电磁场作用下循环水典型水质参数与换热器污垢热阻的关联分析

王建国，李 松，辛红伟，李红延

（东北电力大学，吉林 吉林 132012）

工业生产过程中，循环冷却水换热面结垢现象对换热设备的影响和危害极大，同时也引起一系列的技术与经济问题[1-2]。变频电磁抑垢技术以其应用方便、投资小、运行费用低、无污染等优点备受业内人士瞩目[3]。近年来，电磁水处理技术得到了蓬勃的发展，应用研究逐步拓宽，经证实磁处理对水的许多物理、化学性质均有影响，最终将会直接影响污垢的沉积过程[4-7]。但是目前研究大多集中于分析各种影响污垢形成的因素作用下电磁场的处理效果[8-9]，而对在电磁场作用下换热器结垢过程中各水质参数的重要性至今还没有定论。本文作者基于水处理技术阻垢及缓蚀性能在线评价实验台，模拟工业运行环境，对换热器表面碳酸钙污垢进行在线监测，并在实验过程中，对水质参数的变化进行分析，以均衡接近度灰关联分析方法分析在电磁场作用下pH值、溶解氧、电导率及浊度与污垢热阻之间的关联特性。

1 实验部分

1.1 动态模拟实验系统

水处理技术抑垢及缓蚀效果在线监测实验台由循环水系统、恒温水浴控制系统、空冷控制系统和在线监测系统四部分所组成，整体结构如图1所示。循环水系统为双管路循环系统，实验管道分别为未加磁对比管道A 管和加磁管道B 管，以进行对比实验；恒温水浴控制系统保持水箱温度恒定在设定值；空冷控制系统保持循环工质入口温度恒定；在线监测系统利用Pt100 热电阻，采集温度信号，通过智能控制模拟量前端传入工控机，计算出污垢热阻值。

1.2 实验条件

实验介质为无水Na2CO3、CaCl2按物质的量比1∶1 配置为1000 mg/L的CaCO3水溶液。壁薄的不锈钢管中循环介质温度为29℃，以0.4 m/s的流速流经50℃恒温水域，通过获取温度提升而在管内壁生成污垢。B 管入口处管段缠绕多芯绝缘铜导线，成螺旋管状，并将其两端加上输出为方波信号、电流为3 A的变频电磁装置[10]，相应A 管做未加磁对比实验。实验周期一般为5～7 天。实验过程中每分钟自动采集一次模拟换热器表面的污垢热阻值，每3 h 采集一次循环冷却水的电导率、pH值、溶解氧及浊度。水质参数的测定方法符合GB/T 6903—2005 标准，其中pH值、电导率、溶解氧采用5S水质分析仪测定，浊度采用GD0011S 浊度分析仪测定。

1.3 测量原理

由污垢热阻在线检测模型可知，污垢热阻由式（1）计算。

式中，Tw为管壁与污垢间的界面温度，可直接测量；Ts为污垢与流体间的界面温度；q为热流密度。

污垢与流体间的界面温度Ts[10]由式（2）得到。

式中，Tfo为流体在试验管段出口处温度；Tfi为流体在试验管段入口处温度；l为试验管道长度；d为试验管道内径；St为斯坦顿数。

图1 水处理技术阻垢缓蚀性能在线评价实验台

热流密度q由式（3）得到。

式中，G为流体的容积流量；Cp为流体比热容；ρ为流体密度；δf为污垢层厚度，比d小很多，本文计算中可忽略不计。

流体的容积流量G由式（4）得到

式中，v为流体平均流速。

通过测量流体在试验管段的出入口温度及管壁温度即可以确定对应的污垢热阻。

2 实验结果与分析

根据定性分析，对换热器结垢影响较大的水质参数有：硬度、pH值、溶解氧、电导率、氧化还原电位、浊度、碱度、氯离子等[11-13]。根据对比不同频率下电磁抑垢效果及水质参数变化情况，本研究择要分析了pH值、溶解氧、电导率、浊度4个典型水质参数在电磁场的作用下与污垢热阻的关联特性。基于水处理技术阻垢及缓蚀性能在线评价实验在5 kHz 电磁场作用时测得的水质参数和污垢热阻作为原始数据进行分析。

