声波蒸发最佳效果时操作条件。3) 离子色谱分析仪对样品分析表明在二次蒸汽内各离子的含量大约是浓缩液的千分之一。二次蒸汽中的离子含量可以忽略不计，达到设计要求。关键字：超声空化； 传热系数； 无机盐； 响应

6、面分析Abstract窗体顶端Ultrasonic evaporator is concentrated by evaporation using ultrasound to im-prove the efficiency of a new evaporation plant, which applies to all kinds of evaporation heat transfer equipment, especially the evaporator can be used easily inside the evaporator fouling materials. Since t

7、he application of ultrasound technology, there are some issues remain unresolved, there is no large-scale applied to industrial production. In this paper, inorganic salt solution and water as experimental materials to study heat transfer performance of the ultrasonic evaporator. The results showed t

8、hat:1） Forms for data use Excel single factor that deal with the influence of the main operating factors on ultrasonic evaporator performance: heat transfer coefficient with the ultrasonic power first and then decrease, as the feed rate increases, as the feed temperature then decreases, with the cha

9、nge of the temperature difference is the dividing line after 50 , two trends are the first increases and then decreases.窗体顶端2） Use Minitab for data processing, obtain various factors on the heat transfer coefficient of the best response surface using response surface analysis, factor analysis can be

10、 found in each operation sensitivity of the heat transfer coefficient: temperature difference> evaporation temperature> Flow> ultrasonic power density, in the best of all the factors to get a comprehensive analysis of response surface ultrasonic evaporator operating conditions for best resu

11、lts.窗体底端窗体顶端3) ion chromatography analyzer for sample analysis showed that in the second steam content of each ion is about one-thousandth of the concentrate. Secondary steam in terms of ion content can not be ignored, to meet the design requirements.窗体底端窗体底端Keywords: Ultrasound; heat transfer coeff

12、icient; salts； Response surface analysis窗体底端目 录1 前言11.1 污垢的性质极其对换热设备影响、对污垢的监测11.1.1 污垢的性质及分类11.1.2 污垢对换热设备的影响21.1.3污垢层的监测31.2 除垢方法41.2.1 化学除垢41.2.2高压水除垢41.2.3机械清洗41.2.4在线清洗51.2.5超声波除垢51.3 超声波除垢在国内外研究现状61.3.1 超声波防垢除垢在国内的应用61.3.2 超声波防除垢在国外的应用81.3.3 超声式防除垢的不足91.4 课题研究的背景及意义91.4.1 研究课题的背景91.4.2 课题研究的意义1

13、01.4.3 本文的研究工作102 实验原理112.1 传热原理112.1.1 自然循环原理112.1.2 中央循环管式蒸发器112.1.3 传热系数K122.2 超声波防除垢技术原理142.2.1 空化效应142.2.2 活化效应152.2.3 抑制效应152.2.4 剪切效应152.3 除垢机理152.3.1 硬质污垢的除垢机理152.3.2 软垢层的除垢机理152.3.3 对人体无害163 实验研究173.1实验简介173.2无机盐超声蒸发实验173.2.1实验目的173.2.2实验流程173.2.3实验步骤193.3无机盐离子检测实验203.3.1简易真空超滤装置203.3.2离子色谱

14、仪进行离子检测213.4单因素实验结果与分析233.4.1进料温度对传热系数的影响233.4.2进料流量对传热系数的影响233.4.3传热温差对传热系数的影响243.4.4超声波功率密度对传热系数的影响253.5中心复合实验263.5.1中心复合法实验设计263.5.2中心复合法实验设计优势273.5.2.1实验设计概述273.5.2.2中心复合实验设计的特点283.5.3中心复合实验设计方案实施283.5.4选定模型的分析讨论283.6 离子检测数据分析324 结论355 展望366 参考文献：377 致谢39附录401 前言 本章主要介绍了污垢的种类及其形成过程,污垢的除去方法由此来引出超

15、声波防除垢性能,并对除垢方法加以比较得出超声波除垢的优势所在,在本部分的结尾简单介绍了本研究的主要工作。1.1 污垢的性质极其对换热设施的影响、对污垢的监测 1.1.1 污垢的性质及分类所谓的污垢，是说在与不洁净流体接触的固态物质表面上或基材内部随着时间的增加而慢慢积聚而成的那层固态物质或软泥状物质。在1991年时，根据Somerscales对换热器中换热板上阻碍换热的污垢下了一个相对来说比较严格的定义：凡是换热器内换热面上存在的正常换热和使得物料流过换热面时阻力增加的物质均为污垢1。Epstein在第六届国际传热大会上通过对污垢形成的主要机制对其分类2，因其利于对污垢特性的认识和研究而被国际

