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(guó)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(lái)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(wàn)企業(yè)共同的課題。目前，我國(guó)大多數(shù)企業(yè)通常采用開(kāi)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(kāi)式逆流冷卻塔進(jìn)風(fēng)口部位結(jié)大量的積冰（見(jiàn)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(wèn)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(wèn)題

目前各大型企業(yè)采用開(kāi)式逆流冷卻塔對(duì)冷卻水進(jìn)行換熱[1]。冷卻塔通過(guò)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(lái)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(jiàn)的方式就是通過(guò)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(kāi)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(méi)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(kāi)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(guò)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(shuō)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(guò)改變振動(dòng)頻率從而減少積水成冰的概率，例如通過(guò)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(guò)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(shuō)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(jiàn)圖3）和復(fù)位電路（見(jiàn)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(guò)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(guò)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(méi)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(kāi)/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(kāi)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(guò)將電能轉(zhuǎn)換為聲/熱能，最終通過(guò)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(guò)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。控制系統(tǒng)通過(guò)水位信號(hào)采集器和溫度傳感器的信號(hào)數(shù)據(jù)來(lái)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(jiàn)圖5）通過(guò)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(jiàn)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(guó)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(shuō)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(shuō)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(guò)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(kāi)始低功耗、低頻率工作，超聲波振子發(fā)生振動(dòng)，說(shuō)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(guò)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(kāi)始高功耗、高頻率工作，超聲波振子發(fā)生振動(dòng)，說(shuō)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(kāi)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(guò)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(guò)3個(gè)月的試運(yùn)行試驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行正常無(wú)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(jiàn)圖7）。同時(shí)，通過(guò)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(wú)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(wèn)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(guò)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(guò)液位采集來(lái)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(lái)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(guò)采集積水、早期積冰情況來(lái)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(wèn)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(guò)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(guò)檢測(cè)積水、早期積冰情況，通過(guò)加裝變頻器選擇性的開(kāi)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(kāi)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(guò)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(guó)家專利評(píng)審，成果具有普適性，行業(yè)內(nèi)具有類似問(wèn)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。