傅俊萍，石沛，何葉從，張玉珍，劉琦，梁昌勝

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410076）

當(dāng)今，熱交換設(shè)備中存在的結(jié)垢問(wèn)題不僅影響換熱效果，還增大了設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)及成本。超聲波除垢技術(shù)因其具有無(wú)污染、自動(dòng)化程度高、除垢效率高、成本低以及維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于電力、化工、石油、暖通等行業(yè)[1-9]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者[10-20]對(duì)影響超聲波除垢性能的因素進(jìn)行了大量研究，張艾萍等[10]研究了不同管型對(duì)超聲波除垢以及超聲空化的影響，認(rèn)為管型的幾何參數(shù)對(duì)超聲波除垢有明顯影響。余濤、傅俊萍等[11-12]通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)為，利用超聲波能夠防垢除垢與強(qiáng)化傳熱，適當(dāng)提高超聲波頻率、功率和反應(yīng)體系溫度有利于提高除垢效率。劉振等[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)超聲波除垢效果與管壁材質(zhì)、功率、頻率以及溶液pH值等有關(guān)，超聲波對(duì)銅管的抑垢效果比對(duì)不銹鋼管要好，功率越大，除垢效果越好。不同頻率的超聲波其阻垢機(jī)理不同，53kHz 超聲波除垢效果比85kHz 好，溶液偏酸性或偏堿性都會(huì)影響超聲波 作用。

已有研究由于實(shí)驗(yàn)條件各異，很難得到完全一致的結(jié)論，但可以得出的是超聲波的除垢性能受多種因素的影響。為進(jìn)一步研究超聲波頻率對(duì)除垢范圍及除垢效率的影響，本文選取了3 種不同的超聲波頻率，模擬碳酸鈣結(jié)垢環(huán)境設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)MATLAB 軟件模擬了超聲波聲場(chǎng)及聲強(qiáng)分布規(guī)律，進(jìn)而與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 實(shí)驗(yàn)方案

超聲波防除垢主要利用超聲波的超聲空化效應(yīng)達(dá)到除垢效果。超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)立即產(chǎn)生大量空化氣泡，這些氣泡由于壓力的急劇變化會(huì)迅速膨脹，突然破裂時(shí)將會(huì)產(chǎn)生局部短時(shí)高溫和高壓，這些能量足以破壞成垢的條件，使成垢雜質(zhì)被粉碎而懸浮在液體之中。同時(shí)氣泡破裂時(shí)在其周圍產(chǎn)生的強(qiáng)烈局部沖擊波及高速射流，能強(qiáng)烈地沖刷垢件表面，使水垢難以在其表面附著及長(zhǎng)大，還能對(duì)已存在的垢層起到清洗作用。此外，超聲波通過(guò)空化作用能促使水分子裂解，增大水的溶解能力，在溶液中形成大量的小沉淀顆粒，消除了溶液的過(guò)飽和度，從而緩解固體表面的成垢壓力。但并非超聲波在液體中產(chǎn)生的氣泡都能產(chǎn)生明顯的空化作用，只有當(dāng)空化泡的自然共振頻率與超聲波頻率相等時(shí)，超聲波與空化泡之間才能達(dá)到最有效的能量耦合。超聲波頻率較低時(shí)，空化泡少但直徑大，生長(zhǎng)、崩潰過(guò)程較明顯，空化核能在稀疏階段達(dá)到共振而發(fā)生強(qiáng)烈振蕩，瞬間崩潰，空化強(qiáng)度會(huì)更加強(qiáng)烈。高頻超聲波作用時(shí)，聲波膨脹相時(shí)間變短以致空化核來(lái)不及增長(zhǎng)到可產(chǎn)生空化的空化泡，使空化強(qiáng)度明顯減弱。

圖1 超聲波除垢實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1 所示，不銹鋼保溫水箱體積規(guī)格為500mm×500mm×500mm，實(shí)驗(yàn)采用的超聲 波發(fā)生器額定功率為1500W，頻率可控范圍為20～40kHz，精度為0.1kHz，為研究不同頻率超聲波對(duì)除垢性能的影響，實(shí)驗(yàn)分別取20kHz、28kHz、40kHz共3 種不同發(fā)生器頻率進(jìn)行研究。超聲波換能器半徑為30mm，并通過(guò)氬弧焊接和專用膠黏劑固定在保溫水箱一外側(cè)面中心處。超聲波發(fā)生器將電能轉(zhuǎn)化成與換能器相匹配的高頻交流電信號(hào)，通過(guò)專用導(dǎo)線傳遞給換能器，換能器將來(lái)自發(fā)生器的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為同頻率的機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。

