頻率對(duì)掃頻電磁場(chǎng)阻垢效果影響的實(shí)驗(yàn)研究

韓向陽(yáng),于 航,李洪松,劉炳成

(青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島266061)

循環(huán)水在換熱設(shè)備中起著至關(guān)重要的作用,但循環(huán)水通常為硬水,隨著水分的蒸發(fā),循環(huán)水中成垢離子的濃度升高,且由于循環(huán)水流經(jīng)換熱表面時(shí)溫度升高,垢的溶解度降低,故垢易生成在換熱表面上[1]。工業(yè)中常見(jiàn)的垢包括碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鋇、二氧化硅等。碳酸鈣是最常見(jiàn)的垢,也是本工作的研究對(duì)象。

一旦水垢黏附在換熱器表面,不僅會(huì)使壓降增大并造成能源的浪費(fèi),還會(huì)腐蝕管道,降低管道的使用壽命[2-4]。防止換熱器結(jié)垢有2種方式,一是降低管道中成垢離子的濃度,二是防止水垢黏附在管壁上;如果水垢能夠隨循環(huán)水一起流動(dòng)并沉淀在循環(huán)水箱中,它就不會(huì)黏附在管壁上,從而達(dá)到阻垢的目的。阻垢方法可歸于化學(xué)法和物理法[5]。化學(xué)法通常通過(guò)在循環(huán)水中加入化學(xué)藥劑以降低結(jié)垢離子的濃度或防止形成結(jié)垢離子以達(dá)到阻垢目的。毫無(wú)疑問(wèn),化學(xué)阻垢法阻垢效率高,效果明顯。但添加化學(xué)藥劑不僅會(huì)造成腐蝕縮短換熱設(shè)備的壽命,還造成了二次污染和其他不可避免的缺點(diǎn)[6]。電磁阻垢技術(shù)是一種有效的物理阻垢方法,因其具有使用方便、無(wú)污染、成本低等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛的關(guān)注和研究[7-8]。

WANG等[9]開(kāi)展電磁場(chǎng)阻垢的實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)頻率為1 k Hz時(shí),能夠降低溶液的表面張力,從而改變Ca CO3的溶解度,達(dá)到阻垢的效果。XI ONG等[10]開(kāi)發(fā)了一套電磁水處理裝置,并對(duì)碳酸鈣水垢的結(jié)晶尺寸進(jìn)行了探究,發(fā)現(xiàn)外加電磁場(chǎng)能夠促進(jìn)碳酸鈣晶體的成核但同時(shí)會(huì)抑制晶核的長(zhǎng)大。ZHANG等[11]通過(guò)掃描電鏡研究了碳酸鈣晶體,觀察到經(jīng)電磁場(chǎng)處理后生成的碳酸鈣方解石晶體,且晶體的尺寸大于未經(jīng)電磁場(chǎng)處理的晶體。本課題組已經(jīng)研究了頻率、匝數(shù)和管徑對(duì)線圈中的電流和管中的感生磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度隨頻率的增加而減少,且隨著頻率的增加,減少的幅度減小[12]。本研究通過(guò)模擬硬水溶液中電導(dǎo)率、p H和粒徑的變化來(lái)表示頻率對(duì)掃頻電磁場(chǎng)阻垢效果的影響。

1 電磁阻垢原理

當(dāng)模擬硬水溶液在管道中流動(dòng)時(shí),電磁控制單元在螺線管線圈中產(chǎn)生時(shí)變電流,從而在管道中感生出時(shí)變的磁場(chǎng),同時(shí),時(shí)變的磁場(chǎng)在管道中產(chǎn)生電場(chǎng),可以用法拉第定律解釋:

其中:E是感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度矢量,s是圓周矢量,B是磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量,A是橫截面積。

受感應(yīng)電磁場(chǎng)影響的帶電離子形成粒子的過(guò)程如圖1所示。

圖1 電磁場(chǎng)對(duì)溶液中帶電粒子運(yùn)動(dòng)影響的示意圖Fig.1 Schematic diagram of the effect of electro magnetic fields on the motion of charged particles in solution

