【文章內(nèi)容簡介】 。 天津科技大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文 6 超聲波除垢在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 近些年來，科學(xué)技術(shù)發(fā)展的十分迅速，各個(gè)行業(yè)相關(guān)領(lǐng)域互相滲透，超聲波清洗除垢技術(shù)發(fā)展的同樣很快。已經(jīng)在化工科學(xué)、醫(yī)學(xué)事業(yè)、石油行業(yè)等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。以前只應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)、電子業(yè)，而現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用到輕工業(yè)、化工食品業(yè)、紡織技術(shù)業(yè)、原子能、核 醫(yī)學(xué)和服務(wù)等一系列行業(yè)。而清洗除垢的種類也從以前的機(jī)械零部件等發(fā)展到鐘表、醫(yī)用器械、精密級(jí)別的軸承、甚至集成電路、餐具等，種類繁多。超聲波清洗除垢的對(duì)象也從原來單一的塵埃等普通污染物轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸镔|(zhì)、血污、蛋白物、高聚合物質(zhì)等特殊污染物。 超聲波防垢除垢在國內(nèi)的應(yīng)用 目 前，在中國已經(jīng)有部分發(fā)電型企業(yè)使用防除垢設(shè)備，為了防止換熱器因長時(shí)間工作而產(chǎn)生的污垢，應(yīng)用超聲波除垢設(shè)備連續(xù)不間斷的工作。 2022 年期間，有公司將超聲波防除垢技術(shù)用在冷凝器機(jī)組上，經(jīng)過長達(dá)一年的使用，最終統(tǒng)計(jì)得出其消耗量有顯著地降低 。在此之后進(jìn)行停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)污垢層有顯著降低，阻垢率達(dá)到百分之九十以上，效果顯著。與此同時(shí)，海拉爾熱電廠的一組額定功率為 12 兆瓦的機(jī)組，在未安裝除垢設(shè)備時(shí)，由于使用的循環(huán)水沒有經(jīng)過處理，循環(huán)水含鹽量高，設(shè)備的結(jié)垢速度快，對(duì)設(shè)備的腐蝕較大而且傳熱效率較低。 2022年安裝了 USP900 型超聲波防除垢設(shè)備后，發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)沒有新的污垢層出現(xiàn)，而且原有的污垢層也大多數(shù)都出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。中國地區(qū)的部分機(jī)組在使用超聲波防除垢設(shè)備后，各項(xiàng)消耗及經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算數(shù)據(jù)如表 12. 表 12 國內(nèi)使用超聲波除垢設(shè)備的機(jī)組經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算機(jī)容量 /MW 100 125 200 300 350 600 全國平均下來煤耗 / [kw*h] 411 383 375 349 329 315 使用后發(fā)電量比率 /％ 3 降低煤耗比率 /％ 降低煤耗 / [kw*h] 1640 1383 1070 831 785 600 使用后煤耗 / [kw*h] 39668 36934 36488 34099 32203 30960 年均發(fā)電小時(shí) /h 7000 7000 7000 7000 7000 7000 年省煤 /T 11480 12101 14980 17450 19230 25200 增加發(fā)電效益 /萬 574 605 749 873 962 1260 某熱電廠在一臺(tái) 25MW 的機(jī)組上安裝了 KSD 防除垢設(shè)備（ A 機(jī)組） [12]，而同樣的一臺(tái) 25MW 機(jī)組上沒有安裝（ B 機(jī)組）。同樣兩臺(tái)機(jī)組上都裝配了N+20222 型凝汽器，設(shè)備在正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下應(yīng)該將凝汽器的斷的差調(diào)整在 5℃之內(nèi)。