本實(shí)驗(yàn)是在結(jié)垢溶液里利用超聲波抑除垢。當(dāng)水流速較低或相對(duì)靜止時(shí)，在其熱交換過(guò)程中，水中的一些鈣鎂鹽類受熱分解，或其溶解度達(dá)到過(guò)飽和，或者水中原溶解度較大的鹽類與其他鹽類、堿發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，都容易形成水垢。實(shí)際生產(chǎn)生活中，水垢成分較為復(fù)雜，為控制實(shí)驗(yàn)參量，本實(shí)驗(yàn)采用無(wú)水氯化鈣和碳酸鈉按摩爾比1∶1 比例配置碳酸鈣結(jié)垢溶液來(lái)模擬結(jié)垢環(huán)境，并利用溫控系統(tǒng)將溶液溫度控制在50℃。保溫水箱上放置支撐鐵網(wǎng)，以換能器所在外側(cè)面上邊中點(diǎn)為中心，在支撐鐵網(wǎng)上作一直徑為500mm 的半圓，從-90°到90°每隔15°從圓心作一條直線與半圓相交，在得到的13個(gè)相交點(diǎn)處懸掛結(jié)垢銅片，如圖2 所示。

2 結(jié)果與分析

超聲波除垢范圍即超聲波有效作用范圍，通過(guò)超聲波的有效輻射角度來(lái)體現(xiàn)，有效輻射角度越大，除垢范圍越廣，本文所研究的除垢范圍指超聲波除垢效率達(dá)到50%以上時(shí)的有效輻射角度。除垢是使溶液中已生成的碳酸鈣晶體逐漸脫落，并能起到防止再積水垢的作用。而抑垢是在水中對(duì)于已生成的碳酸鈣晶體起到分散作用，使晶體長(zhǎng)大緩慢，有效地抑制水垢產(chǎn)生。可見二者之間存在著一定的相似關(guān)系，除垢效率可用抑垢率來(lái)表示，抑垢率越大，除垢效果越好。抑垢率的計(jì)算公式為式（1）、式（2）。

圖2 結(jié)垢試件懸掛位置示意圖

式中，φ 為超聲波抑垢率，%；φ0為無(wú)超聲波作用的積垢量，g/(m2·h)；φn為有超聲波作用的積垢量，g/(m2·h)；M0為實(shí)驗(yàn)前銅片質(zhì)量，g；Mt為實(shí)驗(yàn)后銅片質(zhì)量，g；S 為銅片表面積，m2；t 為作用時(shí)間，h。

2.1 有無(wú)超聲波作用的對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證超聲波確實(shí)有除垢效果，進(jìn)行了無(wú)超聲波作用的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)取超聲波頻率為28kHz，經(jīng)過(guò)96h 的實(shí)驗(yàn)，得出各角度處銅片結(jié)垢情況，并與同等實(shí)驗(yàn)條件未加超聲波的情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖3 所示為兩種情況下各角度處試件的積垢情況。為研究有超聲波作用時(shí)不同位置角度處試件的除垢情況的差異，求出了各角度處的抑垢率，如圖4 所示。

圖3 有無(wú)超聲波作用時(shí)各角度處試件的積垢量

圖4 有超聲波作用時(shí)抑垢率隨角度變化情況

從圖3 可知，有超聲波作用時(shí)同位置的試件積垢量明顯比無(wú)超聲波作用時(shí)少，說(shuō)明超聲波確實(shí)具有除垢的功能。同時(shí)發(fā)現(xiàn)無(wú)超聲波作用時(shí)，各角度處試件積垢量相當(dāng)，說(shuō)明此時(shí)試件積垢量與其所處位置角度關(guān)聯(lián)不大。而有超聲波作用時(shí)，0°角處的試件積垢量最少，試件積垢量隨所處位置角度向兩邊輻射而增多，兩側(cè)的試件積垢量最多。從圖4 可以看出，換能器中心處的抑垢率最高，達(dá)到了86.67%，隨著角度向兩邊發(fā)散，抑垢率逐漸減小。在±90°附近達(dá)到最小，此時(shí)的抑垢率只有35%左右，不能達(dá)到理想除垢效果，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能與超聲波聲場(chǎng)及聲強(qiáng)分布規(guī)律有關(guān)，處在聲場(chǎng)稀疏區(qū)，聲強(qiáng)較弱，容易形成除垢死角。

