超聲波除垢技術(shù)的原理、特點以及應(yīng)用
作者：王寧波 來源：儀器網(wǎng)發(fā)布于：2023-09-23 10:03:05 瀏覽量：0
工業(yè)過程中，由于金屬腐蝕、無機鹽結(jié)晶、有機物質(zhì)聚合、固體顆粒沉積等原因造成的設(shè)備、管路內(nèi)部結(jié)垢在所難免。污垢的產(chǎn)生和積累，可能導(dǎo)致管路堵塞、設(shè)備腐蝕加劇、換熱效率降低等許多問題。
除垢已成為某些企業(yè)保證安全、穩(wěn)定生產(chǎn)亟待解決的難題。傳統(tǒng)的除垢(如機械清洗、化學(xué)清洗)方法，因其對生產(chǎn)過程和時間的影響及相對較大的工作勞動強度，使它們的應(yīng)用受到一定限制。采用超聲波進行除垢。是近年來發(fā)展迅速的一種技術(shù)。
超聲波
是指頻率高于20kHz的機械波，它具有傳播方向性好、穿透力強、在固體和液體中傳播衰減小等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于化學(xué)、化工、機械、醫(yī)療、環(huán)保、計量檢測等諸多行業(yè)。超聲波阻垢與除垢技術(shù)實現(xiàn)了阻垢與除垢的連續(xù)在線操作，自動化程度高，工作性能可靠，不需要化學(xué)藥劑，對環(huán)境無污染，具有良好的應(yīng)用前景。
一、超聲波除垢的原理
我們知道，當(dāng)物體振動時會發(fā)出聲音?？茖W(xué)家們將每秒鐘振動的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l率為20～20000赫茲。當(dāng)聲波的振動頻率大于20000赫茲或小于20赫茲時，我們便聽不見了。
我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。超聲波除垢防垢設(shè)備主要是利用超聲波的空化效應(yīng)、活化效應(yīng)、剪切效應(yīng)、擬制效應(yīng)，使用強聲場處理流體，讓流體中成垢物質(zhì)在超聲場作用下，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。
1、空化效應(yīng)：
超聲波振動在液體中傳播的音波壓強達到一個大氣壓時，其功率密度為0.35W/cm2，這時超聲波的音波壓強峰值就可達到真空或負(fù)壓，但實際上無負(fù)壓存在，因此在液體中產(chǎn)生一個很大的壓力，將液體分子拉裂成空洞一空化核。此空洞非常接近真空，它在超聲波壓強反向達到Z大時破裂，由于破裂而產(chǎn)生的強烈沖擊將物體表面的污垢撞擊下來。這種由無數(shù)細(xì)小的空化氣泡破裂而產(chǎn)生的沖擊波現(xiàn)象稱為“空化”現(xiàn)象。
2、活化效應(yīng)：
超聲波在液體中通過“空化”作用，可以使水分子裂解為H·自由基OH·自由基。而OH·自由基與積垢物質(zhì)離子可以形成諸如氫氧化鈣、氫氧化鎂等的配合物，從而增加水的溶解能力，使其溶解積垢的能力相對提高，也就是說，超聲波能提高流動液體和積垢物質(zhì)的活性，使積垢物質(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)：
當(dāng)超聲波由結(jié)垢換熱器金屬外表面向里傳播時，即會引起金屬換熱界面上的垢質(zhì)隨金屬振動，但由于垢質(zhì)和金屬的性態(tài)和彈性阻抗不同，垢質(zhì)與金屬會在換熱界面上形成剪切應(yīng)力作用。作用導(dǎo)致界面上的垢質(zhì)層疲勞、裂紋、破碎而脫落，這就是剪切效應(yīng)。
