高頻與感應(yīng)式電子除垢儀除垢特性對比

章立新 李鑫 高明 馬麟 趙圣仙

（1上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院＆上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室 上海 200093；2上海安得利給水設(shè)備有限公司 上海 200041）

蒸發(fā)式冷卻（冷凝）器及閉式冷卻塔統(tǒng)稱為蒸發(fā)冷設(shè)備，實質(zhì)是一種間壁式換熱器和濕式冷卻塔的組合。被冷卻熱流體在管內(nèi)流動，噴淋水及空氣則在管外流動，兩者互不接觸，主要通過噴淋水蒸發(fā)來增強傳熱效果，形成一種閉式冷卻系統(tǒng)。根據(jù)管內(nèi)被冷卻流體有無相變，蒸發(fā)冷設(shè)備分為蒸發(fā)式冷卻器和蒸發(fā)式冷凝器兩大類［1］。其中熱流體有相變的稱為蒸發(fā)式冷凝器，熱流體無相變的稱為蒸發(fā)式冷卻器，當(dāng)熱流體為水時，一般也稱之為閉式冷卻塔。由于蒸發(fā)冷設(shè)備能夠保證熱流體的清潔度及較好的冷卻效果，在電力、化工、食品等諸多領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景［2］。

然而隨著循環(huán)噴淋水的蒸發(fā)，集水盤內(nèi)噴淋水中的鈣、鎂等離子濃度越來越高，水中的溶解鹽類在循環(huán)過程中濃縮而析出CaCO3等難溶性鹽，從而使得90%的此類設(shè)備換熱器外表面發(fā)生水垢危害［3］。污垢是熱的不良導(dǎo)體，主要成分為碳酸鈣、硫酸鈣、硅等。污垢導(dǎo)熱系數(shù)較?。ㄣ~的導(dǎo)熱系數(shù)約為401 W/（m·K），碳酸鈣導(dǎo)熱系數(shù)約為0.8 W/（m·K）），即使一層很薄的污垢覆蓋在換熱器表面都會大大降低其換熱性能［4］。

電子除垢儀是一種電磁式的水處理設(shè)備，種類繁多。本文主要通過搭建對比實驗臺，模擬實際蒸發(fā)冷設(shè)備的運行工況，對比高頻電子除垢儀和感應(yīng)式電子除垢儀對蒸發(fā)冷設(shè)備管外污垢熱阻的影響。

1 除垢儀工作原理

1.1 高頻電子除垢儀工作原理

圖1所示為高頻電子除垢儀工作原理。主要包括高頻發(fā)生器和水處理器兩部分。除垢儀工作時，在高頻發(fā)生器中，電子電路產(chǎn)生高頻電磁震蕩。當(dāng)發(fā)生器與水處理器相連后，在水處理器中的兩固定電極間將感應(yīng)出隨時間周期性變化的等量異號電荷。由于兩極上電荷隨時間變化，所激發(fā)的電場也將隨時間變化。根據(jù)麥克斯韋電磁理論，隨時間變化的電場將在空間激發(fā)出隨時間變化的磁場，而隨時間變化的磁場又激發(fā)出隨時間變化的電場［5］。由于電場、磁場不斷地相互激發(fā)，在水處理器間將形成具有一定強度的高頻交變電磁場。水及溶解鹽中的正負離子通過高頻交變電磁場，并在流動中獲得能量，使流過處理器的水得到處理［6］。

圖1 高頻電子除垢儀工作原理Fig.1 The working pinciple of high-frequency electronic descaling device

正常情況下，水分子都不是單個存在的，它們是以氫鍵的形式結(jié)合成一個個的水分子團［7-8］。而處理過的循環(huán)水中，水分子之間鍵合斷裂，增加了水對結(jié)垢物質(zhì)的溶解程度［9］，水垢析出受阻，達到防垢目的。此外小水分子的數(shù)量增多，水分子的活動更自由，使水的黏滯力降低、溶解度提高、滲透性增強，促使水更容易滲透到老垢的微細間隙中，從而剝落老垢。不僅如此，在交變磁場中，水中的水合離子受洛倫茲力作用做螺旋式圓周運動，且正、負離子的旋轉(zhuǎn)方向相反，當(dāng)正負離子做相反方向旋轉(zhuǎn)時也會將連接在他們之間的氫鍵扭斷，使水的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變水的理化性質(zhì)。