運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后， A 機(jī)組的冷凝器的端差就變到了大概 9℃ ，這就嚴(yán)重影天津科技大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文 7 響到設(shè)備的正常運(yùn)行。造成端的差大的大部分原因是因?yàn)橛糜谥貜?fù)利用中的污泥污垢、微小的生物和溶在水中的碳酸類鹽物質(zhì)以及用于給提供熱量的設(shè)備中存在的鐵銹物質(zhì)附著在冷凝器管的一側(cè)形成水垢，造成傳熱阻力變大， 相同的穿熱量在經(jīng)過這一段時(shí)端差變大許多排出的氣體溫度升高，真空度卻下降許多。 而相同時(shí)間內(nèi)， B 機(jī)組正常運(yùn)行并沒有出現(xiàn)溫度升高的現(xiàn)象。而 KSD 防除垢設(shè)備每臺(tái)投資 76萬元，設(shè)備運(yùn)行 6個(gè)月節(jié)約的成本就可以回購該設(shè)備的全部費(fèi)用。而 KSD設(shè)備的設(shè)計(jì)使用壽命在 10 年以上，由此可以看出此設(shè)備的應(yīng)用前景。 針對(duì)鞍山市內(nèi) 企業(yè)換熱器污垢的治理，采用超聲波防除垢效果顯著。切實(shí)的解決了多種類的換熱器結(jié)垢問題，提高了換熱效率，降低了能源的使用，同時(shí)將污染降到最低，給企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益 [13]。 中石化天津分公司烯烴部聚乙烯車間調(diào)溫水換熱器 E4007 為板式換熱器，該換熱器將脫鹽水用循環(huán)水從 50℃左右冷卻至 38℃左右后循環(huán)使用。該換熱器在往年運(yùn)行中，重復(fù)利用的水中不經(jīng)含有循環(huán)帶來的污垢物質(zhì)還攜帶者大量的離子和一些微小的容易結(jié)垢的物質(zhì)，每月運(yùn)行 4 個(gè)月到 6 個(gè)月左右就會(huì)形成 到 左右的垢層。這些污垢層表面還易附著淤泥、微 生物等雜質(zhì)，使得換熱板間距越來越小，循環(huán)的水量也從 1700Nm3/h 左右降低到 1300Nm3/h，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生反應(yīng)器內(nèi)部樹脂爆聚以及熔融現(xiàn)象。為保證生產(chǎn)，烯烴部聚乙烯裝置于2022 年 7 月檢修時(shí)安裝 CMFG 超聲波防除垢裝置，并于一個(gè)月后投入生產(chǎn)，一直運(yùn)行到 2022 年 2 月，根據(jù) DCS 運(yùn)行記錄和停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)換熱器板片表面潔凈無污垢，部分呈現(xiàn)出金屬原色。可見下圖 11,12。 圖 11 2022 年 7 月檢修 E4007 照片（官板上結(jié)構(gòu)嚴(yán)重） 天津科技大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文 8 圖 12 2022 年 2 月 13 日 E4007 檢修時(shí)打開照片 （管板片清潔無垢部分部位呈金屬自然色） 四川久大制鹽有限責(zé)任公司是我國目前較大型的巖鹽鹵水生產(chǎn)基地，位于自貢市榮縣長山鎮(zhèn)境內(nèi)。由于管道及設(shè)備長期運(yùn)送鹵水導(dǎo)致結(jié)垢問題嚴(yán)重，換熱設(shè)備及管道也大面積腐蝕嚴(yán)重，需要大量長期的更換。使用超聲防除垢設(shè)備后，結(jié)垢速度明顯下降，生產(chǎn)成本也明顯的降低許多。超聲波被用于管道內(nèi)的污垢防除工作，這是因?yàn)槌暡▽?duì)環(huán)境的危害比其他的除垢方法要小很多，除垢效果卻顯而易見的耗，成本十分低除去購買設(shè)備時(shí)需花費(fèi)一部分資金外，設(shè)備運(yùn)行時(shí)的消耗幾乎可以忽略不計(jì)。超聲波對(duì)管道不會(huì)有腐蝕等副作用，超聲 波防除垢儀器十分簡單，操作簡單易學(xué)，而且不需要連續(xù)操作，遙控即可控制。由于以上的諸多優(yōu)點(diǎn)，被人們廣泛接受并稱之為“最高效的新技術(shù)”。 超聲波防除垢在國外的應(yīng)用 日本一家叫做營口田川的服裝廠曾經(jīng)利用超聲波用于對(duì)生產(chǎn)設(shè)備中的除垢，工廠中有部分冷凝器用于冷卻空氣也安裝了超聲波設(shè)備，除此之外還應(yīng)用到了板式換熱器以及凝氣器中。