CN1479072A - 声学防垢装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种利用超声波防止热交换设备内部结垢的装置，包括：电声换能器，固定在热交换设备的金属外壳上，用于将高频电振荡转换为超声机械振动；电脉冲发生器，将交流电转换为用于该电声换能器的高频电振荡信号，电脉冲发生器与电声换能器通过电缆连接。该电声换能器可采用大功率磁致伸缩换能器。该电脉冲发生器包括：用于产生跟踪频率脉冲串的控制器、电源及若干个电开关元件。本发明的装置结构简单，成本低廉，能耗低，防垢效果好。

Description

声学防垢装置和方法

技术领域

本发明涉及声学和超声波技术领域，具体涉及一种声学防垢装置和方法，可用于热工、饮食、化工、冶金及其他工业部门的热交换设备上，用以防止热交换设备的表面上产生水垢和其他沉积物。

背景技术

现有技术的除垢防垢设备最主要的缺陷之一是超声波是通过液体来传递到结垢上实现除垢，这样的除垢效果不佳，也耗费能源。

另外，用以防垢的声学防垢装置通常包括有电源部分、连接于电源部分的脉冲跟踪器、电源转换器、存储电容器及换能器(也称变换器)等部分。换能器的励磁绕组经可控硅电源转换器的动力电路连接于存储电容器的极板上，如1977年的苏联专利第575144号。这种装置的缺陷是，存储电容器只有单个脉冲放电，使换能器的功率过小，因而防垢的效率不高。

有些热交换器声学防垢装置上，磁致伸缩换能器的激励是由脉冲来实现的，脉冲来的跟踪频率与换能器设定的频率一致。这种装置包含电源部分，可控硅电源转换器，存储电容器，一个以上的带两个励磁绕组的磁致伸缩换能器和控制器等部分。控制器与可控硅电源转换器的输入端连接，如1978年的苏联专利第1022750号。这种装置把换能器的功率增大了几倍，从而提高了防垢的效能，但其可靠性较差，因为但两个可控硅偶然同时启动时，就会发生电源线路短路。

在一些超声防垢装置上排除了发生短路的可能性。这种装置包含有：用二极管组成的半波整流器的电源部分电力电容器，第一个脉冲频率跟踪器，存储电容器，带两个励磁绕组的磁致伸缩换能器，第二个脉冲频率跟踪器，可控硅电源转换器，和控制可控硅的控制器(见1980年的苏联专利第1075508号)。这种装置的缺点是效率不高，因为只有半波时间给电力电容器充电，而且一部分电能消耗在形成不强的中间脉冲上。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、成本低廉、能耗低、防垢效果好的用于热交换设备的声学防垢装置。

本发明的另一目的是提供一种利用超声波防止热交换设备内部结垢的方法，其简单实用且防垢效果好。

本发明的又一目的是提供一种可靠性高、成本低、体积小及重量轻并用于驱动电声换能器防垢的电脉冲发生器。

本发明提出一种利用超声波防止热交换设备内部结垢的方法，包括以下步骤：

(1)在热交换设备的金属外壳上固定大功率电声换能器；

(2)向该电声换能器提供脉冲信号来激励该电声换能器以产生超声机械振动，该超声机械振动通过热交换设备的金属构件传递至其易结垢换热面上而起防垢除垢作用，超声振动将使结垢从热交换设备内表面脱落并易于被流体冲走。

