超声式蒸发器除垢性能的研究

宋文慧 宋继 田阚红

[摘 要]蒸发器应用广泛。而蒸发设备结垢，不仅增大了设备的热阻，降低了设备的传热效率，而且污垢会腐蚀设备壁面，导致穿孔，造成物料泄露和损失，严重时甚至会产生爆炸隐患。本文采用超声式蒸发器，利用超声波的多种效应达到强化传热的目的。

[关键词]超声式蒸发器;强化传热;除垢;最佳效果

中图分类号：TQ051 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）24-0235-02

超声波的主要作用之一就是空化效应。超声波的能量对被处理流体介质直接产生大量空穴和气泡，当这些空穴和气泡破裂和挤压时，产生一定范围的强大压力峰，成垢物质在压力峰作用下，粉碎悬浮于水中，并使已生成的垢层破碎使其易于脱落，这样达到超声波除垢的目的。

1、实验部分

1.1 实验试剂的选定

综合考虑各种因素，碳酸镁和硫酸钠垢质在不锈钢上结垢效果最好。其结垢垢物丰富，质地较为坚硬，附着效果最好，因此在选用结垢物料时选用碳酸钠与硫酸镁溶液混合制备的污垢与同时析出的硫酸钠析晶体作为实验物料模拟高含盐废水进行实验。

1.2 实验条件选取

需要确定的实验变量为不同溶液浓度下的结垢天数。通过观察发现，采用质量浓度为4%的碳酸钠与硫酸镁溶液混合碳酸镁溶液浸泡天数达到4天以上，在不锈钢表面即形成厚度可观质地坚硬的垢层，将结垢后的不锈钢管材采用流速20ml/h的水流冲洗，垢层难以清洗，加入外力清洗后垢层亦有所残留，因此采用此条件下生成的垢物进行超声波蒸发器除垢实验。

1.3 实验仪器

本实验采用由课题组成员设计研发的超声式蒸发器，将超声波发生器与中央循环管蒸发器相结合的一种新型蒸发器。

1.4 实验方法

在实验过程中，均采取平均传热系数作为蒸发器传热性能的标准。

本实验为了获得结垢前后超声波蒸发器传热系数随各操作参数：进料流量、蒸发温度、传热温差、超声波功率密度等的变化情况，以及超声蒸发器的强化传热效率，除垢的效果采用重复实验测得的数据平均值计算传热系数作为实测值，其计算方程如下：

式中：hav—蒸发器的平均传热系数，（W/m2·℃）;

Q—单位时间内蒸发壁面所传递的热量，（J）;

A—蒸發器的总传热面积，（m2）;

△t—平均传热温差，即蒸发管内壁温度Tw减去蒸发温度Tsat再减去温差损失之差，（℃）;

T—蒸发时间，（s）;

m—10min内冷凝水质量，（kg）;

r—饱和水蒸汽汽化热，（kJ·kg-1）;

在其它条件相同的情况下，超声波功率密度为0和W（W≠0）所对应的传热系数分别为h0和hw，在此定义超声波作用于自来水蒸发过程的强化效率J为：

h0—超声波功率密度为0时所对应的传热系数，（W/m2·℃）;

hw—超声波功率密度为W时所对应的传热系数，（W/m2·℃）。

实验过程中需要测量的实验数据如下：

锅炉的压力、温度及水位、物料的进料温度、进料流量、通、二次蒸汽冷凝量和加热蒸汽冷凝量、管内压力和蒸发温度。

（1）不加超声，不同蒸发温度下蒸发器结垢前后传热系数变化

上图1按从左向右，从上至下顺序依次为分别为：（1）蒸发温度为65℃，有无结垢情况下传热系数对比;（2）蒸发温度为70℃，有无结垢情况下传热系数对比;（3）蒸发温度为75℃，有无结垢情况下传热系数对比;（4）蒸发温度为80℃，有无结垢情况下传热系数对比;（5）蒸发温度为85℃，有无结垢情况下传热系数对比;（6）无垢时蒸发温度85℃、进料流量为40L/h蒸发器无垢时传热系数随超声波功率密度变化情况。

上图（1）-（5）为不加超声波情况下，不同进料温度下，蒸发器结垢前后传热系数随进料流量的变化。无垢的传热系数均在有垢的上方，说明在未结垢时，蒸发器的传热系数基本随着进料流量和蒸发温度的增加而增加。由于壁面发生结垢，蒸发器的传热系数均比无垢时降低，传热系数的下降率均在5%以上，下降率最大的可达到64%。在80℃，有垢和无垢传热系数随着进料流量增大到一定程度反而降低，85℃时，无垢的传热系数岁进料流量增大基本处于平缓，而有垢情况下当进料流量达到一定程度下降非常明显，这是由于温度越高使壁面处的污垢层质地密集，远离壁面地方的垢层质地稀疏，沉积在蒸发器壁面的垢质与壁面的结合程度比低温度下结合牢固，使得在高蒸发温度进料流量增大的情况下，蒸发器的传热系数下降较大。说明即使增大流量增加温度也不会使垢物去除。

