剪切弹性波在线防垢除垢系统及防垢除垢方法与流程

本发明属于除垢防垢技术领域，具体涉及一种剪切弹性波在线防垢除垢系统及防垢除垢方法。

背景技术：

传热和传质是工艺流程过程不可缺少的过程，换热器是用来传热的必备设备，换热器是通过具有导热优良的材料做换热面来进行传热的。污垢是附着在换热表面的那层固态或软泥状物质，它通常以混合物的形态存在，污垢的形成过程是换热表面从清洁状态到被污垢覆盖的过程，该过程广泛存在于工业生产流程中。污垢不仅妨碍传热增加增加流体流过换热面时的阻力，严重妨碍设备的正常运行，并造成能源的巨大浪费和经济损失。

长久以来，化学法防垢除垢技术被广泛使用，并且在一定程度上颇有成效。但同时也暴露了一些问题，比如投加化学药剂于冷却水中，会造成受纳水体的污染，增加固态废物和产生新的污染物，在温度适宜时还会滋生细菌和藻类；还有化学药品和水体的针对性比较强，当水体发生变化时，需要及时改变加药量或加药品种，化学法对工业流程的污垢处理只是起到了缓解的作用，例如为了保持循环水的良好的状态需要定期排污，及补充大量的新水。

物理方法除垢防垢技术应运而生，其原理是通过电场、磁场、声场、电化学等技术，对循环水施加一定的能量，通过促进垢在水体中结晶或者使垢在形成的最初阶段就被瓦解来抑制垢的形成，能够在线处理，不产生化学废液。具有轻微的防腐、溶垢和杀菌灭藻效果。该物理方法除垢防垢技术的缺点：处理效果和水质有关，对于硬水效果不明显、有失效问题、有时产生垢下腐蚀，应用环境温度有严格限制，不能用在相变环境下，另外对泥沙、生物黏泥等软垢也不具有除垢效果。仅用于低硬度的循环水水系统，不能用于硬度高（例如污水蒸发系统）的水系统，对于换热器或管道的结疤、积碳、积灰、阀门卡死等问题更是无能为力。

在线安装的外置式短脉冲超声波防垢除垢技术：其工作原理是通过安装在换热器外部的超声波换能器将功率超声波能量传递到换热壁面上，并产生一系列的物理效应，其中最重要是剪切效应，由于功率超声波能量在金属中的传递距离相比在空气中和液体中衰减小，该技术首先是前苏联用在舰船锅炉上的一种在线防垢除垢技术。由于舰船锅炉一般都是蒸汽锅炉，锅炉的换热管弹性较好，锅炉水都经过处理的，结垢程度不是非常严重，而且结垢温度很高，但产生一层薄垢后，在很小的脉冲外力作用下就会产生裂纹，热水进入裂纹后在高温管壁作用下产生蒸汽爆破把垢冲击下来，从而实现了良好的防垢除垢效果。然而在石油化工领域换热器的结垢情况要比蒸汽锅炉结垢复杂的多，锅炉结垢一般都是无机盐垢，而石油化工领域换热器的结垢一般是复合污垢，而且还具有一定的韧性和粘性，另外换热器的换热温度比较低，不会有蒸汽爆破的现象，还有的换热器换热管壁比较粗糙，这些现象都决定了石油化工领域换热器的结垢处理难度要比蒸汽锅炉的水垢大得多。外置式短脉冲超声波防垢除垢技术是利用电容充放电技术为换热器提供能量驱动换能器产生超声波能量，换能器和换热器紧密连接将超声波能量传递到换热壁面上，使换热壁面产生连续的很短的脉冲波动，一般情况是脉冲工作时间是2.5ms～5.0ms，脉冲间隔时间80ms～100ms。由于超声波能量的有效工作太短，有效的功率密度太低，使换热壁面的表面质点不能产生连续的椭圆运动，即不能使换热壁面与附着在上面的污垢产生良好的连续的相互剪切力，即对污垢的清除能量密度和能力非常小。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种剪切弹性波在线防垢除垢系统及防垢除垢方法，用于克服现有技术中除垢效率低，换热器使用寿命短，成本高，降低生产效率，容易引入二次污染，适用范围窄等缺陷。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种剪切弹性波在线防垢除垢系统，包括：

