李韻豪

編者按：本刊從2020年第1期開始連續(xù)12期連載李韻豪撰寫的《鑄造工業(yè)的感應(yīng)加熱》系列講座，主要涉及目前鑄造工業(yè)應(yīng)用最多的中頻無心感應(yīng)電爐，介紹各類鑄鐵、鋼，以及有色金屬中鋁、銅及其合金感應(yīng)熔煉爐和保溫爐的選型，電爐的設(shè)計(jì)以及感應(yīng)器參數(shù)的計(jì)算；金屬坩堝、石墨坩堝的設(shè)計(jì)以及感應(yīng)器參數(shù)的計(jì)算；專題討論感應(yīng)電爐的供電系統(tǒng)及變頻電源主電路的計(jì)算、諧波治理和功率因數(shù)提高問題；各類無心感應(yīng)電爐的耐火材料、筑爐工藝、感應(yīng)電爐循環(huán)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；感應(yīng)電爐的環(huán)境因素、電氣電磁安全防護(hù)、環(huán)境保護(hù)問題等，內(nèi)容濃縮了作者幾十年的寶貴從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，對鑄造工廠感應(yīng)電爐熔煉設(shè)備的規(guī)劃、選型、操作、維修和管理，提供非常實(shí)用的參考與借鑒，敬請關(guān)注。

應(yīng)達(dá)（中國） 供圖

1 感應(yīng)熔煉電爐循環(huán)水冷系統(tǒng)的作用

感應(yīng)熔煉電爐感應(yīng)器線圈，變頻電源的SCR與IGBT半導(dǎo)體器件、平波電抗器、電感、電阻元件，以及電熱電容器、匯流排、柔性電纜等大電流母線，這些高電流密度的導(dǎo)電體，在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，而這些熱必須通過冷卻水帶走。水冷系統(tǒng)是感應(yīng)熔煉電爐設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的重要環(huán)節(jié)，也是在某些鑄造廠生產(chǎn)現(xiàn)場容易被人們忽視的一個(gè)環(huán)節(jié)。

水冷系統(tǒng)是以水為散熱介質(zhì)的一種給水系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)由換熱裝置、水泵、管路及其他相關(guān)設(shè)施組成。

水的散熱分為蒸發(fā)散熱、接觸散熱和輻射散熱。

水的蒸發(fā)散熱可用分子運(yùn)動(dòng)理論解釋。水分子的動(dòng)能大小各異，使得各分子的運(yùn)行軌跡不規(guī)則，運(yùn)動(dòng)速度也不同。動(dòng)能大的分子克服水的內(nèi)聚力，可逸出水面進(jìn)入空氣中，這個(gè)現(xiàn)象稱之為蒸發(fā)。蒸發(fā)與沸騰不同：蒸發(fā)是任何溫度下都可能發(fā)生，而發(fā)生部位只在水面，是緩慢汽化現(xiàn)象，影響因素與水溫、表面積、表面空氣流速等有關(guān)。而沸騰只是在一定溫度下發(fā)生，發(fā)生部位在水的內(nèi)部和表面，汽化劇烈，影響因素只與氣壓有關(guān)。水的冷卻，是由于隨著動(dòng)能大的水分子離開，剩余的水分子平均動(dòng)能減小，水溫隨之降低。因此，水的蒸發(fā)散熱并不是在水沸騰時(shí)才出現(xiàn)，自然界更多的蒸發(fā)散熱都是在低于水的沸點(diǎn)情況下發(fā)生的。通過兩個(gè)措施可使水的蒸發(fā)散熱提速：增加熱水與空氣的接觸面積。接觸面積越大，水分子逸出去的機(jī)會(huì)越多，蒸發(fā)散熱也就越快；一定的風(fēng)量、風(fēng)速使水與空氣接觸面空氣流動(dòng)加速，使從水面逸出的水蒸汽分子迅速擴(kuò)散到空氣中去。

水的接觸散熱。當(dāng)熱水水面與空氣接觸，水溫高于空氣溫度時(shí)，水的熱量經(jīng)接觸傳導(dǎo)給空氣，空氣靠近水面的溫度上升，使得水面以上空氣溫度不均勻，熱、冷空氣之間就產(chǎn)生對流散熱作用，直至水面溫度與空氣溫度一致時(shí)，傳導(dǎo)散熱中止。傳導(dǎo)和對流是同時(shí)發(fā)生、同時(shí)中止的。

水的輻射散熱。水溫高、水體表面積大（如大面積冷卻水池），輻射散熱才有效果。它的散熱不需要傳熱介質(zhì)，是一種由電磁波形式來散熱的現(xiàn)象。

水冷系統(tǒng)是由水的蒸發(fā)散熱、接觸散熱、輻射散熱三個(gè)過程共同作用而形成。蒸發(fā)散熱和接觸散熱哪一種方式占主導(dǎo)地位，由水與氣的溫差決定。我國大部分地區(qū)除冬季外，水與氣的溫差較小，以蒸發(fā)散熱為主。尤其是夏季，蒸發(fā)散熱占總散熱量的80%～90%，接觸散熱僅占10%～20%。而冬季，水與氣的溫差大，蒸發(fā)散熱減小，因此接觸散熱上升到主導(dǎo)地位，自然冷卻也能達(dá)到散熱的目的[1，2]。

感應(yīng)熔煉電爐冷卻系統(tǒng)用水作為換熱的冷媒介質(zhì)，是與水自身具有的異常特質(zhì)分不開的。

1）水的內(nèi)聚力是一般液體的10倍左右，要改變水的物態(tài)就需要更多的熱量和更高的溫度才能克服它的內(nèi)聚力。將1kg水的溫度升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的熱量為4.1868kJ,也就是說，水的比熱容為4.1868kJ/（kg·℃），即1kcal/（kg·℃）。它的比熱容是同等體積空氣比熱容的3300倍。水的汽化熱大，將1kg0℃的水變?yōu)?℃的水蒸汽時(shí)所吸收的熱量定義為水的汽化熱。0℃時(shí)，水的氣化熱為2500kJ/kg（這個(gè)數(shù)量是其他液體的4～12倍、氣體的6倍）。它意味著1kg0℃的水，將1kg中的1%的水量蒸發(fā)掉，可將1kg水的水溫降低6℃。

2）感應(yīng)熔煉電爐水冷系統(tǒng)冷卻水溫上限與水的沸點(diǎn)相距甚遠(yuǎn)。在水冷系統(tǒng)的水溫范圍內(nèi)，冷卻水雖然也存在體積脹縮，但并不明顯。

3）水的穩(wěn)定性好，通常不會(huì)分解。

4）水的流動(dòng)性好，便于輸送和分配。

5）水質(zhì)、水溫控制容易。

6）價(jià)格低廉，容易獲得。

2 感應(yīng)熔煉電爐對冷卻水的要求

2.1 冷卻水進(jìn)水溫度和出水溫度與允許溫升

所謂進(jìn)水溫度、出水溫度是指感應(yīng)熔煉電爐各用水單元的進(jìn)水和出水溫度。冷卻水的溫升等于感應(yīng)熔煉電爐用水單元出水溫度與進(jìn)水溫度之差。進(jìn)水溫度范圍和允許溫升是水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本參數(shù)。

變頻電源、電熱電容器、大電流母線的進(jìn)水溫度為5～35℃，冷卻水的溫升不超過20℃。之所以把電熱電容器、大電流母線與變頻電源供水放在一起，是因?yàn)橐坏┮蛲ｋ娀蚱渌驍嗨?，?yīng)急供水系統(tǒng)只需要給感應(yīng)器線圈供水，而不必為變頻電源、電熱電容器、大電流母線應(yīng)急供水。

感應(yīng)器線圈水溫要求：單回路循環(huán)系統(tǒng)及雙回路循環(huán)系統(tǒng)的外回路，進(jìn)水溫度5～35℃，出水溫度＜55℃，在最高進(jìn)水溫度下允許溫升＜20℃。雙回路循環(huán)給水系統(tǒng)的內(nèi)回路，進(jìn)水溫度15～45℃，出水溫度＜65℃，在最高進(jìn)水溫度下允許溫升＜20℃。

對于要求防止空氣中水蒸汽冷凝在元件內(nèi)外表面上，進(jìn)水溫度下限應(yīng)適當(dāng)提高，必要時(shí)應(yīng)設(shè)置進(jìn)水加熱裝置和溫度控制裝置。感應(yīng)器線圈出水溫度不應(yīng)低于環(huán)境溫度。過低的水溫會(huì)使線圈銅管表面結(jié)冷凝水而影響絕緣。因此，在爐襯燒結(jié)或開爐初期應(yīng)減小冷卻水流量。

變頻電源進(jìn)水溫度范圍及溫升要求按J B/T 8669—1997執(zhí)行，按這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，變頻電源的出水溫度最高將達(dá)到55℃。其實(shí)，不少變頻電源生產(chǎn)廠家將冷卻水的出水溫度規(guī)定的要低很多。對冷卻水的水溫要求，英國文獻(xiàn)“感應(yīng)電爐的冷卻水系統(tǒng)”（來源：《Bsitish Toundsyman》，1977年第2期）認(rèn)為：變頻裝置、電熱電容器、大電流母線等裝置的冷卻尤為重要，感應(yīng)器線圈冷卻水的溫度一般允許比變頻電源、電熱電容器等高一些。感應(yīng)器線圈中冷卻水溫度的上限建議在60～70℃（這也恰好是許多塑料、橡膠管的極限溫度），但變頻器、電熱電容器容許溫度為20～25℃以下（原文如此）[3]。

