本發(fā)明屬于水處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種水體防垢除垢裝置及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

在鍋爐、冷卻塔、熱交換器和幾乎所有利用水來加熱或冷卻的應(yīng)用中，結(jié)垢(以碳酸鈣和其它礦物形式)都是個主要問題。工業(yè)生產(chǎn)過程中，因為水便宜而且容易獲得，水經(jīng)常被用作熱量轉(zhuǎn)移的載體。生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的熱量通過一個熱交換裝置(熱交換器、冷凝器等)轉(zhuǎn)移到冷卻水中，然后通過水在冷卻塔中蒸發(fā)而將熱量散發(fā)到自然界中。本來處于平衡狀態(tài)的水，在熱交換器表面改變了條件，很容易結(jié)晶沉積，變成水垢，成為工業(yè)生產(chǎn)的危害。

首先，水垢是隔熱的，會降低熱交換系數(shù)，這樣會增加額外的能量消耗；其次，水垢會堵塞熱交換器、冷凍機、泵、管道和閥門，從而增加水的壓力、減少水的流量、導(dǎo)致泄漏、甚至造成徹底的不可挽回的損壞；另外，水垢給微生物提供保護，給微生物提供繁殖的溫床，導(dǎo)致生物污染和垢下腐蝕。

水垢的預(yù)防和清除成為必須面對和解決的技術(shù)問題。目前，對于水垢的處理通常都是采用防垢和除垢結(jié)合的處理方式，主要是化學(xué)方法和物理方法兩類。常見的化學(xué)處理方式主要是在水體中添加化學(xué)藥品，利用化學(xué)反應(yīng)方式實現(xiàn)對水垢的消除或者防止預(yù)防水體中鈣鎂粒子生成相應(yīng)的水垢物質(zhì)。但是，化學(xué)方法一是額外添加的這些化學(xué)物質(zhì)對水體或環(huán)境的影響，二是其價格高昂，導(dǎo)致工業(yè)成本顯著上升；三是清除效果也有限，很多情況下仍需要進一步的清洗。

物理方法通常包括機械清洗方式或者采用水體過濾的方式。機械清洗通常需要停機后進行，降低生產(chǎn)效率，而且清洗效果有待加強；通過過濾的方式進行防垢除垢可以有效過濾大部分鈣鎂粒子，但是，由于過濾濾芯需要定期更換，使得實際成本大大提升，而且過濾或延緩水流速度，導(dǎo)致時間生成效率降低。

目前，出現(xiàn)了利用超聲波或磁性方式進行防垢除垢的技術(shù)方案，即利用超聲波的方式對水垢進行處理，清除水垢或者延緩水垢的生成，或利用磁場作用將水體中的鈣鎂離子進行磁化，從而防止結(jié)垢。上述技術(shù)手段可以較好地實現(xiàn)防垢除 垢，但是由于需要額外增設(shè)專門的超聲波裝置和磁化裝置，使得設(shè)備整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適宜需要工業(yè)應(yīng)用，而且會增加成本，另外超聲波或者磁化會對水體或環(huán)境會產(chǎn)生一定的影響，使得其使用受到限制。

中國專利文獻CN201320794373.1中公開了一種除垢防垢裝置，該裝置在外殼內(nèi)部安裝螺旋合金片，裝置外殼兩端通過接頭與進水管道相連接，所述螺旋合金片采用高電位金屬合金鑄造成的板形狀，再切割成片狀，然后沿長軸中心線扭轉(zhuǎn)360度成螺旋狀。當(dāng)水流經(jīng)過螺旋合金片時，水中的每一分子在螺旋流動的過程中與螺旋合金片接觸，在接觸的時候，高靜電位螺旋合金片與水中的鈣離子接觸產(chǎn)生電位差，該電位差作用于鈣離子，使其不能順利與碳酸根結(jié)合生成碳酸鈣沉淀結(jié)垢，實現(xiàn)防結(jié)垢和除垢的目的。該裝置可以在盡量避免影響生產(chǎn)的情況下，采用合金與水體中鈣離子的作用，從而防止水垢的產(chǎn)生，具有較好的防垢除垢效果。但是，該裝置仍然存在以下幾個問題：1)螺旋合金片結(jié)構(gòu)對水流的影響，即該合金片通過板狀扭轉(zhuǎn)成形，其作為水流通道對水體流動速度具有一定影響，導(dǎo)致效率降低；2)合金片的流道結(jié)構(gòu)無法保證水中的每一分子能夠與合金片接觸，從而會導(dǎo)致防垢和除垢效果受到影響；3)該裝置中未能對合金片成分及其組分進行限定，而常規(guī)合金與水分子作用效果一般，因此該裝置對水體實際除垢防垢效果還有待提升。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種水體防垢除垢裝置及其應(yīng)用，其通過在水體流動管路上設(shè)置防垢除垢裝置，其內(nèi)設(shè)置具有優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)的螺旋合金核心，從而實現(xiàn)對水體的有效除垢防垢，解決目前的裝置中效率低、防垢除垢效果差的技術(shù)問題。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供一種水體防垢除垢裝置，其設(shè)置于水體流動管路上，用于實現(xiàn)對水體的防垢除垢，其中，該裝置包括：設(shè)置在水體流經(jīng)管路上的筒狀殼體；以及同軸固定套設(shè)在殼體中的核心，其外周表面設(shè)置有凹槽，其與殼體內(nèi)壁之間形成的空隙作為水體流動的流道；

