強(qiáng)化換熱管型對(duì)超聲波傳播特性及空化效果的影響

張艾萍，張毅，謝媚娜，張帥

（東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

在現(xiàn)代工業(yè)中廣泛使用的管道、換熱器、蒸發(fā)設(shè)備等，總是在其與液體的接觸面產(chǎn)生結(jié)垢問(wèn)題，這不僅影響設(shè)備使用效率使能源消耗增大，還影響安全生產(chǎn)。由于超聲波除垢有著安全、高效、無(wú)污染的特點(diǎn)，因此近年來(lái)日益受到人們的重視[1-4]。

Niemczewski[5]研究了介質(zhì)中所含的鹽類的種類和濃度的不同以及超聲波參數(shù)對(duì)超聲空化的影響。皇磊落等[6]研究了超聲波功率和流體參數(shù)對(duì)超聲波除垢效果的影響。朱秀麗等[7]通過(guò)測(cè)量聲致發(fā)光強(qiáng)度，研究了溫度等因素與超聲空化之間的關(guān)系。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于超聲波傳播特性及空化影響因素的研究主要集中在換熱介質(zhì)參數(shù)和超聲波參數(shù)方面，對(duì)于管型的幾何參數(shù)對(duì)超聲波傳播特性及空化影響的研究還較少。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)選取幾種常見強(qiáng)化換熱管型，分別研究各種管型對(duì)超聲波傳播特性和空化的影響，為超聲波除垢應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)超聲波在強(qiáng)化換熱管內(nèi)傳播時(shí)，會(huì)因?yàn)楣艿缼缀谓Y(jié)構(gòu)的變化使聲波發(fā)生反射和折射，導(dǎo)致聲波在傳播過(guò)程中發(fā)生衰減。聲波的反射和折射定律見式（1）、式（2）。

式中，c1和c2是聲波在媒質(zhì)1 和媒質(zhì)2 中的傳播速度，m/s；θi、θr、θt分別為入射角、反射角和折射角；k1和k2為媒質(zhì)1 和媒質(zhì)2 中的聲波波數(shù)。

當(dāng)聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，聲波的能量會(huì)有部分被傳播介質(zhì)所吸收，并轉(zhuǎn)化為熱能、動(dòng)能等，導(dǎo)致聲強(qiáng)降低，見式（3）、式（4）[8]。

式中，I 為聲強(qiáng)，W/cm；α為水的吸收系數(shù)；L為聲波在介質(zhì)中的直線傳播距離，m。

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)比較不同管型出口處的超聲波聲強(qiáng)值，分析超聲波在管內(nèi)傳播時(shí)的衰減強(qiáng)度，對(duì)超聲波在不同管型中的傳播特性進(jìn)行比較。

超聲空化是指聲場(chǎng)中空泡的非線性振動(dòng)以及空化泡破裂產(chǎn)生的二次沖擊波的組合。當(dāng)介質(zhì)內(nèi)空化泡破滅時(shí)，產(chǎn)生的沖擊波會(huì)輻射連續(xù)噪聲。因此Frohly 等[9-10]認(rèn)為當(dāng)氣泡從穩(wěn)態(tài)振動(dòng)變?yōu)樗矐B(tài)振動(dòng)后，可用連續(xù)白噪聲譜的積分值大小來(lái)表示空化效應(yīng)的強(qiáng)弱，見式（5）。

本文通過(guò)測(cè)量空化連續(xù)噪聲并積分，計(jì)算空化噪聲積分?jǐn)?shù)。通過(guò)比較超聲波在不同管型中的空化噪聲積分?jǐn)?shù)的大小來(lái)比較管內(nèi)超聲空化效果[11-12]。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法

圖1 為由超聲波發(fā)生器、加熱水箱、聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x、熱電偶、循環(huán)水箱空冷塔等設(shè)備組成的超聲波實(shí)驗(yàn)臺(tái)。超聲波發(fā)生器由電源控制，可產(chǎn)生固定頻率為20kHz 的超聲波。實(shí)驗(yàn)中，加熱水箱通過(guò)與溫控儀連接的加熱管加熱水箱中的水來(lái)加熱循環(huán)水，本文所研究的溫度段為20～80℃。強(qiáng)化換熱管均采用不銹鋼304，直徑為25mm，長(zhǎng)度為2m。

實(shí)驗(yàn)前需先開啟超聲波換能器約5min，待超聲波功率與頻率穩(wěn)定后再開始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)調(diào)節(jié)溫控儀來(lái)控制加熱水箱中的溫度加熱管內(nèi)的循環(huán)水，當(dāng)溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)溫度后維持溫度穩(wěn)定不變。流速由進(jìn)出口閥門調(diào)節(jié)，通過(guò)流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中依次采用圓管、波紋管、螺紋管、橫紋管，使用數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)分別測(cè)量實(shí)驗(yàn)段前后端的聲強(qiáng)波形圖、聲強(qiáng)值、空化噪聲積分值、溫度等參數(shù)。

