声学防垢技术的发展和应用

漪　清洗世界２ＯＯ６，２２（１２）：３０—３４　ＣｌｅａｎｉｎｇＷｏｒｌｄ　

声学防垢技术的发展和应用　李文忠　曹建国２　王文江　刘　伟２　（１．北京清大鲁银科技发展有限公司；２．清华大学科技开发部，北京１０００８４）　摘要：简要介绍了声学防垢技术的发展，详述了声学防垢技术的工作原理、技术特点，以及在　多个工业领域的应用，包括在各种类型的换热设备如蒸汽锅炉、热水锅炉、列管式换热器、板式　换热器、套管式换热器、管线等的使用。　关键词：声学；在线；除垢；防垢；无垢换热器　中图分类号：ＴＢ５５９；磷１。５　文献标识码：Ａ　

Ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｏｎ・－－ｌｉｎｅ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｓｃａｌｅ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｗｅｎｚｈｏｎｇ　，ＣＡＯ　Ｊｉａｎｇｕｏ２，ＷＡＮＧ　Ｗｅｎｊｉａｎｇ　，　Ｗｅｉ２　（１．Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｑｉｎｇｄａ　Ｌ￣ｙｉｎ　Ｓｃｉ＆Ｔｅｃｈ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｃｏ．，Ⅲ．，　２．Ｒ＆Ｄ　Ｍａｌｍｇｅｍｅｍ　Ｄｅｐａｒｔｍａｎｔ　Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｅｉｊｉｎｇ，１０００８４）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｏｎ—－ｌｉｎｅ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｓｃａｌｅ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉ－・　ｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｗｅｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆｔｈｅ　ｏｎ—ｌｉｎｅ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｓｃａｌｅ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏ一　ｉｎ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ｆｉｅｌｄｓ　ａｎｄ　ｈｅａｔ—ｅｘｃｈａｎｇｅｒ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｓｔｅａｍ　ｂｏｉｌｅｒ，ｈｙｄｒｏｔｈｅｎｎａｌ　ｂｏｉｌｅｒ，ｐｌａｔｅ　ｔｙｐｅ　ｈｅａｔ　ｅｘ—　ｃｈａｎｇｅｒ，ｄｏｕｂｌｅ—ｐｉｐｅ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒ，ｐｉｐｅｌｉｎｅ，ｅｔｃ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｌ　ｔｒｅｎｄｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｎ—ｌｉｎｅ　ａ—　ｃｏｕｓｔｉｃ　ｓｃａｌｅ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｂｒｉｅｆｌｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｃｏｕｓｔｉｃ；ｏｎ—－ｌｉｎｅ；ｓｃａｌｅ　ｏｆｆ；ｓｃａｌｅ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ；ｎｏｎ——ｓｃａｌｅ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒ　

污垢十分广泛地存在于各种换热过程中，种类　繁多，防治非常困难，危害极大：首先，设计换热器　时，常常要考虑到结垢的不确定因素，增加换热面　积，从而增加了设备投资和运行、维修费用；其次，污　垢的存在提高了壁温，降低了热效率，使能耗增加；　第三，管内污垢的沉积减小了流通截面，增大了阻　力，生产能力下降；最后，污垢而引起的停车清洗，缩　短了设备运行周期，大大地增加了成本。　解决结垢问题对工业生产的节能增效、环境保　护意义非常重大。　各类防垢技术之中，物理防垢技术因其环境清　洁，使用简便，设备投人小，运行费低而受到特别的　

