王建國(guó)，李 松，辛紅偉，李紅延

（東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012）

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，循環(huán)冷卻水換熱面結(jié)垢現(xiàn)象對(duì)換熱設(shè)備的影響和危害極大，同時(shí)也引起一系列的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)問(wèn)題[1-2]。變頻電磁抑垢技術(shù)以其應(yīng)用方便、投資小、運(yùn)行費(fèi)用低、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)備受業(yè)內(nèi)人士矚目[3]。近年來(lái)，電磁水處理技術(shù)得到了蓬勃的發(fā)展，應(yīng)用研究逐步拓寬，經(jīng)證實(shí)磁處理對(duì)水的許多物理、化學(xué)性質(zhì)均有影響，最終將會(huì)直接影響污垢的沉積過(guò)程[4-7]。但是目前研究大多集中于分析各種影響污垢形成的因素作用下電磁場(chǎng)的處理效果[8-9]，而對(duì)在電磁場(chǎng)作用下?lián)Q熱器結(jié)垢過(guò)程中各水質(zhì)參數(shù)的重要性至今還沒(méi)有定論。本文作者基于水處理技術(shù)阻垢及緩蝕性能在線評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，模擬工業(yè)運(yùn)行環(huán)境，對(duì)換熱器表面碳酸鈣污垢進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，并在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)水質(zhì)參數(shù)的變化進(jìn)行分析，以均衡接近度灰關(guān)聯(lián)分析方法分析在電磁場(chǎng)作用下pH值、溶解氧、電導(dǎo)率及濁度與污垢熱阻之間的關(guān)聯(lián)特性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

水處理技術(shù)抑垢及緩蝕效果在線監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)由循環(huán)水系統(tǒng)、恒溫水浴控制系統(tǒng)、空冷控制系統(tǒng)和在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)四部分所組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。循環(huán)水系統(tǒng)為雙管路循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)管道分別為未加磁對(duì)比管道A 管和加磁管道B 管，以進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)；恒溫水浴控制系統(tǒng)保持水箱溫度恒定在設(shè)定值；空冷控制系統(tǒng)保持循環(huán)工質(zhì)入口溫度恒定；在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用Pt100 熱電阻，采集溫度信號(hào)，通過(guò)智能控制模擬量前端傳入工控機(jī)，計(jì)算出污垢熱阻值。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為無(wú)水Na2CO3、CaCl2按物質(zhì)的量比1∶1 配置為1000 mg/L的CaCO3水溶液。壁薄的不銹鋼管中循環(huán)介質(zhì)溫度為29℃，以0.4 m/s的流速流經(jīng)50℃恒溫水域，通過(guò)獲取溫度提升而在管內(nèi)壁生成污垢。B 管入口處管段纏繞多芯絕緣銅導(dǎo)線，成螺旋管狀，并將其兩端加上輸出為方波信號(hào)、電流為3 A的變頻電磁裝置[10]，相應(yīng)A 管做未加磁對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)周期一般為5～7 天。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每分鐘自動(dòng)采集一次模擬換熱器表面的污垢熱阻值，每3 h 采集一次循環(huán)冷卻水的電導(dǎo)率、pH值、溶解氧及濁度。水質(zhì)參數(shù)的測(cè)定方法符合GB/T 6903—2005 標(biāo)準(zhǔn)，其中pH值、電導(dǎo)率、溶解氧采用5S水質(zhì)分析儀測(cè)定，濁度采用GD0011S 濁度分析儀測(cè)定。

1.3 測(cè)量原理

由污垢熱阻在線檢測(cè)模型可知，污垢熱阻由式（1）計(jì)算。

式中，Tw為管壁與污垢間的界面溫度，可直接測(cè)量；Ts為污垢與流體間的界面溫度；q為熱流密度。

污垢與流體間的界面溫度Ts[10]由式（2）得到。

式中，Tfo為流體在試驗(yàn)管段出口處溫度；Tfi為流體在試驗(yàn)管段入口處溫度；l為試驗(yàn)管道長(zhǎng)度；d為試驗(yàn)管道內(nèi)徑；St為斯坦頓數(shù)。

