東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文--第1章緒論1.1研究背景及意義在工業(yè)用水設(shè)備中，由于水垢會(huì)嚴(yán)重阻礙水的正常流通，對(duì)循環(huán)冷卻設(shè)備內(nèi)部造成危害，從而對(duì)換熱設(shè)備的工作效率造成影響，由此將帶來相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)損失和技術(shù)難題[1]。而伴隨著我國(guó)在工業(yè)技術(shù)上的飛速進(jìn)步，需要用到越來越多的水資源進(jìn)行生產(chǎn)。根據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，相關(guān)行業(yè)（如電力、石油、冶金、化工等）的循環(huán)冷卻水的用量已占到其行業(yè)總用水量的60％～70％，在工業(yè)生產(chǎn)中，大型設(shè)備通暢都運(yùn)用水冷系統(tǒng)進(jìn)行伴隨降溫，而在管道中的多種污垢中碳酸鈣垢是其中最常見的一種垢型。而長(zhǎng)時(shí)間的反復(fù)利用循環(huán)冷卻水，會(huì)使水體惡化，腐蝕換熱設(shè)備管壁，并在其管壁內(nèi)側(cè)形成水垢難以去除，大大降低了換熱器的傳熱效率[2]，使循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行遭到了極大的破壞。另外Glater在1980年的研究中顯示，當(dāng)污垢垢層處于25mm處的碳酸鈣污垢，會(huì)降低95%是換熱器傳熱效率。隨之而來的將是增加包括設(shè)備維修清洗、燃料消耗等其它資源的浪費(fèi)與增長(zhǎng)。由于換熱器設(shè)備結(jié)垢涉及著物理、化學(xué)等多種學(xué)科門類，包括動(dòng)量、熱量、質(zhì)量等，因此時(shí)至今日換熱設(shè)備結(jié)垢的問題依舊沒有找到完美的解決方法。目前，人們?yōu)榱吮苊饣蛘哐泳徫酃笇?duì)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)造成的危害，已經(jīng)運(yùn)用了多種物理和化學(xué)的方法和手段來達(dá)到除垢抑垢的目的。由于我國(guó)大多數(shù)的大型工廠等依然對(duì)污垢的去除采用化學(xué)方法，比如各種化學(xué)試劑等，并且除垢的效果也還相當(dāng)可觀，但仍有非常多的問題存在于實(shí)際的應(yīng)用過程中[3]。其中，水質(zhì)的情況影響了向溶液中加入阻垢劑的數(shù)量，而且提高了設(shè)備的運(yùn)行成本，并且因?yàn)槭腔瘜W(xué)試劑的緣故，長(zhǎng)期以來會(huì)給周圍的水體甚至生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重的污染問題，甚至存在安全隱患。而與阻垢劑相比，離子交換法同樣具有一定的問題，這是因?yàn)槲酃笗?huì)長(zhǎng)期停留在換熱設(shè)備當(dāng)中，從而對(duì)設(shè)備造成損害，尤其是水質(zhì)中含有較多的金屬離子以及氯離子時(shí)，伴隨著水流被排入自然，這也將嚴(yán)重污染周圍水體及生態(tài)。并且，通常的離子交換法為交換樹脂，會(huì)帶來較高的費(fèi)用，并不實(shí)用。而物理法因其集合了殺除細(xì)菌、抑制污垢、減緩腐蝕等功效，使用起來較為方便且沒有污染，在市面上更能讓大多數(shù)人所接受，并且相應(yīng)設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用于各類工業(yè)生產(chǎn)中。時(shí)至今日，各國(guó)學(xué)者對(duì)依靠物理方法的除垢抑垢方法的研究已經(jīng)進(jìn)展很快。而這些當(dāng)中要數(shù)電磁水處理法更具有優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在：不污染環(huán)境，沒有添加劑等從而節(jié)省成本；在操作上也趨于簡(jiǎn)單，沒有化學(xué)法復(fù)雜，運(yùn)行費(fèi)用低廉。因此研究電磁抑垢水處理技術(shù)更有發(fā)展意義并且前景可觀。自上世紀(jì)五十年代起，我國(guó)就已經(jīng)針對(duì)電磁阻垢抑垢效果進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，并且在很多工廠生產(chǎn)中都有所應(yīng)用。但由于水的本身特性比較復(fù)雜，水體中的含量不盡相同且存在特殊性質(zhì)以及在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中外部的干擾多變等條件，并且對(duì)抑垢機(jī)理本身的研究也還不成熟，因此在電磁水處理的相關(guān)應(yīng)用中，通常不能根據(jù)實(shí)際情況（如水力、水質(zhì)等參數(shù)）對(duì)電磁處理裝置的參數(shù)及其外部條件進(jìn)行優(yōu)化。從而在研究上，不同國(guó)家的學(xué)者們得出的結(jié)論也有明顯差異。有些研究結(jié)論可說明，電磁處理對(duì)污垢形成過程確實(shí)存在一定的抑制效果，并且在一定程度上甚至可以消除部分污垢，但也有不同結(jié)果顯示磁處理對(duì)污垢沒有顯著的抑制及消除效果，且由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境和方法的不同，得出的結(jié)論效果較差[4]。因此，研究電磁場(chǎng)對(duì)循環(huán)水中污垢形成過程的影響是相當(dāng)關(guān)鍵的。通過電磁抑垢在線監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行改變，對(duì)碳酸鈣垢的污垢形成過程中的污垢熱阻進(jìn)行詳細(xì)分析，將有助于推動(dòng)電磁抑垢技術(shù)的健康發(fā)展，提高循環(huán)水系統(tǒng)的使用效率和經(jīng)濟(jì)效益。1.2電磁水處理技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀在工業(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常用到循環(huán)冷卻水，該技術(shù)已成為一項(xiàng)不可或缺的技術(shù)，根據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，相關(guān)行業(yè)的循環(huán)冷卻水的用量已占到其行業(yè)總用水量的60％～70％.自上世紀(jì)五十年代起，我國(guó)就已經(jīng)針對(duì)電磁阻垢抑垢效果進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，并且在很多工廠生產(chǎn)中都有所應(yīng)用。但由于水的本身特性比較復(fù)雜，水體中的含量不盡相同且存在特殊性質(zhì)以及在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中外部的干擾多變等條件，并且對(duì)抑垢機(jī)理本身的研究也還不成熟，因此在電磁水處理的相關(guān)應(yīng)用中，通常不能根據(jù)實(shí)際情況（如水力、水質(zhì)等參數(shù)）對(duì)電磁處理裝置的參數(shù)及其外部條件進(jìn)行優(yōu)化。從而在研究上，不同國(guó)家的學(xué)者們得出的結(jié)論也有明顯差異。有些研究結(jié)論可說明，電磁處理對(duì)污垢形成過程確實(shí)存在一定的抑制效果，并且在一定程度上甚至可以消除部分污垢，但也有不同結(jié)果顯示磁處理對(duì)污垢沒有顯著的抑制及消除效果，且由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境和方法的不同，得出的結(jié)論效果較差。在電磁處理技術(shù)被申請(qǐng)專利的幾十年時(shí)間以來，各個(gè)國(guó)家相當(dāng)多的專家學(xué)者都將目光放在了電磁水處理技術(shù)的研究中。早在上世紀(jì)七十年代美國(guó)、前蘇聯(lián)、日本先后在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用到電磁水處理技術(shù)，并且得到了一定的預(yù)想效果。在這之后的十幾年當(dāng)中，更多國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)磁化水處理技術(shù)實(shí)驗(yàn)投入了更大量的精力進(jìn)行研究，并取得了豐富的研究成果。