2.2 水壓

平時(shí)我們所說的水壓，都是表壓。所謂表壓，就是管道壓力，是安裝在用水單元進(jìn)水口位置的水壓表測出來的壓力值。表壓又稱為相對壓力，它以大氣壓力為起點(diǎn)，直接作用于物體表面的壓力稱為絕對壓力。絕對壓力值以絕對真空作為起點(diǎn)，表壓加上當(dāng)?shù)卮髿鈮海ㄒ话慵右粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓0.101 325MPa即可)。表壓＝絕對壓力－一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。如果以MPa為單位，表壓＝絕對壓力－0.101 325MPa。

變頻電源水壓0.2～0.3MPa；感應(yīng)器線圈水壓、單回路循環(huán)系統(tǒng)、雙回路循環(huán)系統(tǒng)外回路的水壓0.2～0.3MPa；雙回路循環(huán)水系統(tǒng)的內(nèi)水路水壓0.3～0.7MPa。

2.3 冷卻水的水質(zhì)要求

衡量感應(yīng)熔煉電爐冷卻水水質(zhì)主要的指標(biāo)有三個(gè)：總硬度、電導(dǎo)率和懸浮性固體。

（1）總硬度 冷卻水中鈣、鎂金屬離子的總濃度稱為硬度。硬度分為碳酸鹽硬度和非碳酸鹽硬度?？傆捕染褪莾烧叩募稀Ｓ捎谟捕炔⒉皇怯蓡我坏慕饘匐x子或鹽類形成的，為了有個(gè)統(tǒng)一的比較標(biāo)準(zhǔn)，有必要換算為另一種鹽類，感應(yīng)加熱設(shè)備冷卻水使用的總硬度單位，通常用CaO質(zhì)量濃度表示。硬度單位還有德國度（），即每升水中占有相當(dāng)于10mgCaO的鈣鎂離子稱為1。目前，相關(guān)文獻(xiàn)當(dāng)中表征冷卻水硬度的單位很不統(tǒng)一，表1提供了常用硬度單位換算。

感應(yīng)熔煉電爐設(shè)備冷卻水總硬度指標(biāo)：單回路循環(huán)系統(tǒng)總硬度，帶電體CaO質(zhì)量濃度＜10mg/L（水）、非帶電體CaO質(zhì)量濃度＜60mg/L（水）；雙回路循環(huán)系統(tǒng)的外回路CaO質(zhì)量濃度＜60mg/L（水），內(nèi)回路CaO質(zhì)量濃度＜2.5mg/L（水）。

（2）電導(dǎo)率 由于冷卻水中的溶解鹽類都是以離子狀態(tài)存在的，因此具有導(dǎo)電能力，所以電導(dǎo)率可以間接表示出冷卻水中溶解鹽類的含量。

冷卻水的導(dǎo)電性能與水的電阻值R有關(guān)。

式中 R——水的電阻值（Ω）；

ρ——水的電阻率（Ω·m）；

F——電極的垂直截面積（m2）；

L——兩電阻之間的距離（m）。

電導(dǎo)的符號為G，單位為S（西門子），R的倒數(shù)為G，則電導(dǎo)與電阻的關(guān)系方程式為：

式中 G——水的電導(dǎo)（S）；

電阻率ρ的倒數(shù)為電導(dǎo)率σ，即σ＝1/ρ，單位為S/m（西門子/米）。

電導(dǎo)率1/ρ與冷卻水含鹽量CN的關(guān)系：1/ρ＝CN/66.5。含鹽量CN的單位為mmol/L。

感應(yīng)熔煉電爐循環(huán)冷卻水的電導(dǎo)率過高帶來的電解，會(huì)導(dǎo)致水冷系統(tǒng)和各用電單元金屬產(chǎn)生腐蝕。關(guān)于金屬腐蝕速率，GB/T 50050—2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定：銅合金、不銹鋼設(shè)備為0.005mm/a；碳素鋼設(shè)備由過去（1995年）的0.125mm/a，修訂為0.075mm/a。以金屬腐蝕失重而算得的年平均腐蝕速率設(shè)計(jì)規(guī)范的提高，對感應(yīng)熔煉電爐冷卻水的電導(dǎo)率也提出了更為嚴(yán)格的限制要求。

感應(yīng)熔煉電爐冷卻水的電導(dǎo)率與其工作電壓有關(guān)：工作電壓為1kV時(shí)，水的電導(dǎo)率為0.05S/m；工作電壓為1～2kV、2～3kV時(shí)，水的電導(dǎo)率分別為0.016 67S/m、0.007 4S/m。

GB/T 10067.1—2019《電熱和電磁處理裝置基本技術(shù)條件 第1部分：通用部分》對冷卻水的電導(dǎo)率也作了相應(yīng)的規(guī)定，即為0.05S/m，但沒有規(guī)定工作電壓條件。當(dāng)含鹽量大于3.33mmol/L時(shí)，冷卻水的電導(dǎo)率1/ρ即大于0.05S/m。

表1 常用硬度單位換算

GB/T 3984.1—2004/IEC60110-1:1998（IDT）《感應(yīng)加熱裝置用電力電容器 第1部分：總則》規(guī)定了水冷電容器冷卻水出口溫度和流速。冷卻水在力學(xué)與光學(xué)上應(yīng)是清潔的，而在化學(xué)上應(yīng)是中性的。為限制泄漏電流，對直接冷卻帶電部件的電導(dǎo)率作出了具體規(guī)定。

由于冷卻水中電導(dǎo)率1/ρ超標(biāo)，流出的帶電冷卻水的泄漏電流將增大。當(dāng)用它來冷卻導(dǎo)電體時(shí)，冷卻水系統(tǒng)出水口對地也就有一定的電位，當(dāng)這種電位超過安全范圍時(shí)就應(yīng)采取降低電位的措施。JB/T 8669—1997《中頻感應(yīng)加熱用半導(dǎo)體變頻裝置》規(guī)定：用水冷卻帶電元件或部件，應(yīng)按其電壓選擇冷卻水管的直徑長度及其材料，應(yīng)把泄漏電流限制在20mA以下，即在感應(yīng)器線圈的輸出端加裝絕緣軟管。當(dāng)帶電的冷卻水通過絕緣軟管時(shí)，水的電阻使泄漏電流降到20mA以下。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，每1kV電壓應(yīng)配置1m長的絕緣軟管。

感應(yīng)熔煉電爐的故障乃至全部感應(yīng)加熱系統(tǒng)的故障，多達(dá)90%與冷卻水有關(guān)，這幾乎成為業(yè)內(nèi)的共識（據(jù)Ajax Tocco Magnethermic 公司ASM熱處理會(huì)議上的報(bào)告）。而電導(dǎo)率超標(biāo)的冷卻水往往是這些故障的罪魁禍?zhǔn)讌s鮮有人知。多數(shù)情況下，現(xiàn)場晶閘管（SCR）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等器件“燒管子”，對個(gè)別缺乏經(jīng)驗(yàn)的調(diào)試人員來說，一般不會(huì)把產(chǎn)生故障的原因與冷卻水電導(dǎo)率超標(biāo)聯(lián)系在一起。

（3）冷卻水的總固體 冷卻水固體包括溶解性固體和懸浮性固體，兩者之和稱為總固體。溶解性固體是指水經(jīng)過濾后仍溶于水中的各種無機(jī)鹽類物質(zhì)、有機(jī)物等；懸浮性固體是指那些可過濾掉、不溶于水中的淤泥（如泥沙）、腐蝕產(chǎn)物（如氧化鐵皮）、有機(jī)物和生物沉積物（如微生物黏泥）等懸浮物質(zhì)。GB/T 10067.1—2019 《電熱和電磁處理裝置基本技術(shù)條件 第1部分：通用部分》規(guī)定的冷卻水總固體含量標(biāo)準(zhǔn)：溶解性固體＜300mg/L、懸浮性固體＜10mg/L。

除了上述三項(xiàng)指標(biāo)，與冷卻水水質(zhì)相關(guān)的指標(biāo)還有pH值7.0～8.5（pH值高時(shí)，水質(zhì)呈弱堿性，對過水管的防腐蝕有好處。當(dāng)pH＞7時(shí)，CaCO3等向冷卻水管內(nèi)的析出量增加，此析出膜有防腐蝕作用；當(dāng)pH值＞8時(shí)，鋼管內(nèi)會(huì)產(chǎn)生鐵銹；當(dāng)pH值＜6時(shí)，會(huì)對銅管產(chǎn)生腐蝕），堿度＜60mg/L， 氯離子平均＜60mg/L（最高＜220mg/L）， 碳酸離子＜100mg/L，全鐵＜2mg/L，可溶性SiO2＜6mg/L等[4-6]。

3 感應(yīng)熔煉電爐冷卻水流量的計(jì)算

3.1 感應(yīng)器冷卻水流量

感應(yīng)熔煉電爐感應(yīng)器線圈的發(fā)熱量有兩個(gè)來源：一是感應(yīng)器線圈損失功率ΔP1，即所謂的“銅損”，在電流流經(jīng)感應(yīng)器線圈時(shí)產(chǎn)生的熱；二是被加熱爐料的熱穿透爐襯到達(dá)線圈所致。前者產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)大于后者，故計(jì)算冷卻水流量時(shí)將穿透爐襯折算的熱損失功率忽略。感應(yīng)器線圈的熱損失功率用ΔP表示。

式中 ΔP——感應(yīng)器線圈熱損失功率（kW）；

P——感應(yīng)熔煉電爐的變頻電源總功率，即額定功率（kW）；

PT——爐料加熱的平均有效功率（kW）；

η——感應(yīng)器的總效率。

感應(yīng)器線圈熱損失功率ΔP產(chǎn)生的熱量用水來冷卻。

在計(jì)算冷卻水流量時(shí)，設(shè)冷卻水要帶走額定功率50%的熱量，即ΔP＝0.5P，變頻電源、電熱電容器、大電流母線分別帶走額定功率7.5%、1.5%、1.5%的熱量，而水的溫升不應(yīng)超過20℃。

