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      交變磁場對換熱器阻垢效果的研究分析

      點擊:1575 日期:[ 2014-04-26 22:00:21 ]
                                   交變磁場對換熱器阻垢效果的研究分析                           姜德寧1,2, SintayehuZewdu1, 曹繼華1 (1.天津工程師范學院電子工程系,天津300221;2.南開大學信息科學技術學院,天津 300071)     摘要:采用自行研制的電子除垢儀所產生的交變磁場對換熱器進行阻垢試驗,考察了磁感 應強度、水的硬度、溫度、流速及壓力對結垢量的影響。結果表明,不同進水硬度下,管壁的結垢量 均隨磁感應強度的增加而減少;使用電子除垢儀時的管壁結垢量較未使用電子除垢儀時顯著減少; 使用電子除垢儀時,管壁的結垢量隨溶液硬度、溫度的增加而呈緩慢上升趨勢,流速和壓力對結垢 量幾乎無影響;不使用電子除垢儀時,管壁的結垢量隨溶液硬度、溫度、流速的增加而迅速上升,但 壓力對結垢量基本無影響。     關鍵詞:交變磁場; 水垢; 磁感應強度; 硬度     中圖分類號:TU991      文獻標識碼:C 文章編號:1000-4602(2008)07-0057-03     工業生產中,水是最重要的熱交換介質,受熱面與傳熱面的結垢問題是熱交換工藝中影響設備正常運行的主要問題之一。由于化學除垢的局限性,物 理防垢和除垢便成為研究的熱點[1]。筆者采用自行研制的電子除垢儀所產生的交變磁場對換熱器進行了阻垢試驗,考察了磁感應強度、水的硬度、溫度、流速及壓強對結垢量的影響。     1 裝置與方法     1·1 試驗裝置     試驗裝置如圖1所示。                        溶液罐1中為氯化鈣和碳酸氫鈉的混合液,溶 液罐2中為碳酸鈉溶液。兩罐內的溶液經泵提升、 混合后進入換熱器。換熱器由一根銅管外套有機玻 璃管組成,銅管半徑為22mm,長為3m,被架在有 機玻璃管中間,氯化鈣、碳酸氫鈉和碳酸鈉混合溶液 流經銅管;銅管和有機玻璃管之間通熱水,使碳酸鈣 結垢在銅管內壁上。以測溫熱電偶測量水溫,以水 泵控制溶液的流速與壓力。     電子除垢儀為自行設計、制作的儀器,它利用變頻共振原理給管道施加寬頻大功率電磁波信號,該儀器由電源模塊、控制模塊、光電耦合器、驅動器和 電磁轉換模塊組成(見圖2)。                          控制模塊用于產生頻率可調的方波信號;光電 耦合器起隔離作用;驅動器采用場效應管并聯形式, 電路的總電流為各并聯支路電流的疊加,可在產生 足夠電流的同時增加電路的輸出功率,以滿足磁場 強度的要求(根據麥克斯韋方程組,磁場強度與交 變電流直接相關);電磁轉換模塊的主要作用是利用導線產生交變磁場(根據電磁感應原理,交變電 流可產生交變磁場),將導線纏繞在銅管上(導線相當于電感),利用所產生的交變磁場對管道進行阻 垢、除垢處理。     1·2 試驗方法     每次試驗前,先對銅管進行清潔,使氯化鈣、碳酸氫鈉和碳酸鈉混合溶液流經銅管,改變磁感應強度及混合液的流速、壓力、溫度、硬度等參數,考察不同條件下管道的結垢情況。每次試驗進行8h,之后拆下銅管,用水沖洗掉管中的一些軟垢和雜質,然后將銅管烘干、稱重,計算出結垢量。     2 結果與討論     2·1 磁感應強度對結垢量的影響     通過改變纏繞在銅管上的線圈中的電流來改變施加在銅管上的磁感應強度,圖3為結垢量與磁感應強度的關系。                           從圖3可以看出,不同進水硬度下,管壁的結垢 量均隨磁感應強度的增加而減少,當磁感應強度>1 mT時,結垢量的變化趨于平緩。     2·2 溶液硬度對結垢量的影響     在溶液溫度為95℃、流速為1m/s、壓力為1個 大氣壓的條件下,考察了不同初始硬度下的管壁結垢量,結果如圖4所示。     從圖4可知,未使用電子除垢儀時,管壁的結垢量大,且隨著溶液硬度的增加幾乎呈直線上升;使用除垢儀時,管壁的結垢量大為降低,且隨著溶液硬度 的增加而緩慢增加。這是由于電子除垢儀施加給管道一個交變磁場,該磁場覆蓋了水分子的共振頻率 范圍,使水分子在磁場的作用下形成單極性水分子, 從而提高了碳酸鈣在水中的溶解度,降低了其結晶的概率;此外,該交變磁場還會影響碳酸鈣的結晶過 程,導致碳酸鈣晶體的多樣性,它可使水中的鈣離子和碳酸根離子相互碰撞形成文石碳酸鈣體[2],文石 碳酸鈣體表面無電荷,不易附著在管壁上。                         2·3 溶液溫度對結垢量的影響     在溶液硬度為500mg/L、流速為1m/s、壓力為 1個大氣壓的條件下,考察了溶液溫度對結垢量的 影響,結果見圖5。                             從圖5可以看出,當不使用電子除垢儀時,管壁的結垢量較高,且隨溶液溫度的升高幾乎呈指數上 升,這主要是因為隨著溫度的升高,離子的熱運動增強、碰撞幾率增大,化學反應速率加快,導致水中碳酸鈣含量激增,管壁結垢量增加。使用電子除垢儀時,管壁的結垢量大幅降低,且隨溶液溫度的升高緩慢增加,這是由于電子除垢儀使碳酸鈣在水中的溶解度提高,從而使管壁的結垢量顯著下降。     2·4 流速對結垢量的影響     在溶液溫度為95℃、硬度為980mg/L、壓力為1個大氣壓的條件下,考察管壁結垢量與管道中溶 液流速間的關系。     結果表明,與使用電子除垢儀時相比,不使用電 子除垢儀時的管壁結垢量較多,且隨溶液流速的提高幾乎呈線性上升,這主要是因為流速增加后,流經管道內壁的鈣離子量相應增多,碳酸鈣的結晶量隨之增加。使用電子除垢儀后,由于其抑制作用而使管壁的結垢量較少,且幾乎與溶液的流速無關。     2·5 壓力與結垢量的關系     在溶液硬度為1300mg/L、流速為1m/s、溫度 為95℃的條件下,考察了溶液壓力對結垢量的影 響。     結果顯示,無論使用電子除垢儀與否,溶液壓力 的變化對管壁結垢量的影響甚微。其主要原因為壓 力的變化并不能直接改變結垢的物理過程;另外,也 與試驗中壓力變化范圍有限有關。使用電子除垢儀 時結垢量較少可歸因于交變磁場的作用。     3 結論     ① 不同進水硬度下,管壁的結垢量均隨磁感 應強度的增加而減少。     ② 使用電子除垢儀時的管壁結垢量較未使用 電子除垢儀時顯著減少。     ③ 使用電子除垢儀時,管壁的結垢量隨溶液 硬度、溫度的增加而呈緩慢上升趨勢,流速和壓力對 結垢量幾乎無影響。不使用電子除垢儀時,管壁的 結垢量隨溶液硬度、溫度、流速的增加而迅速上升, 但壓力對結垢量基本無影響。     參考文獻:     [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. 
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