中国总能耗的72.8%用于工业生产，工业生产总能耗的70%以上用于生产过程中的各类循环水系统，占到全国总能耗的50%左右;也就是说，中国将近一半的能源用在工业生产中的 “工业循环水系统”，进行污水处理。
由于现阶段的技术，无法有效解决循环水系统内长期运行不断积累的水垢、微生物粘泥垢的形成和堆积，阻碍了热交换能力，特别是生物粘泥垢，导致的热交换损失是碳酸钙垢的5倍，造成工作效率的连续下降。生产企业只有通过增加循环流量来弥补此问题，而流量加大能耗也随之上升，最终导致工业生产总能耗约上升25%。
水垢影响传热效率及增加能耗的关系。
表1 水垢影响传热效率及增加能耗的关系
| 水垢厚度 mm |
0 | 0.3 | 0.6 | 0.9 | 1.2 | 1.6 |
| 传热效率BTE/ft/°K | 92.77 | 73.68 | 61.12 | 52.20 | 45.60 | 39.52 |
| 传热损失 % |
0 | 21 | 34 | 44 | 56 | 57 |
| 增加电能消耗 % |
0 | 11 | 23 | 32 | 41 | 52 |
1新型化学清洗除垢工业节能原理
目前国内外最先进、最有效的在线化学清洗技术是KNJ -60 运行净。它与传统化学清洗主要区别是，具有中性的化学特征，具有与被清洗的金属之间无化学作用的特性，使其在应用中显现出清洗性质温和，不影响系统的正常运行，不腐蚀系统，不发生污垢堵管现象，不改变系统水本身的pH值，且清洗后的排污在同行中首先达到了环保排放的要求。
1.1技术原理
“运行净”系线型高分子缩聚物，该缩聚物中含有大量活性较高的分子官能团，通过官能团自身具有远大于水垢分子间吸引力的高能量，有效吸附水垢分子，从而达到除垢防垢目的。
1.2除垢机理
除垢机理分两个阶段，第一阶段是“运行净”分子官能团的能量远远大于水垢分子之间的分子间力(即范德华引力)，当“运行净”分子官能团与水垢分子接触时，会克服水垢分子之间的引力，迫使水垢分子向官能团迁移，达到除垢的目的。与水垢之间的作用如图1所示。该阶段的除垢过程实质上是1个物理过程，具体表现为系统水由原来的澄清状态开始出现不同程度的浑浊。
图1 “运行净”分子官能团夺取水垢分子的示意图
第二阶段是吸附在“运行净”分子上的水垢分子，两者开始出现化学反应，如图2所示，具体表现为浑浊的系统水开始逐渐澄清。
图2 第二阶段时化学反应过程示意图
“运行净”的应用，可使运行的系统，重新恢复原有的设计工艺参数，从而达到了系统长期运行过程中无垢化清洁运行的理想状态，有效的提高系统及设备的热交换能力，使系统运行能耗、用水量、运行成本、设备维修率等明显降低。
2新型物理除垢节能原理
2.1电解法除垢节能原理
2.1.1技术原理
电解除垢是将电极插入循环水中，利用水及水中矿物质的电化学特性，通过电解来调节水中矿物质的平衡，而实现阻垢、防腐和防治微生物的目的。
2.1.2除垢节能机理
通过电极直接向冷却循环水加载直流电.提高循环水对形成水垢物质的溶解能力，逐渐溶解冷却循环水系统水中附着的水垢。电解开始后，水中的重金属离子 (包括水垢)会附着在电解除垢系统电解槽中的负电极板表面.再定期切换正电极与负电极的极性。切换后，负电极上附着的水垢脱落，与排水一同排出到循环水系统外部。
2.2变频电磁法除垢节能原理
2.2.1技术原理
变频电磁法是采用信号处理技术，产生一种变频信号，通过电缆将该变频信号加在管道上，从而在管道内部产生1个分子力动态干扰场，引起水分子产生共振。由于不同条件下水的温度、硬度、黏度、pH值不同，其内部的自然频率就不同，所以其共振频率也不可能相同。因此，只有采用变频技术，才能确保使任何水质条件下的水分子产生共振。
2.2.2除垢节能机理
变频共振是向水中施加1个与其自然频率相同的频率，引起水分子产生共振。共振的结果，使氢键断开，使水分子团变成单个的极性水分子，因而提高了水的活化性和对水垢的溶解度，极微小的水分子可以渗透、包围、疏松、溶解、去除热交换系统内的老垢，同时，浮在水中的钙离子和碳酸根离子相互碰撞，形成特殊的文石碳酸钙体，因其表面无电荷。故不再吸附在管道上，从而达到除垢、防垢的目的。
