频率对扫频电磁场阻垢效果影响的实验研究

韩向阳,于 航,李洪松,刘炳成

(青岛科技大学 机电工程学院,山东 青岛266061)

循环水在换热设备中起着至关重要的作用,但循环水通常为硬水,随着水分的蒸发,循环水中成垢离子的浓度升高,且由于循环水流经换热表面时温度升高,垢的溶解度降低,故垢易生成在换热表面上[1]。工业中常见的垢包括碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡、二氧化硅等。碳酸钙是最常见的垢,也是本工作的研究对象。

一旦水垢黏附在换热器表面,不仅会使压降增大并造成能源的浪费,还会腐蚀管道,降低管道的使用寿命[2-4]。防止换热器结垢有2种方式,一是降低管道中成垢离子的浓度,二是防止水垢黏附在管壁上;如果水垢能够随循环水一起流动并沉淀在循环水箱中,它就不会黏附在管壁上,从而达到阻垢的目的。阻垢方法可归于化学法和物理法[5]。化学法通常通过在循环水中加入化学药剂以降低结垢离子的浓度或防止形成结垢离子以达到阻垢目的。毫无疑问,化学阻垢法阻垢效率高,效果明显。但添加化学药剂不仅会造成腐蚀缩短换热设备的寿命,还造成了二次污染和其他不可避免的缺点[6]。电磁阻垢技术是一种有效的物理阻垢方法,因其具有使用方便、无污染、成本低等优点而受到广泛的关注和研究[7-8]。

WANG等[9]开展电磁场阻垢的实验研究,发现当频率为1 k Hz时,能够降低溶液的表面张力,从而改变Ca CO3的溶解度,达到阻垢的效果。XI ONG等[10]开发了一套电磁水处理装置,并对碳酸钙水垢的结晶尺寸进行了探究,发现外加电磁场能够促进碳酸钙晶体的成核但同时会抑制晶核的长大。ZHANG等[11]通过扫描电镜研究了碳酸钙晶体,观察到经电磁场处理后生成的碳酸钙方解石晶体,且晶体的尺寸大于未经电磁场处理的晶体。本课题组已经研究了频率、匝数和管径对线圈中的电流和管中的感生磁场强度的影响,发现磁感应强度随频率的增加而减少,且随着频率的增加,减少的幅度减小[12]。本研究通过模拟硬水溶液中电导率、p H和粒径的变化来表示频率对扫频电磁场阻垢效果的影响。

1 电磁阻垢原理

当模拟硬水溶液在管道中流动时,电磁控制单元在螺线管线圈中产生时变电流,从而在管道中感生出时变的磁场,同时,时变的磁场在管道中产生电场,可以用法拉第定律解释:

其中:E是感应电场强度矢量,s是圆周矢量,B是磁场强度矢量,A是横截面积。

受感应电磁场影响的带电离子形成粒子的过程如图1所示。

图1 电磁场对溶液中带电粒子运动影响的示意图Fig.1 Schematic diagram of the effect of electro magnetic fields on the motion of charged particles in solution

循环水中的成垢离子在洛伦兹力的作用下,不仅使成垢的可能性和效率增加,而且产生的垢柔软,黏附能力差,易于通过湍流和常规排污去除。因此,电磁阻垢技术减轻了换热器中的结垢[7,13]。

带电粒子在电磁场中的运动受洛伦兹力的影响,其力可以通过式(2)计算:

其中:V是体积分,p是电荷密度,J是电流密度,r是体元素。

诱导电磁场为带电荷的钙离子和碳酸氢根离子提供分子搅动并形成CaCO3沉淀,见图1。

2 试验方法

2.1 材料及实验装置

电磁阻垢实验装置示意图如图2所示,其中包含电磁控制单元(electr o magnetic anti-f ouling treat ment,EAFT),示波器,保护电阻,90匝线圈紧紧缠绕100 mm直径的管道上。电线为聚氯乙烯绝缘软电缆,铜芯符合中国国家标准,导体直径5.3 mm,绝缘厚度0.8 mm。绕组线圈的两端通过保护电阻直接连接到电磁阻垢控制单元,电磁阻垢控制单元可以在管道内产生时变磁场。示波器的型号是Tektronix生产的TBS1102,带宽为100 MHz,垂直精度为±3%。

