徐翠琴,顏宸

湖北工程學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，湖北 孝感 432000

高頻電磁抗水垢系統(tǒng)的研制及應(yīng)用

徐翠琴,顏宸

湖北工程學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，湖北 孝感 432000

基于水垢的形成機(jī)理以及高頻交變電磁場(chǎng)對(duì)加熱過(guò)程中水中結(jié)垢晶體的影響，設(shè)計(jì)了一種電磁抗垢裝置．首先,采用仿真軟件模擬高頻電磁場(chǎng)方波信號(hào)發(fā)生電路，對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；然后，根據(jù)電磁場(chǎng)分布理論分析，計(jì)算了螺旋管式繞制線圈的電磁場(chǎng)能量，并在此基礎(chǔ)上不斷調(diào)整系統(tǒng)共振頻率設(shè)計(jì)出共振螺旋線圈實(shí)物，并根據(jù)電路實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行微調(diào)；最后，對(duì)整個(gè)裝置施加激勵(lì)源，觀察加熱水體在施加高頻交變磁場(chǎng)前后的結(jié)垢程度,驗(yàn)證了理論分析的正確性．并設(shè)計(jì)兩種不同的螺旋管式繞制線圈,驗(yàn)證了對(duì)電磁場(chǎng)能量分布計(jì)算的正確性．同時(shí)在測(cè)試過(guò)程中，在已有研究資料的基礎(chǔ)上,結(jié)合水輸送裝置機(jī)理，對(duì)高頻電磁場(chǎng)方波信號(hào)的參數(shù)進(jìn)行固化，得到合適的方波幅值和頻率，實(shí)現(xiàn)該裝置的最優(yōu)抗水垢狀態(tài)．

高頻；電磁；抗水垢系統(tǒng)

0 引言

水中鈣鎂離子是結(jié)垢的主要因素．這兩種物質(zhì)在溫度升高過(guò)程中發(fā)生分解，變成碳酸鈣，碳酸鈣在水中的溶解度只有1．3 mg（18°）,當(dāng)從水中析出來(lái)的碳酸鈣結(jié)晶致密的堆積起來(lái)后,就形成了白色硬垢．家庭飲用水處理系統(tǒng)的加熱裝置在長(zhǎng)期工作后會(huì)逐漸結(jié)垢，特別在水質(zhì)較硬的地區(qū)，很容易在加熱裝置上形成水垢,影響加熱效率,甚至?xí)枞罚P者提出了一種高頻電磁電路設(shè)計(jì),在水進(jìn)入加熱裝置前對(duì)水進(jìn)行磁化，防止水垢的生成．

1 高頻電磁場(chǎng)水處理原理及方法

高頻電磁場(chǎng)水處理技術(shù)是一種物理阻垢除垢技術(shù)，能有效地防止管道和設(shè)備結(jié)垢，而且不需要添加試劑,避免對(duì)水的污染,正適合應(yīng)用在飲用水處理領(lǐng)域．

多項(xiàng)研究表明，高頻磁場(chǎng)可以促進(jìn)水分子運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)其活性，同時(shí)經(jīng)過(guò)磁化處理后，水自身的結(jié)晶會(huì)變快，這樣鹽類在加熱水的器具發(fā)熱面上的結(jié)晶和沉垢會(huì)大大減少，從而實(shí)現(xiàn)阻垢除垢的作用．

1.1 高頻電磁場(chǎng)抗垢原理

高頻電磁場(chǎng)的抗垢,一方面是通過(guò)高頻電磁場(chǎng)作用于加熱前的水增強(qiáng)水的溶解度,另一方面高頻電磁場(chǎng)會(huì)改變水中的水垢物質(zhì)形態(tài)．其原理是根據(jù)水的結(jié)垢情況與水的溫度有關(guān),以及高頻磁場(chǎng)可以使水垢晶體形態(tài)變化的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)抗垢除垢的［1］．

首先，當(dāng)高頻電磁場(chǎng)作用于加熱前的液態(tài)水時(shí)，水分子吸收電磁場(chǎng)的能量，成為活化水分子，水分子被電磁場(chǎng)反復(fù)不斷極化，活動(dòng)加劇，活性增加，溶解能力也不斷增強(qiáng)．同時(shí),水中鹽類離子因靜電力作用減弱而變得分散,不再向加熱器具壁面積聚，且由于高頻電場(chǎng)的作用,水與水中各鹽類離子、微晶之間的水和狀態(tài)也發(fā)生改變,礦物質(zhì)在水中的溶解度變大，從而防止了水垢生成．