其特征在于，所述核心的流道結(jié)構(gòu)可以使得水在其中流動時可與核心接觸摩擦并受到一定的撞擊而產(chǎn)生渦流，從而可將合金中的金屬電子離散釋放而與水中鈣鎂離子吸附結(jié)合，實現(xiàn)對水體的防垢除垢。其中水流雷諾數(shù)在(30000,80000)范圍內(nèi)，即30000<(Re＝ρvd/η)<80000，優(yōu)選是在(40000,70000)范圍內(nèi)， 其中v、ρ、η分別為流體的流速、密度與粘度,d為管道直徑。

作為本發(fā)明的改進，所述核心由合金材料制成，合金成分優(yōu)選是銅、鋅、鉛、鎳，同時包含微量的鋁、鐵、錳和/或銀。

作為本發(fā)明的改進，所述合金成分質(zhì)量百分比含量優(yōu)選是銅40％-60％、鋅15％-25％、鉛4％-8％、鎳15％-25％，更優(yōu)選是銅50-55％、鋅18％-22％、4％-6％、鎳18％-23％，最優(yōu)選是銅50％、鋅20％、鉛5％、鎳20％。

作為本發(fā)明的改進，所述鋁、鐵、錳、銀等微量金屬的質(zhì)量百分比含量優(yōu)選為0.1-2％范圍。

作為本發(fā)明的改進，所述核心上的流道呈螺旋型，螺旋線的螺旋角一般大于45°，優(yōu)選是大于55°，特別優(yōu)選是60-70°。

作為本發(fā)明的改進，所述核心上的流道是在核心外周表面沿水流方向開鑿的凹槽，且核心表面上未開鑿的部分成為多個凸起，各凸起在沿水流方向上呈流線型結(jié)構(gòu)。

作為本發(fā)明的改進，所述凹槽寬度優(yōu)選是核心直徑的0.05-0.2倍，更優(yōu)選是0.1到0.15倍，

按照本發(fā)明的另一方面，提供一種利用上述水體防垢除垢裝置在鍋爐或換熱器中的應(yīng)用。

本發(fā)明的裝置考慮了管道本身金屬與除垢合金之間的電位差，采用了接地的保護措施，更具有工業(yè)應(yīng)用的普遍性，基于金屬電位差發(fā)生原電池反應(yīng)的基本原理，與結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理結(jié)合，使得產(chǎn)品能夠準確的量化設(shè)計，可應(yīng)用于各種規(guī)格和流速的管道中。免維護、安裝簡單，無需額外的電源和化學(xué)藥物，適用壽命可達15年以上。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明裝置中的合金核心采用優(yōu)化設(shè)計的流道結(jié)構(gòu)，其尺寸和弧度的設(shè)計使得水體流經(jīng)時可以達到在通流面積最大時保持流阻最小，從而有效減小水流速度對生產(chǎn)效率的影響；

(2)本發(fā)明裝置中的合金核心采用優(yōu)化設(shè)計的流道結(jié)構(gòu)，水體流經(jīng)時可以保證流經(jīng)的水均能夠與合金核心進行摩擦接觸并產(chǎn)生渦流，從而實現(xiàn)合金與水的離 子吸附，有效實現(xiàn)防垢除垢；

(3)本發(fā)明裝置中核心合金成分采用銅、銀、鉛和鋅以及微量元素的組合和成分，可以使得其能夠在渦流沖擊下最大化發(fā)生離子化，與合金材料的接地外殼之間產(chǎn)生自主電勢，有效其中的鈣鎂離子在此作用下不能沉積和結(jié)垢，實現(xiàn)有效防垢除垢；