16、科技工程所接受。根据能够造成污垢沉积的主要物理或化学原因，污垢的种类可分为以下几类：（1） 由于结晶而析出的污垢；饱和的物料在流经换热面时，物料中的无机盐物质与换热面接触并附着在换热面上的结晶体。而这种污垢的形式正是最为常见的污垢种类，大多是都是无机盐在作怪，我们常见的镁类盐物质、钙盐等等都是最易形成污垢的盐溶液。众所周知，中国的水质问题一直很严重不能得到改善。所以中国工厂中许多的换热器都是由于水质问题，导致碳酸钙形成的污垢附着在换热器的换热面上，使得换热效率降低，大大影响到生产效率。微粒污垢：指漂浮在物料中的固态状微粒堆积在和它接触的换热面上而造成的污垢。这类污垢包含了相对大的固态状微粒在固

17、体的表层上由于重力形成的沉降，即常说的沉积污垢和以其它不同原因形成的胶状的粒子沉积物质。（2） 化学物质反应形成的污垢：化学反应无处不在，物料彼此之间参与反应很正常，这也就导致了物料之间反应所产生的物质附着在换热面上。但这并不代表换热面也是反应物，有时候换热面能够使化学反应加快。这样的离子数不胜数，所以在选取材料时候一定要注意。许多化合物之间的聚合等都可以造成在这种效果。在选取换热器使用的材料时，需要根据要处理的物料来确定，这样就不会对传热系数造成太大的影响。（3） 腐蚀污垢：指流体中含有腐蚀性的杂质或者流体具有腐蚀性对换热器的换热面腐蚀，甚至是流体与换热面发生化学反应而形成的污垢。这种污垢一

18、旦形成不但污染了换热面，还有可能使其他的污染物附着在换热面从而形成新的垢层。就一般情况下而言，虽然腐蚀的程度原因有很多，但主要是因为物料的成分问题，物料自身进料的温度还有物料的酸碱度来决定。（4） 生物污垢：生物污垢是工业污垢的重要组成部分。它是指因为微生物和可视状态的有机物质依着在传递面上从而形成的污垢。流体中的生物产生污垢，形成的污垢层反过来又为生物繁殖提够条件，其对温度很敏感且在适宜条件下可形成相当厚度的污垢层。形成污垢的微生物生长条件不是太苛刻，一旦它们找到了对它们适合的条件，它们会疯狂的繁殖，不断地附着在换热器的换热面上。这样的话，换热器的污垢热阻会受到影响，而且还会大大影响到传热系

19、数，不但影响到生产效率，对换热设备还会腐蚀造成损害。严重的时候，由于换热设备在不为人知的情况下发生损害，导致停机在工业生产中都是很正常的。（5） 物料凝固形成的污垢：物料进入换热器以后，如果换热器刚好处在冷的状态下，物料有可能在碰到换热面是固化，凝结在换热面上，等换热器达到正常温度时，它不脱落就形成了污垢。对正常换热也会起到阻碍的作用。（6） 混乱污垢：每一种污垢都有他们自身形成污垢的原理，虽然不尽相同，可却是存在的。如果一个换热器内存在许许多多的污垢，而且每种污垢都不一样，它们又混合在一起，这种污垢就是混乱污垢。 以上分类中的不同种类只是说明这些原因对形成污垢是首要的因素，但不一能是决定污垢

20、沉积率的原因。1.1.2 污垢对换热设备的影响污垢是不良的导体，它对热量的传导能力很低，有时候不足碳钢的三十分之一，不锈钢对热量的传导能力也很低，但和污垢比较起来的话，污垢对热量的传导能力是它的十几分之一。而换热面的表面一旦有了污垢，会影响到换热效率，直接的表现就是换热额阻力增大，具体增加数值可根据式1-1计算出来，具体增加为3 f (1-1) 式中：Rf污垢热阻； R总的传热热阻； 传热系数。换热设备的性能是由传热性能即传热系数而决定的。 f （1-2） 式中：K总的传热系数； 0 、i两面的传热膜系数； b筒体的壁厚； 筒体壁材料的热导率。 由以上可以看出污垢热阻对传热系数起到一定的影响，

21、降低生产效率。传热系数K越大，污垢对热量的传递能力降低，阻力也会变高，阻力变高传热效率就会降低。为了提高传热系数从而提高换热效率4，除了改变材料的导热率以外更需要降低传热热阻。在化工、电力及纺织等行业中，大多是以水为载体的热交换器，这种是最常见的，再加上中国自身水质的问题，有污垢出现是很正常的现象。这不仅导致换热设备的效率降低，还影响到设备的安全问题。换热设备结垢以后，换热面的传热性能变差，传热阻力变大，而燃烧所释放的热量不能迅速的传递到指定部位，影响传热效果，导致风机或泵的耗功率增加，污垢增加必然导致自动清洗设备的动力消耗增加。污垢造成燃料的浪费资源的浪费，不仅提高了成本还不符合国家建设新型

