CN116062913A - 一种摩擦纳米发电机与铜基触媒合金协同防垢装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种摩擦纳米发电机与铜基触媒合金协同防垢装置，包括入口管、过渡管和出口管，所述过渡管一端与所述入口管固定连接，另一端与所述出口管固定连接，还包括若干个防垢片；所述防垢片是铜基触媒合金片与摩擦纳米发电机的耦合结构，所述铜基触媒合金片置于过渡管管体内，所述铜基触媒合金片的外壁与过渡管内壁贴合连接；所述铜基触媒合金片上设有若干个通孔和若干个安装孔，摩擦纳米发电机的固体摩擦材料结构镶嵌在所述安装孔内，并与流经过渡管的水溶液摩擦接触。本发明具有较强的防垢能力、易于安装、使用寿命长等特点，其在运行时无磁无电、无需添加化学药品，适用于浓缩倍数高、水质硬度大、高温、流体紊流等工况的结垢管路。
Description
技术领域
本发明涉及水系统的防垢处理领域，尤其涉及一种摩擦纳米发电机与铜基触媒合金协同防垢装置。
背景技术
目前换热设备水循环系统中应用广泛的防垢方法主要分为物理方法和化学方法。其中，化学方法主要有石灰软化、碱沉、碳化、酸化、离子交换软化、阻垢剂投入等。物理方法主要有静电水处理法、电子水处理法、磁化处理法、超声波除垢法等。
但化学方法较为传统，且药效直接、废液处理成本高，此外，化学药剂的投入会对环境造成伤害。采用物理方法进行防垢和除垢不会对环境造成伤害且除垢效果显著。但物理方法所需能量较大，工程施工繁杂，运用场所受限制较大。
发明内容
本发明提供一种摩擦纳米发电机与铜基触媒合金协同防垢装置，以克服循环水系统中的换热设备表面和管道等结垢问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种摩擦纳米发电机与铜基触媒合金协同防垢装置，包括入口管、过渡管和出口管，所述过渡管一端与所述入口管固定连接，另一端与所述出口管固定连接，还包括若干个防垢片；所述防垢片是铜基触媒合金片与摩擦纳米发电机的耦合结构，所述铜基触媒合金片置于所述过渡管管体内，所述铜基触媒合金片的外壁与所述过渡管内壁贴合连接；
所述铜基触媒合金片上设有若干个通孔和若干个安装孔，所述摩擦纳米发电机的固体摩擦材料结构镶嵌在所述安装孔内，并与流经过渡管的水溶液摩擦接触。
进一步地，所述固体摩擦材料结构为块状聚四氟乙烯固体。
进一步地，所述通孔为圆形通孔，所述安装孔为方形孔，所述通孔与所述安装孔连通。
进一步地，所述防垢片相互平行，均匀间隔设置在所述过渡管内。
进一步地，所述防垢片间设有垫圈，所述垫圈为中空圆柱体结构，所述垫圈外壁与所述过渡管内壁贴合，所述垫圈端面与所述防垢片贴合。
进一步地，所述入口管与所述过渡管通过法兰盘固定连接，所述过渡管与所述出口管焊接固定，所述入口管与所述出口管通过法兰盘连接接入管路中。
进一步地，所述过渡管的内径长度大于所述入口管与出口管的内径长度。
有益效果：本发明将由水溶液、块状聚四氟乙烯固体组成的摩擦纳米发电机与铜基触媒合金片耦合而成的防垢片置于管道内，防止管道产生水垢，从而保证管道的导热率和安全性，该装置防垢效果显著、不伤害环境的同时操作不复杂、易于应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中防垢片的结构示意图；
图2为本发明中通孔和块状聚四氟乙烯固体分布细节示意图；
图3为本发明中垫圈的示意图；
图4为本发明中防垢片与垫圈的摆放示意图；
图5为本发明的立体结构示意图；
图6为本发明的内部结构示意图；
图7为钙离子浓度随时间变化图；
图8为阻垢率随温度变化图。
图中：1、入口管；2、过渡管；3、出口管；4、防垢片；41、铜基触媒合金片；42、摩擦纳米发电机；43、通孔；44、安装孔；45、块状聚四氟乙烯固体；5、垫圈。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
