專利名稱：長管道高效超聲波防垢/除垢裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及超聲波管道防垢/除垢領域，具體涉及一種長管道高效超聲波防 垢/除垢裝置。
背景技術：
在管道運輸領域中，主要采用管道將需要運送的物質運送到指定的地點，但是通 常會存在以下的問題，例如在輸油管道中，由于輸油過程中溫度的變化，油中的臘逐步析 出沉積在管壁上，從而造成阻力增加，嚴重時影響輸油；在發電廠的除灰水回水管道中，沖 灰水二次利用，產生的結垢問題非常嚴重，甚至影響安全生產；在煤氣輸送管道中，則容易 發生冰堵，因而造成嚴重安全事故。因此，怎樣解決因管道太長，結垢(結臘)嚴重問題，是 長期困擾世界性的難題。為此功率超聲波脈沖技術在除垢防垢領域已經得到了很好的應用，這種方法是眾 多的物理在線防垢除垢技術領域中性能最優越的一種方法，其原理是以管道為媒體傳播超 聲能量，從而產生一種壓縮和膨脹交替的波，如果聲能足夠強，液體在波的膨脹階段被推 開，由此產生氣泡，而在波的壓縮階段，這些氣泡就在液體中瞬間爆裂或內爆，產生一種非 常有效的沖擊力，特別適用于清洗，這個過程稱之為空化作用。超聲波在金屬中的傳播方式有好幾種，例如是縱波、橫波、表面波等，這與管道的 形狀、尺寸、材料性質以及超聲波的激勵模式有關。超聲波在氣體及液體介質中傳播時，只 能從縱波形式向前傳送，但超聲波在固體介質中，除了有縱波傳播外，有時還會發生橫波。 在同一固體介質中，超聲波橫波聲速小于其縱波聲速(約為后者的48% 55%)。縱波在 固體媒質中傳播時，常使固體的體積有交替的壓縮和膨脹，因此縱波又叫膨脹波。橫波在 固體中傳播時不引起體積變化。另外，超聲波在普通鋼中的傳播縱波速度是5850(m/s)，橫 波速度只是3230 (m/s)，由此可見，有效的利用縱波的傳播特點是提高長管道系統防垢除垢 (除臘)的關鍵和有效途徑。現有的技術大都是以橫波的形式在金屬中傳播，這種方法在小型的管道和換熱其 中起到了很好的作用。例如，圖1所示，專利號為ZL00214308.9的中國實用新型專利公開 了一種超聲波管道除垢器，其技術是將換能器設置在管道的外壁上，從而產生超聲波以橫 波的形式以管道壁為媒介進行傳播。但是這種技術只能應用在短距離除垢，而長距離除垢 則效率較低。還有一種是把換能器放置在管道內部，對管道內的液體介質實施超聲作用，但是 超聲波在液體中的傳播速度只有1400m/s左右，遠遠低于在金屬中的速度。因此，現有技術主要存在以下的缺陷第一，以橫波的形式以管道壁為媒介，但是橫波的傳播速度較差，不利于長距離傳 播；第二，以液體為媒介，以縱波的形式傳播，同樣存在傳播速度低，效率低下的問題。第三，現有技術的換能器，多采用壓電陶瓷作為換能器的材料，需要較高的驅動電壓，且易老化，使用壽命短。
實用新型內容針對上述缺陷，本實用新型的目的是提供一種長管道高效超聲波防垢/除垢裝 置，以解決現有技術除垢效率低，壽命短且能耗較大的技術問題。為實現上述目的，本實用新型采用了以下的技術方案一種長管道高效超聲波防垢/除垢裝置，用于去除/預防運輸管道中的污垢，其包 括功率脈沖信號控制機構以及連接在管道內的多個執行機構，所述功率信號控制機構通過 線纜與所述些執行機構電性連接；所述執行機構進一步多個換能器，該些換能器呈均勻環 狀陣列式，插設在一變幅管上，所述些換能器內部由一內襯管與管內工質隔絕，外部由預緊 力法蘭組合固定，所述些換能器通過線纜與功率信號控制機構電性連接。