1 Cơ quan chủ quản: Bộ Công Thương
Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Nghiên cứu Cơ khí
Chủ nhiệm đề tài: Ts. Lê Trí Vĩnh
6927
28/7/2008

Hà nội – 2008 2


BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
CẤP BỘ NĂM 2007
TÊN ĐỀ TÀI: “ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SIÊU ÂM HIỆU QUẢ CAO
TRONG CHỐNG ĐÓNG CẶN TRÊN CÁC THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ
HỆ THỐNG ĐƯỜNG ỐNG”

KH: 101- 07RD/HĐ-KHCN
Thủ trưởng đơn vị Chủ nhiệm đề tài
(ký tên, đóng dấu) (ký, ghi rõ họ tên)
Ts. Lê Trí Vĩnh

1.3.2. Công nghệ chống đóng c
ặn bằng năng lượng sóng từ trường 17
1.3.3. Nguyên lý làm việc của thiết bị xử lý nước điện tử 19
1.3.4. Công nghệ chống đóng cặn bằng năng lượng siêu âm 21
1.4. Âm và sóng âm 23
1.4.1. Khái niệm về âm thanh và dao động sóng âm 23
1.4.2. Các đặc tính cơ bản của sóng âm thanh 24
1.5. Siêu âm và các đặc tính quan trọng của năng lượng dao động sóng
siêu âm 28
1.5.1. Khái niệm về dao động siêu âm 28
1.5.2. Các tính chất quan trọng của dao động sóng siêu âm 29
1.5.3. Bản chất sự tác động sóng siêu âm trong chất lỏng 33
1.6. Ứng dụng năng lượng siêu âm trong công nghiệp 35
1.6.1. Gia công cơ bằng năng lượng siêu âm 38
1.6.2. Làm sạch bằng công nghệ siêu âm 39
1.6.3. Hàn bằng năng lượng siêu âm 40
1.6.4. Công nghệ siêu âm trong ngành hoá hiện đại 40
1.6.5. Siêu âm trong ngành luyện kim 41
1.6.6. Công nghệ siêu âm trong ngành mỏ 41
1.6.7. Công nghệ siêu âm trong công nghiệp chế biế
n thực phẩm 41
1.7. Kết luận chương 1 41
CHƯƠNG 2. CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ CHỐNG ĐÓNG CẶN
BẰNG NĂNG LƯỢNG SIÊU ÂM CHO CÁC THIẾT BỊ
TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ HỆ THỐNG ĐƯỜNG ỐNG 43
2.1. Giới thiệu chung về công nghệ và các kết quả nghiên cứu ứng
dụng công nghệ siêu âm trong nước và quốc tế 43
2.2. Công nghệ dùng năng lượng siêu âm trong chống đóng cặn trên
các thiết b
ị nhiệt 45

3.4. Tính toán thiết kế đầu phát siêu âm cơ học dung cho chống đóng
cặn trên thiết bị trao đổi nhiệt và hệ thống đường ống 74
3.4.1. Tính toán thiết kế phần tích tụ và truyền năng lượng siêu âm (thân
đầu phát) 74
3.4.2. Tính toán thiết phần hiệu ứng từ giảo 77
3.4.3. Tính toán bền đầu phát dao động siêu âm cơ học 78
3.4.4. Các bản vẽ đầu phát UPA-1M (xem ph
ụ lục - các bản vẽ kèm theo) 79
3.4.5. Tính toán lựa chọn đầu phát cho bộ trao đổi nhiệt 79
3.5. Kết luận chương 3 79
CHƯƠNG 4. KHẢO NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HIỆU
QUẢ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SIÊU ÂM CHO CHỐNG
ĐÓNG CẶN TRÊN BỘ TRAO ĐỔI NHIỆT 81
4.1. Mục đích nghiên cứu khảo nghiệm 81
4.2. Đối tượng nghiên cứu 81
4.2.1. Thiết bị trao đổi nhi
ệt HE NaCl HEATER-502 và các đặc tính kỹ
thuật cơ bản: 81
4.2.2. Kết quả khảo sát bộ trao đổi nhiệt HE-502 82
4.3. Thiết bị công nghệ (thiết bị phát siêu âm) 82
4.3.1. Nguồn phát dao động điện tần số siêu âm 83
4.3.2. Đầu phát dao động siêu âm cơ học 83
4.3.3. Cáp cao tần 83
4.3.4. Ổn áp 84
4.3.5. Các đặc tính kỹ thuật khác củ
a thiết bị công nghệ 84

5
4.4. Nội dung khảo nghiệm đánh giá hiệu quả của năng lượng siêu âm
trong chống đóng cặn 84