圖1 水處理技術(shù)阻垢緩蝕性能在線評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

熱流密度q由式（3）得到。

式中，G為流體的容積流量；Cp為流體比熱容；ρ為流體密度；δf為污垢層厚度，比d小很多，本文計(jì)算中可忽略不計(jì)。

流體的容積流量G由式（4）得到

式中，v為流體平均流速。

通過(guò)測(cè)量流體在試驗(yàn)管段的出入口溫度及管壁溫度即可以確定對(duì)應(yīng)的污垢熱阻。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)定性分析，對(duì)換熱器結(jié)垢影響較大的水質(zhì)參數(shù)有：硬度、pH值、溶解氧、電導(dǎo)率、氧化還原電位、濁度、堿度、氯離子等[11-13]。根據(jù)對(duì)比不同頻率下電磁抑垢效果及水質(zhì)參數(shù)變化情況，本研究擇要分析了pH值、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度4個(gè)典型水質(zhì)參數(shù)在電磁場(chǎng)的作用下與污垢熱阻的關(guān)聯(lián)特性?；谒幚砑夹g(shù)阻垢及緩蝕性能在線評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)在5 kHz 電磁場(chǎng)作用時(shí)測(cè)得的水質(zhì)參數(shù)和污垢熱阻作為原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 污垢特性比較

實(shí)驗(yàn)所得的污垢熱阻值與時(shí)間的變化曲線如圖2所示。從圖中可以看到，經(jīng)電磁處理的不銹鋼管管壁的結(jié)垢速度比較慢，在運(yùn)行110 h 左右時(shí)才逐漸達(dá)到穩(wěn)定，而未經(jīng)電磁處理的不銹鋼管管壁的結(jié)垢速度較快，在80 h 左右時(shí)就已經(jīng)穩(wěn)定，并且未經(jīng)電磁處理的污垢熱阻漸近值高于經(jīng)電磁處理的污垢熱阻漸進(jìn)值，說(shuō)明電磁場(chǎng)作用下，污垢不易沉積到換熱管管壁，進(jìn)而達(dá)到抑垢的目的。在電磁場(chǎng)的這種作用下，循環(huán)水的水質(zhì)參數(shù)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。

圖2 污垢特性對(duì)比

圖3 電導(dǎo)率隨時(shí)間變化

2.2 電導(dǎo)率

電導(dǎo)率能夠表示水溶液傳導(dǎo)電流的能力，可間接反映水中離子的總濃度或溶解鹽含量的變化。圖3為電導(dǎo)率隨時(shí)間變化的曲線，圖中顯示經(jīng)電磁場(chǎng)處理的循環(huán)水的電導(dǎo)率要明顯高于未經(jīng)電磁處理的，說(shuō)明經(jīng)電磁處理的不銹鋼管內(nèi)循環(huán)水的含鹽量要更高，而在換熱管管壁沉淀成污垢的鹽分相對(duì)較少。另一方面，電磁場(chǎng)能夠破壞水中原有的結(jié)構(gòu)，使較大的締合水分子團(tuán)變?yōu)檩^小的締合水分子團(tuán)甚至是單個(gè)的水分子，其能量較高，水分子的活性得到增強(qiáng)，溶解性也進(jìn)一步提高，可使碳酸鈣溶解度增大，從而增大了溶液的導(dǎo)電性。

2.3 pH值

pH值是監(jiān)控水的腐蝕性與結(jié)垢傾向的指標(biāo)，當(dāng)pH 在7.0～9.2 范圍內(nèi)時(shí)最合適，當(dāng)pH值小于6.5以下時(shí)易腐蝕。圖4為pH值隨時(shí)間變化的曲線，圖中顯示經(jīng)電磁處理的循環(huán)水的pH值要略高于未經(jīng)電磁處理的溶液的pH值，但pH值相差不大。說(shuō)明電磁場(chǎng)對(duì)循環(huán)水的pH值影響甚微。

