【文章內(nèi)容簡介】 手段所達(dá)不到的效果。超聲對媒介具有機(jī)械作用、熱作用、生物醫(yī)學(xué)作用以及化學(xué)作用等。用超聲波使物體或物性變化的功率應(yīng)用稱功率超聲。功率超聲是超聲學(xué)中，研究超聲能量對物質(zhì)進(jìn)行處理的一個學(xué)科分支。超聲技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械及材料學(xué)為基礎(chǔ)的通用技術(shù)之一，目前， 超聲技術(shù)的研究和應(yīng)用的范圍，己經(jīng)從船舶、冶金、機(jī)械等領(lǐng)域擴(kuò)大到二十多個工業(yè)部門，并取得了很好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益 [4]。 超聲技術(shù)出現(xiàn)在二十世紀(jì)初期，近一個世紀(jì)的發(fā)展表明，超聲技術(shù)是聲學(xué)發(fā)展中最為活躍的一個部分，如今它已經(jīng)滲透到國防建設(shè)、國民經(jīng)濟(jì)、人民生活和科學(xué)技術(shù)等各個領(lǐng)域。 1995 年 9 月在德國召開的首屆世界超聲學(xué)大會，集中體現(xiàn)了超聲學(xué)發(fā)展的這一強(qiáng)勁勢頭?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn) :一定頻率范圍內(nèi)的超聲波，作用于液體介質(zhì)里，可以達(dá)到清洗的作用。經(jīng)過一段時間的研究和試驗(yàn)，不僅得到了滿意的效果，而且發(fā)現(xiàn)其清洗效率極高，由此 超聲波清洗機(jī)被逐漸運(yùn)用于各行各業(yè)中去。在應(yīng)用初期，由于電子工業(yè)的限制，超聲波清洗設(shè)備電源的體積比較龐大，穩(wěn)定性及使用壽命不太理想，價格昂貴，一般的工礦企業(yè)難以承受，但其出色的清洗效率及效果，仍然讓部分實(shí)力雄厚的國有企業(yè)一見傾心。隨著電廣產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，新一代的電子元器件層出不窮，應(yīng)用新的電子線路以及新的電子元器件，超聲波電源的穩(wěn)定性及使用壽命進(jìn)一步的提高，體積減小，價格逐漸降低。二十世紀(jì)八十年代末，第三代超聲波電源問世，即逆變電源，應(yīng)用最新 IGBT 元件，新的超聲波電源具有體積小，可靠性高，壽命長等特點(diǎn)，清洗 效率得以進(jìn)一步提高，而價格也降到了大部分企業(yè)可以接受的程度。在國民經(jīng)濟(jì)中，超聲波清洗對于提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障生產(chǎn)安全和設(shè)備的安全運(yùn)行，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率具有特別的潛在能力。因此，我國在近十年來，對超聲技術(shù)的研究與應(yīng)用十分活躍。 超聲阻垢技術(shù)作為現(xiàn)代的一種環(huán)保、高效的先進(jìn)技術(shù)，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。但是由于目前超聲除垢的機(jī)理及影響因素研究的還不是很深人，除垢器的設(shè)計也沒能達(dá)到完善的程度，當(dāng)前的應(yīng)用領(lǐng)域也比較窄，因此有許多問題正等待著專家和學(xué)者去研究 [6]。比如不同的管流及換熱器件有其特定的結(jié)構(gòu)，結(jié)垢物質(zhì)， 結(jié)垢速度，結(jié)垢程度也大不相同，另外不同的設(shè)備有不同的結(jié)垢形態(tài)，而且有的換熱工作表面聲波不能波及，因此超聲設(shè)備的最佳參數(shù)，設(shè)施部位和 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 安裝方法等都十分重要，這些就必須在理論研究的指導(dǎo)下，通過實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐來選擇、調(diào)整。