龔發(fā)云， 郭衛(wèi)林， 湯　亮， 葉方平， 王　亮

(湖北工業(yè)大學機械工程學院， 湖北 武漢 430068)

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超聲波在線防除垢實驗研究

龔發(fā)云， 郭衛(wèi)林， 湯亮， 葉方平， 王亮

(湖北工業(yè)大學機械工程學院， 湖北 武漢 430068)

[摘要]結合生產實際情況建立實驗平臺，研究超聲波防除垢裝置的在線清洗效果。通過在蒸發(fā)器上實時監(jiān)測煙草提取液的一系列物性參數以及產品質量的變化情況，獲得安裝超聲波防除垢裝置前后相應的實驗數據。實驗結果表明，安裝超聲波防除垢裝置后，提取液的各項參數較之前有明顯變化，平均濃縮效率提升約為32%，說明該裝置達到在線防除垢目的。

[關鍵詞]超聲波防除垢； 物性參數； 濃縮效率

換熱設備管道內的積垢問題不僅會導致換熱器傳熱性能下降、增大動力設備的能耗，而且會降低產品質量，增加生產投資及設備維護成本。傳統的機械除垢、化學清洗等方法治標不治本，易腐蝕設備，并且會對環(huán)境造成二次污染。近年來，新興的超聲波管道防除垢技術由于其環(huán)保、效果佳、低成本、無腐蝕、質量高、裝置簡單等優(yōu)點，成為研究的熱門[1]。孟陶[2]研究了在準靜態(tài)下超聲波作用能加快溶液中碳酸鈣初級晶核生成速度,使溶液硬度降低,電導率減小。傅俊萍[3]通過實驗發(fā)現，超聲波頻率固定為28 kHz，功率在200 W以下時具有抑垢效應，而功率超過200 W則具有除垢效應。譚延坤[4]研究了換熱管中的污水在不同流速和粘度下的結垢規(guī)律。張愛萍[5]研究了超聲波頻率及功率恒定的條件下超聲波聲強隨溫度變化的規(guī)律。本文在實際工況條件下，實時記錄煙草提取液的一系列物性參數及濃縮效率的變化情況，探討超聲波防除垢裝置在蒸發(fā)器中的在線防、除垢效果。

1超聲波防、除垢作用機理

超聲波通過在介質中傳播使介質質點產生高頻機械振動從而產生巨大能量，具有方向性好、穿透力強、能量易于集中等優(yōu)點。超聲波防垢除垢主要通過超聲波強聲場來處理流體，使流體在超聲場作用下，產生空化效應、活化效應、剪切效應、抑制效應[6]。液體介質在空化作用下能產生接近真空或含少量氣體的空穴和氣泡，它們破裂或相互擠壓時會產生強大的壓力峰，這一強大壓力峰能夠破壞垢質的附著環(huán)境，阻礙垢質在換熱管壁上聚集成垢，產生防垢作用?；罨芴岣咭后w的活性，破壞結垢物質的分子特性，使結垢物質不能大面積沉積，從而不能在管壁上形成硬垢。剪切效應形成的相對剪切力能使垢層疲勞、松脫、脫落，以此達到超聲波除垢的目的。因此超聲波以其集防垢、除垢于一身的優(yōu)點，可在煙草提取液蒸發(fā)器等設備中廣泛使用。超聲波防除垢原理如圖1所示。

圖 1　超聲波防除垢原理示意圖

2實驗分析

2.1實驗裝置

本實驗采用兩臺相同型號的的煙草雙效蒸發(fā)器(SX2500-D)。1臺安裝了超聲波防除垢裝置(記為1號蒸發(fā)器)，1臺未安裝(記為2號蒸發(fā)器)。超聲波發(fā)生器頻率均為20 kHz,頻率在一定范圍內可調。按以往經驗，未安裝超聲波防除垢裝置的蒸發(fā)器每3 d停機除垢一次，因此通過定時且同時記錄一個周期(3 d)內，7組實驗中提取液的一系列物性參數隨時間的變化情況及產量輸出，分析對比兩臺蒸發(fā)器的濃縮效率。