(4)本發(fā)明的裝置可以實現(xiàn)對水體的有效除垢防垢，而且其無需停機、效率高，同時生產(chǎn)成本地、對水體和環(huán)境無影響，防垢除垢效果好。

附圖說明

圖1為按照本發(fā)明一個實施例的水體防垢除垢裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為按照本發(fā)明一個實施例的水體防垢除垢裝置的核心的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為按照本發(fā)明一個實施例的水體防垢除垢裝置的應(yīng)用示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

按照本發(fā)明實施例所構(gòu)建的一種水體防垢除垢裝置，如圖1所示，包括法蘭1、外殼2、核心3、法蘭4和固定架5。

其中，外殼2由兩段組成，兩者同軸固定并通過端部的法蘭4采用螺栓連接，以形成筒體型外殼結(jié)構(gòu)，外殼2由金屬優(yōu)選是合金制成。

各段外殼相對的另一端也設(shè)置有法蘭1，用于與外接水管連接，從而以將該防垢除垢裝置安裝在管道上。

核心3通過固定架5在外殼內(nèi)部的空腔中固定，優(yōu)選是同軸固定在殼體2的中心軸線上。水進入外殼2后流經(jīng)具有螺旋形流道的核心3從另一側(cè)法蘭流到對接管道，從而以對水體進行防垢除垢。

核心3是本裝置的核心部件，其是本裝置得以實現(xiàn)其防垢除垢功能的關(guān)鍵部件。核心3由合金材料制成，以適當(dāng)水流沖擊時，作為陽極的金屬元素會在水的作用下失去電子，在一定流速下的沖擊使得電子離散到水中，從而與水中鈣鎂離子發(fā)生吸附作用，使得離子體積變大，難以成為水垢沉積。具體地，當(dāng)水流過合金內(nèi)核時，合金元素之間的電位差使得陽極金屬釋放大量自由電子，這些自由電 子與硬水中的Ca2+、Mg2+離子發(fā)生電極反應(yīng)形成穩(wěn)定狀態(tài)，從而防止其與水中氧化物化合生成銹和水垢。同時自由電子與Fe2+和Fe3+離子發(fā)生電極反應(yīng)形成穩(wěn)定狀態(tài)，降低水含鐵量。

本實施例中，核心的合金材料成分優(yōu)選是銅鋅鉛鎳等主體成分以及包括鋁、鐵、錳、銀等微量元素，一般地，為了更有效地在水流沖擊作用下釋放電子以離散到水中，各成分質(zhì)量百分比含量優(yōu)選控制在銅40％-60％、鋅15％-25％、鉛4％-8％、鎳15％-25％，更優(yōu)選的是銅50-55％、鋅18％-22％、4％-6％、鎳18％-23％，最優(yōu)選是銅50％、鋅20％、鉛5％、鎳20％，剩余的鋁、鐵、錳、銀等微量金屬的含量可根據(jù)實際需要進行具體確定，例如分別占0.1-2％范圍內(nèi)。

合金成分的組成中，金屬銅是貴金屬材料中價格便宜且容易獲得的材料，鋅金屬的加入可以降低成本且與金屬銅之間可以有較大的電位差，但是為了保證核心的韌性設(shè)定含量上限為20％，加入錫是為了提高合金的耐蝕性及強度，加入微量銀可以有殺菌滅藻的作用，其它微量金屬均為了冶煉工藝的需要。上述合金成分及其含量，可以使得流動的水在沖刷核心時，其具有最大的電子釋放能力和活化能量，同時根據(jù)原電池原理其可以實現(xiàn)與水中的鈣鎂等離子形成最大的反應(yīng)吸附效果，從而可最大化實現(xiàn)水垢的生成。合金核心與金屬外殼(接地)的原電池反應(yīng)能夠?qū)B接的碳鋼管道發(fā)生犧牲陽極保護反應(yīng)，從而實現(xiàn)防銹防腐的作用。

