【正文】 任何物質(zhì)，這對設(shè)備保護(hù)及成本的節(jié)約來說是個巨大的發(fā)展前景。鑒于此，我打算通過大量的實驗數(shù)據(jù)來研究超聲除垢的原理，對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)和實驗數(shù)據(jù)，以期能夠為增加工業(yè)效率及社會效益出一份綿薄之力。 天津科技大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文 11 2 實驗原理 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)動的過程中會和上升管中水汽二者的混合物運(yùn)動過程中，兩者密度不同造成會造成重位壓力差，從而推動物料流動的現(xiàn)象。而自然循環(huán)起步較晚，人們 對其固有的紊動機(jī)理使得對自然循環(huán)缺乏規(guī)律性認(rèn)識，更不能像強(qiáng)迫循環(huán)那樣整理出一套完整的計算方法和公式。自然循環(huán)的優(yōu)勢在于所需要的動力較小，操作簡單維修方便。 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 的時間相當(dāng)長，可一說是鼻祖一般的存在，雖然使用時間長，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。正常工作的時候，管束的受熱面 積在單位時間內(nèi)換熱量要大于較為粗的管，這樣就會是管束受熱環(huán)境好于粗管內(nèi)地，管束內(nèi)汽化量較大，它內(nèi)部液體持有的汽化量就較大，同樣的物料量就會小一些，密度也會比粗的管小很多。由于這兩者之間的不同，人們給他們的定義不同，粗的管叫做中央循環(huán)管或者下降液體管。一般情況下考慮到為了使它的循環(huán)作用較好，在設(shè)計的時候讓中央循環(huán)管的橫截面積時所有加熱管橫截面積的 39%99%左右。當(dāng)管內(nèi)的物料被加熱從而沸騰時候，管束受熱環(huán)境好于粗管內(nèi)地，管束內(nèi)汽化量較大，它內(nèi)部液體持有的汽化量就較大，同樣的物料量就會小一些，密度也會比粗的管小很多。這種無需外力的循環(huán)對提高傳熱系數(shù)有很大影響，在提高換熱系數(shù)的同時，強(qiáng)化了蒸發(fā)作用。在對老式的蒸發(fā)室改進(jìn)的同時，它不但提高了物料在內(nèi)部循環(huán)的性能，還使得它對熱量的傳遞熊律得到提高。結(jié)構(gòu)相對來說簡易了許多，所以在實際情況下，它內(nèi)部物料的循環(huán)速度一 般控制在 以下；蒸發(fā)器內(nèi)部的物料不停的在循環(huán)往復(fù)，而新的物料不斷地被送進(jìn)來，可內(nèi)部的物料濃度還是在不斷地接近濃縮液的濃度，如果處理的物料濃度過大會導(dǎo)致出現(xiàn)污垢，堵塞換熱管的現(xiàn)象。中央循環(huán)管式蒸發(fā)器只能用于蒸發(fā)不容易出現(xiàn)污垢、不會析出大量的結(jié)晶和對設(shè)備幾乎沒有腐蝕的溶液。 傳熱系數(shù) K 傳熱系數(shù) K 值是指，在相對不變的情況下，在 換熱設(shè)備圍護(hù)的結(jié)構(gòu)兩側(cè)的空氣溫度差值為 1 度左右（攝氏度， K），在 1 秒內(nèi) 1 平方米傳熱面積所能夠傳遞的最大熱量，單位是瓦 /（平方米 熱量之間的傳遞出現(xiàn)在大自然的每一項活動中，同時它還與石油化工、食品科學(xué)、能源開發(fā)傳遞、制冷技術(shù)等息息相關(guān)。尤其是上個世紀(jì)六十年代以來，能源的逐步減少使得人們對強(qiáng)化傳熱技術(shù)越來越重視 [16]。