應用電磁信號發生器的處理腔管仿真分析＊

陳長卿 ， 李子健 ， 黃 濤 ， 葉大鵬 ， 李海蕓

（1.福建農林大學機電工程學院，福建 福州 350002； 2.福建農林大學現代農業裝備福建省高校工程研究中心，福建 福州 350002； 3.閩江師范高等專科學校機電工程系，福建 福州 350108）

0 引言

2021年政府工作報告提出要加大對生態環境的治理力度，其中特別提到對廢水處理的要求，支持大力推動新能源的發展[1]。目前工業上循環水冷卻水的利用率有70%～80%[2]，循環水的應用減少了水資源浪費問題，但同時也帶來了其他問題。因為循環水在持續的循環運行過程中會濃縮和蒸發，且隨著循環時間的增加，濃縮倍數也不斷地增加[2]，使得水垢的生成速率比直流水的水垢生成速率快得多。水垢膠結在管道中會導致設備換熱效率降低，增加能源消耗，不符合節能減排要求。

在工業上去除水垢的方法較為單一，多是采用化學法，如使用阻垢劑、緩蝕劑、滅藻劑等水處理化學藥劑[3]，化學藥劑的發展較為成熟，且成本較低，所以應用十分廣泛。但化學藥劑往往會對環境造成嚴重的污染，如阻垢劑中含有的羧酸類鐵會形成新的污染物。如果使用不當，也會對人的皮膚造成傷害，還會腐蝕設備，增加了設備的維護成本。電磁法是一種純物理方法，可在設備運行時持續工作，不必像化學法需要定期停產以處理水垢，可提高生產經營效益，并且集安全、節能、環保多種優勢于一體。

筆者簡單闡明了電磁信號發生器的組成，并詳細說明了處理腔的設計過程。

1 信號發生器的構成

電磁信號發生器是電磁法處理水的關鍵，它能夠輸出頻率可調的信號。其整體方案結構圖如圖1所示，主要包括12 V直流電源、穩壓模塊、功率放大電路、MCU系統、保護電阻、處理腔。

在系統工作過程中，電磁信號發生器根據單片機發出的指令，產生某個特定的頻率或者變頻的微弱電信號，再通過功率放大電路對磁感線圈作用一定頻率和功率的脈沖信號，從而在處理腔中產生電磁場，對循環水進行處理。

圖1 電磁信號發生器結構圖

2 處理腔的仿真與設計

影響磁場強度的因素有很多，材料方面如處理腔的直徑、處理腔的材料、磁感線圈的匝數等。為了減小后續實驗的復雜和提高效率，利用Comsol Multiphysics多物理仿真系統模擬仿真電磁場，探索不同處理腔的材料、線圈匝數等條件下電磁場的強度及其作用范圍，設計最高效率的處理腔。

由于水泵直徑的限制，將處理腔的管口直徑設為定值，為6.5 mm，管壁壁厚為1.15 mm。

磁感線圈是由普通漆包銅線繞在一起制成的，磁環電感線圈是一種具有通直流阻交流、通低頻阻高頻、電流超前九十度角的電子元器件。選擇直徑為0.8 mm的漆包線。

圖2 處理腔模型

2.1 處理腔材料的選擇

不同材料的相對磁導率及電導率會有所區別，對磁場強度以及分布也有差距[4]，因此可利用Comsol Multiphysics 仿真并分析采用不同材料的處理腔的磁場，找到電磁處理最合適的處理腔。筆者對幾種常見的管道材料仿真，它們的相對磁導率如表1所示。

表1 各種材料的相對磁導率

選擇PE管=1 H/m，不銹鋼=2.8 H/m，碳鋼=150 H/m仿真。輸入電流為0.5 A，線圈匝數為30匝，輸入頻率為1.5 kHz。仿真結果如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 PE管仿真結果

圖4 不銹鋼管的仿真結果

從仿真結果可得，處理腔的材料不同會對磁場強度和分布范圍有所影響。PE管的磁感應強度最強，碳鋼管的磁感應強度最弱，對比這三種材料的仿真效果可知，處理腔管道材料的相對磁導率越大，管道對磁場的屏蔽效果更加明顯。所以實驗時選用PE管作為處理腔的腔體。

2.2 磁感線圈匝數的選擇

直徑一定的線圈，匝數越多，線圈產生的電阻就越大，電流就會越小，產生的感應電動勢越大，一增一減，磁感應強度變化無從得知。當達到一定匝數，磁通量會達到飽和狀態，此時再增加線圈匝數，磁感應強度也不會增強。但是匝數越多，磁場的分布就越廣，水經過磁場被處理的時間就越長。所以仿真是必要的。選擇處理腔為PE管，輸入電流為0.5 A。目前在電磁場水處理研究中，對處理腔的纏繞線圈的匝數沒有特定要求，一般30匝就會有效果[5]。所以選擇線圈匝數分別為30匝、70匝、110匝、150匝。仿真結果如圖6、圖7、圖8、圖9所示。

圖6 匝數為30匝時的磁場分布

圖7 匝數為70匝時的磁場分布

圖8 匝數為110匝時的磁場分布

圖9 匝數為150匝時的磁場分布

由仿真結果可知，在確定處理腔的長度為120 mm時，在線圈匝數為30匝的基礎上，每增加40匝，磁場強度就越強，但在本文條件下，還未受到磁飽和效應的影響，所以該模型的線圈匝數選擇150匝。

3 結論

筆者設計了一款電磁信號發生器，并用Comsol Multiphysics 模擬仿真處理腔的磁場分布。仿真結果說明管道的材料由于相對磁導率不同，會對磁場強度和分布產生較大影響，且相對磁導率越大對磁場的屏蔽效果就越強。除此之外，由于磁飽和效應，線圈匝數也會對磁場造成影響。綠色化發展是現在以及將來水處理方式上的一個趨勢，希望將來能打破技術壁壘，讓電磁法處理水的技術走向成熟，實現一套系統多個應用場景使用，減少時間、精力和成本的浪費，將電磁法廣泛應用在各個場景。