电子防垢处理对冷却塔循环水的缓垢作用.docx

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电子防垢处理对冷却塔循环水的缓垢作用

EFFECTOFELECTRONICANTI-FOULINGTREATMENTONFOULINGMITIGATIONWITHCIRCULATINGCOOLING-TOWERWATER

电子防垢处理对冷却塔循环水的缓垢作用

ABSTRACT

摘要

Thepurposeofthepresentstudywastoinvestigatetheeffectofelectronicantifouling（EAF）technologyonfoulingmitigationinaheatexchangerinanopen"cooling-towersystem.Twotestswereperformedinarectangularheat-transferchannelat5cyclesofconcentration:

onewithouttheEAFtreatmentandtheotherwiththeEAFtreatment.ThefoulingresistanceinthecasewiththeEAFtreatmentwasabout70%lessthanthatinthecasewithouttheEAFtreatmentattheendof270-hrtests.

本研究的目的是探究电子防垢技术在开式冷却塔系统换热器中的缓垢作用。

两个实验在矩形传热通道进行，浓缩倍数为5:

一个没有电子防垢处理而另一个有。

在270小时的实验结束时，有电子防垢处理组的污垢热阻比未施加电子防污垢处理组要少70%。

Introduction

简介

Thecirculatingwaterinacoolingtowersystemisgenerallyhardevenifmake-upwater

isnotbecausetheevaporationofwaterleavesmineralionsbehindinthecirculatingwater.As

hardwaterisheated（orcooled）anditssolubilitychanges,scalingoccursonheat-transfer

surfaces.Scaleoftenobservedinindustryincludescalciumcarbonate,calciumsulfate,barium

sulfate,silica,andothers.Oneofthemostcommonformsofscaleiscalciumcarbonate（CaCO3）.

即使补充水不是硬水，冷却塔系统的循环水一般也是硬水。

这是因为水蒸发后在循环水中留下矿物离子。

当硬水被加热或冷却时溶解度发生变化，换热器表面就会结垢。

工业上常见的垢中含有碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡、二氧化硅等。

最常见的一种垢是碳酸钙。

Therearetwomajorproblemsinthecooling-towersystem:

thefoulingproblemandthe

water-consumptionproblem.Inacooling-towerwaterapplication,theconcentrationofdissolved

mineralionscontinuestoincreaseduetothewaterevaporation.Inordertomaintainacertainlevelofconcentrationinthecooling-towerwater,aportionoftheconcentratedwaterhastobe

dischargedintheformofablowdown,andthesameamountoffreshwaterhastobeaddedintheformofmake-upwater.Therefore,theconservationoffreshwaterbecomesoneofthemajor

issuesrelatedtothefoulingproblem.

冷却塔系统中最主要的两个问题分别是：

结垢问题和水消耗问题。

在冷却塔水的应用过程中，溶解矿物离子的浓度由于水的蒸发持续上升。

为了维持冷却水一定的离子浓度，一部分浓缩水需要被排放而相同量的净水需要被作为补充水添入。

因此，净水保护成为结垢问题中的一个主要方面。

Forthepreventionoffouling,chemicalwatertreatmentshavebeenwellacceptedand

havebeensuccessfullyappliedincooling-towerwaterapplications.However,thechemical

treatmenthasseveraldrawbacks,includingdisposalandpollutionproblems,handlingof

hazardouschemicals,andcost.Overtheyears,variousnon-chemicalwatertreatmentmethods

havebeenutilizedinanattempttosolvefoulingproblems,whichincludepermanentmagnet[1-

5]andelectronicanti-fouling[6-8]methods.Choetal.[8]reportedthattheEAFtreatmentcould

preventfoulingincondensertubesandthusmaintaintheinitialefficiencyofa500-ton-chiller

usedforair-conditioningpurpose.

为了防垢，化学水处理方法一直被广泛采纳并已在冷却塔水使用中成功应用。

然而化学处理方法存在一些缺点，例如污染物处理问题、有害化学物处置和费用问题。

近年来，多种非化学水处理方法被用来试图解决结垢问题，包括永磁和电子防垢方法。

Choetal报告称电子防垢方法能阻止冷凝器管结垢并由此维持一个用于空调系统的500吨冷水机组的初始效率。

ThepurposeofthepresentstudywastoinvestigatethefeasibilityoftheEAF

technologytomitigatemineralfoulinginaheatexchangerat5COCinanopencooling-tower

systemusingPhiladelphiacitywaterasthemake-upwater.