伴隨著大量實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，更多的數(shù)據(jù)指出：水中的物化結(jié)構(gòu)的的確確可以被電磁處理所改變，同時(shí)可以影響水的特性，使其更加活躍。有研究顯示：影響電磁抑垢效果的因素包括溶液的性質(zhì)、電磁感應(yīng)強(qiáng)度的改變，而電磁場(chǎng)對(duì)水處理過以后會(huì)對(duì)其內(nèi)部的溶質(zhì)產(chǎn)生影響，并改變水垢的晶型晶貌特征。目前電磁水處理技術(shù)已經(jīng)蓬勃發(fā)展并且取得了顯著的成績(jī)。1.2.1主要影響電磁抑垢結(jié)果的原因（1）溶液內(nèi)部粒子的種類是影響電磁抑垢效果的一大原因。在溶液中，不同種類離子會(huì)產(chǎn)生截然不同的磁處理效果。文獻(xiàn)[5]用大量數(shù)據(jù)顯示了一定量濃度范圍內(nèi)的Ca2+和CO32-水中，磁場(chǎng)會(huì)明顯抑制碳酸鈣晶體析出；董倩倩等通過電子顯微鏡(SEM)和X射線衍射儀(XRD)對(duì)碳酸鈣的晶型晶貌進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)證明，Ca2+濃度在低于2.5mmol/L的時(shí)候，電磁處理會(huì)抑制碳酸鈣的結(jié)晶，而當(dāng)Ca2+濃度在高于2.5mmol/L時(shí)，電磁處理反而會(huì)促進(jìn)碳酸鈣的結(jié)晶速度，伴隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，磁處理對(duì)碳酸鈣結(jié)晶的影響更明顯[23]；劉有昌等通過靜態(tài)實(shí)驗(yàn)得到結(jié)論：在富有SO42-離子和以NaOH為堿度類型的水中，電磁水的抑垢效果并不十分理想，另外進(jìn)行磁化的水質(zhì)pH值最好處于7與8之間為最佳，并且水中堿度大于8mmol·L-1，水的總硬度（鈣鎂離子濃度）在250mg·L-1處效果最差；一些學(xué)者等通過對(duì)Zn2+、Mg2+和SO42-等離子對(duì)磁化溶液影響的研究，發(fā)現(xiàn)了其會(huì)對(duì)方解石的形成進(jìn)行影響，并且亞硫酸鹽會(huì)大大阻礙碳酸鈣晶粒的聚集；文獻(xiàn)[6]利用低頻梯度電磁場(chǎng)反復(fù)進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)操作，發(fā)現(xiàn)在電磁條件下會(huì)促進(jìn)鐵表面形成MgFe2O4保護(hù)膜，這樣會(huì)起到減緩腐蝕作用，并得出結(jié)論為水中的大量Mg2+的嚴(yán)重抑制電磁處理的阻垢的效果。（2）電磁場(chǎng)可改變水溶液物化性質(zhì)。在通過大量的實(shí)驗(yàn)研究后，可以發(fā)現(xiàn)電磁場(chǎng)可以輕松改變水溶液中的典型水質(zhì)參數(shù)等一系列物理化學(xué)性質(zhì)。Cho等研究了通過永磁場(chǎng)作用去離子水，防止了污垢的結(jié)晶并且水的表面張力減少8%；李東魁等通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出對(duì)循環(huán)水中加入適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)能夠改變循環(huán)水的pH值的現(xiàn)象，并且能夠使循環(huán)水pH值控制在想要的范圍內(nèi)，從而達(dá)到控制調(diào)節(jié)循環(huán)水結(jié)垢和減少腐蝕傾向的結(jié)果；程樹康等通過實(shí)驗(yàn)證明磁場(chǎng)極大的改變了水分子的磁矩，使水分子產(chǎn)生極化現(xiàn)象的電子云破壞了離子水化層的結(jié)構(gòu)，因此導(dǎo)致了電解質(zhì)溶液的電泳效應(yīng)不明顯的結(jié)果，也增加了電導(dǎo)率的數(shù)值大小[7]；聶百勝等的研究結(jié)果表明當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到100mT時(shí)，水的表面張力有明顯的下降情況，之后繼續(xù)增加磁場(chǎng)強(qiáng)度，水的張力逐漸趨于平穩(wěn)，不同的磁處理作用時(shí)間對(duì)不同濃度水的表面張力也存在不同的影響，有些趨勢(shì)相同，但也有些影響是相反的，并且當(dāng)水被電磁場(chǎng)作用以后，在一定時(shí)間內(nèi)，水體一直帶有磁化效果，成為磁記憶效應(yīng)，時(shí)間大約在十五天左右，溶液表面張力值受磁場(chǎng)作用的影響，溶液的表面張力值均介于50～55mN／m之間；Amiri等的研究也證明了水的表面張力經(jīng)過電磁作用之后先減小，在經(jīng)過一段時(shí)間后逐漸后趨于平穩(wěn)；王建國(guó)等利用紫外可見分光光度法證明了磁處理對(duì)CaCO3晶核生成的促進(jìn)作用；而丁振瑞等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了正在經(jīng)過磁化后的去離子水的中水的表面張力系數(shù)、密度和黏度隨磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁化時(shí)間均有一個(gè)多極值增減變化關(guān)系的特點(diǎn)；一些著名專家學(xué)者等在實(shí)驗(yàn)中得到了某種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，證明了磁場(chǎng)強(qiáng)度能導(dǎo)致碳酸鈣微粒表面電位絕對(duì)值下降，磁處理會(huì)加快碳酸鈣微粒的沉降速率，從而減小30%的表面自由能。（3）電磁場(chǎng)影響結(jié)晶過程及晶型。溶液中的粒子結(jié)晶過程是一個(gè)非常復(fù)雜多變的過程，這一觀點(diǎn)已經(jīng)普遍被大家所認(rèn)同[8]，而在磁場(chǎng)的作用下，粒子容易變成疏松的結(jié)構(gòu)，從而污垢不容易附著在換熱器表面。Alimi等研究發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)對(duì)碳酸鈣結(jié)晶的總量有直接的關(guān)系[38]；魏奎奎研究表明，磁場(chǎng)能改變晶體的理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)；一部分學(xué)者指出過，經(jīng)過磁處理后的碳酸鈣溶液中的粒子變?yōu)楦鼮榉稚⒌慕Y(jié)構(gòu)；劉衛(wèi)國(guó)等通過大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出同晶異構(gòu)現(xiàn)象生成同晶異構(gòu)體是磁處理除垢抑垢的實(shí)質(zhì)問題，另外如果從磁場(chǎng)中結(jié)構(gòu)緊密的方解石能獲得足夠大小的能量，這樣就會(huì)生成如霰石、紋石樣結(jié)構(gòu)疏松的結(jié)果，從而就不會(huì)生成大量硬垢，因此輕松達(dá)到除垢抑垢的目的，另外研究還發(fā)現(xiàn)通過電磁作用后，碳酸鈣粒子會(huì)生成具有更高能量的膠體碳酸鈣，通過對(duì)溶液中能量的傳遞，使結(jié)構(gòu)比較緊密的方解石晶體改變成結(jié)構(gòu)比較疏松的霰石型晶體并從換熱管道中脫落沖走，從而達(dá)到除垢的目的[9]；有些專家研究了碳酸鈣晶型變化受到磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁處理時(shí)間、流體流速等因素的影響；余豐人等則認(rèn)為碳酸鈣在電磁場(chǎng)的作用下，可以重組自身的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)，可以將水中的陽離子都變?yōu)槲⑿∏曳€(wěn)定的水合物，從而抑制污垢的生長(zhǎng)，并使形成的污垢以粉末狀態(tài)出現(xiàn)；朱國(guó)棟等通過使用時(shí)延攝像顯微鏡對(duì)加磁條件下碳酸鈣過飽和溶液的晶體析出進(jìn)程實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)析出晶體中霰石和方解石各自所占的比例能被流速改變，并得出在3m/s時(shí)，析出的霰石晶體含量多于方解石晶體含量[10]；一些國(guó)外學(xué)者進(jìn)行了不同磁場(chǎng)和流速條件下霰石含量變化的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)影響碳酸鈣霰石含量的主要參數(shù)是磁通量和流體在磁場(chǎng)中的暴露時(shí)間；部分國(guó)內(nèi)學(xué)者研究了梯度磁場(chǎng)的影響，研究發(fā)現(xiàn)在對(duì)碳酸鈣飽和溶液結(jié)晶影響該過程中，電磁處理會(huì)加快碳酸鈣的結(jié)晶速率從而縮短了誘導(dǎo)期；鄧愛華等指出電磁場(chǎng)會(huì)影響碳酸鈣晶體的結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)速率，主要由于電磁場(chǎng)導(dǎo)致碳酸鈣脫水過程發(fā)生變化并且影響了碳酸鈣晶核的水合化物的形成；周愛東等學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)分析，證明了磁處理優(yōu)先對(duì)碳酸鈣較小晶體的生成起促進(jìn)作用，在處理一段時(shí)間后抑制碳酸鈣晶粒生長(zhǎng)，而經(jīng)過電磁處理后的溶液中存在大量的碳酸鈣小顆粒晶體；文獻(xiàn)[12]的結(jié)論相同：在高頻電磁場(chǎng)的作用下，溶液中的大部分污垢作為方解石形態(tài)出現(xiàn)，方解石是密度小、結(jié)構(gòu)松散、粘附性較低的污垢種類，利用射頻電場(chǎng)對(duì)溶液進(jìn)行處理，通過SEM對(duì)污垢進(jìn)行照相觀察，照片中可以顯示晶型為六方晶系和凝聚形態(tài)的為經(jīng)過物理水處理以后的污垢晶型，而尖銳的針狀結(jié)構(gòu)則是沒經(jīng)過處理的污垢晶型。從顯示中可以看存在紋石晶體的都是沒經(jīng)過電磁處理的溶液中的污垢，而經(jīng)過處理的污垢根據(jù)其水的水質(zhì)硬度及流量變換等，污垢形態(tài)存在文石和方解石同時(shí)出現(xiàn)；還有一些學(xué)者借助分光光度的方法來分析磁場(chǎng)作用下碳酸鈣沉積的變化，觀察pH值的變化。當(dāng)pH值處于10.46~10.96之間，把經(jīng)磁處理后生成的碳酸鈣微小晶胚投入到溶液中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：相較于未經(jīng)磁化的碳酸鈣晶粒的沉積率二次沉積率更大。（4）電磁場(chǎng)參數(shù)會(huì)嚴(yán)重影響磁處理的作用效果。在市場(chǎng)上電磁處理器的種類多種多樣各不相同，而不同大小的磁場(chǎng)參數(shù)以及在實(shí)驗(yàn)過程中磁場(chǎng)的變化等，都會(huì)產(chǎn)生不同特點(diǎn)的作用對(duì)磁處理效果。姜德寧等通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)垢量與交變磁場(chǎng)大小之間的數(shù)量關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明電磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小會(huì)造成污垢量的不同，結(jié)垢量最小值出現(xiàn)在磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.9mT的時(shí)候；Baker等研究了電磁作用下時(shí)間與次數(shù)對(duì)抑垢效果的影響，結(jié)果表明，在最佳磁場(chǎng)強(qiáng)度下，單一的作用并不能較大影響碳酸鈣的結(jié)晶速率[13]；部分國(guó)外學(xué)者進(jìn)行了磁場(chǎng)強(qiáng)度與流速對(duì)碳酸鈣結(jié)晶過程影響的實(shí)驗(yàn)研究，研究表明磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)改變碳酸鈣中多鐘同晶異構(gòu)體的比例；一些學(xué)者指出抑垢效果達(dá)到最優(yōu)時(shí)的電磁場(chǎng)頻率在1.2kHz左右；而有些學(xué)者在實(shí)驗(yàn)中證明抗垢效果達(dá)到最優(yōu)時(shí)電磁頻率為700Hz。由此能夠看出磁場(chǎng)的強(qiáng)度、處理時(shí)間等對(duì)磁處理有著顯著的影響。而在磁場(chǎng)方向方面，L.C.Lipus等人以及F.Gliant等人分別用實(shí)驗(yàn)和仿真軟件得出在磁場(chǎng)垂直于水流方向時(shí)，磁處理效果會(huì)更好；一些國(guó)內(nèi)的學(xué)者也通過自己制作的加磁裝置使得磁場(chǎng)在垂直于水流方向工作，其阻垢率也能達(dá)到百分之五十五到百分之六十五之間，阻垢效果比較理想[14]；另外哈工大的趙永平教授等通過采用纏繞式的脈沖加磁裝置進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，在磁場(chǎng)方向平行于水流方向的不同條件下，實(shí)驗(yàn)的抑垢效果也十分理想。所以目前在磁場(chǎng)方向上的選擇目前還沒有定論，具體是垂直方向還是水平方向則需要更多實(shí)驗(yàn)進(jìn)行論證才能得到更具有說服力的結(jié)論；而頻率方面，汪洋等人通過實(shí)驗(yàn)對(duì)垢樣進(jìn)行電鏡掃描以及利用紫外線光譜和17O核磁共振技術(shù)，證明了高頻電磁下磁處理下的水垢樣比未處理的減少45%；而在加磁方式上，除了前文提到的纏繞式以外，熊蘭、陳佳鵬等通過設(shè)計(jì)一氣隙磁通密度可達(dá)0.1T的磁場(chǎng)發(fā)生裝置進(jìn)而產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，并且得到了較為理想的除垢效果[15]。除此之外，在進(jìn)行點(diǎn)磁處理時(shí)水的流速、溫度也對(duì)抑垢效果產(chǎn)生影響。Wang等通過實(shí)驗(yàn)得出了流速在一定范圍內(nèi)時(shí)抑垢效果最明顯[16]；而有些學(xué)者則從溫度方面對(duì)碳酸鈣的析出進(jìn)行了研究并取得一定的進(jìn)展[65]。1.2.2電磁抑垢的機(jī)理研究電磁抑垢水處理已經(jīng)是得到極大推廣和應(yīng)用的一種除垢抑垢方式，并且為水處理技術(shù)贏得了關(guān)注和經(jīng)濟(jì)效益。但在抑垢機(jī)理上的理論缺失，使得其運(yùn)用在發(fā)電廠等大型工廠中的大型循環(huán)冷卻水系統(tǒng)時(shí)，操作人員往往不會(huì)大量運(yùn)用只是當(dāng)做化學(xué)除垢技術(shù)的一種輔助和結(jié)合手段進(jìn)行使用，這也為電磁抑垢技術(shù)的大量推廣應(yīng)用帶來了不小的阻礙。由于溶液中水質(zhì)參數(shù)的復(fù)雜多變特性存在多學(xué)科結(jié)合研究的問題，所以在抑垢機(jī)理的探尋時(shí)存在這樣那樣的困難亟待解決。而目前所尋找到的一些抑垢機(jī)理也一般都是基于實(shí)驗(yàn)室中特殊的實(shí)驗(yàn)工況和理想條件下進(jìn)行的，并不能作為一種理論發(fā)布。目前為止，實(shí)驗(yàn)得到的抑垢機(jī)理結(jié)論大致分為以下說法：（1）“洛倫茲力”機(jī)理：磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的溶液并產(chǎn)生感生電流，而受到了洛倫茲力的水分子和其它正負(fù)離子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并且正負(fù)離子的運(yùn)動(dòng)方向相反，致使水分子電偶極距變強(qiáng)，將更容易產(chǎn)生較不穩(wěn)定的分散狀的晶體。溶液越來越濃縮減少的情況下，結(jié)晶離子不會(huì)在管壁上結(jié)晶，而是在溶液的結(jié)晶中心上去結(jié)晶，這樣能達(dá)到防垢除垢的目的[17]。（2）“氫鍵變形”機(jī)理：由于多為水分子團(tuán)在水中大量存在，而水分子團(tuán)不能使污垢大量溶解，然而水分子的氫鍵會(huì)受到磁場(chǎng)的嚴(yán)重影響，導(dǎo)致變形甚至發(fā)生斷裂，并改善水溶液的溶解度，以達(dá)到抑制效應(yīng)。（3）“量子力學(xué)”機(jī)理：一些學(xué)者通過顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)對(duì)比有無磁處理的水樣中污垢結(jié)晶的尺寸時(shí)，受過磁處理后的結(jié)晶尺寸大小比沒受過磁處理的污垢潔凈尺寸大一倍左右，從而認(rèn)為更大尺寸的結(jié)晶會(huì)被水流沖走而不是析出在管道表面上，從而達(dá)到除垢的目的[68]。也有一些學(xué)者認(rèn)為在經(jīng)過電磁場(chǎng)的作用后，結(jié)晶粒子的晶相和成分都發(fā)生了變化，部分從方解石向文石轉(zhuǎn)變，從而從較硬垢相偏軟垢轉(zhuǎn)變，達(dá)到除垢效果。（4）“雙電層變形”機(jī)理：在磁場(chǎng)強(qiáng)度不同大小的影響下，洛倫茲力破壞雙電層內(nèi)電荷的分布情況，使腹層邊界電荷發(fā)生了明顯改變，從而也短暫性的改變了電勢(shì)的大小。