電磁場抑制換熱面析晶污垢的形成

張一龍，周滿滿，曲宸熙，李 霞，王樂君

電磁場抑制換熱面析晶污垢的形成

張一龍，周滿滿，曲宸熙，李 霞，王樂君

（東北電力大學自動化工程學院，吉林 132012）

為研究電磁場對換熱表面析晶污垢的抑垢情況，該研究以電磁水處理動態試驗臺為依托通過一系列變工況的試驗，獲取了不同磁場強度、流速和入口溫度下碳酸鈣污垢熱阻熱阻曲線，又通過電磁場、流場及溫度場之間的正交分析得出了各因素對析晶污垢生長的具體影響。結果表明，試驗磁感應強度范圍內污垢熱阻隨磁感應強度的增大呈減小趨勢；不加磁場湍流狀態下，流速越大污垢熱阻越小；磁場與流速共同作用可以強化阻垢效果。隨著入口溫度的增加，熱阻漸近值先增大后減小，在入口溫度為30 ℃時出現極大值；電磁場處理產生的熱阻減小的效果要大于入口溫度增加引起的熱阻增加的效果。通過正交分析，得出了影響污垢生長的主次因素由強到弱依次為磁感應強度、流速、入口溫度。同時計算出了該試驗臺在試驗工況下的最優運行工況，在入口溫度30 ℃，流速0.4 m/s，磁感應強度20 mT情況下抑垢效果最好。研究結果可為工業循環水除垢抑垢提供一定的參考。

磁場；流速；溫度；正交分析；析晶污垢

0 引 言

換熱表面析晶污垢的存在會導致設備性能下降，引起換熱面腐蝕甚至穿孔，對換熱設備的安全運行造成極大威脅，污垢抑制的研究勢在必行。外加電磁場對污垢抑制的研究業已開展，并獲得一定的成果，主要分為以下幾個方面：

一部分學者研究了電磁場對污垢特性影響，Umeki等[1]研究了交流電磁場對水溶液中碳酸鈣界面電位（Zeta電位）的影響；熊蘭等[2]通過試驗證明了同軸式電磁水處理器的抑垢效果要好于螺線管式的抑垢效果；Tijing等[3-6]均發現經過磁處理的污垢更容易被剝蝕；HolYsz等[7]研究了磁感應強度、磁場作用時間和磁場方向對CaCO3溶液性質的影響；王建國等[8]分析了電磁場作用下循環水質參數的變化，得出各水質參數與污垢熱阻間的關聯關系。部分學者研究了永磁體對污垢特性影響，Jiang等[9]發現經永磁體產生磁場處理后誘導期變短，碳酸鈣的成核速率加快；Horvat等[10]發現在永磁體作用下，pH值較低時污垢組分中以文石占90%以上，而pH值較高時這種現象并不明顯。My?liwiec等[11]發現與靜磁場相比溶液的濃度對污垢沉積影響較大；Han等[12]研究發現靜磁場影響水分子的取向和磁場中離子的螺旋運動。部分學者通過磁化水探究磁場對污垢影響，劉志超等[13]通過試驗測試了磁化水的溶解能力，研究了磁場對噴頭霧化效果的影響；王欣等[14]研究了磁化水處理技術證明了磁場作用效果受到濃度的影響，濃度越小磁場作用效果越顯著；Mahmoud等[15]證明了經磁場處理后的水的結垢速率明顯變慢，經磁場處理后的水的垢性能保留3 d左右。

部分學者研究了不同工況對污垢特性影響，國內以徐志明等[16-18]為代表的部分學者研究了入口速度、流速等對污垢特性的影響。國外學者Lee等[19]和Al-Otaibi等[20]均試驗發現其污垢熱阻隨著流速的增加而減小。Teng等[21]發現試驗工況內污垢熱阻漸進值隨溫度增加而增加，而Youngkwon等[22]發現高溫有利于污垢的生成。Liu等[23]發現水質參數之間的相互作用對冷卻水污垢的生長有明顯的影響。Giuseppe等[24]發現CaCO3成核亞穩態區越寬碳酸鈣溶液的污垢誘導期就越長。Hasan[25]研究了強化傳熱對雙管換熱器結晶污垢的影響。P??kk?nen等[26]發現與CaCO3表面結晶相比流體中析出晶體的結垢率顯著增強；Mayer等[27]和Karoui等[28]通從污垢形貌和組分角度探究了污垢的特性。