本研究的目的是探究在以费城自来水为补充水的开式冷却塔系统换热器（5浓缩倍数）中使用EAF技术缓垢的可行性。

ExperimentalMethods

实验方法

Figure1showsaschematicdiagramofthetestfacility,whichconsistsofawater-circulatingloop,anelectronicanti-foulingdevice,acoolingtower,apump,adeposit-accumulation-testsystem,aconductivitymeter,afloating-ballvalveforautomaticfeedingofmake-upwater,andanautomaticblowdownsystemcontrolledbyasolenoidvalve.Thedeposit-accumulation-testsystemconsistedofacopperplateasaheat-transfersurface,arectangularcooling-waterchannel,andarectangularhot-waterchannel.Theflowvelocityofcirculating-coolingwaterinthecooling-waterchannelwas1.2m/s,andthecorrespondingReynoldsnumberwas3,350.Theinlettemperatureofthecirculatingwaterpriortotheheat-transfertestsectionwasmaintainedat21°Cbymeansofthecoolingtower,whereastheinlettemperatureofthehotwaterwasmaintainedat89to92°Cthroughouttheexperiments.Heatfluxbetweenheatingand

coolingsidesofthecopperplatewas380kW/m2.

图片1展示了实验设备的原理图，包括一个水循环回路、一个电子防垢设备、冷却塔、泵、沉淀聚集检测系统、电导率计、由浮球阀自动控制的补充水系统和由电磁阀控制的自动排放系统。

沉淀聚集检测系统有一个作为传热表面的铜盘，一个矩形冷却水通道和一个矩形热水通道。

冷水通道内循环冷却水流速是1.2m/s,相应雷诺数是3350。

进入换热实验段前的循环水温度由冷却塔保持在21°C，而整个实验过程中入口热水温度保持在89-92°C.铜盘加热和冷却侧的热通量是380kW/m2。

Thecooling-towersystemhadasumptank,wherefreshmake-upwaterenteredthrougha

floating-ballvalve,therebymaintainingaconstantwatervolumeinthecoolingtower.Tapwater

providedbytheCityofPhiladelphiawasusedasthemake-upwater.Theamountandfrequency

ofblowdownofthecirculatingcoolingwaterwereautomaticallycontrolledbyasolenoidvalve.

冷却塔系统有一个贮槽，新补充水通过浮球阀进入从而保持塔内恒定的水量。

费城自来水被用作补充水。

排放循环冷却水的质量和频率由电磁阀自动控制。

Fivecyclesofconcentration（COC）wasselectedintheexperiment,whichisclosetotheupperlimitofCOCusedinthefield.TheCOCisdefinedastheratiooftheconcentrationofdissolvedionsincirculatingwatertothedissolvedionsinthemake-upwater[9].Basedonamassbalance,thenumberofCOCwasestimatedtobe6.4and7.0inthecaseswithoutandwiththeEAFtreatment,respectively.However,theCOCestimatedusingconductivitywasusedforthepurposeofanautomaticblowdown.ThedifferenceintheCOCvaluesfromthemassbalanceandconductivitymethodscanbeattributedtotheprecipitationofdissolvedmineralionsinwater.

TheaveragevalueoftheelectricconductivityofPhiladelphiacitywaterwasabout450μS/cm.Therefore,thepre-setupperlimitwas2,150μS/cmfortheautomaticblowdownoperation,

whereasthelowerlimitwas1,770μS/cm.Whentheconductivityofthecirculating-coolingwaterreached2,150μS/cm,theconductivitymeteropenedthesolenoidvalvethatwasnormallyclosed.Whenevertheconductivityreachedthelowlevel,thesolenoidvalvewasautomaticallyclosed.

实验中选择浓缩倍数为5，这接近于这个领域中的浓缩倍数上限。

浓缩倍数被定义为溶解矿物离子在循环水和补充水中浓度的比值。

根据质量平衡原理，实验中有无EAF处理的浓缩倍数应分别是7.0和6.4，但使用导电性估计COC用来控制自动排放。

由质量平衡和电导率方法得到的COC值差异归因于溶解矿物离子在水中的沉淀。

费城自来水的电导率平均值约为450μS/cm。

因此预先设定2150μS/cm为自动排放上限而1770μS/cm为下限。

当循环水电导率达到2150μS/cm，电导率计打开平时关闭的电磁阀。

每当导电率达到下限时，电磁阀被自动关闭。

Table1showswaterqualitydatameasuredatDrexelUniversityforthemake-upwater

andtwocirculatingwatersamples:

onewithouttheEAFtreatmentandtheotherwiththeEAF

treatment.ThewaterqualitydataforcirculatingwaterforthecaseswithandwithouttheEAF

treatmentwerealmostthesameexceptforcalciumhardness.