22、节能型社会的准则。与此同时，结构后构筑物的效果降低，甚至严重时会堵塞管道从而威胁设备的安全运行，水垢严重的企业有时会被迫停产。投资增加。由于污垢的导热率极低，当换热面上形成污垢，不仅使得流体与换热面之间能量传递的阻力增加还降低了设备的性能与寿命。为了补偿因为污垢导致换热效率的降低，必然会增加换热器，增加的换热器又会产生消耗等，必然会导致投资的增大；而为了避免换热器的更换过于频繁，必须要采取一些措施，一般会改变换热面的材料来减小腐蚀程度，而不容易腐蚀又附合条件的的材料价格都比较昂贵，这样防腐蚀的目的可以达到了，但是同样的对工厂所需要付出的资金也会提高，投资成本变高了，间接地使得效率降低。产量降低

23、。污垢的形成导致设备维修周期变短，而维修量却大大增加，致使产品的产量降低。加之设备在启动、停止期间，条件达不到规定的要求，还需要运行一段时才能够生产出合格的产品，可能造成产品的质量随之降低。总而言之，虽然换热器的污垢与日常生活中的无污染有共同的机制，但由于工业生产存在一定的温度梯度，致使换热面上污垢中类变得更加复杂，换热面的污染情况越来越复杂。而且，换热面上的污染严重起来十分的复杂，对换热器的危害也很严重，后果不能估量。值得一提的是，在污垢层刚开始形成时，换热器常常出现换热效率增强的现象，这一现象在上世纪已经被学者证实5，对于这一现象人们通常认为是由于污垢的形成导致表面粗糙度的变化造成的，而C

24、eylan等人实验结果表明，其对传热的增强并无有效6，这一现象仍是不解之谜，仍需要我们努力研究从而对这一现象加以理论解释。1.1.3污垢层的监测自从80年代开始，对污垢监测的技术取得了较大的发展。为了更好的对污垢提前做好准备工作，提前做好防除工作，通过对不同条件下污垢的数据记录，研制出了许许多多的对形成污垢的沉降物的监测方法。污垢的监测方法有很多，不过大体上来说，可以分为两大类：热量法、非热量传递这两种方法可以对污垢进行监测。热学法包括温差法和热阻表示法；另一种非热量传递的监测方法种类繁多，不同的人们的分类方法也不同，在这里就简单介绍几种，如：时间推移拍摄法、显微镜照相法、厚度测量法、放射性技

25、术检测法、电解法、化学法以及离子浓度差法。（1） 热学法 这里主要介绍无污垢热阻Rf法7。污垢热阻Rf法用来表征无构成计量的主要参数有：污垢层平均厚度£f、单位为表面积上的污垢质量mf和污垢热阻Rf。污垢热阻可以通过在无污垢时设备的传热系数与有污垢的传热系数之间测量而间接地测量出来。当然所测得的是设备的平均污垢热阻，如果需要测量局部的污垢热阻可以通过需要侧部位的筒壁温度和热通量测得。 （2）非传热量的污垢监测方法8,9 由于非传热量的污垢监测方法有许多种，在这里简单的介绍几种。厚度测量法：可以通过显微镜观测或者用装有移动探针上的测微计来测量污垢的厚度。利用污垢的导电率比一般金属要小的

26、特点来测定污垢层的厚度；放射性技术监测法：对实验前的微粒进行放射性标记，实验过程中可以通过加载在实验部位的辐射计数器来测得辐射的粒子数，从而测得微粒污垢在沉积过程中的增长;时间推移拍摄法：对于在设备表面的污垢沉积，用慢速摄像机将污垢的沉积过程拍摄下来，然后再以正常的速度播放出来，就可以在短时间内观测到污垢的沉积过程。1.2 除垢方法1.2.1 化学除垢 化学法除垢是根据污垢层不同的化学成分从而选择不同的酸性化学溶剂进行的溶解除垢。近几年来，为了解决一些典型的污垢种类，人们研发出了不同的种类的除垢化学药剂用来解决一些无法克服的污垢，并被广泛应用于管道除垢上。化学法相对于机械法的优点在于不需要离线