交流电源，为剪切弹性波在线防垢除垢系统提供工作电压；

整流滤波电路，将交流电处理成直流电；

逆变电路；

dsp微处理系统，控制逆变电路把直流电转换成可以变化的时间长度t、频率f、电压v的交流电脉冲信号，处理a/d转换电路输送的电信号，谐响应分析被除垢设备，找到被除垢设备的所有振动模态谐响应频率点，控制逆变电路输出频率f的交流电脉冲并激励换能器；

换能器，把上述时间长度t、频率f、电压v的交流电脉冲转换为时间长度t、频率f、振幅a的机械脉冲弹性波，并激励与换能器相连的被除垢设备产生一系列脉冲谐波；

谐波采样电路，采集被除垢设备上脉冲谐波响应点并将其转化为电信号；

a/d转换电路，将谐波采样电路转化的电信号反馈至dsp微处理系统。

进一步的，所述机械脉冲弹性波工作频率为10khz～35khz，脉冲工作时间从不小于10ms。

进一步的，所述换能器采用不低于700℃的磁致伸缩材料焊接加工制成。

进一步的，所述换能器直接或间接的设置在被除垢设备上。

一种采用剪切弹性波在线防垢除垢系统的防垢除垢方法，包括如下步骤：

步骤一，交流220v电源通过整流滤波电路处理成平稳直流电；

步骤二，dsp微处理系统控制逆变电路把直流电转换成可以变化的时间长度t、频率f、电压v的交流电脉冲信号；

步骤三，交流电脉冲信号激励换能器，把时间长度t、频率f、电压v的交流电脉冲转换时间长度t、频率f、振幅a的机械脉冲弹性波，同时，被除垢设备被该机械弹性脉冲波激励后，产生一系列脉冲谐波；

步骤四，脉冲谐波响应点由谐波采样电路转化为电信号；

步骤五，a/d转换电路将谐波采样电路转化的电信号反馈给dsp微处理系统；

步骤六，dsp微处理系统对被除垢设备进行谐响应分析，找到被除垢设备的所有振动模态谐响应频率点，并控制逆变电路输出的交流电脉冲的频率f激励换能器。

超声波防垢除垢技术的优点是通过换热器（或管道）的金属材料传递功率声波能量，由于声波在金属中的传递速度是水中的3倍以上，是空气中的120倍以上，而且在金属中的衰减率要远远小于在水中和空气中的衰减；所以超声波有利于在金属材料中的传播，超声波在金属中传递时会引起金属质点的微振，依据换热器（或管道）结垢的过程特点，换热器（或管道）内的成垢物质过饱和后析出并逐渐的粘附在换热管的内壁上，在此过程中是一个动态过程，即成垢物质在不断粘附在管壁上的同时，还有一些成垢物质被不断的剥离而离开管壁，此时由于功率声波在金属管壁中的传递，使金属管壁产生了高频低振幅的波动，加速了成垢物质剥离管壁的动能和速度，因而具有一定的防垢除垢功能。超声波在金属中的传递波形主要有三种形式，一种是短脉冲波形，一种是长脉冲波形，还有一种就是恒功率平滑波形。

不同的功率声波波形具有不同的功能特点，说明如下：

短脉冲：短脉冲防垢除垢技术的工作特点是功率声波的工作时间非常短暂，一般在5ms以下，而脉冲间隔时间相对有效工作时间很长，一般在80ms左右，这样就可以用电容充放电的形式给换能器供电。基于上述特点，短脉冲的瞬时功率较大，但持续的功率密度非常小，其优点是控制设备和换能器发热量很小，用电量小，在金属中的传递距离相对长脉冲技术小很多，在金属换热管表面传播功率声波能量时，使金属质点不能产生连续的椭圆运动，只有微弱的断续的椭圆运动，这样主要用来防垢除垢的剪切效应就非常微弱，即短脉冲技术的防垢除垢能力非常微弱，只能用在结垢速度很小或结垢不严重的领域。另外，短脉冲技术在实际应用中为了得到较高的能量密度，用来处理结垢较严重的换热器，需求增加换能器的安装数量，这样不但增加现场的施工工作量，而且换能器输出功率声波之间的干扰问题不好解决，容易产生相互抵消的问题。