式中 ΔP——感應(yīng)器線圈熱損失功率（kW）；

CS——冷卻水比熱容，CS＝4.186 8kJ/（kg·℃）；

ΔT——感應(yīng)器的允許溫升（℃），一般取ΔT＝20℃；

K——爐料的熱量透過爐襯影響感應(yīng)器線圈熱損失功率的影響系數(shù)，一般取K＝1.1～1.2。

ηs——冷卻水系統(tǒng)的總效率，取ηs＝1。

冷卻水的理論流量用W表示。

式中 W——冷卻水流量（t/h或m3/h）。因常態(tài)水（在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下0.1013MPa、3.98℃的清水）的密度γy＝1t/m3，由于1m3/h×1t/m3＝1t/h，故1t/h＝1m3/h，其中1t/h為重量流量，1m3/h為容積流量；

G——冷卻水重量（t）或容積（m3）；

t——時(shí)間（s），t＝1h＝3600s。

整理得：

式中 K——爐料的熱量透過爐襯影響線圈損失功率的影響系數(shù)，一般取K＝1.1～1.2。本例，取K＝1.163；

P——額定功率（kW）。

將有關(guān)參數(shù)值代入式（6），得

3.2 變頻電源、電熱電容器、大電流母線冷卻水流量

在水的溫升不超過20℃，變頻電源、電熱電容器、大電流母線分別消耗額定功率P的百分比為：

用上述同樣的方法可推導(dǎo)出變頻電源、電熱電容器、熱大電流母線的冷卻水流量分別為：

為方便計(jì)算，往往將三者合一，用W表示，則

后面我們提到變頻電源冷卻水的流量都是包括電熱電容器和大電流母線的冷卻水的流量。用式（14）計(jì)算出的冷卻水流量是理論數(shù)據(jù)，向水冷設(shè)備生產(chǎn)廠家提供的冷卻水流量，往往將這個(gè)計(jì)算出來的理論數(shù)據(jù)再乘以一個(gè)安全系數(shù)。水冷設(shè)備生產(chǎn)廠家是根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)的。

感應(yīng)器線圈的冷卻水流量W一般乘以1.5～2.0倍安全系數(shù)，而變頻電源、電熱電容器、大電流母線的冷卻水流量W則要乘以3.0～5.0倍安全系數(shù)，即

式中 Q——感應(yīng)器線圈冷卻水實(shí)際流量（m3/h或t/h）；

Q——變頻電源、電熱電容器、大電流母線冷卻水實(shí)際流量（m3/h或t/h）。

爐子額定功率大時(shí)取安全系數(shù)下限，反之取上限；水冷系統(tǒng)現(xiàn)場條件較好時(shí)，取下限，反之取上限。這個(gè)安全系數(shù)的最終確定還應(yīng)考慮水冷裝置生產(chǎn)廠家的設(shè)計(jì)、制造工藝水平等因素。式（15）、式（16）也可以作為選泵確定流量時(shí)的依據(jù)。

以第三講3600kW、300Hz額定容量6t灰鑄鐵感應(yīng)熔煉電爐為例，循環(huán)水冷系統(tǒng)流量設(shè)計(jì)，變頻電源理論流量W＝0.005×3600m3/h＝18m3/h，向水冷設(shè)備生產(chǎn)廠家提供的流量為54～90m3/h，本例取72m3/h。爐子感應(yīng)器線圈的理論流量為W＝0.025×3600m3/h＝90m3/h，向水冷設(shè)備生產(chǎn)廠家提供的流量為135～180m3/h，本例取157.5m3/h。

4 感應(yīng)熔煉電爐循環(huán)水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

循環(huán)水系統(tǒng)包括濁環(huán)水系統(tǒng)和凈環(huán)水系統(tǒng)。凈環(huán)水系統(tǒng)與濁環(huán)水系統(tǒng)區(qū)別在于冷卻水不與線圈水冷套及管路之外的被冷卻對象直接接觸，經(jīng)循環(huán)使用后僅水溫升高，可通過換熱裝置散熱并對水質(zhì)進(jìn)行必要處理。鑄造廠感應(yīng)熔煉電爐的循環(huán)水冷系統(tǒng)屬于凈環(huán)水系統(tǒng)。

4.1 循環(huán)水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范

循環(huán)水冷系統(tǒng)關(guān)系到感應(yīng)熔煉電爐裝置的運(yùn)行安全，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須遵循相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)和專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1）GB/T 10067.31—2013《電熱裝置基本技術(shù)條件 第31部分：中頻無心感應(yīng)爐》第5.2.9條“水冷系統(tǒng)”規(guī)定，感應(yīng)熔煉電爐的循環(huán)給水系統(tǒng)可采用開放式或密閉式，水冷系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有水溫、水壓監(jiān)測和安全聯(lián)鎖報(bào)警裝置，各支路還應(yīng)設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥。

GB/T 5959.1—2019/IEC 60519-1：2015（IDT）《電熱和電磁處理裝置的安全 第1部分：通用要求》第10.5條“冷卻”中規(guī)定了部件在采用強(qiáng)制冷卻因冷卻不足可能引起危險(xiǎn)的地方，以及應(yīng)采取的措施，并指出閉合冷卻回路（密閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)）可降低環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，減少冷卻劑的消耗。

2）循環(huán)水冷系統(tǒng)的水路應(yīng)適當(dāng)分支，并能集中控制、分別調(diào)節(jié)，便于監(jiān)測各支路的出水情況。感應(yīng)熔煉電爐用水單元的各部分應(yīng)能得到盡可能均勻的冷卻，特別是高溫部位應(yīng)得到快速有效的冷卻。

3）為保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，應(yīng)設(shè)置兩臺循環(huán)供水水泵，一用一備。

4）GB/T 10067.32—2013《電熱裝置基本技術(shù)條件 第32部分：電壓型變頻多臺中頻無心感應(yīng)爐成套裝置》第5.2.4條指出：由于變頻裝置和爐子對水冷系統(tǒng)水質(zhì)和進(jìn)出水溫度要求不同，故應(yīng)把它們分為兩個(gè)獨(dú)立的水冷系統(tǒng)。爐子的水冷系統(tǒng)應(yīng)采用單回路循環(huán)給水系統(tǒng)，必要時(shí)應(yīng)配置外水冷（如冷卻塔等）設(shè)備。

5）JB/T 8669—1997《中頻感應(yīng)加熱用半導(dǎo)體變頻裝置》（1998年實(shí)施，2010年復(fù)審，現(xiàn)行有效）。該標(biāo)準(zhǔn)適用于頻率50～10 000Hz半導(dǎo)體器件（晶閘管或功率晶體管）構(gòu)成的變頻電源。第3.4.9條規(guī)定了變頻電源對冷卻水的進(jìn)水壓力、進(jìn)水溫度、溫升及水質(zhì)的要求，提出了對泄漏電流的要求，水冷系統(tǒng)能承受的壓力，避免產(chǎn)生汽化，特別強(qiáng)調(diào)應(yīng)采取限制腐蝕作用以及沉積物和氣體形成的措施，因此采用去離子水的循環(huán)裝置是非常必要的。第4.5條水冷系統(tǒng)的試驗(yàn)，規(guī)定了水壓的試驗(yàn)和冷卻水量的測量。

6）GB/T 1067.1—2019《電熱和電磁處理裝置基本技術(shù)條件 第1部分：通用部分》第5.1.4.3條“水路設(shè)計(jì)”規(guī)定了水路設(shè)計(jì)的一般原則，對水質(zhì)、水溫、水壓的要求，提出了供水安全保障。對正常供水有可能中斷的情況，用戶應(yīng)設(shè)置備用水源，以免發(fā)生裝置和人身事故。感應(yīng)熔煉電爐允許最長斷水時(shí)間不超過1min。感應(yīng)器線圈冷卻回路的主泵出口處必須裝有水壓開關(guān)。如停電、斷水，用來控制以下措施的其中之一：① 由蓄電池供電的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)急水泵或由柴油機(jī)（汽油機(jī)）驅(qū)動(dòng)的應(yīng)急水泵立即投入工作。② 接通不受停電影響的自來水管路或與壓縮空氣管道相連（壓縮空氣作為冷卻介質(zhì)用）。不可采用高位水箱放水冷卻。有些文獻(xiàn)介紹，高位水箱應(yīng)不小于感應(yīng)器支路0.5h的耗水量，這是針對透熱感應(yīng)器來講的。這個(gè)容量對感應(yīng)熔煉電爐來講是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。爐子容量大小和爐料溫度不同，爐體冷卻有時(shí)可能需要數(shù)小時(shí)甚至十幾個(gè)小時(shí)。

7）指望通過補(bǔ)充新鮮冷卻水使電導(dǎo)率保持在規(guī)定的水平幾乎是不可能的，應(yīng)根據(jù)冷卻水電導(dǎo)率情況，每12個(gè)月或更短時(shí)間對循環(huán)水全部更新一次。

8）冬季寒冷地區(qū)防凍問題。冷卻介質(zhì)可根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件（氣溫）按一定比例給去離子水里添加低電導(dǎo)率的乙二醇（工業(yè)級，不含抗氧化劑和其他添加劑），并注意因乙二醇的添加會(huì)使冷卻介質(zhì)“黏稠”而影響冷卻效果。