图2 电磁阻垢实验装置示意图Fig.2 Sche matic diagra m of the electr o magnetic scale inhibition experi mental device

在实验组中,本实验中电磁阻垢控制单元的输出电压设定为9.6 V,实验组的扫频频率分别为1～3 k Hz,9～11 k Hz和19～21 k Hz,输出的为阻垢效果最好的方波信号。流过管道的循环水流速为0.2 m·s－1。设置未使用电磁场处理作为本实验的对照组。

在本研究中,电导率测试仪和p H测试仪的模型是Mettler Toledo公司的Seven ExcellenceTM。电导率测试仪的测试范围为0.1～9 999μS·c m－1,测量精度为±0.5%。p H测试仪的测量范围为－2～20,测量误差极限为±0.002。电导率测试仪的温度自动补偿为25℃。同时,采用激光粒度分析仪检测溶液中的粒径,其型号为Winner 2308,由济南微纳颗粒仪器股份有限公司生产,其范围为0.1～2 000μm,精度和重复性误差均小于3%。

2.2 实验方法

螺线管中心的磁感应强度可以由式(4)求得[11]:

式(4)中:μ0是溶液的磁导率,l0是螺线管线圈的长度,r是螺线管线圈的半径,n是螺线管线圈的匝数。

本课题组研究已经证明,在100 mm直径管道上缠绕90匝线圈电磁场强度最大[12]。从公式(4)可以看出,电源的输出频率会影响磁感应强度。因此,本研究比较不同扫频频率下的电磁场的阻垢效果。

碳酸钙是换热器结垢的主要成分之一。为了加快结垢过程,在本实验中,将111 g CaCl2和168 g Na HCO3倒入100 L蒸馏水中,模拟硬度为1 mmol·L－1工业循环水,利用恒温器将水箱内水温控制在25℃。图3为电磁阻垢实验流程示意图。在实验开始时,将111 g Ca Cl2和168 g Na HCO3分别加入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过泵送到试验段经过电磁场处理,然后返回水箱中。

图3 电磁阻垢实验流程示意图Fig.3 Sche matic diagra m of the electr o magnetic scale inhibition experi mental process

由于实验刚开始时电导率变化明显,因此每10 min记录1次电导率的变化,并且在第1 h内每20 min记录1次p H和粒径的变化。2 h后,每1 h记录1次电导率和p H的变化,每2 h记录1次粒径的变化。

3 结果与讨论

图4表示在不同频率下电导率随时间的变化。随着时间的增加,PVC管中溶液电导率下降速度越来越慢。例如,当频率为1～3 k Hz,电导率在第1 h就从3 803.8μS·c m－1降低到3 588.3μS·c m－1,前2 h下降占总下降的60.7%。主要原因是实验开始时溶液的过饱和度很高,随着碳酸钙在溶液中形成沉淀,溶液的过饱和度降低,故电导率下降的速度越来越慢。同时,可以看出使用电磁场处理明显比未使用电磁场处理,溶液电导率下降的幅度大,且扫频频率为1～3 k Hz时,溶液的电导率下降最大,主要原因为当溶液流经电磁场时,溶液中的Ca2＋和CO在电磁场的作用下,其碰撞的几率大大增加,形成沉淀从而使电导率下降增大,当扫频电磁场频率为1～3 k Hz时,其电磁场强度最大,电导率下降幅度也最大,说明感生电磁场强度越大,其阻垢效果也越好。

图4 不同频率下电导率随时间的变化Fig.4 Change in conductivity with ti me at different frequencies

图5表示在不同扫频电磁场频率下p H随时间的变化。

图5 不同频率下p H值随时间的变化Fig.5 Variation of p H value with ti me at different frequencies

由图5看出,p H在前2 h内迅速降低,并在约2 h内达到最小值,然后略微升高。主要原因是溶液中发生了以下反应:

由于实验开始时,溶液中的离子浓度大,溶液中的Ca2＋和CO反应速率快,生成的CO2与水发生反应电离出H＋使溶液的p H下降,随着反应的进行Ca2＋和C生成Ca CO3沉淀,溶液中的离子浓度下降,反应速率变慢,故p H的下降速率变慢。同时由于H2CO3在溶液中的过饱和度下降方程(7)反应向右进行,故2 h后溶液的p H下降变慢。

图6表示不同频率下平均粒径随时间的变化。

图6 不同频率下平均粒径随时间的变化Fig.6 Variation of average particle size with ti me at different frequencies

从图6看出,溶液中的CaCO3的平均粒径的随着时间的增加而增加,其增加的幅度随时间的增加而减小。且当频率为1～3 k Hz时,平均粒径最大,其粒径比10 h未经电磁场处理的粒径大18%,其间距有增加的趋势。主要原因是电磁场处理显著提高了Ca2＋和C结合的概率和效率,并且成核越多,CaCO3的粒径越容易增大。因此,平均粒径在开始时迅速增加,并且随着碳酸钙的沉淀,平均粒径的生长速度变慢。

图7所示为初始粒径及不同扫频频率处理10 h后的CaCO3粒径的变化规律。从图7中的各组实验结果中不难发现,在外加电磁场的作用下,各组溶液中的粒子粒径明显大于无电磁场作用的溶液中的粒子粒径;同时当电源输出频率不断增大时,溶液中占比最高的粒子粒径明显降低,且在电源输出频率为1～3 k Hz作用时,溶液的粒子粒径占比大于其他各个实验组中的实际占比,这也在一定程度上反映了1～3 k Hz的频率是影响电磁阻垢实际效果的一个重要的输出参数,同时反映了该输出频率作用下对溶液中晶体生长的促进作用最为明显。

图8(a)～(d)所示为粒径0～10μm,10～20 μm,20～30μm和30～40μm体积比随时间变化。从图8可以看出,0～10μm的所占的体积比在逐渐减少;粒径10～20μm和20～30μm的所占的体积比逐渐增加,但增加的速度逐渐变慢;粒径30～40 μm所占的体积比例逐渐增加,且增加的速度变快。经电磁场处理的0～10μm粒径所占的体积比明显小于未经电磁场处理的;未经电磁场处理的10～20 μm,20～30μm,30～40μm粒径所占体积比小于经电磁场处理的,其证明了电磁场处理产生的电磁场促进了CaCO3晶体在溶液中的生长。正如CHO等[14]报道的那样,电磁场提供了必要能量使整体Gibbs自由能呈负值,因此使CaCO3晶核能够继续生长。从图8还可以看出,当频率为1～3 k Hz时,0～10μm粒径所占的体积比最小,10～20μm,20～30 μm,30～40μm粒径所占的比例最大,故其平均粒径最大。

图7 初始粒径及不同扫频频率处理10 h的CaCO3粒径Fig.7 Initial particle size and CaCO3 particle size after 10 h of treat ment at different sweep frequencies

图8 各粒径占总粒径的体积比随时间的变化Fig.8 Variation of the volu me ratio of each particle size to the total particle size with ti me

4 结 论

建立了实验平台,研究了不同频率下扫频电磁场下的阻垢效果,频率对阻垢效果的影响通过电导率,p H和平均粒径随时间的变化来表示。实验的主要结论如下:

1)电磁阻垢系统具有良好的阻垢效果。扫频电磁场大大增加了成垢离子的碰撞几率,促使大量的碳酸钙晶核在溶液中生成,从而有效避免在管道壁面上结垢。结果表明:经电磁场处理的溶液电导率和p H值下降得更快,且下降的幅度大于未经电磁场处理的溶液,经电磁场处理后溶液中Ca CO3粒径明显增大。

2)电磁场提供的能量不仅使碳酸钙粒径增长的更大,且使结晶形态以文石为主,其结构松散,容易被水流带走而不是沉积在管壁上,从而起到防止污垢在管壁上附着,达到了阻垢的目的。

3)在本实验3组扫频电磁场的作用下,随着扫频频率的减小,电导率下降和p H下降,平均粒径增大,且当扫频频率为1～3 k Hz时,电导率和p H值下降得最快,且下降幅度最大,平均粒径最大,故当频率为1～3 k Hz时阻垢效果最好。