2.1 污垢特性比较

实验所得的污垢热阻值与时间的变化曲线如图2所示。从图中可以看到，经电磁处理的不锈钢管管壁的结垢速度比较慢，在运行110 h 左右时才逐渐达到稳定，而未经电磁处理的不锈钢管管壁的结垢速度较快，在80 h 左右时就已经稳定，并且未经电磁处理的污垢热阻渐近值高于经电磁处理的污垢热阻渐进值，说明电磁场作用下，污垢不易沉积到换热管管壁，进而达到抑垢的目的。在电磁场的这种作用下，循环水的水质参数也会发生相应的变化。

图2 污垢特性对比

图3 电导率随时间变化

2.2 电导率

电导率能够表示水溶液传导电流的能力，可间接反映水中离子的总浓度或溶解盐含量的变化。图3为电导率随时间变化的曲线，图中显示经电磁场处理的循环水的电导率要明显高于未经电磁处理的，说明经电磁处理的不锈钢管内循环水的含盐量要更高，而在换热管管壁沉淀成污垢的盐分相对较少。另一方面，电磁场能够破坏水中原有的结构，使较大的缔合水分子团变为较小的缔合水分子团甚至是单个的水分子，其能量较高，水分子的活性得到增强，溶解性也进一步提高，可使碳酸钙溶解度增大，从而增大了溶液的导电性。

2.3 pH值

pH值是监控水的腐蚀性与结垢倾向的指标，当pH 在7.0～9.2 范围内时最合适，当pH值小于6.5以下时易腐蚀。图4为pH值随时间变化的曲线，图中显示经电磁处理的循环水的pH值要略高于未经电磁处理的溶液的pH值，但pH值相差不大。说明电磁场对循环水的pH值影响甚微。

2.4 溶解氧

图4 pH值随时间变化

图5 溶解氧随时间变化

工业循环水中一些金属的腐蚀与水中含氧量有着密切的关系。在腐蚀着的金属表面，溶解氧起到阴极去极化剂的作用，能促使金属腐蚀。而在某种情况下，它又起到氧化性钝化剂的作用，能使金属钝化并且抑制腐蚀。图5为溶解氧随时间变化的曲线，图中显示经电磁处理的循环水的溶解氧要略高于未经电磁处理的溶解氧。这种现象同样是由于电磁场破坏了水中原有的结构，较大的缔合水分子团变成较小的缔合水分子团甚至是单个的水分子，水分子的活性增大，对氧的饱和溶解度进一步增大。

2.5 浊度

浊度是指水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度。本实验循环水中的悬浮物主要为碳酸钙垢。悬浮物容易在循环水的流速较低时将引起换热器的表面生成疏松的沉积物而引起垢下腐蚀；在循环水的流速较高时将引起硬度低的换热面的磨损腐蚀[14]。图6为浊度随时间变化曲线。图中显示经电磁处理的循环水的浊度要高于未经电磁处理的。随着传热、流动过程的进行，碳酸钙垢逐渐在换热面析出，而经电磁处理的循环水浊度高，说明电磁处理的不锈钢管内循环水中悬浮着的碳酸钙较多，而在换热管管壁成垢较少。

图6 浊度随时间变化

3 均衡接近度灰关联分析

为分析在电磁场作用下，水质参数变化对污垢热阻的影响，本实验利用均衡接近度灰关联分析方法以5 kHz 电磁场作用下与未加磁对比实验测得的数据为原始数据分析电导率、pH值、浊度、溶解氧4个典型水质参数与污垢热阻的关联特性。该方法是将传统灰关联度与均衡度相结合，减少了传统灰关联分析方法中局部点的关联倾向，能够对各影响因素与目标参数间“不确定性”、“多变量输入”及“数据的不完整性”进行有效地处理，通过各影响因素和目标参数的曲线几何形状的相似程度和变化趋势判断其联系是否密切，得出量化结果，实现各影响因素和目标参数的关联分析[15]。

