超聲波技術在強化傳熱及防垢除垢技術中應用進展

王蕾，關洪宇

(中國科學院長春精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033)

換熱設備在運行時，由于水中存在鹽類物質并產生一系列結晶、聚合等反應，導致結垢。結垢的危害主要有兩方面[1]：一是產生的垢質使換熱設備的換熱效率大幅度降低；二是垢質會引起管道阻塞和設備垢下腐蝕，設備檢修維護費用帶來巨大的經濟損失。

超聲波除垢防垢技術因其具有安全可靠、無污染、自動化程度更高等優點，且在除垢防垢的同時可對換熱設備進行強化傳熱，已經逐漸成為廣大工業部門進行防垢除垢和強化傳熱的首選技術。

1 超聲波技術原理與應用設備

超聲波的超聲空化效應是超聲波技術的主要原理。在超聲波的作用下，激活了溶于液體中的微小氣泡并產生大量的不穩定氣泡，從而產生超聲空化效應。當增大超聲波的聲強到一定值時，空化泡會產生超聲熱效應、機械效應、光效應和活化效應等。

1.1 超聲波強化傳熱機理

流動過程中，由于粘性阻力的存在使壁面附近形成速度邊界層，降低了流體的換熱效果。超聲波產生的機械效應和空化效應會破壞速度邊界層，從而使流體換熱得以強化；此外，由于流體與超聲波的相互作用，導致熱效應產生，使流體溫度升高。熱效應主要來源于瞬時熱效應和連續波的熱效應，瞬時熱效應使得流體局部溫度升高，連續波的熱效應會整體提升溫度。

1.2 超聲波防垢機理

超聲波破壞了液體中水分子結垢，提高水的溶解性和溶垢能力，使其具有活化效應。由于超聲波的輻射能力，在液體局部形成無數空穴和氣泡，多個結晶中心形成于氣泡周圍，產生超生凝聚現象。此外，金屬與水之間也會產生高速微流和空化效應，破壞污垢垢類生成環境與沉積的條件。

1.3 超聲波除垢機理

污垢的形成經過了起始階段、輸運階段、附著階段、老化階段和剝蝕階段，是一個多重動態的過程[2]。超聲波除垢機理主要是運用空化效應、機械效應、剪切效應、活化效應和抑制效應將流體中積垢的物質進行粉碎，分散成為粉末狀[3]。

1.4 超聲波技術應用設備

超聲波技術應用設備的原理圖見圖1，設備系統主要由超聲波發生器和超聲波換能器構成。超聲波發生器，也稱為超聲波電源，主要作用是將 220 V，60 Hz的交流電轉換成與超聲波換能器配合的高頻交流電信號。

超聲波換能器是一種將電能轉化為機械能的能量轉換器。目前，超聲波換能器主要分為壓電式換能器與磁致伸縮式換能器。壓電式換能器是利用壓電晶體材料的電致伸縮現象，在壓電晶體材料上附加上超聲波發生器所輸出的高頻電信號，會產生高頻的機械振動從而產生超聲波；磁致伸縮式換能器的原理是超聲波發生器產生的高頻交變電信號導致的磁場發生變化，產生了磁致伸縮效應，從而使超聲波換能器的兩端高頻的伸縮，產生了超聲波。

圖1 超聲波技術設備的原理框圖Fig.1 Schematic block diagram of ultrasonic descaling equipment

超聲波除垢裝置通常將換能器安裝在設備的管路入口處，因其不用更改設備的原有結構形式，因此是最常用的一種安裝方式。在實際工程應用與安裝中，為了保證超聲的作用距離并減少超聲能量的衰減，換能器盡量靠近設備進行安裝。安裝換能器時，首先根據具體設備確定換能器數量，然后通過安裝時現場的數據，將換能器分別安裝到指定位置，按照一定的形狀交叉分布。

