永磁除垢器的磁场有限元分析

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水垢会导致热效率下降，能耗增加，严重时会堵塞管道甚至引起锅炉爆炸等严重后果。长期以来，人们对水垢预防以及水的软化进行了大量的研究，并找到不同的防垢方法，主要有化学和物理方法。化学方法包括碱沉淀法、投加阻垢剂法和离子交换法等。这些方法可以有效防垢阻垢，但投加阻垢剂法会增加运行成本。由于处理水样的复杂性，阻垢剂的种类和比例需要适时改变 ，使得操作复杂，同时对环境会带来污染。物理方法包括水电解法、磁化法、超声波法和无线电频率照射法21。其中，磁化(永磁和电磁)水处理技术因其投资孝操作简单、无毒无污染，集防垢、除垢、杀菌、缓蚀等多种功能于-身，被水处理行业广泛应用。

永磁除垢是磁化水处理技术的-种，其优点是 ：不用电，不耗能量，无需维护，安装简便↑年来，由于采用稀土永磁材料 ，使除垢器具有耐高温，永不退磁等特点，除垢效果显著，是-种极具发展前景的防垢除垢技术p。

目前 ，永磁除垢设备多种多样 ，设备繁多，但设计时多采用经验计算和手算 ，设计手段和方法显得陈旧，本文以有限元为手段 ，采用软件 ANSYS为工具，对国内某环境公司的 GGC-300-1.6磁水防腐除垢器进行了磁场分析，这-分析是对除垢器磁场设计的-种新探索，所得结果供国内外同行参考，以便来推动永磁除垢器的设计。

1 永磁除垢器的描述水防腐除垢器。图 1为除垢器的轴向剖面图，图 2为除垢器的径向剖面和材料布置图。

， L1 040 mm，D500 mill，DN 300 nlm图 1 除垢器的轴向剖面图2 永磁除垢器的有限元模型图2 几何模型2.1几何模型的简化由于是对永磁除垢器的磁场分析，所以对其结构做了相应的简化，去除了除垢器的两端的法兰，-共需要设置 3种材料属性(见表 1)：永磁铁块选择钕铁硼磁块 N35，尺寸长 X宽 ×高为 50 X 50 X 30，单位为 mm，单块的质量 1TI0.6 Kg。

2.2有限元模型(1)单元类型有限元平面分析选择的是 PLANE13单元类型。

表 1 材料特性材料 相对磁导率 矫顽力/Mm轭铁 Q235 2O00白钢 1CrlSNi9Ti、空气、流水、木材 1钕铁硼磁块 l 87O0o0程序默认的单位制是 MKS制(in-A-s)。自由空本文介绍的是国内某环境公司 GGC-300-1.6磁 间的相对磁导率 U。4霄X 10 H/m。对各个体进行属收稿日期：2013-02-06作者简介：李 杨(1984-)，男 ，山东临沂人，讲师，博士研究生，主要从事机械设计 ，机械动力学等研究。

13Equipment Manufacturing Technology No.5，201 3性的分配，对模型进行划分网格得到有限元模型。

(3)磁铁块的极向建立局部坐标，利用属性选择出磁铁块单元，把局部坐标赋予磁铁块从而确定磁铁块的磁化方向。

ANSYS中默认的 x轴的正方向为永磁体 N极的方向〃立局部坐标系，最后磁铁块的极向如图3所刁 o(4)边界条件在外围空气层边缘施加磁力线平行条件 ，最后进行求解，利用后处理器查看计算结果。

磁化盲图 3 磁铁块的极性 图4 磁场强度 H3 模型计算结果分析根据国内某环境工程有限公司所生产的永磁除垢器要求，其内部的磁感应强度平均要达到 160 mT以上，才能在实际中达到除垢效果。因为所需处理的污水的相对磁导率为1，根据公式[61得磁场强度日与磁感应强度 之间的关系为：日：-垦-： -：127 324 A/m (1)uou， 47r× 10所 以按照该公司要求磁场强度 必须大于127 324 A，m，和磁感应强度B大于 160 mT是等效的。

利用的 ansys菜单命令查看节点的磁场密度的分布 ：如图 4可 以看 出磁场强度 的最大值为0.105×10 A/m，最小为0到 0.123 3 A/m之间。流水层的磁场强度集中分布在 350 212 A/m到116 738 A/m之问。从图中我们可以看出在磁块的两端的四块流水区域，出现了磁掣乎为零的区域即为磁化盲区。

在这个区域流经的水将得不到磁化，影响除垢器的除垢效果。

图 5 磁感应强度 B 图 6 磁感线分布图由图 5可以看出，由于钕铁硼磁铁块激发出的磁感应强度 的值最大达到 2.024T，最小在 0.170 xl0 T以下，由图 5看出水道大部分区域磁感应强度14B在 0.224 916 T即 244.916 mT这个值上下。

在实际测试中，测试点位置如图4所示。得出实际测得的磁感应强度为230 mT，与ANSYS理论分析的结果 240 mT的误差为 4.35%。

对中间磁铁块组两侧磁化盲区用测试仪测试 ，从测试结果可以看出该处的磁感应强度为 4 mT即为，特别小，几乎为零。实验证明了运用 ANSYS进行的理论分析和实际结果吻合。

图6为除垢器的磁感线分布，上下两层磁铁块两端的水道 1、2、3、4如图所示，从图 6可以看出，磁感线稀少，从永磁除垢器的磁感线分布可以看出，由于轭铁的相对磁导率是 2 000，而空气和流水的相对磁导率是 1，永磁铁块的两端的磁感线被轭铁 吸”走，磁感线便不会经过上述的四个磁化盲区。通过磁感线的分布还发现了另-个新的问题，那就是在磁铁块组的两端附近，特别是在中间磁铁块组两侧区域不但磁感线少而且磁感线分布不垂直，影响污水的磁化强度。

4 分析结果根据磁化流体动力学原理，水被磁化应具备的条件之-就是水流动方向应与磁力线方向垂直正交。目前应用中使用的磁化水处理设备多为正交式，由磁感线图 6可知 ，在水道的某些区域 ，水流同磁力线不垂直甚至存在无磁力线的区域 ，影响了磁化效果，说明除垢器的磁路设计有待改进。

研究表明影响垢含量的主要参数是磁感应强度( 和磁暴露时间( )；垢含量与磁感应强度 B与时间t的乘积即(B×t)成正比线性关系。由图 5可知 ，除垢器中间部位的磁感应强度 B较强，而边缘部位较弱，将-定程度上影响除垢效果。如果流水速度-定，要增大磁暴时间，须增加除垢器轴向方向的磁铁块，但这样势必增加除垢器的生产成本。

5 结束语(1)通过对永磁除垢器的磁厨行有限元分析和设计，相对于以往永磁除垢器设计和除垢器的单点测试，整体的分析性和磁成视化更强 ，这-研究是永磁除垢器设计的新探索。

(2)经实测验证，本文的永磁除垢器的磁场有限元分析是正确的和可信的，此分析方法对永磁除垢器的设计具有-定的借鉴作用。

(3)经分析得出：本类型的永磁除垢器的磁块布置和磁路设计有待完善。