CN101934280B - 长管道高效超声波防垢/除垢装置 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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。
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。
附图说明
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、元件和电路等。
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均匀环状阵列式，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在管道壁上均匀分布，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℃，工作温度达200℃。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OH-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。
Claims (8)
1.一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；
所述的换能器是超磁致伸缩制成的换能器，它串接在管道壁上，超声波通过管道壁以纵波的形式传播。
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，所述换能器的长度相同。
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，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。
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，所述换能器是通过焊接与变幅管连接的。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Free format text: FORMER OWNER: SHI HONGQI Owner name: SHANGHAI XINGQUAN POWER CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: ZHU XINGQUAN Effective date: 20110304 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20110304 Address after: 201108 Shanghai City, Minhang District Road, Lane 958, room 1302, Shanghai Cannes Hillwood Road No. 68 Applicant after: Shanghai Xingquan Power Co., Ltd. Address before: 201108 Shanghai City, Minhang District Road, Lane 958, room 1302, Shanghai Cannes Hillwood Road No. 68 Applicant before: Chu Xingquan Co-applicant before: Shi Hongqi |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120530 Termination date: 20180712 |