一般來說，在管道除垢方面上，一個50 W換能器可以去除100～300 m金屬管道內的水垢；在換熱器除垢方面，一個50 W換能器可以去除80～150 m2的水垢。換能器的具體安裝方式見圖2，需在防垢設備上焊接一個固定基座，將換能器固定在基座上即可。

圖2 超聲波換能器安裝方式示意圖Fig.2 Schematic diagram of installation mode of ultrasonic transducer

2 超聲波防垢除垢技術研究進展

2.1 超聲波參數對防垢除垢效果的影響

超聲波的功率、頻率和駐波等均會對防垢除垢效果產生影響，其中超聲波的功率是最重要的影響因素。在研究超聲波參數對除垢效果的影響方面，傅俊萍等[4]研究了在套管式換熱器中，改變功率來測量管道的除垢率。研究結果為：當超聲波功率為200～600 W時，超聲除垢效果隨超聲波功率的增大而增強。皇磊落等[5]研究超聲波功率和超聲波頻率對除垢率的影響，結果表明當超聲波功率為0～400 W時，隨著超聲波功率的增大，除垢率也隨之增加，當功率為400 W時，除垢率高達92.68%；研究頻率的影響發現，當超聲波頻率為21.21 kHz時，比28.89，39.25，57.48 kHz的除垢率要提高很多。李虹霞[6]的實驗說明功率越大，除垢效果越好。。張艾萍等[7]通過模擬數值計算得到當超聲波功率為20 kHz時，超聲空化最明顯。

超聲波管道除垢系統中，大多采用單頻工作方式，而單一頻率的超聲波在傳播過程中會在液體和氣體的界面反射回來形成駐波，導致液體空間的聲壓分布不均。可以通過調頻的方式來減弱駐波的影響，提高超聲波除垢的效率。

2.2 換熱流體參數對防垢除垢效果的影響

換熱流體參數如：溫度、流速、種類、濃度等都會對除垢效果產生一定的影響。孫曉清等[8]在實驗室中采用循環水模擬裝置，研究了流體流速對超聲波防垢效果的影響。研究發現，僅增大流體流速，流體中的實際聲強卻減小，造成超聲波的防垢率變差，降低了防垢效果。皇磊落等[5]利用循環水模擬裝置，研究了流體參數對超聲波除垢效果的影響。結果表明，超聲波功率400 W時，除垢率高達 92.68%；介質水的最佳除垢溫度是60 ℃，流量在 1 400 L/h 時除垢率最高。Niemezewski[9]對水的研究表明，達到最佳除垢效率的溫度為35 ℃，堿性溶液在60 ℃時可達到最大的空化強度。

超聲空化的強度在不同種類和濃度的堿性溶液中也有較大區別。Niemezewski[10]對濃度在0～10%之間Na2CO3、Na2SiO3、Na3PO4溶液的超聲波的空化強度進行了研究。研究表明，在8%～10%濃度范圍內空化強度較優。

2.3 管道幾何參數對防垢除垢效果的影響

流體在不同形狀的管道內流動的湍流程度不同，管道的幾何參數對超聲波的傳播產生很大的影響，對超聲空化的效果影響比較明顯[11]。張艾萍等[11-12]研究了超聲波在圓管、波紋管、螺紋管和橫紋管的傳播特性，超聲波空化最佳的空化長度為 4 m，由于湍流強度的不同，超聲波在螺紋管和橫紋管中的空化效果要明顯好于圓管，而波紋管空化效果最不明顯。在橫紋管和螺紋管內，由于湍流強度升高，更有利于超聲空化。

此外，流速不變時，換熱管的直徑越小其越易結垢[13]。原因為直徑越大，換熱管內流體的雷諾數越小，湍流程度效果越好，不利于污垢形成；并且湍流程度好，空化閥值降低，利于空化效應的產生。

3 超聲波強化傳熱技術的研究進展

1964年，Bergles[14]首次通過實驗研究了流體振動對對流傳熱的影響，研究發現，對于單相流體的對流換熱工況，壁面不會受到流體振動的影響；當升高溫度時，流體的振動提高換熱效率，并且振動幅度越大，強化傳熱的效果越明顯。