依照本實用新型較佳實施例所述的長管道高效超聲波防垢/除垢裝置，所述功率 信號控制機構進一步包括一中央控制器，其通過一開關電源連接外部電源，并由該開關電 源控制其關斷和打開；一偏磁模塊，其由一勵磁電源控制其關斷和打開；以及一功率脈沖 發生模塊；其中，所述功率脈沖發生模塊以及偏磁模塊連接至執行機構中的換能器，并在所 述中央控制器的控制下，調節產生脈沖的功率、頻率以及寬度。依照本實用新型較佳實施例所述的長管道高效超聲波防垢/除垢裝置，所述變幅 管上設置有多個通風管，將換能器產生的熱量排出。依照本實用新型較佳實施例所述的長管道高效超聲波防垢/除垢裝置，所述執行 機構還包括一保護罩，該保護罩覆蓋在所述預緊力法蘭組合外部，且設置有用于冷卻執行 機構熱量的冷卻風道以及用于穿設所述線纜的穿線管。依照本實用新型較佳實施例所述的長管道高效超聲波防垢/除垢裝置，所述預緊 力法蘭組合進一步包括預緊力法蘭、預緊力法蘭肋板以及預緊力螺栓。依照本實用新型較佳實施例所述的長管道高效超聲波防垢/除垢裝置，所述換能 器是超磁致伸縮材料制成的換能器。依照本實用新型較佳實施例所述的長管道高效超聲波防垢/除垢裝置，所述換能 器的長度相同。依照本實用新型較佳實施例所述的長管道高效超聲波防垢/除垢裝置，所述換能 器在所述功率信號控制機構下產生超聲波，所述超聲波在管道內以縱波的形式傳播。依照本實用新型較佳實施例所述的長管道高效超聲波防垢/除垢裝置，還包括設 置在管道上的多個傳感器，用以測量管道不同位置的振動信號，并傳輸至所述功率信號控 制機構。依照本實用新型較佳實施例所述的長管道高效超聲波防垢/除垢裝置，所述換能 器是通過焊接與變幅管連接的。由于采用了以上的技術方案，使得本實用新型相比于現有技術，具有以下的優點 和積極效果第一，本實用新型將換能器串接在管道壁上，因此一金屬管道側壁為媒介將超聲 波以縱波的形式傳播，從而管壁以每秒1萬次以上的速度發生彈性振動，使得管道的污垢 逐步震動瓦解，并且傳輸速度快，距離長；[0025]第二，本實用新型的功率信號控制機構，可以根據監測到的信號實時判斷管道的 振動信號，進而調節功率信號的輸出幅度、頻率等等，達到最佳的效果；第三，本實用新型將超磁致伸縮制成的換能器，取代傳統的壓電陶瓷制成的換能 器，因此機電轉換效率更高，伸縮性能大，且能耗小，性能穩定，沒有疲勞失效問題。
圖1為現有技術的一種超聲波防垢/除垢裝置的示意圖；圖2A為本實用新型的系統結構圖；圖2B為本實用新型的第二實施例的系統結構圖；圖3為本實用新型的功率脈沖信號控制機構的框圖。圖4A為本實用新型的執行機構的結構圖；圖4B為圖4A的A向視圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的優選實施例進行詳細描述，但本實用新型并不僅僅 限于這些實施例。本實用新型涵蓋任何在本實用新型的精髓和范圍上做的替代、修改、等效 方法以及方案。為了使公眾對本實用新型有徹底的了解，在以下本實用新型優選實施例中 詳細說明了具體的細節，而對本領域技術人員來說沒有這些細節的描述也可以完全理解本 實用新型。另外，為了避免對本實用新型的實質造成不必要的混淆，并沒有詳細說明眾所周 知的方法、過程、流程、元件和電路等。本實用新型的核心思想在于，將超磁致伸縮制成的換能器串接在管道壁上，超聲 波通過管道壁以縱波的形式傳播，并且通過傳感器實時監測管道不同位置的震動信號，在 控制機構的控制下調節功率脈沖信號的頻率、幅度等等，解決超聲波應用頻率、功率密度、 除垢效應三者之間的關系，實現了超聲波能量傳遞最好、最遠。