王建國，李雨通，鄧麗娟

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纏繞式變頻電磁水處理器電磁頻率對抑垢效果的影響

王建國，李雨通，鄧麗娟

（東北電力大學自動化工程學院，吉林省吉林市132012）

針對纏繞式變頻電磁水處理系統(tǒng)，利用ANSYS仿真軟件對處理腔內(nèi)水溶液的磁感應強度和感生電流進行分析，探究水體內(nèi)磁感應強度以及感生電流做功與激勵信號頻率的內(nèi)在關(guān)系，并利用電磁抑垢效果在線評價實驗臺，通過改變纏繞式處理腔中電磁場的頻率大小分析其對特定硬水循環(huán)換熱實驗管道抑垢效果的影響規(guī)律，進而尋求理想的抑垢頻率。實驗結(jié)果表明，電磁頻率在分界頻率附近時水處理系統(tǒng)能到達較長的污垢誘導期以及較好的抑垢率，抑垢效果最佳。

纏繞式處理腔；頻率；磁感應強度；感生電流；抑垢效果；對流；傳熱；數(shù)值分析

引 言

電力、鋼鐵、冶金等工業(yè)領域大型設備的正常運行都離不開循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。碳酸鈣垢是水冷應用中最常見的一種垢型，由于污垢的熱阻相對較大，換熱面結(jié)垢通常會降低其換熱效率，同時流通面積的減小會增加泵耗。結(jié)垢也會增加補水、排污水以及清理換熱面的費用，嚴重時會造成爆管等事故[1]。相對于傳統(tǒng)的化學除垢抑垢方法，電磁抑垢法以其操作簡單、綠色環(huán)保、價格低廉等優(yōu)點廣泛應用于工業(yè)和生活水冷系統(tǒng)[2-6]。但是考慮到實驗條件的限制以及水體的多樣性，國內(nèi)外所報道的研究成果存在差異性[7-12]。針對纏繞式變頻水處理系統(tǒng)的研究往往是在特定水質(zhì)參數(shù)和實驗工況下進行，所以得到的結(jié)論也不盡相同。姜德寧等[13]對不同硬度的溶液樣本經(jīng)過處理后，認為所加激磁電壓幅值越高阻垢效果越好，當磁感應強度達到0.9 mT時結(jié)垢量最??；金貞花等[14]對硬度在300 mg·L-1的硬水溶液施加交變電信號進行處理，認為激磁線圈內(nèi)的電流越大阻垢效果越顯著；陳璨等[15]認為頻率為1.2 kHz左右時抑垢效果最好。而邢曉凱等[16]在自行設計的實驗條件下，認為激磁頻率為700 Hz時抗垢效果最佳；費繼友等[17]還有些學者通過自制的掃頻裝置，認為掃頻可以對不同水質(zhì)達到一定的抑垢效果。

本研究針對電磁能量分布比較均勻[18]的纏繞式處理腔，從腔體水溶液內(nèi)感生電流做功值和磁感應強度兩個方面開展研究，根據(jù)實驗臺實際條件繞制合理的線圈匝數(shù)，在自主研制的電磁抑垢效果在線評價系統(tǒng)的基礎上得出不同頻率下特定硬水循環(huán)流經(jīng)換熱實驗管道時的抑垢效果及其變化規(guī)律，進而對纏繞式變頻電磁水處理技術(shù)的發(fā)展起到指導性作用。

1 纏繞式變頻電磁水處理系統(tǒng)電磁場分析

由于污垢的形成受到很多未知因素的影響，目前變頻電磁水處理的原理尚不明確，磁抑垢機理一直存在爭議[19]，公認度比較高的有“洛倫茲力理論”[20]、“氫鍵斷裂理論”[20]、“磁滯效應理論”[21]、“極化作用理論”[22]等。綜合這些理論，可以將纏繞式變頻電磁水處理工作的主要原理概括為：電磁信號發(fā)生裝置對緊密纏繞在輸水管上的線圈施加一定頻率和幅值的方波電壓，從而使線圈內(nèi)部產(chǎn)生與水流方向大致平行的交變磁場，交變磁場會在水體內(nèi)部感生出與線圈纏繞方向平行的感生電場，輸水管道內(nèi)的水體在交變磁場和電場的作用下內(nèi)部離子和分子的物理化學性質(zhì)發(fā)生某些改變，進而影響晶核的形成以及沉淀顆粒的生長，從而達到抑垢的效果。但是，在抑垢除垢的過程中感生電場和感生磁場的哪一個起到關(guān)鍵作用并無定論。韓勇等[23]認為感生電場對水體做功越多抑垢效果越好；而金貞花等[14]認為激磁線圈內(nèi)的電流越大，磁感應強度越大，阻垢效果越顯著。本研究利用ANSYS有限元軟件探究感生電流做功值和磁感應強度大小與激勵線圈結(jié)構(gòu)和信號頻率的內(nèi)在關(guān)系，實現(xiàn)最優(yōu)抑垢效果的分析。