1999年，Nomura和Murakami將超聲波強化傳熱的原理分為空化氣泡微射流強化、聲湍流強化、空化氣泡沖流強化和無超聲強化[15]。并通過研究發現，超聲換能器的位置影響著強化傳熱效果。超聲源位于安裝面下方時，強化傳熱效果最好。相比于安裝在換熱面上，當換能器距離安裝面5 mm時強化自然對流換熱效果高達3倍。

2002年，周定偉等[16-17]利用超聲對置于水內的水平圓管進行超聲作用，研究超聲作用對單相對流傳熱的影響，實驗結果表明，超聲作用會使液體中產生空化氣泡霧束，局部微沖流效應會產生在單個空化氣泡附近，且空化氣泡霧束會產生強烈射流效應在傳熱表面的附近，兩種效應均通過減小壁面熱邊界層厚度從而達到強化傳熱的效果。

2004年，Kim等[18]研究了在單相對流、過冷沸騰、飽和沸騰傳熱時超聲波的影響。結果表明，對于單向對流傳熱，主要是由于空化氣泡的存在增大了傳熱效率，空化氣泡密度和運動劇烈程度影響著單向對流傳熱強化速率。對于過冷沸騰傳熱階段，由于表面會由大量蒸汽泡產生，當蒸汽泡脫離加熱表面時，會在附近產生微對流，因此超聲波作用于過冷沸騰的強化效果要明顯弱于單相對流傳熱階段。

2011年，Baffigi等[19]研究了超聲波在過冷沸騰條件下，對置于蒸餾水中的鉑絲的傳熱性能，并確定最佳傳熱效果對應的參數。當蒸餾水溫度為25 ℃，實驗段距蒸餾水池底500 mm，超聲波頻率為 40 kHz，超聲功率為500 W時，最佳傳熱強化倍率可達到1.57。同時，Baffigi等[20]發現在飽和沸騰傳熱時，超聲波會提高加熱介質的混合效果和紊亂流動，導致從核態沸騰到膜態沸騰轉變的時間延長，提高了臨界熱流密度，表面產生的大量蒸汽泡會妨礙超聲波的傳播。

4 結論及展望

超聲波強化傳熱及防垢除垢技術在目前作為一種無污染、高效、低噪音的先進技術，具有很大的發展潛力。以后研究的重點在于結合實驗研究和理論分析，更加充分了解其對強化傳熱和阻垢除垢的作用原理，以促進在實際工程應用中的推廣。目前，由于超聲除垢的機理及影響因素研究得還不夠完全透徹，換能器的設計技術也未完全成熟，應用領域比較窄，仍然存在下列問題。

(1)對于超聲波除垢與防垢技術的研究，現階段的影響因素研究多為單一因素，鮮見多因素的綜合作用的研究。日后的研究應注重于結合多因素更深入的綜合分析影響因素，深入了解超聲波除垢機理，提高超聲波除垢與防垢效率。此外，實際工況下，不同類型的換熱器與其中介質有不同的結構和性質，其內部結垢物質、結垢速度和結垢形態有很大的不同。因此，不同工況下超聲波設備的最佳參數、安裝部位和方法等有很大差別，仍需要通過理論分析與實踐驗證來繼續深入探討。

(2)對于強化傳熱方面的研究，超聲波強化傳熱是一個非常復雜的過程，目前的研究主要在實驗研究，基本都是針對單相對流傳熱、過冷沸騰傳熱和飽和沸騰傳熱的工況。一般實驗均采用飽和水作為研究介質，超聲波的研究頻率多為低頻，研究的影響因素主要是聲強、流體介質溫度、超聲波換能器的安裝位置聲壓等。今后的研究應注重于高頻超聲波和變頻超聲波的研究，也應加強除水外其他有關介質的相關研究，如對增添納米顆粒的介質進行實驗研究等。超聲波強化傳熱的研究主要還停留在理論階段，應結合工程實際繼續深入探討，進一步完善機理。