請參考圖2A，本實用新型的長管道高效超聲波防垢/除垢裝置主要用來去除/預 防運輸管道中的污垢，其包括功率信號控制機構1以及連接在管道2內的多個執行機構 3，功率信號控制機構1通過線纜與執行機構2電性連接。功率信號控制機構1作為系統的 控制中心，控制脈沖產生的頻率、寬度、脈沖束的寬度等等，可同時控制多個串聯在管道上 的執行機構3，而執行機構3則根據功率信號控制機構1產生的功率超聲波信號，產生超聲 波彈性振動，進而完成除垢的效果。請參考圖2B，本實用新型中也可以每個執行機構2分別對應一個功率信號控制機 構1，實現一一對應的控制效果。進一步參考圖3，功率信號控制機構1進一步包括中央控制器11，其通過一開關 電源15連接外部電源，并由該開關電源15控制其關斷和打開；一偏磁模塊13，其由一勵磁 電源14控制其關斷和打開；以及一功率脈沖發生模塊12 ；其中，所述功率脈沖發生模塊12 以及偏磁模塊13連接至執行機構3，并在中央控制器11的控制下，調節產生脈沖的功率、頻 率以及寬度。請同時參考圖4A和圖4B，執行機構3進一步多個換能器31，換能器31均勻環狀 陣列式，插設在一變幅管32上，換能器31內部由一內襯管33與管內工質隔絕，外部由預緊
5力法蘭組合34固定，所述換能器33通過線纜與功率信號控制機構電性連接。換能器31通過特殊焊接與變幅管32連接，從而達到較佳的固定效果和能量傳遞 效果。換能器31的設計數量根據運輸管道的管道直徑大小決定，本實用新型的實施例中設 置了 8個，各個換能器的長度和參數完全一致，但并非作為限制。為實現更好的超聲波覆蓋 效果，本實用新型優選換能器31在管道壁上均勻分布，環形陣列，從而達到較好的超聲波 覆蓋效果。本實用新型中的換能器31是超磁致伸縮材料制成的，磁致伸縮材料的室溫磁致 伸縮應變量大，伸縮量達0. 15% ；轉換效率高，機電耦合系數可達到0. 75 ；居里溫度高達 560°C，工作溫度達200°C。同時，相比于壓電陶瓷材料需要幾千伏到幾萬伏的高電壓驅動， 本實用新型的其驅動電壓低，工作時需要低電壓驅動；并且，可承受高達200 700Mpa的壓 力，適于高壓力的執行器、大功率的聲學換能器等；不存在壓電陶瓷中失極化引起的實效問 題，同時不存在老化、疲勞問題，因而具有很高的可靠性。換能器的作用就是將電信號，轉化成超聲波信號，在固體或者液體中傳播，其原理 是使得冷卻水(油)產生空化效應，空化效應中氣泡的破裂伴隨高速射流產生，瞬間能產生 高壓和局部高溫強烈沖擊波沖擊物件表面，破壞垢類生成和在管壁沉積的條件，粉碎懸浮 于水中，阻礙沉淀。開始先產生許多小裂縫，當裂紋逐漸增多后，水垢便形成沙礫狀顆粒，一 部分從管壁表面脫落。水在毛細的作用下通過細小裂縫滲入到受熱表面，此處有水被蒸發， 從而帶動垢層的膨脹和成片地脫落。這樣垢質不會在設備的壁表面存留，隨水流流走或通 過排污排除，達到防垢除垢的目的。由圖中可以看出，本實用新型中換能器31是穿插設置在管道壁上的，眾所周知， 當振動的方向與超聲波的傳播方向同相時，超聲波主要以縱波的方式傳播，當振動方向與 超聲波的傳播方向垂直時，超聲波以橫波的方式傳播。因此，本實用新型中，超聲波在管道 壁主要是以縱波的形式傳播。以縱波的形式傳播，相比于橫波，具有更高的傳輸速度，以及更少的能量損失，并 且作用于金屬表面的超聲波振動產生的機械能量，可以引起板結在受熱面上的污垢跟隨金 屬壁同步振動。