9）系統(tǒng)中所有柔性的水冷電纜、冷卻水管均需采用不含碳原子材料制成的無碳絕緣膠管。

10）循環(huán)水冷系統(tǒng)總出水管路及各用水單元安裝帶有智能積算儀的熱磁數(shù)字計(jì)算表，對循環(huán)水系統(tǒng)的壓力、流量、水溫等參數(shù)及相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和必要的保護(hù)，以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行的精細(xì)化管理。需要強(qiáng)調(diào)的是，循環(huán)水冷系統(tǒng)總出水管路及各用水單元只有水壓保護(hù)是不夠的，因?yàn)樗畨罕Ｗo(hù)對于流量不足起不到保護(hù)作用，所以必須同時(shí)設(shè)置流量保護(hù)裝置。

11）循環(huán)供水水泵出口應(yīng)設(shè)置自清洗過濾器，以攔截循環(huán)水中溶解性固體和懸浮性固體。在用水單元入口處也應(yīng)安裝過濾器，作為攔截總固體的最后一道防線。

系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置補(bǔ)充新水處理裝置，處理流程：工業(yè)用水→凈水器（包括混凝、沉淀、過濾等單元）→軟化裝置（離子交換器等）。

系統(tǒng)中還應(yīng)設(shè)有阻垢緩蝕劑、殺菌劑等加藥裝置，加藥種類、投放量應(yīng)根據(jù)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較后確定。

12）GB/T 10066.1—2019《電熱和電磁處理裝置的試驗(yàn)方法 第1部分：通用部分》第9.13條、第9.14條規(guī)定了冷卻液（水）流量以及溫升的測量。

GB/T 10066.3—2014/IEC 62076：2006（IDT）《電熱裝置的試驗(yàn)方法 第3部分》第5.2條、第5.3條、第5.4條分別規(guī)定了冷卻水回路的密封性試驗(yàn)、流量試驗(yàn)和溫升試驗(yàn)規(guī)范。

4.2 循環(huán)水冷系統(tǒng)類型與選擇

（1）感應(yīng)熔煉電爐冷卻系統(tǒng)類型 水冷卻系統(tǒng)分為兩大類：直排系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)。

1）直排系統(tǒng)：直排水冷改為循環(huán)水冷，且濃縮倍數(shù)為3倍時(shí)，同樣的冷卻效果可節(jié)約補(bǔ)充水約97%。直排系統(tǒng)用水量大，水的處理量也大，因此水處理成本高。如用化學(xué)方法處理，排出的水會(huì)造成水體的污染。如果采用地下水，易使設(shè)備凝露而造成故障。因此，直排給水系統(tǒng)早已淘汰。

2）循環(huán)系統(tǒng)：分為單回路循環(huán)系統(tǒng)和雙回路循環(huán)系統(tǒng)。單回路循環(huán)系統(tǒng)又分為敞開式和密閉式兩大類。雙回路循環(huán)系統(tǒng)中有熱交換器，水路分為內(nèi)回路和外回路。內(nèi)回路流通的水是軟化水或蒸餾水，用來冷卻電熱設(shè)備，外回路通過熱交換器冷卻內(nèi)回路水。內(nèi)回路一般都采用密閉式，而外回路可根據(jù)用戶具體條件和要求或采用敞開式，或采用密閉式。目前，外回路多采用敞開式。

（2）循環(huán)水冷系統(tǒng)的選擇 鑄造廠投資感應(yīng)熔煉電爐設(shè)備時(shí)，對于配套的循環(huán)水冷系統(tǒng)的投資比例往往不多，而電爐生產(chǎn)廠家要說服用戶把更多的資金用在循環(huán)水設(shè)備上是很困難的。因此，電爐生產(chǎn)廠家要根據(jù)用戶熔煉電爐的額定容量（額定功率）、作業(yè)方式、當(dāng)?shù)氐乩須庀髼l件以及資金情況，在水冷設(shè)備生產(chǎn)廠家配合下，協(xié)助用戶制定出合理、性價(jià)比高的水冷系統(tǒng)方案。對于相同熱負(fù)荷來說，單回路敞開式、密閉式以及雙回路系統(tǒng)的資金投入是不一樣的。綜合性能、價(jià)格等諸因素，三種方式其實(shí)各有利弊，這也是為什么密閉式冷卻系統(tǒng)和雙回路系統(tǒng)雖有更顯著的優(yōu)點(diǎn)，但是單回路敞開式冷卻系統(tǒng)仍在被許多用戶選擇的一個(gè)原因。

4.3 循環(huán)水冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（1）單回路敞開式循環(huán)水冷系統(tǒng)

1）單回路敞開式循環(huán)水冷系統(tǒng)包括：冷卻塔、冷卻水池、循環(huán)水泵、補(bǔ)給水系統(tǒng)、應(yīng)急水系統(tǒng)、管道和閥門部件、冷卻水過濾裝置及控制裝置等。

敞開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)的冷卻水通過電熱設(shè)備后水溫升高，高溫水經(jīng)過敞開式冷卻塔曝氣與大氣接觸。由于水的蒸發(fā)散熱與接觸散熱使水溫降低，冷卻后的水再循環(huán)使用。因?yàn)檎舭l(fā)的水是不含鹽分的，所以蒸發(fā)過程中循環(huán)水中鹽含量不斷增加，即所謂濃縮。濃縮會(huì)帶來腐蝕、結(jié)垢。水在冷卻塔與空氣充分接觸帶來溶解氧增加，二氧化碳逸出，又使腐蝕、結(jié)垢加劇。冷卻塔本身也是一個(gè)空氣洗凈器，因?yàn)樵S多空氣污染物都能溶于水中，而不溶于水的灰塵微粒從空氣中被沖到水中，所以最后造成管路阻塞。這種敞開式系統(tǒng)會(huì)使溶解性固體和懸浮性固體增加。

針對敞開式循環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：①監(jiān)測水的電導(dǎo)率，如果超標(biāo)則需補(bǔ)充、更換冷卻水或補(bǔ)充去離子水。②使用添加劑，使冷卻水軟化，降低硬度以減少水垢。③加入阻蝕劑或控制水垢生產(chǎn)的化學(xué)物質(zhì)，減少腐蝕。④注意對循環(huán)水的過濾。⑤合理選擇管件等材質(zhì)，以減少原電池作用。

2）冷卻塔的選擇。敞開式循環(huán)系統(tǒng)的冷卻塔一般應(yīng)選用機(jī)械通風(fēng)逆流式冷卻塔，逆流式冷卻塔熱水由上而下，冷空氣由下而上，在塔內(nèi)形成對流。這種冷卻塔相對橫流式、逆橫流式熱交換效率較高，水與空氣逆流接觸是最好的方式，可以充分發(fā)揮空氣的蓄熱能力，得到了大的焓差。

采購冷卻塔時(shí)向冷卻塔生產(chǎn)廠家提供的主要數(shù)據(jù)：①用水單元的冷卻水耗量。冷卻水耗量＜500m3/h時(shí)，一般都采用逆流式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔；冷卻水耗量＞500m3/h時(shí)，多采用單臺或多臺并聯(lián)機(jī)械通風(fēng)橫流式冷卻塔，或者逆橫流多臺組合機(jī)械通風(fēng)冷卻塔。②水溫。冷卻塔進(jìn)塔水溫（感應(yīng)熔煉電爐用水單元出水水溫）t1和出塔水溫（感應(yīng)熔煉電爐用水單元進(jìn)水水溫）t2之差，用Δt表示，Δt＝t1－t2。冷卻塔行業(yè)將Δt＝5℃定為低溫塔；Δt＝10℃定為中溫塔；Δt＝20℃定為高溫塔。感應(yīng)熔煉電爐各裝置的允許溫升在最高進(jìn)水溫度下＜20℃，故冷卻塔為高溫塔。其實(shí)只要Δt≥11℃，冷卻塔生產(chǎn)廠家就以高溫塔來設(shè)計(jì)。③鑄造工廠所在地的氣象參數(shù)。影響水冷效果的主要有干球溫度、濕球溫度、相對溫度這3個(gè)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以在手冊中查到，冷卻塔生產(chǎn)廠家有這些資料，選用設(shè)計(jì)氣象參數(shù)應(yīng)與所在地氣象參數(shù)基本一致，或優(yōu)于所在地氣象參數(shù)，以保證冷卻效果。以上海地區(qū)設(shè)計(jì)的氣象參數(shù)為例：干球溫度為31.5℃，濕球溫度為28℃，相對應(yīng)的大氣壓力為753mmHg（1mmHg＝133.322Pa），風(fēng)速為1.58m/s。目前，華東地區(qū)（除山東省部分地區(qū)外）的冷卻塔設(shè)計(jì)基本采用上海的氣象設(shè)計(jì)參數(shù)。用這個(gè)參數(shù)設(shè)計(jì)出來的冷卻塔，完全適用我國北方地區(qū)，而且冷卻效果更好。④現(xiàn)場場地與冷卻塔位置的標(biāo)高。

3）循環(huán)水池的設(shè)計(jì)。循環(huán)水池在感應(yīng)熔煉電爐敞開式循環(huán)水冷系統(tǒng)中是必不可少的，它起著儲存和調(diào)節(jié)水量的作用。循環(huán)水池的容積除滿足水泵吸水條件所需要的基本容積外，還需要考慮所有過水容器的空間體積，如水泵系統(tǒng)管路、設(shè)備的儲水容積、換熱器中的容積以及一定的安全裕量。根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)循環(huán)水池容積的設(shè)計(jì)資料統(tǒng)計(jì)，循環(huán)水池的容積約為循環(huán)水小時(shí)流量值(m3或t)的1/5～1/3。國內(nèi)現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，在此范圍內(nèi)的循環(huán)水池容積可滿足循環(huán)水處理藥劑在系統(tǒng)內(nèi)停留時(shí)間的要求。水池容積過小，水在系統(tǒng)內(nèi)每小時(shí)的循環(huán)次數(shù)會(huì)增加，水被加熱的次數(shù)就增多，藥劑被分解的概率就越高。水池容積過大，則藥劑在系統(tǒng)中停留時(shí)間過長，藥劑分解的概率也高，初始投藥量也多。循環(huán)冷卻水在系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)停留時(shí)間不應(yīng)超過阻垢劑、緩蝕劑等藥劑的允許停留時(shí)間。對于沒有藥劑停留時(shí)間要求或?qū)ρh(huán)水池有其他儲備水量要求的情況，宜根據(jù)具體條件來確定水池的容積。