圖1 超聲波試驗(yàn)臺(tái)

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析

2.1 強(qiáng)化換熱管入口處聲強(qiáng)值

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于換熱管前測(cè)點(diǎn)與換能器之間有一段管程，導(dǎo)致超聲波在這段管道中傳播時(shí)會(huì)受到傳熱介質(zhì)的影響而造成衰減而使聲強(qiáng)發(fā)生改變，使實(shí)際入口處的聲強(qiáng)是變化的。控制超聲波功率1200W、頻率20kHz 不變。將溫度由20℃升高到80℃，流速由0.2m/s 升高到0.5m/s，分別測(cè)量管道入口處的超聲波聲強(qiáng)。如圖2 為入口處聲強(qiáng)隨溫度和流速的變化曲線。

圖2 入口處聲強(qiáng)變化曲線

當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，影響超聲波傳播的因素不但有超聲波的參數(shù)還包括換熱介質(zhì)的參數(shù)。從圖2 中可以看出，入口處聲強(qiáng)隨溫度的升高先升高后下降，當(dāng)溫度達(dá)到55℃左右時(shí)聲強(qiáng)達(dá)到最大值。這是由于當(dāng)溫度較低時(shí)，隨溫度的升高水的黏 度下降，使超聲波傳播過(guò)程中的衰減作用減弱，有利于超聲波傳播。當(dāng)溫度較高時(shí)，黏度隨溫度的變化較小，此時(shí)熱傳導(dǎo)吸收稱為衰減的主要原因。隨溫度升高，管內(nèi)介質(zhì)與外界的熱交換加強(qiáng)，而熱交換產(chǎn)生的壓縮和膨脹的變化會(huì)對(duì)超聲波的傳播產(chǎn)生影響，使超聲波的機(jī)械能在這個(gè)過(guò)程中轉(zhuǎn)換為熱能，這個(gè)過(guò)程稱之為熱傳導(dǎo)吸收。隨溫度的升高熱傳導(dǎo)吸收作用加強(qiáng)，導(dǎo)致超聲波衰減作用加強(qiáng)，傳播特性變差[13]。

換熱管入口處聲強(qiáng)隨流速的增加先減小后增大，當(dāng)流速達(dá)到3.3m/s 左右時(shí)聲強(qiáng)的衰減最嚴(yán)重，入口處的聲強(qiáng)達(dá)到最小值。之后隨著流速的增加，入口處的聲強(qiáng)值又緩慢上升。由于隨換熱管道水的流速增大，管內(nèi)湍流強(qiáng)度增強(qiáng)，使空化閾值下降，有利于超聲空化的產(chǎn)生。但超聲空化產(chǎn)生的空化泡又會(huì)對(duì)超聲波傳播造成阻礙，使入口處聲強(qiáng)降低。而隨著流速的進(jìn)一步增加，由于湍流強(qiáng)度增加引起空化閥值減小的同時(shí)又導(dǎo)致超聲空化所消耗的能量減小，使入口處的聲強(qiáng)增大。

2.2 強(qiáng)化換熱管型對(duì)超聲波傳播特性的影響

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中控制超聲波功率1200W、頻率20kHz 不變。將溫度由20℃升高到80℃，流速由0.2m/s 升高到0.5m/s，每隔5℃測(cè)一組數(shù)據(jù)。得到強(qiáng)化換熱管出口處超聲波聲強(qiáng)隨溫度和流速的變化曲線。

圖3～圖5 為實(shí)驗(yàn)所用強(qiáng)化換熱管的幾何結(jié) 構(gòu)圖。

圖3 橫紋管

圖4 螺紋管

圖5 波紋管

橫紋管的幾何參數(shù)：φ1為25mm，φ2為21mm，L 為30mm，R 為0.5mm。螺紋管的幾何參數(shù)：φ1為25mm，L 為7mm，R 為0.5mm。波紋管的幾何參數(shù)：D 為25mm，d 為21mm，S 為30mm。

圖6 為4 種管型在55℃時(shí)出口處的聲強(qiáng)波形圖。從圖6 中可以看出，超聲波在圓管中的傳播特性明顯優(yōu)于其他管型，其次為橫紋管和螺紋管，在波紋管中傳播特性最差。