ANSYS有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機設計程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁及碰撞等問題[24]。本研究基于纏繞式變頻電磁水處理系統(tǒng)的物理模型，利用ANSYS軟件的PLANE53、CIRCU124、POST1和POST26等單元對處理腔進行2D瞬態(tài)電磁仿真分析。選取10 mmol·L-1碳酸鈣過飽和溶液進行模型仿真，溶液pH為9.0，電導率為2.400×103μS·cm-1，溫度為27℃。激磁線圈為單層密繞的螺線管，線圈材料為漆包銅線，銅線的電阻率在外界溫度25℃時為1.7×10-8Ω·m，銅線直徑為2 mm，匝數(shù)為50。輸水管道采用PVC材料，壁厚2.5 mm，內(nèi)徑為10 mm，管長0.25m。纏繞式變頻電磁水處理器2D模型如圖1所示，2D仿真模型如圖2所示。

圖1 纏繞式變頻電磁水處理器2D模型

圖2 纏繞式變頻電磁水處理器2D仿真模型

1.1 電磁頻率對水處理系統(tǒng)內(nèi)感生電流的影響

由于纏繞式變頻電磁水處理系統(tǒng)水體內(nèi)的感生電流方向與激勵線圈內(nèi)電流方向平行，也呈環(huán)狀分布，水體感生電流密度分布如圖3所示，藍色部位為感生電流分布，粉色部位為激勵線圈。

圖3 水體感生電流密度分布

可以將處理腔內(nèi)溶液等效為與激勵線圈同軸的單匝線圈進行處理，并達到很好的精度[23]。經(jīng)ANSYS對所建模型的仿真，如圖4線圈電流信號波形和圖5感生電流信號波形，可知兩種信號都呈周期性指數(shù)變化。

圖4 線圈電流信號波形

圖5 感生電流信號波形

可根據(jù)線圈互感的電路方程推導出水體內(nèi)感生電流的數(shù)學表達式[式(1)、式(2)]以及感生電流做功的計算公式[式(3)]。

(1)

(2)

式中，1、2分別為激勵線圈電感、水體電感， H；1、2分別為激勵線圈電阻水體電阻，Ω；為處理腔內(nèi)水容積與循環(huán)水總體積的比值；0為實驗周期，s；為激勵線圈的電壓幅值，V。

根據(jù)做功公式[式(3)]可知，當參數(shù)以及激勵線圈結(jié)構(gòu)一定時，感生電流做功量只與激勵電壓以及激勵信號頻率有關(guān)，當信號頻率確定時做功量隨激勵信號電壓幅值增大而增大。

當激勵線圈電壓幅值為1 V時，取參量為 1×10-12，線圈參量11的比值為0.667 ms，代入式(3)，觀察電磁頻率對感生電流做功量的影響曲線，如圖6所示?？梢钥闯觯敿铍妷悍岛腿芤簠?shù)以及激勵線圈結(jié)構(gòu)一定時，感生電流做功量只取決于激勵信號頻率的大小，當頻率在0～525 Hz附近時做功值隨頻率增加迅速增大，而當頻率大于525 Hz后做功值增長很不明顯。

圖6 電磁頻率對感生電流做功的影響

通過以上的討論可知，一味地增大激磁信號頻率并不能很明顯地增加做功量，雖然通過式(3)的函數(shù)表達式可以證明是關(guān)于的單調(diào)遞增函數(shù)，但是當高于某一個分界頻率值時，隨著頻率的繼續(xù)增大，的變化卻很緩慢，并且當趨近無窮大時收斂于某一個值。