1 Lê Trí Vĩnh TS. Cơ khí Trung tâm TVTKCN
2 Nguyễn Hải Hà KS. Cơ khí Trung tâm TVTKCN
3 Nguyễn Anh Dũng KS. Cơ khí Trung tâm TVTKCN
4 Thái Trung Hiếu KS. Cơ khí Trung tâm TVTKCN
5 Phạm Văn Kha KS. Tự động hoá Trung tâm TVTKCN
6 Lê TrongKiên KS. Điện Trung tâm TVTKCN
7 Ngô Duy Hưng KS. Cơ khí Trung tâm TVTKCN
8 Trần Ngọc Hải KS. Cơ khí Trung tâm TVTKCN
9 Võ Duy Phương KS. Cơ khí Trung tâm TVTKCN

hiệu quả làm việc của các thiết bị trao đổi nhiệt tới 30%. Trong đó cáu c
ặn trong
các bộ trao đổi nhiệt còn gây ra sự tổn thất kinh tế nặng lề cho cả dây chuyền
sản xuất, cho vận chuyển và quá trình sử dụng nhiệt.
Trong các hệ thống thiết bị nhiệt xuất hiện các tổn thất khác - sự gia tăng
năng lượng điện tiêu thụ của các bơm nước do cần phải bơm lưu lượng lớn hơn
để bù đắp sự tổ
n hao nhiệt, sự gia tăng các tổn hao về thuỷ động và nhiệt động,
sự cần thiết phải thường xuyên tháo lắp và tảy rửa cặn trên các bề mặt gia nhiệt
của các thiết bị nhiệt.
Tổn hao về nhiệt trong quá trình vận chuyển nhiệt gia tăng khi cần có
nhiệt bổ xung do tổn hao từ nơi sinh nhiệt đến thiết bị sử dụng nhiệt. Sự gia tăng
lư
u lượng nước cần gia nhiệt (hay thu nhiệt) trong các thiết bị trao đổi nhiệt dẫn
đến sự cần thiết phải vận chuyển lưu lượng lớn hơn, và các tổn hao bổ xung
năng lượng điện v.v. Các phương pháp thường được sử dụng hiện nay để đấu
tranh chống lại sự hình thành cáu cặn với mục đích: giảm số lượng các muối
cacbonnat cứng có trong nước bằ
ng cách sử lý nước với sự hỗ trợ của hoá chất
(làm mềm nước) và sử dụng các chế độ nhiệt tối ưu trong hệ thống trao đổi
nhiệt.
Việc sử dụng phương pháp sử lý làm mềm nước bằng hoá chất cần được
đảm bảo trong suốt quá trình hoạt động của các bộ trao đổi nhiệt. Mặt khác, quá
trình sử lý khó có thể được đảm bảo ở m
ức tối ưu dẫn đến quá trình hình thành
cáu cặn càng gia tăng. Trong các thiết bị điện hoá chống đóng cặn, quá trình
hình thành cáu cặn xảy ra ở các bộ lọc chuyên dụng, sự hình thành cáu cặn ở đây
xảy ra nhanh hơn so với trong các bộ trao đổi nhiệt. Chính vì thế việc tảy rửa
cặn trong các bộ lọc phải thực hiện thường xuyên hơn so với các bộ trao đổi
nhiệt.

động siêu âm, các tác dụng khác nữa của năng lượng siêu âm là vô cùng c
ần
thiết. 9
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TẢY RỬA VÀ CHỐNG ĐÓNG CẶN TRÊN
CÁC THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ HỆ THỐNG ĐƯỜNG ỐNG,
SIÊU ÂM VÀ ỨNG DỤNG SIÊU ÂM TRONG CÔNG NGHIỆP

1.1. Tổng quan về cáu cặn trong các thiết bị trao đổi nhiệt và hệ thống đường
ống
1.1.1. Khái niệm về nước cứng và độ cứng của nước
Độ cứng của nước – là tập hợp các tính chất của nước được đặc trưng bởi
các iôn canxi và magnhê có chứa trong nước. Nếu nồng độ các iôn này lớn, thì
nước được gọi là nước cứng, nếu nồng độ nh
ỏ thì nước được gọi là nước mềm.
Nếu nước cứng có thành phần iôn magnhê cao thì có thể kiểm tra bằng vị, vị đặc
trưng là hơi chát.
Nước cứng cũng được phân loại ra làm hai loại :
- Nước cứng cacbonnat là nước cứng khi có chứa các muối axít cacbonnát
hoà tan như muối hyđrô cacbonnat canxi Ca(HCO
3
)
2
và hyđrôcacbonnat
magnhê Mg(HCO
3
)
2

