超聲波防垢除垢及強化傳熱實驗研究

袁　萌

(三峽電力職業學院，湖北 宜昌 443000)

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超聲波防垢除垢及強化傳熱實驗研究

袁萌

(三峽電力職業學院，湖北 宜昌 443000)

摘要：結垢一直是工業上普遍存在的問題，結垢會增加換熱器表面熱阻，降低傳熱效率，同時會引起設備腐蝕。文中主要通過實驗研究了流體在管內流動時，超聲波功率對抑垢、除垢的匹配關系及聲場作用下強化傳熱的影響。實驗表明超聲波對強化傳熱有明顯影響，傳熱系數隨超聲波功率的增大而增大。

關鍵詞：超聲波；誘導期；除垢率；抑垢率；傳熱系數

0引言

在熱電、建筑設備等許多行業中，影響換熱設備傳熱及金屬管道內結垢問題一直是一大難題。超聲波在液體媒質中傳播時會產生機械作用、空化作用和熱作用[1]。當這三種作用同時存在時，可以削弱垢的形成能力及其附著在金屬管道壁面的能力，通過這樣一種原理來實現防垢功能。

中國藍星化學清洗總公司白忻平及大連理工大學化工學院梁成浩等人研究發現超聲具有明顯的阻垢功效[2]。李淑琴等[3]同樣在研究中發現加超聲比不加超聲對去除水垢效果約提高2倍～8倍。傅俊萍[4]通過實驗發現流體在管內流動時，超聲波功率與抑垢、除垢的關系及其對傳熱系數的影響。

1實驗裝置

實驗裝置如圖1，圖中9和17均為可拆換的實驗管件并且處在同一平面。高位水箱19中有電加熱器，溫度可在30～100 ℃之間調節，管內流量可調，管道和水箱設有保溫層，超聲波采用大連尼特超聲技術有限公司生產的頻率為28 kHz的超聲波發生器和專門定做的矩形換能器，功率在100～600 W之間調節。

2實驗及數據分析

在圖1所示的實驗設備，將超聲波功率設置在200、300、400、500、600 W處，調節系統管內流速使其達到1.7～2.0 m/s。實驗段9和實驗段17均采用有垢層的銅管，重復上述實驗過程，得出超聲波在不同功率下的除垢效果。實驗結果見表1-2。

1.水泵；2.閥門；3.電加熱絲；4、12.液位顯示器；5.閥門；6.超聲波發生器；7.超聲波換能器；8.溫度計；9.實驗段(套管式換熱器)；10.溫度計；11.閥門；13.閥門3；14.溫度計；15.流量計；16.溫度計；17.實驗段；18.低位水箱；19.高位水箱圖1　實驗系統示意圖

表1　實驗段9和實驗段17均采用銅管時超聲波除垢實驗結果(實驗前無HCL清洗管道)

表2　實驗段9和實驗段17均采用銅管時超聲波除垢實驗結果(實驗前用HCL清洗管道)

從表1和表2可以看出當超聲波功率達到200 W時，實驗段有了除垢效果，而且兩組實驗都表明除垢效果隨超聲波功率增加而增強。同時，在實驗段9，200 W的除垢率要比300 W和500 W的除垢率大，而Mt-M0的值300 W和500 W均比200 W的大，主要原因是表2的管段在實驗前用HCL進行清洗，大部分垢已被清洗掉，而且垢層也發生了變化，因此300 W和500 W的除垢率低于表1中200 W的除垢率。

3強化傳熱實驗及分析

由以上實驗可知，超聲波在200 W以下就可以達到抑垢效果，因此強化傳熱研究在這個功率下更具有實際意義，本實驗對超聲波功率分別在100、200、300 W作用下進行強化傳熱實驗。

3.1實驗過程

整個運行裝置如圖1所示。過一段時間后，分別讀出溫度計1和溫度計2及流量表中每0.01 m3所用的時間。然后讀出溫度計3和溫度計4所顯示的進出口溫度。每個工況下記錄三組數據，在計算每個工況下的平均傳熱系數k。

