专利名称：长管道高效超声波防垢/除垢装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及超声波管道防垢/除垢领域，具体涉及一种长管道高效超声波防垢/ 除垢装置。
背景技术：
在管道运输领域中，主要采用管道将需要运送的物质运送到指定的地点，但是通 常会存在以下的问题，例如在输油管道中，由于输油过程中温度的变化，油中的腊逐步析 出沉积在管壁上，从而造成阻力增加，严重时影响输油；在发电厂的除灰水回水管道中，冲 灰水二次利用，产生的结垢问题非常严重，甚至影响安全生产；在煤气输送管道中，则容易 发生冰堵，因而造成严重安全事故。因此，怎样解决因管道太长，结垢(结腊)严重问题，是 长期困扰世界性的难题。为此功率超声波脉冲技术在除垢防垢领域已经得到了很好的应用，这种方法是众 多的物理在线防垢除垢技术领域中性能最优越的一种方法，其原理是以管道为媒体传播超 声能量，从而产生一种压缩和膨胀交替的波，如果声能足够强，液体在波的膨胀阶段被推 开，由此产生气泡，而在波的压缩阶段，这些气泡就在液体中瞬间爆裂或内爆，产生一种非 常有效的冲击力，特别适用于清洗，这个过程称之为空化作用。超声波在金属中的传播方式有好几种，例如是纵波、横波、表面波等，这与管道的 形状、尺寸、材料性质以及超声波的激励模式有关。超声波在气体及液体介质中传播时，只 能从纵波形式向前传送，但超声波在固体介质中，除了有纵波传播外，有时还会发生横波。 在同一固体介质中，超声波横波声速小于其纵波声速(约为后者的48% 55%)。纵波在 固体媒质中传播时，常使固体的体积有交替的压缩和膨胀，因此纵波又叫膨胀波。横波在 固体中传播时不引起体积变化。另外，超声波在普通钢中的传播纵波速度是5850(m/s)，横 波速度只是3230 (m/s)，由此可见，有效的利用纵波的传播特点是提高长管道系统防垢除垢 (除腊)的关键和有效途径。现有的技术大都是以横波的形式在金属中传播，这种方法在小型的管道和换热其 中起到了很好的作用。例如，图1所示，专利号为ZL00214308.9的中国实用新型专利公开 了一种超声波管道除垢器，其技术是将换能器设置在管道的外壁上，从而产生超声波以横 波的形式以管道壁为媒介进行传播。但是这种技术只能应用在短距离除垢，而长距离除垢 则效率较低。还有一种是把换能器放置在管道内部，对管道内的液体介质实施超声作用，但是 超声波在液体中的传播速度只有1400m/s左右，远远低于在金属中的速度。因此，现有技术主要存在以下的缺陷第一，以横波的形式以管道壁为媒介，但是横波的传播速度较差，不利于长距离传 播；第二，以液体为媒介，以纵波的形式传播，同样存在传播速度低，效率低下的问题。第三，现有技术的换能器，多采用压电陶瓷作为换能器的材料，需要较高的驱动电压，且易老化，使用寿命短。
发明内容
针对上述缺陷，本发明的目的是提供一种长管道高效超声波防垢/除垢装置，以 解决现有技术除垢效率低，寿命短且能耗较大的技术问题。为实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案一种长管道高效超声波防垢/除垢装置，用于去除/预防运输管道中的污垢，其包 括功率脉冲信号控制机构以及连接在管道内的多个执行机构，所述功率信号控制机构通过 线缆与所述些执行机构电性连接；所述执行机构进一步多个换能器，该些换能器呈均勻环 状阵列式，插设在一变幅管上，所述些换能器内部由一内衬管与管内工质隔绝，外部由预紧 力法兰组合固定，所述些换能器通过线缆与功率信号控制机构电性连接。依照本发明较佳实施例所述的长管道高效超声波防垢/除垢装置，所述功率信号 控制机构进一步包括一中央控制器，其通过一开关电源连接外部电源，并由该开关电源控 制其关断和打开；一偏磁模块，其由一励磁电源控制其关断和打开；以及一功率脉冲发生 模块；其中，所述功率脉冲发生模块以及偏磁模块连接至执行机构中的换能器，并在所述中 央控制器的控制下，调节产生脉冲的功率、频率以及宽度。依照本发明较佳实施例所述的长管道高效超声波防垢/除垢装置，所述变幅管上 设置有多个通风管，将换能器产生的热量排出。依照本发明较佳实施例所述的长管道高效超声波防垢/除垢装置，所述执行机构 还包括一保护罩，该保护罩覆盖在所述预紧力法兰组合外部，且设置有用于冷却执行机构 热量的冷却风道以及用于穿设所述线缆的穿线管。依照本发明较佳实施例所述的长管道高效超声波防垢/除垢装置，所述预紧力法 兰组合进一步包括预紧力法兰、预紧力法兰肋板以及预紧力螺栓。