電磁場作用下循環(huán)水典型水質參數(shù)與換熱器污垢熱阻的關聯(lián)分析

王建國，李 松，辛紅偉，李紅延

（東北電力大學，吉林 吉林 132012）

工業(yè)生產過程中，循環(huán)冷卻水換熱面結垢現(xiàn)象對換熱設備的影響和危害極大，同時也引起一系列的技術與經濟問題[1-2]。變頻電磁抑垢技術以其應用方便、投資小、運行費用低、無污染等優(yōu)點備受業(yè)內人士矚目[3]。近年來，電磁水處理技術得到了蓬勃的發(fā)展，應用研究逐步拓寬，經證實磁處理對水的許多物理、化學性質均有影響，最終將會直接影響污垢的沉積過程[4-7]。但是目前研究大多集中于分析各種影響污垢形成的因素作用下電磁場的處理效果[8-9]，而對在電磁場作用下?lián)Q熱器結垢過程中各水質參數(shù)的重要性至今還沒有定論。本文作者基于水處理技術阻垢及緩蝕性能在線評價實驗臺，模擬工業(yè)運行環(huán)境，對換熱器表面碳酸鈣污垢進行在線監(jiān)測，并在實驗過程中，對水質參數(shù)的變化進行分析，以均衡接近度灰關聯(lián)分析方法分析在電磁場作用下pH值、溶解氧、電導率及濁度與污垢熱阻之間的關聯(lián)特性。

1 實驗部分

1.1 動態(tài)模擬實驗系統(tǒng)

水處理技術抑垢及緩蝕效果在線監(jiān)測實驗臺由循環(huán)水系統(tǒng)、恒溫水浴控制系統(tǒng)、空冷控制系統(tǒng)和在線監(jiān)測系統(tǒng)四部分所組成，整體結構如圖1所示。循環(huán)水系統(tǒng)為雙管路循環(huán)系統(tǒng)，實驗管道分別為未加磁對比管道A 管和加磁管道B 管，以進行對比實驗；恒溫水浴控制系統(tǒng)保持水箱溫度恒定在設定值；空冷控制系統(tǒng)保持循環(huán)工質入口溫度恒定；在線監(jiān)測系統(tǒng)利用Pt100 熱電阻，采集溫度信號，通過智能控制模擬量前端傳入工控機，計算出污垢熱阻值。

1.2 實驗條件

實驗介質為無水Na2CO3、CaCl2按物質的量比1∶1 配置為1000 mg/L的CaCO3水溶液。壁薄的不銹鋼管中循環(huán)介質溫度為29℃，以0.4 m/s的流速流經50℃恒溫水域，通過獲取溫度提升而在管內壁生成污垢。B 管入口處管段纏繞多芯絕緣銅導線，成螺旋管狀，并將其兩端加上輸出為方波信號、電流為3 A的變頻電磁裝置[10]，相應A 管做未加磁對比實驗。實驗周期一般為5～7 天。實驗過程中每分鐘自動采集一次模擬換熱器表面的污垢熱阻值，每3 h 采集一次循環(huán)冷卻水的電導率、pH值、溶解氧及濁度。水質參數(shù)的測定方法符合GB/T 6903—2005 標準，其中pH值、電導率、溶解氧采用5S水質分析儀測定，濁度采用GD0011S 濁度分析儀測定。

1.3 測量原理

由污垢熱阻在線檢測模型可知，污垢熱阻由式（1）計算。

式中，Tw為管壁與污垢間的界面溫度，可直接測量；Ts為污垢與流體間的界面溫度；q為熱流密度。

污垢與流體間的界面溫度Ts[10]由式（2）得到。

式中，Tfo為流體在試驗管段出口處溫度；Tfi為流體在試驗管段入口處溫度；l為試驗管道長度；d為試驗管道內徑；St為斯坦頓數(shù)。

圖1 水處理技術阻垢緩蝕性能在線評價實驗臺

熱流密度q由式（3）得到。

式中，G為流體的容積流量；Cp為流體比熱容；ρ為流體密度；δf為污垢層厚度，比d小很多，本文計算中可忽略不計。

流體的容積流量G由式（4）得到

式中，v為流體平均流速。

通過測量流體在試驗管段的出入口溫度及管壁溫度即可以確定對應的污垢熱阻。

2 實驗結果與分析

根據(jù)定性分析，對換熱器結垢影響較大的水質參數(shù)有：硬度、pH值、溶解氧、電導率、氧化還原電位、濁度、堿度、氯離子等[11-13]。根據(jù)對比不同頻率下電磁抑垢效果及水質參數(shù)變化情況，本研究擇要分析了pH值、溶解氧、電導率、濁度4個典型水質參數(shù)在電磁場的作用下與污垢熱阻的關聯(lián)特性?；谒幚砑夹g阻垢及緩蝕性能在線評價實驗在5 kHz 電磁場作用時測得的水質參數(shù)和污垢熱阻作為原始數(shù)據(jù)進行分析。

