應(yīng)用電磁信號(hào)發(fā)生器的處理腔管仿真分析＊

陳長(zhǎng)卿 ， 李子健 ， 黃 濤 ， 葉大鵬 ， 李海蕓

（1.福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350002； 2.福建農(nóng)林大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備福建省高校工程研究中心，福建 福州 350002； 3.閩江師范高等?？茖W(xué)校機(jī)電工程系，福建 福州 350108）

0 引言

2021年政府工作報(bào)告提出要加大對(duì)生態(tài)環(huán)境的治理力度，其中特別提到對(duì)廢水處理的要求，支持大力推動(dòng)新能源的發(fā)展[1]。目前工業(yè)上循環(huán)水冷卻水的利用率有70%～80%[2]，循環(huán)水的應(yīng)用減少了水資源浪費(fèi)問題，但同時(shí)也帶來了其他問題。因?yàn)檠h(huán)水在持續(xù)的循環(huán)運(yùn)行過程中會(huì)濃縮和蒸發(fā)，且隨著循環(huán)時(shí)間的增加，濃縮倍數(shù)也不斷地增加[2]，使得水垢的生成速率比直流水的水垢生成速率快得多。水垢膠結(jié)在管道中會(huì)導(dǎo)致設(shè)備換熱效率降低，增加能源消耗，不符合節(jié)能減排要求。

在工業(yè)上去除水垢的方法較為單一，多是采用化學(xué)法，如使用阻垢劑、緩蝕劑、滅藻劑等水處理化學(xué)藥劑[3]，化學(xué)藥劑的發(fā)展較為成熟，且成本較低，所以應(yīng)用十分廣泛。但化學(xué)藥劑往往會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，如阻垢劑中含有的羧酸類鐵會(huì)形成新的污染物。如果使用不當(dāng)，也會(huì)對(duì)人的皮膚造成傷害，還會(huì)腐蝕設(shè)備，增加了設(shè)備的維護(hù)成本。電磁法是一種純物理方法，可在設(shè)備運(yùn)行時(shí)持續(xù)工作，不必像化學(xué)法需要定期停產(chǎn)以處理水垢，可提高生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)效益，并且集安全、節(jié)能、環(huán)保多種優(yōu)勢(shì)于一體。

筆者簡(jiǎn)單闡明了電磁信號(hào)發(fā)生器的組成，并詳細(xì)說明了處理腔的設(shè)計(jì)過程。

1 信號(hào)發(fā)生器的構(gòu)成

電磁信號(hào)發(fā)生器是電磁法處理水的關(guān)鍵，它能夠輸出頻率可調(diào)的信號(hào)。其整體方案結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要包括12 V直流電源、穩(wěn)壓模塊、功率放大電路、MCU系統(tǒng)、保護(hù)電阻、處理腔。

在系統(tǒng)工作過程中，電磁信號(hào)發(fā)生器根據(jù)單片機(jī)發(fā)出的指令，產(chǎn)生某個(gè)特定的頻率或者變頻的微弱電信號(hào)，再通過功率放大電路對(duì)磁感線圈作用一定頻率和功率的脈沖信號(hào)，從而在處理腔中產(chǎn)生電磁場(chǎng)，對(duì)循環(huán)水進(jìn)行處理。

圖1 電磁信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖

2 處理腔的仿真與設(shè)計(jì)

影響磁場(chǎng)強(qiáng)度的因素有很多，材料方面如處理腔的直徑、處理腔的材料、磁感線圈的匝數(shù)等。為了減小后續(xù)實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜和提高效率，利用Comsol Multiphysics多物理仿真系統(tǒng)模擬仿真電磁場(chǎng)，探索不同處理腔的材料、線圈匝數(shù)等條件下電磁場(chǎng)的強(qiáng)度及其作用范圍，設(shè)計(jì)最高效率的處理腔。

由于水泵直徑的限制，將處理腔的管口直徑設(shè)為定值，為6.5 mm，管壁壁厚為1.15 mm。

磁感線圈是由普通漆包銅線繞在一起制成的，磁環(huán)電感線圈是一種具有通直流阻交流、通低頻阻高頻、電流超前九十度角的電子元器件。選擇直徑為0.8 mm的漆包線。

