TWI532963B

TWI532963B - And a line scale reduction device for a circulating water system of a cooling water tower having an electrolyzed water generation unit

Info

Publication number: TWI532963B
Application number: TW102139139A
Authority: TW
Inventors: Shuo Jen Lee; zhen-wei Zhang; zheng-xiang Xie
Original assignee: Shuo Jen Lee
Priority date: 2013-10-29
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2016-05-11
Also published as: TW201516358A

Description

具有電解水生成部之冷卻水塔循環水系統之管路水垢降低裝置

本發明係有關一種具有電解水生成部之冷卻水塔循環水系統之管路水垢降低裝置，尤指一種兼具溶垢效果佳對人體及環境皆無害、可精確控制其酸水產生之條件、可設定清除水垢的時間，與無需停止冷卻水塔循環水系統相當方便之具有電解水生成部之冷卻水塔循環水系統之管路水垢降低裝置。

現今多數之事業單位(如工廠、商業大樓、餐廳、大型商場、百貨公司、娛樂場所、圖書館、醫院等)皆有設置冷卻水塔(Cooling Tower)，其目的是藉由水作為吸收熱之介質來使空調或冷卻負載之設備降溫。然而不當的操作維護，除了無法節省冷卻水塔之耗水量，亦引發其系統產生結垢(scaling)，因而降低熱傳導效率，以致造成耗能，使冷卻循環水塔常需清洗或保養，每次的停機保養，都造成企業廠商一筆可觀的開銷。

當水加熱溫度昇高時，水中之鈣鹽，鎂鹽所生成之微小晶體沉降析出，累積附著在管壁和熱交換表面而形成水垢。據一般估計，當水垢厚度每增加0.3mm時，會多浪費10%之能量。為了節省能源，絕不可讓系統內積存水垢。

如表A所示，係為水垢厚度對於熱交換之影響程度，依水垢厚度的不同可以發現其熱交換程度、熱交換損失、電力損耗程度都有所變化。

為解決目前水循環系統之水垢沉積問題，以往水循環系統之水垢處理方式，大都以化學投藥達到殺菌、滅藻及除垢。

但是，使用化學投藥的背後，同時也造成了環境汙染及對於設備維護人員的健康也有所影響，無法有效根治水垢沉積於管壁問題。

因此，有必要研發新技術，以解決上述缺點及問題。

本發明之目的，在於提供一種具有電解水生成部之冷卻水塔循環水系統之管路水垢降低裝置，其兼具溶垢效果佳對人體及環境皆無害、可精確控制其酸水產生之條件、可設定清除水垢的時間，與無需停止冷卻水塔循環水系統相當方便等優點。特別是，本發明所欲解決之問題係在於傳統化學投藥方式易造成環境污境、有害人體健康，且無法有效根治水垢沉積於管壁等問題。

解決上述問題之技術手段係提供一種具有電解水生成部之冷卻水塔循環水系統之管路水垢降低裝置，其包括：一冷卻水塔循環水系統，係具有：一冷卻水塔，係設有一水塔入口、一通風部、一儲水部及一水塔出口；該水塔入口係供一水液流入該冷卻水塔；該通風部係用以使外部空氣流進與流出該冷卻水塔，而對該水塔入口流出之該水液進行冷卻，冷卻後之該水液係掉落該儲水部內，該水塔出口係供該儲水部內之水液排出；一冷卻水管路，係連通該水塔出口及該水塔入口，用以導出與導入該水液；一散熱部，係設於該冷卻水管路上，並介於該水塔出口及該水塔入口之間，用以藉流過之冷卻的水液進行散熱；一加壓裝置，係設於該冷卻水管路上，用以強制水液於該冷卻水管路內流動；一電解水生成部，係具有一電源裝置、一電解水反應器、一隔膜、一陰極、一陽極及一酸性水供應部；該電源裝置係具有一正極及一負極，分別電性連接該陰極與該陽極，該電解水反應器係用以容納一工作液，該隔膜係插入該電解水反應器且接觸該工作液，用以將該電解水反應器間隔成一第一區及一第二區，該陰極係浸入該第一區，該陽極係浸入該第二區，該酸性水供應部係連通該第一區及該冷卻水管路；藉此，當該電源裝置供電後，該電解水反應器用以進行電解水反應，該第一區內之工作液概呈酸性之工作液，而該第二區內之工作液概呈鹼性之工作液；酸性之工作液係透過該酸性水供應部供入該冷卻水管路中，達到提高該冷卻水管路內部之水垢溶解率而能降低該冷卻水管路中之水垢之產生機率。

