孫 浩 黃俊峰

(1.吉林化工學院，吉林 吉林 132022；2.東北電力大學，吉林 吉林 132012)

污垢是工業(yè)生產(chǎn)過程中換熱設備普遍存在的問題[1,2]，換熱設備結(jié)垢會降低設備的傳熱性能，增加燃料耗費，引起管道堵塞，增大系統(tǒng)功耗，影響系統(tǒng)安全運行[3～5]。諸多抑垢方法中電磁水處理技術雖然作用機理還不清晰[6～8]，但因其無二次污染、方便經(jīng)濟的特點，使其成為目前最為關注和推崇的抑垢技術[9,10]。熊蘭等經(jīng)過仿真，得出在相同激勵條件和處理相同體積水時，同軸電極式處理腔的電磁能量大、分布不均勻，而纏繞式處理腔電磁能量小、分布均勻[11]；王建國等對纏繞式變頻電磁水處理器電磁頻率對抑垢效果的影響進行了研究[12]。

變頻電磁水處理裝置是變頻電磁抑垢技術研究的基礎，許多學者對其逆變部分進行了研究。張學孟和王建國應用大功率MOS管IRFP460A及IR2110構(gòu)成變頻裝置的驅(qū)動和逆變電路[13]；蔣文斌等采用TDA8920BTH構(gòu)成了功率放大電路[14]；費繼友等提出了基于STM32F103變頻水磁化處理系統(tǒng)的實驗方案并設計了硬件電路[7]。以上方法均需要器件構(gòu)成保護電路。筆者采用PM50B4LB060構(gòu)成變頻抑垢裝置中的逆變電路，降低了變頻電磁水處理裝置的復雜性，使其具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的特點。裝置可以長時間安全穩(wěn)定運行，對電磁抑垢技術機理、抑垢效果實驗研究和抑垢裝置工業(yè)應用具有重要的作用。

PM50B4LB060是三菱公司應用于光伏發(fā)電逆變器設計的IPM(Intelligent Power Module)模塊[15]，最大輸入電壓600V，輸出電流50A，最大絕緣電壓2 500V。通過監(jiān)測Tj(Junction Temperature)，可以實現(xiàn)過熱保護，而且PM50B4LB060上下橋臂都具有故障信號輸出功能，同時其還具有短路、過熱和欠壓監(jiān)測保護功能。PM50B4LB060內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

應用PM50B4LB060進行全橋逆變電路設計過程中需要注意PWM信號的死區(qū)時間，由于PM50B4LB060要求tdead≥2μs，筆者設計的裝置死區(qū)時間取6μs。

2 硬件電路設計

采用PM50B4LB060作為逆變電路的核心器件構(gòu)成的變頻電磁抑垢裝置由ATmega128A、驅(qū)動電路、PM50B4LB060和負載線圈(螺線管)構(gòu)成。施加磁場的方式為外壁纏繞螺線管方式。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。ATmega128A單片機利用定時器產(chǎn)生雙路帶死區(qū)的PWM信號，經(jīng)過驅(qū)動電路驅(qū)動PM50B4LB060進行逆變和功率放大，從而使負載線圈產(chǎn)生交變磁場，同時ATmega128A監(jiān)測短路、欠壓、過熱保護信號，啟動相應的保護措施。

圖1 PM50B4LB060的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2 變頻電磁水處理器結(jié)構(gòu)框圖

驅(qū)動電路由WB1215CS電源隔離模塊、HCPL-4504光耦芯片和PC817光耦芯片構(gòu)成。電路原理如圖3所示。

圖3 應用電路原理

3 抑垢效果實驗和分析

實驗中的直流電源為Agilen N5772A，最大輸出電壓600V(DC)，最大輸出電流2.6A，最大功率1 560W。信號測量采用RIGOL DS1052E，模擬帶寬50MHz，采樣率1GS/s，探頭采用RP2200型無源示波器探頭。直流電源輸出電壓100V，通過程序設置ATmega128A定時器輸出兩路1kHz、死區(qū)時間為6μs的方波信號，經(jīng)過驅(qū)動電路控制PM50B4LB060輸出交流方波。負載線圈兩端的電壓波形如圖4所示。

采用自行研制的實驗裝置驗證筆者設計的變頻電磁抑垢裝置的抑垢效果。實驗裝置由冷卻系統(tǒng)、實驗水質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集存儲和污垢熱阻計算系統(tǒng)組成。冷卻系統(tǒng)為水冷系統(tǒng)，冷卻水由工業(yè)用冷水機(YB-LS-5HP)制備。恒溫水浴中的換熱實驗管段采用U形銅質(zhì)管道。

實驗裝置如圖5所示。

圖4 負載線圈兩端電壓波形

圖5 實驗裝置系統(tǒng)

工業(yè)過程中的污垢主要是CaCO3型污垢[16，17]，實驗中采用無水Na2CO3、無水CaCl2按物質(zhì)的量1∶1配置1g/L高硬度水(以CaCO3)作為實驗水質(zhì)研究其抑垢效果。恒溫水浴溫度控制在50℃，流速0.4m/s。經(jīng)過重復性實驗(周期為10天)，分別記錄無電磁作用和有電磁(頻率為1kHz，磁感應強度為200Gs)作用的污垢熱阻，并根據(jù)孫靈芳等采用的抑垢率公式[18]可得污垢熱阻和抑垢率數(shù)據(jù)(表1)。抑垢率公式為：

