换热器超声波防除垢和强化传热技术研究综述

张朔昕

摘要：换热器传热表面积污结垢造成的传热劣化问题，是国际上多年来一直未解决的难题，也是制约化工等高能耗行业提高能源利用率的瓶颈问题。本文研究了超声波技术的防除垢机理和超声波防除垢设备的原理，并根据超声波防除垢设备在国内的工程应用实例，综述了其防除垢效果与优势。

关键词：超声波；强化传热；防垢；除垢

1引言

换热器是工业生产中广泛使用的热力设备。通常换热设备在运行一段时间之后都会出现结垢的现象，即在固体表面上逐渐积聚起来一层固态或软泥状物质，通常是以混合物的形态存在。污垢极大地增加了传热热阻，使传热效率降低，严重影响了换热设备的传热过程，甚至使设备不能正常运行，缩短了设备的使用寿命，造成巨大的能源浪费和经济损失，一直是传热方面亟待解决的问题。因此对换热设备采取合适的技术措施进行防垢除垢，从根本上解决结垢问题，对企业的生产、经济效益和环境保护等都有重要意义。

2换热设备常用防除垢方法

目前企业中较为常用的换热设备防除垢方法主要有机械清洗法、化学清洗法和超声波清洗法。

机械清洗法是采用人工清洗工具或专用工具设备对换热器表面进行清理。该方法可除掉化学清洗不能除去的碳化污垢和硬质垢，并且对钢材损耗小，但对于换热面的死角清洗不到，而且该方法需离线停车清垢，影响生产，清洗用时长，所需费用高。

化学清洗法是利用化学洗剂使换热面上的污垢脱离，可在线清洗，劳动强度小，但容易对设备造成腐蚀；清洗结束后还需对废液进行处理，否则直接排放会污染环境。

超声波清洗法利用了脉冲弹性波能量首先在金属中传播的原理。超声波因具有方向性好、穿透力强、在固体或液体中传播衰减小等优点，将其应用于换热设备不仅能减缓换热设备表面污垢颗粒的沉积速度，而且还能够有效地除掉已经形成的污垢。该方法既不会污染环境和浪费资源，也不会对设备造成损伤，对工作人员也不会造成任何有害影响。与此同时，它可清除的污垢种类广泛、除垢速度快、耗水量少、自动化程度高、工作性能可靠，还能连续在线工作。超声波防除垢技术从根本上防止或清除污垢的沉积，实现了实时动态防除垢的效果，并且能够起到一定的强化传热的作用，表现出巨大的优越性。

3超声波防垢除垢技术

3.1超声波防垢除垢机理

超声波是一种频率大于20kHz的声波，方向性好、穿透力强，易于获得较集中的声能。超声波在线防垢除垢技术，就是通过超声波强声场在管、板壁和介质接触界面间产生效应，破坏污垢的形成和附着条件来实现防垢、除垢的。

超声波在换热界面间产生的效应主要有：空化效应、活化效应、剪切应力效应及抑制效应。超声波防垢除垢机理如图所示。

（1）空化效应

超声波的辐射能使被处理液体介质产生大量的空穴和气泡，当这些空穴和气泡破裂或互相挤压时，产生一定范围的强大的压力峰，液体里的成垢物质在这种能量的作用下粉碎、细化悬浮于液体介质中，使物体表面及缝隙之中的污垢迅速剥落。

（2）活化效应

超声波在液体中通过空化作用使水分子裂解成自由基，在一定程度上增加水的溶解能力、提高流动液体中成垢物质的活性，增强其溶垢能力，可抑制污垢生成以及在管壁上沉积，使得成垢物质在液体中形成分散沉积体而不会在壁面上沉积，从而达到防垢的目的。

（3）剪切应力效应

污垢与金属的物理性质和弹性阻抗不同，所以超声波在金属换热管壁与垢层处的吸收和传播速度也不同，从而在两者上产生了速度差，形成相对剪切力，使污垢层产生松动、破碎而脱落，起到了除垢效果。

（4）抑制效应

超声波改变了管道内流体的物理化学性质，缩短了成垢物质的成核诱导期，刺激了微小晶核的生成，可抑制离子在壁面处的成核和长大，使既定结构的晶粒长大，因此减少了粘附于管壁上成垢离子的数量，从而减小了积垢的沉积速率。

3.2超声波防除垢设备

超声波防除垢装置主要由超声波电源发生器、超声波换能器、传输电缆以及安装超声波换能器的管道组合件组成。其中超声波电源发生器是一种将市电转换为换能器相应的高频交流电以驱动换能器进行工作的设备，由电源单元、主控单元、参数调测单元、显示单元、功放单元、遥控单元组成。1台主机（超声波电源发生器）可配置多个超声换能器头，能够提供超音频脉冲功率电能。超声波换能器是把来自电源发生器的电能转换成机械能（声能）的部分，是产生超声波的源。其内采用换能效率高的压电材料。超声波的频率相位实现自动跟踪，从而使发生器和换能器在最佳状态下工作，且超声波的输出功率可根据不同的工况需要而进行无极调节。

3.3超声波防除垢设备应用实例

（1）中石化某分公司一调温水换热器由于循环水中含有大量的钙镁离子以及微生物，在运行多年之后导致其每运行4-6个月左右就会形成一层0.5-1.5mm的硬垢，硬质垢表面附着少量淤泥等杂质，影响其正常使用，需要经常清洗处理。通过在检修时安装了超声波防除垢装置，一年半以后再次打开换热器时，发现换热器表面清洁无垢，部分呈现金属原色，且循环水进出口温度温差稳定维持在7℃左右，运行效果稳定。

（2）某石化公司的油浆蒸汽发生器用于油浆与除盐水换热产生中压蒸汽。因油浆中含有较多的固化物，换热过程中易结焦积碳，使换热效率降低，蒸汽产量下降。同时，油浆无法冷却到工艺要求的温度，只能通过降低流量来确保油浆的冷却效果。该发生器每年都需要清洗，每次清洗是管束内侧结垢、腐蚀较重，垢层厚度2-3mm，部分管束堵塞。该公司在安装了超声波在线防垢除垢装置后，蒸汽产量增加，经济效益显著。一年后打开换热器，基本无垢质，不需清洗。该装置的使用减少了设备清洗次数，节约了清洗费用。

（3）中油管道某输油气分公司输油站使用了6套热媒/原油换热器，由于污垢的产生，换热器换热效率普遍下降10%左右，每年经济损失十余万元。通过改造安装了2套超声波脉冲防除垢装置并投入使用。投运一个半月后，换热效率提高2个左右百分点，投運五个月后，效率提高6个左右百分点，成功解决了换热设备的结垢问题，并为企业节约了能源和资金。

4结论

超声波在线防垢技术利用超声脉冲振荡波破坏污垢的附着条件，有效解决设备的防除垢问题，提高换热设备传热能力，降低达到同样工艺要求所需的能耗量，实现节能目的，在节能环保、提高功效、降低成本等诸多方面具有广泛的应用前景。