专利名称：长管道高效超声波防垢/除垢装置的制作方法在管道运输领域中，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。
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为本实用新型的系统结构图；图2B为本实用新型的第二实施例的系统结构图；图3为本实用新型的功率脉冲信号控制机构的框图。图4A为本实用新型的执行机构的结构图；图4B为图4A的A向视图。以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细描述，但本实用新型并不仅仅 限于这些实施例。本实用新型涵盖任何在本实用新型的精髓和范围上做的替代、修改、等效 方法以及方案。为了使公众对本实用新型有彻底的了解，在以下本实用新型优选实施例中 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 实用新型。另外，为了避免对本实用新型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。本实用新型的核心思想在于，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，本实用新型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，本实用新型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均勻环状 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5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，本实用新型的实施例中设 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，本实用新型优选换能器31在管道壁上均勻分布，环形阵列，从而达到较好的超声波 覆盖效果。本实用新型中的换能器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°C，工作温度达200°C。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， 本实用新型的其驱动电压低，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，本实用新型中换能器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，本实用新型中，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。本实用新型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，本实用新型的执行机构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，本实用新型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0H—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，依照本实用新型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；本实用新型的功率信号控制机 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；本实用新型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。依照本实用新型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。本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙 述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的。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实 用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型。本实 用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。