基于组合式磁场的磁式水处理方法

　　申请日2013.09.26

　　公开(公告)日2014.01.08

　　IPC分类号C02F1/48

　　摘要

　　本发明是一种基于组合式磁场的磁式水处理方法，其特征是：步骤如下：将一段非导磁材料制成的水管接入换热器入口;在一段非导磁材料制成的水管上建立具有交变磁场和可调永磁场相结合的组合式磁场的磁式水处理管路;设定工质的流速和交变磁场的频率、功率，可调永磁场的磁场强度;将工质送至具有所述组合式磁场的磁式水处理管段进行加磁水处理，同时在线监测水质参数、污垢热阻等参数，以确定所处理工质的最佳永磁场的磁场强度、交变磁场的频率、功率等参数。使用时，启动在线监测系统采集水质参数、温度、流速等信号，输入计算机计算得换热器污垢热阻，通过对比分析得出该流速下最佳磁处理效果所对应的磁场参数。

　　权利要求书

　　1.一种基于组合式磁场的磁式水处理方法，其特征包括：一段非导磁材料制成的水管，一由交变磁场和可调永磁场构成的组合式磁场装置，交变磁场的磁场方向与工质流动方向相垂直，或交变磁场的磁场方向与工质流动方向相平行，可调永磁场与工质流动方向相垂直，其方法步骤包括：

　　1)将一段非导磁材料制成的水管接入换热器管道入口;

　　2)将组合式磁场装置装设于一段非导磁材料制成的水管四周或两侧，以建立用于水处理的组合式磁场;

　　a)在组合式磁场装置的交变磁场上接入信号发生器;

　　b)将组合式磁场装置的可调永磁场体装设于一段非导磁材料制成的水管两侧，以建立可调永磁场;

　　3)启动水泵，使工质以一定的流速依次流经组合式磁场装置的交变磁场和可调永磁场，之后进入换热器进行热交换，吸收热量;

　　4)启动在线监测系统，采集水质参数、温度、流速等信号，计算污垢热阻;

　　5)将步骤4)所采集到的参数输入西门子SIMATIC IPC547C工控机数据采集处理系统，进行数据的记录、保存及处理;

　　6)改变交变磁场频率、功率及可调永磁场的磁场强度，重复以上步骤1)～5)，最后通过对比分析，得出一定流速下最佳水处理效果所对应的磁场参数。

　　2.根据权利1所述的基于组合式磁场的磁式水处理方法，其特征是，步骤1)所述一段非导磁材料制成的水管，其材质为非导磁材料，用以增强作用于工质的磁场强度，同时减小电磁干扰;其管径应与换热器接入部位管径相同，以减小节流损失;其长度应保证组合式磁场装置的接入，组合式磁场装置内的相互间磁场的干扰可忽略不计。

　　3.根据权利1所述的基于组合式磁场的磁式水处理方法，其特征是，步骤2)所述的组合式磁场由交变磁场和可调永磁场组成，交变磁场由装设于一段非导磁材料制成的水管两侧的螺线管线圈构成，其磁场方向与工质流动方向相垂直，或由缠绕在该水管上的螺线管线圈构成，其磁场方向与工质流动方向相平行;可调永磁场由两块平行的N极、S极相向布置的永久磁体构成;其结构包括导磁材料制成的连接板、固定永磁体和活动永磁体;导磁材料制成的连接板的上面设置导磁材料制成的固定磁轭和移动磁轭，固定磁轭与导磁材料制成的连接板固连，移动磁轭与导磁材料制成的连接板滑动连接，固定永磁体固连在固定磁轭上，活动永磁体固连在移动磁轭上，不导磁材料制成的螺钉穿装在移动磁轭上设置的螺纹孔内与其螺纹连接，螺钉的端头与固定磁轭接触。