由于式(3)很復雜，直接通過數(shù)學推導很難找到分界頻率與線圈時間常數(shù)的函數(shù)關(guān)系，所以選取幾組不同的值，找到其對應的分界頻率點進行擬合，找到對應的函數(shù)關(guān)系，擬合曲線如圖7所示。通過圖7可以知道臨界頻率0是關(guān)于的反比例函數(shù)，比例系數(shù)為0.35，所以0僅由決定，即激勵線圈是由電阻和電感決定。由于纏繞式變頻電磁水處理器結(jié)構(gòu)參數(shù)的限制，分界頻率值往往處于低頻段內(nèi)，所以纏繞式變頻電磁水處理更適合在低頻段工作。因為過高的頻率不僅不會使有顯著的提升，而且還會使纏繞式變頻電磁水處理系統(tǒng)設計復雜化，特別是造成線圈嚴重發(fā)熱以及電磁輻射等弊端，提高系統(tǒng)的造價，影響系統(tǒng)電路的精確度。

圖7 線圈時間常數(shù)與臨界頻率的關(guān)系

之所以會出現(xiàn)分界頻率，是由于溶液中的離子分布可以看作是由若干個離子氛組成的，當離子氛的電平衡遭到破壞，中心離子要從先前的離子氛中移出時，就會對離子溶液造成大的擾動作用。而纏繞式變頻電磁水處理裝置工作時，其產(chǎn)生的交變電場作用于碳酸鈣水溶液，當電磁頻率較低時離子氛的中心離子可以從離子氛中移出，致使大范圍的帶電離子重新排列，隨著頻率的增加離子氛的中心離子能夠更快速地從離子氛中移出，而當頻率高至迫使中心離子恰好移出其離子氛時對溶液的擾動可以達到最理想的效果，但是隨著頻率的繼續(xù)增加，將會導致有些離子氛的中心離子只能在其離子氛內(nèi)做往返運動，擾動作用不會明顯提升。所以確實會存在一個分界頻率對溶液的做功值影響最明顯，擾動作用也最強。

1.2 電磁頻率對水處理系統(tǒng)內(nèi)磁感應強度的影響

不同線圈匝數(shù)條件下，改變激勵信號頻率，觀察水體中心磁感應強度的大小，可以得到表1。由表可知，在激勵信號電壓幅值和線圈匝數(shù)不變的前提下，水體中心磁感應強度隨激勵信號頻率的增大也呈現(xiàn)遞減趨勢。

表1 水體中心磁感應強度與線圈匝數(shù)以及信號頻率的關(guān)系

磁感應強度計算公式為

式中，為磁感應強度，Gs；為磁場強度，A·m-1；為線圈匝數(shù)；為電流，A；e為有效磁路長度，m；為磁導率，H·m-1。

由式(5)和式(6)可知，在線圈的激勵電壓幅值一定時磁感應強度的大小與線圈內(nèi)有效電流直接相關(guān)，然而有效電流由線圈阻抗決定，當線圈匝數(shù)一定時，信號頻率增大，阻抗會大幅度增大，所以會使磁感應強度減小。

2 實 驗

2.1 實驗系統(tǒng)

電磁抑垢效果在線評價實驗平臺結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 電磁抑垢效果在線評價實驗臺

1—water cooling system; 2—air cooling system; 3—water tank; 4—circulating water pump; 5—drainage system; 6—pipeline of A side; 7—pipeline of B side; 8—spiral winding processing chamber; 9—electromagnetic signal generator; 10—thermostatic water bath; 11—U-shaped tubes; 12—water quality parameters on-line instrumentation; 13—inlet temperature of two pipes; 14—outlet temperature of two pipes; 15—wall temperature of two pipes; 16—bath temperature

