章立新 李鑫 高明 马麟 赵圣仙

（1上海理工大学能源与动力工程学院＆上海市动力工程多相流动与传热重点实验室 上海 200093；2上海安得利给水设备有限公司 上海 200041）

蒸发式冷却（冷凝）器及闭式冷却塔统称为蒸发冷设备，实质是一种间壁式换热器和湿式冷却塔的组合。被冷却热流体在管内流动，喷淋水及空气则在管外流动，两者互不接触，主要通过喷淋水蒸发来增强传热效果，形成一种闭式冷却系统。根据管内被冷却流体有无相变，蒸发冷设备分为蒸发式冷却器和蒸发式冷凝器两大类［1］。其中热流体有相变的称为蒸发式冷凝器，热流体无相变的称为蒸发式冷却器，当热流体为水时，一般也称之为闭式冷却塔。由于蒸发冷设备能够保证热流体的清洁度及较好的冷却效果，在电力、化工、食品等诸多领域具有良好的应用前景［2］。

然而随着循环喷淋水的蒸发，集水盘内喷淋水中的钙、镁等离子浓度越来越高，水中的溶解盐类在循环过程中浓缩而析出CaCO3等难溶性盐，从而使得90%的此类设备换热器外表面发生水垢危害［3］。污垢是热的不良导体，主要成分为碳酸钙、硫酸钙、硅等。污垢导热系数较小（铜的导热系数约为401 W/（m·K），碳酸钙导热系数约为0.8 W/（m·K）），即使一层很薄的污垢覆盖在换热器表面都会大大降低其换热性能［4］。

电子除垢仪是一种电磁式的水处理设备，种类繁多。本文主要通过搭建对比实验台，模拟实际蒸发冷设备的运行工况，对比高频电子除垢仪和感应式电子除垢仪对蒸发冷设备管外污垢热阻的影响。

1 除垢仪工作原理

1.1 高频电子除垢仪工作原理

图1所示为高频电子除垢仪工作原理。主要包括高频发生器和水处理器两部分。除垢仪工作时，在高频发生器中，电子电路产生高频电磁震荡。当发生器与水处理器相连后，在水处理器中的两固定电极间将感应出随时间周期性变化的等量异号电荷。由于两极上电荷随时间变化，所激发的电场也将随时间变化。根据麦克斯韦电磁理论，随时间变化的电场将在空间激发出随时间变化的磁场，而随时间变化的磁场又激发出随时间变化的电场［5］。由于电场、磁场不断地相互激发，在水处理器间将形成具有一定强度的高频交变电磁场。水及溶解盐中的正负离子通过高频交变电磁场，并在流动中获得能量，使流过处理器的水得到处理［6］。

图1 高频电子除垢仪工作原理Fig.1 The working pinciple of high-frequency electronic descaling device

正常情况下，水分子都不是单个存在的，它们是以氢键的形式结合成一个个的水分子团［7-8］。而处理过的循环水中，水分子之间键合断裂，增加了水对结垢物质的溶解程度［9］，水垢析出受阻，达到防垢目的。此外小水分子的数量增多，水分子的活动更自由，使水的黏滞力降低、溶解度提高、渗透性增强，促使水更容易渗透到老垢的微细间隙中，从而剥落老垢。不仅如此，在交变磁场中，水中的水合离子受洛伦兹力作用做螺旋式圆周运动，且正、负离子的旋转方向相反，当正负离子做相反方向旋转时也会将连接在他们之间的氢键扭断，使水的结构发生变化，从而改变水的理化性质。

1.2 感应式电子除垢仪工作原理

图2所示为感应式电子除垢仪工作原理。感应式电子除垢仪也称缠绕式电脉冲水处理器，主要通过电脉冲发生装置对缠绕在输水管上的激磁线圈施加一定频率及一定输出功率的脉冲电压，使线圈内部产生交变磁场，磁场方向与水流方向平行。根据法拉第电磁感应定律［10］，交变的磁场又会在水管内部感生出与激磁线圈内部电流方向平行的感生电场。与高频电子除垢仪不同的是，感应式电子除垢仪水处理系统中，水管中的硬水主要受交变电场的影响。因水流方向与交变磁场方向相同，且交变磁场强度较小，交变磁场对硬水的影响可以忽略［11］。水管中的硬水受到交变电场的作用，内部各种离子及分子的物理化学性质发生改变，并进一步影响固相物沉淀过程中晶核的形成以及沉淀颗粒的生长，从而起到除垢、阻垢的效果［12］。