使用铜基触媒合金片的防垢方法是近几年新兴起的方法，它可以通过在水中形成微电场和析出金属离子来进行防垢，是一种全新的、纯物理的、微电化学的除垢阻垢方法，但是该方法的缺点是起效时间较长，且防垢效果较差，受成本和尺寸的限制，性能的提高受到极大的挑战；固-液摩擦纳米发电机可以利用固体表面与液体之间摩擦产生的电荷，在水中形成微电场，申请人在实践中发现如果将两者融合进行协同防垢，将大幅增强铜基触媒合金片在水中产生的电场强度，增强合金表面对水中离子的影响，提高装置的阻垢率。同时铜基触媒合金作为电极材料，能够大幅延长固-液摩擦纳米发电机的使用寿命，减少装置的制作成本，简化制作工艺。
本实施例提供了一种摩擦纳米发电机与铜基触媒合金协同防垢装置，如图1至图6所示，包括入口管1、过渡管2、出口管3以及若干个防垢片4，所述过渡管2一端与所述入口管1固定连接，另一端与所述出口管3固定连接；所述防垢片4是铜基触媒合金片41与摩擦纳米发电机42的耦合结构，所述铜基触媒合金片41置于所述过渡管2管体内，所述铜基触媒合金片41的外壁与所述过渡管2内壁贴合连接；所述铜基触媒合金片41上设有若干个通孔43和若干个安装孔44，所述摩擦纳米发电机42的固体摩擦材料结构镶嵌在所述安装孔44内，并与流经所述过渡管2的水溶液摩擦接触。所述固体摩擦材料结构为块状聚四氟乙烯固体45。
具体地，本实施例中将流经协同防垢装置的水溶液作为固-液摩擦纳米发电机42液体摩擦材料，选用块状聚四氟乙烯固体45作为固体摩擦材料，铜基触媒合金作为电极材料，形成摩擦纳米发电机42与铜基触媒合金片41的耦合结构作为防垢片4实现防垢功能。当水溶液经过防垢装置时，块状聚四氟乙烯固体45在水溶液的冲刷下发生电子转移具有电负性，作为负电极，由于静电感应原理，其周围铜基触媒合金片41产生感应正电势，作为正电极，此时水中离子分别向带相反电荷的电极迁移，被该电极吸附并储存在双电层内，水中易结垢离子Ca2+与
等分别储存在正负电极附近的吸附层内，大大减少了易结垢离子的结合，从而增强了防垢效果。
所述通孔43为圆形通孔，所述安装孔44为方形孔，所述通孔43与所述安装孔44连通。具体地，如图1所示，若干圆形通孔43均匀的分布在铜基触媒合金片41上，与所述通孔43连通设有安装孔44，安装孔44内嵌有块状聚四氟乙烯固体45且块状聚四氟乙烯固体45一侧为弧形，块状聚四氟乙烯固体45弧形一侧接入通孔43中，与通孔43对应匹配，实际中，在铜基触媒合金片41上设置一个大直径的通孔43与安装孔44同样可以使水溶液流经通孔43时与块状聚四氟乙烯固体45摩擦，但是对水溶液流速影响较小，本实施例中，优选地，在铜基触媒合金片41上设置若干个通孔43与若干个安装孔44，多个孔的设置将水流通道变窄，因此当水溶液流经通孔43时，水溶液流速急速升高，与镶嵌在所述安装孔44里的块状聚四氟乙烯固体45进行高速摩擦，可以更好的促进电荷转移，同时铜基触媒合金片41的高导电性可以更好的感应出较高的电势，在水中形成静电场，实现防垢功能；实际中，通孔43与安装孔44可以分开设置在铜基触媒合金片41上，流通过渡管2的水溶液仍会与块状聚四氟乙烯固体45摩擦发生电荷转移，但由于在通孔43附近水溶液流速最快，为使摩擦纳米发电机42转移更多电荷，本实施例中，优选地，将通孔43与安装孔44连通设置。
所述防垢片4相互平行，均匀间隔设置在所述过渡管2内；所述防垢片4间设有垫圈5，所述垫圈5为中空圆柱体结构，所述垫圈5外壁与所述过渡管2内壁贴合，所述垫圈5端面与所述防垢片4贴合。具体地，如图3和图4所示，所述防垢片4与所述垫圈5依次均匀地设置在过渡管2管体内，垫圈5与防垢片4间隔排列形成的流通腔体有利于高度紊流的形成，从而增加摩擦阻力，强化防垢反应过程，达到更好的防垢效果；所述过渡管2内壁与所述防垢片4的外壁以及所述垫圈5的外壁贴合，保证防垢片4与垫圈5在过渡管2管体内的稳固性，防垢片4与垫圈5之间紧密贴合，同时在过渡管2内靠近入口管1的一端先设置防垢片4，保证当水溶液从入口管1流入过渡管2时先与防垢片4接触并摩擦块状聚四氟乙烯固体45，此结构充分利用了过渡管2内的空间，使防垢装置能够充分发挥防垢功能。