1.2 感應(yīng)式電子除垢儀工作原理

圖2所示為感應(yīng)式電子除垢儀工作原理。感應(yīng)式電子除垢儀也稱纏繞式電脈沖水處理器，主要通過電脈沖發(fā)生裝置對纏繞在輸水管上的激磁線圈施加一定頻率及一定輸出功率的脈沖電壓，使線圈內(nèi)部產(chǎn)生交變磁場，磁場方向與水流方向平行。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律［10］，交變的磁場又會在水管內(nèi)部感生出與激磁線圈內(nèi)部電流方向平行的感生電場。與高頻電子除垢儀不同的是，感應(yīng)式電子除垢儀水處理系統(tǒng)中，水管中的硬水主要受交變電場的影響。因水流方向與交變磁場方向相同，且交變磁場強度較小，交變磁場對硬水的影響可以忽略［11］。水管中的硬水受到交變電場的作用，內(nèi)部各種離子及分子的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，并進一步影響固相物沉淀過程中晶核的形成以及沉淀顆粒的生長，從而起到除垢、阻垢的效果［12］。

圖2 感應(yīng)式電子除垢儀工作原理Fig.2 The working principle of induction-type electronic descaling device

2 實驗系統(tǒng)與原理

2.1 實驗系統(tǒng)

蒸發(fā)冷設(shè)備噴淋系統(tǒng)電子除垢對比實驗臺如圖3所示，主要設(shè)備包括模擬蒸發(fā)冷實驗?zāi)K、噴淋水循環(huán)泵、除垢儀、浮子流量計、電阻絲加熱管熱電偶數(shù)據(jù)采集儀等。模擬蒸發(fā)冷實驗?zāi)K內(nèi)部被中間隔板等分成對稱的兩部分，作為感應(yīng)式電子除垢儀作用下的實驗組和高頻電子除垢儀作用下的對照組。兩組循環(huán)水系統(tǒng)獨立；進風(fēng)口獨立，但共用風(fēng)機。蒸發(fā)冷實驗?zāi)K的結(jié)構(gòu)如圖4所示。長1.3 m、寬0.5 m、高1.8 m，實驗時的淋水密度均為11.1（m3/h）/m2，截面風(fēng)速約為2 m/s。換熱管采用φ19 mm紫銅管，兩系統(tǒng)中換熱管各兩排，每排6根，錯排形式布置。各系統(tǒng)相同位置處的銅管內(nèi)置電阻絲加熱管，通過穩(wěn)壓調(diào)壓器使實驗組和對照組的電加熱功率一致，均為2 kW。各組實驗管外壁上皆均布3根熱電偶，熱電偶與銅管外壁緊密接觸，且與管外的風(fēng)、水之間采取了絕熱措施。實驗時取3根熱電偶測得溫度的平均值，作為銅管外壁溫度。

圖3 實驗系統(tǒng)Fig.3 Experimental system

圖4 蒸發(fā)冷實驗?zāi)K結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of evaporative cooling experimental module

高頻電子除垢儀為臥式，額定功率為100 W，最大工作壓力為1 MPa。感應(yīng)式電子除垢儀為纏繞式，線圈匝數(shù)為40圈，額定功率2.5 W，輸出信號為方波電壓，輸出頻率為掃頻式，上限200 Hz，下限100 Hz，頻率變化步長為5 Hz。

實驗時，循環(huán)噴淋水由循環(huán)噴淋泵從集水池中抽出，經(jīng)除垢儀、流量控制閥門、浮子流量計到達配水管，再經(jīng)過蒸發(fā)冷實驗?zāi)K填料冷卻、加熱管加熱的過程，最后回到集水池，形成一個循環(huán)，模擬蒸發(fā)冷設(shè)備的實際運行狀態(tài)。

因結(jié)垢是一個長期的過程，本實驗通過人工配制初始硬度為1 000 mg/L（以CaCO3計）的循環(huán)水來加快實驗過程。

2.2 實驗原理

根據(jù)能量守恒定律，實驗工況穩(wěn)定后，電加熱管加熱量Q1等于兩側(cè)系統(tǒng)中銅管通過污垢向噴淋水的散熱量Q2，即：

式中：K為垢層的總傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；A為換熱面積（以外表面計），m2；Tb為銅管外壁面溫度，K；Ts為噴淋水水膜溫度，K。