　　4.根据权利1所述的基于组合式磁场的磁式水处理方法，其特征是，步骤2所述的螺线管线圈，其所产生的磁场强度为0～0.5T，且平滑可调;其磁场方向与工质流动方向垂直或平行; 自制的信号发生器具有连续信号、扫频信号、函数信号、脉冲信号等多种输出信号并具有多种调制方式和外部测频功能，其所产生的交变信号的频率范围为0～1M Hz，且平滑可调。

　　5.根据权利1所述的基于组合式磁场的磁式水处理方法，其特征是，步骤2)所述的可调永磁场，其所产生的磁场强度为0～1.0T，且平滑可调;永磁体宽度相同且大于一段非导磁材料制成的水管的直径，以达到使整个水管置于该可调永磁场的目的;

　　所述可调永磁场方向与一段非导磁材料制成的水管内工质的流动方向垂直;通过调节固定磁轭和移动磁轭的距离，可以改变所述永磁场的磁场强度。

　　6.根据权利1所述的基于组合式磁场的磁式水处理方法，其特征是，步骤3)所述的工质，其流速范围为0.1～2.0m/s，且可以实现平滑调节;工质进入换热器，是吸热过程;换热器为管式换热器。

　　7.根据权利1所述的基于组合式磁场的磁式水处理方法，其特征是，步骤4)所述的监测系统，

　　(1)采用DS18B20测量温度;其温度测点分别置于换热器入水口、换热器的出水口、换热器的管壁;所测得温度参数包括，换热器入水口温度，换热器出水口温度及换热器的壁温;

　　(2)为防止污垢的生成影响测量精度，在此采用采用智能SCL-61D超声波流量计测量工质流速，其测点布置于换热器的出水口;

　　(3)采用SC200多功能水质分析仪在线测量pH值、电导率、溶解氧及浊度;采用CLU-S 型液晶屏显氯离子含量快速测定仪测定氯离子含量;采用IC7685系列离子浓度计在线测量钙离子浓度;

　　(4)将所采集到的参数输入西门子SIMATIC IPC547C工控机数据采集处理系统，进行数据的记录、保存及处理，其中将所采集的试验管入水口温度Tfi、出水口温度Tfo及试验管长度l、直径d代入如下公式计算污垢与介质间界面温度：

　　 $T_{s} = \frac{T_{f 0} e^{- \frac{4 l}{d} ST} T_{fi}}{1 - e^{- \frac{4 l}{d} St}} - - - (1)$ (1)

　　式中：St—斯坦顿数;

　　采用如下公式计算热流密度：

　　 $q = \frac{dV \cdot c_{p} \cdot ρ (T_{fo} - T_{fl})}{4 l} - - - (2)$

　　式中：cP—为介质比热容，J/(kg·K);

　　ρ—为介质密度，kg/m3;

　　V—为介质平均流速，m/s;

　　再将公式(1)和公式(2)代入如下公式计算污垢热阻：

　　 $R_{f} = \frac{T_{wf} - T_{s}}{q} - - - (3)$

　　式中：Twf—为管壁与污垢间的界面实测温度，℃;

　　(5)西门子SIMATIC IPC547C工控机数据采集处理系统具有数据存储、读取、显示及查询功能，采样时间为1s～5min，还具有数据库数据导出至Excel表功能，以方便用户查询和进一步数据处理。

