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专利名称：一种声空化强化传热与防除垢测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及一种传热与防除垢的测量装置，具体地涉及一种声空化强 化传热与防除垢测量装置。
本发明还涉及利用上述测量装置对声空化强化传热与防除坭效率的
背景技术：
声空化是指向液体中辐射声波时，在一定压强下液体中出现的微小气 泡随着声压的变化做脉动、振荡，或伴随有生长、收缩以致破灭等一系列 动力学过程。声空化的过程是集中声场能量并迅速释放的过程，会瞬间在 局部产生高温、高压，并伴有强烈的冲击波和高速射流。声空化所引发的 物理、机械、热效应等在工业上具有广阔应用前景。将声空化直接强化传 热技术与防除垢强化传热相结合应用于换热过程，从多角度提高换热效率 与节能效果以及减小环境污染，是一种集高效、节能、环保为一体的实用 新技术。
但是，采用声空化强化传热与防除垢技术时，如何提高其传热效率和 防除垢率是很值得研究的。

发明内容
本发明的目的在于提供一种声空化强化传热与防除垢测量装置，以期 能得到最佳的传热效率和防除垢效果。
本发明的又一目的在于提供一种利用上述测量装置对声空化强化传 热与防除垢效率的测量方法。
为实现上述目的，本发明提供的声空化强化传热与防除坭测量装置， 其包括
一测试段，其中一面设有透明玻璃观察窗口，在该测试段的入口处安
5装一声空化装置，该测试段的出口连接一储液箱； 一加热器，设置在测试段内部； 一压力泵，连接在储液箱与声空化装置之间；
一显微放大摄影装置，连接图象处理显示器，该显微放大摄影装置由 显微镜和摄影仪组成，显微镜对准测试段的观察窗口 。
本发明的测量装置中，加热器连接一调压器，该加热器的表面安装有 数支热电偶用于测量其加热器表面温度。
本发明的测量装置中，在测试段液体的不同位置处安装有数支热电偶 用于测量液体温度。
本发明的测量装置中，加热器与声空化装置之间的距离可调。
本发明的测量装置中，在测试段入口处分别安装有压力传感器、温度 传感器和流量计，并分别连接至数据采集记录系统。
本发明的测量装置中，在压力泵的出口与储液箱之间安装有旁路管道 与流量调节阀。
本发明提供的利用上述测量装置对声空化强化传热与防除垢效率进 行测量的方法，其步骤包括
a) 确定加热器的重量；
b) 将加热器安置在测试段内部；
c) 液体工质经声空化装置进行空化后进入测试段与加热器交换热量 再进入储液箱；
d) 记录液体工质流量和压力，以及测试段内加热器表面及液体的温
度；
e) 观察测试段内液体工质的空化与流动状态、成坭物质的状态变化；
f) 取出加热器，再确定其重量，并观察加热器外表面的积坭状态；
g) 计算得到加热器外表面与其周围液体工质的平均对流换热系数、 积垢速率、防垢率和除垢率。
本发朋一方面利用超声空化在媒介中传播时产生的各种效应从控制 传热过程本身入手，通过在一定范围内改变空化强度来直接控制传热过程 的强烈程度，提高换热设备的传热效率，从而实现在工程实际应用中人为 控制传热过程；另一方面，通过声空化使液体中成垢物质的理化指标与形
6态发生变化，成垢物质不易在换热器表面结垢，同时空化泡溃灭形成的高 速射流冲击换热器表面使已有积垢松散脱落，有效抑制与防止换热设备表 面积垢，从另一角度提高换热设备的热能利用率，实现传热强化；此外，
由于避免和减少了除垢过程中化学药剂的使用，从而消除或减轻了对环境 的污染。


图1是本发明的测量装置示意图。
图2是声空化作用下传热强化率随热流密度的变化示意图。 图3是利用本发明的测量装置对加热器外表面的观察照片，其中a是 无声空化时的照片，b是有声空化时的照片。
具体实施例方式