由于污垢與金屬管壁以及液體的彈性阻抗不同，即對超聲波頻率響應不同， 三者產生不同步的振動速度，因此產生高速的相對運動，由于速度差形成垢層與管壁界面 上的相對剪切力，即形成“剪切效應”，破壞了水垢和金屬之間的結合，從而導致垢層產生疲 勞、裂紋、疏松、破碎而脫落。對于新的換熱設備，由于壁上沒有垢的沉積，這樣在管壁始終 保持高速微振的狀態下，垢質很難附著在壁上，起到了非常好的防垢效果。并且，在內管壁表面自然形成的裂縫中，存有水中溶解的氧氣，在超聲波振動的作 用下，它被強制從裂縫中排出來。超聲波的脈沖長期地作用于管的內壁表面，在微小的縫隙 附近發生變形變化，這些變形變化把裂縫的邊緣鉚住，使它們被封住，水中的溶氧就不會滲 入裂縫中，消除了腐蝕的源頭，保護金屬免受磨蝕。管子的內壁變得光滑了，而且它的總面 積迅速地減小，破壞了腐蝕的條件，從而減小了金屬受腐蝕的概率，這種防腐蝕的效果在某 種程度上取代了管子內表面的鈍化，相當于清除鋼鐵管受氧腐蝕的裝置。本實用新型還在管道壁上設置了多個傳感器，以實時監測管道不通位置的振動情 況，并將振動的信息傳輸到，功率信號控制機構1的中央控制器11，進而中央控制器11控 制功率發生模塊12和偏磁模塊13，以調節執行機構3中換能器31產生的超聲波的能量大小，頻率等等，以適應不同的要求，達到更好的控制效果。請再參考圖4A和圖4B，為實現較好的而保護效果，本實用新型的執行機構3設置 了保護罩36包覆預緊力法蘭組合34的外側，預緊力法蘭組合34進一步包括預緊力法蘭、 預緊力法蘭肋板通過預緊力螺栓固定。變幅管32上設置了多個通風管35，通風管35聯通 保護罩36的空腔，通過冷卻風道38將執行機構3釋放的熱量通過自然風進行冷卻。由于 每個換能器31均通過線纜連接到功率信號控制機構1上，為此，在保護罩36上設置了一個 穿線管37，將全部線纜集合在一起，再連接至功率信號控制機構。此外，本實用新型的換能器產生的超聲波，其造成的空化作用可以使水分子裂解 為H ·自由基和HO ·自由基，甚至為H+和0H—等，而OH與成垢物質離子可形成諸如Ca (OH)2, Mg(OH)2等的化合物，從而增加水的溶解能力，使其溶垢能力相對提高，可以提高了水和成 垢物質的活性，破壞垢類物質生成和在管壁沉積的條件，使成垢物質在液體中形成分散沉 積體不在管壁上形成硬垢。管道在本裝置的超聲作用下，使管壁和水之間由于振動而產生微小的射流，對滯 流邊界層和層流內層產生破壞作用，使它們發生形變、位移和湍動。在所激發的共振系統 中，使滯流層厚度減小，并對流體流動的主體造成強烈的擾動，極大的提高了層流層區域 的流速，減小了層流層的阻力，即降低了水動力強度，增加流體的湍流程度，從而提高了水 (油)流的速度，對于換熱管道或設備可以提高換熱系數10% 40%。綜上所述，依照本實用新型較佳實施例的長管道高效超聲波防垢/除垢裝置換能 器串接在管道壁上，因此一金屬管道側壁為媒介將超聲波以縱波的形式傳播，從而空化效 應使得管道的污垢逐步振動瓦解，并且傳輸速度快，距離長；本實用新型的功率信號控制機 構，可以根據監測到的信號實時判斷管道的振動信號，進而調節功率信號的輸出幅度、頻率 等等，達到最佳的效果；本實用新型將超磁致伸縮制成的換能器，取代傳統的壓電陶瓷制成 的換能器，因此機電轉換效率更高，伸縮性能大，且能耗小，性能穩定。依照本實用新型的所述的長管道高效超聲波防垢/除垢裝置，不僅可以實現長距 離管道的明顯的除垢效果，還可以預防污垢的形成，還可以防止水中溶氧對金屬的腐蝕，同 時減少阻力，提高流速。本實用新型優選實施例只是用于幫助闡述本實用新型。優選實施例并沒有詳盡敘 述所有的細節，也不限制該實用新型僅為所述的具體實施方式