許多研究中均能發(fā)現(xiàn)上述的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，所以表明雙電層變形理論都有一定道理。1.2.3電磁抑垢技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)自從將電磁技術(shù)運(yùn)用到循環(huán)水除垢抑垢方向上已經(jīng)經(jīng)過了許多年的發(fā)展與研究，但大多數(shù)為基礎(chǔ)研究，主要探索的多為在不同條件下獲得最佳的磁處理效果，并且提出了很多種的抑垢機(jī)理的理論模型。市面上產(chǎn)品種類繁多但效果一般，并沒有一個(gè)可以適用于任何工況下的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。雖然電磁抑垢技術(shù)的發(fā)展時(shí)間很長(zhǎng)，但仍然存在不少問題需要解決提高：找出一套權(quán)威的從實(shí)驗(yàn)到結(jié)論的電磁抑垢理論基礎(chǔ)；市面上的磁處理器種類繁多，但是具體效果并無法斷定；深入對(duì)“磁記憶時(shí)間”的研究是電磁處理的一個(gè)趨勢(shì)，應(yīng)從數(shù)據(jù)采集和理論建模等方面入手進(jìn)行分析，更加合理的對(duì)“磁記憶時(shí)間”進(jìn)行解釋說明；尋找磁化效果的特征值，只有找到特征值才能更加有效的進(jìn)行電磁抑垢。上述問題的解決和實(shí)現(xiàn)變頻電磁水處理器的自適應(yīng)控制系統(tǒng)仍需要不斷大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析研究。隨著實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化以及理論的不斷充實(shí)，最終一定會(huì)找到一個(gè)合理的理論和參數(shù)來證明電磁水處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)以及廣泛應(yīng)用。而著眼于眼下，電磁除垢抑垢的技術(shù)的發(fā)展方向?yàn)椋海?）關(guān)于污垢熱阻、加磁方式方法以及典型水質(zhì)參數(shù)等對(duì)除垢抑垢效果的影響的量化分析研究較少，大部分為性質(zhì)及狀態(tài)分析，對(duì)用一定的數(shù)量關(guān)系來確定磁處理器的優(yōu)化及應(yīng)用還缺少驗(yàn)證，因而加強(qiáng)電磁處理的基礎(chǔ)量化研究還是未來的重要發(fā)展方向之一；（2）很大程度上在電磁處理的影響下，溶液的物理性質(zhì)被造成了不小的變化，所以不同程度變化在溶液中分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)活性方面都出現(xiàn)了。未來熱點(diǎn)研究的課題將是這些變化是如何對(duì)膠體及生物體系產(chǎn)生的影響；（3）水處理器幾乎所有都是在一定的磁場(chǎng)和頻率范圍內(nèi)進(jìn)行的磁化處理，并沒有一個(gè)可以適應(yīng)各種環(huán)境下的自動(dòng)控制的電磁水處理器，而研究制造出一個(gè)可以帶有自適應(yīng)閉環(huán)控制的電磁水處理器裝置則是今后的重要環(huán)節(jié)；（4）建立預(yù)測(cè)模型，輸入在影響抑垢效果的各個(gè)參數(shù)中選取，而輸出為污垢熱阻。用預(yù)測(cè)模型為基礎(chǔ)來預(yù)測(cè)污垢長(zhǎng)期的生長(zhǎng)情況，并通過自適應(yīng)控制算法對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行選取并控制磁場(chǎng)強(qiáng)度的輸出和調(diào)節(jié)。（5）將其他物理阻垢方式與電磁抑垢水處理技術(shù)進(jìn)行特定的結(jié)合，并通過作用于污垢的變化機(jī)理從而找到結(jié)合后的各個(gè)方面技術(shù)的共同作用的方法，這也會(huì)是電磁抑垢在未來技術(shù)不斷發(fā)展變革進(jìn)程中的一個(gè)重要的選擇方面。1.3主要研究?jī)?nèi)容通過仔細(xì)分析大量的相關(guān)文獻(xiàn)，基本掌握電磁場(chǎng)抑垢相關(guān)理論后，進(jìn)行大量重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，這令我充分了解循環(huán)水污垢的形成過程。探尋了在頻率為1kHz的不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下，污垢誘導(dǎo)期的變化，從通過污垢誘導(dǎo)期的時(shí)間長(zhǎng)短確定最優(yōu)磁場(chǎng)強(qiáng)度。通過大量實(shí)驗(yàn)可以得出結(jié)論：在頻率大小為1kHz不變情況下，磁場(chǎng)強(qiáng)度在0~250GS范圍內(nèi)選擇，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度大小為200GS時(shí)污垢誘導(dǎo)期時(shí)間最長(zhǎng)，抑制污垢效果最為顯著。東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文第2章電磁水處理技術(shù)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)2.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成部分本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由四部分組成，分別為：冷卻循環(huán)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、加磁系統(tǒng)和上位機(jī)信號(hào)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。冷卻循環(huán)系統(tǒng)主要包括循環(huán)水系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、水域溫度換熱系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四大區(qū)域。而雙管路循環(huán)系統(tǒng)被應(yīng)用在在換熱管道當(dāng)中，實(shí)驗(yàn)管道為兩個(gè)相同工況的實(shí)驗(yàn)管道A，B，在實(shí)驗(yàn)過程中用于對(duì)比實(shí)驗(yàn)的是管道B，另外在加磁管道上由電磁抑垢裝置的螺線管線圈作用；水冷系統(tǒng)則由水冷機(jī)以及水冷換熱器組成，水冷機(jī)和水冷換熱器是水冷系統(tǒng)的重要組成部分；恒溫水浴溫度箱以及壁溫測(cè)量裝置構(gòu)成了水域溫度換熱系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由檢測(cè)典型水質(zhì)參數(shù)的電導(dǎo)率、溶解氧和pH值的實(shí)驗(yàn)裝置組成，呈階梯排列分布在出水口處。電氣控制系統(tǒng)分為主回路、控制回路以及報(bào)警回路?？刂苹芈分饕蒔ID控制為主，控制回路主要負(fù)責(zé)對(duì)恒溫水箱中水域溫度、水冷系統(tǒng)的循環(huán)以及循環(huán)水泵三個(gè)部分進(jìn)行控制。而報(bào)警回路則用于保證整個(gè)電氣控制在強(qiáng)電下的安全運(yùn)行。給循環(huán)水管道進(jìn)行磁化的加磁裝置，包括了電源、微處理器、IGBT模塊和控制驅(qū)動(dòng)電路等部分構(gòu)成，通過對(duì)單片機(jī)的輸出進(jìn)行控制，作用在IGBT模塊，從而輸出信號(hào)，然后作用在電磁線圈上，進(jìn)而做到既能改變頻率又能改變磁場(chǎng)強(qiáng)度的加磁系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集模塊和工控機(jī)人接界面兩部分構(gòu)成了上位機(jī)信號(hào)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集卡被用于與線下的溫度采集原件、循環(huán)水流速表以及典型水質(zhì)參數(shù)的儀表和線上的工控機(jī)連接，從而達(dá)到充分利用組態(tài)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的作用，另外數(shù)據(jù)的分析及存儲(chǔ)運(yùn)用MCGS組態(tài)軟件來達(dá)到。