2.4 溶解氧

圖4 pH值隨時(shí)間變化

圖5 溶解氧隨時(shí)間變化

工業(yè)循環(huán)水中一些金屬的腐蝕與水中含氧量有著密切的關(guān)系。在腐蝕著的金屬表面，溶解氧起到陰極去極化劑的作用，能促使金屬腐蝕。而在某種情況下，它又起到氧化性鈍化劑的作用，能使金屬鈍化并且抑制腐蝕。圖5為溶解氧隨時(shí)間變化的曲線，圖中顯示經(jīng)電磁處理的循環(huán)水的溶解氧要略高于未經(jīng)電磁處理的溶解氧。這種現(xiàn)象同樣是由于電磁場(chǎng)破壞了水中原有的結(jié)構(gòu)，較大的締合水分子團(tuán)變成較小的締合水分子團(tuán)甚至是單個(gè)的水分子，水分子的活性增大，對(duì)氧的飽和溶解度進(jìn)一步增大。

2.5 濁度

濁度是指水中懸浮物對(duì)光線透過(guò)時(shí)所發(fā)生的阻礙程度。本實(shí)驗(yàn)循環(huán)水中的懸浮物主要為碳酸鈣垢。懸浮物容易在循環(huán)水的流速較低時(shí)將引起換熱器的表面生成疏松的沉積物而引起垢下腐蝕；在循環(huán)水的流速較高時(shí)將引起硬度低的換熱面的磨損腐蝕[14]。圖6為濁度隨時(shí)間變化曲線。圖中顯示經(jīng)電磁處理的循環(huán)水的濁度要高于未經(jīng)電磁處理的。隨著傳熱、流動(dòng)過(guò)程的進(jìn)行，碳酸鈣垢逐漸在換熱面析出，而經(jīng)電磁處理的循環(huán)水濁度高，說(shuō)明電磁處理的不銹鋼管內(nèi)循環(huán)水中懸浮著的碳酸鈣較多，而在換熱管管壁成垢較少。

圖6 濁度隨時(shí)間變化

3 均衡接近度灰關(guān)聯(lián)分析

為分析在電磁場(chǎng)作用下，水質(zhì)參數(shù)變化對(duì)污垢熱阻的影響，本實(shí)驗(yàn)利用均衡接近度灰關(guān)聯(lián)分析方法以5 kHz 電磁場(chǎng)作用下與未加磁對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)分析電導(dǎo)率、pH值、濁度、溶解氧4個(gè)典型水質(zhì)參數(shù)與污垢熱阻的關(guān)聯(lián)特性。該方法是將傳統(tǒng)灰關(guān)聯(lián)度與均衡度相結(jié)合，減少了傳統(tǒng)灰關(guān)聯(lián)分析方法中局部點(diǎn)的關(guān)聯(lián)傾向，能夠?qū)Ω饔绊懸蛩嘏c目標(biāo)參數(shù)間“不確定性”、“多變量輸入”及“數(shù)據(jù)的不完整性”進(jìn)行有效地處理，通過(guò)各影響因素和目標(biāo)參數(shù)的曲線幾何形狀的相似程度和變化趨勢(shì)判斷其聯(lián)系是否密切，得出量化結(jié)果，實(shí)現(xiàn)各影響因素和目標(biāo)參數(shù)的關(guān)聯(lián)分析[15]。

首先將各數(shù)列量綱為1[16]，求得灰關(guān)聯(lián)因子集。設(shè)x為灰關(guān)聯(lián)因子集，Xo∈x為參考列，X1∈x為比較列，i∈I={1,2,???,m}，Xo={x0(k)k∈K}，Xi={xi(k)k∈K}，K={1,2,???,n}，

由式（6）得到關(guān)聯(lián)系數(shù)分布映射Pi如式（8）。

式中，k=1,2,???,n，pi∈Pi。則第i個(gè)比較列與參考列的關(guān)聯(lián)系數(shù)熵H?(Ri)可由式（9）得到。

由關(guān)聯(lián)系數(shù)熵函數(shù)的上凸性和極值性可知關(guān)聯(lián)系數(shù)熵必有極大值，則關(guān)聯(lián)系數(shù)熵的最大值Hm(Ri)如式（10）。

式中，n為數(shù)列個(gè)數(shù)。比較列與參考列的均衡度B(Ri)由式（11）可得。

結(jié)合式（7）和式（11）得到比較序列與參考列的均衡接近度Ba(Xi,X0)如式（12）。

通過(guò)均衡接近度Ba(Xi,X0)分析比較列與參考列的關(guān)聯(lián)，主要關(guān)心的是均衡接近度大小的次序，而不完全是其在數(shù)值上的大小。均衡接近度越大，比較列與參考列的關(guān)聯(lián)越強(qiáng)。

