基于超聲波發(fā)生器冷卻塔防結(jié)冰的研究與應(yīng)用

謝 昆，侯瑞強(qiáng)，馬宇晴

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)內(nèi)蒙古有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

0 引 言

隨著世界向更加智能化、物聯(lián)化、感知化的方向發(fā)展，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)得到不斷推廣，其客戶需求逐年上升。客戶對(duì)大數(shù)據(jù)服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)要求也越來越高，運(yùn)行維護(hù)工作逐漸成為了重中之重。如何保障工業(yè)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行也成為全球數(shù)百萬企業(yè)共同的課題。目前，我國大多數(shù)企業(yè)通常采用開式逆流冷卻塔進(jìn)行冷卻水與外界溫度換熱，但對(duì)于冬季北方地區(qū)，由于室外氣溫極低，導(dǎo)致開式逆流冷卻塔進(jìn)風(fēng)口部位結(jié)大量的積冰（見圖1），嚴(yán)重影響冷卻塔換熱效率，同時(shí)維護(hù)人員清理積冰既困難又很容易操作不慎跌下馬道，存在嚴(yán)重的安全隱患，因此解決冬季冷卻塔結(jié)冰問題成了當(dāng)務(wù)之急。

圖1 冬季冷塔結(jié)冰情況

1 傳統(tǒng)技術(shù)的缺點(diǎn)及存在的問題

目前各大型企業(yè)采用開式逆流冷卻塔對(duì)冷卻水進(jìn)行換熱[1]。冷卻塔通過空氣與水的接觸（直接或者間接）把循環(huán)系統(tǒng)中的熱量吸收，然后排放至大氣中，以降低水溫或冷卻設(shè)備。該蒸發(fā)散熱裝置的工作原理是利用水與空氣流動(dòng)接觸后進(jìn)行冷熱交換產(chǎn)生水蒸汽，水蒸汽揮發(fā)后帶走熱量，并利用蒸發(fā)散熱、對(duì)流傳熱和輻射傳熱等原理來散去工業(yè)設(shè)備上與制冷空調(diào)中產(chǎn)生的余熱，從而降低水溫，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。但對(duì)于北方地區(qū)，冬季外界氣溫極低，導(dǎo)致部分冷卻水滴落在進(jìn)風(fēng)口百葉處形成大量積冰，嚴(yán)重影響冷卻塔進(jìn)風(fēng)量，使得冷卻塔換熱效率降低。目前，行業(yè)內(nèi)冷卻塔除冰方式有以下幾種。

1.1 利用人工機(jī)械除冰

維護(hù)人員借助鎬、錘等工具手工清理冷卻塔的積冰，該做法的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)于少量積冰效果明顯，缺點(diǎn)在于需要每天上冷卻塔除冰，一旦中斷，積冰將很難清理。而且，人工除冰浪費(fèi)大量人力物力，人員站在馬道上除冰很容易從高處墜落，存在嚴(yán)重的安全隱患。

1.2 利用化學(xué)藥劑除冰

利用化學(xué)藥劑進(jìn)行除冰，例如一些融雪劑、化冰鹽等，其優(yōu)點(diǎn)是容易獲取，價(jià)格低廉；但缺點(diǎn)是長(zhǎng)時(shí)間使用化學(xué)藥劑容易腐蝕冷卻塔結(jié)構(gòu)，除此之外，使用此類藥劑如果處理不當(dāng)還會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染[2]。

1.3 電加熱方式除冰

利用熱能將積冰融化，常見的方式就是通過加裝電伴熱使得積冰快速融化，其優(yōu)點(diǎn)在于效果明顯，但是電伴熱會(huì)浪費(fèi)大量電能，不經(jīng)濟(jì)。而且，冷卻水中含有除垢劑、殺菌劑等腐蝕性藥劑，長(zhǎng)期作用會(huì)腐蝕電伴熱線纜，使其絕緣層脫落造成漏電。