其次,高頻電磁場(chǎng)電路對(duì)加熱過(guò)的水體和發(fā)熱器具壁面施加電磁場(chǎng),一方面使得水中的結(jié)晶體形態(tài)發(fā)生變化,使得結(jié)晶顆粒變得細(xì)小、松散、溶解在水中，其附著力也變小,不易附著在器具壁面．除了碳酸鈣這類容易結(jié)垢的晶體,其他結(jié)垢晶體基本上也會(huì)發(fā)生類似的變化,因此在高頻電磁場(chǎng)電路的作用下,加熱器具的結(jié)垢過(guò)程變緩慢了［2］．

可見(jiàn)，高頻電磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)抗垢，主要是通過(guò)向水中釋放電磁量,使得水體本身以及其中容易成垢的鹽類物質(zhì)的物理特性發(fā)生變化,從而阻止或延緩水垢的形成．

1.2 高頻磁場(chǎng)除菌原理

高頻電磁信號(hào)發(fā)生裝置工作時(shí),使待處理水體流經(jīng)高頻電磁場(chǎng),該電磁場(chǎng)具有高頻大功率脈沖電壓,水中微生物細(xì)胞內(nèi)的“補(bǔ)酶”經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)后失去代謝能力［3］,使得細(xì)胞活性被抑制.這是由于脈沖電壓使微生物的細(xì)胞膜被破壞,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的原生質(zhì)漏出而死亡.同時(shí)由于磁場(chǎng)作用，會(huì)在水中產(chǎn)生一些活性氧自由基（如O2－、OH－、H2O2等）,這些活性氧破壞生物細(xì)胞的離子通道從而改變細(xì)菌和藻類的生物場(chǎng)，從而弱化了菌藻的新陳代謝能力，最終實(shí)現(xiàn)殺菌滅藻目的.

1.3 高頻磁場(chǎng)除銹防腐原理

水體中的電解質(zhì)通常是以正離子、負(fù)離子的形態(tài)存在的.液態(tài)的水經(jīng)過(guò)高頻電磁信號(hào)處理后，水體中的正負(fù)離子在洛倫茲力的作用下,彼此做相向運(yùn)動(dòng).磁場(chǎng)中陰陽(yáng)兩極間就會(huì)產(chǎn)生電位差,此時(shí)微小電子流產(chǎn)生［4］.加熱器具壁面上生成的紅銹與電子則會(huì)發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

經(jīng)過(guò)上述反應(yīng)后生成的黑銹四氧化三鐵，會(huì)處于穩(wěn)定狀態(tài),不再被氧化,又稱作磁性氧化鐵.磁性氧化鐵在金屬壁面上形成一層膜后,就可以把金屬壁面與水完全隔開(kāi),就不會(huì)再產(chǎn)生腐蝕.

2 高頻磁場(chǎng)電路及參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 電路及其參數(shù)設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)的高頻磁場(chǎng)電路是一種交變磁場(chǎng)發(fā)生電路,將導(dǎo)線繞制在加熱裝置的進(jìn)水管上，形成螺旋線圈,并將螺旋線圈的兩端接在高頻電壓方波信號(hào)的兩個(gè)輸出端.高頻電壓方波信號(hào)發(fā)生電路如圖1所示.

圖1 高頻電壓方波信號(hào)發(fā)生拓?fù)潆娐稦ig.1 The topology circuit of the Square wave signal of high－frequency voltage

MOSFET經(jīng)過(guò)多管并聯(lián)設(shè)計(jì)后,可以輸出更大的電流,本設(shè)計(jì)的電路拓?fù)洳捎脙蓚€(gè)同型MOSFET管并聯(lián),這樣雙MOSFET管并聯(lián)后電流增大，使得輸出功率可以提高近1倍,而且不影響輸出方波波形.

MOSFET驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示.

MOSFET驅(qū)動(dòng)電路采用Q2、Q3、Q4所組成的推挽電路來(lái)實(shí)現(xiàn).Q2基極輸入信號(hào)為高時(shí),MOSFET Q1關(guān)斷.Q2基極輸入信號(hào)為低時(shí)，MOSFET Q1開(kāi)通，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)圖1中高頻電壓方波信號(hào)發(fā)生電路的控制.