Sau một thời gian vận hành các thiết bị trao đổi nhiệ
t, hệ thống đường
ống và các thiết bị nhiệt công nghiệp và dân dụng khác xảy ra hiện tượng hình
thành cáu cặn cacbonnat (cặn) chủ yếu là do các phần tử muối cứng có trong
nước (nước cứng) – đó là các phần tử muối cacbonnat của canxi (Ca
2+
), magnhê
(Mg
2+
) và các phần tử khoáng chất khác tạo thành.
Cặn được hình thành trên bề mặt gia nhiệt của các thiết bị nhiệt trong quá
trình nước được đun nóng. Quá trình hình thành cáu cặn được xảy ra do một số
nguyên nhân sau: sự phân rã các muối axít cacbonnat chủ yếu của các nguyên tố
canxi và magnhê, các muối này chuyển thành muối cacbonnat với độ không tan
rất cao bám vào bề mặt gia nhiệt của thành ống và hình thành nên cáu cặn (xem
phương trình phản ứng 1.1). Ngoài các muối cacbonnat canxi và magnhê, còn có
các muối khác của canxi và magnhê như sulphat và clorit t
ạo ra cặn trong các
thiết bị trao đổi nhiệt và hệ thống đường ống. Tuy nhiên nồng độ các muối này
trong nước không nhiều như muối cacbonnat nên người ta chỉ tập trung sử lý các
muối cacbonnat.
Quá trình hính thành cáu cặn là quá trình kết tinh thể hoá tương đối phức
tạp và có thể được mô tả trong ba giai đoạn phát triển sau:

10
1. Đạt trạng thái bão hoà.
2. Hình thành các tâm (mầm) kết tinh tinh thể.
3. Đạt kích thước đủ lớn và kết tủa thành cáu cặn.
Như đã biết, nước sử dụng cho các thiết bị nhiệt tuy đã được sử lý trước
khi đưa vào sử dụng nhưng vẫn chứa một số lượng đáng kể các muối hoà tan,

thế mà cáu cặn hình thành rất nhanh chủ yếu từ các muối này.
Đối với magnhê ngoài một lượng nhỏ muối cacbonnat magnhê gây cặn
còn có hyđroxit magnhê vì khi bị đun nóng Hyđrôcacbonnat magnhê có trong
nước phản
ứng với vôi, kết tủa dưới dạng hyđrôxit magnhê Mg(OH)
2

Độ hoà tan của МgСОз cao, do đó khi được sôi lâu phần lớn muối này sẽ
được thuỷ phân tạo ra hyđrôxít magnhê có độ hoà tan thấp (8 mg/l). Vì hoà tan
thấp nên các phần tử này cấu kết lẫn nhau hình thành nên các phần tử có khối
lượng lớn hơn và kết tủa bám vào bề mặt trao đổi nhiệt và hình thành nên cáu
cặn magnhê.
Ngoài ra, trong nước còn có các thành phần kim loại khác như sắt. Chính
các phương pháp tách sắt ra khỏi nước trong quá trình sử lý nước dẫn
đến sự ô
xy hoá sắt hoá trị 2 Fe
2+
thành sắt hoá trị 3 Fe
+3
và kết tủa dưới dạng hyđrôxít sắt
3 Fe(OH)
3
. Sự có mặt của các chất này trong nước sẽ cản trở qúa trình kết tủa
sắt, chúng là lớp keo bảo vệ đối với hyđrôxits sắt 2.

11
Một trong những phương pháp tách sắt là cho nước đi qua lớp huyền phù
phấn vôi tinh lơ lửng và hyđrôxít nhôm.
2Н2СгО4 + 3Na2SO3 + 3H2SO4 = Cr2(SO4)3 + 3Na2SO4 + 5Н2О (1.3)
Sau đó cần hoà tách nước với NaOH để tách hyđrôxít crôm

11 Clo mg/l 250

Nếu các bộ trao đổi nhiệt dùng để gia nhiệt cho hoá chất, có nghĩa là môi
chất trong đường ống là hoá chất thì trong thành phần cáu cặn còn có thành phần
của các hoá chất gây ra cặn.
Vì thành phần của các nguyên tố khác không có nhiều trong nước ngoài
canxi và magnhê nên các phương pháp chống đóng cặn chỉ tập trung vào sử lý
cặn cho các muối của những nguyên tố này.