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物圖如圖2-1，圖2-2所示：圖2-1電磁抑垢在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)圖2-2電磁電磁水處理技術(shù)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖2.1.1冷卻循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)水系統(tǒng)介紹循環(huán)水箱以及循環(huán)管道兩個(gè)部分組成了循環(huán)水系統(tǒng)。因?yàn)槭且唤M對(duì)比實(shí)驗(yàn)，所以循環(huán)水系統(tǒng)選擇為一對(duì)規(guī)格材質(zhì)位置配置都相同的設(shè)備器材。能同時(shí)滿足盛放足夠?qū)嶒?yàn)用水以及放置水冷系統(tǒng)在設(shè)計(jì)循環(huán)水箱時(shí)要考慮到。兩個(gè)大小相同的孔在水箱底部被開，這兩個(gè)孔分別對(duì)應(yīng)循環(huán)水的入口以及清洗時(shí)的排水口，且連通閥被設(shè)在兩個(gè)水箱底部，以此來實(shí)現(xiàn)A、B水箱液面相同的目的。圖2-3循環(huán)水箱內(nèi)部實(shí)物圖圖2-4循環(huán)水箱外部事物圖從循環(huán)水箱底部起循環(huán)管道開始出現(xiàn)，然后被用于測(cè)量循環(huán)水的瞬時(shí)流量及流速等數(shù)值的超聲波流量計(jì)被使用，然后上升進(jìn)入恒溫水箱中開始進(jìn)行熱交換，熱交換后進(jìn)入循環(huán)水箱進(jìn)行水冷冷卻，這樣就一個(gè)完整的循環(huán)周期就完成了。水域溫度換熱系統(tǒng)介紹恒溫水箱以及加熱棒等組成了水域溫度換熱系統(tǒng)，為防止溫度大量流失，用保溫材料覆蓋水箱內(nèi)外壁以及間隙。采用5根加熱棒對(duì)水箱進(jìn)行加熱，其中用繼電器控制上層的2根加熱棒，滿功率運(yùn)行，利用智能PID調(diào)節(jié)器控制剩余下層的3根，以達(dá)到對(duì)溫度的相對(duì)穩(wěn)定控制。水箱結(jié)構(gòu)圖及實(shí)物圖如圖2-5、圖2-6所示。圖2-5恒溫水箱的結(jié)構(gòu)圖圖2-6恒溫水箱的實(shí)物圖對(duì)比之前采用彎管換熱管道的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用直管道作為換熱管道，這樣做既能避免回彎處產(chǎn)生污垢堆積又能縮短實(shí)驗(yàn)周期，減少外界環(huán)境帶來的影響。水冷循環(huán)系統(tǒng)介紹將換熱后的磁化水冷卻至室溫是水冷循環(huán)的主要作用，將四個(gè)水冷散熱片連接在一起放入循環(huán)水箱中主要為了能高效的達(dá)到所要求的目標(biāo)，如圖2-3所示。4片定制的暖氣片串接而成水冷散熱片，如圖2-7所示。水冷散熱片連接制冷機(jī)，如圖2-8所示，要注意，當(dāng)在循環(huán)水箱中加入循環(huán)水時(shí)，只覆蓋三分之二的散熱片而不是全部浸沒，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)相比與之前實(shí)驗(yàn)裝置采用單獨(dú)水冷裝置而放棄風(fēng)冷裝置，保證了冷卻效果并且能夠更加精確的控制實(shí)驗(yàn)入口處循環(huán)水的溫度。在保證了水冷效率的同時(shí)，解決了由于散熱面積過大而導(dǎo)致溫度不穩(wěn)定的問題。圖2-7水冷散熱片實(shí)物圖圖2-8水冷機(jī)的實(shí)物圖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)介紹由溫度信號(hào)采集、典型水質(zhì)參數(shù)信號(hào)采集以及瞬時(shí)流量采集組成實(shí)驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集的主要部分。循環(huán)水出入口溫度以及換熱管道管壁溫度是主要的溫度信號(hào)，這樣可以更為快速準(zhǔn)確的了解循環(huán)水的溫度，并且方便于在組態(tài)軟件中對(duì)污垢熱阻值進(jìn)行計(jì)算；為了能夠更加準(zhǔn)確清楚的了解在換熱過程中各個(gè)典型水質(zhì)參數(shù)的變化，選取了三種典型水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行采集分析，分別為電導(dǎo)率、溶解氧和pH值；采集監(jiān)測(cè)瞬時(shí)流量主要使用超聲波流量計(jì)，如圖2-9所示。圖2-9水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)儀表2.1.2電氣控制系統(tǒng)介紹在整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程中，該電氣柜負(fù)責(zé)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制循環(huán)水泵頻率的大小，保證循環(huán)工質(zhì)流速在合理范圍之內(nèi)，另外電氣柜為閉環(huán)控制系統(tǒng)；控制加熱棒自動(dòng)加熱，以及在設(shè)定溫度內(nèi)保持恒定溫度大小并對(duì)溫度數(shù)值大小進(jìn)行微調(diào)；保持入口溫度數(shù)值的恒定主要源于對(duì)水冷冷卻器水泵的控制情況。從而減少了在開環(huán)系統(tǒng)中手動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器數(shù)值的操作，另外這樣的操作可以有效的避免引起因操作不當(dāng)引起的誤差，另外這樣更加有利于全程監(jiān)護(hù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行情況。電氣控制柜主要由鐵冷軋板材質(zhì)組成，實(shí)物圖如圖2-10、2-11所示。圖2-10電氣控制柜面板圖圖2-11電氣控制柜布局圖并且整個(gè)電氣控制柜具有本起和遠(yuǎn)起兩種控制方式，當(dāng)開關(guān)置“本起”端時(shí)，整套控制系統(tǒng)可以進(jìn)行手動(dòng)操作來進(jìn)行控制，當(dāng)控制開關(guān)撥到“遠(yuǎn)起”端時(shí)，整套實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制可以在上位機(jī)上進(jìn)行操作，利用通訊的方式控制繼電開關(guān)以及變頻器的使用等。在電氣控制方面，相比于過去實(shí)驗(yàn)臺(tái)，新實(shí)驗(yàn)臺(tái)的電氣控制系統(tǒng)全部采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，節(jié)省大量人力與時(shí)間，并且減少了出現(xiàn)漏電等危險(xiǎn)的發(fā)生。2.1.3加磁系統(tǒng)變頻電磁水處理在線監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的核心部分為加磁系統(tǒng)，通過過去的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明了加磁裝置設(shè)置成雙股纏繞的螺線管方式更能增加磁場(chǎng)強(qiáng)度作用在循環(huán)水中的寬度，同時(shí)可以增大螺線管內(nèi)部的疊加電磁場(chǎng)，激勵(lì)線圈實(shí)物圖如圖2-12所示。在頻率設(shè)定方面，同樣通過之前的大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在此實(shí)驗(yàn)工況下，將頻率信號(hào)設(shè)定為1kHz，通過對(duì)輸入直流電源的信號(hào)大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而改變線圈內(nèi)交流電流的大小，進(jìn)而對(duì)處理腔內(nèi)電磁場(chǎng)強(qiáng)度大小進(jìn)行隨意改變[20]。由單片機(jī)、IGBT模塊組成信號(hào)發(fā)生電路，通過直流電源獲得輸入信號(hào)，方波信號(hào)由輸出信號(hào)產(chǎn)生，輸出連接電磁線圈，構(gòu)成整個(gè)加磁裝置。信號(hào)發(fā)生裝置實(shí)物圖如圖2-13所示，輸出方波信號(hào)如圖2-14所示。