1.4 利用超聲波技術(shù)除冰

該方法利用聲波振動(dòng)清理聚集在冷卻塔進(jìn)風(fēng)口表面的積冰，其優(yōu)點(diǎn)是環(huán)保，而且相對(duì)于化學(xué)除冰的方式，超聲波除冰不易對(duì)冷卻塔結(jié)構(gòu)造成腐蝕損壞，但是缺點(diǎn)在于清除冷卻塔積冰需要超聲波裝置長(zhǎng)時(shí)間、大功率運(yùn)行，特別是北方地區(qū)冬季冷卻塔積冰時(shí)間快，如果不能及時(shí)開啟，快速除冰，長(zhǎng)時(shí)間反而會(huì)導(dǎo)致積冰越積越多。除此之外利用聲波處理積冰需要長(zhǎng)時(shí)間大功率超聲波裝置，很容易造成高額的電費(fèi)支出。

2 總體解決方案

鑒于目前各類除冰方式均有弊端，本文提出一種以防結(jié)冰取代除結(jié)冰的思路，設(shè)計(jì)出一種基于超聲波熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)的智能防結(jié)冰系統(tǒng)，即利用超聲波熱效應(yīng)提升積水的溫度，同時(shí)借助振動(dòng)效應(yīng)減少積水停留在冷卻塔進(jìn)風(fēng)百葉上的時(shí)間，以防結(jié)冰代替除結(jié)冰，將積冰消除在萌芽之中，最終實(shí)現(xiàn)降低積冰的目的。同時(shí)，為了防止冬季北方極寒地區(qū)由于積水清理不及時(shí)導(dǎo)致大面積積冰情況，本文還設(shè)計(jì)了冷卻水回水溫度采集裝置，可根據(jù)冷卻塔回水溫度情況實(shí)時(shí)、及時(shí)調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器功耗、頻率，及時(shí)清理早期積冰，有效避免了傳統(tǒng)超聲波除冰技術(shù)中發(fā)生器長(zhǎng)時(shí)間、高功耗的使用而造成發(fā)生器設(shè)備損壞、高額電費(fèi)的支出；從而達(dá)到延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命、減少設(shè)備用電、取代人工的目的，并且使此類工作簡(jiǎn)單化、智能化。

3 具體實(shí)施方案

本文所設(shè)計(jì)是一種基于超聲波振動(dòng)原理的智能防結(jié)冰系統(tǒng)。首先采集冷卻塔進(jìn)風(fēng)百葉上的積水情況，當(dāng)采集到有“大量積水”產(chǎn)生，采集器將狀態(tài)反饋到控制器，根據(jù)檢測(cè)值和設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，若反饋值小于設(shè)定值，則表示沒有達(dá)到除積水條件，控制系統(tǒng)繼續(xù)采集信號(hào)。若反饋值達(dá)到設(shè)定值，此時(shí)控制器發(fā)出閉合繼電器命令，超聲波裝置開始低功耗、低頻率除積水工作。同時(shí)針對(duì)冬季北方極寒天氣下積水迅速結(jié)冰情況，該系統(tǒng)可以通過冷卻塔回水溫度傳感器采集到冷卻水回水溫度高于正常工作狀態(tài)下冷卻水回水溫度，說明冷卻塔進(jìn)散熱效果已受到嚴(yán)重影響，從而判斷進(jìn)風(fēng)百葉存在“積冰”現(xiàn)象，此時(shí)將“有積冰”的信號(hào)上傳至控制器，由控制器驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)生器進(jìn)行高功耗、高頻率振動(dòng)。