本文中用換熱銅管處的噴淋水溫度T0作為水膜定性溫度?？倐鳠嵯禂?shù)K可由下式計算：

式中：D為銅管外徑，m；L為銅管換熱有效長度，m；P為電阻絲加熱功率，W。

污垢熱阻Rf計算式為：

3 測試結(jié)果及分析

3.1 污垢熱阻測試

由于本實驗采用的是電加熱取代管內(nèi)熱流體的方式來提供熱源，換熱銅管內(nèi)并無流體流動，故在實驗數(shù)據(jù)的分析處理時，不存在管內(nèi)污垢熱阻的影響。實驗以1 h為時間步長，記錄銅管外壁與噴淋水溫度，求取每小時相對應(yīng)的實驗組與對照組污垢熱阻。圖5所示為整個實驗過程中兩組污垢熱阻的變化趨勢。圖中散點為由實測數(shù)據(jù)計算得到的對應(yīng)實驗時間點的污垢熱阻，圖中粗實線為擬合得到的污垢熱阻隨時間變化的趨勢線。

由圖5可知，兩類電子除垢儀在實驗前期均有一定的除垢效果，但除垢特性各有不同。高頻電子除垢儀作用下的污垢熱阻變化形式為U形，即先減小后增大。在 67 h時達到最低值，為 3.97×10-4（m2·K）/W。相對于起始階段的污垢熱阻4.83×10-4（m2·K）/W而言，降幅為17.81%。之后污垢熱阻一直增大，在130 h時，達到5.14 ×10-4（m2·K）/W。

圖5 兩組污垢熱阻Fig.5 The fouling thermal resistance of two systems

感應(yīng)式電子除垢儀作用下的污垢熱阻變化形式相對而言較為復(fù)雜，為波浪形。即在整個實驗過程中，出現(xiàn)了多個峰谷值。在13 h時為谷值，3.68×10-4（m2·K）/W；60 h 時為峰值，4.98 ×10-4（m2·K）/W；86 h時又為谷值，4.47 ×10-4（m2·K）/W；106 h時再到峰值，5.05 ×10-4（m2·K）/W；121 h重回谷值，4.63×10-4（m2·K）/W。 之后污垢熱阻一直增加，在160 h，達到5.29 ×10-4（m2·K）/W。 相對于起始階段的污垢熱阻而言，多個谷值對應(yīng)的降幅分別為20.35%、3.25%、-0.22%。

從上述結(jié)果中可以看出，兩種除垢儀均能增加水的活性，加速污垢的溶解和脫落，從而減小換熱管外污垢熱阻。而經(jīng)過長時間的運行，循環(huán)水水質(zhì)逐漸變差，電子除垢儀的除垢能力下降，污垢開始在銅管壁面上積聚，污垢熱阻逐漸增大。當(dāng)管壁結(jié)垢加重到一定程度，污垢不易脫落，電子除垢儀主要起阻垢作用。

3.2 污垢微觀形態(tài)掃描電子顯微鏡（SEM）分析

實驗過程中感應(yīng)式電子除垢儀作用下的污垢熱阻不同于高頻電子除垢儀作用下污垢熱阻先降后升的變化趨勢，而是出現(xiàn)反復(fù)下降升高的現(xiàn)象，本文稱該現(xiàn)象稱為“二次除垢”。為了探尋其原因，本文對兩組污垢的微觀形態(tài)進行了掃描電子顯微鏡（SEM）分析。

圖6所示為兩側(cè)污垢樣本局部放大圖像。圖6說明，在高頻電子除垢儀作用下，銅管外壁上的污垢晶體結(jié)構(gòu)主要為針棒狀的霰石結(jié)構(gòu)，尺寸較小，排列致密。而在感應(yīng)式電子除垢儀的作用下，污垢晶體結(jié)構(gòu)為散亂塊狀，接近方解石結(jié)構(gòu)，尺寸較大，排列松散。

圖7所示為兩組污垢樣品橫截面視圖。由圖7可知，感應(yīng)式電子除垢儀作用下的污垢致密層薄，整體致密性較低，結(jié)構(gòu)松散。而高頻電子除垢儀作用下的污垢，致密層較厚，整體致密性較高。