请参阅图1。本发明的测量装置如图1所示，主要由压力泵1、声空 化装置2、测试段3、加热器4、储液箱5、数据采集记录装置6、显微放 大摄影装置7、光源8、图象处理显示器9、调压器IO、流量调节阀ll、 流量计12、压力传感器13、温度传感器14、高精度电子天平15、高倍数 显微镜16组成。其中，压力泵1为扬程120米的高压泵，为了获得良好 的空化效果，声空化装置的工作压力在4-8个大气压之间可调，通过声空 化装置的流体流量为2.5-4立方米/小时可调，通过调节控制阀门可以调节 流体流量和压力，以达到控制空化强度的目的；测试段3为一长方体，其 中一面装有耐高温透明玻璃，以便观测其液体工质的流动与空化特征；声 空化装置2安装在测试段入口处，液体工质经空化装置后再进入测试段； 加热器4从测试段的上部插入并与空化装置相对而置，在加热器的外表面 分散安装有数支热电偶用于测量其外表面的温度，加热器的加热功率为 0-1000W可调，加热器距声空化装置的距离可调，以确定空化距离对强化 传热与防除垢的影响规律；在加热器附近液体的不同位置也分散安装有数 支热电偶，用以测量液体工质的温度；数据采集记录装置6由多通道数据 采集仪与计算机数据显示与处理系统组成；显微放大摄影装置7由高倍数 显微镜与高速摄影仪组成，通过可视化窗口观测测试段内液体工质的流动与空化特征；光源8用于可视化观测与拍摄时的照明；图象处理显示器9 用于高速摄影的参数控制及图象记录与处理；调压器10用于调节和控制 加热器的功率；在泵的出口与储液箱间安装旁路管道与流量调节阀11用 于调节和控制通过空化装置及测试段的液体流量；在测试段的入口管道上 分别安装有压力传感器13、温度传感器14、流量计12，分别用于测量空 化装置前的压力、温度、通过空化装置与测试段的液体流量；高精度电子 天平15用于测量加热器的质量，以确定声空化防除垢效果，高倍数显微 镜16用于观测换热器表面的积垢现象与特征。
实际操作时，首先将加热器秤重，并采用高倍数显微镜观测拍摄后再 插入测试段，开启压力泵、数据采集记录及显示系统，在压力泵1的驱动 下液体工质经空化装置2空化后进入测试段3，在与加热器4交换热量后 再进入储液箱5;调节液体工质流量至所需值，等系统稳定后记录流量、 压力及各部分的温度数据，同时采用显微放大摄影系统观测测试段内液体 的空化与流动特征、成垢物质形态等的变化；系统稳定运行一段时间后， 将加热器从测试段取出风干后再秤重，并采用高倍数显微镜观测加热器表 面的积垢现象与特征；然后再将加热器插入测试段继续进行，如此重复直 至整个过程结束。
在上述测量的基础上，通过下式可以计算得出换热器外表面与周围流 体的平均对流换热系数
<formula>formula see original document page 8</formula>
式中，热流密度g电加器功率
加器外表面积'
f,为液体的平均温度，fw为加热器外表面的平均温度, 积垢速率通过下式计算得到
<formula>formula see original document page 8</formula>
防垢率通过下式计算得到
<formula>formula see original document page 8</formula>除垢速率通过下式计算得到
S々
式中
0-积坭速率；Mt-步骤f的加热器重量；M。-步骤a的加热器重量；S-加热器表面积；t-测试时间；^。-无声空化作用时的积垢速率；^u-有声空 化作用时的积垢速率；t防垢率。
测试过程中，可通过改变液体工质的种类及其流量与温度、空化强度 与空化距离、加热器功率等来研究各种因素对声空化强化传热与防除坭的 影响规律。
本发明可广泛用于各类换热设备的强化传热与防除坭，与相同条件不 采用声空化的换热设备相比，具有明显的强化传热与防除坭效果。 实施例
为了对采用声空化与不采用声空化时换热设备的换热与积坭情况作 一比较，分别对相同换热设备与运行条件下不加声空化装置与加声空化装
置后的传热特性及换热器表面的积垢现象与特征进行显微观测。图2所示 为声空化作用下传热强化率(以"表示，即有声空化时的换热系数与无声 空化时的换热系数的比值)随热流密度的变化情况，可以看出有声空化作 用时，在各种热流密度下其传热均得到强化，尤其在低热流密度时，其强 化率达到了 2.3左右。图3a为无声空化时换热设备连续运行一时间后其表 面的积垢情况，图3b为有声空化时换热设备连续运行一时间后其表面的 积垢情况，可以看出声空化对换热设备也具有明显的防除坭效果。