循環(huán)水池設(shè)計(jì)要點(diǎn)：①水池凈深可為2.0m。當(dāng)水池有其他儲備水量要求時(shí)，深度可適當(dāng)增加。一般凈深設(shè)計(jì)為1.2～1.5m。確定水池凈深就可根據(jù)容積求出水池面積。水池寬度、長度可根據(jù)現(xiàn)場情況來定，但制定水池寬度要考慮應(yīng)大于冷卻塔百葉窗的外緣尺寸。②水池應(yīng)設(shè)熱水區(qū)、冷水區(qū)。熱水區(qū)面積占1/3，冷水區(qū)面積占2/3。設(shè)備用水單元返回的熱水流入熱水區(qū)。熱水區(qū)可設(shè)沉淀隔擋。熱水區(qū)底部設(shè)有集水坑，坑深0.3～0.5m。為便于排污和放空池水，池底應(yīng)設(shè)≥0.5%坡度的坡向集水坑。冷卻塔置于冷水區(qū)上方。③循環(huán)水池的容積不同，且進(jìn)出水量不等會(huì)造成冷熱水區(qū)水位不均衡而形成冷熱水區(qū)水位差，因此冷熱水區(qū)必須貫通，貫通方式有兩種：一種是在水池正常水位以上貫通，當(dāng)一方水位超過正常水位以上一定高度時(shí)，溢流到另一水池，這樣不會(huì)造成一側(cè)水外溢，但兩池可能存在水位差；另一種是在兩池底部貫通，這個(gè)方案既可以防止一側(cè)水外溢，也消除了兩池的水位差。貫通管的口徑應(yīng)按最大運(yùn)行流量計(jì)算，如果尺寸不足也會(huì)造成冷熱水區(qū)水位差。④循環(huán)水池四周設(shè)回水臺，寬度不小于1m，坡度3°～5°?；厮_外圍應(yīng)有防止地面水流入水池的措施。

（2）單回路密閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng) 單回路密閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)主要由下列部分組成：①熱交換器（一般安裝在室外），分為噴淋水蒸發(fā)形式冷卻、自然通氣冷卻以及強(qiáng)制通水冷卻等三種不同形式的冷卻方式。②循環(huán)水泵。③密閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)集裝組件主要有膨脹罐（冷卻水膨脹和收縮時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的壓力平衡）、排氣閥、快充減壓閥及泄壓閥等。④密閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)的冷卻塔源于蒸發(fā)式冷凝器。閉式冷卻塔采用閉式盤管換熱使循環(huán)水與外部環(huán)境隔絕，從而保證了循環(huán)水質(zhì)的穩(wěn)定，不受污染，基本上不濃縮，不存在蒸發(fā)。所以水量消耗很小，補(bǔ)充水量也很少，基本上無結(jié)垢問題。金屬換熱盤管可承受較高的進(jìn)水溫度和換熱溫差。盤管換熱不易集聚污垢和水垢。添加防凍液的閉式冷卻塔可在極低的室外氣溫下運(yùn)行。密封式循環(huán)冷卻系統(tǒng)主要存在問題是腐蝕問題。一是氧腐蝕，另外是電偶腐蝕（又稱接觸腐蝕、雙金屬腐蝕）。

（3）雙回路循環(huán)給水系統(tǒng) 大型感應(yīng)熔煉電爐較多采用雙回路循環(huán)給水系統(tǒng)。它是把單回路敞開式和密閉式兩種系統(tǒng)的長處結(jié)合起來的一種循環(huán)水冷系統(tǒng)。

1）外回路。外回路包括：冷卻塔（敞開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)機(jī)械通風(fēng)逆變式冷卻塔或密閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)冷卻塔）、循環(huán)水池（如果采用密閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)冷卻塔可不用循環(huán)水池）、循環(huán)水泵及管路等。

2）內(nèi)回路。內(nèi)回路包括：感應(yīng)熔煉電爐感應(yīng)器線圈及變頻電源等用水系統(tǒng)、熱交換器（多為板式換熱器）、循環(huán)水泵及管路等、水處理裝置、應(yīng)急水冷系統(tǒng)及內(nèi)回路補(bǔ)水系統(tǒng)。

雙回路循環(huán)系統(tǒng)給水系統(tǒng)內(nèi)回路的熱交換器包括有管殼式換熱器和板式換熱器。早期的換熱器多為管殼式，但在為感應(yīng)熔煉電爐配套的換熱器中多采用板式換熱器。

板式換熱器與管殼式換熱器相比，板式換熱器具有以下特點(diǎn)：①傳熱系數(shù)高。在雷諾數(shù)Re為50～200的情況下，就可以產(chǎn)生紊流。換熱系數(shù)為3488.37～4651.16W/（m·K），在相同流動(dòng)阻力和泵功率消耗情況下，是管殼式的3～5倍，對數(shù)平均溫差大，末端溫差小，水的換熱可低于1℃，而管殼式為5℃。②占地面積小。同樣的換熱量，占地面積為管殼式的1/8～1/5。③重量輕。一般只有管殼重量的1/5。④易加工，易清洗，熱損小，不易結(jié)垢。由于內(nèi)部充分湍動(dòng)，故不易結(jié)垢，其結(jié)垢系數(shù)僅為管殼式的1/10～1/3。⑤使用壽命長。采用不銹鋼、鎳合金、鈦合金及哈氏合金等耐腐蝕材料壓制，膠墊等可更換。板式換熱器的極片之間的間隙較小，上面有凹凸，因此比管殼式的單位長度壓力損失大。板式換熱器采用密封墊密封，工作壓力超過2.5MPa，介質(zhì)溫度250℃以上才有可能發(fā)生泄漏。這些問題對感應(yīng)熔煉電爐這種壓力、水溫的供水系統(tǒng)都不是問題。

板式換熱器的型式主要有框架式（可拆卸式）和釬焊式兩大類。感應(yīng)熔煉電爐雙回路循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)回路用的板式換熱器一般都采用帶密封墊片的可拆卸式。

世界上第一臺感應(yīng)熔煉電爐和第一臺板式換熱器的研究工作都起步于19世紀(jì)70年代。意大利人于1871年發(fā)表了第一份感應(yīng)熔煉電爐的專利。板式換熱器的發(fā)明專利由法國人于1878年公布。到20世紀(jì)20年代，板式換熱器已經(jīng)開始在工業(yè)中得到應(yīng)用。近幾十年來，雙回路循環(huán)系統(tǒng)作為內(nèi)回路的熱交換器，板式換熱器已成為電爐生產(chǎn)廠家配套的首要選擇。

板式換熱器選型是雙回路循環(huán)系統(tǒng)用戶關(guān)心的問題。板式換熱器生產(chǎn)廠家在某種型號設(shè)計(jì)出來后，往往對該型號的熱工性能并無定量的數(shù)據(jù)。這很正常，因?yàn)閾Q熱介質(zhì)的溫度隨時(shí)在變化，影響傳熱系數(shù)的因素很多。廠家一般都是采用以傳熱和壓降準(zhǔn)則方程式為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法進(jìn)行板式換熱器的選型。當(dāng)然，該準(zhǔn)則方程式的準(zhǔn)確度取決于廠家試驗(yàn)水平及試驗(yàn)工況與現(xiàn)場運(yùn)行工況兩者的吻合度。板式換熱器的用戶應(yīng)向廠家提供以下數(shù)據(jù)：使用地海拔高度、緯度、內(nèi)回路冷卻水流量、水質(zhì)；進(jìn)出（板式換熱器）外回路/內(nèi)回路循環(huán)水的溫度、溫升以及冷卻水在板式換熱器內(nèi)的水壓降等。水壓降是重要數(shù)據(jù)，它直接影響板式換熱器的大小，但多數(shù)用戶難以提供。在用戶不能提供的情況下，板式換熱器生產(chǎn)廠家一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在0.02～0.1MPa之間選取一個(gè)值進(jìn)行選型時(shí)的計(jì)算。

使用板式換熱器應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：板式換熱器板片間通道很窄，一般只有2～5mm，對進(jìn)入板式換熱器冷卻水的總固體含量應(yīng)控制在相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)；板式換熱器由不同的波紋板（人字紋）相互倒置，構(gòu)成復(fù)雜的流道，使水在波紋板間流道內(nèi)呈旋轉(zhuǎn)三維流動(dòng)，在較低的流速下即可產(chǎn)生強(qiáng)列的湍流；片面強(qiáng)調(diào)高傳熱系數(shù)而提高水壓、增加流速會(huì)導(dǎo)致水壓降增大；選型時(shí)應(yīng)考慮結(jié)垢后熱阻影響換熱的因素。

4.4 循環(huán)水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的標(biāo)準(zhǔn)

感應(yīng)熔煉電爐循環(huán)水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要參照以下標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50102—2014 《工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范》；GB/T 50050—2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》 ；GB 50015—2019《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》；GB/T 50106—2010《建筑給水排水制圖標(biāo)準(zhǔn)》；GB/T 50013—2018 《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》。