超聲波發(fā)生器啟動(dòng)后，利用超聲波的熱效應(yīng)防止積水成冰。同時(shí)，借助超聲波振動(dòng)的機(jī)械效應(yīng)，通過改變振動(dòng)頻率從而減少積水成冰的概率，例如通過調(diào)節(jié)0～900 Hz試驗(yàn)聲波頻率，統(tǒng)計(jì)不同頻率下水的結(jié)冰時(shí)間。通過試驗(yàn)可以看出，當(dāng)試驗(yàn)聲波頻率在250 Hz以下時(shí)，聲波可以縮短水結(jié)冰的時(shí)間，但以300 Hz以上頻率的試驗(yàn)聲波驅(qū)動(dòng)水時(shí)，可以有效地延長(zhǎng)水結(jié)冰的時(shí)間，再加上聲波熱效應(yīng)、重力及振動(dòng)因素，導(dǎo)致水在進(jìn)風(fēng)百葉滯留的有效時(shí)間縮短，大大減小了在進(jìn)風(fēng)百葉結(jié)冰的可能性。整個(gè)系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分。

3.1 積水采集模塊

主要由多條積水采集線（根據(jù)實(shí)際使用情況可增加布線密度）、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊組成，即利用導(dǎo)線短路原理，正常情況下兩根黑色電纜具有導(dǎo)電作用，當(dāng)有積水飛濺至采集線上，使得兩根原本未接通的導(dǎo)線接通導(dǎo)電，之后將“有積水”的信號(hào)上傳至控制器，由控制器驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)生器進(jìn)行低功耗、低頻率振動(dòng)。

3.2 冷卻水回水溫度采集模塊

同時(shí)，該系統(tǒng)還配備冷卻水回水溫度采集器，當(dāng)采集器采集到冷卻水回水溫度高于正常工作狀態(tài)下冷卻水回水溫度，說明冷卻塔進(jìn)風(fēng)口散熱效果已受到影響，從而判斷出進(jìn)風(fēng)百葉存在積冰現(xiàn)象，此時(shí)將“有積冰”的信號(hào)上傳至控制器，由控制器驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)生器進(jìn)行高功耗、高頻率振動(dòng)。

3.3 超聲波控制模塊

本控制器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有一路采集和控制，故選取功耗小、接口少、成本較低的ATMEGA328P作為主控芯片，電路原理圖如圖2所示，外接USB轉(zhuǎn)串口電路（見圖3）和復(fù)位電路（見圖4）。晶振為芯片正常工作提供震蕩頻率，復(fù)位電路則是在程序運(yùn)行中出現(xiàn)故障時(shí)，控制系統(tǒng)不能正常工作，此時(shí)需要復(fù)位芯片，使得程序能夠重新運(yùn)行。

圖2 控制原理圖

圖3 USB轉(zhuǎn)串口原理圖

圖4 復(fù)位電路原理圖

采集與控制電路：本裝置采用積水采集模塊、冷卻水回水溫度傳感器作為采集端，通過采集模塊采集情況判斷冷卻塔積水或積冰情況，并將該信息通過RS+和RS-反饋給控制芯片，控制芯片根據(jù)反饋值和設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，若反饋值小于設(shè)定值，則沒有達(dá)到除積水或積冰條件，控制器繼續(xù)等待反饋信號(hào)。若反饋值大于設(shè)定值，此時(shí)控制器將信號(hào)發(fā)送至繼電器、變頻器，繼電器控制超聲波發(fā)生器開/合，變頻器選擇性調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器輸出功率及振動(dòng)頻率，從而開始除積水（低功耗、低頻率）或除積冰（高功耗、高頻率）工作。

3.4 超聲波產(chǎn)生模塊

超聲波產(chǎn)生模塊，又稱超聲波發(fā)生器，主要由電源輸入模塊、頻率調(diào)節(jié)模塊、輸出調(diào)節(jié)模塊、頻率顯示模塊、散熱器、電位器、小型變壓器、換能器組成。其原理是把市電轉(zhuǎn)換成與超聲波換能器相匹配的高頻交流電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)超聲波換能器工作，換能器通過將電能轉(zhuǎn)換為聲/熱能，最終通過超聲波振子產(chǎn)生高頻振動(dòng)及溫升[3]。