1.1.3. Ảnh hưởng của cáu cặn đến hoạt động của thiết bị trao đổ
i nhiệt và hệ
thống đường ống
Cáu cặn dẫn đến sự gia tăng đáng kể mức tiêu thụ năng lượng, giảm hiệu
suất của các thiết bị nhiệt, quá nhiệt bề mặt gia nhiệt của lò hơi, giảm tiết diện
dòng chảy của ống dẫn, dẫn đến sự tăng cản trở chuyển động của nước và chất
lỏ
ng, gia tăng chi phí vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa các thiết nhiệt. Ngoài ra,
dưới lớp cặn xảy ra quá trình tích luỹ các tạp chất làm tăng nhanh quá trình ôxy

12
hoá lớp bề mặt kim loại của ống dẫn làm giảm tuổi thọ của kim loại và hư hỏng
cục bộ trong các đường ống và bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị.
Theo kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học, cứ 1 mm lớp cặn trên bề
mặt của các thiết bị nhiệt sẽ hấp thụ 10% năng lượng nhiệt, nếu trên bề mặt
thành c
ủa nồi hơi hoặc các thiết bị đun nước lớp cặn dầy đến 13 mm thì sự mất
mát năng lượng nhiệt là 70% (hình 1.1)

0
20

thường sử dụng phương pháp cơ thuỷ động.
Trong các quá trình công nghệ thường sử dụng các dụng cụ và thiết bị
như: thiết bị phun nước áp lực cao đến 57 MPa, tuốcbin khí nén với các đầu
phun khí cần thiết, búa khí nén, các thiết bị mơí di động với áp lực đến 3 MPa và
lưu lượng tới 38 m
3
/h, thiết bị điện làm sạch các bề mặt trong của ống gương và
nồi hơi dạng trống v.v. Sử dụng những dụng cụ và thiết bị trên có thể làm sạch
cặn bất kỳ các bề mặt gia nhiệt nào của các thiết bị nhiệt.

13
Bằng các thiết bị cơ khí thuỷ động với áp lực thuỷ động khác nhau người
ta có thể làm sạch cặn và cáu bẩn của tất cả các thiết bị nhiệt, các bộ phận cáu
bẩn cuả tuốc bin, các bộ ngưng của hệ thống gương lò hơi công suất khác nhau.
Tuỳ thuộc vào đặc tính của cặn và cáu bẩn cần làm sạch, áp suất làm việc được
chọn khác nhau trong dải từ 50
đến 450 at. Chi tiết quan trọng của các thiết bị
làm sạch bằng các thiết bị cơ thuỷ động là đầu phun, việc chọn tối ưu đường
kính của các đầu phun sẽ đảm bảo được chất lượng làm sạch các bề mặt bên
trong của các ống trao đổi nhiệt và phụ thuộc vào vật liệu chế tạo ra chúng. Hiện
nay các nhà sản xuất đã đưa ra các thông số cụ thể củ
a đầu phun cũng như các
thông số chế độ làm việc khác của thiết bị trong quá trình tảy rửa cặn phụ thuộc
vào loại cặn cụ thể, bề dày lớp cặn, tính chất lớp cặn, vật liệu của các thiết bị
nhiệt v.v.

1.2.2. Công nghệ tảy rửa bằng cơ khí kết hợp hoá chất
Công nghệ này cũng tương tự như công nghệ tảy rử
a bằng cơ khí nhưng
có kết hợp sử dụng hoá chất với mục đích rút ngắn thời gian tảy rửa do các chất
Những yêu cầu chung đối với các hoác chất phục vụ vụ cho việc tảy rửa cáu cặn
trong các bộ trao đổi nhiệt
Đối với các cáu cặn thông thường

Chất tảy rửa:
Nồng độ:
Nhiệt độ:
Thời gian ngâm:
Axít phosphoríc
Max. 5%
max. 20°C
khoảng. 1 h Đối với các cáu cặn do có dầu, mỡ và tạp chấ
t sinh học khác, có vi sinh:
Chất tảy rửa:
Nồng độ:
Nhiệt độ:
Thời gian ngâm:
Natri
4%
20°C
max 24 h


v.v.; 2. Bơm tuần hoàn dịch; 3. Van đa chức năng dùng để kiểm tra (van hai
chiều) hệ thống cung cấp dịch và hiệu ch
ỉnh lưu lượng dịch cần cung cấp; 4. Hai
ống dẫn dịch mềm làm từ vật liệu chất dẻo tổng hợp bền trong môi trường axít
có lớp bảo về làm từ amiăng, các đai ốc đầu nối ống làm từ vật liệu đồng để kết
nối với thiết bị cần tảy rửa. 16
1.2.3. Công nghệ tảy rửa bằng năng lượng siêu âm
Công nghệ tảy rửa bằng năng lượng siêu âm thực tế cũng là công nghệ
tảy rửa cơ khí hoá chất kết hợp năng lượng của dao động sóng siêu âm. Trước
khi tảy rửa cáu cặn, các bộ trao đổi nhiệt được tháo ra khỏi hệ thống, sau đó đưa
vào các bộ trao đổi nhiệt hoá dung dịch tảy rửa, đồng thời l
ắp các đầu phát dao
động siêu âm vào bộ trao đổi nhiệt với số lượng, đặc tính kỹ thuật nhất định ở
những vị trí thích hợp. Với tác dụng của dung dịch hoá chất tảy rửa các chất cáu
cặn bị phân huỷ từ từ, năng lượng của dao động siêu âm có tác dụng làm cho các
phần tử cặn cáu và hoá chất dao động với tần số của dao dộng siêu âm (thường
là 22 KHz) làm cho các phần tử
hoá chất xâm nhập sâu hơn vào cáu cặn dẫn đến
quá trình phân huỷ cáu cặn được nhanh hơn. Ngoài ra, với tác dụng của dao
động tần số siêu âm, lực hấp dẫn giữa bề mặt kim loại của thiết bị trao đổi nhiệt
và các phần từ cáu cặn giảm dẫn đến việc đẩy chúng ra khỏi bề mặt kim loại khi
có tác dụng của áp lực từ các thiết bị tảy rửa cơ
khí được dễ dàng hơn. Sau một
thời gian (thường từ 5 ngày đến 2 tuần) thiết bị được rửa bằng phương pháp thuỷ
động với tác dụng của dòng nước áp lực để đẩy hết các chất cáu cặn ra ngoài.
Phương pháp tảy rửa bằng năng lượng siêu âm có các ưu điểm là:
- không làm ảnh hưởng đến bề mặt của kim loại do không có sự tác