（2）无垢时，超声波功率密度对传热系数的影响

图（6）所示为无垢时蒸发温度85℃、进料流量为40L/h蒸发器无垢时传热系数随超声波功率密度变化情况。随着超声波功率密度的增加，蒸发器的传热系数由822.4W/m2·℃逐渐增大至最大值1080.4W/m2·℃，然后又减小至962.7W/m2·℃，蒸发器传热系数随功率密度的变化出现一个峰值，在此工作条件下，为最佳工作点。

（3）结垢条件下，85℃，不同流量下功率密度对传热系数的影响

上图2按从左向右，从上至下顺序依次为分别为：（1）不同进料流量下蒸发器的传热系数随功率密度的变化;（2）不同蒸发温度下蒸发器的传热系数随功率密度的变化;（3）三种情况下蒸发器传热系数对比;（4）传热系数强化效率。

上图（1）为有垢条件下，85℃，不同进料流量下传热系数随超声波功率密度变化情况。（因为在图6发现有垢条件下85℃的时候达到最大传热系数。故选择85℃）

同蒸发器无垢时一样，传热系数随着超声波功率的增加先增加，达到一个最大值后再减小。蒸发器无垢时，当超声波功率为0.9W/cm2时得到最大传热系数;当蒸发管壁上存在污垢时，传热系数在0.6W/cm2时达到最大，之后随着超声波功率的增加逐渐减小趋势或有轻微波动。有污垢时达到的最大传热系数小于无垢的最大传热系数。

（4）有垢条件下，不同蒸发温度下，功率密度对传热系数的影响

如上圖（2）所示为蒸发器结垢后，不同蒸发温度下蒸发器的传热系数随功率密度的变化。加入超声波后，蒸发温度越高，蒸发器的传热系数越大，传热系数随着功率密度的变化同样呈抛物线势变化，且在超声波功率为0.6W/cm2时传热系数达到最大。与图1中（1）-（5）结垢后未加入超声波时高进料温度使超声蒸发器传热系数出现大幅度下降不同，加入超声波后在高进料温度下的蒸发效果更好，传热系数显著提高。前面已经分析，不加超声温度升高传热系数下降是由于升温增加垢与壁面的紧密结合，但在加入超声波的情况下，超声波的多种效应使垢层由质地坚硬的硬垢变得松散，作用于垢质上的应力和污垢与管壁间的结合力下降，超声波使垢层发生剥离，此时有了超声后再升高温度，加速了分子的热运动，使污垢的剥离速率加快，因此同为加入超声波时不同，加入超声波并提高进料温度的条件下，蒸发器的传热系数显著增加。

（5）超声波蒸发器除垢强化传热效率

强化效率反应了加入超声波后，超声波对蒸发过程中传热系数提高的影响，传热系数的提高同时也代表着除垢率的提高，根据公式，其具体表现结果如图2中（3）所示。

如图所示，在85℃时随着加入超声波功率密度的增加，无垢条件下传热系数超过有垢，在都是结垢的条件下，随着加入超声波功率密度的增加，85℃时比65℃时传热系数高。

图2中（4）是结垢后，蒸发器最佳除垢温度85℃同最低进料温度65℃相比的强化效率，强化效率最高提高79.57%，平均提高35.93%，但不能说明此处的强化效率越高所对应的工作参数最好，因为每个强化效率均对比的相同超声波操作下的传热系数，而不是选择最小传热系数进行对比。

3、结论

经过结垢实验后的超声波蒸发器，同污垢时物料采用纯水运行时相比，在不同进料温度下运行的蒸发器，其传热系数比无垢时均有所下降，蒸发器传热系数下降率均在5%以上，下降率最大可达到64%。在无垢情况下加入，在超声波的空化作用下蒸发器的传热系数可由822.4W/m2·℃增大至1080.4W/m2·℃，达到最大传热系数时超声波的功率密度为0.9W/cm2，之后随着超声波功率的增加逐渐减小，但依旧大于未加入超声波时蒸发器的传热系数。

同未结垢时相比，结垢后的超声波蒸发器的传热系数随超声功率的增加同样呈现抛物线式变化，但不同的是结垢后传热系数在超声波功率密度为0.6W/cm2时达到最大，最大可到1033.445W/cm2，随着超声波功率的增加逐渐减小。加入超声波后传热系数随着进料温度的升高显著升高，85℃时的强化效率也远大于65℃时的强化效率。在超声波的作用下蒸发器管壁上的垢物基本能够去除，强化效率最高提高79.57%，平均提高35.93%。

参考文献

[1] Qiao-zhen Wang，Xiao-tong Zhao，Jin-ming Cheng，Lan Lan，Jun-ping Fu.Experimental study on enhancement of heat transfer by ultrasonic wave[J] .Power System，2006，7（12）：38-40.

[2] 李宗会.自然循环蒸发器自动清洗与强化传热的研究及设计[D].湘潭：湘潭大学，2008.

[3] 宋玉臣，宋继田，韩峰，等.超声式蒸发器强化传热性能分析[J].现代制造，2015（20）：24-28.

[4] Huang L L，Zhang M D，Niu Y，et al.Influence of ultrasonic parameters on the descaling effect[J].Journal of Shaanxi Normal University，2011，12（5）：23-26.

作者简介

宋文慧（1986-），女，籍贯：内蒙古乌兰察布市，当前职务：技术员，当前职称：助理工程师，学历：本科。