可以發現現階段工況對析晶污垢特性的影響研究已經取得一定成果，電磁場對析晶污垢特性影響也有部分學者研究，但大多研究的是單一固定工況下的污垢特性，不同工況下電磁場對析晶污垢生長影響的研究甚為缺乏，對于磁場與流場、溫度場等之間的相互作用也并未做分析。基于此本文通過試驗得到了不同工況條件下電磁場作用于析晶污垢的熱阻曲線，分析了磁感應強度、流速、入口溫度及它們之間的共同作用對析晶污垢生長的影響。并通過正交分析，得出各因素對熱阻的具體影響。

1 管殼式污垢監測試驗系統及原理

1.1 試驗系統

本試驗所用為管式換熱器，試驗裝置如圖1所示，主要包括工質循環系統、冷卻系統、磁處理系統以及信號采集系統4個部分。工質由循環泵提供驅動力流經超聲波流量計，經過電磁場處理后再經過管式換熱器在水浴段換熱，最終流回下位水箱。管式換熱器為公稱直徑為DN20的紫銅管，入口、出口溫度、水浴溫度均由Pt100測量，壁溫由3個等距分布的Pt100測量。流速通過變頻器調節水泵的頻率控制，入口溫度是通過循環水冷系統控制，電磁場強度通過改變直流電源電流調節。施加磁場方向與流體方向相水平。

1.水冷系統；2.風冷系統；3.溶液箱；4.循環泵；5.流量計；6.A管；7.B管；8.電磁場處理器；9.水浴箱；10.U型換熱管；11.水質監測儀；12.入口溫度檢測；13.出口溫度檢測；14.壁溫檢測；15.水浴溫度檢測；16.排水；17.電磁線圈

1.2 碳酸鈣溶液制備及試驗流程

碳酸鈣污垢的形成的前提是達到過飽和狀態，由于試驗周期的限制實驗室所用的過飽和碳酸鈣懸濁液為人工配制的，采用的方法為Na2CO3法，所用的藥品均達到分析純。

1.3 試驗原理及誤差分析

熱阻計算公式為

式中t為壁面溫度，t為污垢層與流體間的界面溫度，即垢層表面溫度，℃；R為污垢熱阻，m2·K/W。

其中：

平均表面傳熱系數可由熱平衡方程和牛頓冷卻公式聯立求得

熱流密度可由流體能量平衡得到：

式中t、t為試驗管段出、入口處溫度，t為流體溫度，取入口和出口平均值，℃；為試驗管道長度，m；為試驗管道內徑，m；q為體積流量，m3/s；δ為污垢層厚度，m；A為總的換熱面積，m2；t為水浴溫度，℃；c為介質比熱容，J/(kg·K)；為介質密度，kg/m2；為介質平均流速，m/s。

纏繞式螺線管電磁場處理器磁感應強度由畢奧-薩伐爾定律計算[29]

式中0為真空磁導率，Tm/A；為線圈的電流，A；為線圈的半徑，m；為場點到圓心的距離，m。

為了驗證試驗系統的可靠性，采用均方根法對試驗系統進行誤差分析[30]。經計算試驗臺各測量元件的相對誤差及污垢熱阻相對誤差計算如表1所示，可得各誤差均在試驗誤差允許范圍內。

表1 試驗系統誤差

2 不同工況下熱阻分析

2.1 磁感應強度、流速與熱阻

設定入口溫度為25 ℃；濃度為1 g/L；流速為0.2、0.3、0.4 m/s均為湍流狀態；磁感應強度為0、10、20 mT。在指定的流速下，不同磁感應強度對CaCO3析晶污垢特性影響的結果如圖2a~圖2d所示。圖2a~圖2c分別為在0.2、0.3、0.4 m/s固定流速不同磁感應強度下熱阻曲線，由圖可見，隨著磁感應強度的增大，污垢誘導期逐漸延長，污垢熱阻漸近值減小。在0.4 m/s流速、20 mT試驗條件下污垢熱阻誘導期顯著增長，流速和電磁場的共同作用使污垢的沉積和剝蝕處于基本持平狀態。

