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2023-06-19
高压静电场水处理器的应用及工作原理
【摘要】：高压静电场处理是给水体施加恒定的高压静电场，多用于水温较高、压力较大的低硬度的水处理系统。高压静电场水处理器腔内的静电场由离子棒与金属水管之间形成。高压静电场水处理器腔内可以看作一个共轴柱面电容器，根据电磁学基本理论，利用电位函数的拉普拉斯方程，采用柱面坐标系，计算PTFE和循环冷却水两种介质电场强度分布的表达式。
高压静电场处理是给水体施加恒定的高压静电场，多用于水温较高、压力较大的低硬度的水处理系统。目前，应用较多的是管式电极（离子棒）技术。离子棒水处理器是水处理领域中一种新型设备，最初由加拿大约克能源公司研制成功，在北美、欧洲等工业发达国家被广泛使用，20世纪90年代引入我国，在电力、钢铁、石化等工业循环水及空调系统使用，取得满意的效果，被喻为水处理技术的一次革命。
高用静电场水处理器是一根管状电极棒（离子棒），以及外设的高压发生器、耐高压绝缘导线和金属输水管所组成，高用静电场水处理器如图7-3所示。
图7-3 高压静电场水处理器结构图
离子棒表面覆有聚四氟乙烯（PTFE）绝缘层，两端设置绝缘端帽，内部电极由不锈钢制成，并固定于管状电极中心。处理器一端为锥管螺纹接口，使用时直接固定在水处理系统管道的接口内螺纹上，这样就可以把管道外壁当作水处理器的一个电极。安装时为避免沉积物沉淀在水处理器上，最好选择垂直安装，压盖在上部，由水处理器的下端进水，上端出水。
高压静电场水处理器腔内的静电场由离子棒与金属水管之间形成。场强方向由离子棒中心阳极指向金属水管负极，呈辐射状分布。电场分布情况如图7-4所示。
图7-4 高压静电水处理器腔内电场强度分布
1—电场线 2—离子棒中心电极 3—金属管壁 4—聚四氟乙烯绝缘层
PTFE是各相同性的介质，密度2.14～2.20g/cm3，相对介电常数εr为2.0，介电损耗tanδ为4.8×10-4～6.4×10-4，在所有的绝缘介质中是较低的，这是由于PTFE是由极强的CF键和被原子所强化的CC键组成的线型高分子聚合物缘故。PTFE的击穿电压为35kV/mm、体积电阻率为1016Ω⋅m，这是由于PTFE的分子结构对称度极高，属于非极性高分子聚合物电介质。是一种相对介电常数εr较低、介电损耗率和击穿电压较高，且耐电弧性的理想绝缘材料。
当离子棒金属阳极接通高压直流电源时，在PTFE层内壁上感应出束缚负电荷。根据电荷守恒定律，在PTFE层外壁就会产生等量的束缚正电荷，束缚电荷反过来就会削弱原来的高压静电场。
没有外电场力作用时，由于水分子是极性分子，其热运动的方向是混乱无序的。当有外电场力作用时，由于电场力对水分子产生极化作用，水分子中的固有电偶极矩发生偏转，但是水分子自身存在热运动现象，导致不能完全极化。
将高压电接入后，水中形成了非均匀辐射状的静电场，此静电场构成了循环冷却水与电场进行能量交换的空间。
1.高压静电场水处理器腔内电场强度的计算
首先做如下设定：①由于水中的电场强度极小，不足以产生强极化场，故忽略水分子极化电荷所产生的附加电场的影响；②视离子棒电荷分布无限长，并且忽略其边界效应。
高压静电场水处理器腔内可以看作一个共轴柱面电容器，根据电磁学基本理论，利用电位函数的拉普拉斯方程，采用柱面坐标系，计算PTFE和循环冷却水两种介质电场强度分布的表达式。
拉普拉斯方程见式（7-2）：
PTFE介质中的电位函数和电场强度：
水溶液中的电位函数和电场强度：
式中 φ——电位函数，V
U1——PTFE介质中的电压，V
U2——循环冷却水中的电压，V
E1——PTFE介质中的电场强度，V/m
E2——水溶液中的电场强度，V/m
r——阻垢处理器腔内任意位置的半径坐标，m
R1——离子棒中心电极半径，m
R2——离子棒聚四氟乙烯绝缘层的半径，m
R3——金属水管半径，m
由稳恒电场的边界条件，在PTFE与循环冷却水界面上电流连续，见式（7-7）。
即：
由电磁学共轴柱面电容器理论，有：
式中 U——离子棒总电压，V
κ1——PTFE的电导率，2.5×10-15S/m
κ2——循环冷却水的平均电导率，0.2S/m
取金属管壁为零电位，电位差即为所施加的电压。由式（7-2）至式（7-9），得处理器内电场强度分布的表达式。
式中 E——处理器腔内电场强度，V/m
2.高压静电场水处理器腔内的能量密度
根据静电场能量密度的表达式，得：
式中 ωeF——高压静电场能量密度，J/m3
εr——相对介电常数
ε0——真空介电常量，8.854×10-12F/m
式（7-10）即为阻垢处理器腔内任意位置坐标r处的电场强度表达式，根据给定条件U、R1、R2、R3、κ1和κ2，代入式（7-10），即可求得阻垢处理器腔内任意位置坐标r处的电场强度值。式（7-11）是已知阻垢处理器腔内r处电场强度E的情况下，该点的能量密度计算式，并非阻垢处理器腔内的平均能量密度值。
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