高磁場(chǎng)、低成本磁水器的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案

胡盛東 陸政 席娟娟 黃瑞 杜晨

【摘要】 將低成本的小正方體稀土磁鐵塊進(jìn)行橫、縱向排列，使磁場(chǎng)疊加，在1 mm寬的磁隙中得到較強(qiáng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，使用非導(dǎo)磁的不銹鋼和環(huán)氧樹(shù)脂材料做骨架，設(shè)計(jì)出低成本、大流量的磁水器。

【關(guān)鍵詞】 磁水器;低成本;8000高斯

【DOI編碼】 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體作為恒磁場(chǎng)來(lái)對(duì)水進(jìn)行磁化處理的裝置，按工作方式分為直過(guò)式、輻射式和回流式。按工作磁隙又可分為低磁場(chǎng)長(zhǎng)流程和高磁場(chǎng)短流程。磁水器在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療、家用等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。將其用于鍋爐與熱交換器能除水垢，使硬水軟化;用于農(nóng)作物（蔬菜、水稻）的浸種、育秧、灌溉，可提農(nóng)作物高產(chǎn)量;用于喂養(yǎng)禽畜，可使禽畜增重快，防治疾病。磁水器還能治療人的某些疾病，如各種結(jié)石、腸道蛔蟲(chóng)、高血壓等，并能使病人增加飯量。

1 磁水器標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案

客戶有800畝桑園，土壤為沙地，保水性較差，用潛水泵從機(jī)井中抽取地下水進(jìn)行漫灌。因此，對(duì)產(chǎn)品的要求為：桑田灌溉用潛水泵輸水管道直徑為?=84 mm，流量為30～45 m3/h，磁水器的磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為8000高斯左右，水流的80%須通過(guò)磁場(chǎng)磁化。同時(shí)，磁水器還要具有定量施肥的功能，適用于大面積農(nóng)作物滴管供水和施肥。

1.1 磁化器設(shè)計(jì)原理

首先，深水泵潛水深度為80 m左右，為了不給深水泵產(chǎn)生較大負(fù)荷，磁水器的實(shí)際通流面積應(yīng)大于或等于深水泵的管道截面積。根據(jù)磁水器磁化機(jī)理，磁場(chǎng)方向垂直于水流方向，水流動(dòng)的速度越大磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，水中的離子團(tuán)受到洛倫茲力越大，水中的各物質(zhì)的離子團(tuán)越容易打開(kāi)，形成單個(gè)離子或小離子團(tuán)，植物根系更容易吸收。目前，如選用稀土強(qiáng)磁體，可以得到較強(qiáng)的磁場(chǎng)，稀土磁體的體積越大磁性越強(qiáng)，但磁體的價(jià)格也成倍提高，單體體積較大的磁體，磁極的磁性較強(qiáng)，對(duì)磁體的安裝的難度也很大，需用特殊模具輔助才能安裝。為減少制造成本和安裝難度，本文采用價(jià)格較低的長(zhǎng)、寬、高均為9 mm的正方體稀土磁體，通過(guò)組合排列獲得較強(qiáng)的磁場(chǎng)（如圖1所示），對(duì)磁體不同組合和磁極間的不同間隙進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

通過(guò)表1結(jié)果分析，采用圖1中的D組合方案，組合磁體間磁隙為1 mm，磁隙內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B=8217高斯。本設(shè)計(jì)需要1 mm寬的磁隙通流面積大于或等于潛水泵輸送管的橫截面積，因此，S磁隙≥S水管。

1.2.1 長(zhǎng)方體磁體組合優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算

本設(shè)計(jì)應(yīng)該用最少單體磁體組合達(dá)到S磁隙≥S水管要求，且形狀、體積、設(shè)計(jì)成本最低。

1）磁隙為一長(zhǎng)方形時(shí)，磁隙為1條，S磁隙=1×L=S水管=πr2，磁隙的長(zhǎng)度為L(zhǎng)=5538.96 mm，需要單體磁體N=3692.64個(gè)，單體總長(zhǎng)度超過(guò)5 m，不適合做磁水器。

2）單磁體組合成一個(gè)長(zhǎng)方形，磁隙為13條，長(zhǎng)度A=432 mm，寬度B=378 mm，需要N=2016個(gè)單體磁體，但單體組合成的長(zhǎng)方形面積太大，不適合做成磁水器。

3）為減小磁水器的體積，把一個(gè)單體磁體組合的長(zhǎng)方體，分為四個(gè)面積相同的長(zhǎng)方形，徑向安放在輸水管的縱軸上，且每個(gè)磁體組成的長(zhǎng)方體之間留有一定距離，設(shè)計(jì)相應(yīng)的隔板，組成不同的通道，這樣磁水器的總體積就可以減小。通過(guò)計(jì)算，每個(gè)透水磁體的長(zhǎng)A=226 mm、寬B=223 mm、高H=9 mm，需要N=2600個(gè)單體磁體。

把磁水器設(shè)計(jì)成四通道，每個(gè)通道通過(guò)的水量為總水量的1/4，潛水泵輸出的水流分別通過(guò)四組透水磁體間的1 mm高磁場(chǎng)間隙把水磁化。磁水器的側(cè)面剖視圖如圖2所示。