圖2 不同流速、磁感應強度下熱阻及熱阻漸近值

為更清晰的分析試驗結果，取試驗漸近穩定后100個數據，經處理后得出污垢熱阻漸近值變化情況，如圖2d所示。分析如下，首先，熱阻隨著磁感應強度的增加逐漸減小是因為通過磁場的工質被磁化，經換熱段加熱后，CaCO3不以堅硬的形態析出，而是以絮狀形態析出，這種絮狀沉淀缺乏附壁能力，不易附著在管壁。其次，因為帶電粒子切割磁感線會產生力的作用，增加污垢表面的剪切應力，對已附著污垢的剝蝕效果明顯。再次，外加磁場使更多的CaCO3以游離態在水中存在，從而減少CaCO3在管壁的沉積量。另外，磁場一定程度上會延緩碳酸鈣的結晶速度，其結晶速度隨著磁感應強度增大而變慢。隨著晶核的成型，污垢逐漸積累，熱阻開始增加。

2.2 磁感應強度、入口溫度與熱阻

當入口流速為0.2 m/s、濃度為1g/L、特定入口溫度時，磁感應強度變化時，CaCO3析晶污垢表面污垢熱阻曲線，如圖3a~圖3d所示。圖3a~圖3c分別為入口溫度為25、30、35 ℃固定入口溫度不同磁感應強度下污垢熱阻曲線，由熱阻曲線知，污垢熱阻變化同樣受磁感應強度的影響。隨著磁感應強度的變化，熱阻值減小。而由圖3d所示，隨著入口溫度變化，熱阻漸近值出現不同情況的變化。在不加磁時，隨著入口溫度的增加，熱阻漸近值先增大后減小。熱阻增大是由于CaCO3具有反常溶解度，隨著入口溫度的增加，近壁面溫度升高，促進晶體的析出。沉積量的增加導致污垢層變厚，直接導致熱阻值增大。熱阻值減小可能是由于剝蝕率變化受到沉積厚度以及垢層溫度差的影響，溫度升高，沉積率變大，導致污垢沉積質量的增加，而沉積質量增大將導致剝蝕作用越發明顯。在磁場作用下，隨著入口溫度的增加，熱阻值逐漸減小，但在20 mT時，熱阻值出現反向增加的情況。說明加磁情況下熱阻值的變化與磁場和入口溫度均有關，是兩者相互作用的結果。熱阻隨溫度變化減小說明磁處理產生的污垢減小的效果要大于入口溫度增加引起的熱阻增加的效果。

圖3 不同溫度、磁感應強度下熱阻及熱阻漸近值

2.3 流速、入口溫度與熱阻

當濃度為1 g/L、不加磁場情況下，特定入口溫度為25 ℃，改變流速，CaCO3析晶污垢污垢熱阻曲線，如圖4a所示。結果表明流速越大污垢熱阻漸近值越小且污垢熱阻誘導期越長。全面試驗熱阻漸近值如圖4b所示，由圖可知，污垢熱阻變化受流速和入口溫度影響。在入口溫度恒定的情況下，熱阻值隨著流速增大而減小。流速與傳熱系數有關，而傳熱系數又與薛伍德系數相關，沉積率通過薛伍德系數表示，因此隨著流速增加，沉積率增大，剝蝕作用也隨沉積質量的增加而增大，因此熱阻值隨流速的增大而減小。在35℃，0.3 m/s處熱阻值突然增大可能是由于試驗周期偏長，導致壁面處出現電化學腐蝕污垢，導致熱阻突然增大。流速一定時，隨著入口溫度變化，熱阻漸近值出現不同情況的變化。垢層表面剪切應力使得污垢剝蝕作用明顯，是熱阻值減小的主要原因之一，而溫度升高則導致污垢在近壁面處更易產生，使得熱阻值增大。漸近污垢熱阻值隨流速和溫度改變而變化說明熱阻值的變化是由于垢層表面剪切應力與溫度升高共同作用的結果。