圖2-12激勵(lì)線圈的實(shí)物圖圖2-13電磁抑垢信號(hào)發(fā)生裝置實(shí)物圖圖2-14輸出方波信號(hào)的實(shí)物圖2.1.4上位機(jī)信號(hào)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)信號(hào)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集利用系統(tǒng)和MCGS組態(tài)分析軟件組成。MCGS組態(tài)分析軟件由數(shù)據(jù)庫軟件和人機(jī)操作界面組成。在組態(tài)分析軟件的人機(jī)操作界面中，清楚得到了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)圖，從而可以時(shí)刻對(duì)換熱管管壁內(nèi)溫、恒溫水箱水域溫度、循環(huán)水流速、循環(huán)水出入口溫度、冷卻水狀態(tài)以及典型水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)采集并且通過組態(tài)軟件內(nèi)部計(jì)算，另外還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道內(nèi)污垢熱阻曲線情況。另外，控制水域溫度加熱的開關(guān)，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)界面的上方設(shè)有。在啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備后，可以利用人機(jī)界面進(jìn)行分析，便可仔細(xì)觀察到實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)的所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)軟件會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像描繪，進(jìn)一步清晰觀察數(shù)據(jù)的走向以及狀態(tài)。參數(shù)的設(shè)定主要針對(duì)實(shí)驗(yàn)起始階段的工況設(shè)定，包括入口溫度，循環(huán)水的瞬時(shí)流量以及恒溫水箱的恒定溫度等[21]。而PID按鈕可以對(duì)需要PID調(diào)控的各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)參數(shù)調(diào)整。歷史曲線和實(shí)時(shí)曲線窗口分別顯示各參數(shù)在運(yùn)行過程中整個(gè)的歷史變化及實(shí)時(shí)變化的曲線情況，從而更加直觀的觀察整個(gè)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。棒圖顯示能更直觀的反映出壁溫的溫度梯度。另外，系統(tǒng)中巧妙的加入了電柜箱的指示燈，這可以用來反映加熱器的工作情況以及各系統(tǒng)的組成，這樣的安裝可以使整個(gè)系統(tǒng)的硬件工作狀態(tài)得到更好的反映，人機(jī)界面如圖2-15所示。與此同時(shí)在組態(tài)軟件內(nèi)部可以事先將污垢熱阻的整體計(jì)算公式先提前寫入軟件，通過對(duì)溫度的仔細(xì)測(cè)量可以直接計(jì)算出污垢熱阻值大小，也使數(shù)據(jù)的分析更加容易。圖2-15人機(jī)界面圖2.2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)調(diào)試及試運(yùn)行整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)安裝的每一步都非常不好操作，并且在完成安裝之后并不能馬上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而是要對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行多次的檢查以及調(diào)試[22]。在這些檢查中，包括了所有電路連接的檢查，管道銜接處的檢查，儀表檢測(cè)裝置與上位機(jī)連接的檢查等。而調(diào)試則包括了對(duì)整個(gè)軟PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整來滿足整體實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的需求。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的整體流程為：在打開全部實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，可以通過打開開啟指令對(duì)人機(jī)操作界面的加熱棒進(jìn)行操作。把水域溫度慢慢加熱至設(shè)定值（實(shí)驗(yàn)水域溫度設(shè)定值為70℃），在一段時(shí)間后水域溫度達(dá)到設(shè)定值，設(shè)定流速數(shù)值大?。魉儆伤矔r(shí)流量換算得來）、循環(huán)水系統(tǒng)流速數(shù)值大小、入口溫度數(shù)值大小等參數(shù)，待水域溫度和入口溫度均慢慢達(dá)到穩(wěn)定后，在操作界面上開啟實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)試運(yùn)行的過程中，可能會(huì)出現(xiàn)一些安裝的細(xì)節(jié)問題。比如，循環(huán)管道破裂，溫度傳感器銜接處以及管道接頭處會(huì)有部分滲漏現(xiàn)象，在經(jīng)過維修后，出現(xiàn)的種種問題都一一解決，為防止再次出現(xiàn)同樣的問題，把這些問題都一一記錄。解決了安裝方面的問題之后，又進(jìn)行選取校準(zhǔn)了一些不符合要求的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)。通過反復(fù)的校正之后，電磁水處理技術(shù)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)從參數(shù)方面，工藝方面等各個(gè)方面均達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，并且系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。在線監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體評(píng)價(jià)：整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)從設(shè)計(jì)到安裝整體結(jié)構(gòu)合理，全部通過閉環(huán)自動(dòng)控制，具有較高的自動(dòng)化程度。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括電氣控制系統(tǒng)、冷卻循環(huán)系統(tǒng)、加磁系統(tǒng)和上位機(jī)信號(hào)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)四個(gè)部分，通過對(duì)參數(shù)的調(diào)節(jié)，細(xì)節(jié)的排查，已完全符合實(shí)驗(yàn)要求[23]。2.3本章小結(jié)本章首先詳細(xì)的介紹了電磁水處理技術(shù)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的組成部分。其次認(rèn)真講解了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的各個(gè)組成部分的具體作用。然后調(diào)試了部分需要調(diào)試的的系統(tǒng)，并取得了良好的調(diào)試結(jié)果，最終完成了電磁水處理技術(shù)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的組建。電磁水處理技術(shù)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)為電磁抑垢實(shí)驗(yàn)工作提供了良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，是深入探究電磁場(chǎng)對(duì)碳酸鈣垢形成過程影響最關(guān)鍵的部分。 東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文第3章電磁場(chǎng)對(duì)污垢形成過程的影響3.1污垢熱阻在線監(jiān)測(cè)污垢沉積于換熱面，會(huì)妨礙其傳熱，并阻礙管內(nèi)流體的流通，污垢熱阻作為度量傳熱阻力的量度，常受到實(shí)驗(yàn)條件的不良影響，實(shí)驗(yàn)臺(tái)的污垢熱阻由式(3-1)計(jì)算[24]： (3-1)式中，表示污垢熱阻，單位為m2KW-1；為6個(gè)測(cè)點(diǎn)的管壁溫度，即污垢與管壁間的界面實(shí)測(cè)溫度，單位為℃；是污垢與流體的界面溫度，單位為℃；為熱流密度，單位為W(m2)-1?？