在這一系列應(yīng)用超聲波的換熱設(shè)備中，通過一段時(shí)間的觀察以及事后拆除發(fā)現(xiàn)，幾乎沒有出現(xiàn)結(jié)垢的現(xiàn)象，對(duì)增加傳熱系數(shù)的提高很明顯，節(jié)約能源減少排出的污染物很明顯。 同樣的情況出現(xiàn)在德國，工廠 里對(duì)轉(zhuǎn)油站的加熱設(shè)備，由于長期使用導(dǎo)致加熱設(shè)備內(nèi)由很多無污垢。對(duì)于這種狀況，工廠起初采用機(jī)械方法除去污垢，效果緩慢不說，還使得清洗過后這加熱設(shè)備供熱的速度減慢了，耽誤工廠正常運(yùn)作。該站每年需要對(duì)加熱裝置內(nèi)的加熱管除垢 3 到 4 次，嚴(yán)重的影響到該站的正常安全生產(chǎn)。與此同時(shí)，由于設(shè)備筒體在高溫下運(yùn)行，造成自身損耗嚴(yán)重。即使采用物理等方法進(jìn)行降溫除垢處理，也不能抑制結(jié)垢。 2022 年 5 月，該站在 2*、 3*、4*以及熱洗爐進(jìn)出口分別安裝超聲波防除垢裝置。熱洗爐仍能夠保持很好的溫度及所需壓力，除垢效果顯著。具體比較可見表 13。 天津科技大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文 9 表 13 Y 轉(zhuǎn)油站應(yīng)用超聲波防除垢裝置效果對(duì)比 序號(hào) 日期 火管溫度 /℃ 熱洗爐出水溫度 /℃ 水量 /m3＊ h1 1 20220320 1924 2 20220606 61 1924 3 20220611 108 72 1924 4 20220622 110 77 1924 5 20221103 121 73 1924 超聲式防除垢的不足 （ 1）噪聲污染 超聲波的優(yōu)勢很明顯，可是它同樣存在一些不足之處，它在工作的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生噪音污染，雖然在可以接受的范圍里，可為了完 善還是必須采取措施來降低影響，研究發(fā)現(xiàn)，提高超聲波的頻率，對(duì)降低噪音有明顯的效果。但根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，噪音減少的同時(shí)會(huì)影響到超聲波的空化效果，這就得不償失了。工作效率降低是不能夠接受的，所以研究發(fā)現(xiàn)假上隔音層會(huì)減小許多，但需要注意隔音層會(huì)是設(shè)備溫度升高影響正常工作。所以，這個(gè)問題還有待解決。 （ 2）空化作用腐蝕 設(shè)備在正常工作的時(shí)侯，不僅對(duì)污垢層產(chǎn)生空化效應(yīng)同時(shí)對(duì)換熱設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生空化效應(yīng)腐蝕，對(duì)換熱設(shè)備的損耗提高，降低了設(shè)備的使用年限。對(duì)此，也可將換熱設(shè)備換用耐腐蝕材料或者改變其結(jié)構(gòu)來降低其腐蝕效果。 （ 3）自 身損耗 超聲波防除垢設(shè)備自身元器件的損耗以及能源的消耗。對(duì)此，可采用先進(jìn)的變換技術(shù)，降低損耗及開關(guān)過程中對(duì)設(shè)備的干擾。 課題研究的背景及意義 研究課題的背景 近些年，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，能源問題已經(jīng)成為人們目光聚集的問題所在，所以人們不斷地探索希望能夠解決這個(gè)問題，而超聲波就是在這個(gè)大勢所趨的情況下出現(xiàn)的，可謂為是順應(yīng)時(shí)代潮流，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景不可謂不理想，只是目前還有一些問題需要解決，相信這項(xiàng)技術(shù)不久的將來就會(huì)大范圍的應(yīng)用。超聲波防除垢設(shè)備與傳統(tǒng)的方法有著絕對(duì)的優(yōu)勢。 超聲 波防除垢儀器十分簡單，操作簡單易學(xué)。而且不需要連續(xù)操作，遙控即可控制， 不需要讓設(shè)備停下來進(jìn)行除垢，不需要人為的太多操作可自動(dòng)操作，省時(shí)省力又省錢，設(shè)備運(yùn)行的過程中不會(huì)出現(xiàn)太大的問題，十分穩(wěn)定。并且超聲波防除垢不像化學(xué)藥劑除垢那樣會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，完全無污染運(yùn)行，這也很符合現(xiàn)在社會(huì)提倡的綠色生產(chǎn)。