依照本发明较佳实施例所述的长管道高效超声波防垢/除垢装置，所述换能器是 超磁致伸缩材料制成的换能器。依照本发明较佳实施例所述的长管道高效超声波防垢/除垢装置，所述换能器的 长度相同。依照本发明较佳实施例所述的长管道高效超声波防垢/除垢装置，所述换能器在 所述功率信号控制机构下产生超声波，所述超声波在管道内以纵波的形式传播。依照本发明较佳实施例所述的长管道高效超声波防垢/除垢装置，还包括设置在 管道上的多个传感器，用以测量管道不同位置的振动信号，并传输至所述功率信号控制机 构。依照本发明较佳实施例所述的长管道高效超声波防垢/除垢装置，所述换能器是 通过焊接与变幅管连接的。由于采用了以上的技术方案，使得本发明相比于现有技术，具有以下的优点和积 极效果第一，本发明将换能器串接在管道壁上，因此一金属管道侧壁为媒介将超声波以 纵波的形式传播，从而管壁以每秒1万次以上的速度发生弹性振动，使得管道的污垢逐步 震动瓦解，并且传输速度快，距离长；
第二，本发明的功率信号控制机构，可以根据监测到的信号实时判断管道的振动 信号，进而调节功率信号的输出幅度、频率等等，达到最佳的效果；第三，本发明将超磁致伸缩制成的换能器，取代传统的压电陶瓷制成的换能器，因 此机电转换效率更高，伸缩性能大，且能耗小，性能稳定，没有疲劳失效问题。
图1为现有技术的一种超声波防垢/除垢装置的示意图；图2A为本发明的系统结构图；图2B为本发明的第二实施例的系统结构图；图3为本发明的功率脉冲信号控制机构的框图。图4A为本发明的执行机构的结构图；图4B为图4A的A向视图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些 实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为 了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而 对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。另外，为了避免对本 发明的实质造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的方法、过程、流程、元件和电路寸。本发明的核心思想在于，将超磁致伸缩制成的换能器串接在管道壁上，超声波通 过管道壁以纵波的形式传播，并且通过传感器实时监测管道不同位置的震动信号，在控制 机构的控制下调节功率脉冲信号的频率、幅度等等，解决超声波应用频率、功率密度、除垢 效应三者之间的关系，实现了超声波能量传递最好、最远。请参考图2A，本发明的长管道高效超声波防垢/除垢装置主要用来去除/预防运 输管道中的污垢，其包括功率信号控制机构1以及连接在管道2内的多个执行机构3，功 率信号控制机构1通过线缆与执行机构2电性连接。功率信号控制机构1作为系统的控制 中心，控制脉冲产生的频率、宽度、脉冲束的宽度等等，可同时控制多个串联在管道上的执 行机构3，而执行机构3则根据功率信号控制机构1产生的功率超声波信号，产生超声波弹 性振动，进而完成除垢的效果。请参考图2B，本发明中也可以每个执行机构2分别对应一个功率信号控制机构1， 实现一一对应的控制效果。进一步参考图3，功率信号控制机构1进一步包括中央控制器11，其通过一开关 电源15连接外部电源，并由该开关电源15控制其关断和打开；一偏磁模块13，其由一励磁 电源14控制其关断和打开；以及一功率脉冲发生模块12 ；其中，所述功率脉冲发生模块12 以及偏磁模块13连接至执行机构3，并在中央控制器11的控制下，调节产生脉冲的功率、频 率以及宽度。请同时参考图4A和图4B，执行机构3进一步多个换能器31，换能器31均勻环状 阵列式，插设在一变幅管32上，换能器31内部由一内衬管33与管内工质隔绝，外部由预紧力法兰组合34固定，所述换能器33通过线缆与功率信号控制机构电性连接。换能器31通过特殊焊接与变幅管32连接，从而达到较佳的固定效果和能量传递 效果。换能器31的设计数量根据运输管道的管道直径大小决定，本发明的实施例中设置了 8个，各个换能器的长度和参数完全一致，但并非作为限制。为实现更好的超声波覆盖效果， 本发明优选换能器31在管道壁上均勻分布，环形阵列，从而达到较好的超声波覆盖效果。