赏ㄟ^式(3-2)求得： (3-2)式中，、表示試驗(yàn)管段出、入口處溫度，單位為℃；l表示實(shí)驗(yàn)管道長(zhǎng)度，單位為m；d表示實(shí)驗(yàn)管道內(nèi)徑，單位為m；為斯坦頓數(shù)。式(3-1)中，為熱流密度(W/m2)，可通過下式求得： (3-3)式中，表示介質(zhì)比熱容(J/(kg·K))；為介質(zhì)密度(kg/m3)；為介質(zhì)平均流速(m/s)。將式(3-2)、式(3-3)代入式(3-1)，可求得污垢熱阻。3.2不同磁場(chǎng)強(qiáng)度條件下污垢熱阻分析為了研究電磁場(chǎng)強(qiáng)度大小對(duì)污垢形成過程的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別對(duì)0~250Gs場(chǎng)強(qiáng)下污垢熱阻特性進(jìn)行了對(duì)比分析。根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)出的污垢熱阻數(shù)據(jù)，并進(jìn)行Boltzmann擬合，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示。(a)50Gs對(duì)比 (b)100Gs對(duì)比(c)125Gs對(duì)比 (d)150Gs對(duì)比(e)175Gs對(duì)比 (f)190Gs對(duì)比(g)200Gs對(duì)比 (h)210Gs對(duì)比(i)225Gs對(duì)比 (j)250Gs對(duì)比圖3-1不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下污垢熱阻隨時(shí)間變化曲線由圖3-1可知，在電磁場(chǎng)的作用下，污垢誘導(dǎo)期變長(zhǎng)，說明對(duì)循環(huán)水施加交變磁場(chǎng)可以抑制污垢的生長(zhǎng)。而污垢的沉積速率也有不同程度的變化，說明電磁場(chǎng)對(duì)污垢的沉積過程也產(chǎn)生了一定的影響。通過對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下污垢熱阻曲線各不相同，即電磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)污垢熱阻形成的影響程度有所區(qū)別[25]。3.3電磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)污垢誘導(dǎo)期的影響大量的研究結(jié)果表明，循環(huán)水管道換熱面內(nèi)側(cè)污垢熱阻大小在隨時(shí)間的變化下曲線主要有四種形式，如圖詳細(xì)所示。曲線1代表污垢熱阻線性增長(zhǎng)型；曲線2代表污垢熱阻降率型；曲線3代表污垢熱阻冪律型；曲線4代表污垢熱阻漸近型。然而污垢熱阻在實(shí)際中的增長(zhǎng)曲線，通常并沒有像曲線1至4一樣，而是凸凹不平的，呈現(xiàn)鋸齒型，如曲線2-4所示[26]。另外科研人員還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)潔凈的換熱面與含有雜質(zhì)的流體接觸后，污垢并不會(huì)立即沉積并附著在換熱面上，并且不會(huì)被被觀測(cè)識(shí)別到，如圖中虛線所表示的是可直接觀測(cè)到污垢熱阻的增長(zhǎng)。在一般情況下實(shí)驗(yàn)設(shè)備在工作很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，并不會(huì)發(fā)現(xiàn)所觀測(cè)到污垢熱阻會(huì)有明顯的變化，如圖中的實(shí)線所示。而我們通常把這段時(shí)間稱作污垢熱阻誘導(dǎo)期[27]。本文所研究的污垢熱阻即為圖中實(shí)線部分所表示的部分，鋸齒形增長(zhǎng)。圖3-2污垢熱阻隨時(shí)間變化圖在通過分析大量實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)并獲得圖像，然后通過認(rèn)真計(jì)算即可得到不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的污垢誘導(dǎo)期[28]。污垢誘導(dǎo)期如圖3-2所示。圖3-3污垢誘導(dǎo)期通過對(duì)污垢熱阻曲線進(jìn)行線性擬合，分別求出污垢形成起始階段和污垢沉積階段（即污垢熱阻上升階段）的曲線方程，兩條直線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為污垢誘導(dǎo)期[28]。由此可求得不同電磁場(chǎng)強(qiáng)度下污垢誘導(dǎo)期，線性擬合方程如表所示。

表3-1污垢形成起始和上升階段線性擬合起始階段上升階段0Gs50Gs100Gs125Gs150Gs175Gs190Gs200Gs210Gs225Gs250Gs通過上表可求的兩直線交點(diǎn)的橫坐標(biāo)值，這個(gè)值即為污垢誘導(dǎo)期。表3-2不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下污垢誘導(dǎo)期電磁場(chǎng)強(qiáng)度(Gs)050100125150175190200210225250污垢誘導(dǎo)期(min)3048.265992.393758.787429.626472.154279.525553.0910536.265047.674861.364558.60根據(jù)表3-2，可得到污垢誘導(dǎo)期隨電磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的曲線。由圖可知，污垢誘導(dǎo)期在不同電磁場(chǎng)強(qiáng)度下呈多極值變化。與未加磁相比，對(duì)循環(huán)冷卻水施加電磁場(chǎng)換熱面污垢誘導(dǎo)期均有所延長(zhǎng)[29]。在磁場(chǎng)強(qiáng)度0~250Gs范圍內(nèi)，當(dāng)施加的電磁場(chǎng)強(qiáng)度為200Gs時(shí)，污垢誘導(dǎo)期最長(zhǎng)，其抑垢效果最好。圖3-4污垢誘導(dǎo)期隨電磁場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線圖3.4電磁場(chǎng)強(qiáng)度大小對(duì)污垢沉積速率的作用通過分析污垢熱阻上升階段的斜率變化，即可研究不同電磁場(chǎng)強(qiáng)度下污垢沉積速率。曲線斜率的大小可以反映沉積速率的變化，斜率越小，污垢熱阻沉積越慢[30]。根據(jù)上一節(jié)污垢熱阻上升階段線性擬合方程可得各磁場(chǎng)強(qiáng)度下曲線斜率，如表2-3所示。表3-3不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下污垢沉積階段曲線斜率電磁場(chǎng)強(qiáng)度(Gs)050100125150175190200210225250污垢沉積曲線斜率4.27E-082.40E-083.26E-084.62E-082.73E-084.61E-083.62E-081.59E-081.76E-086.84E-081.00E-07同樣，根據(jù)表3-3可以得到污垢熱阻大小隨磁場(chǎng)強(qiáng)度大小的變化曲線。圖3-5污垢熱阻上升斜率隨電磁場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線從圖中我們可以看出，在電磁場(chǎng)強(qiáng)度0~250Gs范圍內(nèi)，污垢熱阻的沉積速率并沒有規(guī)律的變化趨勢(shì)，但是在施加200Gs場(chǎng)強(qiáng)時(shí)污垢熱阻上升斜率最小，說明污垢的沉積速率最慢，抑垢效果也達(dá)到最佳[31]。3.5本章小結(jié)本章基于電磁水處理技術(shù)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了電磁場(chǎng)對(duì)污垢誘導(dǎo)期的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電磁場(chǎng)對(duì)污垢誘導(dǎo)期有延長(zhǎng)作用[32]。通過SEM掃描電鏡分析換熱管道中析出的碳酸鈣垢晶體的晶型晶貌，發(fā)現(xiàn)在電磁場(chǎng)的作用下，可以讓晶體顆粒更加松散分散，且形成更加不規(guī)則的方解石[33]。而當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為200Gs時(shí)，碳酸鈣污垢誘導(dǎo)期時(shí)間最長(zhǎng)，說明碳酸鈣結(jié)晶速率最慢，且其晶體顆粒的最終尺寸最小，從而得到了抑垢效果最明顯的結(jié)論。