[摘要]本文首先比較了工業(yè)生產應用中常用的幾種不同的清垢方法，并對超聲波防垢器的防垢機理、原理結構進行了分析和介紹，最后通過各種詳實的使用案例資料，有效地證實了超聲波防垢器在不同環(huán)境和用途中的防除結垢效果，其推廣價值在環(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，換熱傳熱設備、蒸發(fā)冷卻設備及金屬管道內的結垢問題，一直長期困擾著這些企業(yè)的生產和效益。對此，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，清垢效果時好時壞；涂料法對涂料工藝要求高且價格昂貴，若達不到工藝要求，會造成涂料脫落，起不到防垢作用；而后三種方法因成本高或實施困難，因此不能有效地解決實際問題。離線停工清垢常常是在計劃外停工、裝置局部停工或各設備切換條件下進行，而傳統(tǒng)采用的各種手段，如高壓水噴射（機械清垢法）和化學清洗劑（化學清垢法）等，也只是治標不治本，不但給生產造成了影響，同時會增加計劃外費用、磨損腐蝕設備、污染區(qū)域環(huán)境、損害工人健康等。
        目前，與傳統(tǒng)清垢方法有著本質區(qū)別的超聲波防垢器，因具有在線連續(xù)工作、自動化程度高、工作性能可靠、無環(huán)境污染、運行費用低等特點，已廣泛用于眾多行業(yè)的設備及管道中的防垢和除垢。
        2超聲波防垢器的防垢機理
        超聲波防垢器主要是利用超聲波強聲場處理流體，使流體中成垢物質在超聲場作用下，其物理形態(tài)和化學性能發(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。超聲波的防垢機理主要表現(xiàn)在：
        （1）"空化"效應
        超聲波的輻射能對被處理液體介質直接產生大量的空穴和氣泡，也就是把液體拉裂而形成無數極微小的局部空穴，當這些空穴和氣泡破裂或互相擠壓時，產生一定范圍的強大的壓力峰，這一強壓力峰能使成垢物質粉碎懸浮于液體介質中，并使已生成的垢層破碎使其易于脫落。根據理論和實踐測算，用20KHz、50W/cm2的超聲波對1cm3液體輻射時，其發(fā)生空化事件的氣泡數為5×104/s，局部增壓峰值可達數百甚至上千大氣壓。
        （2）"活化"效應
        超聲波在液體介質中通過空化作用，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，使其溶垢能力相對提高。也就是說，超聲波能提高流動液體和成垢物質的活性，增大被水分子包裹著的成垢物質微晶核的釋放，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
        水分子裂解產生的活性H自由基的壽命比較長，它進入管道后將產生還原作用，可以使生成的積垢剝落下來。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，產生速度差，形成垢層與管壁界面上的相對剪切力，從而導致垢層產生疲勞而松脫。
        （4）"抑制"效應
        通過超聲波的作用，改變了液體主體的物理化學性質，縮短了成垢物質的成核誘導期，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，有很強的爭奪水中離子的能力，能抑制離子在壁面處的成核和長大，讓既定結構的晶粒長大，因此減少了粘附于換熱面上成垢離子的數量，從而也就減小了積垢的沉積速率。實驗研究表明，當液體的過飽和系數一定時，在同一超聲波參數下，超聲波作用時間越長，則成垢物質的成核誘導期越短。
        此外，超聲波輻射壓力、聲學毛細管現(xiàn)象、科努瓦諾夫效應和聲流對積垢生成也有直接的防除效應。
        3超聲波防垢器的原理結構
        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交流電經濾波、整流、電源激勵波形控制等幾個部分，產生20～30KHz的功率信號，經電纜傳輸到超聲波換能器，換能器內采用居里點較高、換能效率高的壓電材料，由換能器實現(xiàn)電、機、聲的轉換而發(fā)出超聲波，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)工作，且超聲波的輸出功率可根據不同的工況需求而進行無級調節(jié)。其工作原理如圖1。
        （2）換能器的一般結構
        換能器按其超聲波的發(fā)射方向相對于被處理液體介質的流動方向可分為：軸向發(fā)射結構和徑向發(fā)射結構，其結構示意圖分別如圖2、3所示。
