導(dǎo)磁輸流管的磁致振動(dòng)除垢防垢裝置及激勵(lì)頻率計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及除垢防垢領(lǐng)域，尤其是一種用于導(dǎo)磁輸流管的磁致振動(dòng)除垢防垢裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 水垢問題一直是困擾各類熱交換工業(yè)設(shè)備的主要問題，如鍋爐和冷卻塔等。為了 除去水垢，最初使用的方法為化學(xué)方法。化學(xué)方法就是用可W與水垢發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的除垢 試劑沖洗輸水管道，使水垢生成可溶于水的鹽類，進(jìn)而被水流沖走?；瘜W(xué)除垢方法雖然能夠 有效解決水垢問題，但是卻也存在一系列問題，W我國為例，每年為了清洗數(shù)十萬臺(tái)次的鍋 爐和熱交換器，需消耗數(shù)W萬噸計(jì)的化學(xué)藥品，運(yùn)不僅浪費(fèi)了大量的人力物力，而且殘余的 化學(xué)藥品對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。因此在運(yùn)一背景下，物理阻垢方法漸漸被廣泛應(yīng)用。
[0003] 物理阻垢方法多是利用聲波、光波、電場及磁場等外界場量對(duì)工業(yè)用水系統(tǒng)及體 系進(jìn)行直接或間接作用，從而實(shí)現(xiàn)除垢防垢的目的。目前市場上普遍應(yīng)用的功率線圈類水 處理器就是基于交變電磁場的一種除垢防垢裝置，但其除垢防垢機(jī)理還不明確。很多此類 裝置的設(shè)計(jì)及使用都是基于交變電磁場能夠改變水流體微觀結(jié)構(gòu)及物化性質(zhì)的假說，但是 在工業(yè)過程的實(shí)際應(yīng)用中使用效果卻并不穩(wěn)定。不僅如此，該類除垢防垢設(shè)備在應(yīng)用中所 產(chǎn)生的現(xiàn)象也與上述假說所產(chǎn)生的效應(yīng)不符，例如，當(dāng)功率線圈纏繞在結(jié)垢嚴(yán)重的鍋爐輸 水管上并在交變激勵(lì)下產(chǎn)生交變電磁場時(shí)，作用一段時(shí)間后，鍋爐內(nèi)壁的水垢會(huì)呈大塊的 脫落，經(jīng)常會(huì)堵塞輸水管，嚴(yán)重時(shí)甚至引起鍋爐爆炸，因此，早在二十世紀(jì)70-80年代，我國 就已經(jīng)針對(duì)運(yùn)種無根據(jù)的技術(shù)應(yīng)用出臺(tái)相應(yīng)政策法規(guī)，規(guī)定功率線圈類的除垢防垢設(shè)備， 不可直接應(yīng)用于鍋爐系統(tǒng)的一次管網(wǎng)中，杜絕該類技術(shù)應(yīng)用所引起的生產(chǎn)重大事故。
[0004] 目前該類裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用的理論基礎(chǔ)，仍然是交變電磁場能夠改變水流體微觀結(jié) 構(gòu)及物化性質(zhì)的假說，但在工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際應(yīng)用中，功率線圈所纏繞的輸流管往往為鐵磁 性材料的水管，根據(jù)磁場及磁路理論，鐵磁性水管對(duì)功率線圈產(chǎn)生的磁場具有電磁屏蔽作 用，功率線圈產(chǎn)生的磁場無法透過水管壁作用到內(nèi)部的水流體中。因此，關(guān)于交變電磁場作 用于水管內(nèi)部水流體微觀層面的假說，在實(shí)際應(yīng)用中是不成立的。從另一個(gè)角度說，到目前 為止工業(yè)生產(chǎn)中基于功率線圈的除垢防垢裝置的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，仍然缺乏正確的理論依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的在于提供一種工作穩(wěn)定、效率高、可控性強(qiáng)的用于導(dǎo)磁輸流管的磁致 振動(dòng)除垢防垢裝置。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用了 W下技術(shù)方案：本發(fā)明所述裝置包括單片機(jī)主控制板、 L邸顯示控制模塊、液晶顯示屏、功放驅(qū)動(dòng)模塊、功率放大模塊、功率線圈、報(bào)警模塊、功率電 源模塊、線圈功率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊、鍵盤輸入模塊、工作模式調(diào)節(jié)模塊、啟動(dòng)開關(guān)W及復(fù)位開 關(guān);其中，線圈功率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊、鍵盤輸入模塊、工作模式調(diào)節(jié)模塊分別與單片機(jī)主控制 板的信號(hào)輸入端通過線束連接，單片機(jī)主控制板的信號(hào)輸出端分別與L邸顯示控制模塊、功 放驅(qū)動(dòng)模塊、報(bào)警模塊連接，L抓顯示控制模塊與液晶顯示屏連接，功放驅(qū)動(dòng)模塊與功率放 大模塊連接，功率放大模塊的功率輸出端連接功率線圈，功率放大模塊的輸入端與功率電 源模塊相連;啟動(dòng)開關(guān)和復(fù)位開關(guān)分別與單片機(jī)主控制板相連對(duì)裝置進(jìn)行啟動(dòng)、復(fù)位控制。
[0007] 進(jìn)一步的，所述功率線圈可為單組線圈，也可由多組線圈并聯(lián)組成。
[0008] 進(jìn)一步的，所述裝置可與沉淀井系統(tǒng)配合使用。
[0009] -種基于上述除垢防垢裝置的激勵(lì)頻率計(jì)算方法，功率線圈纏繞在鐵磁性輸流管 外壁上，功率線圈產(chǎn)生高頻振動(dòng)，高頻振動(dòng)的機(jī)理為磁致伸縮振動(dòng)，鐵磁性輸流管的除垢防 垢效果與功率線圈內(nèi)的交變激勵(lì)信號(hào)頻率相關(guān)，獲取最優(yōu)激勵(lì)信號(hào)頻率的方法步驟如下：