本發明之上述目的與優點，不難從下述所選用實施例之詳細說明與附圖中，獲得深入瞭解。

茲以下列實施例並配合圖式詳細說明本發明於後：

10‧‧‧冷卻水塔循環水系統

11‧‧‧冷卻水塔

111‧‧‧水塔入口

112‧‧‧通風部

113‧‧‧儲水部

114‧‧‧水塔出口

12‧‧‧冷卻水管路

13‧‧‧散熱部

14‧‧‧加壓裝置

20‧‧‧電解水生成部

21‧‧‧電源裝置

211‧‧‧正極

212‧‧‧負極

22‧‧‧電解水反應器

221‧‧‧第一區

222‧‧‧第二區

23‧‧‧隔膜

24‧‧‧陰極

25‧‧‧陽極

26‧‧‧酸性水供應部

261‧‧‧閥

30‧‧‧中央系統

31‧‧‧管中pH值感知器

311‧‧‧pH值訊號

32‧‧‧電壓調整部

33‧‧‧控制部

91‧‧‧水液

92‧‧‧工作液

L1‧‧‧第一曲線

L2‧‧‧第二曲線

L3‧‧‧第三曲線

L4‧‧‧第四曲線

L5‧‧‧第五曲線

L6‧‧‧第六曲線

L7‧‧‧第七曲線

L8‧‧‧第八曲線

L9‧‧‧第九曲線

L10‧‧‧第十曲線

L11‧‧‧第十一曲線

L12‧‧‧第十二曲線

L13‧‧‧第十三曲線

L14‧‧‧第十四曲線

L15‧‧‧第十五曲線

第一圖係空調系統之散熱裝置之示意圖

第二圖係第一圖之冷卻液流通之示意圖

第三圖係本發明之示意圖

第四圖係本發明之不同的電解時間下之電壓與pH值間關係之示意圖

第五圖、第六圖及第七圖係分別為本發明之表示在不同電極間距與電壓下之電解水之pH值與時間關係之示意圖

第八圖係本發明之表示在不同電解功率下隨著電解時間的增加之時間與pH值間關係之示意圖

第九圖係本發明之溶解前、後之溶解率(ppm)之示意圖

參閱第一、第二及第三圖，本發明係為一種具有電解水生成部之冷卻水塔循環水系統之管路水垢降低裝置，其包括：一冷卻水塔循環水系統10，係具有：一冷卻水塔11，係設有一水塔入口111、一通風部112、一儲水部113及一水塔出口114；該水塔入口111係供一水液91流入該冷卻水塔11；該通風部112係用以使外部空氣流進與流出該冷卻水塔11，而對該水塔入口111流出之該水液91進行冷卻，冷卻後之該水液91係掉落該儲水部113內，該水塔出口114係供該儲水部113內之水液91排出；一冷卻水管路12，係連通該水塔出口114及該水塔入口111，用以導出與導入該水液91；一散熱部13，係設於該冷卻水管路12上，並介於該水塔出口14及該水塔入口111之間，用以藉流過之冷卻的水液91進行散熱；一加壓裝置14，係設於該冷卻水管路12上，用以強制水液91於該冷卻水管路12內流動；一電解水生成部20，係具有一電源裝置21、一電解水反應器22、一隔膜23、一陰極24、一陽極25及一酸性水供應部26；該電源裝置21係具有一正極211及一負極212，分別電性連接該陰極24與該陽極25，該電解水反應器22係用以容納一工作液92，該隔膜23係插入該電解水反應器22且接觸該工作液92，用以將該電解水反應器22間隔成一第一區221及一第二區222，該陰極24係浸入該第一區221，該陽極25係浸入該第二區222，該酸性水供應部26係連通該第一區221及該冷卻水管路12；藉此，當該電源裝置21供電後，該電解水反應器22用以進行電解水反應，該第一區221內之工作液92概呈酸性之工作液，而該第二區222內之工作液92概呈鹼性之工作液；酸性之工作液92係透過該酸性水供應部26供入該冷卻水管路12中，達到提高該冷卻水管路12內部之水垢溶解率而能降低該冷卻水管路12中之水垢之產生機率。