4 結(jié)果與討論

4.1 計(jì)算關(guān)聯(lián)度

基于水處理技術(shù)阻垢及緩蝕性能在線評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，在頻率5 kHz 電磁場(chǎng)作用下，測(cè)得污垢熱阻值及循環(huán)水電導(dǎo)率、pH值、濁度、溶解氧作為原始數(shù)據(jù)。設(shè)定污垢熱阻值為參考列X0，循環(huán)水電導(dǎo)率、pH值、濁度、溶解氧為比較序列X1、X2、X3、X4。在計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)之前用區(qū)間值化法求得灰關(guān)聯(lián)因子集。通過(guò)式（6）、式（7）求得在電磁場(chǎng)作用下水質(zhì)參數(shù)與污垢熱阻的關(guān)聯(lián)度，如表1所示。

4.2 計(jì)算均衡接近度

根據(jù)式（8）～式（11）求得不同磁場(chǎng)處理下水質(zhì)參數(shù)與污垢熱阻的關(guān)聯(lián)系數(shù)熵和均衡度，如表2、表3所示。

結(jié)合表1 與表3，可算得比較列pH值、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度與參考列污垢熱阻的均衡接近度，如表4所示。

表1 水質(zhì)參數(shù)與污垢熱阻之間的關(guān)聯(lián)度

表2 水質(zhì)參數(shù)與污垢熱阻的關(guān)聯(lián)系數(shù)熵

表3 水質(zhì)參數(shù)與污垢熱阻的均衡度

表4 水質(zhì)參數(shù)與污垢熱阻的均衡接近度

4.3 確定關(guān)聯(lián)序

無(wú)論循環(huán)水是否經(jīng)電磁場(chǎng)處理，特定循環(huán)水的水質(zhì)參數(shù)與污垢熱阻的均衡接近度排序均為：Ba(X0,X1)＞Ba(X0,X3)＞Ba(X0,X4)＞Ba(X0,X2)。故循環(huán)水典型水質(zhì)參數(shù)與污垢熱阻關(guān)聯(lián)序?yàn)椋弘妼?dǎo)率、濁度、溶解氧、pH值。

5 結(jié)論

（1）在5 kHz 磁場(chǎng)作用下，不銹鋼管管壁的結(jié)垢速度要比未加磁的慢，且污垢熱阻漸近值比未加磁對(duì)比實(shí)驗(yàn)的要低。

（2）在電磁場(chǎng)作用下?lián)Q熱器結(jié)垢過(guò)程中循環(huán)水典型水質(zhì)參數(shù)的變化如下：電導(dǎo)率、溶解氧及濁度較未加磁對(duì)比實(shí)驗(yàn)的高；pH值較未加磁對(duì)比實(shí)驗(yàn)的變化甚微。

（3）特定循環(huán)水的水質(zhì)參數(shù)對(duì)污垢影響明顯且彼此相關(guān)聯(lián)，其關(guān)聯(lián)序?yàn)椋弘妼?dǎo)率、濁度、溶解氧、pH值。證明了電磁場(chǎng)作用下，污垢熱阻主要受到電導(dǎo)率、濁度和溶解氧的影響，電導(dǎo)率相比濁度、溶解氧與污垢熱阻的關(guān)聯(lián)更密切，而pH值的均衡接近度小于這3個(gè)水質(zhì)參數(shù)，關(guān)聯(lián)性并不顯著。因此電導(dǎo)率、濁度、溶解氧變化規(guī)律是建立電磁場(chǎng)作用下多水質(zhì)參數(shù)與污垢熱阻數(shù)學(xué)模型的重要依據(jù)。

符號(hào)說(shuō)明

Ba(Xi，X0)——均衡接近度

Cp——流體比熱容，J/(kg?K)

d——試驗(yàn)管道內(nèi)徑，m

G——流體的容積流量，m3/s

Hm(Ri)——關(guān)聯(lián)系數(shù)熵的最大值

H?(Ri)——關(guān)聯(lián)系數(shù)熵

l——試驗(yàn)管道長(zhǎng)度，m

n——數(shù)列個(gè)數(shù)

q——熱流密度，J/(m2·s)

