基于變頻電子技術(shù)的循環(huán)水除垢系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

陳美同

（吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院經(jīng)管與藝術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132013）

1 引言

循環(huán)水在運行中會沉析出大量附著于設(shè)備和管道內(nèi)壁上的溶解鹽類，這種沉析物稱為水垢。水垢的存在和堆積會直接或間接地對循環(huán)水系統(tǒng)內(nèi)金屬設(shè)備帶來危害，其中熱交換器的傳熱效率會被明顯降低，從而導(dǎo)致管道堵塞。循環(huán)水還會直接或間接地對循環(huán)水系統(tǒng)內(nèi)部金屬設(shè)備進(jìn)行腐蝕，導(dǎo)致設(shè)備管道穿孔，從而影響安全生產(chǎn)。因此，為了讓設(shè)備正常安全可靠運行，必須定期處理循環(huán)水系統(tǒng)中的積垢堆垢問題。以往處理循環(huán)水水垢的傳統(tǒng)方法是以添加化學(xué)制劑為主，這種方法投入的資金多，還需要經(jīng)常維護(hù)，并且設(shè)備維護(hù)環(huán)境惡劣，一旦管理不善又會腐蝕管道，這些都會造成對環(huán)境污染。

2 循環(huán)水系統(tǒng)水垢的危害

2.1 造成腐蝕

循環(huán)水系統(tǒng)中積存的水垢附著在管壁的表面，如果長期堆積容易導(dǎo)致堆積層下的金屬和管壁形成濃差電池，造成垢下腐蝕。

2.2 降低導(dǎo)熱性

循環(huán)水系統(tǒng)的主要功能是進(jìn)行熱交換，所形成的水垢會導(dǎo)致設(shè)備的導(dǎo)熱性下降。垢體厚度一旦長期增加，熱量則不易傳導(dǎo)出去，而為了實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，就要消耗大量燃料，不僅造成浪費，還會面臨由于垢體堆積帶來的管壁爆裂隱患。從導(dǎo)熱系數(shù)來看，碳酸鈣垢的導(dǎo)熱系數(shù)在0.58～6.96 W/（m·K）之間，銅的導(dǎo)熱系數(shù)在362～383 W/（m·K）之間，而水垢的導(dǎo)熱系數(shù)相當(dāng)于一般常見金屬導(dǎo)熱的幾十分之一乃至幾百分之一[1]。

2.3 縮短使用壽命

當(dāng)所形成的水垢長期堆積在管壁后，極易引起設(shè)備腐蝕。這就需要對設(shè)備進(jìn)行化學(xué)清洗，如果所使用的化學(xué)清洗方法不當(dāng)，會對設(shè)備造成不同程度的腐蝕，從而縮短循環(huán)水系統(tǒng)的使用壽命。

3 變頻電子技術(shù)除垢防垢原理

3.1 除垢防垢工作原理

碳酸鈣在水中的溶解度較低，導(dǎo)致水垢容易沉淀，并附著在管道的內(nèi)壁上。變頻電子技術(shù)利用循環(huán)水系統(tǒng)的高頻電場，通過其固有水頻率引起水分子共振，而共振的結(jié)果是增加了水分子的偶極矩，提高了Ca2+、Mg2+、CO32-等的水化能力，起到了阻垢作用[2-5]。在高頻電磁場的作用下，原有晶體逐漸變軟、脫落、溶解，從而達(dá)到了除垢的目的。圖1為高頻電子除垢流程。

圖1 高頻電子除垢流程

3.2 系統(tǒng)設(shè)計方案

該設(shè)計的核心是設(shè)計出一套頻率可調(diào)的高頻電子除垢系統(tǒng)，如圖2所示在試驗時，將導(dǎo)線螺旋式纏繞在測試的外管上，導(dǎo)線的兩端接電子處理裝置的輸出端，當(dāng)水流過管道時會受到電磁場的處理，就可以實現(xiàn)除垢的目的。