2.2實驗流程

提取液濃縮工藝流程：提取液從儲存罐中出液進入到加熱室，在加熱蒸汽的作用下進入到氣液分離器，一部分原液回流至加熱室，剩余氣體被回收用于二次蒸汽，最后排出的即為完成液(圖2)。

圖 2　提取液濃縮工藝流程圖

3實驗數據及分析

3.1提取液溫度的變化情況

由圖3可見，加熱室中的提取液在加熱蒸汽的作用下溫度從50℃左右逐漸提高并穩(wěn)定在70℃左右。每組實驗的溫度在初始的數小時內增幅較為明顯，并逐漸趨于穩(wěn)定。提取液的溫度不僅受加熱蒸汽的影響還局限于蒸發(fā)器的工況條件，總體上，蒸發(fā)器的真空負壓維持在0.055～0.065 MPa，系統溫度與蒸發(fā)器的真空負壓相對應，這也是每組實驗最后溫度波動不大的原因。

圖 3　提取液溫度隨時間變化情況

圖3中超聲波作用下的1號蒸發(fā)器溫度一直略高于2號蒸發(fā)器，可能是液體介質在超聲波作用下能產生空化效應，并在一定范圍內產生高壓沖擊波和高速射流，使局部區(qū)域溫度驟升，這也間接提高了液體介質的溫度，并且能夠阻礙污垢的附著，強化了加熱管壁的傳熱能力。因此可以看出超聲波作用下的1號蒸發(fā)器換熱效果較為明顯。

3.2提取液波美度以及固含量的變化情況

圖4表示提取液波美度隨時間變化的情況。每組提取液的波美度均由進液時的5 °Bé左右持續(xù)上升至出液時的25 °Bé左右，并呈持續(xù)上升趨勢。與2號蒸發(fā)器相比，1號蒸發(fā)器每組波美度一直較高。圖5為提取液固含量隨時間的變化情況，每組提取液固含量均由進液時的10%持續(xù)上升至出液時的45%左右，1號蒸發(fā)器每組固含量均略高于2號蒸發(fā)器。

圖 4　提取液波美度隨時間變化情況

圖 5　提取液固含量隨時間變化情況

對比圖4、圖5可以發(fā)現，提取液固含量的曲線走勢與波美度一致。這是因為隨著時間的推移，提取液受熱揮發(fā)出一部分水蒸氣，因此每組提取液的波美度以及固含量整體呈上升趨勢。從兩圖中還可發(fā)現，1號蒸發(fā)器每組的提取液波美度及固含量數值高于2號蒸發(fā)器。這是因為在蒸發(fā)器濃縮過程中，加熱室換熱管壁逐漸累積了成垢物質，降低了加熱蒸汽對加熱室的換熱系數。而當超聲波作用在換熱管壁上時，其通過介質產生的空化效應破壞垢質的附著環(huán)境，使已生成的垢體產生一系列變化直至松軟脫落，從而加強了管壁的換熱能力，提高了蒸發(fā)器的濃縮效率，這也使得1號蒸發(fā)器每組實驗的出液時間均較早，說明超聲波防、除垢裝置起到了強化傳熱的作用。

3.3提取液黏度的變化情況

圖6為提取液粘度隨時間變化的情況。每組數據的粘度基本由接近水的動力粘度(0.001 Pa·s)上升為0.025～0.03 Pa·s，結合圖3、圖4及圖5可以看出，隨著蒸發(fā)器工作時間的延長，雖然加熱室內溫度逐漸增高，但由于提取液的水含量持續(xù)減少，提取液的黏度不降反增。其中1號蒸發(fā)器的最后兩組實驗數據較2號蒸發(fā)器增幅明顯，可能是蒸發(fā)器工作時間臨近一個結垢周期，附著于換熱管壁的部分垢體在超聲波防除垢裝置的作用下軟化并脫落，在出液時混合著濃縮液一起流出，故液體的粘度偏高，這充分表明超聲波防除垢裝置在除垢方面有明顯效果。

