稀土合金水處理器阻垢性能評價實驗研究

孫靈芳，姜德峰，張冬生，張艷輝，曹生現(xiàn)

(1.東北電力大學(xué)節(jié)能與測控技術(shù)實驗室，吉林吉林132012;2.廣州格瑞凱迪電力熱能設(shè)備有限公司，廣州510475)

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，污垢的存在可減低設(shè)備工作性能，增加管道流動阻力，降低傳熱能力，污染水質(zhì)及產(chǎn)品，誘導(dǎo)表面材料腐蝕等［1］。如何防止或減輕污垢所帶來的損失，提高能源利用率，是長期困擾工業(yè)設(shè)備應(yīng)用的一個具有挑戰(zhàn)性的難題。

隨著仿生技術(shù)和納米技術(shù)的發(fā)展，納米表面技術(shù)也開始應(yīng)用于物理法水處理器。稀土合金水處理器(阻垢器)是一種應(yīng)用納米表面工程技術(shù)和磁化技術(shù)進(jìn)行防垢的新型水處理阻垢器，該設(shè)備使處理的水體產(chǎn)生共振的內(nèi)能，從而提高了易行成沉淀的無機(jī)鹽溶解度，不易形成水垢。對一種新型水處理產(chǎn)品如何客觀公正的評定其阻垢性能，以指導(dǎo)廠家生產(chǎn)，滿足水處理用戶需求，具有非常重要的實際意義。目前國內(nèi)常用的評定阻垢效果的方法有靜態(tài)阻垢法、鼓泡法、電導(dǎo)率法、碳酸鈣沉積法和換熱面污垢熱阻動態(tài)模擬法［2，3］，這些方法都是針對化學(xué)阻垢機(jī)理開發(fā)的評價方法，而對于物理法阻垢器并沒有專用評價方法。由于污垢的生成是一個動態(tài)的過程，而動態(tài)模擬法可以根據(jù)實際工藝過程，準(zhǔn)確、客觀、公正的評價阻垢器阻垢性能。為此，本文應(yīng)用換熱面污垢熱阻動態(tài)模擬裝置，對新型水處理器進(jìn)行動態(tài)模擬實驗，以評價該裝置的阻垢性能。

1 動態(tài)實驗

1.1 實驗設(shè)備及條件

實驗裝置及藥品:換熱面污垢特性在線監(jiān)測評價裝置(自制);稀土合金水處理器(廣州格瑞凱迪電力熱能設(shè)備有限公司);CaCl2，分析純;Na2CO3，分析純;電導(dǎo)率、pH分析儀(WTW pH/Cond 340i型);濁度分析儀(CCD照相機(jī));不銹鋼管。

實驗條件:實驗水質(zhì)入口溫度28.5℃±0.5℃，水浴溫度50±0.5℃，流速0.40 m.s－1，水質(zhì)硬度1 400.0 mg.L－1(以CaCO3計)。

1.2 實驗方法

實驗裝置采用管材、幾何尺寸完全相同的雙管，對稱布置于同一水浴槽內(nèi)，各管配有各自獨立、互不連通的實驗工質(zhì)回路。實驗工質(zhì)取自普通自來水添加一定濃度的碳酸鈉和氯化鈣混合均勻后，由進(jìn)水泵分別輸送到兩個測量回路(兩個測量回路完全相同，以一路為測量管(加裝阻垢器)，另一路為參比管(未加裝阻垢器)的下位水箱，經(jīng)循環(huán)水泵送入上位水箱，由上位水箱恒速流入恒溫水浴槽(兩路水樣共用)內(nèi)的換熱管，進(jìn)入下位水箱，形成水測量回路的循環(huán)。上位水箱裝有溢流管，以確保換熱管入口水壓和換熱管流速恒定。換熱管入口水溫度控制由共用的恒溫水浴控制系統(tǒng)和各自的空冷控制系統(tǒng)共同調(diào)節(jié)，恒溫水浴系統(tǒng)配有自動控制系統(tǒng)的電加熱器，空冷系統(tǒng)配有閉環(huán)控制的獨立回路，以確保換熱管入口水溫和水浴溫度恒定在指定溫度的±0.5℃內(nèi)。實驗裝置如圖1所示。

圖1 動態(tài)模擬評價裝置

實驗中將阻垢器串聯(lián)接入模擬換熱器的試驗測量管路中，利用在恒定工況條件下，自動連續(xù)監(jiān)測兩管的污垢熱阻，定期取樣手工分析各水質(zhì)參數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

阻垢率的計算，根據(jù)文獻(xiàn)［1］的污垢熱阻定義，單位面積污垢沉積質(zhì)量mf可表示為

式中，ρf、kf分別為污垢層的平均密度和導(dǎo)熱系數(shù)，將式(1)代入文獻(xiàn)［1］阻垢率定義式，阻垢率η表示為

式中，m0為未經(jīng)處理的垢質(zhì)量，m1經(jīng)處理的垢質(zhì)量，下角標(biāo)0和1分別對應(yīng)于采用防垢技術(shù)前后的參數(shù)。對于那些不改變污垢密度和導(dǎo)熱系數(shù)的防垢技術(shù)，式(2)可簡化為