　　说明书

　　基于组合式磁场的磁式水处理方法

　　技术领域

　　本发明涉及高耗能行业换热设备污垢抑垢对策，尤其涉及磁式水处理方法。是一种基于组合式磁场的磁式水处理方法。

　　背景技术

　　现有技术的各种换热过程中，90%以上的换热设备都存在污垢问题。换热设备结垢，一方面会降低传热率，增加燃料消费，另一方面，还常常会引起局部过热或超温而导致设备的机械性能下降，严重时还会引发生产事故。电厂换热设备结垢问题一直受业内人士关注，常用的物理法抑垢中的电磁处理法因其具有应用方便、投资小、运行费用低、无污染等优点而倍受业内人士青睐。最初的水处理方法多采用永久性磁体，该方法的优点是简单方便，且易于实现，缺点是由于永久性磁体磁场强度恒定，而且随着长时间的运行，磁场强度会逐渐降低，其抑垢效果大打折扣，因此，电磁水处理方法应运而生，这种方法是通过包含或者包围一段管道或一个容器的电磁场对流经的或盛放的水进行处理，无论永久性磁体水处理还是电磁水处理，其最初的设计都是静态的，且频率是恒定的，之后，又出现了变频电磁水处理方法。由于水中的杂质各有不同，其最佳水处理效果所对应的频率和磁感应强度也是不同的。然而，到目前为止，未见有报道给出最佳的电磁水处理效果所对应的磁场强度及其频率等参数。再加上电磁场抑垢技术的作用机理尚不明确，抑垢效果尚不稳定，这些因素都阻碍了电磁抑垢技术的进一步发展。

　　发明内容

　　本发明所要解决的技术问题是：提出一种基于组合式磁场的磁式水处理方法，该方法能够根据不同水质的离子种类和含量、污垢热阻等参数，利用组合式磁场装置，通过改变磁场强度及频率等相关参数，找到与水质参数对应的最佳水处理效果所需要的磁场频率、磁场强度等参数。

　　本发明解决技术问题的方案是：一种基于组合式磁场的磁式水处理方法，其特征是，它包含如下步骤：

　　1)将一段非导磁材料制成的水管接入换热器管道入口;一段非导磁材料制成的水管，用以增强作用于工质的磁场强度，同时减小电磁干扰;其管径与换热器接入部位管径相同，以减小节流损失;其长度应保证组合式磁场装置的接入，组合式磁场装置内的相互间磁场的干扰可忽略不计;

　　2)将组合式磁场装置装设于一段非导磁材料制成的水管两侧或四周，以建立用于水处理的组合式磁场;

　　所述组合式磁场由交变磁场和可调永磁场组成，交变磁场由装设于一段非导磁材料制成的水管两侧的螺线管线圈构成，其磁场方向与工质流动方向相垂直，或由缠绕在该水管上的螺线管线圈构成，其磁场方向与工质流动方向相平行;可调永磁场由两块平行的N极、S极相向布置的永久磁体构成，其结构包括导磁材料制成的连接板、固定永磁体和活动永磁体;导磁材料制成的连接板的上面设置导磁材料制成的固定磁轭和移动磁轭，固定磁轭与导磁材料制成的连接板固连，移动磁轭与导磁材料制成的连接板滑动连接，固定永磁体固连在固定磁轭上，活动永磁体固连在移动磁轭上，不导磁材料制成的螺钉穿装在移动磁轭上设置的螺纹孔内与其螺纹连接，螺钉的端头与固定磁轭接触;

　　a)在所述组合式磁场装置的交变磁场上接入信号发生器，通过交变磁场控制装置，设定初始交变磁场频率、功率，建立交变磁场;所述磁场所产生的磁场强度为0～0.5T，且平滑可调;其磁场方向与工质流动方向垂直或平行;信号发生器具有连续信号、扫频信号、函数信号、脉冲信号等多种输出信号并具有多种调制方式和外部测频功能，其所产生的交变信号的频率范围为0～1M Hz，且平滑可调;

　　b)将所述组合式磁场装置的可调永磁场体装设于一段非导磁材料制成的水管两侧，以建立可调永磁场;

　　所述可调永磁场所产生的磁场强度为0～1.0T，且平滑可调;磁体宽度相同且大于一段非导磁材料制成的水管的直径，以达到使整个水管完全置于该可调永磁场的目的。所述可调永磁场方向与一段非导磁材料制成的水管内工质的流动方向垂直;通过调节固定磁轭和移动磁轭的距离，可以改变所述可调永磁场的磁场强度;