        在軸向發(fā)射結構中，因其壓電材料隨結構外殼直接處于被處理液體介質的環(huán)境溫度中，因此僅適用于液體介質溫度在80℃以下的工況條件。增加總裝機功率的一般方式有：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的設備裝置中。
        在徑向發(fā)射結構中，因其壓電材料隨結構外殼處于被處理液體介質的外部，因此，若附加上換能器的冷卻系統(tǒng)裝置，該結構可適用于液體介質溫度高達360℃左右的工況條件。
        4超聲波防垢器的應用案例
        超聲波防垢器除了大量應用在防止和清除水質結垢的管線中，另外在流體物料結垢的管線中也取得了成功的應用，有的甚至還應用在流體物料溫度高達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，作為本文應用案例的引用資料，從而驗證超聲波防垢器的防除結垢效果。
        （1）用于化工廠的冷卻器水質結垢
        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)水雜質較多，造成高壓裝置的冷卻器走水管道內壁附著較多的水垢，嚴重影響冷卻效果，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量及部分設備的安全運轉。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TC-4-10型超聲波防垢器，使用后不僅減少了走水管道內壁的水垢，而且一線的單位產量還有所提高。表1為該車間使用超聲波防垢器前后三個月的生產情況（產品牌號為112A-1）對比。
        表1：超聲波防垢器使用前后對比
        使用情況
        （N/Y）日期
        （y.m）產量
        （t）累積時間
        （h）單位產量
        （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)罐糖漿結垢
        內蒙古赤峰糖廠因原用輪洗罐和高壓清洗機一直未能從根本上解決一至四效蒸發(fā)罐的積垢問題，后又輔以使用"8501"防垢劑，雖然防垢劑對一、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℃），積垢問題卻更為嚴重，生產成本也大大增加。通過使用TC-2-10型超聲波防垢器后，一至四效蒸發(fā)罐連續(xù)工作一個榨期（120d）無積垢生成，并且停止使用了"8501"防垢劑。整個榨期由于蒸發(fā)罐無積垢使蒸發(fā)效率始終處于最佳狀態(tài)，未發(fā)生過去因蒸發(fā)罐積垢而輪洗蒸發(fā)罐，還克服了蒸發(fā)效率鋸齒狀波動的不良影響。主要表現(xiàn)為：蒸發(fā)糖漿錘度合格率比原來提高12%；因蒸發(fā)效率得到改善，用正汽壓力比原來平均降低0.02Mpa，減少了"高溫汽"對糖漿色值、純度、PH值的影響；因減少了部分正汽耗用量，每百噸甜菜耗標煤比原來下降0.21t；節(jié)約了輪洗蒸發(fā)罐、"8501"防垢劑等大量費用的支出。
        （3）用于煉油廠的換熱器重油結垢
        金陵石化南京煉油廠重油催化車間的兩臺油漿換熱器（E206、E207）因換熱溫度高（油溫為360℃），油漿成份復雜，其管程結垢非常嚴重，經常需要六個月左右的時間就停機切換工作。原來采用高壓射流清除管程油垢，每次切換清洗一臺換熱器需耗時3～5d，耗資20萬元左右，除了直接影響生產和經濟效益外，同時還造成因每次清出的油垢和污水而嚴重污染環(huán)境。自從2001年5月份在油漿換熱器E206管線上，安裝了一套為此進行專門特殊設計和制造的ExTC-6-20型超聲波防垢器后，設備至今還未下線進行切換清洗，使該設備的清洗間隔和維護保養(yǎng)周期延長了3倍以上，同時對換熱系數K值提高了8%左右，節(jié)約資金80多萬元。
        5結語
        據現(xiàn)場使用情況和研究結果表明，超聲波功率一定時，頻率低、作用時間長，防垢效果較好；超聲波頻率一定時，功率大、作用時間長，防垢效果較好。同時，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（即傳輸電纜長度）、原已生成積垢的程度等因素有很大的關系。總之，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。
        參考文獻
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