管壳式换热器超声除垢强化换热实验研究

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1、管壳式换热器超声除垢强化换热实验研究摘要：基于超声波在液体中的空化作用机理，搭建了管壳式超声波除垢实验台，并通过换热器传热系数的变化验证超声波技术的除垢及强化换热能力。实验结果表明，如果增大施加换热器的超声波时间，传热系数将有明显增加，施加超声波20分钟时的换热器传热系数平均提高5.2%,实验表明超声波具有显著除垢及强化换热能力。关键词：换热器；超声波；除垢；强化换热在电力、供热、化工等行业屮存在许多以水为载体的换热器。由于水质的影响，使换热器在长期运行中容易产牛结垢问题。换热器管道中的结垢，严重影响热能输运及工业生产的正常运行，同时影响了换热器的换热效率。采用传统机械除垢或化学剂清除

2、结垢方法，往往清洗时间较长、清洗不彻底，不能实现在线清洗，而且运行成本较高，化学方法还存在二次污染。本文利用超声波技术解决换热器的除垢问题。论文首先论述了超声波防除垢与强化传热的基本理论，然后进行了管壳式换热器超声除垢强化换热实验，并通过换热器传热系数变化验证超声波应用于换热器防垢除垢、强化换热中的可行性。1超声除垢原理超声波频率大于20kHz,M波长短，因此其传播方向性好，具有较强的穿透力（能穿透几十米厚的固体介质）。当高频超声波在液体中传播时,可迫使液体中小于共振尺度的微气泡发牛共振。因为超声波属于疏密波,当超声波声压增大至一定数值，将使液体疏密发生快速变化，疏密程度相差较大。处于

3、波峰的稀疏阶段时，微泡内部压力大大低于初始静压，气泡被拉伸及迅速膨胀；而处于波峰的稠密阶段时，这些微气泡瞬间受到绝热压缩，进而发生破碎，直至湮灭。在破碎及湮灭进程中，微气泡内部突然产牛几千摄氏度的高温及几百个大气压的高压，气泡周围液体将受到高压气（液）流的冲击。上述超声波引起的高温、高压甚至放电象征可总称为“空化”。空化的表象与水泵在超过允许安装高度下负压运行时发生的汽蚀现象较为相似，但瞬态发生程度要大很多。相关报道表明，超声波的空化现象是在液体屮的微小物质，即溶解气体的微核或者固体物质的微粒四周产牛的。水中的垢物微粒正好发辉了空化微核的作用，诱导空化现象，并被冲击、破碎。同时，空化还

4、可以使垢物微粒产生变形，从而降低垢物微粒团Z间的附着力。经超声波处理后的硬度盐微粒即使在较易结垢条件下，也只形成疏松粉末状的污垢，不容易发生板状沉积。再者，当水屮微气泡产生空化时，气泡破碎时将形成微射流，可提高流层之间的混合速率，从而实现除垢或抑垢效果。2实验系统与实验方法2.1实验系统本文超声波除垢防垢实验台是在管壳式换热器性能实验台基础上改造而成的，即在换热器实验台上增加超声波发生器、变幅杆装置及其附属管道等。该实验装置包括超声波发生器、变幅杆、水箱、水泵、管壳式换热器、阀门、转子流量计、热电偶、温控表、加热装置、连接管道等部件，系统如图1所示。其中，超声波发生器型号为H66MC,

5、功率可调范围为100〜600W,频率为30kHzo为了使水系统能够循环，水箱盖上布置有进、出水口和回流口。水箱内部还安装有加热装置（加热丝具有不锈钢外壳，可直接伸入水屮），其目的是使水箱内水温可以调整和控制，即当水温高于设定温度时，电阻丝将自动接通，从而加热水箱的水，进而实现进水温度达到稳定。连接水管主要指从进、出水口到换热器之间的钢丝软管。钢丝软管具有优良的连接性能，容易实验系统中不同长度的快速连接，使用十分方便。实验系统中水在管道内的动力来口离心水泵。为了便于拆卸和安装，水泵被固定于与水箱齐平的实验台架上。四支热电偶分别用来测试冷水入口、冷水出口、热水入口及热水岀口的水温。流量计为

6、液体玻璃转子流量计，用以测试冷、热水流量，其量程均为0〜160L/h。2.2实验方法为了使实验系统屮换热器管道有足够的污垢，先将实验的热水管道直接连至冷水管道，并加热水箱里水温度至60°C左右，再向水中添加一定质量的氧化钙及碳酸氢钠,使其发生反应后生成碳酸钙，进而附着在在换热器管道的表面上，成垢时间不能低于24小时。第二步是进行除垢实验，由实验测试的换热器冷、热水的进、出口温度和流量，可以计算出套管式换热器的换热系数，从而通过比较得超声波作用对换热器的除垢及强化换热效果。3实验结果与分析由实验结果可以看出，加超声波后换换器的传热系数明显增大，随着时间的增大，传热系数有明显的增加，说明了

7、超声波的除垢效果。由实验可以计算得到，加超声波实验20分钟后，换热器的传热系数平均增长了5.2%。通过实验证明了超声波具有明显的除垢及强化换热效果。4结束语(1)阐述了超声波空化作用及除垢防垢的工作原理，搭建了管壳式超声波除垢实验系统，进行了超声除垢强化换热实验。(1)实验结果表明，如果增加施加超声波的时间，换热器传热性能将有显著增大，施加超声波二十分钟，换热器传热系数将提高约5.2%,说明超声波具有明显的除垢及强化换热效果。参考文献[1]王勇