本发明又提出一种利用超声波防止热交换设备内部结垢的装置，其中包括：

(1)电声换能器，固定在热交换设备的金属外壳上，用于将高频电振荡转换为超声机械振动。

(2)电脉冲发生器，将交流电转换为用于该电声换能器的高频电振荡信号，电脉冲发生器与电声换能器通过电缆连接。

该电声换能器可采用大功率磁致伸缩换能器。磁致伸缩换能器是利用具有磁致伸缩特性的铁磁材料制成，其磁通量发生变化使铁磁材料形变而产生应力，并可产生超声波。

该磁致伸缩换能器采用铁钴合金磁致伸缩材料制成。也可以采用铁镍合金或其它材料。

该电脉冲发生器产生的高频电振荡信号的振荡频率可取决于该电声换能器的共振频率。

所述磁致伸缩换能器可包括励磁线圈和波导管，所述励磁线圈通过电开关元件连接所述电脉冲发生器，所述波导管被固定在热交换设备的外表面上。其固定方式一般是硬性连接方式，如焊接等，使得换能器的超声机械振动通过其固定连接部位传递给热交换设备的内表面。在实施例中，所述波导管可直接焊接在热交换设备的外表面上；或者，所述波导管通过螺纹连接头焊接在热交换设备外表面上，使得磁致伸缩换能器可以随时根据需要拆装。

本发明还提供一种电脉冲发生器，与电声换能器相连并用于防止热交换设备内部结垢，该电声换能器包括与热交换设备之金属外壳连接的若干个磁致伸缩换能器，该电脉冲发生器包括：

控制器，用于产生跟踪频率脉冲串，该脉冲串的跟踪频率与所述磁致伸缩换能器设定的共振频率相关；

电源，用于在控制器之控制下向磁致伸缩换能器提供电源；

若干个电开关元件，分别连接电源、控制器和磁致伸缩换能器，它们受控制器产生之脉冲串的控制实现断开或闭合，使磁致伸缩换能器在其闭合时接收到电源(1)提供的电源。

所述电脉冲发生器中的控制器可包括：

降压变压器，位于控制器之输入端并连接电源，以提供交流电信号；

按顺序串联的脉冲稳相分频器、微分电路和脉冲长度形成器，该回路用于产生具有指定脉冲长度的脉冲串，分频器的输入端连接降压变压器之输出端；

信号发生器，产生比磁致伸缩转换器设定的震荡频率(即工作频率)高一倍的跟踪频率脉冲；

触发器，其输入端连接信号产生器的输出端；

若干个控制回路，它们分别通过所述电开关与磁致伸缩转换器之若干个励磁绕组连接，每一个控制回路包括按顺序串联的微分串级、叠合串级和功率放大器，其中，

微分串级对交流电信号进行微分，微分串级的输入端连接触发器的输出端，功率放大器的输出端连接所述电开关，叠合串级的输入端还连接脉冲长度形成器的输出端，叠合串级将脉冲长度形成器输出的高频脉冲信号与微分串级输出的微分信号进行叠合或混频。

其中所述的电开关元件可采用可控硅。

其中所述的电源可包括双半波桥式整流电路，电源之输出端连接有用于存储电量的电力电容器和所述若干个电开关之输入端，电源之输入端串接有隔离电容器。

以下结合附图及实施例进一步说明本发明。

附图简述

图1是本发明一实施例的结构示意图；

图1A是换能器的波导管与热交换设备外表面的另一种连接方式示意图；

图2是控制器11的一实施例的电路图；

图3是电源、两个可控硅、两个磁致伸缩换能器及控制器的连接关系示意图；

图4是两个可控硅连接三个磁致伸缩换能器的连接示意图。

具体实施例的说明

在本发明的声学防垢装置之一个实施例中，装有带电力电容器的电源部分、带两个可控硅的电源转换器、存储电容器、一个以上的带有两个励磁绕组的磁致伸缩换能器和输入端上装有降压变压器的控制器。控制器的输出端与可控硅电源转换器相应的输入端连接。电源部分按照由四个二极管组成的双半波整流器的桥式电路设置，其输出端与电力电容器连接，而输入端则与隔离电容器串联连接。控制器的降压变压器的初级线圈与电源部分的输入端连接，而电源部分的输出端相应地与第一个可控硅的电力输入端和第二个可控硅的电力输出端连接。第一个可控硅的电力输出端与第一个励磁绕组的输入端连接，而第一个励磁绕组的输出端则与第二个励磁绕组的输入端连接。同时，经过存储电容器接到第二个可控硅的电力输出端上。第二个可控硅的电力输入端则与第二个励磁绕组的输出端连接。

