張艾萍，張毅，謝媚娜，張帥

（東北電力大學能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012）

在現(xiàn)代工業(yè)中廣泛使用的管道、換熱器、蒸發(fā)設(shè)備等，總是在其與液體的接觸面產(chǎn)生結(jié)垢問題，這不僅影響設(shè)備使用效率使能源消耗增大，還影響安全生產(chǎn)。由于超聲波除垢有著安全、高效、無污染的特點，因此近年來日益受到人們的重視[1-4]。

Niemczewski[5]研究了介質(zhì)中所含的鹽類的種類和濃度的不同以及超聲波參數(shù)對超聲空化的影響?；世诼涞萚6]研究了超聲波功率和流體參數(shù)對超聲波除垢效果的影響。朱秀麗等[7]通過測量聲致發(fā)光強度，研究了溫度等因素與超聲空化之間的關(guān)系。目前，國內(nèi)外關(guān)于超聲波傳播特性及空化影響因素的研究主要集中在換熱介質(zhì)參數(shù)和超聲波參數(shù)方面，對于管型的幾何參數(shù)對超聲波傳播特性及空化影響的研究還較少。本文通過實驗選取幾種常見強化換熱管型，分別研究各種管型對超聲波傳播特性和空化的影響，為超聲波除垢應用提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

當超聲波在強化換熱管內(nèi)傳播時，會因為管道幾何結(jié)構(gòu)的變化使聲波發(fā)生反射和折射，導致聲波在傳播過程中發(fā)生衰減。聲波的反射和折射定律見式（1）、式（2）。

式中，c1和c2是聲波在媒質(zhì)1 和媒質(zhì)2 中的傳播速度，m/s；θi、θr、θt分別為入射角、反射角和折射角；k1和k2為媒質(zhì)1 和媒質(zhì)2 中的聲波波數(shù)。

當聲波在介質(zhì)中傳播時，聲波的能量會有部分被傳播介質(zhì)所吸收，并轉(zhuǎn)化為熱能、動能等，導致聲強降低，見式（3）、式（4）[8]。

式中，I 為聲強，W/cm；α為水的吸收系數(shù)；L為聲波在介質(zhì)中的直線傳播距離，m。

實驗中通過比較不同管型出口處的超聲波聲強值，分析超聲波在管內(nèi)傳播時的衰減強度，對超聲波在不同管型中的傳播特性進行比較。

超聲空化是指聲場中空泡的非線性振動以及空化泡破裂產(chǎn)生的二次沖擊波的組合。當介質(zhì)內(nèi)空化泡破滅時，產(chǎn)生的沖擊波會輻射連續(xù)噪聲。因此Frohly 等[9-10]認為當氣泡從穩(wěn)態(tài)振動變?yōu)樗矐B(tài)振動后，可用連續(xù)白噪聲譜的積分值大小來表示空化效應的強弱，見式（5）。

本文通過測量空化連續(xù)噪聲并積分，計算空化噪聲積分數(shù)。通過比較超聲波在不同管型中的空化噪聲積分數(shù)的大小來比較管內(nèi)超聲空化效果[11-12]。

1.2 實驗設(shè)備和方法

圖1 為由超聲波發(fā)生器、加熱水箱、聲強測量儀、熱電偶、循環(huán)水箱空冷塔等設(shè)備組成的超聲波實驗臺。超聲波發(fā)生器由電源控制，可產(chǎn)生固定頻率為20kHz 的超聲波。實驗中，加熱水箱通過與溫控儀連接的加熱管加熱水箱中的水來加熱循環(huán)水，本文所研究的溫度段為20～80℃。強化換熱管均采用不銹鋼304，直徑為25mm，長度為2m。