5 感應(yīng)熔煉電爐循環(huán)水冷系統(tǒng)應(yīng)用舉例

5.1 美國Ajax公司為國內(nèi)某鑄造工廠21t工頻感應(yīng)熔煉電爐配套的循環(huán)水冷系統(tǒng)

（1）冷卻水技術(shù)條件

1）為兩套感應(yīng)器線圈、工頻電源組、工頻變壓器供應(yīng)冷卻水。冷卻給水→每臺設(shè)備水量2×12m3/h，水溫37℃→工頻爐感應(yīng)器→壓降0.21MPa→溫升17℃→冷卻排水；冷卻給水→每臺設(shè)備水量2×2m3/h，水溫37℃→工頻電源組→壓降0.21MPa→溫升17℃→冷卻排水；冷卻給水→每臺設(shè)備水量2×2m3/h，水溫37℃→工頻變壓器→壓降0.21MPa→溫升17℃→冷卻排水。

2）水質(zhì)要求：總硬度（以CaO表示）≤100mg/L；溶解性固體總量≤200m g/L；懸浮性固體總量≤200mg/L；電導(dǎo)率0.01～0.003S/m；pH值7～9。

水溫控制標(biāo)準(zhǔn)：進(jìn)水溫度37℃，出水溫度54℃。

（2）冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù) 采用單回路閉式循環(huán)水冷系統(tǒng)。系統(tǒng)水量為32m3/h。循環(huán)水泵設(shè)計(jì)供水能力35m3/h。富余供水能力3m3/h，約為系統(tǒng)循環(huán)冷卻水量的9%。循環(huán)水泵設(shè)計(jì)供水壓力0.47MPa，其中工頻爐冷卻水壓力損失約0.21MPa，管道及附屬設(shè)施壓力損失約0.21MPa，富余水壓0.05MPa。工頻爐冷卻水溫升17℃，閉式冷卻塔溫降18℃，富余水溫差1℃。

（3）冷卻水系統(tǒng)主要設(shè)施 封閉式循環(huán)水冷系統(tǒng)主要包括閉式冷卻塔、循環(huán)水泵等。為保證各用水單元均衡用水，監(jiān)控各冷卻單元工作狀態(tài)，在各冷卻單元進(jìn)、出管路上安裝水壓表、水溫計(jì)、調(diào)節(jié)閥等[7]。

5.2 日本某公司為2500kW、500kW變頻電源配套的循環(huán)水冷系統(tǒng)

1）冷卻水質(zhì)量條件：在60℃以下冷卻水應(yīng)不含沉淀物和雜質(zhì)，而能通過50目過濾網(wǎng)為準(zhǔn)（目數(shù)就是過濾網(wǎng)每平方英寸上的孔數(shù)目。50目就是每平方英寸上的孔眼有50個(gè)。它同時(shí)用于表示能通過過濾網(wǎng)的顆粒的粒度。粒度一般用等效體積顆粒的計(jì)算直徑來表示。由于編織過濾網(wǎng)絲的粗細(xì)不一，各國同樣粒度對應(yīng)的數(shù)目也不一樣。日本標(biāo)準(zhǔn)50目，對應(yīng)的粒徑為0.300mm。美國標(biāo)準(zhǔn)與日本相同，50目對應(yīng)的粒徑也為0.300mm，而英國標(biāo)準(zhǔn)為52目，我國的標(biāo)準(zhǔn)為60目）。

2）水壓：在變頻電源進(jìn)水口水壓為0.3～0.4MPa。

3）水溫：0～32℃，不致水結(jié)冰。

4）流量：2500kW變頻電源時(shí)，流量最小值為24m3/h；500kW變頻電源時(shí)，流量最小值為9m3/h；總流量最小值為35m3/h。以上只是變頻電源主機(jī)冷卻水流量值，電熱電容器及大電流母線冷卻水流量未計(jì)算在內(nèi)。

5）水冷系統(tǒng)外回路用水：工業(yè)水；內(nèi)回路用水：純凈水（脫離子水）。

6）冷卻體：熱交換器，設(shè)置于純凈水與工業(yè)水之間。包括有純凈水供水水泵、離子交換器等。

5.3 美國應(yīng)達(dá)公司為國內(nèi)某鑄造工廠6000kW/300Hz/12.5t感應(yīng)熔煉電爐配套的循環(huán)水冷系統(tǒng)

（1）冷卻水技術(shù)條件

1）變頻電源冷卻水：電導(dǎo)率0.001S/m（最大）；50%去離子水-50%低電導(dǎo)率乙二醇。

2）爐體冷卻水：電導(dǎo)率0.08S/m或更小；硬度56.08mg/L或更小；pH值7.0～8.0；懸浮顆粒10mg/L或更小；50%水-50%低電導(dǎo)率乙二醇。

以上低電導(dǎo)率乙二醇為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)級，不含抗氧化劑和添加劑，具體混合比例視當(dāng)?shù)貧夂驐l件來定。

3）液壓系統(tǒng)冷卻水由爐體冷卻水或由獨(dú)立的城市水源供給。

4）循環(huán)水池冷卻水硬度84.12mg/L或更??；懸浮性固體10mg/L或更小；pH值7.0～8.0。

（2）冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1）變頻電源、爐體冷卻水系統(tǒng)主管路長度超過73.152m（240英尺），管徑加大一檔。

2）在回水和進(jìn)水之間添加一自動(dòng)閥，當(dāng)循環(huán)水溫過低時(shí)，可自動(dòng)開起，將進(jìn)水和回水短路，阻止循環(huán)水進(jìn)入換熱裝置，防止進(jìn)入變頻電源和感應(yīng)器線圈的冷卻水溫過低，造成水管因冷卻收縮而引起滲漏。

3）所有水冷電纜、冷卻水管均要求采用美國蓋茨公司（Gates）耐壓6000V的無碳絕緣膠管。

4）爐體冷卻水進(jìn)水分配管裝有水壓表、溫度表、溫度開關(guān)、水壓開關(guān)、流量開關(guān)。出水分配管的各路回水管上裝有熱電耦，由儀表顯示回水實(shí)時(shí)溫度。

5.4 美國某公司為國內(nèi)某鑄造工廠鋁合金感應(yīng)熔煉電爐配套的循環(huán)水冷系統(tǒng)

此為密閉式循環(huán)水冷系統(tǒng)，由兩臺熱交換器組成。

1）主泵出口處管路裝有水壓開關(guān)，用來控制由蓄電池供電的直流應(yīng)急水泵，停電后水壓下降，水壓開關(guān)動(dòng)作，使直流應(yīng)急水泵工作，維持爐體繼續(xù)冷卻。

2）供水主管路裝有溫控閥和3個(gè)溫控開關(guān)TS1、TS2、TS3。溫控閥為三通結(jié)構(gòu)。三通結(jié)構(gòu)的A口為主管路進(jìn)水口，B口不經(jīng)過熱交換器組，C口通熱交換器組。溫控閥溫度設(shè)定在23.9℃。當(dāng)水溫低于23.9℃時(shí)，溫控閥的A口、B口通，水不進(jìn)入熱交換器。當(dāng)溫控閥的溫度高于23.9℃時(shí)，A口、C口通。水進(jìn)入換熱器組。安裝在主管路上的溫控開關(guān)，TS1設(shè)定為34℃，TS2設(shè)定為38℃，由這兩個(gè)開關(guān)分別控制1#、2#熱交換器。當(dāng)水溫高于34℃時(shí)，1#熱交換器的風(fēng)機(jī)開起；當(dāng)水溫高于38℃時(shí)，2#熱交換器的風(fēng)機(jī)開起。TS3設(shè)定在50℃，是用于故障報(bào)警。當(dāng)冷卻器出故障，水溫超過50℃時(shí)，TS3控制聲光報(bào)警[8]。

6 循環(huán)水泵、閥門的選擇及管路的設(shè)計(jì)

6.1 循環(huán)水泵的選擇

按國際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)ISO 2858端吸式離心泵規(guī)定的性能尺寸設(shè)計(jì)的離心泵稱之為IS型泵。感應(yīng)熔煉電爐循環(huán)水冷系統(tǒng)應(yīng)選擇這種型式的泵。流量在400m3/h（對應(yīng)功率約8MW的爐子）以下時(shí)選用單級單吸泵，800m3/h（對應(yīng)功率約16MW的爐子）以上可選用單級雙吸泵。感應(yīng)熔煉電爐的循環(huán)水冷系統(tǒng)一般流量在400m3/h以下為多。這種離心泵多采用臥式（水平軸結(jié)構(gòu)）。臥式泵具有較好的經(jīng)濟(jì)性，便于維修保養(yǎng)，安裝精度要求比立式泵低，適應(yīng)于供水均勻、穩(wěn)定的場合。另外，滿足同樣使用參數(shù)和要求的臥式泵的系列產(chǎn)品容易獲得。

水泵的工作參數(shù)與幾何參數(shù)（以下“水泵”均指離心泵）都反映在銘牌上：流量Q（泵在單位時(shí)間輸出的水量）、揚(yáng)程H（單位質(zhì)量如1kg的水從泵進(jìn)口到出口所增加的能量J除以重力加速度，也就是水在水泵進(jìn)出口處的比能差值除以重力加速度，單位是J/（kg·m/s2）。為方便，也可用幾何高度（單位為m）表示。功率P（即軸功率，單位時(shí)間內(nèi)水泵做的功，kW），效率η（水泵有效功率與軸功率之比）。轉(zhuǎn)速n（葉輪每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)r/min）允許吸上真空高度Hs或必須的汽蝕余量（NPSH）。