27、停机操作。但与此同时这种在线化学除垢有着一定的弊端，它要求连续注入化学试剂，而且在用料量方面没有一个定值，这就造成除垢效果不能得以保证。不仅对周围环境造成污染，甚至威胁到工人的健康。同时这种方法工艺复杂，对设备造成损害，成本相对提高。因此，还需要研制出更强的化学除垢剂。1.2.2高压水除垢 顾名思义，高压水喷射除垢就是利用泵产生高压经过喷嘴喷向污垢层，但这种清洗效果不是很理想，污垢层不能完全的清洗掉，与此同时还浪费了大量的水资源，清洗后污垢也不能及时的排出。1.2.3机械清洗 机械清洗是采用一些辅助清洗工具对其进行清洗。可以清除化学法不能够除去的一些碱性物质和碳化物，对钢材的消耗较小。但机械清

28、洗大多数需要将设备解体才能够清洗到，所以很多换热设备无法做到，很少被人接受。清洗过程时间较长，导致产量降低。它的好处在于操作简单、价格较低、且无污染等。1.2.4在线清洗在线清洗是指在设备运行的过程中进行清洗。不停机的清洗方法大概包括两大类：用机械运动来清洗和用化学药剂对污垢进行清洗的技术。1.2.5超声波除垢 利用超声波来防除污垢相对于其他的除垢方法来说，它的优点在于不需要让设备停下来进行除垢，不需要人为的太多操作可自动操作，省时省力又省钱，设备运行的过程中不会出现太大的问题，十分稳定，而且超声波防除垢不像化学药剂除垢那样会对环境造成污染，完全无污染运行，这也很符合现在社会提倡的绿色生产，同

29、时它运行只会消耗很小一部分电力就能偶达到目的。超声除垢技术已经被用于管道等设备，能很好的完成防止垢层生成与对现存的垢层进行除去10。 除垢方法的不同导致造成的结果不同，当然各有各的缺点和优势，我们将他们进行比较如下表1-1所示。表1-1 超声波除垢与现有除垢方法的比较除垢方法 优点 缺点反冲洗 操作简单便利、可靠安全，可不停机操作 只能冲洗掉表面松软污垢，不 停机操作。 彻底，容易产生的垢下腐蚀。除垢缓蚀剂 通过化学试剂吸附，抑制结晶成长及析 药剂及排污操作频繁，费用高 出，也可不停机操作。 腐蚀设备且除垢不完全。人工或机械 方便安全，无污染。 需停机处理，劳动量增大同时清洗 对设备有损伤，同

30、时除垢不彻 底，沉积物易腐蚀设备。高压水除垢 操作周期短，安全性高。 需停机处理，除垢不彻底，尤 其是内部，同时易腐蚀设备。电磁处理 不停机，不污染环境。 效果不明显，易失效，同样容 易使污垢下腐蚀设备。化学除垢 除垢彻底，对设备内进 需停机操作，周期较长，费用 性循环处理，效果好。 高，对设备造成腐蚀，且对环 境污染较大。超声波防 除垢彻底，操作简单，无污染 超声波空逝对设备造成影响，除垢 ，无需停机操作。 致使设备易引起金属疲劳。 由上表可以看出，超声波除垢设备对设备的防除垢起到重要的作用。各项指标都有所提高，消耗量明显的降低，对经济的平衡点十分有利11。1.3 超声波除垢在国内外研究现状

31、近些年来，科学技术发展的十分迅速，各个行业相关领域互相渗透，超声波清洗除垢技术发展的同样很快。已经在化工科学、医学事业、石油行业等众多领域得到广泛应用。以前只应用于机械制造业、电子业，而现在已经应用到轻工业、化工食品业、纺织技术业、原子能、核医学和服务等一系列行业。而清洗除垢的种类也从以前的机械零部件等发展到钟表、医用器械、精密级别的轴承、甚至集成电路、餐具等，种类繁多。超声波清洗除垢的对象也从原来单一的尘埃等普通污染物转变为氧化物质、血污、蛋白物、高聚合物质等特殊污染物。1.3.1 超声波防垢除垢在国内的应用目前，在中国已经有部分发电型企业使用防除垢设备，为了防止换热器因长时间工作而产生的污

32、垢，应用超声波除垢设备连续不间断的工作。2006年期间，有公司将超声波防除垢技术用在冷凝器机组上，经过长达一年的使用，最终统计得出其消耗量有显著地降低。在此之后进行停机检查发现污垢层有显著降低，阻垢率达到百分之九十以上，效果显著。与此同时，海拉尔热电厂的一组额定功率为12兆瓦的机组，在未安装除垢设备时，由于使用的循环水没有经过处理，循环水含盐量高，设备的结垢速度快，对设备的腐蚀较大而且传热效率较低。2007年安装了USP-900型超声波防除垢设备后，发现设备内没有新的污垢层出现，而且原有的污垢层也大多数都出现脱落现象。中国地区的部分机组在使用超声波防除垢设备后，各项消耗及经济效益计算数据如表1