trao đổi nhiệt, mặt khác hệ thống chống đóng cặn bằng sử lý nước rất đồ sộ và
tốn kém trong đó còn phải sử dụng rất nhiều hoá chất làm mềm nước có giá
thành tươ
ng đối cao. Ngoài ra, chính vì hiệu quả của phương pháp này còn phụ

17
thuộc rất nhiều vào trình độ và kinh nghiệm của những người vận hành nên đôi
khi kết quả là không những không ngăn chặn được sự hình thành cáu cặn mà
còn làm gia tăng quá trình hình thành cáu cặn tiếp sau đó, chính vì thế hiện nay
phương pháp này đang dần được loại bỏ và thay thế vào đó là những phương
pháp khác rẻ tiền mà hiệu quả lại cao hơn nhiều.

Bản chất của quá trình sử lý nước bằng hoá ch
ất trao đổi iôn
Hoá chất sử dụng ở đây là những chất có khă năng thực hiện các quá trình
trao đổi iôn khi tiếp xúc với dung dịch hoà tan trong đó có nước cứng. Quá trình
làm sạch bằng trao đổi iôn cho phép loại bỏ rất nhiều các thành phần có trong
nuớc và chất lỏng như các kim loại nặng, crôm, các nitrat và nitrit và cuối cùng
là làm mềm nước và loại bỏ sắt có trong nước.
Các iônit vô cơ và hữu cơ có thể là iônit tự nhiên và nhân tạo. Theo dấ
u
mang điện tích các iôn bị trao đổi được chia ra làm các katiônit có tính axít và
các aniônit có tính chất bazơ. Phụ thuộc vào mức độ phân tán, các chất trao đổi
iôn còn được phân ra các iôn mạnh và yếu.
Phụ thuộc vào loại iôn liên kết với các nhóm iônit người ta chia chúng ra
theo hình dạng với nhiều kiểu có hình dạng khác nhau: hình dạng của nguyên tử
hyđrô (Hình H), hình dạng clo, khi các nhóm hoạt tính liên kết với các iôn kim
loại (ví dụ, hình Na, hình NH
4
), đối với các iônit hình OH, hình Cl v.v.

chuyển tan vào dung dịch chất lỏng hoà tan.
CaR + 2Na + = Na2R + Ca 2+
MgR + 2Na + = Na2R + Mg 2+
Sau đó, các kationit tái tạo có thể được sử dụng để làm mềm nước cứng
mới. Tương tự như vậy đối với các anionit. Kiểu iônit, thành phần của lớp chứa
chúng, nồng độ và dung dịch hoà tan của các chất tái tạo, nhiệt độ, thời gian tiếp
xúc và sự tiêu thụ hoá chất ảnh hưởng đến mức độ tái tạo. Sự tái l
ập lại hoá chất
trong quá trình sử lý nước cứng thành mềm có thể đạt được từ 60 đến 100%.