實驗系統(tǒng)采用雙路對比的實驗方法，研究相同水質(zhì)、相同工況、加電磁處理和不加電磁處理的污垢熱阻及水質(zhì)參數(shù)變換特性。主要由工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)、冷卻循環(huán)系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)和變頻電磁水處理裝置4部分組成。工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)由恒溫水浴箱、工質(zhì)循環(huán)管道組成。恒溫水浴箱底部安裝有加熱器，用來保持箱內(nèi)水溫恒定至設定溫度。通過變頻器控制循環(huán)水泵，獲得實驗需要的流速，同時方便進行不同流速的實驗。冷卻循環(huán)系統(tǒng)由空冷系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)組成。在水冷系統(tǒng)工作的基礎上，空冷系統(tǒng)通過PID智能溫度控制器和變頻器控制風冷冷卻器的風機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風量大小，從而控制循環(huán)工質(zhì)的入口溫度，使入口溫度保持恒定。信號采集系統(tǒng)由工控機、智能控制模擬量前端、水質(zhì)參數(shù)在線儀表及DS18B20測溫元件組成。變頻電磁水處理裝置由變頻電磁信號發(fā)生器和纏繞式電磁處理腔組成。變頻信號發(fā)生器產(chǎn)生可變頻率的大功率方波信號，通過纏繞電極式處理腔作用于流過的工質(zhì)，從而達到抑垢效果。

2.2 污垢熱阻監(jiān)測及抑垢率計算

基于污垢熱阻在線監(jiān)測技術(shù)評價電磁場的抑垢效果。

污垢熱阻[25]的定義如下

式中，f為污垢熱阻，m2·K·W-1；wf1wf2wf3為3個測點的壁溫，即管壁與污垢間的界面實測溫度，℃；s為污垢與流體的界面溫度，℃；為熱通量，W·m-2。

s可通過式(8)求得

式中，fo、fi分別為實驗管段出、入口處溫度，℃；為實驗管道長度，m；為實驗管道內(nèi)徑，m；為Stanton數(shù)。

式中，c為介質(zhì)比熱容，J·kg·K-1；為介質(zhì)密度，kg·m-3。

綜合以上分析可知，只要測出工藝流體在研究管段的出入口溫度、流速和管壁溫度，利用上述關(guān)系就可以得到污垢熱阻。相應地，電磁場的抑垢率據(jù)化工行業(yè)標準得到[26]。

抑垢率公式如下

2.3 實驗條件

根據(jù)實驗臺現(xiàn)有條件，參考有關(guān)文獻對磁記憶時間的描述，初步設定處理腔長度為25 cm。結(jié)合線圈匝數(shù)和信號頻率對水體感生電流做功以及磁感應強度的影響，本應選擇大線徑多匝的纏繞方式，但是考慮到線圈過流發(fā)熱，在保證磁感應強度和感生電流盡量大的前提下，本實驗采用細線徑多匝的方案進行實驗研究。實驗介質(zhì)為去離子水與無水Na2CO3、CaCl2按摩爾比1:1配制的溶液，鈣硬度為1000mg·L-1。

實驗中，下水箱的循環(huán)介質(zhì)溫度控制在27℃，循環(huán)介質(zhì)的流速設置為0.4m·s-1，恒溫水浴溫度控制在50℃。將銅質(zhì)漆包線纏繞在加磁管道B管入口管段，呈螺旋管狀，線圈兩端接上自制變頻電磁裝置，實驗中裝置輸出波形為方波信號，輸出電流和頻率大小根據(jù)具體實驗進行調(diào)整。實驗周期為7～10 d，在線監(jiān)測平臺每分鐘自動采集1次實驗參數(shù)，在線自動計算污垢熱阻并將數(shù)據(jù)存盤。

3 頻率對抑垢效果影響的實驗結(jié)果與分析

基于電磁場頻率對水處理系統(tǒng)的感生電流做功以及磁感應強度的影響，通過對線圈的電阻和電感的測量，計算感生電流做功的分界頻率為1.108 kHz。所以，基于電磁抑垢效果在線評價技術(shù)，在保證線圈所加交變方波電壓峰值不變的條件下，調(diào)節(jié)信號發(fā)生裝置的信號頻率在0～10 kHz范圍內(nèi)以0.5 kHz的步長遞增，使水處理系統(tǒng)在不同頻率下工作，進而得到不同頻率電磁場條件下的污垢熱阻變化曲線，如圖9所示。一方面，通過曲線的變化可以觀察不同頻率電磁場條件下污垢誘導期（污垢誘導期指的是從溶液與表面接觸的時刻起到檢測到析晶沉積物的這段時間），來間接反映電磁頻率對污垢形成的抑制作用；另一方面也可以通過實驗數(shù)據(jù)計算不同頻率電磁場條件下抑垢率的變化，如圖10所示，直觀地反映了電磁頻率對污垢形成的影響。