Rf——污垢熱阻，m2?K/W

St——斯坦頓數(shù)

Tfi——流體在試驗(yàn)管段入口處溫度，K

Tfo——流體在試驗(yàn)管段出口處溫度，K

Ts——污垢與流體間的界面溫度，K

Tw——管壁與污垢間的界面溫度，K

v——流體平均流速，m/s

γ(Xi，X0)——第i個(gè)比較列的關(guān)聯(lián)度

δf——污垢層厚度，m

ξ——分辨系數(shù)

ρ——流體密度，kg/m3

[1]楊善讓，孫靈芳，徐志明.換熱設(shè)備污垢研究的現(xiàn)狀和展望[J].化工進(jìn)展，2004，23（10）：1091-1098.

[2]趙亮，鄒勇，劉義達(dá)，等.溫度對(duì)換熱器析晶污垢形成的影響[J].化工學(xué)報(bào)，2009，60（8）：1938-1943.

[3]葛紅花，位承君，龔曉明，等.電磁處理對(duì)水溶液中碳酸鈣微粒沉降及附著性能的影響[J].化學(xué)學(xué)報(bào)，2011，69（19）：2313-2318.

[4]劉振法，王延吉，田彩莉，等.聚天冬氨酸與磁場(chǎng)協(xié)同效應(yīng)對(duì)碳酸鈣晶型及阻垢性能的影響[J].化工學(xué)報(bào)，2006，57（10）：2361-2366.

[5]Alimi Fathi，Tlili Mohamed，Gabrielli Claude，et al.Effect of a magnetic water treatment on homogeneous and heterogeneous precipitation of calcium carbonate[J].Water Research，2006，40：1941-1950.

[6]熊蘭，苗雪飛，伍懿美，等.不同處理腔電極結(jié)構(gòu)的高頻電磁阻垢效果對(duì)比[J].化工學(xué)報(bào)，2012，63（10）：3220-3224.

[7]張雪峰，牛永紅.磁處理工業(yè)水技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2011，30（S1）：831-833.

[8]Tai Clifford Y，Chang Meng-Chun，Yeh Shih-Wei.Synergetic effects of temperature and magnetic field on the aragonite and calcite growth[J].Chemical Engineering Science，2011，66：1246-1253.

[9]Chang Meng-Chun，Ta Clifford Y.Effect of the magnetic field on the growth rate of aragonite and the precipitation of CaCO3[J].Chemical Engineering Journal，2010，164：1-9.

[10]王建國(guó)，張學(xué)孟，馮研.高頻電磁場(chǎng)抑垢效果的實(shí)驗(yàn)研究[J].化工自動(dòng)化及儀表，2010，37（12）：83-85.

[11]徐志明，黃興，郭進(jìn)生，等.冷卻水水質(zhì)參數(shù)對(duì)板式換熱器污垢特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2011，32（4）：645-647.

[12]張仲彬，李煜，杜祥云，等.水質(zhì)對(duì)板式換熱器結(jié)垢的影響權(quán)重及其機(jī)制分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（32）：69-74.

[13]徐志明，郭進(jìn)生，黃興，等.水質(zhì)參數(shù)與板式換熱器結(jié)垢的關(guān)聯(lián)[J].化工學(xué)報(bào)，2011，62（2）：344-347.

[14]趙波，楊善讓，劉范，等.冷卻水污垢熱阻預(yù)測(cè)的支持向量機(jī)法動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（11）：92-97.

[15]張岐山，鄧聚龍，邵勇.均衡接近度灰關(guān)聯(lián)分析方法[J].華中理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，23（11）：94-98.

[16]Hsieh Wen-Fang，Wen Kun-Li.A New Approach of Grey Decision-Making[J].Journal of Grey System，2009，2（12）：77-82.

[17]王輝，姜秀民，劉建國(guó)，等.石英砂流化床床料的磨損實(shí)驗(yàn)與灰色關(guān)聯(lián)分析[J].化工學(xué)報(bào)，2006，57（5）：1133-1137.

[18]王建國(guó)，何芳，邸昊.電磁抑垢實(shí)驗(yàn)中磁場(chǎng)作用與電導(dǎo)率及pH值的關(guān)聯(lián)分析[J].化工學(xué)報(bào)，2012，63（5）：1468-1473.