1.3.2. Công nghệ chống đóng cặn bằng năng lượng sóng từ trường
Trong những năm gần đây các phương pháp lý tính đặc biệt được quan
tâm và đưa vào ứng dụng trong việc làm sạch và bảo vệ thiết bị trao đổi nhiệt,
trong đó có các phương pháp sử dụng các thiết bị phát sóng siêu âm, phát xung

18
điện, phát từ. Trong các công nghệ kể trên thì công nghệ dùng năng lượng của từ
trường cũng được ưu tiên phát triển do có các ưu điểm sau:
- Bảo dưỡng thiết bị thuận tiện và đơn giản
- Kích thước thiết bị nhỏ gọn
- Không gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh do không sử dụng bất
kỳ chất hoá học nào
- Chống được sự đóng c
ặn, phá đáng kể những cặn đã đóng trên bề mặt các
thiết bị trao đổi nhiệt
- Giảm tốc độ ô xy hoá bề mặt kim loại nhờ được phủ một lớp từ mỏng bảo
vệ
Phương pháp làm sạch dựa trên cơ sở của tác động từ trường đến dòng
chảy của nước. Khi đi qua khoảng không gian giữa hai cực của thiết bị
phát từ

cặn bị nứt vỡ và dần bị vỡ nhỏ ra, một phần hình thành các tổ
hợp nhầy các
muối cặn và phần khác thì tan rã dưới tác động của dòng nước đã nhiễm từ và
được thoát ra khỏi các thiết bị trao đổi nhiệt qua các bộ lọc nước đặt ở cuối
nguồn tuần hoàn của nước và tái sử dụng nước đã qua các bộ lọc cặn này.
Cấu tạo chung của hệ thống chống đóng cặn bằng xung từ trường gồm có:
bộ ngu
ồn và đầu phát xung điện từ, số lượng các đầu phát được xác định bởi số
lượng các thiết bị cần chống đóng cặn (nhưng không nhỏ hơn hai đầu phát) và
được lắp đặt vào thiết bị trong suốt quá trình vận hành thiết bị trao đổi nhiệt.

19
Quá trình tảy rửa và chống đóng cặn được xảy ra theo trình tự, lúc đầu có tác
dụng làm tơi cáu và cặn và cản trở việc hình thành cặn trên các bề mặt gia nhiệt
của các thiết bị nhiệt như nồi hơi, các bộ trao đổi nhiệt v.v.
Theo các kết quả thử nghiệm trong điều kiện công nghiệp thì sự phá huỷ
và tách lớp các cặn khỏi thành của các thiết bị trao đổi nhiệt bắt
đầu thấy có hiệu
quả ngay sau khoảng 10 ngày vận hành. Vào những ngày tiếp theo, cặn bắt đầu
tách thoát hoặc chuyển thành hỗn hợp dạng bùn nhầy và thoát ra theo dòng chảy
của nước. Hiệu quả phá huỷ và tách lớp cặn trên bề mặt các thiết bị nhiệt có diện
tích bề mặt trao đổi nhiệt nhỏ sẽ đạt được tới 90% sau một tháng sử dụng các
loại thiết bị chống đóng c
ặn xung điện từ này. Sử dụng các thiết bị chống đóng
cặn bằng xung điện từ trường cho phép vận hành các thiết bị trao đổi nhiệt ở các
chế độ hoạt động bình thường đảm bảo được các thông số tiêu chuẩn về kinh tế,
kỹ thuật như thiết kế, tiết kiệm năng lượng, an toàn, tuổi thọ cao. Tuy nhiên đây
vẫn còn là hướng tươ
ng đối mới, chính vì thế các thông số kỹ thuật của các thiết
bị chưa được tối ưu, từ trước đến này việc tính toán lựa chọn thiết bị còn hầu

khoáng chất hoà tan trong nước như CO
2
v.v.). Sau thời gian đó, quá trình hình
thành cặn ngược lại bắt đầu xảy ra, chính vì thế cần tính toán cụ thể việc sử
dụng công nghệ này với các điều kiện cụ thể.
Quá trình tác động vào nước cần xử lý bằng công nghệ này hoàn toàn
mang tính vật lý và cũng giống như phương pháp chống đóng cặn bằng sóng từ
trường. Can xi, muối hyđrocacbonat dưới tác động của điện từ tr
ường đã xác
định sinh ra bởi cuộn cảm bọc quanh ống dẫn nước, xảy ra quá trình giải phóng

20
các ion các bon nát Ca
++

từ chuỗi liên kết điện tĩnh với các phần tử nước và hình
thành tiếp theo các tinh thể trung tính không có khả năng hình thành các cặn
cứng. Trong các hệ thống không tuần hoàn, các tinh thể này sau đó được thoát ra
ngoài với nước. Trong các hệ thống tuần hoàn, các tinh thể có thể thu gom được
bằng các bộ lọc tĩnh.
Cơ cấu tác động vào nước cần sử lý có đặc tính vật lý không dùng hoá
chất. Canxi, muối hiđrrô cacbonat trong dung dịch nước t
ồn tại dưới dạng các
iôn mang điện tích dương và điện tích âm. Chính vì lý do đó, khả năng tác động
hiệu quả vào chúng bằng điện từ trường đã được các nhà khoa học nghĩ ra. Nếu
xung quanh ống dẫn nước quấn cuộn dây và đưa vào cuộn dây điện từ trường
biến thiên (hay điện từ trường động) thì các iôn đicacbonat canxi sẽ được giải
phóng từ mối liên k
ết với các phần tử nước. Các iôn mang điện tích dương và
âm được giải phóng liên kết với nhau do lực hấp dẫn và tạo thành trong nước

n của thực vật và sức khoẻ cho động vật và
con người.