因此發(fā)展總的趨勢是向著輕量化、高效率、模塊化、智能化發(fā)展，并以提高可靠性為前提，融入數(shù)字化控制和優(yōu)化控制，來增強(qiáng)產(chǎn)品的競爭力。 超聲波除垢的優(yōu)勢 相比其他多種的除垢方式，超聲波除垢顯示出了巨大的優(yōu)越性，尤其在專業(yè)化、集團(tuán)化的生產(chǎn)企業(yè)中，己逐漸用超聲波除垢器取代了傳統(tǒng)的浸洗、刷洗、壓力沖洗、振動 清洗和蒸汽清洗等工藝方法，超聲波除垢器的高效率和高清潔度，得益于其聲波在介質(zhì)中傳播時產(chǎn)生的穿透性和空化沖擊波，所以很容易將帶有復(fù)雜外形，內(nèi)腔和細(xì)孔的零部件清洗干凈，對一般的除油、防銹、磷化等工藝過程，在超聲波作用下只需兩三分鐘即可完成，其速度比傳統(tǒng)方法可提高幾倍，甚至幾十倍，清潔度也能達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)，這在許多對產(chǎn)品表面質(zhì)量和生產(chǎn)率要求較高的場合，更突出地顯示了用其它處理方法難以達(dá)到或不可取代的結(jié)果。超聲波清洗具有清洗潔凈度高、清洗速度快等特點(diǎn)。特別是對盲孔和各種幾何狀物體，獨(dú)有其他除垢手段所無法達(dá)到的洗凈效果。 表 11為各種除垢方式的比較 [11]。 表 11 超聲波清洗與其他清洗的比較 名稱 項(xiàng)目 超聲波 除垢法 水處理法 化學(xué)法 干冰法 飽和 蒸汽法 原理 利用頻率為幾萬次到幾十萬次的超聲波振動，超聲波在液體中傳播，當(dāng)能 量大于，把液體分子拉裂成空洞由于周圍壓力的增大，空化核又被擊碎，空化擊 碎時對周圍形成巨大的沖擊波，從而物體上的雜質(zhì)剝離 下來，達(dá)到清洗的目的。 以水為介質(zhì) ,通過專用設(shè)備系統(tǒng)使水產(chǎn)生多束、多角度、強(qiáng)度各異的高壓水射流，對被清洗設(shè)備內(nèi)結(jié)垢和附著物及堵塞物進(jìn)行徹底的切削、破碎、擠壓、沖 刷以達(dá)到清洗的目的。 利用有機(jī)或無機(jī)清洗劑加入到被清洗的設(shè)備界面中，對難溶水垢、油污物粘泥等進(jìn)行 分 散 剝離，同時與化學(xué)藥劑發(fā)生反應(yīng)，生成絡(luò)和物或水溶性鹽，從而達(dá)清洗的目的。 干冰顆粒溫度極低 (78℃ )，故具有獨(dú)特的熱力學(xué)性能，當(dāng)干冰顆粒被壓縮空氣沖擊到被清洗 物表面時，使干冰迅速升華，在千分之幾秒內(nèi)體積膨脹近 800倍 時與待洗零件表面產(chǎn)生熱交換，達(dá)到清洗零件的目的。 利用飽和蒸汽的高溫，及外加高壓，清洗零件表面的油漬污物，并將其汽化蒸發(fā)。同時還可以清洗任何細(xì)小的間隙和孔洞，從而達(dá) 到 高效、 潔凈。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 續(xù)表 1 特點(diǎn) 超聲波清洗主要用于清洗物體表面上的微顆粒，對于常規(guī) 的 污 染 物(如臟物、油脂、銹跡清洗效果很差或根根本無法達(dá)到清洗目的。 泵或增壓器高壓水射流能量的來源，高壓泵 技術(shù)指標(biāo)直接影響到水射流清洗效率質(zhì)量能量 及成本高，而且對水質(zhì) 的要求較高。 最原始且應(yīng)用最廣的一種方法。酸或堿性的清洗物對被清洗物和設(shè)備產(chǎn)生腐蝕。清洗 停 機(jī) 時 間長，能耗大。 沒有二次 污染，需要 回收的只是清除下來可再次使用或直接排放的污垢。 發(fā)達(dá)國家和地區(qū)的特殊行業(yè)中使用。 1. 適用范圍廣如機(jī)械 、 噴漆 、 冷( 熱 ) 加工、子、食品等行業(yè)； 2. 無需任何化學(xué)介質(zhì)，綠色清洗，耗水量小 3. 經(jīng)濟(jì)、便捷 污染 用水作清洗介質(zhì) ， 污 染 較小，如用有機(jī)溶劑清洗，則污染和危險性較大。 極度污染 污染嚴(yán)重，特殊的溶劑還要對零件和設(shè)備進(jìn) 行 防 銹 措施，對工作人員身體有一定的傷害。 加裝回收裝置可達(dá)到環(huán) 保求。 完全符合環(huán) 保 要求。 效果 特定場合清洗效果較好。 清洗效率低，針對特定的清洗對象，較難選擇合適 的清洗參數(shù)，且清洗完后還要進(jìn)行烘干處理。 對 管 件 和 盲孔、深孔無法處 理 ， 清 洗銅、鋁等有色金屬會使零件變色，清洗后零件表面的清潔度差。 