圖2 處理腔模型

2.1 處理腔材料的選擇

不同材料的相對(duì)磁導(dǎo)率及電導(dǎo)率會(huì)有所區(qū)別，對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度以及分布也有差距[4]，因此可利用Comsol Multiphysics 仿真并分析采用不同材料的處理腔的磁場(chǎng)，找到電磁處理最合適的處理腔。筆者對(duì)幾種常見的管道材料仿真，它們的相對(duì)磁導(dǎo)率如表1所示。

表1 各種材料的相對(duì)磁導(dǎo)率

選擇PE管=1 H/m，不銹鋼=2.8 H/m，碳鋼=150 H/m仿真。輸入電流為0.5 A，線圈匝數(shù)為30匝，輸入頻率為1.5 kHz。仿真結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 PE管仿真結(jié)果

圖4 不銹鋼管的仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可得，處理腔的材料不同會(huì)對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度和分布范圍有所影響。PE管的磁感應(yīng)強(qiáng)度最強(qiáng)，碳鋼管的磁感應(yīng)強(qiáng)度最弱，對(duì)比這三種材料的仿真效果可知，處理腔管道材料的相對(duì)磁導(dǎo)率越大，管道對(duì)磁場(chǎng)的屏蔽效果更加明顯。所以實(shí)驗(yàn)時(shí)選用PE管作為處理腔的腔體。

2.2 磁感線圈匝數(shù)的選擇

直徑一定的線圈，匝數(shù)越多，線圈產(chǎn)生的電阻就越大，電流就會(huì)越小，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大，一增一減，磁感應(yīng)強(qiáng)度變化無從得知。當(dāng)達(dá)到一定匝數(shù)，磁通量會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí)再增加線圈匝數(shù)，磁感應(yīng)強(qiáng)度也不會(huì)增強(qiáng)。但是匝數(shù)越多，磁場(chǎng)的分布就越廣，水經(jīng)過磁場(chǎng)被處理的時(shí)間就越長(zhǎng)。所以仿真是必要的。選擇處理腔為PE管，輸入電流為0.5 A。目前在電磁場(chǎng)水處理研究中，對(duì)處理腔的纏繞線圈的匝數(shù)沒有特定要求，一般30匝就會(huì)有效果[5]。所以選擇線圈匝數(shù)分別為30匝、70匝、110匝、150匝。仿真結(jié)果如圖6、圖7、圖8、圖9所示。

圖6 匝數(shù)為30匝時(shí)的磁場(chǎng)分布

圖7 匝數(shù)為70匝時(shí)的磁場(chǎng)分布

圖8 匝數(shù)為110匝時(shí)的磁場(chǎng)分布

圖9 匝數(shù)為150匝時(shí)的磁場(chǎng)分布

由仿真結(jié)果可知，在確定處理腔的長(zhǎng)度為120 mm時(shí)，在線圈匝數(shù)為30匝的基礎(chǔ)上，每增加40匝，磁場(chǎng)強(qiáng)度就越強(qiáng)，但在本文條件下，還未受到磁飽和效應(yīng)的影響，所以該模型的線圈匝數(shù)選擇150匝。

3 結(jié)論

筆者設(shè)計(jì)了一款電磁信號(hào)發(fā)生器，并用Comsol Multiphysics 模擬仿真處理腔的磁場(chǎng)分布。仿真結(jié)果說明管道的材料由于相對(duì)磁導(dǎo)率不同，會(huì)對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度和分布產(chǎn)生較大影響，且相對(duì)磁導(dǎo)率越大對(duì)磁場(chǎng)的屏蔽效果就越強(qiáng)。除此之外，由于磁飽和效應(yīng)，線圈匝數(shù)也會(huì)對(duì)磁場(chǎng)造成影響。綠色化發(fā)展是現(xiàn)在以及將來水處理方式上的一個(gè)趨勢(shì)，希望將來能打破技術(shù)壁壘，讓電磁法處理水的技術(shù)走向成熟，實(shí)現(xiàn)一套系統(tǒng)多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景使用，減少時(shí)間、精力和成本的浪費(fèi)，將電磁法廣泛應(yīng)用在各個(gè)場(chǎng)景。