圖6 污垢放大20 000倍圖像Fig.6 The 20 000 times image of dirt

圖7 兩組污垢樣品橫截面視圖Fig.7 The cross-sectional view of two sets of dirt samples

對比兩實驗現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)“二次除垢”現(xiàn)象的原因主要是不同除垢儀作用下所形成的污垢晶型結(jié)構(gòu)尺寸的不同，以及因晶型結(jié)構(gòu)尺寸不同導(dǎo)致的污垢整體致密性的不同。感應(yīng)式電子除垢儀作用下的方解石狀污垢晶型，其尺寸、間隙相對于霰石結(jié)構(gòu)來說較大，但密度、黏度較小，不易附著于換熱管壁上［13］。隨著時間的積累，在高頻電子除垢儀的作用下，污垢的增長以致密層增長為主，而在感應(yīng)式電子除垢儀的作用下，主要以松散層為主。松散、多孔的垢層增長，使得整體污垢結(jié)構(gòu)更加脆弱，經(jīng)過交變電場處理過的循環(huán)水也更容易滲透到污垢的間隙中，從而剝落污垢，導(dǎo)致感應(yīng)式電子除垢儀除垢作用點的回歸，出現(xiàn)“二次除垢”現(xiàn)象。

另外，對于感應(yīng)式電子除垢儀作用下的污垢熱阻，前期下降上升均較快，這是由于實驗前期系統(tǒng)污垢主要是新增的軟垢，在除垢儀作用下，能夠很快脫落；而之后循環(huán)水硬度較高，銅管外壁由于污垢脫落，導(dǎo)致表面粗糙度增大，析晶污垢能夠很快增長，導(dǎo)致污垢熱阻顯著增大。

3.3 除垢儀對循環(huán)水質(zhì)的影響

3.3.1 電導(dǎo)率實驗

電導(dǎo)率是循環(huán)水水質(zhì)的一項重要參數(shù)，能夠反映水中離子的總濃度或溶解鹽含量的變化［14］。實驗時間步長為1 h，測量記錄循環(huán)水電導(dǎo)率隨時間的變化趨勢。圖8所示為實驗組與對照組系統(tǒng)循環(huán)水電導(dǎo)率隨時間的變化趨勢。

圖8 電導(dǎo)率隨時間的變化Fig.8 Conductivity varies with time

實驗中，循環(huán)水電導(dǎo)率的變化主要受兩方面影響。一方面是循環(huán)水的不斷蒸發(fā)，導(dǎo)致水中離子、溶解鹽濃度增大，電導(dǎo)率值升高。另一方面受系統(tǒng)污垢脫落和溶解的影響。污垢的不斷脫落、溶解，導(dǎo)致水中的鈣鎂離子濃度上升，使循環(huán)水的電導(dǎo)率上升。由于實驗用循環(huán)水為普通自來水，未經(jīng)任何處理，較為純凈。且實驗季節(jié)為冬季，循環(huán)水水溫較低，實驗臺又處于室內(nèi)，空氣濕度較高，循環(huán)水蒸發(fā)量較小，所以電導(dǎo)率的變化主要是由于銅管外壁污垢的脫落、溶解引起。

實驗時，為了排除實驗系統(tǒng)中沉積雜質(zhì)對實驗的影響，在開始記錄實驗數(shù)據(jù)前，先讓整個實驗系統(tǒng)運行1～2 h。由圖8可以看出，經(jīng)過20 h不斷循環(huán)后，高頻電子除垢儀作用下的循環(huán)水電導(dǎo)率由起始階段的506 μS/cm 升高至702 μS/cm，升幅為38.74%；而感應(yīng)式電子除垢儀作用下的循環(huán)水電導(dǎo)率則由464 μS/cm升高至705 μS/cm，升幅為51.94%。分析結(jié)果可知，在感應(yīng)式電子除垢儀作用下，污垢脫落、溶解速度較快。

3.3.2 pH實驗

循環(huán)水pH也是影響結(jié)垢的一個重要因素。有研究表明，對于管內(nèi)結(jié)垢，當(dāng)循環(huán)水pH增大時，結(jié)垢速率顯著增大［15］。pH實驗與電導(dǎo)率實驗同時進行，實驗條件一致。圖9所示為兩側(cè)循環(huán)水pH隨時間的變化趨勢。

由于實驗在室內(nèi)進行，實驗開始時采用未經(jīng)處理的普通自來水作為兩組循環(huán)水，故引起兩側(cè)循環(huán)水pH變化的因素主要為銅管外壁污垢溶解所致。