长脉冲：长脉冲防垢除垢技术是短脉冲防垢除垢技术的升级换代技术，它不但继承的短脉冲防垢除垢技术在金属中传递时给换热面形成一定的脉冲扰动，而且这种脉冲扰动会更强烈。本发明采用的长脉冲防垢除垢技术是指功率声波的工作特点是功率声波的工作时间较长，一般在10ms及以上，也可以实现连续脉冲，而脉冲间隔时间相对有效工作时间较短，一般在100ms左右，这样就可以用电容充放电的形式无法满足换能器供电需求，而需要较大功率能够产生连续功率脉冲的电路供电。基于上述特点，长脉冲的瞬时功率也较大，而且持续的功率密度也比较大，其缺点是控制设备和换能器发热量较大，采取散热片等措施就能有效解决发热问题，而不需要复杂的水冷措施，在金属中的传递距离相对短脉冲技术长很多，而且衰减小，在金属换热管表面传播功率声波能量时，如图所示，本发明的长脉冲防垢除垢技术对换热器或管道施加的是大于10ms或连续的脉冲波形，这种波形能够使金属质点产生连续的椭圆运动，这种椭圆运动的最大振幅不大于5微米，其振动能量是金属疲劳期的1/10以内，能够确保是弹性波在金属中传播，即本发明的长脉冲防垢除垢技术对换热器或管道的防垢除垢过程中是弹性剪切波在起主导作用，即能够绝对保证被除垢防垢设备的安全运行，对被除垢防垢设备的使用寿命没有影响。这种金属质点连续椭圆运动的换热表面具有非常好的剪切效应，这样主要用来防垢除垢的剪切效应就很大，即对污垢的剥离能力就很好，本发明的长脉冲防垢除垢技术可以用在结垢速度很快或结垢严重的领域，例如一家污水蒸发器原来没用该技术防垢除垢前，每月至少一次需要停产酸洗，不但浪费人力物力、造成停产损失，而且产生废酸等环境污染，使用本发明的长脉冲防垢除垢技术后，能够保证污水蒸发器长期无垢运行。

另外，本发明的长脉冲防垢除垢技术对换热器或管道施加工作频率设计的也较宽，在10khz～35khz，在实践应用中会遇到不同金属材料和不同构造的换热设备，以及不同的结垢速度和不同的垢质特点，还有不同的温度、压力、ph值、硬度等参数；不同的现场结垢问题需要有不同的防垢除垢设备的参数，由于本发明的长脉冲防垢除垢技术的特点，该技术在实际应用中可以实现变频移相多峰值输出，能够根据现场被除垢设备的不同特点，提供适合的输出参数，以实现最佳的防垢除垢效果，即长脉冲技术的现场适应能力非常好，在实践应用中发现本发明的长脉冲防垢除垢技术适应范围非常广泛，对所有成分的成垢物质都具有非常好预防和清除能力，而且对清除积碳、结疤等也具有非常好的效果，具有广谱性。

恒功率平滑波形：这种波形的功率声波技术控制电路相对简单，一般适合用在功率超声生化设备上，或应用在超声加工等领域。这种波形的功率声波设备一般输出功率比较大，耗电大，发热量大，需要水冷。这种波形的功率声波技术不适合用在换热器的防垢除垢领域，一是因为单个换能器功率较大，应用在换热器上，容易使换热器局部声波功率较大而造成非弹性波动，对换热器的使用寿命形成影响；这种波形的功率声波技术在金属中传播时，发热量大，能量损失大，衰减快。最关键的是这种波形的功率声波技术在金属中传播时使金属质点的位移距离较小，只是在振动平衡点的附近波动，而不能产生金属质点有规律的椭圆运动，也就不能产生很好的剪切力；另外，由于是平衡的波形能量传播，容易使金属壁面和污垢一种形成新的平衡状态，使金属壁面和污垢之间的扰动量小，使除垢防垢的能力减弱。