理所當(dāng)然，能源是人們?nèi)找骊P(guān)注的問題也是當(dāng)前的能源形勢 也是刻不容緩和世界性難題， 而近年來我國的能源問題尤為緊迫 [17]。表 21 表明，我國對能源的利用率不但低于日、美、德國等發(fā)達(dá)國家，而且還低于印度、巴西等發(fā)展中國家 [18]。而減少能源消耗必須從提高能源利用率這方面著手。所以，提升換熱器對熱量的傳遞性能即提升換熱器的總體傳熱系數(shù)很重要的因素，而提高換熱器傳熱系數(shù)的方法有許多，本研究從降低污垢熱阻方面著手。Aγ 000 111hRRRddhKwiii ????? （ 24） hi—— 換熱管管內(nèi)部的傳熱系數(shù)， W/(m2 ho—— 換熱管管外部的傳熱系數(shù)， W/（ m2 Ri—— 換熱管管內(nèi)總的污垢熱阻，（ m2 R0—— 換熱管管外部總的污垢熱阻，（ m2 RW—— 換熱管導(dǎo)熱熱阻，（ m2 由公式可以看出，傳熱系數(shù) K 與眾多因素相關(guān)，為了提高能源的利用率，我們可以從降低管內(nèi)外污垢熱阻這方面入手，這就是本研究課題的關(guān)鍵所在。當(dāng)物料中的粒子位移的速度在超聲波作用下升高到一定速度時，物料中的粒子就會產(chǎn)生超聲凝聚效應(yīng)、高速漩渦效應(yīng)和剪切應(yīng)力效應(yīng)。物料媒介中的超聲波以及超聲空化氣泡在流動過程中與換熱器表面發(fā)生摩擦、沖擊。 空化效應(yīng) 空化效應(yīng)是超聲波能夠防除垢的主要原因?？栈瘹馀菰诔暤淖饔孟陆?jīng)歷超聲的稀疏相和壓縮相時，氣泡經(jīng)過多次周期振蕩最終以高速崩裂。空化使氣相反應(yīng)溫度達(dá) 5000K 左右 ,溶液反應(yīng)溫度達(dá) 1900K 左右，局部壓力 50MPa，溫度變化率高達(dá) 109K/S[19]。 物料中攜帶 的微小雜質(zhì)、溶于物料中的氣體或者固體的周圍都會發(fā)生超聲波空化作用。超聲波空化作用是這些污垢粒子發(fā)生改變，降低了彼此之間的親和力。 天津科技大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文 15 活化效應(yīng) 能量的傳遞是通過物料經(jīng)過超生波物空化作用來傳遞的，使水分子裂解。 抑制效應(yīng) 由于超聲波的存在導(dǎo)致物料的物理性質(zhì)發(fā)生改變，污垢粒子成垢能力變差，污垢成核誘導(dǎo)期縮短，刺激微小的晶體核生成，這些晶核因為其爭奪水中離子的能力很強(qiáng)導(dǎo)致晶體想在換熱面成垢的幾率變小。 剪切效應(yīng) 超聲波在不同表面上吸收和傳播的速度會有很大不同。 超聲波 圖 22 超聲波防除垢原理簡圖 除垢機(jī)理 污垢可分為硬垢（化學(xué)物質(zhì)導(dǎo)致的結(jié)晶、碳酸鹽類的污垢）和軟垢（一般污垢、黏著物、生物質(zhì)）兩大類。 軟垢層的除垢機(jī)理 當(dāng)超聲波脈沖在金屬中傳播時，使金屬表面 的污垢層發(fā)生軟化、脫落現(xiàn)象，同時由水產(chǎn)生的高速漩渦對表面沖刷、清理。原因是：當(dāng)物料在內(nèi)部流動時，由于摩擦?xí)诮趨^(qū)域產(chǎn)生滯留層即邊界層。而超聲波所引起的高速漩渦可以對邊界層進(jìn)行破壞，讓換熱器正常工作，提高傳熱系數(shù)，強(qiáng)化傳熱。人們平常交流的聲音大約是 25 分貝，所以超聲波脈沖裝置的噪音不會造成太大的影響。 天津科技大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文 17 3 實驗研究 實驗簡介 本實驗包括兩大部分：無機(jī)鹽超聲蒸發(fā)實驗與無機(jī)鹽離子檢測。在對所收集的樣品進(jìn)行離子檢測，清晰說明其除垢效果。 ① 不同功率時超聲波除垢效果實驗； ② 不同蒸發(fā)溫度時超聲波除垢效果實驗； ③ 不同物料溫度時超聲波除垢效果實驗； ④ 不同傳熱溫差時超聲波除垢效果實驗。實驗流程圖如 31。 實驗儀器實物可見圖 32。 在重要部件還安裝了視鏡，方便隨時觀察儀器內(nèi)部的反應(yīng)情況，這種設(shè)計方案，設(shè)備占用的空間小，整體運(yùn)行穩(wěn)定不會有偏差，底部安裝了滑輪方便移動 ，當(dāng)然這是由于現(xiàn)實狀況決定的，如果是工廠長時間的使用，可根據(jù)具體情況來調(diào)節(jié)。 實驗步驟 ⑴ 配置藥品：實驗過程中使用自行配制的無機(jī)鹽，無機(jī)鹽溶液配制方法很多，為了檢測方便以及藥品的價格問題，本實驗采用 ZnSO4 、 NaNO CaSOMg(NO3)2 來配制。 配比比例： 10L溶液含量計算取 CaSO4取 25g 。 Mg(NO3)2 取 50g ；NaNO3 取 50g。 ⑶ 開機(jī)調(diào)試：設(shè)備長期不使用，會導(dǎo)致設(shè)備部分老化，從外部看不出來的一些部件發(fā)生腐蝕、老化現(xiàn)象。 ⑷ 嘗試性實驗：利用物料查看設(shè)備對其敏感性，物料是否能在設(shè)備中正常循環(huán)，會不會發(fā)生堵塞等現(xiàn)象。實驗過程中，及時準(zhǔn)確的記錄實驗數(shù)據(jù)。 ⑺ 重復(fù)實驗：每組實驗過后，除了需要隨著實驗設(shè)計而改變外還需要對設(shè)備進(jìn)行調(diào)整、安全檢查。 無機(jī)鹽離子檢測實驗 簡易真空超濾裝置 實驗之前，先自行制作了一個真空過濾裝置（如圖 33）。由于溶液中若含有其他的雜質(zhì)會嚴(yán)重影響到測量數(shù)據(jù)以外還會對儀器產(chǎn)生巨大的危害。即很好的保證了溶液的純度，又天津科技大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文 20 不會對溶液的性質(zhì)造成影響。 圖 33 簡易真空超濾裝置 離子色譜儀進(jìn)行離子檢測 ㈠ 步驟： ⑴ 取樣：用注射器將樣品吸出 10ml，用注射器膜過濾處理，再注入到樣品分析瓶中待用。 ⑶ 測試純水：使用純水測試清洗設(shè)備，因為儀器設(shè)備內(nèi)會有上次測試時的殘留物質(zhì)。 ⑷ 進(jìn)料：設(shè)定檢測時間為 30min，開始實驗，查看離子檢測結(jié)果，關(guān)注所測的離子色譜。重復(fù)實驗時，對注射器、樣品存天津科技大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文 21 放瓶等進(jìn)行標(biāo)號、分類存放，以免彼此混淆導(dǎo)致測試混亂。 ⑹ 實驗結(jié)束：實驗結(jié)束時，將設(shè)備再次用純水清洗處理。 ㈡ 離子色譜儀 圖 34 離子 色譜分析儀 本實驗采用的是戴安牌離子色譜儀 （如圖 34） ，兩臺儀器分別測試溶液中含有的陰、陽離子。 色譜儀可以檢測到 7 種 我們常用的 陰離子和六種常見陽離子 ， 陽離子可以檢測常規(guī)陽離子 如 Li、 Na、NH、 K、 Mg、 Ca 等離子， 以及乙醇胺、脛、聯(lián)氨、甲胺、二甲胺、三甲胺等；陰離子可檢測常規(guī)陰離子 如 F 、 ClO 、 BrO 、 Cl 、 NO、 Br 、 ClO 、 NO 、PO 、 SO 等離子 以及碳酸根、甲酸根、乙酸根、丁酸根、硒酸根、硫氰酸根、砷酸根、砒酸根、檸檬酸根、草酸根、鄰苯二甲酸根、鉻酸根等。而這離子色譜分析儀靈敏度十分高， 而且 簡化了樣品前處理手續(xù)。 這樣可以在保證效率的同時，準(zhǔn)確無誤的測量出溶液中的離子含量。從圖中可以看出在65℃之前，進(jìn)料溫度不斷升高，傳熱系數(shù)數(shù)值也不斷地提高。從原先的 178。K 提高到 178。