稀土合金水处理器阻垢性能评价实验研究

孙灵芳，姜德峰，张冬生，张艳辉，曹生现

(1.东北电力大学节能与测控技术实验室，吉林吉林132012;2.广州格瑞凯迪电力热能设备有限公司，广州510475)

循环冷却水系统中，污垢的存在可减低设备工作性能，增加管道流动阻力，降低传热能力，污染水质及产品，诱导表面材料腐蚀等［1］。如何防止或减轻污垢所带来的损失，提高能源利用率，是长期困扰工业设备应用的一个具有挑战性的难题。

随着仿生技术和纳米技术的发展，纳米表面技术也开始应用于物理法水处理器。稀土合金水处理器(阻垢器)是一种应用纳米表面工程技术和磁化技术进行防垢的新型水处理阻垢器，该设备使处理的水体产生共振的内能，从而提高了易行成沉淀的无机盐溶解度，不易形成水垢。对一种新型水处理产品如何客观公正的评定其阻垢性能，以指导厂家生产，满足水处理用户需求，具有非常重要的实际意义。目前国内常用的评定阻垢效果的方法有静态阻垢法、鼓泡法、电导率法、碳酸钙沉积法和换热面污垢热阻动态模拟法［2，3］，这些方法都是针对化学阻垢机理开发的评价方法，而对于物理法阻垢器并没有专用评价方法。由于污垢的生成是一个动态的过程，而动态模拟法可以根据实际工艺过程，准确、客观、公正的评价阻垢器阻垢性能。为此，本文应用换热面污垢热阻动态模拟装置，对新型水处理器进行动态模拟实验，以评价该装置的阻垢性能。

1 动态实验

1.1 实验设备及条件

实验装置及药品:换热面污垢特性在线监测评价装置(自制);稀土合金水处理器(广州格瑞凯迪电力热能设备有限公司);CaCl2，分析纯;Na2CO3，分析纯;电导率、pH分析仪(WTW pH/Cond 340i型);浊度分析仪(CCD照相机);不锈钢管。

实验条件:实验水质入口温度28.5℃±0.5℃，水浴温度50±0.5℃，流速0.40 m.s－1，水质硬度1 400.0 mg.L－1(以CaCO3计)。

1.2 实验方法

实验装置采用管材、几何尺寸完全相同的双管，对称布置于同一水浴槽内，各管配有各自独立、互不连通的实验工质回路。实验工质取自普通自来水添加一定浓度的碳酸钠和氯化钙混合均匀后，由进水泵分别输送到两个测量回路(两个测量回路完全相同，以一路为测量管(加装阻垢器)，另一路为参比管(未加装阻垢器)的下位水箱，经循环水泵送入上位水箱，由上位水箱恒速流入恒温水浴槽(两路水样共用)内的换热管，进入下位水箱，形成水测量回路的循环。上位水箱装有溢流管，以确保换热管入口水压和换热管流速恒定。换热管入口水温度控制由共用的恒温水浴控制系统和各自的空冷控制系统共同调节，恒温水浴系统配有自动控制系统的电加热器，空冷系统配有闭环控制的独立回路，以确保换热管入口水温和水浴温度恒定在指定温度的±0.5℃内。实验装置如图1所示。

图1 动态模拟评价装置

实验中将阻垢器串联接入模拟换热器的试验测量管路中，利用在恒定工况条件下，自动连续监测两管的污垢热阻，定期取样手工分析各水质参数。

1.3 数据处理

阻垢率的计算，根据文献［1］的污垢热阻定义，单位面积污垢沉积质量mf可表示为

式中，ρf、kf分别为污垢层的平均密度和导热系数，将式(1)代入文献［1］阻垢率定义式，阻垢率η表示为

式中，m0为未经处理的垢质量，m1经处理的垢质量，下角标0和1分别对应于采用防垢技术前后的参数。对于那些不改变污垢密度和导热系数的防垢技术，式(2)可简化为

2 结果与讨论

2.1 实验结果

为考察该阻垢器及其对水质参数的影响，在相同实验条件下，进行了五次实验。污垢热阻监测结果如图2所示，图中浅色曲线为加装阻垢器检测的污垢热阻，黑色为未加装阻垢器检测的污垢热阻，白色曲线为S函数拟合趋势曲线。由五组测试曲线可明显看出，加装阻垢器处理的换热管污垢热阻相比未加阻垢器处理的污垢热阻明显减小，但在初始24 h两类曲线区别不大，24 h后未加阻垢器处理的污垢热阻明显增大。5组重复实验结果表明该阻垢器具有良好的阻垢效果，磁场处理可抑制析晶污垢形成，延长析晶污垢诱导期。