本发明中的换能器31是超磁致伸缩材料制成的，磁致伸缩材料的室温磁致伸缩 应变量大，伸缩量达0. 15%;转换效率高，机电耦合系数可达到0. 75 ；居里温度高达560°C， 工作温度达200°C。同时，相比于压电陶瓷材料需要几千伏到几万伏的高电压驱动，本发明 的其驱动电压低，工作时需要低电压驱动；并且，可承受高达200 700Mpa的压力，适于高 压力的执行器、大功率的声学换能器等；不存在压电陶瓷中失极化引起的实效问题，同时不 存在老化、疲劳问题，因而具有很高的可靠性。换能器的作用就是将电信号，转化成超声波信号，在固体或者液体中传播，其原理 是使得冷却水(油)产生空化效应，空化效应中气泡的破裂伴随高速射流产生，瞬间能产生 高压和局部高温强烈冲击波冲击物件表面，破坏垢类生成和在管壁沉积的条件，粉碎悬浮 于水中，阻碍沉淀。开始先产生许多小裂缝，当裂纹逐渐增多后，水垢便形成沙砾状颗粒，一 部分从管壁表面脱落。水在毛细的作用下通过细小裂缝渗入到受热表面，此处有水被蒸发， 从而带动垢层的膨胀和成片地脱落。这样垢质不会在设备的壁表面存留，随水流流走或通 过排污排除，达到防垢除垢的目的。由图中可以看出，本发明中换能器31是穿插设置在管道壁上的，众所周知，当振 动的方向与超声波的传播方向同相时，超声波主要以纵波的方式传播，当振动方向与超声 波的传播方向垂直时，超声波以横波的方式传播。因此，本发明中，超声波在管道壁主要是 以纵波的形式传播。以纵波的形式传播，相比于横波，具有更高的传输速度，以及更少的能量损失，并 且作用于金属表面的超声波振动产生的机械能量，可以引起板结在受热面上的污垢跟随金 属壁同步振动。由于污垢与金属管壁以及液体的弹性阻抗不同，即对超声波频率响应不同， 三者产生不同步的振动速度，因此产生高速的相对运动，由于速度差形成垢层与管壁界面 上的相对剪切力，即形成“剪切效应”，破坏了水垢和金属之间的结合，从而导致垢层产生疲 劳、裂纹、疏松、破碎而脱落。对于新的换热设备，由于壁上没有垢的沉积，这样在管壁始终 保持高速微振的状态下，垢质很难附着在壁上，起到了非常好的防垢效果。并且，在内管壁表面自然形成的裂缝中，存有水中溶解的氧气，在超声波振动的作 用下，它被强制从裂缝中排出来。超声波的脉冲长期地作用于管的内壁表面，在微小的缝隙 附近发生变形变化，这些变形变化把裂缝的边缘铆住，使它们被封住，水中的溶氧就不会渗 入裂缝中，消除了腐蚀的源头，保护金属免受磨蚀。管子的内壁变得光滑了，而且它的总面 积迅速地减小，破坏了腐蚀的条件，从而减小了金属受腐蚀的概率，这种防腐蚀的效果在某 种程度上取代了管子内表面的钝化，相当于清除钢铁管受氧腐蚀的装置。本发明还在管道壁上设置了多个传感器，以实时监测管道不通位置的振动情况， 并将振动的信息传输到，功率信号控制机构1的中央控制器11，进而中央控制器11控制功 率发生模块12和偏磁模块13，以调节执行机构3中换能器31产生的超声波的能量大小，频 率等等，以适应不同的要求，达到更好的控制效果。
请再参考图4A和图4B，为实现较好的而保护效果，本发明的执行机构3设置了保 护罩36包覆预紧力法兰组合34的外侧，预紧力法兰组合34进一步包括预紧力法兰、预紧 力法兰肋板通过预紧力螺栓固定。变幅管32上设置了多个通风管35，通风管35联通保护 罩36的空腔，通过冷却风道38将执行机构3释放的热量通过自然风进行冷却。由于每个 换能器31均通过线缆连接到功率信号控制机构1上，为此，在保护罩36上设置了一个穿线 管37，将全部线缆集合在一起，再连接至功率信号控制机构。此外，本发明的换能器产生的超声波，其造成的空化作用可以使水分子裂解为 H·自由基和HO ·自由基，甚至为H+和0H—等，而OH与成垢物质离子可形成诸如Ca (OH) 2、 Mg(OH)2等的化合物，从而增加水的溶解能力，使其溶垢能力相对提高，可以提高了水和成 垢物质的活性，破坏垢类物质生成和在管壁沉积的条件，使成垢物质在液体中形成分散沉 积体不在管壁上形成硬垢。管道在本装置的超声作用下，使管壁和水之间由于振动而产生微小的射流，对滞 流边界层和层流内层产生破坏作用，使它们发生形变、位移和湍动。在所激发的共振系统 中，使滞流层厚度减小，并对流体流动的主体造成强烈的扰动，极大的提高了层流层区域 的流速，减小了层流层的阻力，即降低了水动力强度，增加流体的湍流程度，从而提高了水 (油)流的速度，对于换热管道或设备可以提高换热系数10% 40%。