2.2 不同頻率超聲波作用對(duì)除垢效果影響的實(shí)驗(yàn)及模擬

實(shí)驗(yàn)選取的超聲波頻率分別為20kHz、28kHz、40kHz，為綜合考慮頻率對(duì)除垢范圍和除垢效率的影響，將不同頻率超聲波作用下各角度處的抑垢率繪制在同一圖形上，如圖5 所示。

從圖5 可以看出，超聲波頻率不同，不同角度處試件的抑垢率不同，但均是0°角位置處的試件抑垢率最大。20kHz 超聲波作用下，各角度處試件均有除垢效果，抑垢率均維持在50%～60%之間，這是因?yàn)?0kHz 時(shí)，各角度處空化泡均勻，其生長(zhǎng)、崩潰過(guò)程明顯，空化強(qiáng)度較為強(qiáng)烈；頻率為28kHz時(shí)，范圍在-50°～50°區(qū)間的試件除垢效果較好，抑垢率在68%以上；頻率為40kHz 時(shí)處在-40°～40°之間區(qū)域的試件除垢效果較明顯，抑垢率最大達(dá)到了91.11%，而其他區(qū)域的抑垢率比28kHz 或20kHz 的抑垢率均低，抑垢率最小只有22%，導(dǎo)致這一區(qū)域除垢效果不理想?？梢缘贸觯暡l率越大，有效除垢范圍越窄，換能器中心區(qū)域的除垢效率越高。這是因?yàn)槌暡l率越大，空化泡形成、聲波壓縮相時(shí)間變短，使得空化泡來(lái)不及發(fā)生崩潰，空化強(qiáng)度明顯減弱，因而有效除垢范圍變窄；而且超聲波在換能器中心區(qū)域產(chǎn)生的能量最高，產(chǎn)生的空化泡數(shù)量較多，因而此處空化效應(yīng)最為明顯，除垢效果最好。

微課是一種新型的課堂教學(xué)模式，主要的物質(zhì)載體是視頻。當(dāng)教師進(jìn)行微課教學(xué)時(shí)，他們使用視頻記錄他們?cè)谡n堂內(nèi)外的教育活動(dòng)。微課程教學(xué)過(guò)程是在特定的知識(shí)點(diǎn)或教學(xué)環(huán)節(jié)下進(jìn)行的以課堂的授課內(nèi)容為核心的短視頻課程，教學(xué)設(shè)計(jì)、材料課件、實(shí)踐測(cè)試和與教學(xué)主題相關(guān)的學(xué)生反饋都是輔助教學(xué)資源，作為補(bǔ)充資料。與傳統(tǒng)的教學(xué)方法相比，微課教學(xué)方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而且是以傳統(tǒng)教學(xué)為基礎(chǔ)進(jìn)行革新變化而來(lái)的。

圖5 實(shí)驗(yàn)條件下不同頻率超聲波在各角度處試件的抑垢率

為進(jìn)一步驗(yàn)證分析不同頻率超聲波的聲場(chǎng)及聲強(qiáng)分布對(duì)除垢的影響，本文利用MATLAB 軟件進(jìn)行了編程模擬。本文研究的超聲波聲源為非點(diǎn)聲源，利用貝塞爾函數(shù)性質(zhì)得出的非點(diǎn)聲源輻射聲壓公式為式（3）。

式中，P 為非點(diǎn)聲源輻射聲壓，Pa；j 為單位向量；ρ0為媒質(zhì)的密度，kg/m3；ua為振源的振幅；R為超聲波換能器的半徑，m；r 為測(cè)點(diǎn)與換能器中心的距離，m；k 為波數(shù)，個(gè)；w 為聲波波動(dòng)角速度，r/s；t 為時(shí)間，s；J1(x)為一階貝塞爾函數(shù)；θ 為輻射聲壓與聲源表面的振動(dòng)速度之間的相位差。