图2 污垢热阻

2.2 阻垢率计算

根据式(3)对测试的五组污垢热阻数据进行了阻垢率计算，计算结果如表1所示，平均阻垢率为81.6%。表明该阻垢器对于高硬度水质(易形成析晶污垢)，可影响溶液中的离子结晶及结晶颗粒的壁面附着，阻止污垢的形成，具有良好阻垢效果。

表1 阻垢率

2.3 水质参数分析

在实验过程中，对水质浊度、pH、电导率进行了定期取样，手工分析，以研究该阻垢器对水质参数影响的规律。

(1)浊度

图3 水质浊度

本文试验过程中，对于经阻垢器处理和未处理水质浊度进行了照相分析，如图3所示。图3中左侧浑浊水样为加装阻垢器处理的实验水质，右侧清澈水样为未处理实验水质。由此说明该阻垢器在磁场作用下，使易形成污垢的碳酸钙晶体的结构松散，易脱落，该磁场力具有分散功能，使大量的碳酸钙分子悬浮在溶液中，而不是粘附在传热表面或沉淀，具有抑垢作用。

(2)pH

循环冷却水系统中，污垢的主要成份之一是碳酸钙垢，而溶液pH可作为衡量碳酸钙垢析出的判断指标［3］。为此，在评价阻垢器试验中，对溶液pH进行了分析，测试结果如图4所示。由图中曲线可明显看出，随着实验溶液蒸发浓缩，pH逐步增大，在初始pH相同状况下，加装阻垢器处理的溶液pH明显小于未处理pH，该阻垢器可有效限制pH升高，保持稳定(在5组实验趋势相同情况下，本文只列出了一组实验pH曲线)。

在碳酸钙饱和溶液动态模拟实验中，存在下列动态平衡关系:

由于溶液蒸发浓缩，pH增大，会有更多碳酸钙析出结晶，形成污垢，而该阻垢器可有效减小pH增大，因此，该阻垢器可抑制污垢生成，延长诱导期。

(3)电导率

电导率是衡量水中电解质多少的一个重要指标［4］，在碳酸钙饱和溶液中，可体现碳酸钙溶液过饱和度。在本试验中，电导率测试结果如图5所示。由图5中曲线可明显看出，随着试验的进行，加装阻垢器处理的溶液电导率明显大于未处理电导率，在两路水样实验条件相同情况下，该阻垢器可有效提高碳酸钙溶液过饱和度。其原因在于，阻垢器磁场可使通过的水体产生共振的内能，水分子及其它离子活性和内能均大幅增强，成垢离子体最终被分解为由极少高能活性水分子组成的稳定水分子小团簇，热运动速度加快，热传导效率增强，减少了无机盐中阳离子和阴离子的组合机会，使处理后的水能够够溶解更多的难溶性无机盐，降低了无机盐过饱和现象，提高了碳酸钙等无机盐的溶解度。

图4 pH变化曲线

图5 电导率变化曲线

3 结论

(1)通过换热面污垢特性在线监测评价装置对阻垢器进行多组实验测量和阻垢率计算，表明稀土合金水处理器具有较好的阻垢效果，平均阻垢率达81.6%。

(2)5组动态实验分析的水质参数变化规律表明该阻垢器对水质浊度、电导率、pH等参数有一定影响，但磁处理对水质参数关联影响及其阻垢机理还应进一步实验研究。

［1］杨善让，徐志明，孙灵芳.换热设备的污垢与对策［M］.2版.北京:科学出版社，2004.

［2］Nelson Saksono，Misri Gozan，Setijo Bismo，Elsa Krisanti，etc.Effects of magnetic field on calcium carbonate precipitation:Ionic and particle mechanisms［J］.Korean Journal of Chemical Engineering，2008，25(5):1145－1150.

［3］聂宗利，武玉民，张君等，阻垢剂的阻垢性能评价方法［J］.应用化工，2010，40(5):875－879，887.

［4］张怡.一种新的阻垢剂评定方法［D］.上海:同济大学，2008.