阅读说明：本技术 基于多频漏超声导波的表面除垢方法 (Surface descaling method based on multifrequency leakage supersonic guide-wave ) 是由 曲志刚 金硕 武立群 安阳 王志援 张全 王秋雨 杨霄 张亚丽 代睿 于 2019-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于多频超声导波的表面除垢方法,属于除垢技术领域。本方法技术要点如下：对于含液体负载的介质结垢表面,换能器模块放置在远离液体负载结垢区域的位置,由信号发生模块产生多频连续激励电压信号,经信号放大模块放大后作用于换能器模块,产生沿着结构体传播的超声导波,导波传播至有液体负载的结垢区域时,部分能量泄漏至液体中,产生的空化作用可有效地冲击结垢,达到去除结垢的目的。本发明利用超声导波覆盖范围大的优势实现远程在线去除结垢,待清洗的设备不用停产,也不用拆卸设备,同时多频激励的方法可以更加均匀有效地去除结垢,提高了去除率。本方法效率高,作用范围大,并且不会对环境造成污染。(The present invention relates to a kind of surface descaling methods based on multiple frequency ultrasonic guided wave, belong to descalling technique field.This method technical essential is as follows: for the medium fouling surface containing fluid load, transducer module is remotely from the position in fluid load fouling region, multifrequency continuous pump voltage signal is generated by signal generating module, transducer module is acted on after the amplification of signal amplification module, generate the supersonic guide-wave propagated along structural body, when guided waves propagation to the fouling region for having fluid load, portion of energy leaks in liquid, the cavitation of generation can effectively Ground shock waves fouling, achieve the purpose that remove fouling.The present invention realizes that remote online removes fouling using the big advantage of supersonic guide-wave coverage area, and equipment to be cleaned does not have to stop production, more uniform can be effectively removed fouling without the method for detaching equipment, while multi-frequency excitation, improve removal rate.This method is high-efficient, and sphere of action is big, and not can cause environmental pollution.)

基于多频漏超声导波的表面除垢方法

技术领域

本发明涉及一种基于多频超声导波的表面除垢方法，属于除垢技术领域。

背景技术

处在潮湿环境或流体热交换区的工业设备，如锅炉、热交换器、循环冷却水系统以及膜过滤系统(海水淡化)等，其传热表面总是会有污垢沉积。污垢通常在与流体接触的固体表面积聚起来，以固态或软泥状物质等形态存在。表面结垢会使设备传热系数下降，导致产能下降，增加了生产能耗。而且如果没有对污垢进行及时处理，还可能导致设备出现机械故障而意外停机，引发严重的工业事故。

目前针对工业设备表面的除垢方法主要有机械法、高压水射流法、化学法和超声法。机械法主要利用刮铲、铣刀及钢丝刷等工具去除结垢，该方法会耗费大量人力资源，需要设备停止生产，不能实现在线去除，并且存在去除的盲区。高压水射流法利用高压水流产生的流体动能破除表面结垢，此方法主要的缺点在于会造成水资源的浪费，同时也不能实现在线去除结垢；化学法使用特定的化学试剂与污垢发生化学反应，从而达到消除结垢的目的，化学法除垢会对损伤设，同时可能会对环境造成污染。超声法基于超声空化效应去除表面污垢。传统的超声方法，待清洗的物件浸入含清洗液的水槽中，换能器附着在水槽底部，换能器产生的高频振动进入清洗液中，产生超声空化效应对物件表面结垢进行去除。因此，传统的超声法需要对设备进行拆卸，从而导致生产的中断，并且该方法存在去除范围小的缺点。

基于多频超声导波的表面除垢方法能够对工业设备表面的内结垢进行在线清除。在设备固体介质中传播的超声导波，会有部分泄漏到液体水载中，产生的空化效应可有效的去除表面污垢。该方法利用超声导波传播距离长的优势可去除范围较广的结垢区域，同时可实现在线操作。同时多频激励可改善单一频率去除效果差且不均匀的缺点，提高了除垢效率。

发明内容

本发明提出了一种基于多频超声导波的表面除垢方法，技术方案分为以下步骤：

对于含液体负载的介质结垢表面，换能器模块放置在远离液体负载结垢区域的位置，由信号发生模块产生多频连续激励电压信号，经信号放大模块放大后作用于换能器模块，产生沿着结构体传播的超声导波，导波传播至有液体负载的结垢区域时，部分能量泄漏至液体中，产生的空化作用可有效地冲击结垢，达到去除结垢的目的。