33、-2.表1-2 国内使用超声波除垢设备的机组经济指标 各项经济效益计算机容量/MW 100 125 200 300 350 600 全国平均下来煤耗/ kw*h 411 383 375 349 329 315使用后发电量比率/ 4.2 3.8 3 2.5 2.2 2.1 降低煤耗比率/ 3.9 3.6 2.8 2.4 2.2 1.9降低煤耗/ kw*h 1640 1383 1070 831 785 600使用后煤耗/ kw*h 39668 36934 36488 34099 32203 30960年均发电小时/h 7000 7000 7000 7000 7000 7000 年省煤/T 1148

34、0 12101 14980 17450 19230 25200增加发电效益/万 574 605 749 873 962 1260某热电厂在一台25MW的机组上安装了KSD防除垢设备（A机组）12，而同样的一台25MW机组上没有安装（B机组）。同样两台机组上都装配了N+2000-2型凝汽器，设备在正常运转情况下应该将凝汽器的断的差调整在5之内。运转一段时间后，A机组的冷凝器的端差就变到了大概9，这就严重影响到设备的正常运行。造成端的差大的大部分原因是因为用于重复利用中的污泥污垢、微小的生物和溶在水中的碳酸类盐物质以及用于给提供热量的设备中存在的铁锈物质附着在冷凝器管的一侧形成水垢，造成传热阻力变

35、大，相同的穿热量在经过这一段时端差变大许多排出的气体温度升高，真空度却下降许多。而相同时间内，B机组正常运行并没有出现温度升高的现象。而KSD防除垢设备每台投资76万元，设备运行6个月节约的成本就可以回购该设备的全部费用。而KSD设备的设计使用寿命在10年以上，由此可以看出此设备的应用前景。针对鞍山市内企业换热器污垢的治理，采用超声波防除垢效果显著。切实的解决了多种类的换热器结垢问题，提高了换热效率，降低了能源的使用，同时将污染降到最低，给企业带来了巨大的经济效益13。中石化天津分公司烯烃部聚乙烯车间调温水换热器E-4007为板式换热器，该换热器将脱盐水用循环水从50左右冷却至38左右后循环使

36、用。该换热器在往年运行中，重复利用的水中不经含有循环带来的污垢物质还携带者大量的离子和一些微小的容易结垢的物质，每月运行4个月到6个月左右就会形成0.5到1.5mm左右的垢层。这些污垢层表面还易附着淤泥、微生物等杂质，使得换热板间距越来越小，循环的水量也从1700Nm3/h左右降低到1300Nm3/h，严重时会发生反应器内部树脂爆聚以及熔融现象。为保证生产，烯烃部聚乙烯装置于2009年7月检修时安装CMFG超声波防除垢装置，并于一个月后投入生产，一直运行到2012年2月，根据DCS运行记录和停机检查发现换热器板片表面洁净无污垢，部分呈现出金属原色。可见下图1-1,1-2。图1-1 2009年7

37、月检修E-4007照片（官板上结构严重）图1-2 2012年2月13日E-4007检修时打开照片（管板片清洁无垢部分部位呈金属自然色）四川久大制盐有限责任公司是我国目前较大型的岩盐卤水生产基地，位于自贡市荣县长山镇境内。由于管道及设备长期运送卤水导致结垢问题严重，换热设备及管道也大面积腐蚀严重，需要大量长期的更换。使用超声防除垢设备后，结垢速度明显下降，生产成本也明显的降低许多。超声波被用于管道内的污垢防除工作，这是因为超声波对环境的危害比其他的除垢方法要小很多，除垢效果却显而易见的耗，成本十分低除去购买设备时需花费一部分资金外，设备运行时的消耗几乎可以忽略不计。超声波对管道不会有腐蚀等副作用

38、，超声波防除垢仪器十分简单，操作简单易学，而且不需要连续操作，遥控即可控制。由于以上的诸多优点，被人们广泛接受并称之为“最高效的新技术”。1.3.2 超声波防除垢在国外的应用日本一家叫做营口田川的服装厂曾经利用超声波用于对生产设备中的除垢，工厂中有部分冷凝器用于冷却空气也安装了超声波设备，除此之外还应用到了板式换热器以及凝气器中。在这一系列应用超声波的换热设备中，通过一段时间的观察以及事后拆除发现，几乎没有出现结垢的现象，对增加传热系数的提高很明显，节约能源减少排出的污染物很明显。同样的情况出现在德国，工厂里对转油站的加热设备，由于长期使用导致加热设备内由很多无污垢。对于这种状况，工厂起初采用