實務上，該通風部112概呈網狀結構。

該散熱部13可為空調系統之散熱裝置(如第一及第三圖所示)，或是任何需要散熱之裝置均可。

該加壓裝置14可為公知抽水馬達，並介於該水塔出口114與該散熱部13之間。

該電源裝置21可為電池或是電源供應器。

該酸性水供應部26可為供液管路。且可再包括一閥261，可為機械閥結構或是電子閥結構，用以啟動與關閉該酸性水供應部26，並可依實際需求而控制酸性之工作液92之供應量。

該酸性水供應部26連通該冷卻水管路12的該端，係介於該水塔出口114與該散熱部13之間，且以接近該水塔出口114為較佳，可得到較優之除水垢或是降低水垢效果。

當然，本案可以再包括：一中央系統30，係具有一管中pH值感知器31、一電壓調整部32及一控制部33；該管中pH值感知器31係伸入而用以即時偵測該冷卻水管路12中之pH值，並產生一pH值訊號311；該電壓調整部32用以調整該電源裝置21之電壓變大與變小，該控制部33係擷取該pH值訊號311，並依據該pH值訊號311之變大與變小，而透過該電壓調整部32，調整該電源裝置21之電壓值。舉例來講，當該pH值訊號311變大(代表該工作液92酸性變強)與變小(代表該工作液92酸性變弱)，則分別控制該電源裝置21之電壓變小(降低電解反應，減少酸性)與變大(增加電解反應，增加酸性)。

更佳的是，當該冷卻水管路12中之pH值低於一目標區間時，該控制部33係透過該電壓調整部32，使該電源裝置21之電壓升高，以使該冷卻水管路12中之pH值升高至該目標區間；當該冷卻水管路12中之pH值高於該目標區間時，該控制部33係透過該電壓調整部32，使該電源裝置21之電壓降低，以使該冷卻水管路12中之pH值降低至該目標區間；又，該目標區間係為pH值介於3至6之間；當然，更優選的範圍是pH值介於4至5之間。

在本實施例下，本案可以透過回饋機制而自動維持該冷卻水管路12之pH值於一較佳溶解率之情況，有利於自動穩定的控制水垢之生成機率。

本發明之使用方式係如下所述：參閱第一圖，該冷卻水塔循環水系統10，主要是以該水液91於冷卻水管路12內循環流動而用以散熱，其散熱流程：啟動該加壓裝置14→強制水液91從該水塔出口114被導入該冷卻水管路12→水液91從該水塔出口114經該加壓裝置14流向該散熱部13→水液91於散熱部13吸收熱而降低散熱部13之熱量→水液91從散熱部13流向水塔入口111→水液91從冷卻水管路12經水塔入口111流進冷卻水塔11→水液91流進冷卻水塔11的過程由通風部112進行散熱冷卻→散熱冷卻後的水液91掉落於儲水部113內，以供被導出而進行循環散熱。

而水液91於該冷卻水管路12內流動一段時間，便會產生水垢(長時間下來會堵塞冷卻水管路12)，此時可依實際狀況(例如經設備廠商實驗，每隔一個月供入酸性液以去除或是減少水垢)，啟動該電源裝置21，使該電解水反應器22進行電解水反應，使該第一區221內之工作液92呈酸性，再啟動該閥261，對該冷卻水管路12供入適量酸性之工作液92，並藉水液91流通帶動，達到提高該冷卻水管路12內部之水垢溶解率而能降低該冷卻水管路12中之水垢之產生機率(與檸檬酸可除水垢同理)。