超聲波的聲場(chǎng)分布指的是超聲波在媒介中的傳播和分布范圍，一般用聲源的指向性函數(shù)來(lái)表示。根據(jù)指向性函數(shù)性質(zhì)，當(dāng)x=0 時(shí)， J1( x )/ x= 1/2，從而可得到半徑為R 的圓形超聲波換能器的指向性函數(shù)D，如式（4）所示。

根據(jù)聲強(qiáng)的定義，聲強(qiáng)可以用單位時(shí)間內(nèi)、單位面積的聲波向前進(jìn)方向毗鄰的媒質(zhì)所作的功來(lái)表示，可得聲強(qiáng)I 公式為式（5）。

式中，C0為波速，m/s。

為便于編程，將式（5）中的角度θ 、波數(shù)k 及半徑R 以外的量視為恒量，令 K =ρ0c0ua/8r2，則簡(jiǎn)化后的聲強(qiáng)Γ 可表示為式（6）。

圖6 不同頻率超聲波的聲場(chǎng)分布模擬圖

圖7 不同頻率超聲波的聲強(qiáng)分布模擬圖

圖6 中用聲場(chǎng)的指向性函數(shù)來(lái)表示聲場(chǎng)分布，可知不同頻率超聲波均有明顯的指向性，且頻率越小，指向性越明顯。不同頻率超聲波的聲場(chǎng)分布隨角度的變化不盡相同，但在0°角（即換能器中心垂直方向）處，指向性函數(shù)值均最大，且主聲場(chǎng)在此區(qū)域附近最為集中。從圖7 可以看出，聲強(qiáng)的峰值均集中在0°角處，隨著角度向兩邊發(fā)散，聲強(qiáng)均減小，而且超聲波頻率越大，聲強(qiáng)的峰值越大，其中頻率為40kHz 時(shí)，換能器中心處聲強(qiáng)最大。

根據(jù)MATLAB 編程模擬得到的聲場(chǎng)及聲強(qiáng)分布規(guī)律對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，超聲波聲場(chǎng)及聲強(qiáng)分布規(guī)律分別與實(shí)驗(yàn)得出的除垢范圍及除垢效率表現(xiàn)出的規(guī)律相似，超聲波主聲場(chǎng)聚集區(qū)域分布越大，有效除垢范圍越大；超聲波聲強(qiáng)越強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)得到的除垢效率越高，且聲強(qiáng)峰值處的除垢效率最高。而不同頻率超聲波作用下的聲強(qiáng)模擬得到的圖形中，頻率為40kHz 的聲強(qiáng)峰值與頻率為28kHz 時(shí)相差很大，而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中兩者抑垢率卻相差不大，這可能與頻率為40kHz 時(shí)抑垢率達(dá)到飽和有關(guān)，當(dāng)聲強(qiáng)達(dá)到一定程度時(shí)，再增大聲強(qiáng)，對(duì)抑垢率的影響不大，甚至?xí)绊懗暡ǖ目栈饔?，產(chǎn)生大量空化泡，形成聲屏蔽，影響了超聲波的傳播。

3 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究與編程模擬得出以下結(jié)論。

（1）超聲波具有明顯的除垢作用，不同頻率超聲波，聲場(chǎng)及聲強(qiáng)分布不同，除垢范圍及除垢效率也不同。

（2）同一超聲波頻率下，換能器中心垂直方向0°角處除垢效率最高，隨著角度向兩邊發(fā)散，除垢效率逐漸降低。不同頻率下，頻率越高，換能器中心垂直方向處的除垢效率越高，其中頻率為40kHz時(shí)，此處的除垢效率最高，達(dá)91.11%。

（3）隨著頻率的增高，有效除垢范圍逐漸縮小，并向換能器中心垂直方向集中，其中發(fā)生器頻率為20kHz 時(shí)，有效除垢范圍最大。這也為實(shí)際工程中合理組合利用不同頻率超聲波的有效除垢范圍，盡可能地提高除垢效率，提供了參考依據(jù)。

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