39、机械方法除去污垢，效果缓慢不说，还使得清洗过后这加热设备供热的速度减慢了，耽误工厂正常运作。该站每年需要对加热装置内的加热管除垢3到4次，严重的影响到该站的正常安全生产。与此同时，由于设备筒体在高温下运行，造成自身损耗严重。即使采用物理等方法进行降温除垢处理，也不能抑制结垢。2008年5月，该站在2*、3*、4*以及热洗炉进出口分别安装超声波防除垢装置。热洗炉仍能够保持很好的温度及所需压力，除垢效果显著。具体比较可见表1-3。表1-3 Y转油站应用超声波防除垢装置效果对比序号 日期 火管温度/ 热洗炉出水温度/ 水量/m3h-1 1 20080320 102.1 60.2 19-24 2 20

40、080606 88.3 61 19-24 3 20080611 108 72 19-24 4 20080622 110 77 19-24 5 20081103 121 73 19-241.3.3 超声式防除垢的不足（1）噪声污染超声波的优势很明显，可是它同样存在一些不足之处，它在工作的时候会产生噪音污染，虽然在可以接受的范围里，可为了完善还是必须采取措施来降低影响，研究发现，提高超声波的频率，对降低噪音有明显的效果。但根据研究发现，噪音减少的同时会影响到超声波的空化效果，这就得不偿失了。工作效率降低是不能够接受的，所以研究发现假上隔音层会减小许多，但需要注意隔音层会是设备温度升高影响正常工作。

41、所以，这个问题还有待解决。（2）空化作用腐蚀设备在正常工作的时侯，不仅对污垢层产生空化效应同时对换热设备也会产生空化效应腐蚀，对换热设备的损耗提高，降低了设备的使用年限。对此，也可将换热设备换用耐腐蚀材料或者改变其结构来降低其腐蚀效果。（3）自身损耗 超声波防除垢设备自身元器件的损耗以及能源的消耗。对此，可采用先进的变换技术，降低损耗及开关过程中对设备的干扰。1.4 课题研究的背景及意义1.4.1 研究课题的背景近些年，随着科学技术的不断发展，能源问题已经成为人们目光聚集的问题所在，所以人们不断地探索希望能够解决这个问题，而超声波就是在这个大势所趋的情况下出现的，可谓为是顺应时代潮流，这项技术

42、的应用前景不可谓不理想，只是目前还有一些问题需要解决，相信这项技术不久的将来就会大范围的应用。超声波防除垢设备与传统的方法有着绝对的优势。超声波防除垢仪器十分简单，操作简单易学。而且不需要连续操作，遥控即可控制，不需要让设备停下来进行除垢，不需要人为的太多操作可自动操作，省时省力又省钱，设备运行的过程中不会出现太大的问题，十分稳定。并且超声波防除垢不像化学药剂除垢那样会对环境造成污染，完全无污染运行，这也很符合现在社会提倡的绿色生产。同时它运行只会消耗很小一部分电力就能偶达到目的。并在它还被应用在了石油化工、电力设备其他一系列工业当中去。而且超声波技术也被人们应用到日常生活当中，都有很好的发展

43、前景。而超声波除垢的性能更是应用的重点所在，有很大的发展空间。超声防除垢可清除的污垢中类十分广泛，相对于传统除垢方法来说，其除垢速度快，除垢效率高无残留物，复杂零件中各种盲孔、夹缝中的污垢都可以清除，这些工作都不会影响到设备的正常工作，而且对设备无论内外都不会造成伤害；与此同时，超声除垢技术减少了用水量。显示出其巨大的优越性，在各个行业中超声技术将会逐步取代传统除垢技术。1.4.2 课题研究的意义超声除垢的主要优势在于它不需要添加任何物质，这对设备保护及成本的节约来说是个巨大的发展前景。但目前这种技术还有很多问题需要去解决，人们正将目光汇聚于此，希望能够早日解决这些问题，所以这种技术只能应用于

44、部分的行业中，不能够大范围的投入使用。鉴于此，我打算通过大量的实验数据来研究超声除垢的原理，对除垢效果的主要影响因素以及其除垢效果，希望本论文能为工业生产提供可靠的理论依据和实验数据，以期能够为增加工业效率及社会效益出一份绵薄之力。1.4.3 本文的研究工作本文利用学校自主研发的超声式蒸发器做了大量的实验，通过对实验数据进行分析，主要研究以下几方面内容：1、研究了在相同的条件下超声波的功率密度对污垢除去能力的影响；2、研究了在相同条件下超声波的工作时长对污垢取出能力的关系；3、研究了流体温度对除垢效果的影响；4、研究了流体流量对除垢效果的影响；5、研究了在不同蒸发温度下的除垢效果。2 实验原理