图1所示为本发明的一优选实施例，其中，根据本发明的声学防垢装置有以下几个组成部分：电源部分1、可控硅电源转换器5，存储电容器6，一个以上的磁致伸缩换能器7和控制器11。电源部分按双半波整流器(由四个二极管组成)的桥式线路2设置，在其输出端上接有电力电容器3，而在其输入端上则串接有隔离电容器4。电源部分设有开关S和保险丝F1和F2。可控硅电源转换器5包含有可控硅V1和V2。磁致伸缩换能器7中装有励磁绕组8和9，而其波导管则焊接到热交换器10的壳体上。控制器11的输入端上装有降压变压器T1，而其输出端则与可控硅电源转换器5相应的输入端连接。降压变压器T1的初级线圈与电源部分1的输入端连接，电源部分的输出端则与第一个可控硅V1的输入端和第二个可控硅V2的输出端连接。第一个可控硅V1的输出端与第一个励磁绕组8的输入端连接，励磁绕组8的输出端与第二个励磁绕组9的输入端连接，并通过存储电容器6接到第二个可控硅V2的输出端上。可控硅V2的输入端则与第二个励磁绕组9的输出端连接。

控制器11包含串接的降压变压器T1，脉冲稳相分频器12，微分电路13，脉冲长度形成器14，信号发生器15，与信号发生器输出端连接的触发器16，第一和第二微分串级17和18，第一和第二叠合串级19和20以及第一和第二功率放大器21和22。微分串级17和18分别与触发器的输出端连接。叠合串级19和20分别与微分串级17和18的输出端连接。功率放大器21和22与相应的叠合串级19和20的输出端连接，而其第二个输入端则与脉冲长度形成器14的输出端连接。

本实施例的防垢装置是这样工作的：

当用电源开关S把电源部分1与市电接通时，电流即通过保险丝F1和F2及隔离电容器4进到双半波桥式整流器2上，经过整流后的电流即给电力电容器3充电。从电源部分2的输入端引出的电压加到控制器11上，等电容器3充电一定时间后，控制器即开始产生控制可控硅转换器5工作的脉冲束。当向可控硅V1发出第一个控制脉冲时，可控硅即打开，电容器3即通过这个可控硅和换能器7的第一个励磁绕组8向存储电容器6放电。这一过程带有振荡性质，振荡要持续到电容器6充满电，可控硅V1关闭为止。经过为换能器设定的时间间隔后，控制器11即向第二个可控硅V2发出第二个控制脉冲，把V2打开。电容器6即通过换能器7的第二个励磁绕组9放电。电容器6放电完毕后，第二个可控硅V2关闭。随后又向可控硅V1发出第三个控制脉冲，于是上述过程又重复进行。选择重复发出控制脉冲的时间间隔和脉冲束的长短，要以换能器的谐振达到最大为标准。这个过程是由控制器11用以下方法实现的：来自电源部分1输入端的正弦波电压，加到脉冲稳相分频器12上，分频器则把市电的频率分成所需要的倍数(如25~12.5~6.25等等)，然后信号由微分电路13加以微分，再传到脉冲长度形成器14上，脉冲长度形成器即把信号变成所需长度的脉冲束。控制器11的信号发生器15产生跟踪频率比换能器7设定的震荡频率高一倍的脉冲，并用此脉冲启动触发器16；此脉冲振荡经过触发器16时，分别相隔一个脉冲波(半个换能器振荡周期)向微分串级17、18输出。从触发器输出端引出的彼此相差半个换能器振动周期的脉冲，经微分串级17和18微分后，再经叠合串级19和20进入到功率放大器21和22上；因此，进入叠合串级19、20的信号频率又降低一倍，与换能器设定的工作频率一致。经放大后控制脉冲即传向可控硅的输入端上。但只有当脉冲长度形成器14的信号传到叠合串级19和20时，控制脉冲才会进入可控硅的控制输入端。