[0010] (1)根據(jù)磁致伸縮原理，鐵磁性輸流管在功率線圈產(chǎn)生的交變電磁場作用下會(huì)發(fā) 生高頻振動(dòng)，其振動(dòng)頻率與激勵(lì)信號(hào)頻率呈線性關(guān)系，關(guān)系式為：
[0011] f〇〇t = 2fin (1)
[001 2]式(1 )中，f DUt為輸流管振動(dòng)頻率，fin為激勵(lì)信號(hào)頻率；
[0013] (2)當(dāng)輸流管振動(dòng)頻率等于自身固有頻率時(shí)，輸流管的振動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到最大，實(shí)現(xiàn)共 振;輸流直管的振動(dòng)方程為：
(2)
[0015] 式(2)中，EI表示輸流管的彎曲剛度;M表示單位長度下流體的質(zhì)量;V表示管內(nèi)流 體在穩(wěn)定狀況下的流速;m表示單位長度下輸流管的質(zhì)量;Wi和W2分別表示管兩個(gè)端面的曉 度;X表示當(dāng)W輸流管軸線左端為坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)，軸線上某點(diǎn)與原點(diǎn)的距離;t表示時(shí)間；n質(zhì) 示管內(nèi)流體流動(dòng)所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)軸向力，當(dāng)輸流管為直管時(shí)，該參數(shù)數(shù)值為0;
[0016] (3)根據(jù)式(2)獲得輸流管自身的前3階固有頻率，推導(dǎo)計(jì)算出輸流管固有頻率表 達(dá)式為：
(3)
[001引式(3)中，Q功輸流管的第i階固有頻率，L為輸流管長度；
[0019] (4)輸流管共振振動(dòng)能量主要分布在二階固有頻率上，根據(jù)式（1)，為使輸流管達(dá) 到共振狀態(tài)，激勵(lì)頻率與共振頻率的關(guān)系為：
(4) 。
[0021] 工作過程大致如下：
[0022] 工作前，將功率線圈纏繞于鐵磁材料的輸流管的直管段上，應(yīng)遠(yuǎn)離管線彎曲部位。 根據(jù)現(xiàn)場需要或輸流管線鋪設(shè)特點(diǎn)，可同時(shí)連接多個(gè)功率線圈分別纏繞在不同輸流管上， 線圈間W并聯(lián)方式相連接。工作時(shí)，LED顯示控制模塊與鍵盤輸入模塊配合使用，主要功能 為通過運(yùn)兩個(gè)模塊輸入現(xiàn)場的輸流管尺寸參數(shù)、材料參數(shù)、管內(nèi)水流流速參數(shù)、管內(nèi)結(jié)垢狀 況參數(shù)等，然后計(jì)算出能夠引起輸流管共振的功率線圈激勵(lì)頻率。然后，由單片機(jī)主控制板 發(fā)出經(jīng)過功放驅(qū)動(dòng)模塊優(yōu)化的頻率數(shù)字信號(hào)，該信號(hào)通過功率放大模塊W電壓形式施加到 功率線圈兩端，驅(qū)動(dòng)功率線圈在鐵磁性材料的輸流管中產(chǎn)生交變電磁場，激勵(lì)輸流管產(chǎn)生 高頻振動(dòng)，達(dá)到使管內(nèi)壁上附著的水垢脫落的目的，功率電源模塊能夠根據(jù)現(xiàn)場條件的變 化，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)功率線圈輸出功率。當(dāng)現(xiàn)場輸流管系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)難W確定時(shí)，可通過工作模式 調(diào)節(jié)模塊設(shè)置工作模式調(diào)節(jié)模塊使輸流管振動(dòng)在寬頻段模式下。線圈功率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊與 報(bào)警模塊配合使用，根據(jù)現(xiàn)場輸流管的鋪設(shè)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制功率線圈輸出功率，進(jìn)而使 輸流管振動(dòng)強(qiáng)度適度，避免由于劇烈振動(dòng)造成輸流管系統(tǒng)的機(jī)械損傷。另外，為了防止振落 的大塊水垢及污垢堵塞輸流管線，本裝置可與沉淀井系統(tǒng)配合使用，提高排垢功能，避免堵 塞問題。
[0023] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0024] 1、可將現(xiàn)場輸流管尺寸參數(shù)、材料參數(shù)、管內(nèi)水流流速參數(shù)、管內(nèi)結(jié)垢狀況等參數(shù) 設(shè)置到裝置中，通過單片機(jī)程序自動(dòng)生成能夠使輸流管產(chǎn)生共振的功率線圈激勵(lì)頻率，利 用交變電磁場引起鐵磁類輸流管作磁致伸縮高頻振動(dòng)，促使管壁內(nèi)水垢自行脫落并被水流 帶走。
[0025] 2、應(yīng)用廣泛、通用性強(qiáng)、輸出功率較低、節(jié)能環(huán)保、安全可靠，具有廣闊的市場前景 和良好的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027] 圖2為本發(fā)明的控制面板結(jié)構(gòu)圖。
[0028] 圖3為本發(fā)明的功率線圈在輸流管壁內(nèi)部的磁力線分布圖。
[0029] 圖4為輸流管在本發(fā)明的電磁激勵(lì)作用下振動(dòng)的示意圖。
[0030] 圖5為帶有沉淀井的輸流管線結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031 ]圖6為輸流管的自由振動(dòng)頻譜圖。
[0032] 圖7為激勵(lì)頻率為40細(xì)Z時(shí)的輸流管振動(dòng)