高磁场、低成本磁水器的标准设计方案

胡盛东 陆政 席娟娟 黄瑞 杜晨

【摘要】 将低成本的小正方体稀土磁铁块进行横、纵向排列，使磁场叠加，在1 mm宽的磁隙中得到较强的磁场强度，使用非导磁的不锈钢和环氧树脂材料做骨架，设计出低成本、大流量的磁水器。

【关键词】 磁水器;低成本;8000高斯

【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2022.01.018

Design Standard Scheme of High Magnetic Field and Low Cost

Magnetic Water Heater

HU Sheng-dong，LU Zheng，XI Juan-juan，HUANG Rui，DU Chen

（Mechanical Engineering School of Ningxia Vocational Technical College Of Industry and Commerce，Yinchuan 750021，China）

Abstract： The low-cost small square rare earth magnet blocks are arranged horizontally and vertically to make the magnetic field superimposed，and a strong magnetic field strength is obtained in the 1 mm wide magnetic gap. The non-magnetic conductive stainless steel and epoxy resin materials are used as the skeleton to design a low-cost and large flow magnetic water heater.

Key words： magnetic water heater;low cost;8000 Gauss

磁水器是一種利用高磁体作为恒磁场来对水进行磁化处理的装置，按工作方式分为直过式、辐射式和回流式。按工作磁隙又可分为低磁场长流程和高磁场短流程。磁水器在农业、工业、医疗、家用等领域有着广泛的应用。将其用于锅炉与热交换器能除水垢，使硬水软化;用于农作物（蔬菜、水稻）的浸种、育秧、灌溉，可提农作物高产量;用于喂养禽畜，可使禽畜增重快，防治疾病。磁水器还能治疗人的某些疾病，如各种结石、肠道蛔虫、高血压等，并能使病人增加饭量。

1 磁水器标准设计方案

客户有800亩桑园，土壤为沙地，保水性较差，用潜水泵从机井中抽取地下水进行漫灌。因此，对产品的要求为：桑田灌溉用潜水泵输水管道直径为Ø=84 mm，流量为30～45 m3/h，磁水器的磁场磁感应强度为8000高斯左右，水流的80%须通过磁场磁化。同时，磁水器还要具有定量施肥的功能，适用于大面积农作物滴管供水和施肥。

1.1 磁化器设计原理

首先，深水泵潜水深度为80 m左右，为了不给深水泵产生较大负荷，磁水器的实际通流面积应大于或等于深水泵的管道截面积。根据磁水器磁化机理，磁场方向垂直于水流方向，水流动的速度越大磁感应强度越大，水中的离子团受到洛伦兹力越大，水中的各物质的离子团越容易打开，形成单个离子或小离子团，植物根系更容易吸收。目前，如选用稀土强磁体，可以得到较强的磁场，稀土磁体的体积越大磁性越强，但磁体的价格也成倍提高，单体体积较大的磁体，磁极的磁性较强，对磁体的安装的难度也很大，需用特殊模具辅助才能安装。为减少制造成本和安装难度，本文采用价格较低的长、宽、高均为9 mm的正方体稀土磁体，通过组合排列获得较强的磁场（如图1所示），对磁体不同组合和磁极间的不同间隙进行测试，测试结果见表1。

1.2 结构设计方案

通过表1结果分析，采用图1中的D组合方案，组合磁体间磁隙为1 mm，磁隙内磁感应强度为B=8217高斯。本设计需要1 mm宽的磁隙通流面积大于或等于潜水泵输送管的横截面积，因此，S磁隙≥S水管。

1.2.1 长方体磁体组合优化设计计算

本设计应该用最少单体磁体组合达到S磁隙≥S水管要求，且形状、体积、设计成本最低。

1）磁隙为一长方形时，磁隙为1条，S磁隙=1×L=S水管=πr2，磁隙的长度为L=5538.96 mm，需要单体磁体N=3692.64个，单体总长度超过5 m，不适合做磁水器。

2）单磁体组合成一个长方形，磁隙为13条，长度A=432 mm，宽度B=378 mm，需要N=2016个单体磁体，但单体组合成的长方形面积太大，不适合做成磁水器。

3）为减小磁水器的体积，把一个单体磁体组合的长方体，分为四个面积相同的长方形，径向安放在输水管的纵轴上，且每个磁体组成的长方体之间留有一定距离，设计相应的隔板，组成不同的通道，这样磁水器的总体积就可以减小。通过计算，每个透水磁体的长A=226 mm、宽B=223 mm、高H=9 mm，需要N=2600个单体磁体。