45、2.1 传热原理2.1.1 自然循环原理 自然循环原理是指：在一个闭合的回路中，蒸发受热面内的工质，由于水在下降管中运动的过程中会和上升管中水汽二者的混合物运动过程中，两者密度不同造成会造成重位压力差，从而推动物料流动的现象。它的特点是蒸发器内的被蒸发溶液在不断流动的过程中被加热蒸发，直到溶液达到所需要的浓度。而自然循环起步较晚，人们对其固有的紊动机理使得对自然循环缺乏规律性认识，更不能像强迫循环那样整理出一套完整的计算方法和公式。自然循环在某些方面起到重要作用例如在核能工程中被广泛的应用14，自然循环是利用重位压差和密度差来驱动物料流动从而尽量克服其摩擦造成的阻力以及局部的阻力，从而完成整个

46、循环，达到换热蒸发的目的。自然循环的优势在于所需要的动力较小，操作简单维修方便。可是它的缺点在于不能够用来处理物料粘度较大的物料和特别容易结成污垢的物质，造成了它使用的局限性。2.1.2 中央循环管式蒸发器 这种中央循环管式蒸发器使用的时间相当长，可一说是鼻祖一般的存在，虽然使用时间长，但他目前仍还没有被淘汰，被应用在化学工业、轻工机械、环境保护等许多范围是十分广泛。它的加热室一般是由管直径大约为25mm-75mm，长度为1m-2m(长径比大约是20-40之间)的竖直的管所组成的，而在它的周围是由其他较细的管包围起来的。正常工作的时候，管束的受热面积在单位时间内换热量要大于较为粗的管，这样就会

47、是管束受热环境好于粗管内地，管束内汽化量较大，它内部液体持有的汽化量就较大，同样的物料量就会小一些，密度也会比粗的管小很多。由于两者之间存在密度的差距导致溶液在粗的管中向下运动而溶液在细的管中会向上运动，如此往复循环。由于这两者之间的不同，人们给他们的定义不同，粗的管叫做中央循环管或者下降液体管。而较为细的管被称为加热管或者沸管。一般情况下考虑到为了使它的循环作用较好，在设计的时候让中央循环管的横截面积时所有加热管横截面积的39%-99%左右。 结构如图2-1，设备最下方是加热室，内部是由其下方的加热室是由竖直的管组成的，在他们的中间有一根粗的管子。当管内的物料被加热从而沸腾时候，管束受热环境

48、好于粗管内地，管束内汽化量较大，它内部液体持有的汽化量就较大，同样的物料量就会小一些，密度也会比粗的管小很多。在这种密度差之下，液体从中央循环管内开始下降，在加热管里面的液体开始向上运动，和中央循环管的液体往复循环流动。这种无需外力的循环对提高传热系数有很大影响，在提高换热系数的同时，强化了蒸发作用。 1-外壳；2-加热是；3-中央循环管；4-蒸发室；5-除沫器 图2-1 中央循环管式蒸发器 中央循环管式蒸发器是它的由来是因为从以前的卧式加热室和蛇管型加热室引发得到的。在对老式的蒸发室改进的同时，它不但提高了物料在内部循环的性能，还使得它对热量的传递熊律得到提高。除此之外，它相对于老式的蒸发器

49、来说，结构简单了许多，又节约了很大一部分空间，制造起来也简易许多，所以目前为止还有许多厂家在使用，有“标准蒸发器”之称15。结构相对来说简易了许多，所以在实际情况下，它内部物料的循环速度一般控制在0.45m/s-0.55m/s以下；蒸发器内部的物料不停的在循环往复，而新的物料不断地被送进来，可内部的物料浓度还是在不断地接近浓缩液的浓度，如果处理的物料浓度过大会导致出现污垢，堵塞换热管的现象。一旦被堵塞住，由于其结构限制很难清除。中央循环管式蒸发器只能用于蒸发不容易出现污垢、不会析出大量的结晶和对设备几乎没有腐蚀的溶液。这种蒸发器的换热面积可达到几百百平方米，传热系数大约610w/(m.)-32

50、00w/(m.)。2.1.3 传热系数K 传热系数K值是指，在相对不变的情况下，在换热设备围护的结构两侧的空气温度差值为1度左右（摄氏度，K），在1秒内1平方米传热面积所能够传递的最大热量，单位是瓦/（平方米·度）。热量之间的传递出现在大自然的每一项活动中，同时它还与石油化工、食品科学、能源开发传递、制冷技术等息息相关。而随着社会不断地发展，人们为了提高生活水平，不断地想要提高能量、热量的利用率。尤其是上个世纪六十年代以来，能源的逐步减少使得人们对强化传热技术越来越重视16。能源是人类赖以生存的条件，支持着人类的各项生活社会活动。理所当然，能源是人们日益关注的问题也是当前的能源形势也