影響水泵性能的因素主要有流量Q、揚(yáng)程H、功率P等，三者與泵的效率η的關(guān)系如圖1所示。

圖1 流量Q、揚(yáng)程H、功率P關(guān)系曲線

圖1 中，Q-η曲線即流量Q與效率η關(guān)系曲線，曲線上最高點(diǎn)為最高效率點(diǎn)M，與M點(diǎn)對應(yīng)的流量Q和揚(yáng)程H就是水泵的額定流量Qe和額定揚(yáng)程He。曲線上a、b段為水泵最佳工作范圍。Q-H曲線為流量Q與揚(yáng)程H關(guān)系曲線。它反映水泵的流量Q與揚(yáng)程H之間的對應(yīng)關(guān)系。選泵時(shí)，流量Q與揚(yáng)程H只要在該曲線的a、c之間選取，都屬于合理工作范圍。水泵不可能恰好同時(shí)在額定流量、額定揚(yáng)程下工作，它有一個(gè)適用范圍，流量Q一般允許在額定值Qe的0.7～1.2倍的范圍內(nèi)工作。揚(yáng)程H的范圍稍窄，可在額定值He的0.9～1.05倍的范圍內(nèi)工作。為使水泵運(yùn)行有較高效率，實(shí)際的揚(yáng)程H應(yīng)盡可能與水泵的額定揚(yáng)程He接近。Q-P曲線為流量-功率曲線，隨著流量增加，功率近似線性上升的一條曲線。通過這條曲線我們理解為什么大型離心泵在出口處設(shè)置閘閥，起動(dòng)前暫時(shí)關(guān)閉閘閥就是為了減少流量而降低功率，便于水泵的啟動(dòng)。

水泵的基本參數(shù)有兩個(gè)，流量Q和揚(yáng)程H。這兩個(gè)參數(shù)表征了水泵的工作能力，選泵一般都是從這兩個(gè)參數(shù)入手。

1）確定水泵流量Q、揚(yáng)程H：水泵流量Q的確定詳見本講第3節(jié)《感應(yīng)熔煉電爐冷卻水流量計(jì)算》。

水泵的揚(yáng)程以葉輪中心線為基準(zhǔn)分吸水揚(yáng)程（從葉輪中心線至水面垂直高度的揚(yáng)程）、壓水揚(yáng)程（從葉輪中心線到感應(yīng)熔煉電爐用水單元進(jìn)水口的垂直高度的揚(yáng)程）。揚(yáng)程為兩者之和。水泵銘牌上標(biāo)注的揚(yáng)程是指水泵本身能產(chǎn)生的揚(yáng)程，但它不包括管道水流受摩擦阻力而引起的損失揚(yáng)程。

式中 Hj——計(jì)算揚(yáng)程（m）；

H1——保證感應(yīng)熔煉電爐用水單元進(jìn)水的水壓的揚(yáng)程（m）；

H2——提水高度揚(yáng)程，即水泵到用水單元進(jìn)水口的垂直高度（m）；

H3——水泵到用水單元管路阻力損失揚(yáng)程（m）。

根據(jù)水泵揚(yáng)程與水壓的關(guān)系，0.1MPa水壓約等于10m揚(yáng)程。如果0.2～0.3MPa，所需揚(yáng)程為20～30m。

H3包括沿途阻力損失揚(yáng)程（沿管路內(nèi)壁的阻力損失的揚(yáng)程集合）及局部阻力損失揚(yáng)程（水經(jīng)管路連接件閥門、彎頭等的阻力損失揚(yáng)程集合）。管路沿途阻力損失揚(yáng)程的計(jì)算比較復(fù)雜，現(xiàn)場有時(shí)采用表2，可近似得到管路沿途阻力損失的揚(yáng)程值。

從表2查到的數(shù)值乘以管路長度（m）就得到鋼管（或銅管）損失揚(yáng)程。PVC管的管損揚(yáng)程約為鋼管（或銅管）的0.7倍。

表2 每米鋼管（或銅管）管路損失揚(yáng)程

局部阻力損失揚(yáng)程有時(shí)可將閥門或不同角度的彎頭平均每只折合為0.5m的揚(yáng)程損失。

我國給水泵揚(yáng)程裕量規(guī)定為計(jì)算揚(yáng)程Hj的10%～15%，則額定揚(yáng)程為

為簡便，可采用經(jīng)驗(yàn)式（19）確定水泵額定揚(yáng)程He，經(jīng)多年現(xiàn)場驗(yàn)證，表明用式（19）選擇水泵（離心泵）的額定揚(yáng)程是完全適合的。

式中 He——水泵額定揚(yáng)程（m）；

K——揚(yáng)程選擇經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取K＝150～200；

M——到達(dá)感應(yīng)熔煉電爐感應(yīng)器線圈或變頻電源、電熱電容器、大電流母線等用水單元進(jìn)水口水壓（MPa）。一般為0.2～0.3MPa。

2）確定水泵進(jìn)出水管的材料及經(jīng)濟(jì)管徑。

3）確定水泵工作及安裝高度。

4）校核水泵的吸水高度，保證安全運(yùn)行，使水泵有足夠的汽蝕余量[9-11]。

6.2 閥門

閥門是循環(huán)冷卻水系統(tǒng)管路的控制裝置，其基本功能是接通或切斷管路冷卻水的流通或流通方向，調(diào)節(jié)冷卻水的壓力和流量。

我國常用閥門類型代號有12種，分為四大類：截?cái)囝悺l閥、蝶閥、截止閥、球閥、旋塞閥及隔膜閥；調(diào)節(jié)類——節(jié)流閥、減壓閥及蝶閥（原來用于調(diào)節(jié)流量，現(xiàn)更多用于截?cái)嘟橘|(zhì)用）；自動(dòng)類——安全閥、止回閥、疏水閥及排氣閥；分流類——三通閥（用于改變介質(zhì)流向，起分配、分離、混合介質(zhì)用，如三通球閥、三通截止閥等）。

閥門在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的應(yīng)用：

1）進(jìn)出循環(huán)水泵必須有截止閥。

2）進(jìn)出并聯(lián)的供水單元，必須有用于調(diào)節(jié)冷卻水壓力和流量的閥門。

3）如果系統(tǒng)有儲水箱，與儲水箱接在一起的必須有止回閥。

4）揚(yáng)程較大的泵，應(yīng)在出水管路上裝設(shè)閘閥和逆止閥。

5）空氣的熱導(dǎo)率低，氣體在循環(huán)水管系統(tǒng)的管路中會(huì)對水冷系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。在循環(huán)水冷系統(tǒng)管路中有氣體時(shí)，氣體會(huì)沿著管路聚集到最高點(diǎn)，因此應(yīng)在管路的最高點(diǎn)安裝排氣閥。

6）冷卻塔或換熱器可分設(shè)2～3級，用溫控閥（三通）和溫控開關(guān)按設(shè)定水溫進(jìn)行級別切換。

閥門的基本參數(shù)：公稱通徑（代號DN，單位為mm），它是閥門進(jìn)出口的名義尺寸，與實(shí)際尺寸有差別，適用標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1047—2019《管道元件公稱尺寸的定義和選用》；公稱壓力（代號PN，單位為MPa），適用標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1048—2019《管道元件公稱壓力的定義和選用》；適用介質(zhì)。

6.3 管路的設(shè)計(jì)

（1）循環(huán)水冷系統(tǒng)的管路設(shè)計(jì)應(yīng)注意事項(xiàng)

1）水管內(nèi)壁光滑。冷卻水流經(jīng)管路與內(nèi)壁摩擦、沖擊、產(chǎn)生紊流，內(nèi)壁光滑可減小水阻，能源損失也會(huì)減少。

2）管路盡可能短。

3）減少彎管。水流經(jīng)彎管，會(huì)使水流速度改變、產(chǎn)生擠壓、撞擊而消耗能量。盡量采用135°彎管。

4）采用經(jīng)濟(jì)管徑。

（2）水管材質(zhì) 變頻電源、電熱電容器、大電流母線的循環(huán)水冷系統(tǒng)管路可采用工業(yè)純銅、不銹鋼材料，不得使用鋼材料；感應(yīng)器線圈水路的管路可以采用鋼或PVC材料。感應(yīng)熔煉電爐的循環(huán)水冷系統(tǒng)在任何場合均不得使用鑄鐵管和鍍鋅鋼管。

（3）管徑設(shè)計(jì) 管徑d是指水管的過水直徑。管徑的確定主要取決于體積流量（m3/s）和流速（m/s)。感應(yīng)熔煉電爐的循環(huán)水冷系統(tǒng)管路的流速不超過3m/s，對壓力0.2～0.3MPa的循環(huán)水，主管流量一般為1.5～3.0m/s，支管為1.0～1.5m/s。大流量取上限，小流量取下限，一般首次試算時(shí)，主管流量取2.0m/s，支管取1.2m/s。采用GB 50013—2018《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》：水泵吸水管直徑＜250mm時(shí)，流速為1.0～1.2m/s；水泵出水管直徑＜250mm時(shí)，流速為1.5～2.0m/s。

管徑按式（20）計(jì)算：

式中 d——管徑（m）；

W——循環(huán)水體積流量（m3/s）；

V——流速（m/s）。

采用經(jīng)濟(jì)管路。流量一定，管道過水截面積越大，水阻就越小，水流對管壁的撞擊擠壓也就越小。適當(dāng)加大出水管路管徑，可降低水的壓降。

（4）管路安裝

1）在泵的入口側(cè)、出口側(cè)盡可能接近水泵的地方為管道提供足夠的支持。避免管道應(yīng)力傳遞到泵體上。

2）進(jìn)水管路不得漏氣，因離心泵吸水必須保持真空。注意管路接法蘭與水泵法蘭對接平面平整，中間墊一層3～5mm厚橡皮墊圈，墊圈內(nèi)口不要小于管道內(nèi)口。管道內(nèi)口要對準(zhǔn)。聯(lián)接螺栓應(yīng)對稱擰緊、松緊程度一致。