圖 6　提取液粘度隨時間變化情況

3.4實驗結果分析

濃縮效率即為單位時間內提取液的出液量。如圖7所示，1號蒸發(fā)器在一個工作周期內的平均濃縮效率為133 kg/h，2號蒸發(fā)器為100.6 kg/h。

圖 7　提取液濃縮效率對比情況

經計算，1號蒸發(fā)器比2號蒸發(fā)器平均濃縮效率提升了32%?？梢钥闯?，超聲波防除垢裝置在煙草提取液蒸發(fā)器的濃縮過程中，起到了顯著的強化傳熱作用。

1號蒸發(fā)器運行3 d停機清洗時的表面實物如圖8所示，顯示換熱器管板污垢較少；圖9所示的2號蒸發(fā)器中換熱器管板污垢堆積明顯?？梢?，超聲波防除垢裝置不僅較好解決了煙草提取液蒸發(fā)器的結垢問題，同時也強化了加熱室的傳熱效果，使得蒸發(fā)器性能得到一定程度的提高。

圖 8　1號蒸發(fā)器工作3 d后管板的結垢情況

圖 9　2號蒸發(fā)器工作3 d后管板的結垢情況

4結論

1)超聲波能破壞垢物附著環(huán)境，強化加熱管壁傳熱能力。

2)超聲波能通過液體介質使加熱管壁上的垢體松軟至脫落，管壁換熱能力得到提高，蒸發(fā)器濃縮效率上升明顯。

3)超聲波防除垢裝置能減少換熱設備上的污垢，延長結垢周期，提高蒸發(fā)器濃縮效率。

[參考文獻]

[1]佟帥.超聲波防除垢機理及提高效率的方法研究[D].大連：大連理工大學，2008.

[2]孟陶,陳永昌,顏琳,等.超聲波對水垢形成過程影響的準靜態(tài)實驗研究[J].應用化工,2011,40(6)：952-954.

[3]傅俊萍,李錄平,劉澤利,等.超聲波除垢與強化傳熱實驗研究[J].熱能動力工程，2006，21(4):355-357.

[4]譚延坤.污水源熱泵系經統污水側聲空化除污與強化換熱特性實驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱商業(yè)大學，2013.

[5]張愛萍，胡劍文.換熱器中介質溫度對超聲波傳播特性的影響[J].化工機械，2013(01):34-37.

[6]聶祜川，聶日叢.超聲波防除垢技術在換熱設備上的應用[J].材料與設備，2012(6):34-39.

[責任編校： 張眾]

An Experimental Study on Online Ultrasonic Anti-fouling

GONG Fayun，GUO Weilin，TANG Liang, YE Fangping, WANG Liang

(SchoolofMechanicalEngin.，HubeiUniv.ofTech.，Wuhan430068，China)

Abstract：Combined with the actual production and the establishment of experimental platform, the online cleaning effect of the ultrasonic anti-fouling device was studied in the paper. A series of changes in physical parameters and product quality were real-time monitored in the evaporator thus to obtain the corresponding experimental data of ultrasonic device and anti-ultrasonic device. Experimental results show that the parameters of extraction have significantly changed after installing the ultrasonic device, and the average concentration efficiency have a improvement of about 32%, which means that the installation of the device has fulfilled the purpose of online anti-fouling.

Keywords：ultrasonic anti-fouling；physical parameters；concentration efficiency

[中圖分類號]O426.9

[文獻標識碼]：A

[文章編號]1003-4684(2016)01-0001-03

[通訊作者]湯亮(1978—)，男，湖北十堰人，工學博士，湖北工業(yè)大學副教授，研究方向為輕工機械設計

[作者簡介]龔發(fā)云(1964-)， 男， 湖北鄂州人，工學碩士，湖北工業(yè)大學教授，研究方向為輕工機械

[基金項目]湖北省自然科學基金重點資助項目(2012FFA059)

[收稿日期]2015-11-05