循環(huán)水中的成垢離子在洛倫茲力的作用下,不僅使成垢的可能性和效率增加,而且產(chǎn)生的垢柔軟,黏附能力差,易于通過(guò)湍流和常規(guī)排污去除。因此,電磁阻垢技術(shù)減輕了換熱器中的結(jié)垢[7,13]。

帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)受洛倫茲力的影響,其力可以通過(guò)式(2)計(jì)算:

其中:V是體積分,p是電荷密度,J是電流密度,r是體元素。

誘導(dǎo)電磁場(chǎng)為帶電荷的鈣離子和碳酸氫根離子提供分子攪動(dòng)并形成CaCO3沉淀,見(jiàn)圖1。

2 試驗(yàn)方法

2.1 材料及實(shí)驗(yàn)裝置

電磁阻垢實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示,其中包含電磁控制單元(electr o magnetic anti-f ouling treat ment,EAFT),示波器,保護(hù)電阻,90匝線圈緊緊纏繞100 mm直徑的管道上。電線為聚氯乙烯絕緣軟電纜,銅芯符合中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)體直徑5.3 mm,絕緣厚度0.8 mm。繞組線圈的兩端通過(guò)保護(hù)電阻直接連接到電磁阻垢控制單元,電磁阻垢控制單元可以在管道內(nèi)產(chǎn)生時(shí)變磁場(chǎng)。示波器的型號(hào)是Tektronix生產(chǎn)的TBS1102,帶寬為100 MHz,垂直精度為±3%。

圖2 電磁阻垢實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Sche matic diagra m of the electr o magnetic scale inhibition experi mental device

在實(shí)驗(yàn)組中,本實(shí)驗(yàn)中電磁阻垢控制單元的輸出電壓設(shè)定為9.6 V,實(shí)驗(yàn)組的掃頻頻率分別為1～3 k Hz,9～11 k Hz和19～21 k Hz,輸出的為阻垢效果最好的方波信號(hào)。流過(guò)管道的循環(huán)水流速為0.2 m·s－1。設(shè)置未使用電磁場(chǎng)處理作為本實(shí)驗(yàn)的對(duì)照組。

在本研究中,電導(dǎo)率測(cè)試儀和p H測(cè)試儀的模型是Mettler Toledo公司的Seven ExcellenceTM。電導(dǎo)率測(cè)試儀的測(cè)試范圍為0.1～9 999μS·c m－1,測(cè)量精度為±0.5%。p H測(cè)試儀的測(cè)量范圍為－2～20,測(cè)量誤差極限為±0.002。電導(dǎo)率測(cè)試儀的溫度自動(dòng)補(bǔ)償為25℃。同時(shí),采用激光粒度分析儀檢測(cè)溶液中的粒徑,其型號(hào)為Winner 2308,由濟(jì)南微納顆粒儀器股份有限公司生產(chǎn),其范圍為0.1～2 000μm,精度和重復(fù)性誤差均小于3%。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

螺線管中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度可以由式(4)求得[11]:

式(4)中:μ0是溶液的磁導(dǎo)率,l0是螺線管線圈的長(zhǎng)度,r是螺線管線圈的半徑,n是螺線管線圈的匝數(shù)。

本課題組研究已經(jīng)證明,在100 mm直徑管道上纏繞90匝線圈電磁場(chǎng)強(qiáng)度最大[12]。從公式(4)可以看出,電源的輸出頻率會(huì)影響磁感應(yīng)強(qiáng)度。因此,本研究比較不同掃頻頻率下的電磁場(chǎng)的阻垢效果。

碳酸鈣是換熱器結(jié)垢的主要成分之一。為了加快結(jié)垢過(guò)程,在本實(shí)驗(yàn)中,將111 g CaCl2和168 g Na HCO3倒入100 L蒸餾水中,模擬硬度為1 mmol·L－1工業(yè)循環(huán)水,利用恒溫器將水箱內(nèi)水溫控制在25℃。圖3為電磁阻垢實(shí)驗(yàn)流程示意圖。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí),將111 g Ca Cl2和168 g Na HCO3分別加入50 L水中使其完全溶解后倒入水箱中。水箱中的硬水溶液通過(guò)泵送到試驗(yàn)段經(jīng)過(guò)電磁場(chǎng)處理,然后返回水箱中。