圖2 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路Fig.2 The drive circuit of MOSFET

為使交變磁場(chǎng)提供一定強(qiáng)度的電磁場(chǎng)能量,并使螺旋管線圈的損耗較小,則要求通過(guò)電流較小,高頻交變磁場(chǎng)發(fā)生電路最終將輸出±100 V的雙極性方波信號(hào).通過(guò)這個(gè)高頻信號(hào)水處理裝置不斷向冷卻水系統(tǒng)施加電磁場(chǎng)能量,以達(dá)到磁化水的目的.

高頻電壓方波信號(hào)電壓在50～100 V之間都可以滿足要求，但為了達(dá)到較好的效果,開(kāi)發(fā)了輸出電壓為100 V的電路.根據(jù)對(duì)加熱水體的頻率掃描,共振頻率在100 kHz時(shí)達(dá)到較好的抗水垢效果.

信號(hào)頻率為100 kHz,電壓幅值－80～80 V.電路仿真波形如圖3所示.

圖3 電路仿真波形Fig.3 The simulate waveform of the circuit

經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)際電路的測(cè)試,得到加載后的實(shí)際波形如圖4所示.

2.2 線圈及其參數(shù)設(shè)計(jì)

螺旋管式繞制的線圈在交變磁場(chǎng)有著廣泛的應(yīng)用.在感應(yīng)線圈內(nèi)部按圖5所示建立磁場(chǎng)坐標(biāo)系，則感應(yīng)線圈內(nèi)某一點(diǎn)在某一時(shí)間點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度可按照式（1）計(jì)算，根據(jù)式（1）可知磁場(chǎng)強(qiáng)度與通過(guò)感應(yīng)線圈的電流之間存在增益系數(shù)的關(guān)系．工程設(shè)計(jì)中,各設(shè)計(jì)參數(shù)均為定值,所以在感應(yīng)線圈中心的磁場(chǎng)強(qiáng)度是最強(qiáng)的,隨著遠(yuǎn)離中心距離的增大,磁場(chǎng)強(qiáng)度越來(lái)越?。?］．

圖4 電路實(shí)測(cè)波形Fig.4 The real waveform of the circuit

圖5 螺線管內(nèi)坐標(biāo)系Fig.5 The coordinates of the inside of solenoid

式中：Bx——線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度；

n——匝數(shù)；

μ——磁導(dǎo)率，N／A2；

I——線圈中流過(guò)電流值；

R——螺旋管半徑，cm；

L——螺旋管長(zhǎng)度的一半，cm；

根據(jù)供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了圖6（a）、圖6（b）兩種線圈繞制方式．圖6（a）將進(jìn)水管放置于螺旋線圈內(nèi)部,圖6（b）將進(jìn)水管繞制成螺旋狀放置在螺旋線圈外部．根據(jù)實(shí)際測(cè)試，發(fā)現(xiàn)圖6（a）的繞制方式比圖6（b）的繞制方式更能充分地利用電磁能,驗(yàn)證了式（1）的正確性，說(shuō)明在線圈中心位置磁場(chǎng)最強(qiáng),因此進(jìn)水管應(yīng)安裝在螺旋線圈的中心位置．

實(shí)驗(yàn)中分別選取了直徑為0．1 mm和0．2 mm的多匝銅線進(jìn)行繞制,且再根據(jù)實(shí)際測(cè)試,直徑為0．1 mm的銅線繞制的線圈在高頻狀態(tài)損耗更低，因此本設(shè)計(jì)選取了直徑為0．1 mm的銅線．同時(shí)銅線繞制成螺旋線圈的圈數(shù)可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整,如水處理裝置的功率大小、進(jìn)水管流速和長(zhǎng)度設(shè)計(jì)等．

圖6 線圈實(shí)物圖Fig.6 The real diagram of coil

3 結(jié)語(yǔ)

高頻磁場(chǎng)水處理技術(shù)是一種物理處理方法，通過(guò)高頻電磁場(chǎng)發(fā)生電路,產(chǎn)生100 kHz以上的電壓方波即可實(shí)現(xiàn)水處理，使用簡(jiǎn)單、投資小,更具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),而且水經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)的磁化還具有一定的殺菌作用,因而越來(lái)越受到人們重視．