并且通過變換流速希望探尋不同流速與污垢誘導(dǎo)期長(zhǎng)短是否存在一定關(guān)系，并初步找出了在200GS流速的增加導(dǎo)致誘導(dǎo)期時(shí)間減少這一關(guān)系[34]。不過由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)限制，并沒有在所有磁場(chǎng)強(qiáng)度下均得出相同結(jié)論，也沒有得出相應(yīng)定量的結(jié)論[35]。東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文-結(jié)論本實(shí)驗(yàn)所用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由冷卻循環(huán)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、加磁系統(tǒng)和上位機(jī)信號(hào)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)四部分組成。冷卻循環(huán)系統(tǒng)由循環(huán)水系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、水域溫度換熱系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四部分組成。電氣控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)控制模擬換熱器中加熱棒的加熱啟停、水冷循環(huán)水泵啟停、循環(huán)水泵的循環(huán)供水，均實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，節(jié)省人力。并與冷卻循環(huán)系統(tǒng)、加磁系統(tǒng)和上位機(jī)信號(hào)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，形成了一套自動(dòng)化程度提高，經(jīng)濟(jì)高效的電磁抑垢在線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。針對(duì)換熱管道中冷卻循環(huán)水在電磁場(chǎng)作用下的污垢形成過程的理論，基于電磁水處理技術(shù)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)操作。多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，在不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度下，污垢誘導(dǎo)期的長(zhǎng)短有著明顯差異，并且電磁場(chǎng)對(duì)污垢形成過程中顆粒的大小及結(jié)構(gòu)都會(huì)產(chǎn)生影響。而在本實(shí)驗(yàn)工況下，設(shè)定電磁頻率為1kHz條件下，在0-250GS磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)電磁場(chǎng)強(qiáng)度為200Gs時(shí)污垢誘導(dǎo)期比其他磁場(chǎng)強(qiáng)度下的污垢誘導(dǎo)期長(zhǎng)，污垢顆粒最分散，抑垢效果最佳。東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文參考文獻(xiàn)[1]GilartF,DeasD,FerrerD,etal.HighFlowCapacityDevicesforAnti-scaleMagneticTreatmentofWater.ChemicalEngineeringandProcessing,2013,70:211-216．[2]LipusLC,A?koB,HamlerA.ElectromagnetsforHigh-flowWaterProcessing.ChemicalEngineeringandProcessing,2011,50(9):952-958．[3]高強(qiáng)，張凌峰，李晨光.循環(huán)冷卻水水質(zhì)穩(wěn)定性判斷方法的研究綜述．工業(yè)水處理，2011，21(10)：20-23[4]K.Sergej,P.Ciril.TheMagneticFieldInfluenceonthePolymorphCompositionofCaCO3PrecipitatedfromCarbonizedAqueousSolutions.JournalofColloidandInterfaceScience,2005,281(2):377-388.[5]J.S.Baker,S.J.Judd.MagneticAmeliorationofScaleFormation.WaterResearch.1996,0(30):247-260[6]全貞花，陳永昌，馬重芳.碳酸鈣于換熱表面結(jié)垢影響因素的模擬分析.工程熱物理學(xué)報(bào)，2008，29(11)：1944-1946[7]張東升，劉振法，張利輝.磁化水阻垢技術(shù)的研究現(xiàn)狀.河北省科學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，23(1)：60-62[8]Y.Wang,J.Babchin,L.T.Chernyi,etal.RapidonsetofCalciumCarbonateCrystallizationUndertheInfluenceofAMagneticField.WaterResearch,1997,31(2):346-350.[9]王建國(guó)，劉高生，孫偉．電磁場(chǎng)作用下循環(huán)水污垢熱阻的灰色預(yù)測(cè)模型實(shí)驗(yàn)研究．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(11)：61-68[10]KnezS,PoharC.ThemagneticfieldinfluenceonthepolymorphcompositionofCaCO3precipitationfromcarbonizedaqueoussolu-tions.ColloidandInterfaceScience,2005,281(8):377-388.[11]李東魁，姜麗麗，左海濱，等.超強(qiáng)永磁場(chǎng)處理對(duì)鋼鐵工業(yè)循環(huán)水pH值影響的研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2012，34(19)：103-107.[12]劉義達(dá)．換熱器金屬表面行為對(duì)其析晶污垢生成特性的影響研究：[學(xué)位論文]，山東：山東大學(xué)，2011．65-68[13]何俊，趙宗澤，李躍華.物理方法除垢阻垢技術(shù)的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展．工業(yè)水處理，2010，30(9)：5-9[14]費(fèi)繼友，李玉泉，白鑫.水的電磁變頻除垢防垢技術(shù)和實(shí)驗(yàn)研究．化工自動(dòng)化及儀表，2015，38(2)：157-161[15]余豐人，羅維瑛．電磁水處理的防垢和除垢機(jī)理探討.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，22(1)：44-48[16]王建國(guó)，李松，辛紅偉，等．電磁場(chǎng)作用下循環(huán)水典型水質(zhì)參數(shù)與換熱器污垢熱阻的關(guān)聯(lián)分析．化工進(jìn)展，2013，32(8)：1929~1933[17]KneyAD,ParsonsSA.Aspectrophotometer-basedstudyofmagneticwatertreatment:Assessmentofionicvs.surfacemechanisms.WaterResearch,2005,40(3):517-524．[18]XingXK,Chong-FangMA,ChenYC,etal.Electromagneticanti-foulingtechnologyforpreventionofscale.JournalofCentralSouthUniversityofTechnology,2006,13(1):68-74[19]AlabiA,ChiesaM,GarlisiC,etal.Advancesinanti-scalemagneticwatertreatment.EnvironmentalScience:WaterResearchandTechnology,2015(1):408-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