圖9 不同頻率電磁場對污垢熱阻的影響

圖10 不同頻率電磁場作用下的抑垢率

污垢誘導期越長，說明模擬換熱器表面生成的垢越少，加磁處理具有一定的抑垢效果。從圖9不同頻率電磁場條件下的污垢熱阻變化曲線可以觀察到頻率為1 kHz以及0.5 kHz下加磁處理后換熱器表面污垢的誘導期到實驗結(jié)束時還未結(jié)束，頻率為5 kHz和10 kHz下加磁處理后換熱器表面污垢誘導期分別為40 h和60 h左右。從以上污垢誘導期的長短可以看出，加磁處理下的污垢誘導期比未加磁處理長，在頻率為1 kHz、0.5 kHz加磁處理下的污垢誘導期較其他頻率下長。大量的實驗研究證明，在1.108 kHz分界頻率附近的頻率點所得的模擬換熱器表面的污垢誘導期都在100 h以上，抑垢效果最明顯，證明了當電磁頻率在分界頻率附近時抑垢效果最明顯的理論。

從圖10不同頻率電磁場作用下的抑垢率曲線可以直觀地觀察到，1 kHz處的抑垢率最大，可達到90%左右，抑垢效果最好，也說明了當電磁頻率在分界頻率附近時抑垢效果最明顯。

4 結(jié) 論

（1）利用ANSYS仿真軟件對纏繞式變頻電磁水處理建立2D模型，并利用電路模型等效，計算出感生電流做功的表達式。當激勵信號電壓幅值一定時，處理腔內(nèi)感應電流做功的大小與激勵信號頻率有關(guān)，并存在一個分界頻率，當激勵頻率在分界頻率以下時感應電流做功隨頻率的增大做功值大幅增加，在分界頻率以上感應電流做功變化甚微，此分界頻率大小在左右。

（2）由ANSYS仿真結(jié)果可知，纏繞式變頻電磁水處理器的線圈匝數(shù)一定時，處理腔中心磁感應強度隨激勵信號的頻率增加，磁感應強度呈現(xiàn)遞減趨勢，所以頻率在低頻段更適合，保持在20 kHz之內(nèi)為優(yōu)。

（3）本實驗工況下，分界頻率為1.108 kHz，當保證激勵信號電壓幅值一定時，改變激勵信號頻率在0～10 kHz內(nèi)變化，動態(tài)實驗結(jié)果表明，在分界電磁頻率附近頻率點1 kHz時，模擬換熱面的污垢誘導期長達100 h，抑垢率也在90%左右，電磁抑垢效果理想，說明纏繞式變頻電磁水處理器在分界頻率附近工作時能達到較好的抑垢效果。

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Influence of electromagnetic frequency on scale inhibition for spiral winding variable frequencyelectromagnetic water processor

WANG Jianguo, LI Yutong, DENG Lijuan

School of Automation EngineeringNortheast Dianli UniversityJilinJilinChina

For the spiral winding variable frequency electromagnetic water processor, magnetic induction intensity of water in processing cavity and induced current were analyzed with ANSYS simulation software. The inner relationship of magnetic induction intensity and induced current work with excitation signal frequency was studied. Using an online evaluation test bench for electromagnetic scale inhibition, the influence of spiral winding processing cavity frequency on scale inhibition of hard water circulation heat transfer experiment pipe was observed, and the ideal scale inhibition frequency was determined. Under this experimental condition, the frequency near the line frequency had longer scale induction period and stronger scale inhibition effect, and anti-scaling efficiency was the best.

spiral windingprocessing cavity; frequency; magnetic induction intensity; induced current; anti-scaling effect; convection; heat transfer; numerical analysis

2014-09-16.

LI Yutong, 302533570@qq.com

10.11949/j.issn.0438-1157.20141385

TQ 085

A

0438—1157（2015）03—0972—07

國家自然科學基金項目（51176028）；吉林省重點科技 攻關(guān)項目(20140204006SF）。

2014-09-16收到初稿，2014-11-28收到修改稿。

聯(lián)系人：李雨通。第一作者：王建國（1963—），男，教授。

supported by the National Natural Science Foundation of China (51176028) and the Key Scientific and Technological Project of Jilin Province of China (20140204006SF).