無需添加任何清洗溶劑，直接清洗，效果優(yōu)良。 設(shè)備成本和消耗成本低，且無環(huán)保費(fèi)用。 經(jīng)濟(jì)備注 設(shè)備成本和消耗成本較高，工藝復(fù)雜。難以把握各種被清洗物所需要的最佳工作頻率、溫度、時間以及合適的介質(zhì)。 設(shè)備成本偏低，消耗成本和環(huán)保費(fèi)用亦高。水質(zhì)的好壞對清洗效果影響很大。對勞動保護(hù)技術(shù)服務(wù)的 要求較高。 清洗效率低，環(huán)保費(fèi)用高。對電線，電子及控制元件有損傷，加速設(shè)備生銹。 因采用 超低溫的干冰，造價昂貴，設(shè)備要求較高。對工作環(huán)境的要求極高，操作者要注意安全，清洗時必須保證良好的通風(fēng)條件。 改善了勞動環(huán)境，減輕了勞動強(qiáng)度，提高了清洗效率，降低了消耗成本。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 論文的主要工作 綜上所述，超聲波除垢是一項(xiàng)新興的除垢技術(shù)，現(xiàn)階段國內(nèi)對此技術(shù)還處于研究階段。 因此本課題在了解超聲波技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、應(yīng)用以及超聲波除垢機(jī)理的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)了一套新型超聲波防垢除垢器，并提出了合理的控制策略，當(dāng)然超聲波除垢的發(fā)展還有很大的發(fā)展空間和挑戰(zhàn)。 針對傳統(tǒng)的除垢方法不能在線除垢的問題，提出了一種具有在線 除垢特點(diǎn)的超聲波除垢器，本論文主要完成以下幾項(xiàng)工作： 1. 通過對超聲波防垢除垢機(jī)理的研究，了解超聲波空化作用產(chǎn)生的條件和空化氣泡的運(yùn)動過程，以及 磁致伸縮超聲波換能器的工作原理。 2. 以理論分析結(jié)果為依據(jù)，構(gòu)建控制系統(tǒng)的架構(gòu)，控制部分以單片機(jī)構(gòu)成 系統(tǒng)為核心， 電源部分 即 由 整流濾波電路、 IGBT的驅(qū)動保護(hù)電路、 及 由單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 。 3. 數(shù)字 PWM信號發(fā)生器研究與設(shè)計； 4. 系統(tǒng)的軟件設(shè)計。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 第 2章 超聲波除垢器的研究與分析 隨著電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的迅 猛發(fā)展，功率超聲學(xué)的創(chuàng)新和開發(fā)應(yīng)用已越來越顯著地反映在工業(yè)處理的各個領(lǐng)域。超聲波除垢是功率超聲的一種很重要的應(yīng)用，它與超聲無損檢測不同，需要產(chǎn)生功率很大的超聲波，但超聲的頻率不高一般在 18KHZ 到 25KHZ。為了更好的對超聲波除垢器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和所具有功能有一個全面的認(rèn)識，現(xiàn)對系統(tǒng)的組成和原理進(jìn)行簡要的介紹。 超聲波及超聲波除垢簡介 超聲波簡介 所謂超聲波，是指人耳聽不見的聲波。正常人的聽覺可以聽到 2020KHZ的聲波，低于 20HZ 的聲波稱為次聲波或亞聲波，超過 20KHZ 的聲波稱為超聲波。超聲波是聲 波大家族中的一員。聲波是物體機(jī)械振動狀態(tài)或能量的傳播形式。所謂振動是指物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置附近進(jìn)行的往返運(yùn)動 [4]。譬如，鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下振動，這種振動狀態(tài)通過空氣媒質(zhì)向四面八方傳播，這便是聲波。超聲波是指振動頻率大于 20KHZ 以上的，其每秒的振動次數(shù) (頻率 )甚高，超出了人耳聽覺的上限 (20KHZ)，人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。 