實驗前需先開啟超聲波換能器約5min，待超聲波功率與頻率穩(wěn)定后再開始實驗。實驗中通過調(diào)節(jié)溫控儀來控制加熱水箱中的溫度加熱管內(nèi)的循環(huán)水，當溫度達到實驗溫度后維持溫度穩(wěn)定不變。流速由進出口閥門調(diào)節(jié)，通過流量計進行測量。實驗中依次采用圓管、波紋管、螺紋管、橫紋管，使用數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)分別測量實驗段前后端的聲強波形圖、聲強值、空化噪聲積分值、溫度等參數(shù)。

圖1 超聲波試驗臺

2 實驗數(shù)據(jù)和分析

2.1 強化換熱管入口處聲強值

實驗過程中由于換熱管前測點與換能器之間有一段管程，導致超聲波在這段管道中傳播時會受到傳熱介質(zhì)的影響而造成衰減而使聲強發(fā)生改變，使實際入口處的聲強是變化的?？刂瞥暡üβ?200W、頻率20kHz 不變。將溫度由20℃升高到80℃，流速由0.2m/s 升高到0.5m/s，分別測量管道入口處的超聲波聲強。如圖2 為入口處聲強隨溫度和流速的變化曲線。

圖2 入口處聲強變化曲線

當超聲波在介質(zhì)中傳播時，影響超聲波傳播的因素不但有超聲波的參數(shù)還包括換熱介質(zhì)的參數(shù)。從圖2 中可以看出，入口處聲強隨溫度的升高先升高后下降，當溫度達到55℃左右時聲強達到最大值。這是由于當溫度較低時，隨溫度的升高水的黏 度下降，使超聲波傳播過程中的衰減作用減弱，有利于超聲波傳播。當溫度較高時，黏度隨溫度的變化較小，此時熱傳導吸收稱為衰減的主要原因。隨溫度升高，管內(nèi)介質(zhì)與外界的熱交換加強，而熱交換產(chǎn)生的壓縮和膨脹的變化會對超聲波的傳播產(chǎn)生影響，使超聲波的機械能在這個過程中轉(zhuǎn)換為熱能，這個過程稱之為熱傳導吸收。隨溫度的升高熱傳導吸收作用加強，導致超聲波衰減作用加強，傳播特性變差[13]。

換熱管入口處聲強隨流速的增加先減小后增大，當流速達到3.3m/s 左右時聲強的衰減最嚴重，入口處的聲強達到最小值。之后隨著流速的增加，入口處的聲強值又緩慢上升。由于隨換熱管道水的流速增大，管內(nèi)湍流強度增強，使空化閾值下降，有利于超聲空化的產(chǎn)生。但超聲空化產(chǎn)生的空化泡又會對超聲波傳播造成阻礙，使入口處聲強降低。而隨著流速的進一步增加，由于湍流強度增加引起空化閥值減小的同時又導致超聲空化所消耗的能量減小，使入口處的聲強增大。

2.2 強化換熱管型對超聲波傳播特性的影響

實驗過程中控制超聲波功率1200W、頻率20kHz 不變。將溫度由20℃升高到80℃，流速由0.2m/s 升高到0.5m/s，每隔5℃測一組數(shù)據(jù)。得到強化換熱管出口處超聲波聲強隨溫度和流速的變化曲線。

圖3～圖5 為實驗所用強化換熱管的幾何結(jié) 構(gòu)圖。

圖3 橫紋管

圖4 螺紋管

圖5 波紋管

橫紋管的幾何參數(shù)：φ1為25mm，φ2為21mm，L 為30mm，R 為0.5mm。螺紋管的幾何參數(shù)：φ1為25mm，L 為7mm，R 為0.5mm。波紋管的幾何參數(shù)：D 為25mm，d 為21mm，S 為30mm。

圖6 為4 種管型在55℃時出口處的聲強波形圖。從圖6 中可以看出，超聲波在圓管中的傳播特性明顯優(yōu)于其他管型，其次為橫紋管和螺紋管，在波紋管中傳播特性最差。