51、是刻不容缓和世界性难题，而近年来我国的能源问题尤为紧迫17。能源的消耗不仅严重影响我国的经济发展，还使环境承受着巨大压力。表2-1表明，我国对能源的利用率不但低于日、美、德国等发达国家，而且还低于印度、巴西等发展中国家18。表2-1 2002年世界上主要的国家的能源结构及对其利用率比较国家 能源消费总量（百万吨油当量，Mtoe） 能源利用效率（）中国 1036.5 36.81美国 2293.0 50.00日本 509.4 52.51德国 329.4 50.22印度 325.1 40.06俄罗斯 640.2 54.08澳大利亚 112.9 46.21巴西 177.5 62.26世界平均 9405

52、.0 50.32 由上表可以看出，我国的能源现状十分紧张。而减少能源消耗必须从提高能源利用率这方面着手。我国工业上的能源消耗主要是换热器传递能量时消耗的能量。所以，提升换热器对热量的传递性能即提升换热器的总体传热系数很重要的因素，而提高换热器传热系数的方法有许多，本研究从降低污垢热阻方面着手。 Q=K·A·T (2-1) Q=·· (2-2) 上述式中： Q总的能量 K传热系数 A传热面积 T温差 物料的密度 汽化潜热 二次蒸汽冷凝水的量由（2-1）、（2-2）可得， (2-3)公式（2-3）可用于对实验数据的处理及对传热系数的研究。 （2-4） hi换

53、热管管内部的传热系数，W/(m2·K) ; ho换热管管外部的传热系数，W/（m2·K）; Ri换热管管内总的污垢热阻，（m2·K）/W; R0换热管管外部总的污垢热阻，（m2·K）/W; RW换热管导热热阻，（m2·K）/W; 由公式可以看出，传热系数K与众多因素相关，为了提高能源的利用率，我们可以从降低管内外污垢热阻这方面入手，这就是本研究课题的关键所在。2.2 超声波防除垢技术原理超声波在物料中传播时，超声波可以使物料微粒产生受迫震动，从而使粒子之间相互作用。当物料中的粒子位移的速度在超声波作用下升高到一定速度时，物料中的粒子就会产生超声

54、凝聚效应、高速漩涡效应和剪切应力效应。而这些由超声波产生的效应会达到防除垢的目的。物料媒介中的超声波以及超声空化气泡在流动过程中与换热器表面发生摩擦、冲击。对物料进行强烈的干扰，造成对流过程中的热运输，能够显著增加物料和换热器表面的热交换。2.2.1 空化效应 空化效应是超声波能够防除垢的主要原因。物料中的微小气泡核在超声波作用下发生震动，当声压达到一定值时发生振荡、生长、收缩乃至崩溃的一系列动力学过程。空化气泡在超声的作用下经历超声的稀疏相和压缩相时，气泡经过多次周期振荡最终以高速崩裂。由于空化气泡的寿命极短（约0.1s）可产生高速（约110m/s）的微射流，、碰撞密度高达1.5kg/cm2

55、，产生高电流，并伴有强烈的冲击波。空化使气相反应温度达5000K左右,溶液反应温度达1900K左右，局部压力50MPa，温度变化率高达1.0×109K/S19。这样可使媒质在空化气泡内发生化学键破裂、水相燃烧或热分解，并可促进均相界面的扰动和相界面的更新，从而加速界面间的传质和传热过程。 物料中携带的微小杂质、溶于物料中的气体或者固体的周围都会发生超声波空化作用。物料中污垢微粒在空化作用中起到空化核的作用，而这些微粒又在空化作用下逐渐破碎、细化。超声波空化作用是这些污垢粒子发生改变，降低了彼此之间的亲和力。在超声波作用下，污垢只能析出粉末状的污垢微粒，不能结块结垢。2.2.2 活化效

56、应能量的传递是通过物料经过超生波物空化作用来传递的，使水分子裂解。而分解的氢氧根离子可以和污垢相互作用形成很多的配合物（CaoH+,MgoH+），而这些配合物可以增加对水的溶解能力，污垢在水中的含量得到提高。2.2.3 抑制效应由于超声波的存在导致物料的物理性质发生改变，污垢粒子成垢能力变差，污垢成核诱导期缩短，刺激微小的晶体核生成，这些晶核因为其争夺水中离子的能力很强导致晶体想在换热面成垢的几率变小。大大的减少了附着在换热面表面的成垢离子量，从而减少了污垢粒子的沉积速率。2.2.4 剪切效应超声波超声波在不同表面上吸收和传播的速度会有很大不同。当超声波辐射在换热器表面和污垢表面上时，由于两者的表面不同造成其速度不同，在污垢层和换热管换热面上形成相互作用的剪切力，这些剪切力对污垢产生作用使其逐渐变软，从而慢慢掉落。 超声波机械效应空化效应热效应 溶液主体 扩散层