為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，減少超聲波發(fā)生器長(zhǎng)期大功率運(yùn)行而造成設(shè)備損壞，該系統(tǒng)在傳統(tǒng)超聲波發(fā)生器的基礎(chǔ)上，通過在控制電路中加入變頻器實(shí)現(xiàn)了超聲波發(fā)生器的高功率和低功率兩種工作模式?？刂葡到y(tǒng)通過水位信號(hào)采集器和溫度傳感器的信號(hào)數(shù)據(jù)來判斷目前現(xiàn)場(chǎng)情況，采取對(duì)應(yīng)的動(dòng)作策略。具體流程如下：根據(jù)“積水”、“積冰”采集模塊將采集到的溫度、積水信號(hào)（見圖5）通過RS485_A、OUT及O_SCK接口傳送至超聲波控制模塊（如圖2中的23、24、27、28引腳）經(jīng)超聲波控制模塊根據(jù)邏輯判斷，智能選擇輸出高頻、低頻啟動(dòng)信號(hào)（如圖2中的13、14引腳，HIGH代表高頻率啟動(dòng)，LOW代表低頻率啟動(dòng)）至變頻器驅(qū)動(dòng)模塊（見圖6，M代表超聲波發(fā)生器），從而由控制變頻器智能調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器功率及振動(dòng)頻率，延長(zhǎng)設(shè)備壽命。

圖5 溫度、積水采集傳感器原理圖

圖6 變頻器驅(qū)動(dòng)模塊原理圖

3.5 技術(shù)方案驗(yàn)證

目前，這種基于超聲波發(fā)生器冷卻塔防結(jié)冰的方法，已經(jīng)在中國移動(dòng)呼和浩特?cái)?shù)據(jù)中心驗(yàn)證，方案滿足預(yù)期要求，具體驗(yàn)證步驟如下文所述。

（1）組裝好積水采集系統(tǒng)，首先將采集信號(hào)線放入水中，控制器輸入端有電信號(hào)，說明百葉積水采集系統(tǒng)運(yùn)行正常；接著將冷卻水溫度采集器放入溫度高的水中，控制器輸入端有電信號(hào)，說明冷卻水回水溫度采集系統(tǒng)運(yùn)行正常。

（2）將超聲波發(fā)生模塊接入控制系統(tǒng)，并加裝換能器，當(dāng)采集信號(hào)線放入水中，通過控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷，觸發(fā)值大于設(shè)定值后繼電器吸合，超聲波發(fā)生器開始低功耗、低頻率工作，超聲波振子發(fā)生振動(dòng)，說明該系統(tǒng)整體運(yùn)行正常。同時(shí)當(dāng)冷卻水溫度采集器放入高溫度水中通過控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷，觸發(fā)值大于設(shè)定值后繼電器吸合，超聲波發(fā)生器開始高功耗、高頻率工作，超聲波振子發(fā)生振動(dòng)，說明該系統(tǒng)整體運(yùn)行正常。

（3）進(jìn)行邏輯功能驗(yàn)證，當(dāng)進(jìn)風(fēng)百葉積水采集信號(hào)大于系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，開啟低功率超聲波發(fā)生器，并繼續(xù)采集積水信號(hào)和冷卻水回水溫度。當(dāng)百葉積水信號(hào)小于設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉超聲波發(fā)生器，當(dāng)冷卻水回水溫度大于設(shè)定值時(shí)，啟用高功率超聲波發(fā)生器，并繼續(xù)采集該信號(hào)，當(dāng)冷卻水回水溫度小于設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉高功率超聲波發(fā)生器。

（4）最終，通過系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測(cè)試，在超聲波熱效應(yīng)、重力及振動(dòng)因素共同作用下水在進(jìn)風(fēng)百葉的概率明顯降低。經(jīng)過3個(gè)月的試運(yùn)行試驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行正常無故障，真正做到了以防結(jié)冰取代除結(jié)冰（改造前后效果見圖7）。同時(shí)，通過控制電路實(shí)現(xiàn)了積水采集、冷卻水回水溫度采集、邏輯控制、超聲波發(fā)生的智能聯(lián)動(dòng)，真正做到了綠色節(jié)能，無人值守。