Các ưu điểm của thiết bị AntiCa++
- Thiết bị đơn giản không cần thiết phải phá ống khi lắp đặt
- Vận hành không cần bảo dưỡng
- Đảm bảo được các yêu cầu vệ sinh không tiếp xúc với nước
- Chi phí lưu lượng nước thấp hơn nhiều so với các phương pháp xử lý
nước khác
- Tiết kiện điện năng

21
- Ưu điểm quan trọng nhất của thiết bị xử lý nước AntiCa++ là khả năng
chống đóng cáu cặn và loại bỏ các cáu cặn đã có từ trước, dẫn đến việc
tăng hiệu quả về năng lượng của các nồi hơi, các bộ trao đổi nhiệt, v.v.

1.3.4. Công nghệ chống đóng cặn bằng năng lượng siêu âm
Trong qúa trình làm việc của các thiết bị
nhiệt như các bộ trao đổi nhiệt,
lò hơi, các đường ống hình thành các cáu cặn muối cácbonnát, vì có lớp muối
này bám trên bàê mặt gia nhiệt của các thiết bị nhiệt mà làm tăng đáng kể tiêu
thụ năng lượng, giảm hiệu suất cuả các thiết bị, giảm thời gian giữa các lần bảo
dưỡng, tăng chi phí cho bảo dưỡng sửa chữa và vận hành.

22

Hình 1.6. Quá trình xâm thực khí trong chất lỏng

Cùng với các phương pháp tảy rửa bằng hoá chất, trong những năm gần
đây sự áp dụng các phương pháp tảy rửa và chống cáu cặn không dùng hoá chất
đang được đặc biệt quan tâm, trong đó có phương pháp dùng năng lượng siêu
âm.
Bản chất của phương pháp này là: với sự giúp đỡ của thiết bị đặc biệt phát
ra dao động sóng siêu âm vào nước trong các thiết bị trao đổi nhiệt. Dướ
i tác
động của dao động sóng siêu âm, trong nước hình thành ra vô số các bọt khí
(hiện tượng xâm thực khí cavitation). Xung quanh các bọt khí trong nước như là
tâm của sự tạo mầm kết tinh, hình thành ra các phần tử muối cứng của nước và
những phần tử này bám vào bề mặt gia nhiệt cuả thiết bị để tạo thành cặn. Do
thiết bị siêu âm được lắp trực tiếp lên thiết bị nên bản thân bề mặt gia nhiệt của
thiết bị trao đổi nhiệt cũng dao động với tần số siêu âm, dao động này có tác
dụng cản trở sự bám dính các phần tử muối vào các bề mặt gia nhiệt. Vì thế,
những phần tử muối không hoà tan sẽ không có nhiều khả năng bám dính vào
các bề mặt gia nhiệt và trong trạng thái lơ lửng trong nước và sau đó theo dòng
chảy của nước để ra ngoài khỏi bộ trao đổi nhiệt.
Ngoài ra, các dao động tần số
siêu âm có tác dụng làm tan rã các phần tử
muối đã thành cặn trên bề mặt gia nhiệt từ trước. Dao động sóng siêu âm khi tác
động lên trên bề mặt gia nhiệt, tạo ra các lực tác dụng khác hướng, dưới tác
dụng của các lực này liên kết bền trong các phần tử cặn và liên kết giữa các phần
tử cặn và kim loại bị phá huỷ, tạo lên các vết nứt. Các phần tử nước thâm nhập
vào các khe hở của vết nứt