圖4 不施加磁場條件下及特定入口溫度不同流速下污垢熱阻

從圖4中可以看出在0.2及0.4 m/s時污垢熱阻隨溫度的增加呈現先增大后減小的趨勢，在30 ℃時出現極值。這是由于入口溫度升高，碳酸鈣飽和溶解度降低，反應速率增加，近壁面處污垢迅速積累，熱阻值增大。當溫度繼續升高時，大量的污垢在還沒經過換熱面換熱時便已經在流體內部直接析出。流體內析出的污垢由于吸收大量的熱使得顆粒間內能增加，內部運動加劇，顆粒間碰撞增多，吸附并沉積在換熱面的概率減小。而且隨著流體內部運動的加劇，也增加了對壁面的剪切應力，剝蝕效果增強。2種作用效果相互疊加，最終使得熱阻值先增大后減小。

3 正交試驗

根據試驗臺的具體情況，將3個因素分別定為磁感應強度、入口流速、入口溫度。根據試驗臺所能取的工況范圍，將每個因素均選取3個水平。考慮到因素間的相互作用，因此添加一列空白列。進而設計L9(34)正交表，并根據相應熱阻指標進行正交分析。試驗因素水平表見表2。試驗結果表如表3所示，這里的列可以看作是任意2因素或者3因素的耦合。通過計算不僅可以判斷單因素對抑垢效果的影響程度，也通過空白列的計算結果判斷因素間交互作用對最終結果的影響程度。例如將列假設為磁感應強度與流速間的耦合關系，這樣通過計算就可以得出磁感應強度和流速間耦合作用對于熱阻指標的影響程度，并與單個因素的影響程度進行比較。

表2 試驗因素水平表

表3 正交試驗結果

3.1 極差分析

極差分析的一大優勢就是可以通過理論計算從中找出試驗指標最好的最優組合，并比較各個因素對于試驗指標的影響程度，確定出影響指標的主次因素，判斷出試驗范圍內的最優水平。通過分析還可以找出因素與試驗指標間的內在聯系，為進一步試驗指明方向；客觀上彌補了實際試驗中理論性不足的缺點。

如表4所示。通過計算表中同水平的指標和K進而求得極差值，比較極差值可以得出>>>，極差值代表對污垢熱阻的影響程度，可以看出對抑垢影響程度最大的為磁感應強度，其次為流速和入口溫度，空白列對于抑垢效果也存在一定影響，即因素間的相互作用也存在影響，但這種影響并不是主要的。同時通過計算得出最優組合為入口溫度為30 ℃，磁感應強度為20 mT，流速為0.4 m/s。

表4 極差分析

其中K為第列因素第水平對應的試驗指標和，k為每一列的3個K取平均值，比較k便可得到試驗中的最優水平和優組合。在本試驗中選取熱阻為試驗指標，要求熱阻值越小越好，因此選取每一列中k的最小值即為該因素下的最優水平。代表每一列列因素的極差，由每一列k的最大最小值做差求得，反映了第列因素水平變化時對于熱阻指標的影響程度。通過比較極差大小，可以判斷影響熱阻的主次因素。值越大，說明該因素對試驗指標的影響越大。

3.2 方差分析

通過極差分析并不能準確估計試驗誤差大小。這時就需要通過方差分析法來進行進一步討論。方差分析法將變異分為因素變化引起的變異和誤差產生的變異，通過構造統計量，作檢驗，在一定置信度區間通過查表判斷因素作用是否顯著。分別計算各列偏差平方和、自由度及方差。

表5為方差分析表，通過對比值和臨界值的大小可以得出對污垢熱阻值影響的顯著程度。由表可以看出因素顯著程度較高，其次是因素，而因素不顯著。因素主次順序--，即磁感應強度、流速和入口溫度。方差分析與之前極差分析得出結論一致。

表5 方差分析

4 結 論

1）隨著磁感應強度和流速的增加污垢熱阻值均逐漸減小，且兩者在抑垢效果上相互促進；加磁情況下熱阻值的變化是電磁場和入口溫度兩者相互作用的結果，電磁場處理產生的熱阻減小的效果要大于入口溫度增加引起的熱阻增加的效果。