圖7 研究改造前后效果對(duì)比

4 效能分析

對(duì)于冷卻塔積冰問題，傳統(tǒng)技術(shù)方案中，行業(yè)內(nèi)普遍做法是將其清理[4]。其中，人工機(jī)械清理耗費(fèi)人力資源過大且存在人身安全隱患；化學(xué)除冰對(duì)冷塔危害性較大，同時(shí)污染環(huán)境；電伴熱物理加熱除冰效果明顯但浪費(fèi)大量電能；相對(duì)綠色環(huán)保的超聲波除冰方式不能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用，否則很容易造成設(shè)備壽命降低。行業(yè)內(nèi)有通過液位采集來驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)生器除冰的方式，但水面波動(dòng)較大、外界風(fēng)力因素導(dǎo)致液位計(jì)頻繁觸發(fā)超聲波發(fā)生器啟動(dòng)/停止，很容易造成超聲波設(shè)備損害，此外，因?yàn)槌暡ㄈコ竺娣e積冰效果欠佳，所以當(dāng)液位下降到一定程度后再驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)生器除冰方式往往是“亡羊補(bǔ)牢”為時(shí)已晚。

綜上所述，本文從“預(yù)防為主”的思路出發(fā)，以“防結(jié)冰”代替現(xiàn)有的“除結(jié)冰”方式，利用積水采集、溫度采集取代傳統(tǒng)的液位采集，有效地避免了液位波動(dòng)帶來的超聲波發(fā)生器頻繁啟/停及外界干擾。同時(shí)，對(duì)比傳統(tǒng)超聲波機(jī)械效應(yīng)除冰方式，本文還從理論上結(jié)合了超聲波熱效應(yīng)設(shè)計(jì)出一整套采集、轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)電路，通過采集積水、早期積冰情況來實(shí)現(xiàn)超聲波發(fā)生器的自動(dòng)運(yùn)行，高效節(jié)能，避免超聲波發(fā)生器長(zhǎng)時(shí)間、高耗能的使用，延長(zhǎng)超聲波發(fā)生器的使用壽命，降低超聲波發(fā)生器能耗[5]。同時(shí)該系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單，綠色環(huán)保，適用于各類易結(jié)冰的場(chǎng)所，解決了冬季北方地區(qū)冷卻塔易結(jié)冰及積冰已經(jīng)大面積形成而導(dǎo)致“亡羊補(bǔ)牢”清除困難的問題。該系統(tǒng)大大提升了冷卻塔換熱效率，間接的提高了空調(diào)設(shè)備的穩(wěn)定性與可靠性。

5 結(jié) 論

本文提出了一種除冰重點(diǎn)在于預(yù)防結(jié)冰的思路---基于超聲波熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)從而達(dá)到提高積水溫度、減少結(jié)冰概率的目的；同時(shí)該系統(tǒng)還加裝冷卻水溫度傳感器，通過采集冷卻水溫度，從而在積冰初期及時(shí)將其清理，防止造成大面積積冰堵塞進(jìn)風(fēng)口從而導(dǎo)致冷卻塔進(jìn)風(fēng)量降低，影響換熱效率。同時(shí)提出了通過檢測(cè)積水、早期積冰情況，通過加裝變頻器選擇性的開啟調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器功率，避免了傳統(tǒng)超聲波除冰法中長(zhǎng)期大功率開啟超聲波發(fā)生器的弊端，大大延長(zhǎng)了發(fā)生器的壽命，同時(shí)，通過變頻器調(diào)節(jié)，節(jié)約了超聲波發(fā)生器的用電，綠色高效，目前該成果的核心控制部分提交國家專利評(píng)審，成果具有普適性，行業(yè)內(nèi)具有類似問題和場(chǎng)景的工業(yè)、制造業(yè)廠房均可以引入，具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義。