超聲和可聞聲本質(zhì)上是一致的，它們的共同點(diǎn)都是一種機(jī)械振動，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點(diǎn)是超聲頻率高，波長短，在一定距離內(nèi) 沿直線傳播具有良好的束射性和方向性。 超聲波具有如下特性 : 1. 超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。 2. 超聲波可傳遞很強(qiáng)的能量。 3. 超聲波會產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。 4. 超聲波在液體介質(zhì)中傳播時，可在界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和空化現(xiàn)象。 超聲波除垢的原理 超聲波除垢器主要是利用超聲波強(qiáng)聲場處理流體，使流體中成垢物質(zhì)在超聲場的作用下，其物理形態(tài)和性能發(fā)生一系列變化，使之分散、粉碎、松散、松脫而不易附著管壁形成積垢 [2021]。超聲波的除 垢機(jī)理主要表現(xiàn)在 : 1.“空化”效應(yīng) 超聲波的輻射能對被處理液體介質(zhì)直接產(chǎn)生大量的空穴和氣泡，也就是把液體拉裂而形成無數(shù)極微小的局部空穴，當(dāng)這些空穴和氣泡破裂或互相擠壓時，產(chǎn)生一定范圍的強(qiáng)大的壓力峰，這一強(qiáng)壓力峰能使成垢物質(zhì)粉碎懸浮于液體介質(zhì)中，并使已生成的垢層破碎使其易于脫落。 2．“活化”效應(yīng) 超聲波在液體介質(zhì)中通過空化作用，可以使水分子裂解為 H自由基和 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 HO自由基，甚至 H+和 OH等。而 OH與成垢物質(zhì)離子可形成諸如 CaOH， MgOH等的配合物，從而增加水的溶解能力， 使其溶垢能力相對提高。也就是說，超聲波能提高流動液體和成垢物質(zhì)的活性，增大被水分子包裹著的成垢物質(zhì)微晶核的釋放，破壞垢類生成和在管壁沉積的條件，使成垢物質(zhì)在液體中形成分散沉積而不在管壁上形成硬垢。 3.“剪切”效應(yīng) 水分子裂解產(chǎn)生的活性 H自由基的壽命比較長，它進(jìn)入管道后將產(chǎn)生還原作用，可以使生成的積垢剝落下來。而且因超聲波輻射在垢層和管壁上，加熱管上的吸收和傳播速度不同，產(chǎn)生速度差，形成垢層與管壁界面上的相對剪切力，從而導(dǎo)致垢層產(chǎn)生疲勞而松脫。 4.“抑制”效應(yīng) 通過超聲波的 作用，改變了液體主體的物理化學(xué)性質(zhì)，縮短了成垢物質(zhì)的成核誘導(dǎo)期，刺激了微小晶核的生成。新生成的這些微小晶核，由于體積小、質(zhì)量輕、表面積大，懸浮于液體中，生成比壁面大得多的界面，有很強(qiáng)的爭奪水中離子的能力，能抑制離子在壁面處的成核和長大，讓既定結(jié)構(gòu)的晶粒長大，因此減少了粘附于換熱面上成垢離子的數(shù)量，從而也就減小了積垢的沉積速率。實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)液體過飽和系數(shù)一定時，在同一超聲波參數(shù)下，超聲波作用時間越長，則成垢物質(zhì)的成核誘導(dǎo)期越短。此外，超聲波輻射壓力、聲學(xué)毛細(xì)管現(xiàn)象、科努瓦諾夫效應(yīng)和聲流對積垢生成也有直接的 防除效應(yīng)。 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 隨著超聲技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲波除垢以其具有節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，而受到了廣泛的關(guān)注。但由于功率超聲技術(shù)還處于發(fā)展階段，有許多方面還需要進(jìn)一步的改進(jìn)。為了提高超聲波除垢的效果，這里對其控制部分進(jìn)行了改進(jìn)，使其能夠隨著可調(diào) 負(fù)載的變化來改變自身的頻率 ，讓超聲系統(tǒng)工作在的換能器的諧振頻率上，使超聲波設(shè)