在此要特別說明的部分，是關於本案之運作原理與實驗之佐證：關於電解水之生成過程，如第三圖所示，在該電源裝置21輸出之直流電流的作用下，兩極會發生化學反應，這種過程稱之為電解。電解是將電能轉化成化學能的過程。電解水處理過程中所發生的化學變化與水中的化學組成、物質濃度、電極材料等因素密切相關，兩極上析出物質的量和通過電量成正比。

在水處理中，針對具有不同化學組成的水質條件，通過改變不同的電極材料、電極佈置方式、反應室結構、電極作用過程和催化氧化還原措施等，可以獲得不同的電解淨水效果。

電解過程中典型的化學反應如下(習知技術)：陰極附近生成氫氣：2H₂O+2e-=H²+2OH-

CO₂+OH-=HCO₃ ^-

HCO₃ ^--+OH-=CO₃ ²-+H₂O

Ca²⁺鈣離子可能形成

氫氧化鈣：Ca(OH)₂(水垢)

碳酸鈣：CaCO₃(水垢)

陽極附近生成氧氣

4OH^-=O₂+2H₂O+4e-

於電解水反應過程中可以得知水體中造成水體硬度之主要因子為鈣、鎂離子，於水中將形成氫氧化鈣(鎂)、碳酸鈣(鎂)、碳酸氫鈣(鎂)。此外，可以從水化學(Water Chemistry)之教科書中可以得知：其碳酸水溶液於pH值較小之狀況下，水溶液中之碳酸鈣、鎂(所謂之水垢)解離為碳酸、鈣、鎂、碳酸氫根離子狀態，也就等同於暫時水解離之狀態，故將酸性水注入系統，將其水循環設備之管路水垢溶解，使其碳酸鈣解離為碳酸氫鈣之暫時硬水。

關於本案之電解溶垢特性及參數實驗：首先針對電解水之相關操作參數(如下表1所示)做實驗規劃，其中電解水操作條件當中將針對電解功率、電解時間、電極間距作為本實驗之可控制因子進行實驗規劃，電解水之初步實驗將以批次方式進行，調配此三種可控因子對於產出水體之pH值之影響。

首先將調整電極間距、置入鈦白金電極，並完成槽體組裝，將水注入電解槽體。將電極連接電源裝置供應器，分別改變電解參數(電解時間、電解功率)等因子，之後取出水體，進行水質檢測，量測並記錄其pH值。重複以上步驟，整理並分析數據，理解其電解參數與pH值之關係。

本研究經實驗分析其操作參數對於pH值之關係，後續將對於自製電解水之酸性水體與檸檬酸水溶液做溶垢特性分析，其中包含電解水產出之各pH值之水體，與不同濃度、pH值之檸檬酸水溶液量測對應(如下表2所示)，並比較相同pH值下對於碳酸鈣溶解前後的各項數據，用以分析自製電解水對於水垢所造成的影響及電解水操作參數的制定。

使用自製電解水產出電解酸性水，透過調配參數產出pH值各為：3、4、5、6、7之酸性水體一公升後，先進行水質檢測，量測其pH值、導電度、電阻、TDS、水體總硬度，之後便添加0.2g之CaCO₃粉末固體，使整體實驗均為CaCO₃過飽和狀態進行溶解度測試，經過磁石攪拌15分鐘，使其均勻溶解後靜置15分鐘後再進行水質檢測，量測並記錄數據。

後續接著，使用檸檬酸調配0.005M、0.01M兩種濃度之水溶液，再使用氫氧化鈉調整溶液之pH值各為：3、4、5、6，進行水質檢測，量測其pH值、導電度、電阻、TDS、水體總硬度，之後便添加0.2g之CaCO₃粉末固體，使整體實驗均為CaCO₃過飽和狀態進行溶解度測試，經磁石攪拌15分鐘，使其均勻溶解後靜置15分鐘後再進行水質檢測，量測並記錄數據。

關於本案之電解溶垢特性分析：將進行電解水之參數(電解功率、電解時間、電極間距)研究評估，探討操作參數與產出電解水酸鹼值之趨勢，接著對於各酸鹼值電解水及檸檬酸水溶液進行碳酸鈣溶解度測試，評估各酸鹼值與溶垢特性。