2.1 污垢特性比較

實驗所得的污垢熱阻值與時間的變化曲線如圖2所示。從圖中可以看到，經電磁處理的不銹鋼管管壁的結垢速度比較慢，在運行110 h 左右時才逐漸達到穩(wěn)定，而未經電磁處理的不銹鋼管管壁的結垢速度較快，在80 h 左右時就已經穩(wěn)定，并且未經電磁處理的污垢熱阻漸近值高于經電磁處理的污垢熱阻漸進值，說明電磁場作用下，污垢不易沉積到換熱管管壁，進而達到抑垢的目的。在電磁場的這種作用下，循環(huán)水的水質參數(shù)也會發(fā)生相應的變化。

圖2 污垢特性對比

圖3 電導率隨時間變化

2.2 電導率

電導率能夠表示水溶液傳導電流的能力，可間接反映水中離子的總濃度或溶解鹽含量的變化。圖3為電導率隨時間變化的曲線，圖中顯示經電磁場處理的循環(huán)水的電導率要明顯高于未經電磁處理的，說明經電磁處理的不銹鋼管內循環(huán)水的含鹽量要更高，而在換熱管管壁沉淀成污垢的鹽分相對較少。另一方面，電磁場能夠破壞水中原有的結構，使較大的締合水分子團變?yōu)檩^小的締合水分子團甚至是單個的水分子，其能量較高，水分子的活性得到增強，溶解性也進一步提高，可使碳酸鈣溶解度增大，從而增大了溶液的導電性。

2.3 pH值

pH值是監(jiān)控水的腐蝕性與結垢傾向的指標，當pH 在7.0～9.2 范圍內時最合適，當pH值小于6.5以下時易腐蝕。圖4為pH值隨時間變化的曲線，圖中顯示經電磁處理的循環(huán)水的pH值要略高于未經電磁處理的溶液的pH值，但pH值相差不大。說明電磁場對循環(huán)水的pH值影響甚微。

2.4 溶解氧

圖4 pH值隨時間變化

圖5 溶解氧隨時間變化

工業(yè)循環(huán)水中一些金屬的腐蝕與水中含氧量有著密切的關系。在腐蝕著的金屬表面，溶解氧起到陰極去極化劑的作用，能促使金屬腐蝕。而在某種情況下，它又起到氧化性鈍化劑的作用，能使金屬鈍化并且抑制腐蝕。圖5為溶解氧隨時間變化的曲線，圖中顯示經電磁處理的循環(huán)水的溶解氧要略高于未經電磁處理的溶解氧。這種現(xiàn)象同樣是由于電磁場破壞了水中原有的結構，較大的締合水分子團變成較小的締合水分子團甚至是單個的水分子，水分子的活性增大，對氧的飽和溶解度進一步增大。

2.5 濁度

濁度是指水中懸浮物對光線透過時所發(fā)生的阻礙程度。本實驗循環(huán)水中的懸浮物主要為碳酸鈣垢。懸浮物容易在循環(huán)水的流速較低時將引起換熱器的表面生成疏松的沉積物而引起垢下腐蝕；在循環(huán)水的流速較高時將引起硬度低的換熱面的磨損腐蝕[14]。圖6為濁度隨時間變化曲線。圖中顯示經電磁處理的循環(huán)水的濁度要高于未經電磁處理的。隨著傳熱、流動過程的進行，碳酸鈣垢逐漸在換熱面析出，而經電磁處理的循環(huán)水濁度高，說明電磁處理的不銹鋼管內循環(huán)水中懸浮著的碳酸鈣較多，而在換熱管管壁成垢較少。

圖6 濁度隨時間變化

3 均衡接近度灰關聯(lián)分析

為分析在電磁場作用下，水質參數(shù)變化對污垢熱阻的影響，本實驗利用均衡接近度灰關聯(lián)分析方法以5 kHz 電磁場作用下與未加磁對比實驗測得的數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)分析電導率、pH值、濁度、溶解氧4個典型水質參數(shù)與污垢熱阻的關聯(lián)特性。該方法是將傳統(tǒng)灰關聯(lián)度與均衡度相結合，減少了傳統(tǒng)灰關聯(lián)分析方法中局部點的關聯(lián)傾向，能夠對各影響因素與目標參數(shù)間“不確定性”、“多變量輸入”及“數(shù)據(jù)的不完整性”進行有效地處理，通過各影響因素和目標參數(shù)的曲線幾何形狀的相似程度和變化趨勢判斷其聯(lián)系是否密切，得出量化結果，實現(xiàn)各影響因素和目標參數(shù)的關聯(lián)分析[15]。

首先將各數(shù)列量綱為1[16]，求得灰關聯(lián)因子集。設x為灰關聯(lián)因子集，Xo∈x為參考列，X1∈x為比較列，i∈I={1,2,???,m}，Xo={x0(k)k∈K}，Xi={xi(k)k∈K}，K={1,2,???,n}，