圖2 除垢設(shè)計原理圖

該設(shè)計先通過C8051 單片機(jī)輸出頻率可調(diào)的方波信號，再將方波信號從PWM端輸入到控制芯片HIP4081，然后通過控制芯片HIP4081導(dǎo)通H 橋驅(qū)動電路，使H 橋電路驅(qū)動管道線圈工作，從而產(chǎn)生交變磁場，所構(gòu)成框圖如圖3所示。單片機(jī)為輸入模塊，控制芯片HIP4081 為控制模塊，H 橋驅(qū)動電路為驅(qū)動模塊，管道線圈為輸出模塊。

圖3 除垢設(shè)計構(gòu)成框圖

3.3 單片機(jī)模塊

C8051F022 單片機(jī)主控單元電路由單片機(jī)最小系統(tǒng)和在線仿真器電路系統(tǒng)（JTAG）構(gòu)成，如圖4所示。單片機(jī)最小系統(tǒng)由電源電路、復(fù)位電路、晶振時鐘電路及MCU芯片組成，8 M晶振電路是系統(tǒng)時鐘，通過PLL 鎖相環(huán)進(jìn)行倍頻，每個器件再根據(jù)自身的始終要求進(jìn)行分頻使用。

圖4 單片機(jī)最小系統(tǒng)

3.3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

（1）電源電路

為單片機(jī)提供的電源電壓范圍+2.7～+3.6 V，可以保證單片機(jī)正常穩(wěn)定運行，單片機(jī)電源電路如圖5所示。供電電源都配有去耦電容，減少高低頻干擾信號，使得供電電源輸出的電壓更加平穩(wěn)無紋波。

圖5 電源電路圖

（2）復(fù)位電路

用于產(chǎn)生復(fù)位信號，通過RST引腳送入單片機(jī)，進(jìn)行復(fù)位操作，如圖6所示。

圖6 單片機(jī)復(fù)位電路圖

（3）晶振時鐘電路

每一個微處理器（MCU）都有一個內(nèi)部的晶體振蕩器和一個外部的晶體振蕩器驅(qū)動電路，每一個振蕩器驅(qū)動電路都可以產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘。MCU可以從外部晶體振蕩器或內(nèi)部晶體振蕩器啟動運行，也可以使用內(nèi)部振蕩器控制寄存器（OSCICN）中的系統(tǒng)時鐘源選擇位（CLKSL）在兩個晶體振蕩器之間切換。其中，外部晶體振蕩器需要一個并行方式的晶體、外部諧振器、RC網(wǎng)絡(luò)或電容連接到MCU的XTAL1/XTAL2，單片機(jī)晶振時鐘電路如圖7所示。

圖7 單片機(jī)晶振時鐘電路圖

3.3.2 JTAG 電路

C8051F022 系列單片機(jī)擁有邊界掃描和在線調(diào)試功能，通過4 個引腳的JTAG 端與上位機(jī)進(jìn)行連接就能實現(xiàn)全速的、非侵入式系統(tǒng)在線調(diào)試。JTAG 仿真電路如圖8所示。

圖8 J TAG電路圖

3.4 控制模塊

控制模塊是該裝置的核心部分，通過C8051F022 微控制器輸出頻率可調(diào)的方波信號傳輸給控制芯片HIP4081，掃頻方波信號頻率范圍是0～600 kHz，頻率可調(diào)節(jié)，外加的驅(qū)動電路用來放大控制電路產(chǎn)生的信號，達(dá)到帶負(fù)載目的。

3.5 驅(qū)動模塊

驅(qū)動電路是變頻電子除垢系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，采用性能好的驅(qū)動電路可以縮短開關(guān)管的關(guān)斷時間，以減小開關(guān)損耗，因此對變頻電子除垢系統(tǒng)的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。驅(qū)動電路的任務(wù)主要是將C8051 產(chǎn)生的PWM信號按照要求轉(zhuǎn)換為加在開關(guān)管控制端和公共端之間的信號，使該信號可以使開關(guān)管開通或關(guān)斷。

