交变磁场对换热器阻垢效果的研究分析

摘要：采用自行研制的电子除垢仪所产生的交变磁场对换热器进行阻垢试验,考察了磁感 应强度、水的硬度、温度、流速及压力对结垢量的影响。结果表明,不同进水硬度下,管壁的结垢量 均随磁感应强度的增加而减少;使用电子除垢仪时的管壁结垢量较未使用电子除垢仪时显著减少; 使用电子除垢仪时,管壁的结垢量随溶液硬度、温度的增加而呈缓慢上升趋势,流速和压力对结垢 量几乎无影响;不使用电子除垢仪时,管壁的结垢量随溶液硬度、温度、流速的增加而迅速上升,但 压力对结垢量基本无影响。

工业生产中,水是最重要的热交换介质,受热面与传热面的结垢问题是热交换工艺中影响设备正常运行的主要问题之一。由于化学除垢的局限性,物 理防垢和除垢便成为研究的热点[1]。笔者采用自行研制的电子除垢仪所产生的交变磁场对换热器进行了阻垢试验,考察了磁感应强度、水的硬度、温度、流速及压强对结垢量的影响。

1装置与方法

1·1试验装置

试验装置如图1所示。

溶液罐1中为氯化钙和碳酸氢钠的混合液,溶 液罐2中为碳酸钠溶液。两罐内的溶液经泵提升、 混合后进入换热器。换热器由一根铜管外套有机玻 璃管组成,铜管半径为22mm,长为3m,被架在有 机玻璃管中间,氯化钙、碳酸氢钠和碳酸钠混合溶液 流经铜管;铜管和有机玻璃管之间通热水,使碳酸钙 结垢在铜管内壁上。以测温热电偶测量水温,以水 泵控制溶液的流速与压力。

电子除垢仪为自行设计、制作的仪器,它利用变频共振原理给管道施加宽频大功率电磁波信号,该仪器由电源模块、控制模块、光电耦合器、驱动器和 电磁转换模块组成(见图2)。

控制模块用于产生频率可调的方波信号;光电 耦合器起隔离作用;驱动器采用场效应管并联形式, 电路的总电流为各并联支路电流的叠加,可在产生 足够电流的同时增加电路的输出功率,以满足磁场 强度的要求(根据麦克斯韦方程组,磁场强度与交 变电流直接相关);电磁转换模块的主要作用是利用导线产生交变磁场(根据电磁感应原理,交变电 流可产生交变磁场),将导线缠绕在铜管上(导线相当于电感),利用所产生的交变磁场对管道进行阻 垢、除垢处理。

1·2试验方法

每次试验前,先对铜管进行清洁,使氯化钙、碳酸氢钠和碳酸钠混合溶液流经铜管,改变磁感应强度及混合液的流速、压力、温度、硬度等参数,考察不同条件下管道的结垢情况。每次试验进行8h,之后拆下铜管,用水冲洗掉管中的一些软垢和杂质,然后将铜管烘干、称重,计算出结垢量。

2结果与讨论

2·1磁感应强度对结垢量的影响

通过改变缠绕在铜管上的线圈中的电流来改变施加在铜管上的磁感应强度,图3为结垢量与磁感应强度的关系。

从图3可以看出,不同进水硬度下,管壁的结垢 量均随磁感应强度的增加而减少,当磁感应强度>1 mT时,结

垢量的变化趋于平缓。

2·2溶液硬度对结垢量的影响

在溶液温度为95℃、流速为1m/s、压力为1个 大气压的条件下,考察了不同初始硬度下的管壁结垢量,结果如图4所示。

从图4可知,未使用电子除垢仪时,管壁的结垢量大,且随着溶液硬度的增加几乎呈直线上升;使用除垢仪时,管壁的结垢量大为降低,且随着溶液硬度 的增加而缓慢增加。这是由于电子除垢仪施加给管道一个交变磁场,该磁场覆盖了水分子的共振频率 范围,使水分子在磁场的作用下形成单极性水分子, 从而提高了碳酸钙在水中的溶解度,降低了其结晶的概率;此外,该交变磁场还会影响碳酸钙的结晶过 程,导致碳酸钙晶体的多样性,它可使水中的钙离子和碳酸根离子相互碰撞形成文石碳酸钙体[2],文石 碳酸钙体表面无电荷,不易附着在管壁上。

2·3溶液温度对结垢量的影响

在溶液硬度为500mg/L、流速为1m/s、压力为 1个大气压的条件下,考察了溶液温度对结垢量的 影响,结果见图5。

从图5可以看出,当不使用电子除垢仪时,管壁的结垢量较高,且随溶液温度的升高几乎呈指数上 升,这主要是因为随着温度的升高,离子的热运动增强、碰撞几率增大,化学反应速率加快,导致水中碳酸钙含量激增,管壁结垢量增加。使用电子除垢仪时,管壁的结垢量大幅降低,且随溶液温度的升高缓慢增加,这是由于电子除垢仪使碳酸钙在水中的溶解度提高,从而使管壁的结垢量显著下降。

2·4流速对结垢量的影响

在溶液温度为95℃、硬度为980mg/L、压力为1个大气压的条件下,考察管壁结垢量与管道中溶 液流速间的关系。

结果表明,与使用电子除垢仪时相比,不使用电 子除垢仪时的管壁结垢量较多,且随溶液流速的提高几乎呈线性上升,这主要是因为流速增加后,流经管道内壁的钙离子量相应增多,碳酸钙的结晶量随之增加。使用电子除垢仪后,由于其抑制作用而使管壁的结垢量较少,且几乎与溶液的流速无关。

2·5压力与结垢量的关系

在溶液硬度为1300mg/L、流速为1m/s、温度 为95℃的条件下,考察了溶液压力对结垢量的影 响。

结果显示,无论使用电子除垢仪与否,溶液压力 的变化对管壁结垢量的影响甚微。其主要原因为压 力的变化并不能直接改变结垢的物理过程;另外,也 与试验中压力变化范围有限有关。使用电子除垢仪 时结垢量较少可归因于交变磁场的作用。

3结论

①不同进水硬度下,管壁的结垢量均随磁感 应强度的增加而减少。

②使用电子除垢仪时的管壁结垢量较未使用 电子除垢仪时显著减少。

③使用电子除垢仪时,管壁的结垢量随溶液 硬度、温度的增加而呈缓慢上升趋势,流速和压力对 结垢量几乎无影响。不使用电子除垢仪时,管壁的 结垢量随溶液硬度、温度、流速的增加而迅速上升, 但压力对结垢量基本无影响。

参考文献:

[

1]ChoYI,LeeSung-Hyuk.Reductioninthesurfaceten- sionofwaterduetophysicalwatertreatmentforfouling

controlinheatexchangers[J].InternationalCommunica-

tionsinHeatandMassTransfer,2005,32(1-2):1-9.

[2]KimWT,ChoYI.Experimentalstudyofthecrystal

growthbehaviorofCaCO3foulingusingamicroscope

[J].ExperimentalHeatTransfer,2000,13(2):153- 161.

作者： 姜德宁1,2,SintayehuZewdu1,曹继华1

(1.天津工程师范学院电子工程系,天津300221;2.南开大学信息科学技术学院,天津 300071)