首先将各数列量纲为1[16]，求得灰关联因子集。设x为灰关联因子集，Xo∈x为参考列，X1∈x为比较列，i∈I={1,2,···,m}，Xo={x0(k)k∈K}，Xi={xi(k)k∈K}，K={1,2,···,n}，

由式（6）得到关联系数分布映射Pi如式（8）。

式中，k=1,2,⋅⋅⋅,n，pi∈Pi。则第i个比较列与参考列的关联系数熵H⊗(Ri)可由式（9）得到。

由关联系数熵函数的上凸性和极值性可知关联系数熵必有极大值，则关联系数熵的最大值Hm(Ri)如式（10）。

式中，n为数列个数。比较列与参考列的均衡度B(Ri)由式（11）可得。

结合式（7）和式（11）得到比较序列与参考列的均衡接近度Ba(Xi,X0)如式（12）。

通过均衡接近度Ba(Xi,X0)分析比较列与参考列的关联，主要关心的是均衡接近度大小的次序，而不完全是其在数值上的大小。均衡接近度越大，比较列与参考列的关联越强。

4 结果与讨论

4.1 计算关联度

基于水处理技术阻垢及缓蚀性能在线评价实验台，在频率5 kHz 电磁场作用下，测得污垢热阻值及循环水电导率、pH值、浊度、溶解氧作为原始数据。设定污垢热阻值为参考列X0，循环水电导率、pH值、浊度、溶解氧为比较序列X1、X2、X3、X4。在计算关联系数之前用区间值化法求得灰关联因子集。通过式（6）、式（7）求得在电磁场作用下水质参数与污垢热阻的关联度，如表1所示。

4.2 计算均衡接近度

根据式（8）～式（11）求得不同磁场处理下水质参数与污垢热阻的关联系数熵和均衡度，如表2、表3所示。

结合表1 与表3，可算得比较列pH值、溶解氧、电导率、浊度与参考列污垢热阻的均衡接近度，如表4所示。

表1 水质参数与污垢热阻之间的关联度

表2 水质参数与污垢热阻的关联系数熵

表3 水质参数与污垢热阻的均衡度

表4 水质参数与污垢热阻的均衡接近度

4.3 确定关联序

无论循环水是否经电磁场处理，特定循环水的水质参数与污垢热阻的均衡接近度排序均为：Ba(X0,X1)＞Ba(X0,X3)＞Ba(X0,X4)＞Ba(X0,X2)。故循环水典型水质参数与污垢热阻关联序为：电导率、浊度、溶解氧、pH值。

5 结论

（1）在5 kHz 磁场作用下，不锈钢管管壁的结垢速度要比未加磁的慢，且污垢热阻渐近值比未加磁对比实验的要低。

（2）在电磁场作用下换热器结垢过程中循环水典型水质参数的变化如下：电导率、溶解氧及浊度较未加磁对比实验的高；pH值较未加磁对比实验的变化甚微。

（3）特定循环水的水质参数对污垢影响明显且彼此相关联，其关联序为：电导率、浊度、溶解氧、pH值。证明了电磁场作用下，污垢热阻主要受到电导率、浊度和溶解氧的影响，电导率相比浊度、溶解氧与污垢热阻的关联更密切，而pH值的均衡接近度小于这3个水质参数，关联性并不显著。因此电导率、浊度、溶解氧变化规律是建立电磁场作用下多水质参数与污垢热阻数学模型的重要依据。

符号说明

Ba(Xi，X0)——均衡接近度

Cp——流体比热容，J/(kg·K)

d——试验管道内径，m

G——流体的容积流量，m3/s

Hm(Ri)——关联系数熵的最大值

H⊗(Ri)——关联系数熵

l——试验管道长度，m

n——数列个数

q——热流密度，J/(m2·s)

Rf——污垢热阻，m2·K/W

St——斯坦顿数

Tfi——流体在试验管段入口处温度，K

Tfo——流体在试验管段出口处温度，K

Ts——污垢与流体间的界面温度，K

Tw——管壁与污垢间的界面温度，K

v——流体平均流速，m/s

γ(Xi，X0)——第i个比较列的关联度

δf——污垢层厚度，m

ξ——分辨系数

ρ——流体密度，kg/m3

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