磁场在循环冷却水系统中的应用
(德州学院 机电工程系，山东 德州 253015)
摘 要：文章通过磁水处理器的设计及试验，研究了磁 场对CaCO3结晶的影响，并监测了溶液电导率随时间的变化情况，结果显示，磁场既对新 水垢的生成具有阻碍作用，还可以溶解已经形成的老垢。
关键词：磁场；循环空却水；水垢；阻垢
中图分类号：TU83 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2009)08—0094—02
近年来，随着人们对生活和生产环境要求日益提高，空气调节技术引起了各国的重视并得到 巨大发展。空调系统所涉及的各种得热，都必须在冷凝器中散出。水冷凝器所用的水通常都 是经过冷却塔进行循环的，随着冷却塔中的水不断蒸发，水槽中未溶解的固体杂质的浓度会 不断升高，所以必须采取一定的措施，否则会形成结垢和淤泥。如果在冷凝器传热表面上以 及冷却塔的填充料表面上形成沉积物，就会降低冷却塔系统的性能。据北美经济可行性会议 提供的数据表明，仅美国发电厂因冷却水塔水垢问题造成的电能损失就达1.85GWh，由此导 致的经济损失达100万美元〔1〕。
因此,在循环冷却水系统的日常运行中需要对其中的沉积物进行控制。
目前，污垢的分类方法较多，但基本都以Epstein在第六届国际传热大会上提出的〔2〕 ，即按引起污垢形成的最主要过程分类为标准。循环水污垢可分为六类：析晶污垢、微粒 污垢、凝结污垢、腐蚀污垢、生物污垢、化学反应污垢。实际上，实际换热面的污垢，常常 是几种污垢结合在一起的。文章仅讨论循环冷却水中的析晶污垢及其控制。
循环冷却水系统中的析晶污垢,主要是碳酸钙垢,实际化验冷却系统传热表面的水垢成分可知 ，碳酸钙的含量可达90%以上。所以人们在讨论循环冷却水系统中的水垢问题时,常以CaCO3垢作为代表。目前水垢的处理方法主要有化学方法和物理方法，化学方法包括离子交换软 化法，石灰石软化法，加酸法，通入二氧化碳法，加阻垢剂法；物理方法有膜法水处理，静 电水处理，电子水处理，磁处理，用防腐阻垢涂料涂覆换热器，使用塑料换热器等。化学方 法效果较好，但成本高、操作复杂、会对环境造成二次污染，不符合可持续发展战略。物理 方法具有简单、维护操作简便、寿命长、运行费用低、无二次污染等优点。磁场在循环冷却 水中的应用集杀菌、缓蚀、阻垢于一身，具有明显的优势。
1 磁水处理器的设计
磁化器由产生磁场的装置和待处理冷却水的通道两部分组成。冷却水以一定的流速在通道内 依次通过磁路间隙，溶液的流向与磁场方向垂直。在磁化器中，利用高导磁性材料制成导磁 体，尽量使所有的磁力线集中通过磁路间隙。磁化器按磁场形成方式可分为永磁式和电磁式 ，按磁源的位置又可分为内磁式和外磁式〔3〕。在磁场强度相同的情况下，永磁式 和电磁式磁化器的除垢防垢效果相同，但各有优缺点。电磁式磁化器需要耗费电能，但其磁 场强度易于调节且较稳定。而永磁式磁化器不消耗能源，在实际应用中更经济，随着磁学理 论、新型磁性材料以及充磁技术的发展必将克服其缺点，能够发展起节约能源、应用方便、 投资少、容易屏蔽、无二次污染等优势。
磁水处理器工作的过程如图1所示：.gif)
待处理冷却水垂直通过并切割磁水处理器内部形成的磁场的磁力线，经磁化处理后冷却水具 有防止新垢生成和使老垢剥落的能力。
磁水处理器在设计时应考虑磁水处理器的流量以及与之相连接的管道直径，以此确定磁水处 理器内腔过水截面，过小的截面面积增加水流阻力，势必导致水泵负载的增加〔4〕 。文章中涉及的磁水处理器为永磁式磁水处理器，磁场强度为2 000高斯。它采用高强磁技 术，由不锈钢管道、磁芯组件和外壳构成，磁芯组件由六对磁块组成，磁铁材料为稀土钕铁 棚40。当水从不锈钢管中流过时，在垂直方向反复多次切割磁力线，从而达到高效磁化的目 的，其大致结构如图2所示：
磁水处理器安装在上水设备的进口处，下部进水，上部出水，以避免积聚空气，增加阻力， 影响处理效果。在磁水处理器进水端最好安装一个过滤器，避免 水中游离铁和氧化铁碎屑随水流进入磁水处理器，造成磁场短路，削弱磁场能量，影响处理 效果。
2 试验系统和试验方法