nứt tế vi lại ngăn không cho khí ôxy thâm nhập vào các vết nứt tế vi mỗi khi
tháo nước ra khỏi bộ trao đổi nhiệt và hệ thống đường ống. B
ề mặt trong của
thành ống trở lên nhẵn hơn, diện tích toàn phần của nó trở nên nhỏ hơn dẫn đến
giảm khả sác xuất gỉ bề mặt. Hiệu ứng bảo vệ oxy hoá bề mặt trong của thành
ống ở bất kỳ mức độ nào đều có tác dụng tăng khả năng chống gỉ cho ống.
Những dữ kiện chỉ ra ở trên có mối liên hệ m
ật thiết với nhau và là
nguyên nhân tác động tích cực của năng lượng dao động siêu âm trong quá trình
chống cặn cacbonnat, giảm quá trình oxy hoá bề mặt kim loại và tăng hiệu quả
làm việc của các thiết bị trao đổi nhiệt và hệ thống đường ống. Ngoài ra sử dụng
công nghệ dao động siêu âm trong việc chống đóng cặn loại bỏ hoàn toàn sự ô
nhiễm môi trường do không còn phải dùng hoá chất để sử lý và chuẩn bị nước
cho quá trình trao đổi nhiệt, giảm thiểu chi phí cho các quá trình sử lý và chuẩn
bị nước. Một lợi ích quan trong nữa là mức tiêu hao năng lượng của các thiết bị
kỹ thuật chống đóng cặn bằng năng lượng siêu âm là rất nhỏ vì thế việc sử dụng
các thiết bị này có hiệu quả kinh tế cao.
Dao động siêu âm về bản chất là dao động âm thanh, tuy nhiên sự khác
biệt với dao động âm thanh là dải tần số
và các hiệu ứng tác động của nó vào
môi chất. Vì vậy để có thể hiểu được dao động sóng siêu âm cần phải hiểu bản
chất của âm thanh và dao động sóng âm.

1.4. Âm và sóng âm
1.4.1. Khái niệm về âm thanh và dao động sóng âm
Âm thanh về bản chất là một dao động cơ học có biên độ tương đối nhỏ
mà thính giác con người có thể nhận biết được.
Các ví dụ để minh hoạ cho âm thanh rất nhiều như song âm thanh phát ra
từ gi
ọng nói của người, động vật, từ một chuyển động của bất kỳ vật gì mà ta

tai của con người và mang tính vật lý thuần tuý
và mang tính tương đối bởi vì với các động vật khác, dải tần mà âm thanh chúng
nghe được khác với con người.
Âm thanh có nhiều hầu hết các tính chất như ánh sáng, đó là có thể phản
xạ, khúc xạ và hấp thụ. Về cơ bản các tính chất của âm thanh đã được nghiên
cứu rất cụ thể.

1.4.2.
Các đặc tính cơ bản của sóng âm thanh
Thực nghiệm xác nhận mọi vật rắn khi thực hiện những va chạm nhỏ với
các vật khác đều tạo ra âm thanh. Khi ta vỗ tay, khi ta khảy dây đàn, khi chân ta
đá vào một qủa bóng, tất cả các trường hợp đó đều tạo ra những âm thanh xác
định.
Vận tốc truyền âm:
Sự truyền âm trong một môi trường đàn hồi không phải là tức thời; ta có
thể
nhận thấy ánh chớp trước khi nghe được tiếng sấm. Thực nghiệm chứng tỏ
trong một môi trường đồng chất và đẳng hướng thì âm thanh truyền với vận tốc
không đổi. Vận tốc truyền âm thanh thay đổi khi âm thanh truyền qua các môi
trường khác nhau (chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí).
+Trong chất khí:
- Vận tốc truyền âm không phụ thuộc vào áp suất khối khí.
- Vận tốc tỉ lệ với
ρ
/1 với ρ là khối lượng riêng của chất khí.
Vận tốc tỉ lệ với nhiệt độ, vì khi nhiệt độ tăng thì thể tích của khối khí
tăng, khối lượng riêng bị giảm. Ta có:
Tvv
o
α

3
; C
P
và C
V
là nhiệt dung riêng đẳng áp và đẳng tích của
không khí; v là vận tốc của âm thanh trong chất khí ở nhiệt độ t
o
C.

+Trong chất lỏng:

25
Người ta thấy là vận tốc truyền âm truyền trong chất lỏng lớn hơn nhiều
so với khi truyền trong chất khí và không khác nhau nhiều trong những môi
trường chất lỏng khác nhau. Vận tốc đó vào khoảng 1.400 -> 1.500 m/s lớn gấp
3 đến 4 lần vận tốc trong chất khí.
+ Trong vật rắn:
Vận tốc truyền âm trong vật rắn lớn gấp 10 - 15 lần vận tốc truyền âm
trong không khí, tức là vào khoảng 3.000 đến 4.500 m/s.

C
ường độ của âm
Cường độ của âm là một tính chất mà dựa vào đó ta có thể phân biệt một
âm mạnh hay yếu. Rõ ràng cường độ âm gắn liền với biên độ và năng lượng của
dao động âm. Ví dụ như ta đánh mạnh vào dây đàn thì âm thanh phát ra sẽ to và
dễ cảm nhận hơn là đánh nhẹ vào nó.
Cường độ của âm là đại lượng phụ thuộc vào khả năng cảm nhận âm
thanh của con người mà ta gọi là cảm giác âm. Cảm giác âm do những sự biến
đổi áp suất không khí ở gần lổ tai, những sự biến đổi ấy liên quan đến năng

do con người giao tiế
p với nhau bởi khoảng tần số đó, cũng là khu vực tần số
phát âm của loài người.