把磁水器设计成四通道，每个通道通过的水量为总水量的1/4，潜水泵输出的水流分别通过四组透水磁体间的1 mm高磁场间隙把水磁化。磁水器的侧面剖视图如图2所示。

四个透水磁体串联排列，组合成长方体，通过对长方体封闭的四个侧面开孔形成进水口、出水口和加水道隔板，使长方体形成四个串联独立的透水腔，又与圆形磁水器壳体间形成四个独立水道，控制水流入和流出各自对应的透水腔，最后汇聚到出水口，达到水流的磁化。透水磁体的结构和磁化器外壳连接位置和水道的示意图见图3。

1.2.2 施肥器设计

目前，常用的滴管施肥器主体是一个塑料桶，有进水口和出水口，可以方便装入水溶性化肥，与滴管主管道并联，并在并联区域的主管道内安装水阀门，调节水阀门的开度，使水流中的部分水经过施肥器汇聚到主水管道，实现施肥的功能，但是，这种施肥方式只能估算，不能实现精准施肥，所以经常会造成农田施的肥料水溶液浓度不均，施肥效果不佳。

1）采用干式施肥方式

干式施肥器是化肥进入主管道前是颗粒状，通过定量器把定量化肥定时送入滴管主水道，化肥与水流在流动中逐渐融化，并且在流动中化肥浓度达到均衡。

干式施肥器具有以下优势：①每次输送的化肥颗粒的量越小，输送频率越高，水中的化肥浓度越容易达到一致，控制精准性越好;②采用透明装料桶可以检测肥料的消耗量或采用传感器检测并提示，这样可以及时补充化肥，保证施肥的准确性。

2）采用湿式施肥方式

湿式施肥器设计成透明罐体，有进水管口和出水管口，与滴管主水道并联，罐体有可以封闭的加料口，当装入一定量化肥，再控制进水口进入一定量水，通过专用搅拌器使化肥与水充分溶解，通过变量小水泵控制水肥流量，由进水管进入到滴管主水道中。

湿式施肥器具有以下优势：①控制的精度较高，化肥中的杂质在进入主管道前可以过滤掉;②施肥的水溶液浓度可控，随意调节，可控精度高于干式施肥器。

以上两种施肥器共同特点是结构简单，运行成本低，可以采用太阳能供电或常规电力供电。

1.3 磁水器理论分析

潜水泵输水管截面积为S泵，输出水流速度为V泵，透水磁体的通流总面积为S透水，透水磁体的水流速度V透水。根据流体力学知识，当S泵≥S透水，得到V泵≤V透水，水流速度越大，产生的洛伦兹力越大，磁水器的磁化效果好，但造成潜水泵负荷增大，容易烧毁;当S泵≤S透水，得到V泵≥V透水，即水流通过磁水器时，流速小于输水管流速，水流产生的阻力等于或小于水流通过管道产生的阻力，管道加装磁水器对潜水泵影响很小。

2 设计方案分析总结

1）潜水泵输水管截面积S泵=πr2=5538.96 mm2，透水磁体通流总面积S透水=6328 mm2，4个水道总截面积S水道=7849.85 mm2。从计算结果得到：透水磁体通流面积比输水管截面积增加14.2%，4个水道总截面积比输水管截面积增加41.72%，磁水器对潜水泵产生的影响比较小。

2）用小强度稀土磁级，通过排列组合获得高强度稀土磁极，大大降低了材料成本，也降低了安装难度，具有成本低的优势。

3）磁水器的磁化间隙只有1 mm，很容易被抽水井内大于1 mm直径的砂石堵塞，应在进水口到透水磁体之间的位置，安装大于25目的磁性过滤网和排沙口，并且定期维护。

4）干式和湿式施肥器各有优点，如果在主管道安装流量计，检测水流的流量，通过中心控制器控制步进电机与柱塞水泵的输入量，提高自动化智能控制模式，实现无人值守和远程控制。

【参考资料】

[1] 郝洪泉，马毅.磁水器为农业增产开辟新途径[J].磁性材料及器件，1988（4）：51-54.

[2] 聶继云，董雅凤.磁化水与农作物增产[J].植物杂志，1998（3）：24.

【作者简介】

胡盛冬，男，2001年出生，研究方向为新能源汽车技术。