除垢原理

随着电子技术和计算机技术的迅猛发展,功率超声的创新和开发应用已在工业处理的各个领域得到了越来越广泛的应用。工业生产中，管道结垢普遍存在，它影响生产，浪费能源，已成为造成管道报废的主要原因。化学防除垢方法成本高，劳动强度大，污染比较严重。近年来为了提高除垢的效率人们正在不断探索新的除垢方法，超声波除垢正是在这种背景下发展起来的。

    超声波除垢器是利用超声波在传播过程中的空化效应，剪切效应和抑制效应等物理特性，通过改变水的物理结构，达到防垢、除垢的效果。它具有节能、免拆卸、无污染、使用简单�7��。目前的超声波除垢已经得到了广泛的认可，并已在石油、电力等工业领域得到应用，现正向人们息息相关的生活领域拓展，超声波除垢已经为功率超声的一项重要技术。

为了达到卓越的除垢效果，超声波除垢设备需要具有输出功率稳定，对负载的变化敏感等一些特点。本文从超声波除垢的原理出发，研究了超声波除垢设备的控制系统，利用脉宽调制、锁相环和单片机及其接口技术，对超声波的发生系统进行了设计，选择了恰当的传感器和换能器，设计了一套可以频率自适应，功率自跟踪的超声波除垢设备，使超声设备拥有了温度的输出功率和较高的工作效率。

   文中首先对超声波除垢技术的基本原理和现阶段的研究情况进行了简单的介绍，分析了它的发展趋势。在此基础之上，对超声波系统的结构进行了深入的研究，确定了系统中各个组成部分的设计参数，对整个系统的传递函数和可行性进行了分析，确定了设计方案，这里将超声波除垢器分成控制部分和执行机构两部分，控制部分主要是单片机及其外部扩展电路组成的单片机控制系统。在单片机系统中，使用了软件数字滤波和硬件滤波电路相结合的方法来提高前向通道的采用精度，使用脉宽调制技术来实现功率放大和频率转换的功能。系统的执行元件是超声波换能器，这里对压电换能器的材料、原理和结构进行了分析，深入的研究了压电陶瓷换能器的等效电路及其电特性，并对超声波换能器进行了电学匹配设计。

论文还对电路板的焊接和��接和控制系统的调试过程中可能遇到的问题进行了研究，并且对超声电源与换能器，换能器与锅炉炉体之间的安装进行了设计。在文章的最后对整个论文进行了总结，并提出了一些建议。

热交换装置管壁上坚硬沉积物（水垢）会大大降低交换器的参数，因而不得不进行清洗。传统的清洗方法有机械清洗法和化学清洗法。不管使用机械法或者化学法，都必须使换热装置停止运行，部分拆开，并使用相当有害的化学药剂如盐酸进行清洗。热交换装置的数量很多，其中许多体积巨大，又缺乏足够的优质的化学处理过的水（尤其是在那些远离工业中心的地区），因而清洗热交换器以及把使用过的清洗药剂无害化处理的费用极其巨大。除此之外，用传统方法清洗热交换器水垢的工作既肮脏，又有害于工人的健康。

与水垢作斗争的另一方法，是防止水垢形成。传统的防水垢方法是对水进行化学处理，即用钠阳离子交换法把水中的硬质盐分离出去。为了保证交换床的工作，必须定期更换用于水处理的树脂，并对排出物进行无害化处理。但是，即便花费了大量资金建起水处理设备，并使其运行，也不能产生百分之百的除垢效果，因为在水中通常还含有其他非离子交换床所能滤掉的物质，如铁的化合物等。现急需研制出一种无需停机而且效率要高的除垢手段。

超声波除垢法相对于传统方法，它的主要优势在于不需使用任何药剂，也就是说，不需要向水中加热任何物质。超声波除垢法的原理在于用超声波振荡使热交换器的金属结构及其中的水液产生振荡，在这些振荡的租用下，水中的硬度盐开始结晶，并不会附着在以同样超声频率振荡的管壁上。管壁的振动一方面防止在水中尚未完全结晶的盐沉积在管壁上面；另一方面，它有助于把刚形成的0.2mm以下的尚不坚硬的松脆水层震碎。震碎水垢层的机理如下：在管子产生的横向振动的作用下，沉积在水管上面的水垢层也开始振动。经多次横向振动的结果。水垢中出现了微小的裂痕。在超声振动的作用下，水渗透到水垢层里面，因在毛细管中，对液体运动的阻力大大减小。当水进到炽热的管壁里面，便开始膨胀甚至沸腾，从而产生气泡，这些气泡推动裂痕的边缘，使水垢脱离管壁。随后，在已清理的表面上，又开始生成新的水垢层，当水垢层达到前述的厚度时，超声波又重新将其震碎，从而达到某种动力上的平衡。在这过程中，管壁的传热效率并没有降低。因为振落并被水流带走的水垢碎片，带走它从管壁获得的热能，并在流走过程中，把热能传给水。

超声波的作用不仅在于防水垢形成，保持热功装置的输出参数，而且能提高输出参数（热效率）。这是因为管壁和水的振动能产生微细水流，而管壁振动又能降低液体阻力，加大水流流速，从而增大管表面的传热效果。通常，在使用超声波的情况下，锅炉中均含有空气中的氧气，这些氧气储藏在水管内表面细小损伤的微小缝隙中，超声振动降低液体阻力的结果，使水流能容易地把氧气从这些细小的缝隙中带走，从而避免水管金属被氧腐蚀。

 声学除垢技术是利用污垢刚而脆的机械特性进行除垢的，对硬垢作用效果极为显著。当声学除垢装置激发的超声波振荡沿着热交换设备的金属构件传递至管束上，便产生如下三方面效果：一，使管束上的积垢持续不断地剥落；二，能减缓管束结垢的速度；三，传递到水介质中的超声波使部分盐在水中直径结晶化，形成粥样沉淀。垢层达到0.2mm以上时，其刚度便足以使之在超声波作用下剥落，结垢与除垢形成某种动态平衡。所以，这是一项通过对积垢持续不断的高效剥落来达到除垢效果的前所未有的高新技术。