K，這是由于隨著進(jìn)料溫度的提高超聲波對于空化核的拉伸作用加強(qiáng)，使得空話和的半徑急速減小，加快了蒸發(fā)管內(nèi)部同一時間的氣泡發(fā)泡點產(chǎn)生頻率及產(chǎn)生的數(shù)量，加快了空化作用的效果，使得傳熱系數(shù)有所提高。所以為了提高換熱器的傳熱效率需要控制進(jìn)料溫度在 65℃左右。 圖 35 進(jìn)料溫度對傳熱 系數(shù)的影響 進(jìn)料流量對傳熱系數(shù)的影響 圖 36 保證蒸汽的溫度為 100℃，進(jìn)料溫度為 50℃，超聲波功率密度為 0和 的情況下，不同的進(jìn)料量對傳熱系數(shù)的影響。這是由于進(jìn)料量增加后，換熱器表面的物料量也隨之增加，蒸汽能量利用的更為充分，物料液膜更新交替的頻率得到提高，液膜的湍流程度提高，對換熱效果起到積極的促進(jìn)作用，使得換熱效率得到提高。當(dāng)流量達(dá)到 60L/h 時，超聲波對傳熱系數(shù)的影響變得要小許多，這是由于超聲波發(fā)生器自身功率等多方面因素影響所致。尤其是流量在 30L/h 到 60L/h 之間除垢效果增加明顯，而當(dāng)流量大于 60L/h 時，效果不是很明顯。流速增加后，物料對污垢的沖擊力增加，對污垢層的剪切力增加，使得污垢邊緣層逐漸變薄，有助于對污垢的清除。 圖 36 進(jìn)料流量對傳熱系數(shù)的影響 傳熱溫差對傳熱系數(shù)的影響 圖 37 給出進(jìn)料溫度為 60℃，流量為 60L/h，超聲波功率密度分別為 0w/m2和為 08w/。這是因為隨著傳熱溫差的增大，換熱管內(nèi)氣泡的過熱度增加，導(dǎo)致?lián)Q熱額強(qiáng)度降低。蒸發(fā)管壁面氣模的厚度增大，使得氣相液相的熱阻變大，且 由努賽爾數(shù)公式可知傳熱強(qiáng)度的降低，使得液膜之間的傳熱遭到阻礙，加劇了傳熱系數(shù)的降低。但是有超聲波存在時，傳熱系數(shù)得到明顯的提高。由圖中可以看出，無論超聲式蒸發(fā)器傳熱系數(shù)隨著傳熱溫差怎么變化，超聲波對傳熱系數(shù)的影響都十分顯著，傳熱系數(shù)的變化趨勢都很明顯，這就說明超聲波對傳熱系數(shù)的提高有著顯著地作用，對提高換熱氣效率起到一定的作用。從圖中可以看出，保持其他操作環(huán)境不變的實驗條件下，隨著超聲波功率密度從 0w/m2 增加到㎡ 的過程中，超聲式換熱器的傳熱系數(shù)得到顯著地提高，從 2022w/ 增加到 2500w/。隨著超聲波功率密度的增加，傳熱系數(shù)得到增加 。 在這一拉一縮的往復(fù)運(yùn)動下，加速了其氣泡核的運(yùn)動及其破裂，加大了液體與氣化泡壓力差幅度，從而降低了氣泡核的成核勢壘。空化作用同時促進(jìn)了氣泡脫離原先運(yùn)動軌跡的速度，降低了溶液的表面張力 [21]，加快了換熱器 表面的流體流動速率，增加了蒸發(fā)器內(nèi)部物料的整體流動速度和內(nèi)部能量交換的速度，從而強(qiáng)化了傳熱效果。 天津科技大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文 25 圖 38 超聲波功率密度對傳熱系數(shù)的影響 中心復(fù)合實驗 中心復(fù)合法實驗設(shè)計 表 31 表示采用中心復(fù)合法，研究蒸發(fā)溫度、處理量、超聲波功率密度以及傳熱溫差與傳熱系數(shù)之間的關(guān)系。它與二水平全因子實驗設(shè)計的不同之處在于它增加了一個因子，也就是增加了一個水平，從而可以更好的、更清晰準(zhǔn)確的表示出評價指標(biāo)與各因子之間的非線性關(guān)系。而次試驗采用中心復(fù)合實驗設(shè)計方案，可以在傳熱系數(shù)及其敏感的最佳 實驗條件附近，各個因子即使是及其微小的變化也可能導(dǎo)致傳熱系數(shù)發(fā)生較