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权利要求
1、一种声空化强化传热与防除垢测量装置，其中包括一测试段，其中一面设有透明玻璃观察窗口，在该测试段的入口处安装一声空化装置，该测试段的出口连接一储液箱；一加热器，设置在测试段内部；一压力泵，连接在储液箱与声空化装置之间；一显微放大摄影装置，连接图象处理显示器，该显微放大摄影装置由显微镜和摄影仪组成，显微镜对准测试段的观察窗口。
2、 如权利要求1所述的声空化强化传热与防除垢测量装置，其中， 加热器连接一调压器，该加热器的表面安装有数支热电偶用于测量其表面 温度。
3、 如权利要求1所述的声空化强化传热与防除垢测量装置，其中， 在实验段液体的不同位置处安装有数支热电偶用于测量液体温度。
4、 如权利要求1所述的声空化强化传热与防除垢测量装置，其中， 加热器与声空化装置之间的距离可调。
5、 如权利要求1所述的声空化强化传热与防除垢测量装置，其中， 在测试段的入口处分别安装有压力传感器、温度传感器和流量计，并分别 连接至数据采集记录系统。
6、 如权利要求1所述的声空化强化传热与防除垢测量装置，其中， 在压力泵的出口与储液箱之间安装有旁路管道与流量调节阀。
7、 一种利用权利要求1所述的测量装置对声空化强化传热与防除垢 效率进行测量的方法，其步骤包括a) 确定加热器的重量；b) 将加热器安置在测试段的内部；c) 液体工质经声空化装置进行空化后进入测试段与加热器交换热量 再进入储液箱；d) 记录液体工质流量和压力，以及测试段内加热器表面及液体的温度；e) 观察测试段内液体工质的空化与流动状态、成垢物质的状态变化;f) 取出加热器，再确定其重量，并观察加热器外表面的积坭状态；g) 计算得到加热器外表面与其周围液体工质的平均对流换热系数、 积垢速率、防垢率和除垢速率。
8、 如权利要求7所述的测量方法，其中，步骤b至步骤f重复进行。
9、 如权利要求7所述的测量方法，其中，液体工质由压力泵输入至 声空化装置内。
10、 如权利要求7所述的测量方法，其中，通过旁路管道与流量调节 阀调节和控制通过声空化装置的液体工质流量。
11、 如权利要求7所述的测量方法，其中，步骤g中，加热器外表面 与周围流体的平均对流换热系数是通过下式计算得到式中，热流密度《、电幼力SS力4;加热器外表面积^为液体的平均温度，fw为加热器外表面的平均温度； 积垢速率通过下式计算得到<formula>formula see original document page 3</formula>防垢率通过下式计算得到<formula>formula see original document page 3</formula>除垢速率通过下式计算得到式中^-积标速率； Mt-步骤f的加热器重量； M。-步骤a的加热器重量； S-加热器表面积； t-测试时间；0。-无声空化作用时的积垢速率；^u-有声空化作用时的积垢速率; V陽防街率全文摘要
一种声空化强化传热与防除垢测量装置，包括测试段，其中一面设有透明玻璃观察窗口，在该测试段的入口处安装一声空化装置，该测试段的出口连接一储液箱；一加热器，设置在测试段内部；一压力泵，连接在储液箱与声空化装置之间；一显微放大摄影装置，连接图像处理显示器，该显微放大摄影装置由显微镜和摄影仪组成，显微镜对准测试段的观察窗口。测量方法包括先确定加热器的重量；液体工质经声空化装置进行空化后进入测试段与加热器交换热量；记录液体工质流量和压力，加热器外表面温度以及测试段内流体的温度；观察测试段内液体工质的空化与流动状态、成垢物质的状态变化；取出加热器，再确定其重量，并观察分析加热器外表面的积垢状态。
文档编号G01N19/00GK101685065SQ200810222960
公开日2010年3月31日 申请日期2008年9月24日 优先权日2008年9月24日
发明者李勋锋, 淮秀兰, 军 蔡 申请人:中国科学院工程热物理研究所