2.3多效纳米能量球滤料除垢节能原理
2.3.1技术原理
多效纳米能量球滤料系统，是一种以改性纳米电气石材料为核心合成的功能性滤料，对水质进行处理的新型装置。
功能性滤料为多效纳米能量球，是由多种纳米无机矿物材料和电能材料等组成，经纳米加工并制造成圆形陶粒。能量球具有大量分子级的微孔，不仅具有很强的吸附能力，而且有很好的分解能力。同时，可以降低循环冷却水(冷冻水)的硬度和浊度、有非常好的抑制细菌和藻类生长的作用、具有调控水的pH值(保护铜管和铁管)、除臭等功能。
2.3.2节能机理
a) 除垢节能。多效纳米能量球，可将部分水分子电解成氢离子和氢氧离子，氢氧离子与其它水分子形成相对稳定的羟基离子。水中的钙、镁离子除了以离子态存在，还会以如下形式存在：Ca(HCO3)2和Mg(HCO3)2 。当它们遇到羟基及游离Ca离子时：
Ca(HCO3)2+2OH-= 2CaCO3↓+H2O，
Mg(HCO3)2+2OH-+2Ca+=2CaCO3↓+Mg(OH)2↓。
经如上反应，产生了CaCO3和Mg(OH)2沉淀，它们形成了松散的水渣，由过滤层滤掉，不会结成水垢硬层;
b) 杀菌、抑藻。由于多效纳米能量球，具有永久电极，在其周围有徽电场，在这种环境下，细菌、霉菌等微生物的繁殖会受到明显的抑制甚至被杀灭。另外，少数细菌在空气中由于依附在带正电荷的灰尘或其它悬浮颗粒物上而呈正电型，遇上负离子时，正负极吸合的冲击作用会把细菌的细胞膜击穿，从而杀死细菌。同时本材料特别添加了进口霉菌抑制剂，对细菌滋生和藻类滋生具有较好的抑制作用;
c) 调控循环水系统的PH值。空调水系统中既有Cu又有Fe，做到使二种金属都得到保护，这就应该控制系统水的PH值在9～9.9之间，因为铁的钝化区在PH值9～13之间(生成Fe3O4保护膜，使Fe不受腐蚀)，Fe喜碱性介质，而Cu怕强碱，当PH值达到10以上时，Cu才开始受腐蚀，故在Cu与Fe都共存的水系统中，最好要严格控制PH值在9～9.9之间。经多效纳米能量球滤料处理过的循环冷却水(冷冻水)的饱和PH值在9.5左右，可使循环冷却水(冷冻水)的酸碱度保持在适当的碱性环境，既可以保护铜又可以保护铁，还有利于抑制细菌和藻类生长。
3应用技术比较
上述的除垢节能技术，同传统的化学除垢方式比较，最大的区别或优势有：a) 均可在线除垢，不需要停机;b) 除垢过程中对循环系统管壁没有任何腐蚀，不会发生因除垢而产生管漏现象，也不存在化学腐蚀和排放污染问题;c) 将水垢以分子的形式溶解在水中，因此不会存在堵塞管道的现象;d) 均可在温度较高的工业循环水系统运行中使用，如多效纳米能量球滤料系统设计温度可达100 ℃，变频电磁法设计温度可达149 ℃，“运行净”可在350 ℃以下的任何温度都能正常发挥作用;e) 适用于任何材质的工业循环水系统。
在实际使用中，每项技术又各有所长。“运行净”因为要保待循环水系统中系线型高分子缩聚物的一定浓度，故只适用于封闭的工业循环水系统的除垢节能。
物理除垢技术可适用于封闭或非封闭的任何系统。所不同的是多效纳米能量球滤料系统为自激发能量场，无需外接能源，而电解法和变频电磁法则需要带电运行，特别是电解法需在高压状态下工作。工作状态下，前者对周围不会产生任何磁场，周围的磁场变化对其也影响甚微。后者则不同，如对变频电磁法而言，由于变频信号通过电缆将该加在管道上，线圈产生的磁场对现场的磁电计量设备会产生影响，故对磁电计量设备距离有一定要求，一般应>2 m。同时电动机产生的磁场也会对变频磁场产生干扰，故对设备距离也有一定要求，如对大功率电动机(高压注水泵的电机)距离应在3 m以上。
电解法和变频电磁法的区别是，后者由于频率变化范围宽，可适用于一定范围内的不同pH值、不同温度、不同流速、的工业循环水系统。实践表明，当pH值在7～9，碱度大于硬度时电磁处理防垢的效果才明显。一般当水中碱度大于8 mg当量时，应考虑采用变频电磁法除垢。相关理论表明，电磁场强度与水的流速的乘积有一恒定的最佳值，所以当电磁场强度一定时，对工业循环水的流速就相应限制，如当电磁场强度0.6～0.8特拉斯时，要达到最佳除垢效果，流速应为2 m/s左右。
原标题：工业循环冷却水系统除垢节能新技术解析