本发明具有的积极进步的有益效果：

1.本发明采用功率声波长脉冲技术，具有变频、移相、多峰值、频带宽的特点，相对于短脉冲波形技术和平滑波形技术，在金属中传递过程中衰减小、传递距离远，使换热器或金属管道的表面质点产生椭圆运动，从而使金属表面产生较大的剪切力，具有很强的防垢除垢、防疤除疤能力；

2.本发明的换能器采用温度高于700℃的磁致伸缩材料焊接加工而成，使用过程中本身故障点极少、长期使用性能不衰减、耗电少、使用寿命长，可连续使用10年以上；

3.本发明采用分散式设置换能器，在金属中传递弹性波，而且振幅一般不超过5μm，被安装设备无应力集中产生，对被除垢防垢的设备无损坏；

4.本发明使用的功率声波长脉冲技术，由于具有频带宽、传递距离远的特点，换能器可以采用直接焊接、或通过专用接头连接、或通过专用卡具等多种形式连接被除垢防垢的设备，不仅在被除垢防垢设备上长期安装使用，也可以做工具使用，可以快速在线清除阀门卡死、调节阀不能调节、管线堵塞等问题；

5.不仅适用于工业领域的换热器和管道进行除垢防垢，也应用于石油化工等流程工业的设计过程，减少或杜绝流程工业由于污垢、结疤、积碳等问题引起企业减少停产，提高产品质量，对节能减排等具有重大意义。

附图说明

图1为本发明换能器在固定管板式换热器上安装示意图。

图2为本发明换能器在u型管式换热器上安装示意图。

图3为本发明换能器在浮头式换热器上安装示意图。

图4为本发明换能器与小型管壳式换热器垂直连接。

图5为本发明换能器成一定的角度与小型管壳式换热器连接。

图6为本发明换能器与板式换热器的连接。

图7为本发明换能器与螺旋板式换热器连接。

图8为本发明中除垢防垢流程示意图。

具体实施方式

采用剪切弹性波在线防垢除垢系统的工作过程

如下图8所示，交流220v电源通过整流滤波电路处理成平稳直流电，dsp微处理系统控制逆变电路把直流电转换成可以变化的时间长度t、频率f、电压v的交流电脉冲信号；交流电脉冲信号激励换能器，把时间长度t、频率f、电压v的交流电脉冲转换时间长度t、频率f、振幅a的机械脉冲弹性波，由于换能器和被除垢设备是紧密连接（焊接）而形成一个整体，该机械脉冲弹性波在被除垢设备中传递到换热面上，被除垢设备被该机械弹性脉冲波激励后，会产生一系列脉冲谐波，该脉冲谐波具有变频移相性能，而且该谐波的脉冲工作时间和间隔时间受dsp微处理系统控制可长可短，为了实现更好的防垢除垢效果。实际工作中换能器输出谐波的频率对应着被除垢设备自身的各种振动模态谐响应点，该振动模态谐响应点又被谐波采样电路转化为电信号，通过a/d转换电路送给dsp微处理系统，dsp微处理系统通过信号计算处理，对被除垢设备进行谐响应分析，找到被除垢设备的所有振动模态谐响应频率点，并控制逆变电路输出的交流电脉冲的频率f激励换能器，确保本发明换能器的频率输出在这些频率点上切换，这样被除垢设备就可以获得最大效率的剪切弹性波，从而达到高效除垢的效果。

（dsp微处理系统是一个波形输出的智能发生系统，它可以通过程序的设定和换热器微观谐振频率反馈信号的比对来输出不同频率的控制信号，该信号再控制逆变电路进行功率转换后变成功率驱动信号，再驱动能量转换器变成弹性剪切波在金属中传递；