综上所述，依照本发明较佳实施例的长管道高效超声波防垢/除垢装置换能器串 接在管道壁上，因此一金属管道侧壁为媒介将超声波以纵波的形式传播，从而空化效应使 得管道的污垢逐步振动瓦解，并且传输速度快，距离长；本发明的功率信号控制机构，可以 根据监测到的信号实时判断管道的振动信号，进而调节功率信号的输出幅度、频率等等，达 到最佳的效果；本发明将超磁致伸缩制成的换能器，取代传统的压电陶瓷制成的换能器，因 此机电转换效率更高，伸缩性能大，且能耗小，性能稳定。依照本发明的所述的长管道高效超声波防垢/除垢装置，不仅可以实现长距离管 道的明显的除垢效果，还可以预防污垢的形成，还可以防止水中溶氧对金属的腐蚀，同时减 少阻力，提高流速。本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的 细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式
。显然，根据本说明书的内容，可作很多的 修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实 际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明。本发明仅受权利要求书及其 全部范围和等效物的限制。
权利要求
一种长管道高效超声波防垢/除垢装置，用于去除/预防运输管道中的污垢，其特征在于，包括功率信号控制机构以及连接在管道内的多个执行机构，所述功率信号控制机构通过线缆与所述些执行机构电性连接；所述执行机构进一步多个换能器，该些换能器呈均匀环状阵列式，插设在一变幅管上，所述些换能器内部由一内衬管与管内工质隔绝，外部由预紧力法兰组合固定，所述些换能器通过线缆与功率信号控制机构电性连接。
2.如权利要求1所述的长管道高效超声波防垢/除垢装置，其特征在于，所述功率信号 控制机构进一步包括一中央控制器，其通过一开关电源连接外部电源，并由该开关电源控制其关断和打开；一偏磁模块，其由一励磁电源控制其关断和打开；以及一功率脉冲发生模块；其中，所述功率脉冲发生模块以及偏磁模块连接至执行机构中的换能器，并在所述中 央控制器的控制下，调节产生脉冲的功率、频率以及宽度。
3.如权利要求1所述的长管道高效超声波防垢/除垢装置，其特征在于，所述变幅管上 设置有多个通风管，将换能器产生的热量排出。
4.如权利要求1所述的长管道高效超声波防垢/除垢装置，其特征在于，所述执行机构 还包括一保护罩，该保护罩覆盖在所述预紧力法兰组合外部，且设置有用于冷却执行机构 热量的冷却风道以及用于穿设所述线缆的穿线管。
5.如权利要求1所述的长管道高效超声波防垢/除垢装置，其特征在于，所述预紧力法 兰组合进一步包括预紧力法兰、预紧力法兰肋板以及预紧力螺栓。
6.如权利要求1所述的长管道高效超声波防垢/除垢装置，其特征在于，所述换能器是 超磁致伸缩材料制成的换能器。
7.如权利要求1所述的长管道高效超声波防垢/除垢装置，其特征在于，所述换能器的 长度相同。
8.如权利要求1所述的长管道高效超声波防垢/除垢装置，其特征在于，所述换能器在 所述功率信号控制机构下产生超声波，所述超声波在管道内以纵波的形式传播。
9.如权利要求1所述的长管道高效超声波防垢/除垢装置，其特征在于，还包括设置在 管道上的多个传感器，用以测量管道不同位置的振动信号，并传输至所述功率信号控制机 构。
10.如权利要求1所述的长管道高效超声波防垢/除垢装置，其特征在于，所述换能器 是通过焊接与变幅管连接的。
全文摘要
本发明提供一种长管道高效超声波防垢/除垢装置，用于去除/预防运输管道中的污垢，其包括功率脉冲信号控制机构以及连接在管道内的多个执行机构，所述功率信号控制机构通过线缆与所述些执行机构电性连接；所述执行机构进一步包括多个换能器，该些换能器均匀环状阵列式，插设在一变幅管上，所述些换能器内部由一内衬管与管内工质隔绝与管内工质隔绝，同时具有和原管道同样的强度，外部由预紧力法兰组合固定，所述些换能器通过线缆与功率信号控制机构电性连接。依照本发明的所述的长管道高效超声波防垢/除垢装置，不仅可以实现长距离管道的明显的除垢效果，还可以预防污垢的形成，还可以防止水中溶氧对金属的腐蚀，同时减少阻力，提高流速。
文档编号B08B9/027GK101934280SQ201010233240
公开日2011年1月5日 申请日期2010年7月12日 优先权日2010年4月20日
发明者褚兴全 申请人:褚兴全;时洪齐