图2 感应式电子除垢仪工作原理Fig.2 The working principle of induction-type electronic descaling device

2 实验系统与原理

2.1 实验系统

蒸发冷设备喷淋系统电子除垢对比实验台如图3所示，主要设备包括模拟蒸发冷实验模块、喷淋水循环泵、除垢仪、浮子流量计、电阻丝加热管热电偶数据采集仪等。模拟蒸发冷实验模块内部被中间隔板等分成对称的两部分，作为感应式电子除垢仪作用下的实验组和高频电子除垢仪作用下的对照组。两组循环水系统独立；进风口独立，但共用风机。蒸发冷实验模块的结构如图4所示。长1.3 m、宽0.5 m、高1.8 m，实验时的淋水密度均为11.1（m3/h）/m2，截面风速约为2 m/s。换热管采用φ19 mm紫铜管，两系统中换热管各两排，每排6根，错排形式布置。各系统相同位置处的铜管内置电阻丝加热管，通过稳压调压器使实验组和对照组的电加热功率一致，均为2 kW。各组实验管外壁上皆均布3根热电偶，热电偶与铜管外壁紧密接触，且与管外的风、水之间采取了绝热措施。实验时取3根热电偶测得温度的平均值，作为铜管外壁温度。

图3 实验系统Fig.3 Experimental system

图4 蒸发冷实验模块结构Fig.4 The structure of evaporative cooling experimental module

高频电子除垢仪为卧式，额定功率为100 W，最大工作压力为1 MPa。感应式电子除垢仪为缠绕式，线圈匝数为40圈，额定功率2.5 W，输出信号为方波电压，输出频率为扫频式，上限200 Hz，下限100 Hz，频率变化步长为5 Hz。

实验时，循环喷淋水由循环喷淋泵从集水池中抽出，经除垢仪、流量控制阀门、浮子流量计到达配水管，再经过蒸发冷实验模块填料冷却、加热管加热的过程，最后回到集水池，形成一个循环，模拟蒸发冷设备的实际运行状态。

因结垢是一个长期的过程，本实验通过人工配制初始硬度为1 000 mg/L（以CaCO3计）的循环水来加快实验过程。

2.2 实验原理

根据能量守恒定律，实验工况稳定后，电加热管加热量Q1等于两侧系统中铜管通过污垢向喷淋水的散热量Q2，即：

式中：K为垢层的总传热系数，W/（m2·K）；A为换热面积（以外表面计），m2；Tb为铜管外壁面温度，K；Ts为喷淋水水膜温度，K。

本文中用换热铜管处的喷淋水温度T0作为水膜定性温度。总传热系数K可由下式计算：

式中：D为铜管外径，m；L为铜管换热有效长度，m；P为电阻丝加热功率，W。

污垢热阻Rf计算式为：

3 测试结果及分析

3.1 污垢热阻测试

由于本实验采用的是电加热取代管内热流体的方式来提供热源，换热铜管内并无流体流动，故在实验数据的分析处理时，不存在管内污垢热阻的影响。实验以1 h为时间步长，记录铜管外壁与喷淋水温度，求取每小时相对应的实验组与对照组污垢热阻。图5所示为整个实验过程中两组污垢热阻的变化趋势。图中散点为由实测数据计算得到的对应实验时间点的污垢热阻，图中粗实线为拟合得到的污垢热阻随时间变化的趋势线。

由图5可知，两类电子除垢仪在实验前期均有一定的除垢效果，但除垢特性各有不同。高频电子除垢仪作用下的污垢热阻变化形式为U形，即先减小后增大。在 67 h时达到最低值，为 3.97×10-4（m2·K）/W。相对于起始阶段的污垢热阻4.83×10-4（m2·K）/W而言，降幅为17.81%。之后污垢热阻一直增大，在130 h时，达到5.14 ×10-4（m2·K）/W。