四個(gè)透水磁體串聯(lián)排列，組合成長(zhǎng)方體，通過(guò)對(duì)長(zhǎng)方體封閉的四個(gè)側(cè)面開(kāi)孔形成進(jìn)水口、出水口和加水道隔板，使長(zhǎng)方體形成四個(gè)串聯(lián)獨(dú)立的透水腔，又與圓形磁水器殼體間形成四個(gè)獨(dú)立水道，控制水流入和流出各自對(duì)應(yīng)的透水腔，最后匯聚到出水口，達(dá)到水流的磁化。透水磁體的結(jié)構(gòu)和磁化器外殼連接位置和水道的示意圖見(jiàn)圖3。

1.2.2 施肥器設(shè)計(jì)

目前，常用的滴管施肥器主體是一個(gè)塑料桶，有進(jìn)水口和出水口，可以方便裝入水溶性化肥，與滴管主管道并聯(lián)，并在并聯(lián)區(qū)域的主管道內(nèi)安裝水閥門(mén)，調(diào)節(jié)水閥門(mén)的開(kāi)度，使水流中的部分水經(jīng)過(guò)施肥器匯聚到主水管道，實(shí)現(xiàn)施肥的功能，但是，這種施肥方式只能估算，不能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥，所以經(jīng)常會(huì)造成農(nóng)田施的肥料水溶液濃度不均，施肥效果不佳。

1）采用干式施肥方式

干式施肥器是化肥進(jìn)入主管道前是顆粒狀，通過(guò)定量器把定量化肥定時(shí)送入滴管主水道，化肥與水流在流動(dòng)中逐漸融化，并且在流動(dòng)中化肥濃度達(dá)到均衡。

干式施肥器具有以下優(yōu)勢(shì)：①每次輸送的化肥顆粒的量越小，輸送頻率越高，水中的化肥濃度越容易達(dá)到一致，控制精準(zhǔn)性越好;②采用透明裝料桶可以檢測(cè)肥料的消耗量或采用傳感器檢測(cè)并提示，這樣可以及時(shí)補(bǔ)充化肥，保證施肥的準(zhǔn)確性。

2）采用濕式施肥方式

濕式施肥器設(shè)計(jì)成透明罐體，有進(jìn)水管口和出水管口，與滴管主水道并聯(lián)，罐體有可以封閉的加料口，當(dāng)裝入一定量化肥，再控制進(jìn)水口進(jìn)入一定量水，通過(guò)專用攪拌器使化肥與水充分溶解，通過(guò)變量小水泵控制水肥流量，由進(jìn)水管進(jìn)入到滴管主水道中。

濕式施肥器具有以下優(yōu)勢(shì)：①控制的精度較高，化肥中的雜質(zhì)在進(jìn)入主管道前可以過(guò)濾掉;②施肥的水溶液濃度可控，隨意調(diào)節(jié)，可控精度高于干式施肥器。

以上兩種施肥器共同特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行成本低，可以采用太陽(yáng)能供電或常規(guī)電力供電。

1.3 磁水器理論分析

潛水泵輸水管截面積為S泵，輸出水流速度為V泵，透水磁體的通流總面積為S透水，透水磁體的水流速度V透水。根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)，當(dāng)S泵≥S透水，得到V泵≤V透水，水流速度越大，產(chǎn)生的洛倫茲力越大，磁水器的磁化效果好，但造成潛水泵負(fù)荷增大，容易燒毀;當(dāng)S泵≤S透水，得到V泵≥V透水，即水流通過(guò)磁水器時(shí)，流速小于輸水管流速，水流產(chǎn)生的阻力等于或小于水流通過(guò)管道產(chǎn)生的阻力，管道加裝磁水器對(duì)潛水泵影響很小。

2 設(shè)計(jì)方案分析總結(jié)

1）潛水泵輸水管截面積S泵=πr2=5538.96 mm2，透水磁體通流總面積S透水=6328 mm2，4個(gè)水道總截面積S水道=7849.85 mm2。從計(jì)算結(jié)果得到：透水磁體通流面積比輸水管截面積增加14.2%，4個(gè)水道總截面積比輸水管截面積增加41.72%，磁水器對(duì)潛水泵產(chǎn)生的影響比較小。

2）用小強(qiáng)度稀土磁級(jí)，通過(guò)排列組合獲得高強(qiáng)度稀土磁極，大大降低了材料成本，也降低了安裝難度，具有成本低的優(yōu)勢(shì)。

3）磁水器的磁化間隙只有1 mm，很容易被抽水井內(nèi)大于1 mm直徑的砂石堵塞，應(yīng)在進(jìn)水口到透水磁體之間的位置，安裝大于25目的磁性過(guò)濾網(wǎng)和排沙口，并且定期維護(hù)。

4）干式和濕式施肥器各有優(yōu)點(diǎn)，如果在主管道安裝流量計(jì)，檢測(cè)水流的流量，通過(guò)中心控制器控制步進(jìn)電機(jī)與柱塞水泵的輸入量，提高自動(dòng)化智能控制模式，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守和遠(yuǎn)程控制。

【參考資料】

[1] 郝洪泉，馬毅.磁水器為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)開(kāi)辟新途徑[J].磁性材料及器件，1988（4）：51-54.

[2] 聶繼云，董雅鳳.磁化水與農(nóng)作物增產(chǎn)[J].植物雜志，1998（3）：24.

【作者簡(jiǎn)介】

胡盛冬，男，2001年出生，研究方向?yàn)樾履茉雌嚰夹g(shù)。