所述入口管1与所述过渡管2通过法兰盘固定连接，所述过渡管2与所述出口管3焊接固定，所述入口管1与所述出口管3通过法兰盘连接接入管路中。具体地，入口管1的端部设有法兰连接部，过渡管2端部设有与入口管1对应的法兰连接部，通过螺栓将入口管1与过渡管2的法兰连接部固定连接，在过渡管2端部设置法兰连接部，方便后续检维修时防垢片4的快速更换和清洗以及防垢装置的排污。
所述过渡管2的内径长度大于所述入口管1与出口管3的内径长度。具体地，过渡管2相较于入口管1和出口管2的内径偏大，相差尺寸为垫圈5的厚度，当水流经过时，使垫圈5与防垢片4能够保持位置不变，保证防垢过程顺利进行。
实施例1：
本实施例设置6片防垢片4，6个垫圈5，防垢片4与垫圈5间隔排布在过渡管2管体内部；
防垢片4的直径为80mm，防垢片4的厚度为10mm，防垢片4上均匀分布36个圆形通孔43，每个通孔43直径为10mm；块状聚四氟乙烯固体45宽度为6mm，长度为4mm；
垫圈5宽度为50mm，即防垢片4之间相隔50mm。
通过数值仿真分析和实验研究本实施例的防垢效果如下：
1、实验方案
实际水处理过程中，是在水溶液不断循环的情况下进行的，所以为更贴近实际应用来研究摩擦纳米发电机42与铜基触媒合金片41耦合而成的防垢片4、铜基触媒合金防垢片的机理和防垢效果，以动态水循环实验来检测两种防垢片在不同时间、温度下的防垢效果。实验中拟进行如下分析：
(1)剩余钙离子浓度
在普通水中所含离子等不明杂质较多，结垢的成份复杂，但大多数情况下水垢的重要成分是碳酸钙，为分析完善两种防垢方法对碳酸钙结垢的阻碍作用，本实验以模拟硬水为检测和分析研究对象来进行研究，即配置一定浓度的碳酸钙溶液进行循环。当钙离子与碳酸根结合形成水垢，溶液中钙离子数目会减少，因此溶液中剩余钙离子的浓度可以间接反映防垢效果。
(2)阻垢率
实验参照石油天然气行业标准SY/T5673-93中抑制硫酸钙垢形成标准的方法，采用挂片法在循环水箱中进行。阻垢率的计算公式为：
式中：E为阻垢率，％；
Δm1为未经合金处理的结垢质量，g；Δm2为经合金处理后的结垢质量，g。
2、实验主要参数的确定
影响结垢和腐蚀的因素较多，为使实验能够准确、可靠，完成对机理的验证和完善，结合模拟水实验循环装置对影响水循环实验的主要参数：水的硬度、水速、保温温度进行设定，同时也是为对比实验设置相同的条件。
(1)硬度的选择GB/T19923-2005工业水水质标准中规定，总硬度(以CaCO3计)应小于450mg/L(4.5mmol/L)，高硬度水为320～400mg/L。当硬度过高时，将形成颗粒污垢，虽然能够加速结垢，缩短实验时间，但是实际工业中没有意义；当硬度过低时，钙离子变化小，实验测量较为困难，故本实验中只选取了具有代表性的硬度：340mg/L(3.4mmol/L)代表硬度水。实验水的配置参照标准SYT0600-1997油田水结垢趋势预测和SYT0600-1997油田水结垢趋势预测。
(2)流速的选择对水垢的产生有很大影响，流速不同，实验水与两种防垢片的接触时间不同，阻垢效果也可能有所不同。本实验选择在实验水流速为80m/h的条件下进行。
(3)温度的选择是结垢的重要因素之一，工业生产中的结垢现象经常发生在热交换的情况下，如热交换冷却系统。故本实验中使实验水在高温条件下循环逐渐向常温冷却来进行实验。随着温度的降低，溶液析出的晶体沉淀会进一步溶解，严重影响钙离子浓度，实际中工业冷却塔高温多为70℃，故本实验选择的温度范围为20～70℃。
3、实验步骤
3.1铜基触媒合金片防垢实验具体步骤按照以下进行：
(1)实验前分别用自来水、蒸馏水清洗系统，以蒸馏水在循环系统内做试循环，检测循环系统，清除系统内杂质，放掉试循环水；
(2)设定流量，配置试验用试剂和模拟硬水；
(3)溶液配制好后，倒入水箱，在工具中放入合金试样和测试挂片，打开水泵开始循环实验，并记录时间；根据设定的时间分别取溶液试样，测定钙离子浓度，实验后放掉循环水，取出测试挂片，称量挂片质量；
(4)模拟硬水循环实验结束后，收集水箱底和溶液中漂浮的污垢，进行扫描电镜观察；
3.2摩擦纳米发电机与铜基触媒合金片协同防垢实验具体步骤按照以下进行：
(1)实验前分别用自来水、蒸馏水清洗系统，以蒸馏水在循环系统内做试循环，检测循环系统，清除系统内杂质，放掉试循环水；
(2)设定流量，配置试验用试剂和模拟硬水；