同時(shí)它天津科技大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文 10 運(yùn)行只會(huì)消耗很小一部分電力就能偶達(dá)到目的。并在它還被應(yīng)用在了石油化工、電力設(shè)備其他一系列工業(yè)當(dāng)中去。而且超聲波技術(shù)也被人們應(yīng)用到日常生活當(dāng)中，都有很好的發(fā)展前景。而超聲波除垢的性能更是應(yīng)用的重點(diǎn)所在，有很大的發(fā) 展空間。 超聲防除垢可清除的污垢中類十分廣泛，相對(duì)于傳統(tǒng)除垢方法來說，其除垢速度快，除垢效率高無殘留物，復(fù)雜零件中各種盲孔、夾縫中的污垢都可以清除，這些工作都不會(huì)影響到設(shè)備的正常工作，而且對(duì)設(shè)備無論內(nèi)外都不會(huì)造成傷害；與此同時(shí)，超聲除垢技術(shù)減少了用水量。顯示出其巨大的優(yōu)越性，在各個(gè)行業(yè)中超聲技術(shù)將會(huì)逐步取代傳統(tǒng)除垢技術(shù)。 課題研究的意義 超聲除垢的主要優(yōu)勢在于它不需要添加任何物質(zhì)，這對(duì)設(shè)備保護(hù)及成本的節(jié)約來說是個(gè)巨大的發(fā)展前景。但目前這種技術(shù)還有很多問題需要去解決，人們正將目光匯聚于此，希望能夠 早日解決這些問題，所以這種技術(shù)只能應(yīng)用于部分的行業(yè)中，不能夠大范圍的投入使用。鑒于此，我打算通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來研究超聲除垢的原理，對(duì)除垢效果的主要影響因素以及其除垢效果，希望本論文能為工業(yè)生產(chǎn)提供可靠的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以期能夠?yàn)樵黾庸I(yè)效率及社會(huì)效益出一份綿薄之力。 本文的研究工作 本文利用學(xué)校自主研發(fā)的超聲式蒸發(fā)器做了大量的實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要研究以下幾方面內(nèi)容： 研究了在相同的條件下超聲波的功率密度對(duì)污垢除去能力的影響； 研究了在相同條件下超聲波的工作時(shí)長對(duì)污垢取 出能力的關(guān)系； 研究了流體溫度對(duì)除垢效果的影響； 研究了流體流量對(duì)除垢效果的影響； 研究了在不同蒸發(fā)溫度下的除垢效果。 天津科技大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文 11 2 實(shí)驗(yàn)原理 傳熱原理 自然循環(huán)原理 自然循環(huán)原理是指：在一個(gè)閉合的回路中，蒸發(fā)受熱面內(nèi)的工質(zhì)，由于水在下降管中運(yùn)動(dòng)的過程中會(huì)和上升管中水汽二者的混合物運(yùn)動(dòng)過程中，兩者密度不同造成會(huì)造成重位壓力差，從而推動(dòng)物料流動(dòng)的現(xiàn)象。它的特點(diǎn)是蒸發(fā)器內(nèi)的被蒸發(fā)溶液在不斷流動(dòng)的過程中被加熱蒸發(fā)，直到溶液達(dá)到所需要的濃度。而自然循環(huán)起步較晚，人們 對(duì)其固有的紊動(dòng)機(jī)理使得對(duì)自然循環(huán)缺乏規(guī)律性認(rèn)識(shí)，更不能像強(qiáng)迫循環(huán)那樣整理出一套完整的計(jì)算方法和公式。自然循環(huán)在某些方面起到重要作用例如在核能工程中被廣泛的應(yīng)用 [14]，自然循環(huán)是利用重位壓差和密度差來驅(qū)動(dòng)物料流動(dòng)從而盡量克服其摩擦造成的阻力以及局部的阻力，從而完成整個(gè)循環(huán)，達(dá)到換熱蒸發(fā)的目的。自然循環(huán)的優(yōu)勢在于所需要的動(dòng)力較小，操作簡單維修方便。可是它的缺點(diǎn)在于不能夠用來處理物料粘度較大的物料和特別容易結(jié)成污垢的物質(zhì)，造成了它使用的局限性。 中央循環(huán)管式蒸發(fā)器 這種中央循環(huán)管式蒸發(fā)器使用 的時(shí)間相當(dāng)長，可一說是鼻祖一般的存在，雖然使用時(shí)間長，但他目前仍還沒有被淘汰，被應(yīng)用在化學(xué)工業(yè)、輕工機(jī)械、環(huán)境保護(hù)等許多范圍是十分廣泛。它的加 熱室 一般是由管直徑大約為 25mm75mm，長度為 1m2m(長徑比大約是 2040 之間 )的豎直的管所組成的，而在它的周圍是由其他較細(xì)的管包圍起來的。正常工作的時(shí)