在设定的频率区间内，控制器的输出频率可以从低到高，也可以从高到低变化，即实现了剪切弹性波的扫频功能，从而有效的消除能量波在金属中传递中的波谷处能量低的问题和有效传递的问题。因为不金属制成的不同形状的换热器都具有不同的微观谐振频率，只有当dsp微处理系统输出的频率和换热器的微观谐振频率时，才能有效传递弹性剪切波，达到有效的防垢除垢效果

dsp微处理系统输出的递弹性剪切波的频率可以是固定不变的，也可以是扫频模式变化的）

由于本发明技术防垢除垢的方法是通过换热面质点的椭圆运动产生的剪切弹性波来防止各种污垢的粘附，以及清除各种污垢。基本不受压力、温度、粘性、流速、ph值等因素的影响，因此具有广谱性的防垢除垢能力。

实施例1

本实施例为采用剪切弹性波在线防垢除垢系统的除垢防垢方法在管壳式换热器上的应用：管壳式换热器是流程工业中最常用的一种换热设备，根据应用方式不同，有的是管程结垢，有的是壳程结垢。在结垢程度比较轻微的领域，常规的化学加药技术或电子防垢除垢技术是有效的，但在实际生产领域有很多换热器的结垢非常严重，换热器运行二十几天大半换热器就会堵塞，需要停工进行维修清理，严重影响产量和造成大量能源浪费。例如本发明技术应用在污水蒸发器或结垢非常严重的再沸器上，可以保证污水蒸发器和再沸器长期无垢运行。管壳式换热器又大致分为固定管板式、浮头式、u型管式：

图1为换能器2在固定管板式换热器11上安装示意图。固定管板式换热器11的法兰和管板是一体的，在法兰上有螺栓孔，在焊接换能器2时要避开螺栓孔，换能器2均匀的布置在管板的边缘上，有利于功率声波的均匀传递。换能器2的安装数量由固定管板式换热器11的构造、材质、结垢的速度和垢质特点决定。

图2为换能器2在u型管式换热器12上安装示意图。u型管式换热器12的法兰和管板不是一体的，管板被两个法兰夹持，换能器2焊接在管板上。换能器2均匀的布置在管板的边缘上，有利于功率声波的均匀传递，换能器2的安装数量由u型管式换热器12的构造、材质、结垢的速度和垢质特点决定。

图3为换能器2在浮头式换热器13上安装示意图。浮头式换热器13的法兰和管板不是一体的，管板被两个法兰夹持，换能器2焊接在管板上。换能器2均匀的布置在管板的边缘上，有利于功率声波的均匀传递。换能器2的安装数量由浮头式换热器13的构造、材质、结垢的速度和垢质特点决定。

实施例2

本实施例采用剪切弹性波在线防垢除垢系统的除垢防垢方法在管道、阀门和小型管壳式换热器上的应用：

在工业生产过程中管道、阀门和小型管壳式换热器由于结垢或结疤等问题，也经常发生堵塞的问题。如下图4所示，在小型管壳式换热器14上采取了卡具垂直与换能器2连接。如图5所示，换能器2成一定的角度连接在小型管壳式换热器15上。

实施例3

请参阅图6，本实施例中板式换热器6包括若干换热板片61、波振杆68、前夹板62及后夹板63，该波振杆68的一端至少安装一个所述的换能器2，其中：若干换热板片61在换热器设备框架内形成换热板束，每一片换热板片61和波振杆68紧密连接。换热器设备框架由前夹板62和后夹板63组成，该换热板束设置在前夹板62和后夹板63之间，所述前夹板62和后夹板63上开设有热流体进口64、热流体出口65、冷流体进口66、冷流体出口67。且波振杆68也有间隙的穿过前夹板62和后夹板63。工作原理是换能器2的剪切弹性波的能量通过波振杆68传递到换热板片61上，使全部的换热板片61表面质点产生椭圆运动，从而产生很强烈的剪切效应，以实现高效的防垢除垢效果。换能器2和波振杆68的安装数量由板式换热器6的大小和结垢的速度、以及垢质特点决定。

另外，上述换热板片61中传递剪切弹性波的技术和方式也可以应用于板壳式换热器上，由于板式换热器6和板壳式换热器在单位体积或单位重量内换热效率很高，采用本发明的防垢除垢技术，可以在减少换能器数量，降低成本，但具有非常好的防垢除垢效果，理由如下：