(3)溶液配制好后，倒入水箱，在工具中放入耦合结构试样和测试挂片，打开水泵开始循环实验，并记录时间；根据设定的时间分别取溶液试样，测定钙离子浓度，实验后放掉循环水，取出测试挂片，称量挂片质量；
(4)模拟硬水循环实验结束后，收集水箱底和溶液中漂浮的污垢，进行扫描电镜观察；
4.实验数据分析
(1)钙离子浓度随时间变化
在恒温70℃、流速80m/h条件下，每隔一小时对两组水循环中的钙离子浓度进行检测，检测数据如图7所示。随着时间变化，空白水样中水中的钙离子与碳酸根离子结合形成碳酸钙水垢，致使钙离子浓度不断降低后趋于平缓；经过合金防垢处理的水样相较于空白水样，钙离子浓度下降速率减慢，且钙离子浓度下限值升高。而经过协同防垢处理后的水样，不仅钙离子浓度下降速率大幅减慢，钙离子浓度下限值相较于合金防垢处理后的水样增高约0.5mmol/L。
(2)阻垢率随温度变化
在流速80m/h条件下，每提高10摄氏度，水循环工作10小时后，测量水循环的系统中的防垢率，检测数据如图8所示。随着温度的升高，两种防垢方法的阻垢率都有一定程度的降低。相较于合金防垢的阻垢率，协同防垢阻垢率高约10％，表明新增加的摩擦纳米发电机的存在显著增强了防垢片的防垢效果。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种摩擦纳米发电机与铜基触媒合金协同防垢装置，包括入口管(1)、过渡管(2)和出口管(3)，所述过渡管(2)一端与所述入口管(1)固定连接，另一端与所述出口管(3)固定连接，其特征在于：还包括若干个防垢片(4)；
所述防垢片(4)是铜基触媒合金片(41)与摩擦纳米发电机(42)的耦合结构，所述铜基触媒合金片(41)置于所述过渡管(2)管体内，所述铜基触媒合金片(41)的外壁与所述过渡管(2)内壁贴合连接；
所述铜基触媒合金片(41)上设有若干个通孔(43)和若干个安装孔(44)，所述摩擦纳米发电机(42)的固体摩擦材料结构镶嵌在所述安装孔(44)内，并与流经过渡管(2)的水溶液摩擦接触。
2.根据权利要求1所述的一种摩擦纳米发电机与铜基触媒合金协同防垢装置，其特征在于：所述固体摩擦材料结构为块状聚四氟乙烯固体(45)。
3.根据权利要求1所述的一种摩擦纳米发电机与铜基触媒合金协同防垢装置，其特征在于：所述通孔(43)为圆形通孔，所述安装孔(44)为方形孔，所述通孔(43)与所述安装孔(44)连通。
4.根据权利要求1所述的一种摩擦纳米发电机与铜基触媒合金协同防垢装置，其特征在于：所述防垢片(4)相互平行，均匀间隔设置在所述过渡管(2)内。
5.根据权利要求4所述的一种摩擦纳米发电机与铜基触媒合金协同防垢装置，其特征在于：所述防垢片(4)间设有垫圈(5)，所述垫圈(5)为中空圆柱体结构，所述垫圈(5)外壁与所述过渡管(2)内壁贴合，所述垫圈(5)端面与所述防垢片(4)贴合。
6.根据权利要求1所述的一种摩擦纳米发电机与铜基触媒合金协同防垢装置，其特征在于：所述入口管(1)与所述过渡管(2)通过法兰盘固定连接，所述过渡管(2)与所述出口管(3)焊接固定，所述入口管(1)与所述出口管(3)通过法兰盘连接接入管路中。
7.根据权利要求6所述的一种摩擦纳米发电机与铜基触媒合金协同防垢装置，其特征在于：所述过渡管(2)的内径长度大于所述入口管(1)与出口管(3)的内径长度。
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| CN207748924U (zh) * | 2017-12-22 | 2018-08-21 | 天齐锂业(射洪)有限公司 | 一种铜基触媒器以及空压机冷却器防垢管路连接结构 |
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| CN114195271A (zh) * | 2021-12-03 | 2022-03-18 | 大连海事大学 | 一种基于仿生型摩擦纳米发电机的防垢装置及实验方法 |
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