例如，220伏及50赫兹的市电进入电脉冲发生器后，转变为经过调制的调制脉冲，脉冲频率为12-25kHz，脉冲频次10-20Hz。这些脉冲信号通过连接电缆传至磁致伸缩换能器的励磁线圈后，通过换能器输出机械振动，此超声波沿着热交换设备的壳体和钢铁构件传递到其内部，从而起到防垢、除垢作用。

声学防垢装置的防垢-除垢效果主要是由两大因素决定的：第一：构成磁致伸缩转换器的铁芯材料决定了其振动特性；第二：磁致伸缩转换器是由电脉冲发生器驱动的，能否达到最佳谐振工作状态是由电脉冲发生器决定的。

还有一个重要因素：磁致伸缩转换器与热交换设备的外壁(外壳)是硬性连接(焊接)的，也就是说，与不同的热交换设备连接会导致磁致伸缩转换器的负荷，即其声学振动特性的不同。而信号发生器的全新设计使其能对此做出调整和补偿。使磁致伸缩转换器处于最佳振动和输出状态。

本发明采用全新的超声波传递和作用方式，即磁致伸缩转换器是直接或者通过连接头硬性连接(焊接)到所防护的热交换设备外壁上，超声波是通过金属构件传递，从而起除垢-防垢作用。本发明能使防护的热交换设备在运行过程便起除垢作用。

在本发明中，电源部分采用桥式整流电路和隔离电容器，以及双存储电容器放电电路；控制器采用独特设计，包括其多级微分电路形成高频振荡的方法和“跟踪频率”的叠合等。

在本发明之防垢装置的优选实施例中，电源部分采用无变压器电路，改用桥式整流电路，从而大大缩小了装置的外部尺寸，减轻了重量，降低了成本。由于采用了隔离电容器和双半波桥式整流电路，大大提高了防垢装置工作的可靠性，降低了来自市电的干扰，从而提高了防垢装置的效能。电力电容器具有较好的最大稳定充电性能，使得电压跳动时或者可控硅偶尔间断时、也能保证电流脉冲平稳输出，而隔离电容器在接通装置时或可控硅工作偶然出现间断时，可使电压脉冲变得平稳。

本发明之电脉冲发生器的控制器部分由于增加了第二个叠合串级，即第二个串联混频器，只有当该混频器工作时，控制脉冲才能传递和启动第二个可控硅，这样，不但提高了工作的可靠性，而且，最重要的是，本发明通过控制器的全新设计，使得可以调整脉冲的长度和脉冲的间隔，从而保持换能器平稳地处于最佳谐振状态，从而达到最大的超声波振动输出和达到最佳防垢效果。本发明的全新设计还大大降低了电能消耗，而工作效率提高了约一倍，而且重量轻、体积小，工作可靠性和抗干扰能力均大幅度提高。

以下是电脉冲发生器的技术性能指标：

图2是控制器11的一种具体实施方案，对照图1及其说明可以容易地理解图2之电路的结构。其中的DD1至DD7均为集成电路。图中未示出集成电路DD1、DD2、DD3、DD6的输出端7、以及DD4、DD5的输出端10，这些输出端是连接在外部直流电源的供电端A和B。

如图1中的局部A所示，换能器的波导管可直接焊接在热交换设备10的外表面上；波导管与热交换设备的另一种连接方式如图1A中的局部B(对应图1中局部A的位置)所示，波导管通过螺纹连接头焊接在热交换设备外表面上，使得磁致伸缩换能器可以随时根据需要拆装。