2）在不加磁場工況下，污垢熱阻受流速和入口溫度的影響。隨著入口溫度的增加，熱阻漸近值先升高后降低。入口溫度一定，熱阻值隨著流速增大而減小；在流速為0.2和0.4 m/s時，污垢熱阻隨入口溫度的增加先增加后降低，在30 ℃時出現極大值。

3）通過正交分析，得出了影響析晶污垢生長的主次因素，依次為磁感應強度、流速、入口溫度。同時計算出了基于試驗臺抑垢工況的最優組合，即在30 ℃，0.4 m/s，20 mT情況下抑垢效果最好。

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Inhibition of the formation of crystallization fouling on heat transfer surface by electromagnetic field

Zhang Yilong, Zhou Manman, Qu Chenxi, Li Xia, Wang Lejun

(,,132012,)

Crystallization fouling, one of the most common fouling types, mostly forms on heat transfer surfaces in water pipe system. The crystallization fouling is inevitable to cause low efficiency of heat transfer in various equipment, and the short service life. Recently, the perception of fouling removal and suppression has been familiar, while the anti-fouling technology has developed greatly. Compared with the current fouling treatment method, the electromagnetic water treatment has become one of the main physical anti-fouling methods due to its cost-saving, convenient installation, simple operation, remarkable fouling suppression effect and environmentally friendly. Therefore, this study aims to investigate the effect of electromagnetic field on the crystallization fouling of heat transfer surface under various working conditions based on the electromagnetic scale suppression platform that modified by tube-shell heat exchanger. A sodium carbonate method was used to prepare calcium carbonate supersaturated solution according to the sodium carbonate and calcium chloride molar mass 1:1, while the thermal resistance of calcium carbonate fouling was obtained under different magnetic induction intensity, flow rate and inlet temperature. Specifically, the influence of inlet temperatures and inlet flow rates on the thermal resistance of calcium carbonate crystallization fouling was also discussed in magnetic treatment. The effect of working conditions and magnetic induction intensity on thermal resistance was clarified systematically, as well the coupling relationship between the working parameters, using the collected variation curve of fouling thermal resistance under different operating conditions. The results show that the thermal resistance of fouling decreases with the increase of magnetic induction intensity. The fouling thermal resistance and induction period decrease as the flow velocity increases in turbulence without magnetic field. The inhibition effect of fouling can be enhanced by the interaction between magnetic fields and flow rates. As the inlet temperature increases, the approximate value of thermal resistance increases first and then decreases, finally the maximum appears when the inlet temperature is 30 ℃. The interaction between the electromagnetic field and the inlet temperature depends on the change of the thermal resistance subjected to magnetic field. The decrease of the thermal resistance that caused by the electromagnetic field treatment can be greater than that by the increase of the inlet temperature. According to the operating range of the experimental platform, three factors were selected, including three levels of magnetic induction intensity, inlet velocity and inlet temperature for each treatment. Through orthogonal analysis, the primary and secondary factors affecting the formation of fouling from strong to weak are magnetic induction intensity, flow rate and inlet temperature. The optimal operating conditions are the inlet temperature of 30 ℃, the flow rate of 0.4 m/s, and the magnetic induction intensity of 20 mT, on the experimental platform. This finding can provide a sound theoretical guidance for crystallization fouling in the water treatment system during industrial production.

magnetic field; flow rate; temperature; orthogonal analysis;crystallization fouling

張一龍，周滿滿，曲宸熙，等. 電磁場抑制換熱面析晶污垢的形成[J]. 農業工程學報，2020，36(8)：206-211.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.08.025 http://www.tcsae.org

Zhang Yilong, Zhou Manman, Qu Chenxi, et al. Inhibition of the formation of crystallization fouling on heat transfer surface by electromagnetic field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(8): 206-211. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.08.025 http://www.tcsae.org

2019-12-17

2020-03-28

國家自然科學基金青年基金（61901101）

張一龍，副教授，研究方向為換熱設備性能檢測監測、智能軟體材料控制。Email：zylnedu@yeah.net

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.08.025

TK12

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