3）水泵進(jìn)水管路設(shè)計(jì)。進(jìn)水管盡可能短而直，必須用彎管也應(yīng)選用較大半徑的彎管。為使水路入口水流速度均勻，彎管不能在水泵入口直接安裝，而要有一段長度不少于3倍管徑的直管再裝彎管。為降低進(jìn)水流速，并減小水泵吸入管浸入水下深度，可擴(kuò)大水管進(jìn)水管徑。水泵進(jìn)水管徑設(shè)計(jì)大于出水管徑1.3～1.5倍。由于進(jìn)水管徑大于水泵口徑，一般用偏心并徑管過渡。安裝時(shí)必須上平下斜，若裝反容易產(chǎn)生氣阻。為避免管路產(chǎn)生氣阻，進(jìn)水管應(yīng)水平或稍向下傾斜，不得高出水泵進(jìn)水口。浸入水池的水泵進(jìn)水管離池壁不得小于管徑的1.5倍。

4）在水泵進(jìn)水端安裝閘閥，在出水管路上安裝閘閥和止回閥。止回閥的作用是為防止意外停泵，水倒流引起葉輪反轉(zhuǎn)、松脫。逆止閥應(yīng)緊靠水泵出水口。閘閥緊接在逆止閥后面，停機(jī)時(shí)，先關(guān)閉出水口閘閥，這樣可減小水泵的振動(dòng)。

5）水泵進(jìn)水管插入水池中0.5m深度。過深時(shí)會(huì)加大揚(yáng)程，過淺抽水時(shí)進(jìn)水管周圍會(huì)出現(xiàn)一個(gè)漩渦，把空氣卷到水泵里去，使出水量減小。

7 感應(yīng)熔煉電爐循環(huán)水冷系統(tǒng)測量

7.1 冷卻水回路的密封性

首先將水壓調(diào)節(jié)到其規(guī)定的最低值（如0.2MPa），冷卻水在所有冷卻回路內(nèi)應(yīng)暢通，然后關(guān)閉各冷卻水回路出口，用泵將水壓升到廠家規(guī)定水壓最高值（如0.3MPa）的1.5倍，并應(yīng)至少保持5min，管路應(yīng)無水泄漏點(diǎn)或壓降并檢查冷卻系統(tǒng)所有閥門，以確定滿足規(guī)定的運(yùn)行情況。

7.2 冷卻水流量

水量由流量計(jì)測量或由一定時(shí)間內(nèi)流出冷卻水的體積除以該時(shí)間算得，流量試驗(yàn)的目的是檢查回路能否在不超過規(guī)定壓降的情況下通過規(guī)定的流量。

7.3 冷卻水溫升

冷卻水溫升應(yīng)在感應(yīng)熔煉電爐已運(yùn)行足夠長時(shí)間并確保處在熱態(tài)后進(jìn)行。

感應(yīng)熔煉電爐進(jìn)口處的水壓及流量應(yīng)在生產(chǎn)廠家規(guī)定的范圍內(nèi)，溫度應(yīng)在用水單元進(jìn)出口處用玻璃溫度計(jì)測量或用傳感器監(jiān)測。

以上所述冷卻水回路密封性試驗(yàn)和流量試驗(yàn)作為冷態(tài)試驗(yàn)是必選的項(xiàng)目，而熱態(tài)試驗(yàn)中的溫升試驗(yàn)是生產(chǎn)廠家與用戶協(xié)商后可選的試驗(yàn)項(xiàng)目。

8 感應(yīng)熔煉電爐水垢防止控制與線圈銅管垢層的清理

8.1 水垢的形成及其危害

感應(yīng)熔煉電爐中變頻電源的半導(dǎo)體器件、電感器件、水冷的電熱電容器、大電流母線以及感應(yīng)器線圈的冷卻水硬度超過一定值，隨著水溫升高，水中碳酸鹽和非碳酸鹽類濃度逐漸超過飽和極限發(fā)生沉淀而形成水垢。水垢沉積在線圈或通水器件內(nèi)壁，會(huì)縮小過水面積，增加水阻。

常用普通純銅的熱導(dǎo)率，0℃時(shí)為391.0W/（m·K），20℃時(shí)為390.0 W/（m·K），80℃時(shí)為382.5 W/（m·K），而水垢的熱導(dǎo)率僅在0.7～ 23.3W/（m·K）。線圈或通水器件只要表面結(jié)垢，不僅影響換熱效率，而且會(huì)增加線圈和器件的能耗，一般來講，垢層1mm時(shí)，相當(dāng)于8%的能源消耗。垢層越厚，換熱效率越低，能源消耗就越大，同時(shí)也使循環(huán)水系統(tǒng)管道阻力增大，造成動(dòng)力的浪費(fèi)。垢層厚度與換熱效率下限的關(guān)系見表3（資料來源：《ASHRAE JOURNAL》，1997，第39卷第4期）。

表3 垢層厚度與換熱效率下限比值

8.2 水垢的防止與控制

防止與控制水垢有物理方法和化學(xué)方法。

（1）物理方法 物理方法主要有水的磁化處理與靜電處理。

1）水的磁化處理：冷卻水垂直于磁力線的方向通過磁場N、S極間，水即被磁化處理。經(jīng)過磁化處理的冷卻水產(chǎn)生的無定型粉粒不會(huì)沉淀黏附在線圈銅管或通水器件內(nèi)壁，也就不會(huì)形成水垢。但磁化處理只能起到一定的阻垢作用。冷卻水的浸蝕、殺菌、旁濾等處理還需采取其他措施。

2）水的靜電處理：當(dāng)前，靜電處理分兩類，一類是利用高壓靜電場進(jìn)行水質(zhì)處理；另一類是冷卻水吸收高頻電磁能量后，使水中鈣鎂離子無法與碳酸根離子結(jié)合成碳酸鈣和碳酸鎂，從而達(dá)到阻垢的目的。高頻電子除垢的同時(shí)，也能起到殺菌、滅藻、防銹的作用。

目前，物理方法多應(yīng)用在單臺設(shè)備或小型循環(huán)水系統(tǒng)中，并有其局限性，而且其技術(shù)尚待完善，與水質(zhì)軟化的要求尚有很大距離。

（2）化學(xué)方法 化學(xué)方法處理應(yīng)用比較廣泛，其技術(shù)較成熟，也較經(jīng)濟(jì)和有效。用化學(xué)方法可以較方便地解決碳酸鈣沉積問題，主要方法如下。

1）除去部分成垢離子：碳酸鹽水垢的成垢離子是鈣及碳酸根離子。在水中鈣離子及堿度較高時(shí)，可除掉部分硬度和堿度，使水的成垢離子降低。常用的方法有離子交換法和石灰軟化法。

2）酸化法或碳化法：降低循環(huán)水的pH值，穩(wěn)定碳酸氫鹽。

酸化法是在循環(huán)水中加磷系緩蝕配方的硫酸。加酸后碳酸鹽堿度減少了，pH值也相應(yīng)下降，碳酸鈣結(jié)垢的可能性就降低了。

碳化法是將煙道廢氣中的二氧化碳通入循環(huán)水中，生成的碳酸氫鈣的溶解高于碳酸鈣，可避免碳酸鈣結(jié)垢。

3）在循環(huán)水中加入少量阻垢劑，破壞碳酸鈣等成垢鹽類的結(jié)晶成長，防止水垢沉積。

常用的阻垢劑有以下幾類：聚羧酸類、膦酸類、有機(jī)酸酯類和膦羧酸類等[12]。

8.3 感應(yīng)器線圈垢層的清理

感應(yīng)加熱設(shè)備中變頻器的平波電抗器、電感線圈、感應(yīng)器線圈在工作一段時(shí)間后如產(chǎn)生水垢，要及時(shí)加以處理。

水垢的主要成分是碳酸鹽，而在碳酸鹽水垢中含有80%以上的碳酸鈣，如果水中硅酸鹽及硫酸鹽含量低且線圈不存在腐蝕時(shí)，碳酸鈣的含量可達(dá)95%左右。碳酸鹽水垢最易溶于無機(jī)酸和有機(jī)酸。在常溫時(shí)，5%以下的稀鹽酸中碳酸鹽水垢可全部溶解，溶解時(shí)將產(chǎn)生大量CO2氣體。

其化學(xué)反應(yīng)式為：CaCO3+2HCl→ CaCl2+CO2↑+H2O

用鹽酸清洗水垢時(shí)可由垢層厚度選擇酸液濃度，見表4。

表4 清洗水垢時(shí)酸液濃度的選擇

有“點(diǎn)蝕”的線圈銅管應(yīng)使用80%的氨基酸清洗。若有較嚴(yán)重的均勻腐蝕則不宜進(jìn)行化學(xué)清洗。

在勾兌鹽酸溶液時(shí)，應(yīng)使用以咪唑啉為主的緩蝕劑，為抑制腐蝕，在溶液中可加入50～100mg/L二硫基苯并噻唑（MBT）。

使用過的廢酸溶液的處理一定要遵循國家關(guān)于廢液排放的標(biāo)準(zhǔn)[13，14]。

致讀者 ：您在閱讀每期講座后，如有問題可及時(shí)反饋到編輯部（rb1950@126.com）或直接聯(lián)系作者，我們將在后期以答疑的形式刊出，實(shí)現(xiàn)作者與讀者的互動(dòng)。