该实施例是板式换热器，该板式换热器和管壳式换热器相比，在同样的换热效率前提下，所以钢材的质量轻，体积小，一般不到管壳换热器的1/3。由于板式换热器的质量小了，可以理解为剪切弹性波在换热器中传递时的负载小了，从而提高了剪切波的传递均匀性和传递效率。另外，该实施例中的板式换热器的换热板片中间焊接就传振杆，剪切弹性波通过传振杆再传递到每片换热片上，这样弹性剪切波在传递的过程中能量损失很小，不像管壳式换热器那样一部分能量被壳体、封头和管板吸收，只有一部分能量传递到了换热管上。

实施例4

图7是本发明除垢防垢技术应用在螺旋板式换热设备7中结构示意图。

螺旋板式换热器7包括外壳71、螺旋板换热机芯72，波振板78，所述外壳71上设有热流体进口73、冷流体出口74、热流体出口75、冷流体进口76，螺旋板换热机芯72安装在外壳71内部，螺旋板换热机芯72由耐腐蚀、弹性好、耐热高、传热优良的金属板卷制而成，金属板之间有支持材料，以保持金属板之间的距离均匀和能够承受一定的压力。螺旋板换热机芯72的金属板在卷制过程在金属板的两侧同时焊接波振条，最后形成波振板78，换能器2焊接在波振板78上，换能器2的剪切弹性波的能量通过波振板78传递到螺旋板换热机芯72的螺旋板上，使全部的全部的螺旋板表面质点产生椭圆运动，从而产生很强烈的剪切效应，以实现高效的防垢除垢效果，理由如下：

该实施例是螺旋板式换热器，和板式换热器同理，在同样的换热效率前提下，所以钢材的质量轻，体积小，一般不到管壳换热器的1/3。由于板式换热器的质量小了，可以理解为剪切弹性波在换热器中传递时的负载小了，从而提高了剪切波的传递均匀性和传递效率。另外，该案例中的螺旋板式换热器的换热板片是通过上下特殊焊接而成的管板传递的剪切弹性波能量基本全部被换热面吸收，剪切弹性波在传递的过程中能量几乎不损失，不像管壳式换热器那样一部分能量被壳体、封头和管板吸收，只有一部分能量传递到了换热管上。

换能器2的安装数量由螺旋板换热器7的大小和结垢的速度、以及垢质特点决定。由于螺旋板式换热器7在单位体积或单位重量内换热效率很高，采用本发明的防垢除垢技术，可以在减少7换能器数量的条件下，具有非常好的防垢除垢效果。

目前石油化工等流程工业中60%的停产或维护量都因为结垢或堵塞等原因造成的。以管壳式换热器为例，在设计、生产过程中只考虑了满足压力、温度、换热量等工艺参数的要求，而没有考虑功率声波能量在换热器中传递的要求，从而造成本发明技术在实际防垢除垢应用中要适当的增加安装的设备数量，弥补换热器原来设计方面的不足，以达到满意防垢除垢效果。最优秀的实施案例是在设计换热器的初期，就将本发明的技术要求融入的换热器的设计过程和加工过程，使换热器不但满足原来的工艺要求，也能满足功率声波能量在换热器中传递的要求，不但可以减少换能器安装的数量，达到节约投入成本的目的，而且可以实现最佳的防垢除垢效果。

剪切弹性波在在线防垢除垢系统中将能量波从换热器的外传递到换热面上的位置。例如：将剪切弹性波发生器安装在管壳式换热器的管板上，由于管板和换热管是紧密焊接，剪切弹性波就可以通过管板将能量传递到换热管上，使换热管也产生剪切弹性波，从而具有防垢除垢的功能和效果。将剪切弹性波发生器安装在板式换热器的传振杆上，由于板式换热器的换热片和传振杆是紧密焊接，剪切弹性波就可以通过传振杆传递到每个换热片上，使换热片也产生剪切弹性波，从而具有防垢除垢的功能和效果。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质保护范围内，对以上所述实施例的变化、变形都将落在本发明的权利要求书范围内。