收稿日期：２ＯＯ６—０７—１３　作者简介：李文忠（１９６２一），男，广东汕头人，工程师，主要从事声学防垢技术的应用和研究。　

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２２卷　李文忠等．声学防垢技术的发展和应用　重视。然而，以物理能量场处理水为基本特征的物　理防垢技术的使用效果还不能令人满意。　事实上，析晶型污垢（水垢、无机盐垢）的形成是　一个非常复杂，受到多种因素影响，又无法用已知物　理方法阻止的化学反应过程。实践证明，即便水介　质里施加数千瓦的功率强大的声场或电磁场也同样　不能阻止结垢的形成。因此，除了化学方法，换热设　备运行过程中解决问题的唯一途径便是对积垢予以　持续不断的在线清除，这种条件下，除垢与结垢必然　形成某种动态平衡。只要除垢的速率超过结垢，便　可维持换热设备处于基本无垢的状态，从而大大地　延长其运行周期。通过在线除垢达到理想防垢效果　的另外好处是：垢层很薄时，使其剥落所需的能量、　功率很小，可大大降低防垢装置的造价和能耗；与此　同时，垢层越薄，剥落的水垢碎片就越小，很容易地　被水流带走，不会对换热设备的运行带来太大的影　响。　通过这种在线除垢的方法达到防垢效果的物理　防垢技术，目前只有声学防垢技术。　１　声学防垢技术的发展　在前苏联，将超声波用于防垢的尝试始于２ｏ世　纪３０年代初，６０、７０年代才开始比较广泛的工业应　用，但那时的超声波防垢装置十分笨重，使用不便，　造价高，电耗大，效能却很低，所以应用受到很大限　制。同一时期我国却在推广使用强磁防垢技术并以　失败告终。　基于超声波防垢技术上发展的声学防垢技术于　２ｏ世纪９ｏ年代中期实现了真正意义的重大突破，技　术装置完全实现了实用化和工业化。我国于１９９８　年由清华大学国际技术转移中心从俄罗斯引进了该　项技术，并且开始了广泛的工业应用。　较之以往的超声波防垢技术，声学防垢技术的　突破主要有三个方面：　１）作用方式的突破：取消向水里导人声波的水　用能量转换器，声频振荡完全由热交换设备的金属　构件导人，并传递给水介质，安装变得十分简便；　２）总体设计上的突破：使用瞬时强脉冲输出，　激发和利用金属谐振，使防垢装置的能耗、体积大大　减小，造价降低，工作的可靠性和使用寿命大为提　高；　３）核心材料上的突破：新型的磁致伸缩材料不　但工作效能高，而且可耐受２Ｏ０　ｏＣ的高温。　声学防垢技术达到了一个全新的高度。参考普　通的应用实例：２００２年在鞍钢房产公司山南供热站　的两台四吨热水锅炉上，安装了一套声学防垢装置，　总电耗１６０瓦，由一台信号发生器驱动四台换能器，　每台锅炉锅壳上各装两台换能器。停软化水装置，　给水为自来水。两台锅炉经一个采暖季节烟管干净　如新（见图１）。　

图１安装换热器的锅炉烟管　声学防垢技术在我国的应用涉及炼油、石油开　采、供暖、钢铁、矿山、热电、无机化工、化肥、中央空　调、有色金属等多个工业领域，在管壳式换热器、板　式换热器、螺旋板换热器、套管式换热器，组合式／水　管式／夹套式热水锅炉、小型水管式／火管式／组合式　蒸汽锅炉等多种类型工业设备的直接防护方面都取　得了很大成功。　

２声学防垢装置工作原理　声学防垢装置由信号发生器及磁致伸缩能量转　换器（简称换能器）组成，信号发生器产生的脉冲信　号，经电缆传送至换能器转换成ｌ５—２５　ｌｄ－Ｉｚ的声频　