核心3整體呈軸體結(jié)構(gòu)，其表面外周開設(shè)有用于水流通的流道，外周的流道可以是螺旋形、流線型或其他類型的流道結(jié)構(gòu)。核心3表面流道結(jié)構(gòu)是影響防垢除垢效果的另一個關(guān)鍵因素，為提高防垢除垢效果，應(yīng)保證流過的水體能夠最大程度地與核心接觸，使其沖刷合金核心3，同時應(yīng)該盡可能地保證流道阻力最小，減小對水流銷量的影響。本裝置的流道結(jié)構(gòu)應(yīng)保證水流的雷諾數(shù)在(30000，80000)范圍內(nèi)，即30000<(Re＝ρvd/η)<80000，在該范圍內(nèi)水在此類流道中流動時可受到一定的撞擊并產(chǎn)生渦流，從而將合金中的金屬電子離散以便與水中鈣鎂離子等結(jié)合，本實施例中優(yōu)選在(40000，70000)范圍內(nèi)，其吸附效果最佳。其中，v、ρ、η分別為流體的流速、密度與粘度,d為管道直徑。

本裝置核心3上的流道在一個實施例中為設(shè)置在核心外周表面的呈螺旋形的凹槽，凹槽寬度優(yōu)選是核心直徑的0.05-0.2倍，更優(yōu)選是0.1到0.15倍，螺旋線的螺旋角一般大于45°，優(yōu)選是大于55°，特別優(yōu)選是60-70°。上述尺寸和 角度的設(shè)計，可以使得水體能夠順暢地流經(jīng)核心表面，并能夠受到一定的撞擊以產(chǎn)生渦流，從而將合金中的金屬電子離散以便與水中鈣鎂離子等結(jié)合。上述凹槽寬度以及螺旋角的具體數(shù)值可以根據(jù)管道內(nèi)水流實際流速進行具體選擇設(shè)定。

本發(fā)明的另一個實施例中，核心3上的流道是在核心外周表面沿水流方向開鑿的凹槽，且使得核心表面上未開鑿的部分成為多個凸起，各凸起在沿水流方向上呈流線型結(jié)構(gòu)，使得水流可以自然流經(jīng)各凸起，并從而從核心表面流通，同時能夠激發(fā)渦流，將合金中的金屬電子離散以便與水中鈣鎂離子等結(jié)合。

該裝置中，流道的結(jié)構(gòu)的主要功能是減小流動阻力以及離散化水中微粒的作用。其首先保證水流通的面積與連接管道近似，同時避免過多產(chǎn)生局部壓力損失的結(jié)構(gòu)，例如不設(shè)計面積差異過大的流動結(jié)構(gòu)，不設(shè)計彎道尤其是小于90度的彎曲流道；其次，本實施例中，可通過CFD的仿真在額定流速下，其流道結(jié)構(gòu)使得水在流動時受到一定的撞擊產(chǎn)生渦流，從而將合金中的金屬電子離散，帶入水中，從而與水中鈣鎂離子發(fā)生吸附作用，使得離子體積變大，難以成為水垢沉積。本發(fā)明裝置的流道結(jié)構(gòu)，可以綜合減小阻力與產(chǎn)生離散化電子的渦流的特點，其能夠在盡量減小流阻的條件下獲得最佳的防垢除垢效果。

本發(fā)明的裝置由于內(nèi)部具有活化能量的合金核心3與合金材料的外殼2之間產(chǎn)生自主電勢，由于活化能量的合金核心3具有持續(xù)的離子化能力，同時核心3的特殊結(jié)構(gòu)不斷與流過的水摩擦產(chǎn)生大量電子，可以防止和消除管道內(nèi)產(chǎn)生的鐵銹和垢，同時還可以在管道內(nèi)壁形成類似一層厚度的保護膜，預(yù)防鐵銹的產(chǎn)生。

根據(jù)具體使用環(huán)境，本發(fā)明的水管除垢設(shè)備可以根據(jù)管道尺寸制成不同直徑(例如15mm～300mm)的接口法蘭，無需消耗電能，無需維護，壽命可達20年。

本發(fā)明的裝置可以應(yīng)用在諸如換熱器、鍋爐或者管道等領(lǐng)域的防垢除垢中。例如在換熱器中，由于換熱器的水垢主要產(chǎn)生在換熱集中的管路中，一旦產(chǎn)生水垢嚴重影響換熱效果和安全運行。將除垢裝置直接串聯(lián)安裝換熱器循環(huán)水系統(tǒng)的管道中，任意可便于安裝的位置均可。安裝完成后，在不影響任何原有水循環(huán)工況的情況下，換熱器的換熱表面以及換熱管道中不產(chǎn)生任何水垢，如果原來已經(jīng)有陳舊水垢，裝有除垢裝置的換熱器運行三個月后，水垢消除。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改 進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。