3.2實驗數據

實驗對超聲波功率分別在100、200、300 W作用下進行強化傳熱實驗，具體結果分別見表3-5。

表3　超聲波100 W作用時(室溫33.3 ℃)

表4　超聲波200 W作用時(室溫33.3 ℃)

表5　超聲波300 W作用時(室溫33.3 ℃)

3.3數據處理

根據公式：

(1)

式(1)中：qm1為流量，kg/s，通過流量表的讀數得出；c1為水的比容，kJ/kg﹒k；Δt為溫差，℃；A為銅管截面積，m3。

算出每個工況下的傳熱系數k。并對每個工況下的三數據取平均值進行比較。銅管中主要成分是水，因此直接取30～50 ℃水的比容。計算結果見表6。

表6　平均傳熱系數與超聲波功率的關系

3.4實驗結果及分析

由表6可以看出，當加載超聲波時傳熱系數有明顯增加，在100～200 W傳熱系數變化比較緩慢。在200～300 W換熱系數變化比較大。隨超聲波功率的增大，傳熱效果有較明顯改善。

因此在剛加載超聲波時，傳熱系數k有明顯增加，當超聲波功率由100 W變到200 W時，傳熱系數k增加相對緩慢，主要原因為在超聲波功率為100 W時管內液體已經空化，產生的射流及局部微沖流破壞了壁面熱邊界層，使傳熱效果有明顯增加。而當超聲波功率增加到200 W時，只是加強了空化作用，而對熱邊界層影響并不是很大，所以導致100～200 W傳熱系數變化要小于0～100 W的變化。而當加載300 W的超聲波功率時，空化作用明顯增強，從而對熱邊界層影響較大，傳熱系數k的變化相對于100 ～200 W時較大。

4結束語

對管內流動流體，加載超聲波具有抑垢和除垢作用。當管內流速在1.7～2.0 m/s、超聲波功率在100～200 W時，具有抑垢作用。當超聲波功率達200～600 W時，具有除垢作用，其效果隨超聲波功率增加而增加。當流體流動方向發生改變時，超聲波抑垢和除垢作用會有所減弱。水流方向改變180°，超聲波抑垢率減少7.13%。超聲波的作用可以提高換熱設備的傳熱系數，彼此之間存在一定關系，當超聲波功率在100～300 W之間時，傳熱系數隨功率增加而增大。

參考文獻

[1]布利茨J.超聲技術及應用[M].北京:海洋出版社,1992.

[2]白忻平,任建新,梁成浩.工業水處理[J].應用化工,2000,20(1):41-43.

[3]李淑琴,程永清.聲化學法除垢研究[J].陜西化工,1997(9):22-23.

[4]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(4):355-357.

Ultrasonic Antiscaling Descaling Heat Transfer Enhancement and Experimental Research

YUAN Meng

(Three Gorges Vocational College of Electric Power, Yichang 443000, Hubei Province, China)

Abstract:The scale has been a common problem on industrial, scaling can increase the thermal resistance on the surface of heat exchanger, reduce the heat transfer efficiency, at the same time can cause equipment corrosion. This article mainly studied through the experiment in tube of fluid flow, ultrasonic power of scale inhibition, scale removal and the matching relation between the influences of sound field under the action of strengthening heat transfer. Experiments show that had significant effect on the ultrasonic for enhancing heat transfer, heat transfer coefficient increases with the increase of ultrasonic power.

Key words:Ultrasound; Induction period; Descaling rate; Scale inhibiting rate; Heat transfer coefficient

中圖分類號：TK11

文獻標志碼：B

文章編號：1009-3230(2016)03-0015-03

作者簡介：袁萌(1988-)，女，湖北宜昌人，碩士，助教，研究方向為熱能動力與綠色建筑。

收稿日期：2016-02-17

修訂日期：2016-03-08

doi:10.3969/j.issn.1009-3230.2016.03.004