图5 两组污垢热阻Fig.5 The fouling thermal resistance of two systems

感应式电子除垢仪作用下的污垢热阻变化形式相对而言较为复杂，为波浪形。即在整个实验过程中，出现了多个峰谷值。在13 h时为谷值，3.68×10-4（m2·K）/W；60 h 时为峰值，4.98 ×10-4（m2·K）/W；86 h时又为谷值，4.47 ×10-4（m2·K）/W；106 h时再到峰值，5.05 ×10-4（m2·K）/W；121 h重回谷值，4.63×10-4（m2·K）/W。 之后污垢热阻一直增加，在160 h，达到5.29 ×10-4（m2·K）/W。 相对于起始阶段的污垢热阻而言，多个谷值对应的降幅分别为20.35%、3.25%、-0.22%。

从上述结果中可以看出，两种除垢仪均能增加水的活性，加速污垢的溶解和脱落，从而减小换热管外污垢热阻。而经过长时间的运行，循环水水质逐渐变差，电子除垢仪的除垢能力下降，污垢开始在铜管壁面上积聚，污垢热阻逐渐增大。当管壁结垢加重到一定程度，污垢不易脱落，电子除垢仪主要起阻垢作用。

3.2 污垢微观形态扫描电子显微镜（SEM）分析

实验过程中感应式电子除垢仪作用下的污垢热阻不同于高频电子除垢仪作用下污垢热阻先降后升的变化趋势，而是出现反复下降升高的现象，本文称该现象称为“二次除垢”。为了探寻其原因，本文对两组污垢的微观形态进行了扫描电子显微镜（SEM）分析。

图6所示为两侧污垢样本局部放大图像。图6说明，在高频电子除垢仪作用下，铜管外壁上的污垢晶体结构主要为针棒状的霰石结构，尺寸较小，排列致密。而在感应式电子除垢仪的作用下，污垢晶体结构为散乱块状，接近方解石结构，尺寸较大，排列松散。

图7所示为两组污垢样品横截面视图。由图7可知，感应式电子除垢仪作用下的污垢致密层薄，整体致密性较低，结构松散。而高频电子除垢仪作用下的污垢，致密层较厚，整体致密性较高。

图6 污垢放大20 000倍图像Fig.6 The 20 000 times image of dirt

图7 两组污垢样品横截面视图Fig.7 The cross-sectional view of two sets of dirt samples

对比两实验现象可以发现，出现“二次除垢”现象的原因主要是不同除垢仪作用下所形成的污垢晶型结构尺寸的不同，以及因晶型结构尺寸不同导致的污垢整体致密性的不同。感应式电子除垢仪作用下的方解石状污垢晶型，其尺寸、间隙相对于霰石结构来说较大，但密度、黏度较小，不易附着于换热管壁上［13］。随着时间的积累，在高频电子除垢仪的作用下，污垢的增长以致密层增长为主，而在感应式电子除垢仪的作用下，主要以松散层为主。松散、多孔的垢层增长，使得整体污垢结构更加脆弱，经过交变电场处理过的循环水也更容易渗透到污垢的间隙中，从而剥落污垢，导致感应式电子除垢仪除垢作用点的回归，出现“二次除垢”现象。

另外，对于感应式电子除垢仪作用下的污垢热阻，前期下降上升均较快，这是由于实验前期系统污垢主要是新增的软垢，在除垢仪作用下，能够很快脱落；而之后循环水硬度较高，铜管外壁由于污垢脱落，导致表面粗糙度增大，析晶污垢能够很快增长，导致污垢热阻显著增大。

3.3 除垢仪对循环水质的影响

3.3.1 电导率实验

电导率是循环水水质的一项重要参数，能够反映水中离子的总浓度或溶解盐含量的变化［14］。实验时间步长为1 h，测量记录循环水电导率随时间的变化趋势。图8所示为实验组与对照组系统循环水电导率随时间的变化趋势。

图8 电导率随时间的变化Fig.8 Conductivity varies with time

实验中，循环水电导率的变化主要受两方面影响。一方面是循环水的不断蒸发，导致水中离子、溶解盐浓度增大，电导率值升高。另一方面受系统污垢脱落和溶解的影响。污垢的不断脱落、溶解，导致水中的钙镁离子浓度上升，使循环水的电导率上升。由于实验用循环水为普通自来水，未经任何处理，较为纯净。且实验季节为冬季，循环水水温较低，实验台又处于室内，空气湿度较高，循环水蒸发量较小，所以电导率的变化主要是由于铜管外壁污垢的脱落、溶解引起。