於相同電極間距下進行電解，由表3及第四圖得知在不同的電解時間下，呈現於20、40、60sec，電解功率高於40~50伏後均能使pH值達到介於3~4之間。

第四圖係為不同的電解時間下之電壓與pH值間關係之示意圖；其中，不同時間下之：L1代表第一曲線，時間=20秒；L2代表第二曲線，時間=40秒； L3代表第三曲線，時間=60秒。

於固定電解功率情況下，由於法拉第電解定律之電流電壓成正比相關，故數據圖表呈現無論在20、40、60sec，電極間距較窄之電解效果相對較佳，因其電極間阻值較小，使得電解效率較佳。

表4、第五圖、第六圖及第七圖表示在不同電極間距與電壓下之電解水之pH值與時間關係之示意圖。

在第五圖中：L4代表第四曲線，極間距=15mm，電壓=30V；L5代表第五曲線，極間距=15mm，電壓=60V；在第六圖中：L6代表第六曲線，極間距=20mm，電壓=30V； L7代表第七曲線，極間距=20mm，電壓=60V；在第七圖中：L8代表第八曲線，極間距=25mm，電壓=30V；L9代表第九曲線，極間距=25mm，電壓=60V。

於固定電極間距情況下，不同電解功率下，隨著電解時間的增加，數據圖表(表5)及第八圖之pH值呈現也隨之逐漸遞減，電解功率於50~60伏特之上時，能使pH值介於3~4，較符合本研究pH值望小之目標。

第八圖表示在不同電解功率下隨著電解時間的增加之時間與pH值間關係之示意圖。

L10代表第十曲線，電壓=30V；L11代表第十一曲線，電壓=50V；L12代表第十二曲線，電壓=60V；L13代表第十三曲線，電壓=80V。

由此可知，當電壓越高時，所產出之酸性水之pH值越低，可低至3.0左右，當電壓再50V、60V及80V時，經60秒後，其pH值分別為4.085、3.400與3.061，均落於pH3至pH4之間，因此，可利用調整電壓之大小來控制酸性水之pH值。

由檸檬酸水溶液做溶解度實驗(如表6及第九圖所示)，於0.005M兩濃度下，數據分析其溶解前、後之ppm差值，得到之趨勢均為pH值越低之情況下，其水體總硬度量測均有較佳之溶解能力。

第九圖係為溶解前、後之溶解率(ppm)之示意圖；其中，不同pH值條件下之：L14代表第十四曲線，代表溶解前；L15代表第十五曲線，代表溶解前。

由此可證，當pH值越低之情況下，其水體總硬度量測均有較佳之溶解能力，而本案巧妙的應用電解水生成之酸性水，可有效降低對冷卻水管之內壁生成水垢之情形。

本發明之優點及功效係如下所述：

[1]溶垢效果佳對人體及環境皆無害。由於本案利用電解水生成之酸性水，可食用，對人體無害、亦不污染環境。本案之酸性水可導入冷卻水管路中，因此，冷卻水管路之內壁面所生成的水垢有較佳之溶解率，同時亦可有效降低水垢於冷卻水管路中之生成，並可避免習知投藥方式對環境汙染與影響設備維護人員之健康。

[2]可精確控制其酸水產生之條件。由於本案之電解水生成部之電壓高低十分容易控制，因此，酸性水之導入量與pH值可以精確的控制。

[3]可設定清除水垢的時間。本發明可將酸性水供應部上之閥設為電子式(當然，機械式亦可控制，依實際設備之設計而定)，配合時間自動啟動清除水垢。

[4]無需停止冷卻水塔循環水系統相當方便。本發明只需控制冷卻水管路中供入之酸性水的量及時間即可，由於可設計為自動控制，且酸性水對人體無害。故除水垢的過程，完全不需停止冷卻水塔循環水系統，無需耗費管路清洗時間，相當方便。故，無需停止冷卻水塔循環水系統相當方便。

以上僅是藉由較佳實施例詳細說明本發明，對於該實施例所做的任何簡單修改與變化，皆不脫離本發明之精神與範圍。