式中Rf1——未裝變頻電磁水處理器的換熱管污垢熱阻，m2·K/W；

Rf2——安裝變頻電磁水處理器的換熱管污垢熱阻，m2·K/W。

表1 污垢熱阻對比和抑垢率

根據(jù)污垢熱阻對比實驗數(shù)據(jù)可看出：0～24 h內(nèi)施加磁場后的抑垢效果不明顯，污垢熱阻差值僅為0.363 3×10-5m2·K/W；24～168 h內(nèi)施加頻率1kHz、磁感應強度200Gs的交變磁場，污垢熱阻及其上升速率均明顯減小,平均污垢熱阻差值為6.714 9×10-5m2·K/W；168～192h內(nèi)施加磁場后的管道污垢熱阻上升速率增加，但污垢熱阻比未施加磁場的管道污垢熱阻小，平均污垢熱阻差值為6.716 8×10-5m2·K/W；192～240h內(nèi)施加磁場和未施加磁場的管道污垢熱阻均不再上升，但施加磁場的管道污垢熱阻比未施加磁場的管道污垢熱阻小，平均污垢熱阻差值為5.585 3×10-5m2·K/W。

4 結(jié)束語

采用PM50B4LB060作為變頻電磁抑垢裝置的變頻逆變部分，可以簡化設計過程，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。PM50B4LB060的短路、過熱和欠壓監(jiān)測保護功能可以有效提高裝置的可靠性。實驗結(jié)果表明，裝置可以安全穩(wěn)定運行，采用該裝置對實驗水質(zhì)施加磁場可以有效抑制管道CaCO3型污垢的形成，降低污垢熱阻，在120h抑垢率達到最大值(81.13%)，實驗結(jié)束時刻抑垢率為45.34%，平均抑垢率為60.84%，裝置具有良好的抑垢效果。

[1] 楊善讓，徐志明，孫靈芳．換熱設備污垢與對策[M]．北京：科學出版社，2004.

[2] 陳曉文，張早校，陳二鋒．換熱設備污垢監(jiān)測及預測研究進展[J]．化工機械，2005，32(1)：60～64.

[3] 張秀宇，孫偉，劉高生．電磁場對循環(huán)水致垢水質(zhì)參數(shù)的影響分析[J]．化工自動化及儀表，2013，40(10)：1309～1312，1325.

[4] 張艾萍，徐志明，賀香英．污垢對管內(nèi)層流對流換熱場協(xié)同影響的數(shù)值研究[J]．化工機械，2010，37(2)：204～207.

[5] 嚴曉宇，萬平玉，張詩陽，等．冷卻水系統(tǒng)中的污垢熱阻及金屬腐蝕速度的在線監(jiān)測[J]．化工機械，2000，27(1)：12～15.

[6] 王建國，邸昊，何芳．電磁頻率對污垢熱阻及電導率的影響[J]．化工自動化及儀表，2012，39(6)：761～764.

[7] 費繼友，李玉泉，白鑫．水的電磁變頻除垢防垢技術和實驗研究[J]．化工自動化及儀表，2011，38(2)：157～161.

[8] Higashitani K，Kage A，Katamura S，et al．Effects of a Magnetic Field on the Fomation of CaCO3Particles[J]．Journal of Colloid and Interface Science，1993，156(1)：90～95.

[9] 陳加鵬，熊蘭，胡國輝，等．高頻電磁脈沖處理工業(yè)循環(huán)水的頻率效應實驗研究[J]．工業(yè)水處理，2014，34(12)：71～75.

[10] 王建國，劉高生，孫偉．電磁場作用下循環(huán)水污垢熱阻的灰色預測模型實驗研究[J]．中國電機工程學報，2013，33(11)：61～68.

[11] 熊蘭，伍懿美，席朝輝，等．高頻電磁水處理器處理腔的仿真與設計[J]．重慶大學學報，2012，35(9)：94～98.

[12] 王建國，李雨通，鄧麗娟．纏繞式變頻電磁水處理器電磁頻率對抑垢效果的影響[J]．化工學報，2015，66(3)：972～978.

[13] 張學孟，王建國．不同抑垢效果下電磁場對CaCO3溶液電導率和pH值的影響[J]．化工自動化及儀表，2012，39(5)：587～590.

[14] 蔣文斌，陳華德，李青，等．用于除垢的新型電磁場發(fā)生裝置設計[J]．中國計量學院學報，2011，22(3)：263～267.

[15] 康怡，楊魯發(fā)．IPM在光伏并網(wǎng)逆變器中的應用[J]．現(xiàn)代電子技術，2009，32(20)：209～211.

[16] 王建國，李松，辛紅偉，等．電磁場作用下循環(huán)水典型水質(zhì)參數(shù)與換熱器污垢熱阻的關聯(lián)分析[J]．化工進展，2013，32(8)：1929～1933，1973.

[17] 張仲彬，徐志明，張明玉．不同涂層材料表面CaCO3污垢特性的研究[J]．化工機械，2011，38(2)：160～162，179.

[18] 孫靈芳，王建國，徐志明，等．一種新型電子水處理器阻垢率的在線監(jiān)測評價方法及裝置[J]．工業(yè)水處理，2000，20(3)：32～33.