实验时，为了排除实验系统中沉积杂质对实验的影响，在开始记录实验数据前，先让整个实验系统运行1～2 h。由图8可以看出，经过20 h不断循环后，高频电子除垢仪作用下的循环水电导率由起始阶段的506 μS/cm 升高至702 μS/cm，升幅为38.74%；而感应式电子除垢仪作用下的循环水电导率则由464 μS/cm升高至705 μS/cm，升幅为51.94%。分析结果可知，在感应式电子除垢仪作用下，污垢脱落、溶解速度较快。

3.3.2 pH实验

循环水pH也是影响结垢的一个重要因素。有研究表明，对于管内结垢，当循环水pH增大时，结垢速率显著增大［15］。pH实验与电导率实验同时进行，实验条件一致。图9所示为两侧循环水pH随时间的变化趋势。

由于实验在室内进行，实验开始时采用未经处理的普通自来水作为两组循环水，故引起两侧循环水pH变化的因素主要为铜管外壁污垢溶解所致。

铜管外壁污垢成分主要为碳酸钙，在除垢仪的作用下，污垢溶解导致循环水中碳酸根与碳酸氢根离子浓度上升。碳酸根与碳酸氢根经除垢仪处理而增加活性的循环水中发生水解反应，产生氢氧根，导致循环水pH上升。碳酸根与碳酸氢根水解方程式分别为：

图9 pH随时间的变化Fig.9 pH varies with time

图9表明，实验过程中，两侧循环水pH大致相同，均随时间逐渐增大。16 h后基本达到稳定。20 h后感应侧与高频侧pH增幅分别为3.85%与3.47%，增幅较接近。pH的增加从侧面反映了两除垢仪均能增加循环水活性，使铜管外壁污垢脱落、溶解。

3.3.3 硬度实验

硬度是指水中二价及多价金属离子含量的总和。这些离子具有一个共性，即含量偏高可使肥皂失去去污能力、换热设备结垢等。构成天然水硬度的离子主要是Ca2+和Mg2+，其他离子含量很少，在构成水硬度上可以忽略。有研究发现，循环水硬度在小范围变化时，对管内结垢影响较小，但硬度与碱度同时变化时，影响较大［16］。在硬度实验中，循环水采用硬度1 000 mg/L（以CaCO3计）的新水。为防止配制药剂溶解不充分，以及系统杂质带来实验结果的测量误差，实验开始之前系统运行1～2 h，并静置10 h左右。实验进行时，以1 h为时间步长，测量记录循环水硬度随时间的变化趋势，如图10所示。

图10表明，两除垢仪对循环水硬度的降低均有效果。经过12 h的实验，在感应式电子除垢仪作用下循环水硬度（以CaCO3计）从324 mg/L降低至204 mg/L，降幅约为37.04%。而高频电子除垢仪作用下的循环水硬度从285 mg/L降至170 mg/L左右，降幅约为40.35%。

由实验结果可知，两种电子除垢仪均能有效降低循环水的硬度，加速Ca2+，Mg2+等成垢离子结晶成核、析出沉淀，改善循环水水质。高频电子除垢仪对循环水硬度的降低作用较明显。

图10 硬度随时间的变化Fig.10 Hardness varies with time

4 结论

通过模拟蒸发冷设备的实际运行工况，对比高频电子除垢仪与感应式电子除垢仪在蒸发冷设备喷淋系统中的除垢特性，得到以下结论：

1）换热管件已结垢而喷淋水为清水时，实验系统运行一段时间后电导率及pH均有所增加，表明两种除垢仪均能增加水的活性，加速污垢的溶解、脱落，从而减小换热管外污垢热阻。

2）在高硬度喷淋水下进行实验，高频电子除垢仪与感应式电子除垢仪均能有效改善循环水水质，降低循环水的硬度，12 h的实验后，循环水硬度降幅分别为40.35%和37.04%。

3）在循环水硬度为1 000 mg/L（以CaCO3计）的喷淋系统中，高频电子除垢仪作用下的管外污垢热阻变化形式为U形，最高降幅为17.81%；而在感应式电子除垢仪作用下，管外污垢热阻出现“二次除垢”现象，即污垢热阻的变化形式为波浪形，具有多个减小阶段，降幅依次为 20.35%、3.27%、-0.22%。

4）感应式电子除垢仪作用下的污垢晶体结构为散乱块状结构，污垢整体较为松散；高频电子除垢仪作用下的污垢晶体结构主要为霰石结构，污垢整体更加致密。

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