图3的上部为电源部分，左边的A1为连接控制器的接口，T1为变压器，VS1和VS2为可控硅，X4和X5为接口，UZ1和UZ2为磁致伸缩变换器。图4只反映可控硅与三个变换器的连接关系，其它部分相同，其中的X4、X5和X6为接口，UZ3也是变换器。两个可控硅可连接多个变换器。

Claims (10)

1、一种利用超声波防止热交换设备内部结垢的方法，包括以下步骤：

(1)在热交换设备的金属外壳上固定大功率电声换能器；

(2)向该电声换能器提供电脉冲信号来激励该电声换能器以产生超声机械振动，该超声机械振动通过热交换设备的金属构件传递至其易结垢换热面上而起防垢除垢作用。

2、一种利用超声波防止热交换设备内部结垢的装置，包括：

(1)电声换能器，固定在热交换设备的金属外壳上，用于将高频电振荡转换为超声机械振动。

(2)电脉冲发生器，将交流电转换为用于该电声换能器的高频电振荡信号，电脉冲发生器与电声换能器通过电缆连接。

3、根据权利要求2的装置，其中，该电声换能器采用大功率磁致伸缩换能器。

4、根据权利要求3的装置，其中，该磁致伸缩换能器采用铁钴合金磁致伸缩材料制成。

5、根据权利要求2的装置，其中，该电脉冲发生器产生的高频电振荡信号的振荡频率取决于该电声换能器的共振频率。

6、根据权利要求2的装置，其中，所述磁致伸缩换能器包括励磁线圈和波导管，所述励磁线圈通过电开关元件连接所述电脉冲发生器，所述波导管被固定在热交换设备的外表面上。

7、一种电脉冲发生器，与电声换能器相连并用于防止热交换设备内部结垢，该电声换能器包括与热交换设备之金属外壳连接的若干个磁致伸缩换能器，该电脉冲发生器包括：

控制器(11)，用于产生跟踪频率脉冲串，该脉冲串的跟踪频率与所述磁致伸缩换能器设定的共振频率相关；

电源(1)，用于向控制器(11)提供电源，并在控制器(11)之控制下向磁致伸缩换能器提供电源；

若干个电开关元件，分别连接电源(1)、控制器(11)和磁致伸缩换能器，它们受控制器(11)产生之脉冲串的控制实现断开或闭合，使磁致伸缩换能器在其闭合时接收到电源(1)提供的电源。

8、根据权利要求7的电脉冲发生器，其中，控制器(11)包括：

降压变压器T1，位于控制器(11)之输入端并连接电源(1)，以提供交流电信号；

按顺序串联的脉冲稳相分频器(12)、微分电路(13)和脉冲长度形成器(14)，该回路用于产生具有指定脉冲长度的脉冲串，分频器(12)的输入端连接降压变压器T1之输出端；

信号发生器(15)，产生比磁致伸缩转换器设定的震荡频率高一倍的跟踪频率脉冲；

触发器(16)，其输入端连接信号产生器(15)的输出端；

若干个控制回路，它们分别通过所述电开关与磁致伸缩转换器之若干个励磁绕组连接，每一个控制回路包括按顺序串联的微分串级、叠合串级和功率放大器，其中，

微分串级对交流电信号进行微分，微分串级的输入端连接触发器(16)的输出端，功率放大器的输出端连接所述电开关，叠合串级的输入端还连接脉冲长度形成器(14)的输出端，叠合串级将脉冲长度形成器(14)输出的高频脉冲信号与微分串级输出的微分信号进行叠合或混频。

9、根据权利要求7所述的电脉冲发生器，其中，所述的电开关元件是可控硅。

10、根据权利要求7所述的电脉冲发生器，其中，所述电源(1)包括双半波桥式整流电路，电源(1)之输出端连接有用于存储电量的电力电容器(3)和所述若干个电开关之输入端，电源(1)之输入端串接有隔离电容器(4)。

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