。顯然，根據本說明書的內 容，可作很多的修改和變化。本說明書選取并具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本實 用新型的原理和實際應用，從而使所屬技術領域技術人員能很好地利用本實用新型。本實 用新型僅受權利要求書及其全部范圍和等效物的限制。
權利要求1.一種長管道高效超聲波防垢/除垢裝置，用于去除/預防運輸管道中的污垢，其特征 在于，包括功率信號控制機構以及連接在管道內的多個執行機構，所述功率信號控制機構 通過線纜與所述些執行機構電性連接；所述執行機構進一步包括多個換能器，該些換能器呈均勻環狀陣列式，插設在一變幅 管上，所述些換能器內部由一內襯管與管內工質隔絕，外部由預緊力法蘭組合固定，所述些 換能器通過線纜與功率信號控制機構電性連接。
2.如權利要求1所述的長管道高效超聲波防垢/除垢裝置，其特征在于，所述功率信號 控制機構進一步包括一中央控制器，其通過一開關電源連接外部電源，并由該開關電源控制其關斷和打開；一偏磁模塊，其由一勵磁電源控制其關斷和打開；以及一功率脈沖發生模塊；其中，所述功率脈沖發生模塊以及偏磁模塊連接至執行機構中的換能器，并在所述中 央控制器的控制下，調節產生脈沖的功率、頻率以及寬度。
3.如權利要求1所述的長管道高效超聲波防垢/除垢裝置，其特征在于，所述變幅管上 設置有多個通風管，將換能器產生的熱量排出。
4.如權利要求1所述的長管道高效超聲波防垢/除垢裝置，其特征在于，所述執行機構 還包括一保護罩，該保護罩覆蓋在所述預緊力法蘭組合外部，且設置有用于冷卻執行機構 熱量的冷卻風道以及用于穿設所述線纜的穿線管。
5.如權利要求1所述的長管道高效超聲波防垢/除垢裝置，其特征在于，所述預緊力法 蘭組合進一步包括預緊力法蘭、預緊力法蘭肋板以及預緊力螺栓。
6.如權利要求1所述的長管道高效超聲波防垢/除垢裝置，其特征在于，所述換能器是 超磁致伸縮材料制成的換能器。
7.如權利要求1所述的長管道高效超聲波防垢/除垢裝置，其特征在于，所述換能器的 長度相同。
8.如權利要求1所述的長管道高效超聲波防垢/除垢裝置，其特征在于，所述換能器在 所述功率信號控制機構下產生超聲波，所述超聲波在管道內以縱波的形式傳播。
9.如權利要求1所述的長管道高效超聲波防垢/除垢裝置，其特征在于，還包括設置在 管道上的多個傳感器，用以測量管道不同位置的振動信號，并傳輸至所述功率信號控制機 構。
10.如權利要求1所述的長管道高效超聲波防垢/除垢裝置，其特征在于，所述換能器 是通過焊接與變幅管連接的。
專利摘要本實用新型提供一種長管道高效超聲波防垢/除垢裝置，用于去除/預防運輸管道中的污垢，其包括功率信號控制機構以及連接在管道內的多個執行機構，所述功率信號控制機構通過線纜與所述些執行機構電性連接；所述執行機構進一步包括多個換能器，該些換能器均勻環狀陣列式，插設在一變幅管上，所述些換能器內部由一內襯管與管內工質隔絕與管內工質隔絕，同時具有和原管道同樣的強度，外部由預緊力法蘭組合固定，所述些換能器通過線纜與功率信號控制機構電性連接。依照本實用新型的所述的長管道高效超聲波防垢/除垢裝置，不僅可以實現長距離管道的明顯的除垢效果，還可以預防污垢的形成，還可以防止水中溶氧對金屬的腐蝕，同時減少阻力，提高流速。
文檔編號B08B9/027GK201841139SQ20102026736
公開日2011年5月25日 申請日期2010年7月12日 優先權日2010年4月20日
發明者褚興全 申請人:時洪齊, 褚興全