由式（6）得到關聯(lián)系數(shù)分布映射Pi如式（8）。

式中，k=1,2,???,n，pi∈Pi。則第i個比較列與參考列的關聯(lián)系數(shù)熵H?(Ri)可由式（9）得到。

由關聯(lián)系數(shù)熵函數(shù)的上凸性和極值性可知關聯(lián)系數(shù)熵必有極大值，則關聯(lián)系數(shù)熵的最大值Hm(Ri)如式（10）。

式中，n為數(shù)列個數(shù)。比較列與參考列的均衡度B(Ri)由式（11）可得。

結合式（7）和式（11）得到比較序列與參考列的均衡接近度Ba(Xi,X0)如式（12）。

通過均衡接近度Ba(Xi,X0)分析比較列與參考列的關聯(lián)，主要關心的是均衡接近度大小的次序，而不完全是其在數(shù)值上的大小。均衡接近度越大，比較列與參考列的關聯(lián)越強。

4 結果與討論

4.1 計算關聯(lián)度

基于水處理技術阻垢及緩蝕性能在線評價實驗臺，在頻率5 kHz 電磁場作用下，測得污垢熱阻值及循環(huán)水電導率、pH值、濁度、溶解氧作為原始數(shù)據(jù)。設定污垢熱阻值為參考列X0，循環(huán)水電導率、pH值、濁度、溶解氧為比較序列X1、X2、X3、X4。在計算關聯(lián)系數(shù)之前用區(qū)間值化法求得灰關聯(lián)因子集。通過式（6）、式（7）求得在電磁場作用下水質參數(shù)與污垢熱阻的關聯(lián)度，如表1所示。

4.2 計算均衡接近度

根據(jù)式（8）～式（11）求得不同磁場處理下水質參數(shù)與污垢熱阻的關聯(lián)系數(shù)熵和均衡度，如表2、表3所示。

結合表1 與表3，可算得比較列pH值、溶解氧、電導率、濁度與參考列污垢熱阻的均衡接近度，如表4所示。

表1 水質參數(shù)與污垢熱阻之間的關聯(lián)度

表2 水質參數(shù)與污垢熱阻的關聯(lián)系數(shù)熵

表3 水質參數(shù)與污垢熱阻的均衡度

表4 水質參數(shù)與污垢熱阻的均衡接近度

4.3 確定關聯(lián)序

無論循環(huán)水是否經電磁場處理，特定循環(huán)水的水質參數(shù)與污垢熱阻的均衡接近度排序均為：Ba(X0,X1)＞Ba(X0,X3)＞Ba(X0,X4)＞Ba(X0,X2)。故循環(huán)水典型水質參數(shù)與污垢熱阻關聯(lián)序為：電導率、濁度、溶解氧、pH值。

5 結論

（1）在5 kHz 磁場作用下，不銹鋼管管壁的結垢速度要比未加磁的慢，且污垢熱阻漸近值比未加磁對比實驗的要低。

（2）在電磁場作用下?lián)Q熱器結垢過程中循環(huán)水典型水質參數(shù)的變化如下：電導率、溶解氧及濁度較未加磁對比實驗的高；pH值較未加磁對比實驗的變化甚微。

（3）特定循環(huán)水的水質參數(shù)對污垢影響明顯且彼此相關聯(lián)，其關聯(lián)序為：電導率、濁度、溶解氧、pH值。證明了電磁場作用下，污垢熱阻主要受到電導率、濁度和溶解氧的影響，電導率相比濁度、溶解氧與污垢熱阻的關聯(lián)更密切，而pH值的均衡接近度小于這3個水質參數(shù)，關聯(lián)性并不顯著。因此電導率、濁度、溶解氧變化規(guī)律是建立電磁場作用下多水質參數(shù)與污垢熱阻數(shù)學模型的重要依據(jù)。

符號說明

Ba(Xi，X0)——均衡接近度

Cp——流體比熱容，J/(kg?K)

d——試驗管道內徑，m

G——流體的容積流量，m3/s

Hm(Ri)——關聯(lián)系數(shù)熵的最大值

H?(Ri)——關聯(lián)系數(shù)熵

l——試驗管道長度，m

n——數(shù)列個數(shù)

q——熱流密度，J/(m2·s)

Rf——污垢熱阻，m2?K/W

St——斯坦頓數(shù)

Tfi——流體在試驗管段入口處溫度，K

Tfo——流體在試驗管段出口處溫度，K

Ts——污垢與流體間的界面溫度，K

Tw——管壁與污垢間的界面溫度，K

v——流體平均流速，m/s

γ(Xi，X0)——第i個比較列的關聯(lián)度

δf——污垢層厚度，m

ξ——分辨系數(shù)

ρ——流體密度，kg/m3

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