　　3)启动水泵，使工质以一定的流速依次流经所述组合式磁场装置的交变磁场和可调永磁场，之后进入换热器进行热交换，吸收热量;工质流速范围为0.1～2.0m/s，且可以实现平滑调节;工质进入换热器，是吸热过程;换热器为管式换热器;

　　4)启动在线监测系统，采集水质参数、温度、流速等信号，计算污垢热阻;

　　该监测系统采用DS18B20测量温度;其温度测点分别置于换热器入水口、换热器的出水口及换热器的管壁;所测得温度参数包括换热器入水口温度、换热器出水口温度及换热器的壁温;采用智能SCL-61D超声波流量计测量工质流速，其测点布置于换热器的出口;采用SC200多功能水质分析仪在线测量pH值、电导率、溶解氧及浊度;采用 CLU-S型液晶屏显氯离子含量快速测定仪测定氯离子含量;采用IC7685系列离子浓度计在线测量钙离子浓度。所述监测系统采样时间为1s～5min，可根据实验要求灵活设定;兼具有数据存储、读取、显示及查询功能;此外，系统还具有数据导出至Excel表功能，以方便用户查询和进一步数据处理;

　　5)将所采集到的参数输入西门子SIMATIC IPC547C工控机数据采集处理系统，进行数据的记录、保存及处理;其中将所采集的换热器入水口温度Tfi、出水口温度Tfo及换热器长度l、直径d代入如下公式计算污垢与介质间界面温度Ts：

　　 $T_{s} = \frac{T_{f 0} e^{- \frac{4 l}{d} ST} T_{fi}}{1 - e^{- \frac{4 l}{d} St}} - - - (1)$

　　式中：St—斯坦顿数;

　　采用如下公式计算热流密度q：

　　 $q = \frac{dV \cdot c_{p} \cdot ρ (T_{fo} - T_{fl})}{4 l} - - - (2)$

　　式中：cP—为介质比热容，J/(kg·K);

　　ρ—为介质密度，kg/m3;

　　V—为介质平均流速，m/s;

　　再将公式(1)和公式(2)代入如下公式计算污垢热阻：

　　 $R_{f} = \frac{T_{wf} - T_{s}}{q} - - - (3)$

　　式中：Twf—为管壁与污垢间的界面实测温度，℃;

　　6)平滑调节所述交变磁场的频率、功率，以获得不同频率下的水质参数及污垢热阻数据;

　　7)利用螺钉调节固定永磁体和活动永磁体间的间隙，平滑调节该可调永磁场的磁场强度，以获得不同磁场强度下的水质参数及污垢热阻数据;

　　8)对上述所有工况所得数据进行对比分析，评定出最佳水处理效果所对应的工况，确定该工况下所对应的工质流速、磁场强度、频率等参数。

　　本发明基于组合式磁场的磁式水处理方法，工质依次通过组合式磁场装置的螺线管线圈建立的垂直或平行于工质流动方向的交变磁场和垂直于工质流动方向的永磁体建立的可调永磁场，进行磁式水处理，通过改变交变磁场的强弱和调整固定永磁体和活动永磁体间的间隙，达到最佳水处理效果。试验过程中，在线监测水质参数、温度、流速、污垢热阻等参数，并通过数据采集器输入计算机以对整个过程的水处理效果进行记录、监测、评定，以确定最佳水处理效果所对应的磁场强度、频率等参数。使用时，选定工质，设定工质的流速、组合式磁场装置的频率、永磁体的数量和可调永磁场的磁场强度，启动水泵，将工质送至装设有组合式磁场装置的一段非导磁材料制成的水管，之后进入管式换热器进行热交换，吸收热量;同时，启动在线监测系统，采集水质参数、温度、流速等信号，将信号输入计算机计算污垢热阻。调整变交变磁场的强弱和固定永磁体与活动永磁体间的间隙，重复以上步骤，最终确定该工况下最佳抑垢效果所对应的可调永磁场的强度、交变磁场频率、功率等参数。具有针对性强、水处理参数确定快捷、效率高、成本低的优点。