圖3 電磁阻垢實(shí)驗(yàn)流程示意圖Fig.3 Sche matic diagra m of the electr o magnetic scale inhibition experi mental process

由于實(shí)驗(yàn)剛開(kāi)始時(shí)電導(dǎo)率變化明顯,因此每10 min記錄1次電導(dǎo)率的變化,并且在第1 h內(nèi)每20 min記錄1次p H和粒徑的變化。2 h后,每1 h記錄1次電導(dǎo)率和p H的變化,每2 h記錄1次粒徑的變化。

3 結(jié)果與討論

圖4表示在不同頻率下電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化。隨著時(shí)間的增加,PVC管中溶液電導(dǎo)率下降速度越來(lái)越慢。例如,當(dāng)頻率為1～3 k Hz,電導(dǎo)率在第1 h就從3 803.8μS·c m－1降低到3 588.3μS·c m－1,前2 h下降占總下降的60.7%。主要原因是實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)溶液的過(guò)飽和度很高,隨著碳酸鈣在溶液中形成沉淀,溶液的過(guò)飽和度降低,故電導(dǎo)率下降的速度越來(lái)越慢。同時(shí),可以看出使用電磁場(chǎng)處理明顯比未使用電磁場(chǎng)處理,溶液電導(dǎo)率下降的幅度大,且掃頻頻率為1～3 k Hz時(shí),溶液的電導(dǎo)率下降最大,主要原因?yàn)楫?dāng)溶液流經(jīng)電磁場(chǎng)時(shí),溶液中的Ca2＋和CO在電磁場(chǎng)的作用下,其碰撞的幾率大大增加,形成沉淀從而使電導(dǎo)率下降增大,當(dāng)掃頻電磁場(chǎng)頻率為1～3 k Hz時(shí),其電磁場(chǎng)強(qiáng)度最大,電導(dǎo)率下降幅度也最大,說(shuō)明感生電磁場(chǎng)強(qiáng)度越大,其阻垢效果也越好。

圖4 不同頻率下電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化Fig.4 Change in conductivity with ti me at different frequencies

圖5表示在不同掃頻電磁場(chǎng)頻率下p H隨時(shí)間的變化。

圖5 不同頻率下p H值隨時(shí)間的變化Fig.5 Variation of p H value with ti me at different frequencies

由圖5看出,p H在前2 h內(nèi)迅速降低,并在約2 h內(nèi)達(dá)到最小值,然后略微升高。主要原因是溶液中發(fā)生了以下反應(yīng):

由于實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí),溶液中的離子濃度大,溶液中的Ca2＋和CO反應(yīng)速率快,生成的CO2與水發(fā)生反應(yīng)電離出H＋使溶液的p H下降,隨著反應(yīng)的進(jìn)行Ca2＋和C生成Ca CO3沉淀,溶液中的離子濃度下降,反應(yīng)速率變慢,故p H的下降速率變慢。同時(shí)由于H2CO3在溶液中的過(guò)飽和度下降方程(7)反應(yīng)向右進(jìn)行,故2 h后溶液的p H下降變慢。

圖6表示不同頻率下平均粒徑隨時(shí)間的變化。

圖6 不同頻率下平均粒徑隨時(shí)間的變化Fig.6 Variation of average particle size with ti me at different frequencies

從圖6看出,溶液中的CaCO3的平均粒徑的隨著時(shí)間的增加而增加,其增加的幅度隨時(shí)間的增加而減小。且當(dāng)頻率為1～3 k Hz時(shí),平均粒徑最大,其粒徑比10 h未經(jīng)電磁場(chǎng)處理的粒徑大18%,其間距有增加的趨勢(shì)。主要原因是電磁場(chǎng)處理顯著提高了Ca2＋和C結(jié)合的概率和效率,并且成核越多,CaCO3的粒徑越容易增大。因此,平均粒徑在開(kāi)始時(shí)迅速增加,并且隨著碳酸鈣的沉淀,平均粒徑的生長(zhǎng)速度變慢。