所述的基于多频超声导波的表面除垢方法，其特征在于利用泄漏超声导波在介质液体负载产生的空化效应对表面结垢进行去除。

所述的基于多频超声导波的表面除垢方法，其特征在于激励信号是含有多个频率分量的信号，并且每个频率分量的值都在20KHz以上。

所述的信号发生模块，可以是多通道数据采集卡，也可以是以微处理器为核心的集成信号发生模块。

所述的放大模块可以采用高频功率放大器，也可以采用高压功率运算放大器。

所述换能器模块，由单个或者多个压电换能器组成，换能器的核心是压电材料，可基于压电效应将电能转换为机械能。

所述的基于多频超声导波的表面除垢方法，其特征在于该方法适用于包括板状结构和管状结构在内的多种结构体表面污垢去除。

本发明属于表面除垢技术领域，适用于去除结构体表面污垢，利用超声导波覆盖距离大的优势实现远程在线去除结垢，待清洗的设备不用停产，也不用拆卸设备，同时多频激励的方法可以更加均匀有效地去除结垢，提高了去除率。本方法与传统除垢方法相比，效率高，作用范围大，并且不会对环境造成污染。

附图说明

图1为本发明方法的工作示意图；

图2为实例中使用的换能器；

图3是扫描激光测振仪对换能器的测试得到的位移-频率特性曲线图；

图1中，1-信号发生模块，2-放大模块，3-换能器，4-导波，5-结构表面，6-泄漏能量，7-污垢，8-空化效应，9-液体负载；

图2中，1-铝制上基座，2-压电陶瓷片，3-铝制方形底座

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做详细的说明。

1.选频测试

采用单个斜入射角换能器，如图2所示。换能器由铝制方形底座和压电材料组成，首先使用激光扫描测振仪对换能器进行了测试。由信号发生器产生扫频信号输入至斜换能器，扫描激光测振仪测试并进行FFT(快速傅里叶变换)得到换能器在不同频率下位移振动特性，换能器位移-频率特性曲线如图3所示。根据测试结果，换能器在频率分别为22.789KHz、38.125KHz和44.437KHz时有位移峰值，换能器在峰值频率处具有良好的电声转换效率。为了提高空化除垢效果，选用22.879KHz、38.125KHz和44.437KHz三个频率作为除垢激励信号的多频分量。

2.除垢实验

实验分为四组，对四块覆盖碳酸钙层的不锈钢板进行除垢实验，不锈钢板的尺寸：长50cm，宽10cm，厚0.2cm。四块不锈钢板在相同的实验条件下得到碳酸钙污垢层的，碳酸钙污垢区域的长度均为18cm。

实验共分为四组，具体技术过程如下：

(1)将单个换能器用环氧树脂AB胶附着在钢板远离垢层的一端表面，附着垢层的钢板一端浸入装有水的水槽中。

(2)在计算机上由LabVIEW编程产生数字信号，前三组为单频除垢实验，实验激励信号如下式所示：

s(t)＝A₀sin(2πft)

f为22.789KHz或38.125KHz或44.437KHz，A₀是放大电压幅度。

第四组为多频除垢实验，实验激励信号如下式所示：

s(t)＝A₀(sin(2πf₁t)+sin(2πf₂t)+sin(2πf₃t))

f₁＝22.789KHz，f₂＝38.125KHz，f₃＝44.437KHz，A₀是放大电压幅度。22.789KHz、38.125KHz、44.437KHz由激光测振仪测试下的峰值频率，设置为激励信号的多频分量。

(3)计算机上产生的数字信号通过NI USB6366数字采集卡(DAQ)数模转换为转换为模拟电压信号。

(4)数字采集卡输出的电压信号通过HFVP-83A功率放大器将幅值提高到300V_p-p，

(5)放大后的电压信号分两路输出，一路输出接至换能器，换能器基于压电效应将电压信号转换为机械振动，另一路输出接至美国泰克公司MDO3034混合域示波器观察波形。

(6)换能器机械振动产生在介质中传播的超声导波，基于空化效应去除介质表面结垢。

对四块附着碳酸钙垢层的钢板进行了四组上述过程的实验，四组实验除了激励信号不一样外，其他过程均一致，四组实验的激励信号如下：

第一组：s(t)＝300sin(2π*22789*t)

第二组：s(t)＝300sin(2π*38125*t)

第三组：s(t)＝300sin(2π*44437*t)

第四组：s(t)＝300(sin(2π*22789*t)+sin(2π*381258*t)+sin(2π*44437*t))

3.实验结果

为了定量分析除垢效果，引入去除率R：

W_r是除垢实验去除的污垢总重量，W_t除垢实验之前污垢的总重量。

表1 实验除垢率

由表1可知，多频激励除垢实验下去除率高于单频实验。结果表明，多频激励可以提高除垢效果。因此，本发明提出的基于多频漏超声导波的表面在线除垢方法可以对介质表面结垢进行均匀有效地去除。

以上所述，仅为本发明较优实施例之一，在不脱离本发明的原理情况下，对本发明实施例做出变化、修改、替换和变形均在本发明保护范围内。