表1显示了在Drexel大学测得的补充水和两份循环水样本（一份有EAF处理一份没有）的水质数据。

有无EAF处理的循环水水质数据除了钙硬度几乎完全一样。

AnEAFcontrolunitproducedasquare-wavepulsingcurrentat500Hz,creatingtime-varying

magneticfieldsinsidethepipe.Subsequently,aninducedpulsatingelectricfieldwas

generatedinsidethepipeaccordingtoFaraday'slaw[10]:

whereEisaninducedelectricfieldvector,sisalinevectoralongthecircumferentialdirection,B

isamagneticfieldstrengthvector,andAisthecrosssectionalareaofsolenoid.

EAF控制单元产生500Hz的方波脉冲电流，在管道内形成随时间变化的磁场。

接着根据法拉第定律一个感应脉动电场在管道内产生。

其中E是一个感应电场矢量，s是沿圆周方向的线矢量，B是是一个磁场强度矢量，A是螺线管的横截面面积。

Thefoulingresistanceisoftencalculatedusingthefollowingequation[11]:

污垢热阻通常由以下等式计算：

whereUfisanoverallheattransfercoefficientatt≥0,andUoisaninitialheattransfer

coefficientatt=0.ItisofnotethatEq.

（2）isvalidonlyataconstantflowrate.

其中Uf是在t≥0时的总传热系数，Uo是在t=0时的初始传热系数，需要注意该等式只有在恒定流量是才成立。

SincetheflowrateinthepresentexperimentdecreasedgraduallyasdepictedinFig.2,

theeffectoftheflowratechangewasconsideredintheestimationofthefoulingresistance.To

takeintoaccounttheeffectofthechangingflowvelocity,Eq.

（2）canberewrittenas:

因为本实验中流量如图2中描述的逐渐下降，在估计污垢热阻时要考虑流量变化。

为了顾及流速变化的影响，等式2应被写为：

wherehHistheconvectiveheat-transfercoefficientforthehotside,Listhethicknessofthe

copperplate,

isthethermalconductivityofthecopperplate,and

（t）istheconvectiveheattransfercoefficientforthecoolingside.ChiranjiviandRao'sconvectiveheat-transfercorrelationinabottom-wall-heatedrectangularductcase[12]wasusedtocalculate

（t）asgivennext:

其中hH是热面的对流换热系数，L是铜盘厚度，

是铜盘的导热系数，

（t）是冷侧的对流换热系数。

Chiranjivi和Rao的底壁矩形管加热对流传热关系式被用来计算

（t），式子如下

wherehistheconvectiveheat-transfercoefficient,kwisthethermalconductivityofwater,and

Deistheequivalentdiameterforthecross-sectionalareainthecooling-flowchannel.ThetimedependentvaluesofUfwerecalculatedusingmeasureddatasuchastemperaturesandflowvelocities.ThevalueofhHwasobtainedatt=0,correspondingtoRf=0.

其中h是对流传热系数，kw是水的导热系数，De是冷却流横截面的当量直径。

与时间相关的Uf值通过温度和流速这些测量量计算。

hH的值在t=0时取，对应于Rf=0。

ResultsandDiscussion

结果与讨论

Figures2（a）and2（b）showvariationsintheelectricconductivityofcirculatingcooling

waterduringtheentiretestperiodforthecaseswithoutandwiththeEAFtreatment,respectively.Eachtestwasrunfor12days.Anelectricconductivityvalueforthecirculatingwaterwas1,900μS/cmatthebeginningofeachtest.Theelectricconductivityofthecirculatingwaterincreasedlinearlywithtimeto2,150μS/cmduetotheevaporationofwater,increasingmineralion.concentration.

图2（a）和2（b）分别显示了在整个实验过程中有无EAF处理的循环冷却水电导率变化。

每个实验进行12天。

两个实验初始的循环水电导率为1900μS/cm，由于水的蒸发使矿物离子浓度上升，循环水电导率随时间线性上升到2,150μS/cm。

Astheflowrateofthecirculatingwaterdecreasedduetofoulinginthetestsection,theamount

oftheevaporationdecreased.Consequently,therateoftheincreaseintheconductivityslowed

downasindicatedbydecreasedslopesinFig.2,requiringlessfrequentadditionofthemake-up

waterandsubsequentlylessfrequentblowdown.

随着循环水流量因实验段结垢而下降，蒸发量下降。

因此电导率上升的速度下降如图2中减少的斜率显示的，这时需要少添补充水并少进行排放。

Figure2alsoshowsthattheb