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗結(jié)果

為考察該阻垢器及其對水質(zhì)參數(shù)的影響，在相同實驗條件下，進(jìn)行了五次實驗。污垢熱阻監(jiān)測結(jié)果如圖2所示，圖中淺色曲線為加裝阻垢器檢測的污垢熱阻，黑色為未加裝阻垢器檢測的污垢熱阻，白色曲線為S函數(shù)擬合趨勢曲線。由五組測試曲線可明顯看出，加裝阻垢器處理的換熱管污垢熱阻相比未加阻垢器處理的污垢熱阻明顯減小，但在初始24 h兩類曲線區(qū)別不大，24 h后未加阻垢器處理的污垢熱阻明顯增大。5組重復(fù)實驗結(jié)果表明該阻垢器具有良好的阻垢效果，磁場處理可抑制析晶污垢形成，延長析晶污垢誘導(dǎo)期。

圖2 污垢熱阻

2.2 阻垢率計算

根據(jù)式(3)對測試的五組污垢熱阻數(shù)據(jù)進(jìn)行了阻垢率計算，計算結(jié)果如表1所示，平均阻垢率為81.6%。表明該阻垢器對于高硬度水質(zhì)(易形成析晶污垢)，可影響溶液中的離子結(jié)晶及結(jié)晶顆粒的壁面附著，阻止污垢的形成，具有良好阻垢效果。

表1 阻垢率

2.3 水質(zhì)參數(shù)分析

在實驗過程中，對水質(zhì)濁度、pH、電導(dǎo)率進(jìn)行了定期取樣，手工分析，以研究該阻垢器對水質(zhì)參數(shù)影響的規(guī)律。

(1)濁度

圖3 水質(zhì)濁度

本文試驗過程中，對于經(jīng)阻垢器處理和未處理水質(zhì)濁度進(jìn)行了照相分析，如圖3所示。圖3中左側(cè)渾濁水樣為加裝阻垢器處理的實驗水質(zhì)，右側(cè)清澈水樣為未處理實驗水質(zhì)。由此說明該阻垢器在磁場作用下，使易形成污垢的碳酸鈣晶體的結(jié)構(gòu)松散，易脫落，該磁場力具有分散功能，使大量的碳酸鈣分子懸浮在溶液中，而不是粘附在傳熱表面或沉淀，具有抑垢作用。

(2)pH

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，污垢的主要成份之一是碳酸鈣垢，而溶液pH可作為衡量碳酸鈣垢析出的判斷指標(biāo)［3］。為此，在評價阻垢器試驗中，對溶液pH進(jìn)行了分析，測試結(jié)果如圖4所示。由圖中曲線可明顯看出，隨著實驗溶液蒸發(fā)濃縮，pH逐步增大，在初始pH相同狀況下，加裝阻垢器處理的溶液pH明顯小于未處理pH，該阻垢器可有效限制pH升高，保持穩(wěn)定(在5組實驗趨勢相同情況下，本文只列出了一組實驗pH曲線)。

在碳酸鈣飽和溶液動態(tài)模擬實驗中，存在下列動態(tài)平衡關(guān)系:

由于溶液蒸發(fā)濃縮，pH增大，會有更多碳酸鈣析出結(jié)晶，形成污垢，而該阻垢器可有效減小pH增大，因此，該阻垢器可抑制污垢生成，延長誘導(dǎo)期。

(3)電導(dǎo)率

電導(dǎo)率是衡量水中電解質(zhì)多少的一個重要指標(biāo)［4］，在碳酸鈣飽和溶液中，可體現(xiàn)碳酸鈣溶液過飽和度。在本試驗中，電導(dǎo)率測試結(jié)果如圖5所示。由圖5中曲線可明顯看出，隨著試驗的進(jìn)行，加裝阻垢器處理的溶液電導(dǎo)率明顯大于未處理電導(dǎo)率，在兩路水樣實驗條件相同情況下，該阻垢器可有效提高碳酸鈣溶液過飽和度。其原因在于，阻垢器磁場可使通過的水體產(chǎn)生共振的內(nèi)能，水分子及其它離子活性和內(nèi)能均大幅增強(qiáng)，成垢離子體最終被分解為由極少高能活性水分子組成的穩(wěn)定水分子小團(tuán)簇，熱運動速度加快，熱傳導(dǎo)效率增強(qiáng)，減少了無機(jī)鹽中陽離子和陰離子的組合機(jī)會，使處理后的水能夠夠溶解更多的難溶性無機(jī)鹽，降低了無機(jī)鹽過飽和現(xiàn)象，提高了碳酸鈣等無機(jī)鹽的溶解度。

圖4 pH變化曲線

圖5 電導(dǎo)率變化曲線

3 結(jié)論

(1)通過換熱面污垢特性在線監(jiān)測評價裝置對阻垢器進(jìn)行多組實驗測量和阻垢率計算，表明稀土合金水處理器具有較好的阻垢效果，平均阻垢率達(dá)81.6%。

(2)5組動態(tài)實驗分析的水質(zhì)參數(shù)變化規(guī)律表明該阻垢器對水質(zhì)濁度、電導(dǎo)率、pH等參數(shù)有一定影響，但磁處理對水質(zhì)參數(shù)關(guān)聯(lián)影響及其阻垢機(jī)理還應(yīng)進(jìn)一步實驗研究。

［1］楊善讓，徐志明，孫靈芳.換熱設(shè)備的污垢與對策［M］.2版.北京:科學(xué)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］聶宗利，武玉民，張君等，阻垢劑的阻垢性能評價方法［J］.應(yīng)用化工，2010，40(5):875－879，887.

［4］張怡.一種新的阻垢劑評定方法［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2008.