4、抑制效應(yīng)：
超聲波
通過的作用改變液體主體的物理化學(xué)性質(zhì)，能抑制水中離子在壁面處的成核和長大。因此，減少粘附于換熱面上成垢離子的數(shù)量。實踐研究證明，超聲波作用時間越長防止成垢物質(zhì)結(jié)垢效果越佳?？傊?，水在超聲波作用下，當(dāng)超聲波能量足夠大時，即“功率超聲”能夠在常溫、常壓的環(huán)境條件下，使傳導(dǎo)介質(zhì)中產(chǎn)生短促的，局部的，極大的高溫、高壓、強電場的極端物理環(huán)境，液體會產(chǎn)生所謂的“聲空化效應(yīng)”從而引發(fā)許多力學(xué)、物理、化學(xué)、生物等效應(yīng)，達到液體中防垢、除垢目的。
二、超聲波除垢的特點
1、除垢防垢同步：設(shè)備除垢、防垢同步進行，有垢除垢，無垢防垢，長期防垢。
2、除垢和防垢效果明顯，使換熱器設(shè)備始終保持在最佳狀態(tài)下運行，減少了企業(yè)的能源損失，提高了設(shè)備運行的經(jīng)濟和安全性。
3、清潔環(huán)保：除垢、防垢全過程中不需要使用任何化學(xué)藥劑，無腐蝕、無干擾、無污染，無輻射，對環(huán)境無污染，對操作人員及換熱設(shè)備無損害。
4、實現(xiàn)了在線防垢和除垢，不需要停產(chǎn)進行化學(xué)清洗和用其他笨拙的方法除垢，節(jié)省了大量的資金;減少了設(shè)備腐蝕及停產(chǎn)造成的經(jīng)濟損失。
5、超聲波防垢和除垢裝置體積小，重量輕，使用壽命長，免維護程度高，安裝簡便，不需要改變和破壞換熱器及管道結(jié)構(gòu)。
6、耗用功率小，每小時耗電不超過0.2度，運行費用極低。
三、超聲波除垢技術(shù)的應(yīng)用
1、換熱系統(tǒng)
換熱系統(tǒng)中的結(jié)垢問題相對其他工業(yè)過程是Z突出的。換熱器結(jié)垢所引起的投資、運行和維修費用十分巨大。在換熱系統(tǒng)的超聲波阻垢和除垢方面，國外有較多的應(yīng)用報道。
20世紀(jì)80年代.印度已經(jīng)采用超聲波技術(shù)來防止化肥、磷酸生產(chǎn)濃縮階段換熱器的結(jié)垢。同一時期，在硫酸鈉的生產(chǎn)中，前蘇聯(lián)也開始采用超聲波來阻止換熱器表面的結(jié)垢，并發(fā)現(xiàn)超聲波的振幅對阻垢起著至關(guān)重要的作用，超聲波振幅一般應(yīng)大于2μm。
近些年來，超聲波阻垢技術(shù)在國內(nèi)換熱系統(tǒng)中的應(yīng)用逐漸增加。采用超聲波與臭氧聯(lián)合處理技術(shù)對冷卻水系統(tǒng)進行了處理，結(jié)果表明超聲波具有控制污垢增長的效果。將超聲波阻垢技術(shù)應(yīng)用于萊鋼集團公司的濁水冷卻循環(huán)系統(tǒng)中后，水冷電纜和變壓器冷卻器不再需要進行定期的化學(xué)清洗除垢，從而延長了水泵和爐體水冷件的使用壽命，降低了電爐的停機時間。
應(yīng)用結(jié)果表明，超聲波設(shè)備完全能夠滿足在線運行的工況要求，殼程介質(zhì)進出口溫差提高了3～5℃。在除垢器連續(xù)運行的6個月內(nèi)，油漿循環(huán)系統(tǒng)暢通無阻。
2、采油系統(tǒng)
在石油開采中，隨著溫度、壓力的下降，地層水中的各種成垢鹽將在井底的設(shè)備和管線內(nèi)發(fā)生沉積。油井的結(jié)垢會影響油井的產(chǎn)量.嚴(yán)重的甚至堵塞管線，使井底泵不能輸油。據(jù)報導(dǎo)，經(jīng)過超聲波阻垢處理的油井產(chǎn)量可提高40%-50%，成功率達80%以上。