圖6 出口聲強(qiáng)波形圖

由超聲波聲強(qiáng)測(cè)量?jī)x測(cè)量得到出口處超聲波聲強(qiáng)隨溫度和流速的變化曲線，見圖7。從圖7 可以看出，出口處的聲強(qiáng)與進(jìn)口處聲強(qiáng)的變化趨勢(shì)基本相同，均是隨溫度的升高先升高后下降，當(dāng)溫度 達(dá)到55℃左右時(shí)出口處的聲強(qiáng)達(dá)到最大值，隨著流速的增加先減小后增大。幾種管型之間相互比較發(fā)現(xiàn)：超聲波在圓管中的傳播性最好，其次為橫紋管和螺紋管，超聲波在螺紋管中的傳播特性最差。這是由于相比其他幾種管型，長(zhǎng)度相同時(shí)波紋管有更多的管徑變化的管段，且管徑變化幅度更大，導(dǎo)致超聲波在波紋管內(nèi)傳播時(shí)，更容易發(fā)生折射，使超聲波的聲強(qiáng)發(fā)生衰減；同時(shí)由于截面變化導(dǎo)致管中流體湍流增強(qiáng)升高以及空間梯度發(fā)生改變，造成管內(nèi)超聲波的聲流驅(qū)動(dòng)力降低[14-15]。

對(duì)于出口處的聲強(qiáng)與進(jìn)口處的聲強(qiáng)比較，即圖2 與圖7 進(jìn)行對(duì)比可知，超聲波在沿?fù)Q熱管流動(dòng)的方向有著明顯的衰減，即使在傳播特性最好的圓管中衰減也十分劇烈，達(dá)到3×102倍。因此對(duì)于使用超聲波除垢的換熱管，管道的長(zhǎng)度不應(yīng)過(guò)長(zhǎng)，在沒有彎曲的情況下一般應(yīng)控制在200～300m 以內(nèi)；而管道類型的選擇也應(yīng)盡量采用管徑變化較小的圓管或橫紋管。

圖7 出口處聲強(qiáng)波動(dòng)曲線

2.3 強(qiáng)化換熱管型對(duì)超生波空化效果的影響

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中控制超聲波功率1200W、頻率20kHz 不變。將溫度由20℃升高到80℃，流速由0.2m/s 升高到0.5m/s，每隔5℃測(cè)一組數(shù)據(jù)。測(cè)量出口處的空化噪聲積分?jǐn)?shù)。圖8 為強(qiáng)化換熱管出口處超聲波聲強(qiáng)隨溫度和流速的變化曲線。

由圖8 可以看出，當(dāng)溫度較低時(shí)，隨著溫度的升高，空化噪聲積分?jǐn)?shù)逐漸增大，當(dāng)超過(guò)某一臨界值之后，隨著液體溫度的升高反而減少。這是由于當(dāng)溫度升高時(shí)會(huì)使液體黏滯系數(shù)G 下降，導(dǎo)致空化的閥值下降，能夠促進(jìn)超聲空化[16-18]。但同時(shí)溫度的升高又會(huì)導(dǎo)致蒸汽壓上升，使空化強(qiáng)度降低，使空化噪聲減小。從圖8 中還可以看出，強(qiáng)化換熱管出口處聲強(qiáng)隨流速的升高先減小后增大。對(duì)比幾種管型可以看出，管型對(duì)超聲空化有著明顯的影響，在橫紋管中的空化噪聲積分?jǐn)?shù)明顯大于其他幾種管 型，其次為圓管和螺紋管，波紋管出口處的空化噪聲積分?jǐn)?shù)最低。在相同溫度和流速下，橫紋管出口處的空化噪聲積分?jǐn)?shù)達(dá)到圓管與螺紋管的兩倍。這是因?yàn)樵谙嗤魉傧聶M紋管中的湍流強(qiáng)度要大于圓管。隨湍流強(qiáng)度的增加，會(huì)使超聲空化的閥值下降，有利于超聲空化，但同時(shí)空化閥值的下降，又會(huì)使空化強(qiáng)度降低，空化噪聲減小。因此，螺紋管和波紋管出口處的空化噪聲積分?jǐn)?shù)比橫紋管小。

圖8 出口處空化噪聲積分?jǐn)?shù)波動(dòng)曲線

3 結(jié) 論

通過(guò)使用超聲波實(shí)驗(yàn)臺(tái)，模擬工業(yè)常見的換熱器，分別采用圓管、波紋管、螺紋管、橫紋管，研究各種管型對(duì)超聲波除垢以及超聲空化的影響，得到以下結(jié)論。

在各種管型中，圓管最有利于超聲波的傳播，其次為橫紋管和螺紋管，在波紋管中的傳播特性 最差。

在橫紋管和螺紋管內(nèi)，由于湍流強(qiáng)度升高，更有利于超聲空化。在波紋管中，由于過(guò)高的湍流強(qiáng)度，反而抑制超聲空化。

管型的幾何參數(shù)對(duì)超聲波的傳播有著明顯的影響。相比于改變流體介質(zhì)的參數(shù)，管道的幾何參數(shù)對(duì)超聲空戶的影響更加明顯。

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