在CaCO3的析晶过程中,可以通过多种测量方法对溶液进行跟踪测定,如pH值测定、电导率 测 定、总钙浓度化学滴定和原子吸收分光光度计测定等。其中电导率测定方法的灵敏度和准确 度较高,且易于实现实验的自动化控制。利用DDS-11A电导率仪每隔10min测定溶液的电导率 ，画出溶液的析晶动力学曲线。
①我们通过在加热状态下，对CaCO3溶液进行磁处理，并每隔一段时间检测试验组和对照 组的电导率，来确定磁场的阻垢效果。
CaCO3溶液的配置采用在自来水中溶解适量的NaHCO3分析纯固体，冷却水循环，打开电 加热器，使温度达到要求温度，然后再向溶液中加入适量CaCl2。②因为循环冷却水系统不仅仅要抑制水垢的生成，而且希望可以对已经形成的水垢进行剥除 ，所以对CaCO3过饱和溶液进行磁处理，并检测试验组和对照组的电导率，进而确定水中 自由离子的变化情况来分析磁场的除垢效果。
CaCO3过饱和溶液通过向自来水和去离子水中加入过量的CaCO3分析纯固体来实现。
每隔固定时间时间间隔，从试验组以及对照组溶液中用移液管取100mL溶液，用DDS-11A电导 率仪测定其电导率，并根据所得数值画出电导率随时间的变化曲线。
3 试验结果及讨论
3.1 磁场的阻垢效果
对于相同浓度的CaCO3溶液，在恒温60℃的情况下，检测试验组与对照组的电导率，得到 如图3所示曲线;由于CaCO3在水中具有反常溶解度，随着水温升高溶解度反而下降，所以 试验结果中看到未处理组溶液的电导率下降很快，而处理组溶液的电导率下降缓慢，说明磁 场阻碍了CaCO3的结晶，具有阻垢效果。同时，在实验结束后，还发现，未处理组的水桶 底部以及侧壁均附着着一层白色晶体，电加热器外部也附着这一层白色的污垢，而处理组水 箱中无白色物质生成。
实验组在相同条件下重复做了三次试验，均得到了相近的试验结果，为磁处理阻碍CaCO3 成垢提供了最直接的证据。
3.2 磁场的除垢效果
在水箱中放入40L自来水，并加入过量的CaCO3分析纯固体，测电导率得图4。从试验结果 可以看出，未处理溶液的电导率基本保持不变，而磁处理溶液的电导率随时间的延长而增大 ，说明溶液中的自由离子增多，磁处理增大了CaCO3在水中的溶解度，亦即一部分未溶解C aCO3分析纯固体随处理时间增加进行了溶解，磁场确实具有清除老垢的作用。
为了避免自来水中其他化合物离子对实验结果的影响，试验中利用去离子水作溶剂重复了上 述实验过程，所得曲线如图5，可以看出，曲线走向与用自来水作溶剂时保持一致。
试验中只是得到了磁场确实有阻止CaCO3析晶结垢和增大CaCO3在水中溶解度，清除老垢 的作用，但是对作用原理的还需进一步探讨究，要增强磁场的处理效果，可能需改变试验参 数，如冷却水流速，磁场强度等，还需进一步实验研究。
4 结论
①在CaCO3结晶的检测过程中，电导率测定方法具有灵敏度和准确度较高,易于实现实验的 自动化控制等优点，未磁场阻垢技术提供了一种实时可靠、可重复的研究方法。②磁场可以增大CaCO3在水中的溶解度，进而达到阻止新垢生成并清除老垢的目的。③要提高磁处理效果，需要各种试验参数（磁场强度，冷却水流速，磁处理时间等）达到最 佳配合，这方面还有待于进一步实验研究。④磁处理并没有改变物质的化学性质，只是物理性质发生了暂时的有益的变化，因而是一种 简单、维护操作简便、寿命长、运行费用低、无二次污染的处理方法，符合可持续发展战略 ，应具有广泛的应用前景。
［参考文献］
［1］ 李朝绪．锅炉排污和水垢清除［M］．天津：科学技术出版社，1980.
［2］ N. Epstein, Fouling in Heat Exchangers Heat Transfer［J］,1978-Proc. 6th IHTC, 1979, 6:235～253.
［3］ 周本省．循环冷却水系统中控制水垢的物理方法［J］．化工机械，1999，26 （4）：236～240.
［4］ 张宝铭．磁水器设计基础［J］．环境科学与技术，1995，71（4）：34～36.
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