美國和前蘇聯(lián)，均有采用超聲波對油井進行阻垢處理的先例，效果良好。
美國曾在德克薩斯州9個獨立的產(chǎn)油區(qū)，對240km范圍內(nèi)的21口油井進行了超聲波處理，顯著提高了這些油井產(chǎn)量，投資效益比達到1：7.75。
前蘇聯(lián)在曼格什拉克、西西伯利亞、格魯吉亞等油田采用頻率12-80kHz、聲強為1-2W/cm2的超聲波對18口油井進行了處理，每日可凈增產(chǎn)原油202t，平均增油率為73%。
在國內(nèi)，對長距離輸液管線進行了超聲波處理。由于油水混合液中水的礦化度極高，達到6000mg/L以上。處理前更換管線時發(fā)現(xiàn)垢厚已達2cm，經(jīng)超聲波處理一個月以后，壓力穩(wěn)定在2.36MPa，加熱爐、多孔濾板、輸液泵均無明顯的結(jié)垢現(xiàn)象。
3、鍋爐系統(tǒng)
鍋爐系統(tǒng)的阻垢與除垢一般以投加化學(xué)藥劑和化學(xué)清洗為主。作為一種新型的阻垢與除垢技術(shù)，近年來超聲波處理也逐漸被引入鍋爐系統(tǒng)中。
Z近，國外報道了利用脈沖超聲波防止低壓蒸汽鍋爐和常壓鍋爐結(jié)垢的方法，并指出選擇合適的超聲波場參數(shù)，可以有效地防止鍋爐結(jié)垢，而且超聲波阻垢在環(huán)境和經(jīng)濟性方面都是有利的，應(yīng)該推薦作為一種工業(yè)水處理的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。
超聲波
國內(nèi)也研究了水處理器對蒸汽供暖鍋爐的除垢性能。在對西安公路交通大學(xué)學(xué)生區(qū)兩個鍋爐房蒸汽鍋爐的在線和靜態(tài)除垢處理中，較好地清除了鍋內(nèi)的老垢，說明超聲波設(shè)備在動態(tài)和靜態(tài)條件下均可以代替酸洗，達到保護環(huán)境的目的。
4、蒸發(fā)系統(tǒng)
在工業(yè)生產(chǎn)過程中，蒸發(fā)器的結(jié)垢也較為常見。國內(nèi)外均有不少關(guān)于超聲波阻垢和除垢技術(shù)在蒸發(fā)系統(tǒng)中應(yīng)用的報導(dǎo)，其中以用于制糖工業(yè)的蒸發(fā)過程居多。
華南理工大學(xué)對陣列式超聲波用于減少制糖過程蒸發(fā)器結(jié)垢進行了深入的研究，研究結(jié)果表明，垢層的生成速度大大降低，而且蒸發(fā)器的換熱速率也得到顯著提高，不僅節(jié)約了能源，還延長了設(shè)備的使用壽命，解決了蒸發(fā)罐結(jié)垢的老大難問題。
將超聲波技術(shù)應(yīng)用于造紙工業(yè)廢液蒸發(fā)器的積垢控制，也顯著提高了廢液蒸發(fā)器的蒸發(fā)強度和傳熱系數(shù)，從而提高了設(shè)備的生產(chǎn)能力。同時，超聲波阻垢與除垢技術(shù)在真空制鹽生產(chǎn)中逐漸展現(xiàn)相互應(yīng)用前景，這說明超聲波技術(shù)在蒸發(fā)系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍還將得到不斷的擴大。
超聲波除垢具有能耗低、無污染等特點，是一項安全、節(jié)能、符合國家環(huán)保政策的新技術(shù)，是一項很有前途的處理換熱器結(jié)垢問題的新技術(shù)?？杀Ｕ仙a(chǎn)和設(shè)備的安全運行。
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