銅管外壁污垢成分主要為碳酸鈣，在除垢儀的作用下，污垢溶解導(dǎo)致循環(huán)水中碳酸根與碳酸氫根離子濃度上升。碳酸根與碳酸氫根經(jīng)除垢儀處理而增加活性的循環(huán)水中發(fā)生水解反應(yīng)，產(chǎn)生氫氧根，導(dǎo)致循環(huán)水pH上升。碳酸根與碳酸氫根水解方程式分別為：

圖9 pH隨時間的變化Fig.9 pH varies with time

圖9表明，實驗過程中，兩側(cè)循環(huán)水pH大致相同，均隨時間逐漸增大。16 h后基本達到穩(wěn)定。20 h后感應(yīng)側(cè)與高頻側(cè)pH增幅分別為3.85%與3.47%，增幅較接近。pH的增加從側(cè)面反映了兩除垢儀均能增加循環(huán)水活性，使銅管外壁污垢脫落、溶解。

3.3.3 硬度實驗

硬度是指水中二價及多價金屬離子含量的總和。這些離子具有一個共性，即含量偏高可使肥皂失去去污能力、換熱設(shè)備結(jié)垢等。構(gòu)成天然水硬度的離子主要是Ca2+和Mg2+，其他離子含量很少，在構(gòu)成水硬度上可以忽略。有研究發(fā)現(xiàn)，循環(huán)水硬度在小范圍變化時，對管內(nèi)結(jié)垢影響較小，但硬度與堿度同時變化時，影響較大［16］。在硬度實驗中，循環(huán)水采用硬度1 000 mg/L（以CaCO3計）的新水。為防止配制藥劑溶解不充分，以及系統(tǒng)雜質(zhì)帶來實驗結(jié)果的測量誤差，實驗開始之前系統(tǒng)運行1～2 h，并靜置10 h左右。實驗進行時，以1 h為時間步長，測量記錄循環(huán)水硬度隨時間的變化趨勢，如圖10所示。

圖10表明，兩除垢儀對循環(huán)水硬度的降低均有效果。經(jīng)過12 h的實驗，在感應(yīng)式電子除垢儀作用下循環(huán)水硬度（以CaCO3計）從324 mg/L降低至204 mg/L，降幅約為37.04%。而高頻電子除垢儀作用下的循環(huán)水硬度從285 mg/L降至170 mg/L左右，降幅約為40.35%。

由實驗結(jié)果可知，兩種電子除垢儀均能有效降低循環(huán)水的硬度，加速Ca2+，Mg2+等成垢離子結(jié)晶成核、析出沉淀，改善循環(huán)水水質(zhì)。高頻電子除垢儀對循環(huán)水硬度的降低作用較明顯。

圖10 硬度隨時間的變化Fig.10 Hardness varies with time

4 結(jié)論

通過模擬蒸發(fā)冷設(shè)備的實際運行工況，對比高頻電子除垢儀與感應(yīng)式電子除垢儀在蒸發(fā)冷設(shè)備噴淋系統(tǒng)中的除垢特性，得到以下結(jié)論：

1）換熱管件已結(jié)垢而噴淋水為清水時，實驗系統(tǒng)運行一段時間后電導(dǎo)率及pH均有所增加，表明兩種除垢儀均能增加水的活性，加速污垢的溶解、脫落，從而減小換熱管外污垢熱阻。

2）在高硬度噴淋水下進行實驗，高頻電子除垢儀與感應(yīng)式電子除垢儀均能有效改善循環(huán)水水質(zhì)，降低循環(huán)水的硬度，12 h的實驗后，循環(huán)水硬度降幅分別為40.35%和37.04%。

3）在循環(huán)水硬度為1 000 mg/L（以CaCO3計）的噴淋系統(tǒng)中，高頻電子除垢儀作用下的管外污垢熱阻變化形式為U形，最高降幅為17.81%；而在感應(yīng)式電子除垢儀作用下，管外污垢熱阻出現(xiàn)“二次除垢”現(xiàn)象，即污垢熱阻的變化形式為波浪形，具有多個減小階段，降幅依次為 20.35%、3.27%、-0.22%。

4）感應(yīng)式電子除垢儀作用下的污垢晶體結(jié)構(gòu)為散亂塊狀結(jié)構(gòu)，污垢整體較為松散；高頻電子除垢儀作用下的污垢晶體結(jié)構(gòu)主要為霰石結(jié)構(gòu)，污垢整體更加致密。

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