換熱器超聲波防除垢和強化傳熱技術研究綜述

張朔昕

摘要：換熱器傳熱表面積污結垢造成的傳熱劣化問題，是國際上多年來一直未解決的難題，也是制約化工等高能耗行業提高能源利用率的瓶頸問題。本文研究了超聲波技術的防除垢機理和超聲波防除垢設備的原理，并根據超聲波防除垢設備在國內的工程應用實例，綜述了其防除垢效果與優勢。

關鍵詞：超聲波；強化傳熱；防垢；除垢

1引言

換熱器是工業生產中廣泛使用的熱力設備。通常換熱設備在運行一段時間之后都會出現結垢的現象，即在固體表面上逐漸積聚起來一層固態或軟泥狀物質，通常是以混合物的形態存在。污垢極大地增加了傳熱熱阻，使傳熱效率降低，嚴重影響了換熱設備的傳熱過程，甚至使設備不能正常運行，縮短了設備的使用壽命，造成巨大的能源浪費和經濟損失，一直是傳熱方面亟待解決的問題。因此對換熱設備采取合適的技術措施進行防垢除垢，從根本上解決結垢問題，對企業的生產、經濟效益和環境保護等都有重要意義。

2換熱設備常用防除垢方法

目前企業中較為常用的換熱設備防除垢方法主要有機械清洗法、化學清洗法和超聲波清洗法。

機械清洗法是采用人工清洗工具或專用工具設備對換熱器表面進行清理。該方法可除掉化學清洗不能除去的碳化污垢和硬質垢，并且對鋼材損耗小，但對于換熱面的死角清洗不到，而且該方法需離線停車清垢，影響生產，清洗用時長，所需費用高。

化學清洗法是利用化學洗劑使換熱面上的污垢脫離，可在線清洗，勞動強度小，但容易對設備造成腐蝕；清洗結束后還需對廢液進行處理，否則直接排放會污染環境。

超聲波清洗法利用了脈沖彈性波能量首先在金屬中傳播的原理。超聲波因具有方向性好、穿透力強、在固體或液體中傳播衰減小等優點，將其應用于換熱設備不僅能減緩換熱設備表面污垢顆粒的沉積速度，而且還能夠有效地除掉已經形成的污垢。該方法既不會污染環境和浪費資源，也不會對設備造成損傷，對工作人員也不會造成任何有害影響。與此同時，它可清除的污垢種類廣泛、除垢速度快、耗水量少、自動化程度高、工作性能可靠，還能連續在線工作。超聲波防除垢技術從根本上防止或清除污垢的沉積，實現了實時動態防除垢的效果，并且能夠起到一定的強化傳熱的作用，表現出巨大的優越性。

3超聲波防垢除垢技術

3.1超聲波防垢除垢機理

超聲波是一種頻率大于20kHz的聲波，方向性好、穿透力強，易于獲得較集中的聲能。超聲波在線防垢除垢技術，就是通過超聲波強聲場在管、板壁和介質接觸界面間產生效應，破壞污垢的形成和附著條件來實現防垢、除垢的。

超聲波在換熱界面間產生的效應主要有：空化效應、活化效應、剪切應力效應及抑制效應。超聲波防垢除垢機理如圖所示。

（1）空化效應

超聲波的輻射能使被處理液體介質產生大量的空穴和氣泡，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，液體里的成垢物質在這種能量的作用下粉碎、細化懸浮于液體介質中，使物體表面及縫隙之中的污垢迅速剝落。

（2）活化效應

超聲波在液體中通過空化作用使水分子裂解成自由基，在一定程度上增加水的溶解能力、提高流動液體中成垢物質的活性，增強其溶垢能力，可抑制污垢生成以及在管壁上沉積，使得成垢物質在液體中形成分散沉積體而不會在壁面上沉積，從而達到防垢的目的。

（3）剪切應力效應

污垢與金屬的物理性質和彈性阻抗不同，所以超聲波在金屬換熱管壁與垢層處的吸收和傳播速度也不同，從而在兩者上產生了速度差，形成相對剪切力，使污垢層產生松動、破碎而脫落，起到了除垢效果。

（4）抑制效應

超聲波改變了管道內流體的物理化學性質，縮短了成垢物質的成核誘導期，刺激了微小晶核的生成，可抑制離子在壁面處的成核和長大，使既定結構的晶粒長大，因此減少了粘附于管壁上成垢離子的數量，從而減小了積垢的沉積速率。

3.2超聲波防除垢設備

超聲波防除垢裝置主要由超聲波電源發生器、超聲波換能器、傳輸電纜以及安裝超聲波換能器的管道組合件組成。其中超聲波電源發生器是一種將市電轉換為換能器相應的高頻交流電以驅動換能器進行工作的設備，由電源單元、主控單元、參數調測單元、顯示單元、功放單元、遙控單元組成。1臺主機（超聲波電源發生器）可配置多個超聲換能器頭，能夠提供超音頻脈沖功率電能。超聲波換能器是把來自電源發生器的電能轉換成機械能（聲能）的部分，是產生超聲波的源。其內采用換能效率高的壓電材料。超聲波的頻率相位實現自動跟蹤，從而使發生器和換能器在最佳狀態下工作，且超聲波的輸出功率可根據不同的工況需要而進行無極調節。

3.3超聲波防除垢設備應用實例

（1）中石化某分公司一調溫水換熱器由于循環水中含有大量的鈣鎂離子以及微生物，在運行多年之后導致其每運行4-6個月左右就會形成一層0.5-1.5mm的硬垢，硬質垢表面附著少量淤泥等雜質，影響其正常使用，需要經常清洗處理。通過在檢修時安裝了超聲波防除垢裝置，一年半以后再次打開換熱器時，發現換熱器表面清潔無垢，部分呈現金屬原色，且循環水進出口溫度溫差穩定維持在7℃左右，運行效果穩定。

（2）某石化公司的油漿蒸汽發生器用于油漿與除鹽水換熱產生中壓蒸汽。因油漿中含有較多的固化物，換熱過程中易結焦積碳，使換熱效率降低，蒸汽產量下降。同時，油漿無法冷卻到工藝要求的溫度，只能通過降低流量來確保油漿的冷卻效果。該發生器每年都需要清洗，每次清洗是管束內側結垢、腐蝕較重，垢層厚度2-3mm，部分管束堵塞。該公司在安裝了超聲波在線防垢除垢裝置后，蒸汽產量增加，經濟效益顯著。一年后打開換熱器，基本無垢質，不需清洗。該裝置的使用減少了設備清洗次數，節約了清洗費用。

（3）中油管道某輸油氣分公司輸油站使用了6套熱媒/原油換熱器，由于污垢的產生，換熱器換熱效率普遍下降10%左右，每年經濟損失十余萬元。通過改造安裝了2套超聲波脈沖防除垢裝置并投入使用。投運一個半月后，換熱效率提高2個左右百分點，投運五個月后，效率提高6個左右百分點，成功解決了換熱設備的結垢問題，并為企業節約了能源和資金。

4結論

超聲波在線防垢技術利用超聲脈沖振蕩波破壞污垢的附著條件，有效解決設備的防除垢問題，提高換熱設備傳熱能力，降低達到同樣工藝要求所需的能耗量，實現節能目的，在節能環保、提高功效、降低成本等諸多方面具有廣泛的應用前景。