圖6 出口聲強波形圖

由超聲波聲強測量儀測量得到出口處超聲波聲強隨溫度和流速的變化曲線，見圖7。從圖7 可以看出，出口處的聲強與進口處聲強的變化趨勢基本相同，均是隨溫度的升高先升高后下降，當溫度 達到55℃左右時出口處的聲強達到最大值，隨著流速的增加先減小后增大。幾種管型之間相互比較發(fā)現(xiàn)：超聲波在圓管中的傳播性最好，其次為橫紋管和螺紋管，超聲波在螺紋管中的傳播特性最差。這是由于相比其他幾種管型，長度相同時波紋管有更多的管徑變化的管段，且管徑變化幅度更大，導致超聲波在波紋管內(nèi)傳播時，更容易發(fā)生折射，使超聲波的聲強發(fā)生衰減；同時由于截面變化導致管中流體湍流增強升高以及空間梯度發(fā)生改變，造成管內(nèi)超聲波的聲流驅(qū)動力降低[14-15]。

對于出口處的聲強與進口處的聲強比較，即圖2 與圖7 進行對比可知，超聲波在沿換熱管流動的方向有著明顯的衰減，即使在傳播特性最好的圓管中衰減也十分劇烈，達到3×102倍。因此對于使用超聲波除垢的換熱管，管道的長度不應過長，在沒有彎曲的情況下一般應控制在200～300m 以內(nèi)；而管道類型的選擇也應盡量采用管徑變化較小的圓管或橫紋管。

圖7 出口處聲強波動曲線

2.3 強化換熱管型對超生波空化效果的影響

實驗過程中控制超聲波功率1200W、頻率20kHz 不變。將溫度由20℃升高到80℃，流速由0.2m/s 升高到0.5m/s，每隔5℃測一組數(shù)據(jù)。測量出口處的空化噪聲積分數(shù)。圖8 為強化換熱管出口處超聲波聲強隨溫度和流速的變化曲線。

由圖8 可以看出，當溫度較低時，隨著溫度的升高，空化噪聲積分數(shù)逐漸增大，當超過某一臨界值之后，隨著液體溫度的升高反而減少。這是由于當溫度升高時會使液體黏滯系數(shù)G 下降，導致空化的閥值下降，能夠促進超聲空化[16-18]。但同時溫度的升高又會導致蒸汽壓上升，使空化強度降低，使空化噪聲減小。從圖8 中還可以看出，強化換熱管出口處聲強隨流速的升高先減小后增大。對比幾種管型可以看出，管型對超聲空化有著明顯的影響，在橫紋管中的空化噪聲積分數(shù)明顯大于其他幾種管 型，其次為圓管和螺紋管，波紋管出口處的空化噪聲積分數(shù)最低。在相同溫度和流速下，橫紋管出口處的空化噪聲積分數(shù)達到圓管與螺紋管的兩倍。這是因為在相同流速下橫紋管中的湍流強度要大于圓管。隨湍流強度的增加，會使超聲空化的閥值下降，有利于超聲空化，但同時空化閥值的下降，又會使空化強度降低，空化噪聲減小。因此，螺紋管和波紋管出口處的空化噪聲積分數(shù)比橫紋管小。

圖8 出口處空化噪聲積分數(shù)波動曲線

3 結(jié) 論

通過使用超聲波實驗臺，模擬工業(yè)常見的換熱器，分別采用圓管、波紋管、螺紋管、橫紋管，研究各種管型對超聲波除垢以及超聲空化的影響，得到以下結(jié)論。

在各種管型中，圓管最有利于超聲波的傳播，其次為橫紋管和螺紋管，在波紋管中的傳播特性 最差。

在橫紋管和螺紋管內(nèi)，由于湍流強度升高，更有利于超聲空化。在波紋管中，由于過高的湍流強度，反而抑制超聲空化。

管型的幾何參數(shù)對超聲波的傳播有著明顯的影響。相比于改變流體介質(zhì)的參數(shù)，管道的幾何參數(shù)對超聲空戶的影響更加明顯。

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