本研究中的循環(huán)水系統(tǒng)，采用H 橋驅(qū)動電路滿足了驅(qū)動大功率負(fù)載的要求。如圖9所示，H 橋驅(qū)動電路中有2 組4 個N 型MOSFET，這種結(jié)構(gòu)可以有效降低內(nèi)阻，較易實現(xiàn)參數(shù)匹配[2]。MOSFET 驅(qū)動電路的4 個MOS 管選擇IRFB260N，橋臂上的4 個場效應(yīng)管V1、V2、V3、V4 相當(dāng)于四個開關(guān)，可以開通和關(guān)斷電路，HIP4081 通過先進(jìn)的自舉電路，使每對MOSFET（V2 和V4、V1 和V3）共用一片HIP4081，如V2和V4 用一路電源，V1 和V3 用一路電源。這樣既優(yōu)化了設(shè)計，又提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖9 驅(qū)動電路圖

3.6 代碼設(shè)計

電磁防垢除垢電路程序流程圖如圖10所示。本系統(tǒng)選用16 位定時器/計數(shù)器，工作模式為占空比和頻率均可調(diào)的相位修正PWM，該模式下的PWM頻率f 可由如公式（1）所示。

圖10 電路程序流程圖

式中：—時鐘頻率（單位：Hz），N—預(yù)分頻因子（18、64、256 或1024），TOP—計數(shù)器計數(shù)序列的最大值（取值為固定值0x00FF、0x01FF、0x03FF，或存儲于寄存器OCR1A 或ICR1 里的數(shù)值）。

4 實驗與分析

由于循環(huán)水中的Ca2+、Mg2+濃度相對較高，并且水垢形成需要較長時間，為了方便實驗研究除垢防垢效果，實驗中配制CaCO3、Ca（HCO3）2溶液。為增加CaCO3沉析量，CaCO3、Ca（HCO3）2溶液采用過量無水CaCl2和NaHCO3進(jìn)行配制。

為測試頻率對除垢效果的影響，采用對比法開展實驗，用電子天平分別稱量、記錄兩個100 mL 空量筒的質(zhì)量，并分別標(biāo)記為1 號和2 號。第一組，取100 mL Ca（HCO3）2溶液倒入1 號量筒中，在1 號量筒中間位置纏繞線圈20 匝，線圈兩端接脈信號，再將1 號量筒放入水槽中；第二組，將2 號量筒中加入100 mL Ca（HCO3）2，不加線圈，直接放入水槽中。開啟電源進(jìn)行測試，設(shè)定輸出頻率10 kHz、50 kHz、100 kHz、200 kHz，1～100 kHz、100～200 kHz、200～300 kHz，分別在1.5 小時、2 小時和2.5 小時后倒出兩組量筒中的溶液，留下沉淀，晾干后稱筒重，使用除垢率Y表示除垢效果，如公式（2）所示，最終得到的實驗結(jié)果如表1所示。

表1 除垢率實驗結(jié)果

式中：m1 為未處理水樣結(jié)垢質(zhì)量（單位：g），m0 為處理水樣結(jié)垢質(zhì)量（單位：g）。

從表1中實驗結(jié)果可以看出，頻率范圍一定時，截止到2.5 小時除垢率較高，除垢效果較好；當(dāng)使用時間一致時，掃頻范圍在10～100 kHz 內(nèi)的除垢率較高；當(dāng)掃頻范圍超過100 kHz，除垢率下降。

5 結(jié)語

本設(shè)計以頻率可調(diào)的變頻電子系統(tǒng)為例，采用單片機(jī)C8051F022 實現(xiàn)該功能，并通過除垢率實驗，驗證了所提方法的有效性。不僅循環(huán)水處理技術(shù)在工業(yè)、石油、化工等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，變頻電子循環(huán)水處理系統(tǒng)更是具有節(jié)能環(huán)保、減少資金投入等特點。因此，在全球倡導(dǎo)綠色環(huán)保節(jié)能的大環(huán)境下，高頻電子除垢技術(shù)應(yīng)用于循環(huán)水系統(tǒng)，有利于推動企業(yè)走向綠色、低碳、循環(huán)的高質(zhì)量發(fā)展道路。