研究超声波的抗垢能力

作者：未知   发布时间：2014-03-18  浏览：0次

本工作在前述研究污垢的基础上，将超声波设备与自行研制的池沸腾实验装置联合使用，在高浓度CaCO3污垢溶液中及不同的工艺条件下，对超声波的阻垢及抗垢作用进行了实验研究。实验实验装置实验装置包括池沸腾设备（加热段和沸腾段）、超声波设备和数据采集系统。池沸腾设备加热源由紫铜棒（直径0.07m，高0.1m）外套不锈钢电加热套组成，并与测试铜柱相连，其中测试铜柱为紫铜柱（直径0.03m，高0.06m），其上表面加有聚四氟乙烯绝缘垫，以防止实验介质渗入铜柱的边缘。加热器表面积为9×104m2.实验运行结果和分析超声波对无垢质蒸馏水传热的影响实验测定了无垢质蒸馏水在一定热通量下的传热系数，结果示于（图中时间是从溶液温度达到100℃时开始计时，下同）。加热功率150W，实验温度100℃。

　　由图可以看出，由于开启超声的间隔，传热系数出现了上下波动。初始阶段传热系数出现了较快的增加，这是由于逐渐增加的热通量导致加热器表面气泡的核化数量增加，因而传热系数增加。总体来看，超声波的加入可以使传热系数明显提高。从机理方面分析，功率超声是利用振动形式的能量使物质的一些物理、化学和生物特征状态发生改变或使这种改变过程加快的一门技术。超声波提供的振动能量较大，使液体分子之间及分子与金属表面之间的结合力减弱，从而使分子的移动速率加大，有利于分子之间热量的传递。从传热系数随时间变化的曲线来看，超声波具有明显的抗垢性能。从理论方面分析，超声波辐射于液体中产生三方面作用而具有抗垢能力：超声波传播速度随着介质的变化而产生速度差，从而在界面上形成剪切应力，导致分子与分子之间、分子与金属表面间结合力减弱，阻止了污垢晶体附着在金属表面上；超声波在流体介质中的空化作用所产生的强大压力峰加速了Ca2+的析出，并将已析出的碳酸盐垢及颗粒杂质击碎成细小的颗粒而悬浮于介质中；超声波在流体中空化所造就的高温高压特殊物理环境加速了化学反应，改变了垢质的结垢条件。污垢溶液浓度对传热系数的影响对于未加载超声波的条件下，可以肯定污垢溶液浓度愈高，对传热愈不利，但加载超声波之后，传热效果大不相同。本研究在较高和较低浓度的污垢溶液中超声波的抗垢效果较好，。加热功率150W，实验温度100℃。

　　污垢溶液浓度对传热系数的影响由图可以看出，在CaCO3污垢溶液浓度为300和1200mg/L时，其传热系数较高，而在浓度为600和900mg/L时传热系数较低。分析认为，当溶液浓度较高时，超声波极大地提高了过饱和溶液的成核速率，有利于在溶液中形成大量的小沉淀颗粒，从而消除了溶液的过饱和度，缓解了固体表面成垢的压力。同时，水解产生的H自由基的寿命比较长，它产生还原作用，可以使生成的积垢剥落下来。超声辐射便被处理溶液直接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压力峰破坏已生成的垢层，使其易于脱落。溶液浓度越高，过饱和度越高，成垢越多。同时超声波对成核速率的增强作用越大，对溶液的辐射作用越强，使更多的垢层脱落。当达到某个临界点时，超生波使传热系数增大的作用超过了CaCO3垢使传热系数降低的作用，因此在溶液浓度较高时，传热系数出现了增大的趋势。热通量对传热系数的影响在加载超声波的相同条件下，分别考察了污垢浓度为1200mg/L的溶液在不同热通量（加热功率）下传热系数随时间的变化，结果。实验温度为100℃。可以看出，在相同的污垢浓度下，加热功率由150W提高到180W时，可使传热系数提高1.3倍左右。这是由于在高的热通量下，活化核位增加，产生了更多的活性气泡，传热系数明显增大。实验还表明，热通量的改变对传热初期的效果更显著。在较高的热通量下，传热系数显示了较高的数值，但最终仍将稳定在较低的数值上。

　　热通量对含垢质溶液传热系数的影响结论无论是有无垢质的溶液中，超声波的使用明显强化了加热器表面的传热效果，热通量的提高使传热系数提高，但对传热初期的效果更显著。在池沸腾装置中，在较低和较高浓度的污垢溶液中有利于提高传热系数。传热系数的提高意味着污垢量的减少。污垢溶液浓度较高时，超声波在液体介质中的巨大空化作用有利于将已析出的碳酸盐垢击碎成细小的颗粒悬浮于介质中，阻止污垢晶体附着在加热器表面，从而缓解固体表面成垢的压力，减少了污垢的生成。

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