维普资讯 http://www.cqvip.com ・３２・　清洗世界　第ｌ２期　振荡，此声频振荡沿着热交换设备的金属构件（如管　板）传送至换热面上而起除垢防垢作用。　声学防垢装置需要根据其声学负载在１５—２５　Ｉｄ４＿ｚ范围内进行调节，使其振动状态达到最佳。由　于各类热交换设备体积比较大，调整后的工作频率　小于２０　ｋＨｚ，因此称之为声学防垢技术而不是超声　波（２０　ｋＩ４＿ｚ以上）防垢技术。　声学防垢技术是利用积垢硬而脆的机械特性而　起作用的，当换能器激发的声频振荡沿着钢铁传至　换热面上时，上面附着的积垢，包括化学处理时都难　以除掉的含铁化合物，都会不断剥落下来。此外，管　线的弯曲震荡会在残留水垢处产生切向机械张力，　使水垢产生裂缝，这样，水就会进入裂缝中。裂缝中　的水经炽热的管壁加热膨胀，在管线震动产生的切　力的共同作用下，水垢成块脱落，随水流带走。　其次，声频振荡也能从管壁传至水里，水里形成　的声场具有缩短诱导期，降低过饱和度的作用，可促　使小部分溶解于水中的硬度盐直接在水中结晶化，　生成了少量粥样水垢沉淀物并随水流排走。　必须申明，声学防垢技术与国内的超声波防垢　技术有本质上的不同，后者使用水用换能器，将超声　波导入水里。如上所述，水里存在的声场虽然能使　部分的硬度盐结晶化，但比例非常小，绝大部分污垢　仍然直接在换热面上生成和附着，而超声波遇到刚　性界面便反射回来，无法使积垢成片剥落，因此，宏　观上效果不佳。　声频震荡还有助于清除管壁表面小孔和裂缝所　附着的含氧气泡，以及降低水中溶解氧的过饱和度，　从而减轻管壁的氧化锈蚀，延长换热设备使用寿命，　并使垢下腐蚀得到大大的延缓。　声学防垢技术是一项通过对积垢持续不断的在　线剥落来达到防垢效果的新型物理防垢技术。体系　中，除垢与结垢形成某种动态平衡，只要保持足够的　声频振荡的强度，使除垢的速度大于结垢的速度，便　可维持热交换设备的无垢运行。　声学防垢装置安装极为简便，只需要在管板上　或锅筒外壳上（不需挖孔）焊一个连接头，拧上换能　器，接通信号发生器和电源即可。　３　声学防垢技术的应用　声学防垢技术主要应用于以水为介质的析晶型　污垢，也就是呈过饱和的流动溶液中的溶解无机盐　淀析在换热面上形成的复合盐结晶体。一些情况　下，也可以应用于无机化工反应器、蒸发器、管线等　设备产生的污垢，这类污垢俗称结疤。　对微粒型污垢（如矿泥的沉积板结），软性、粘　性、韧性污垢（如聚合物、油焦）声学防垢技术不起作　用。　３．１无相变水垢　声学防垢技术大量应用于各类以水为无相变换　热介质的热交换装置，这是声学防垢技术最广泛和　最主要的用途。　使用声学防垢技术的换热设备给水一般是原　水，可以是地下水或高硬度原水。极端的用例是：长　庆油田安装在加热油水混合物的套管式换热器和加　热炉上，冬季用以加热从一千多米深的采油井里泵　出的油水混合物，水的矿化度（含盐量）最高可达６ｏ　异／Ｌ，垢质坚硬，成分复杂，有碳酸盐、硫酸盐和硅酸　盐等。　一般条件下，以水为无相变换热介质的热交换　装置，换热面上刚刚结成的水垢比较疏松，靠近换热　面一侧的水垢经过一段时间的老化，失去部分结晶　水之后才变成致密坚硬的垢层。但是在安装声学防　垢装置的换热器上，水垢很快就剥落了，并且直接分　散成粉末状，形成粥样水垢随水流排掉了。因此，安　装声学防垢装置时是新的或除垢干净的换热器，换　热管长期运行也干净如新（如图１）；安装声学防垢装　置之前便有积垢，在换热管未堵死并且垢层不厚的　情况下，旧垢也能逐渐剥落。剥落的速度取决于结　垢致密与否、垢层厚度、声频振荡强度大小等因素，　

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