盡管目前在磁場(chǎng)水處理的阻垢與除垢方面有很多的研究,但多是應(yīng)用在工業(yè)水處理上,但其作為一種綠色環(huán)保的水處理方法,應(yīng)用于家庭飲用水方面也會(huì)帶來(lái)很多益處．

致謝

湖北省教育廳和湖北工程學(xué)院提供了資金資助,在此表示感謝！

［1］賈亮,李真,賈紹義．磁化技術(shù)在工業(yè)水處理中的應(yīng)用［J］．化學(xué)工業(yè)與工程,2006,23（1）：59－63．

JIA Liang,LI Zhen,JIA Shao－yi．Applications of magnetizationtechnologyinthetreatmentofindustrial wastewater［J］．Chemical Industry and Engineering, 2006,23（1）：59－63．（in Chinese）

［2］王佩瓊．高頻電磁場(chǎng)防垢技術(shù)在循環(huán)水中的應(yīng)用機(jī)理初探［J］．電力建設(shè),2001,22（9）：43－45．

WANG Pei-qiong．Primary inquire into application mechanism of high-frequency electromagnetic field antiscaling technique in circulating water system［J］．Electric Power Construction,2001,22（9）：43－45．（in Chinese）

［3］范玉東,李永慶,馬世平．高頻電磁式水處理裝置在循環(huán)水處理中的應(yīng)用［J］．東北電力技術(shù),2004,7：51－52．

FAN Yu-dong,LI Yong-qing,MA Shi-ping．The application of high-freguency electromagnetic water treatment devicetocirculatingwatertreatment［J］．NortheasternElectric Power Technology,2004,7：51－52．（in Chinese）

［4］傅俊萍,李錄平,劉澤利,等．超聲波除垢與強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)研究［J］．熱能動(dòng)力工程,2006,21（4）：355－357．

FU Jun－ping,LI Lu－ping,LIU Ze－li,et al．An experimental study of incrustation removal and intensified heat transfer by ultrasonic techniques［J］．Journal of Engineering for Thermal Energy and Power,2006,21（4）：355－357．（in Chinese）

［5］邢曉凱,馬重芳,陳永昌,等．電磁抗垢強(qiáng)化傳熱技術(shù)的熱態(tài)實(shí)驗(yàn)研究［J］．石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2005,29（1）：79－83．

XING Xiao－kai,MA Chong－fang,CHEN Yong－chang, et al．Experimental study of electromagnetic anti－fouling technology to enhanced heat transfer［J］．Journal of the University of Petroleum,China：Edition of Natural Science,2005,29（1）：79－83．（in Chinese）

Design of high－frequency electromagnetic antifouling system and its application

XU Cui－qin，YAN Chen
School of Computer and Information Science，Hubei Engineering University，Xiaogan 432000，China

An electromagnetic antifouling device was designed based on the principles of scaling and the influence of the high frequency alternating electromagnetic field on the scale crystal as heating the water．Firstly，the software was used for simulating generating circuit of high frequency electromagnetic field and adjusting the main parameters．Secondly，the distribution of electromagnetic field was analyzed in theory，and electromagnetic field energy of the spiral coil was calculated．Then，the resonance spiral coil was designed when resonance frequency was regulated frequently and adjusted weekly according to the measured signals．Finally，we imposed the excitation to the unit，observed the scaling level of heating water pre and post applying high frequency alternating magnetic field，and validated the correctness of theoretical analysis．We designed two different spiral coils and validated the correctness of the energy distribution of electromagnetic field．At the same time，the square wave signal parameters of high frequency electromagnetic field were solidified based on the existing research materials and the mechanism of water device in the testing process．The right amplitude and frequency was got，and the optimum antifouling state was achieved．

high－frequency；electromagnetic；antifouling system

TP229

B

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.02.014

1674-2869（2015）02-0064-04

本文編輯：苗變

2014－10－02

孝感學(xué)院科研項(xiàng)目基金（z2011010）；教育廳B類項(xiàng)目（B2013022）

徐翠琴（1981-），女，湖北安陸人，碩士，講師．研究方向：檢測(cè)技術(shù)及智能控制．