圖7所示為初始粒徑及不同掃頻頻率處理10 h后的CaCO3粒徑的變化規(guī)律。從圖7中的各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果中不難發(fā)現(xiàn),在外加電磁場(chǎng)的作用下,各組溶液中的粒子粒徑明顯大于無(wú)電磁場(chǎng)作用的溶液中的粒子粒徑;同時(shí)當(dāng)電源輸出頻率不斷增大時(shí),溶液中占比最高的粒子粒徑明顯降低,且在電源輸出頻率為1～3 k Hz作用時(shí),溶液的粒子粒徑占比大于其他各個(gè)實(shí)驗(yàn)組中的實(shí)際占比,這也在一定程度上反映了1～3 k Hz的頻率是影響電磁阻垢實(shí)際效果的一個(gè)重要的輸出參數(shù),同時(shí)反映了該輸出頻率作用下對(duì)溶液中晶體生長(zhǎng)的促進(jìn)作用最為明顯。

圖8(a)～(d)所示為粒徑0～10μm,10～20 μm,20～30μm和30～40μm體積比隨時(shí)間變化。從圖8可以看出,0～10μm的所占的體積比在逐漸減少;粒徑10～20μm和20～30μm的所占的體積比逐漸增加,但增加的速度逐漸變慢;粒徑30～40 μm所占的體積比例逐漸增加,且增加的速度變快。經(jīng)電磁場(chǎng)處理的0～10μm粒徑所占的體積比明顯小于未經(jīng)電磁場(chǎng)處理的;未經(jīng)電磁場(chǎng)處理的10～20 μm,20～30μm,30～40μm粒徑所占體積比小于經(jīng)電磁場(chǎng)處理的,其證明了電磁場(chǎng)處理產(chǎn)生的電磁場(chǎng)促進(jìn)了CaCO3晶體在溶液中的生長(zhǎng)。正如CHO等[14]報(bào)道的那樣,電磁場(chǎng)提供了必要能量使整體Gibbs自由能呈負(fù)值,因此使CaCO3晶核能夠繼續(xù)生長(zhǎng)。從圖8還可以看出,當(dāng)頻率為1～3 k Hz時(shí),0～10μm粒徑所占的體積比最小,10～20μm,20～30 μm,30～40μm粒徑所占的比例最大,故其平均粒徑最大。

圖7 初始粒徑及不同掃頻頻率處理10 h的CaCO3粒徑Fig.7 Initial particle size and CaCO3 particle size after 10 h of treat ment at different sweep frequencies

圖8 各粒徑占總粒徑的體積比隨時(shí)間的變化Fig.8 Variation of the volu me ratio of each particle size to the total particle size with ti me

4 結(jié) 論

建立了實(shí)驗(yàn)平臺(tái),研究了不同頻率下掃頻電磁場(chǎng)下的阻垢效果,頻率對(duì)阻垢效果的影響通過(guò)電導(dǎo)率,p H和平均粒徑隨時(shí)間的變化來(lái)表示。實(shí)驗(yàn)的主要結(jié)論如下:

1)電磁阻垢系統(tǒng)具有良好的阻垢效果。掃頻電磁場(chǎng)大大增加了成垢離子的碰撞幾率,促使大量的碳酸鈣晶核在溶液中生成,從而有效避免在管道壁面上結(jié)垢。結(jié)果表明:經(jīng)電磁場(chǎng)處理的溶液電導(dǎo)率和p H值下降得更快,且下降的幅度大于未經(jīng)電磁場(chǎng)處理的溶液,經(jīng)電磁場(chǎng)處理后溶液中Ca CO3粒徑明顯增大。

2)電磁場(chǎng)提供的能量不僅使碳酸鈣粒徑增長(zhǎng)的更大,且使結(jié)晶形態(tài)以文石為主,其結(jié)構(gòu)松散,容易被水流帶走而不是沉積在管壁上,從而起到防止污垢在管壁上附著,達(dá)到了阻垢的目的。

3)在本實(shí)驗(yàn)3組掃頻電磁場(chǎng)的作用下,隨著掃頻頻率的減小,電導(dǎo)率下降和p H下降,平均粒徑增大,且當(dāng)掃頻頻率為1～3 k Hz時(shí),電導(dǎo)率和p H值下降得最快,且下降幅度最大,平均粒徑最大,故當(dāng)頻率為1～3 k Hz時(shí)阻垢效果最好。