基于超聲波發生器冷卻塔防結冰的研究與應用

謝 昆，侯瑞強，馬宇晴

（中國移動通信集團內蒙古有限公司，內蒙古 呼和浩特 010000）

0 引 言

隨著世界向更加智能化、物聯化、感知化的方向發展，工業互聯網業務得到不斷推廣，其客戶需求逐年上升。客戶對大數據服務的基礎設施維護要求也越來越高，運行維護工作逐漸成為了重中之重。如何保障工業設備安全穩定運行也成為全球數百萬企業共同的課題。目前，我國大多數企業通常采用開式逆流冷卻塔進行冷卻水與外界溫度換熱，但對于冬季北方地區，由于室外氣溫極低，導致開式逆流冷卻塔進風口部位結大量的積冰（見圖1），嚴重影響冷卻塔換熱效率，同時維護人員清理積冰既困難又很容易操作不慎跌下馬道，存在嚴重的安全隱患，因此解決冬季冷卻塔結冰問題成了當務之急。

圖1 冬季冷塔結冰情況

1 傳統技術的缺點及存在的問題

目前各大型企業采用開式逆流冷卻塔對冷卻水進行換熱[1]。冷卻塔通過空氣與水的接觸（直接或者間接）把循環系統中的熱量吸收，然后排放至大氣中，以降低水溫或冷卻設備。該蒸發散熱裝置的工作原理是利用水與空氣流動接觸后進行冷熱交換產生水蒸汽，水蒸汽揮發后帶走熱量，并利用蒸發散熱、對流傳熱和輻射傳熱等原理來散去工業設備上與制冷空調中產生的余熱，從而降低水溫，保證系統正常運行。但對于北方地區，冬季外界氣溫極低，導致部分冷卻水滴落在進風口百葉處形成大量積冰，嚴重影響冷卻塔進風量，使得冷卻塔換熱效率降低。目前，行業內冷卻塔除冰方式有以下幾種。

1.1 利用人工機械除冰

維護人員借助鎬、錘等工具手工清理冷卻塔的積冰，該做法的優點在于對于少量積冰效果明顯，缺點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，存在嚴重的安全隱患。

1.2 利用化學藥劑除冰

利用化學藥劑進行除冰，例如一些融雪劑、化冰鹽等，其優點是容易獲取，價格低廉；但缺點是長時間使用化學藥劑容易腐蝕冷卻塔結構，除此之外，使用此類藥劑如果處理不當還會對環境造成嚴重的污染[2]。

1.3 電加熱方式除冰

利用熱能將積冰融化，常見的方式就是通過加裝電伴熱使得積冰快速融化，其優點在于效果明顯，但是電伴熱會浪費大量電能，不經濟。而且，冷卻水中含有除垢劑、殺菌劑等腐蝕性藥劑，長期作用會腐蝕電伴熱線纜，使其絕緣層脫落造成漏電。

1.4 利用超聲波技術除冰

該方法利用聲波振動清理聚集在冷卻塔進風口表面的積冰，其優點是環保，而且相對于化學除冰的方式，超聲波除冰不易對冷卻塔結構造成腐蝕損壞，但是缺點在于清除冷卻塔積冰需要超聲波裝置長時間、大功率運行，特別是北方地區冬季冷卻塔積冰時間快，如果不能及時開啟，快速除冰，長時間反而會導致積冰越積越多。除此之外利用聲波處理積冰需要長時間大功率超聲波裝置，很容易造成高額的電費支出。

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冰取代除結冰的思路，設計出一種基于超聲波熱效應、機械效應的智能防結冰系統，即利用超聲波熱效應提升積水的溫度，同時借助振動效應減少積水停留在冷卻塔進風百葉上的時間，以防結冰代替除結冰，將積冰消除在萌芽之中，最終實現降低積冰的目的。同時，為了防止冬季北方極寒地區由于積水清理不及時導致大面積積冰情況，本文還設計了冷卻水回水溫度采集裝置，可根據冷卻塔回水溫度情況實時、及時調節超聲波發生器功耗、頻率，及時清理早期積冰，有效避免了傳統超聲波除冰技術中發生器長時間、高功耗的使用而造成發生器設備損壞、高額電費的支出；從而達到延長設備使用壽命、減少設備用電、取代人工的目的，并且使此類工作簡單化、智能化。

3 具體實施方案

本文所設計是一種基于超聲波振動原理的智能防結冰系統。首先采集冷卻塔進風百葉上的積水情況，當采集到有“大量積水”產生，采集器將狀態反饋到控制器，根據檢測值和設定值進行對比，若反饋值小于設定值，則表示沒有達到除積水條件，控制系統繼續采集信號。若反饋值達到設定值，此時控制器發出閉合繼電器命令，超聲波裝置開始低功耗、低頻率除積水工作。同時針對冬季北方極寒天氣下積水迅速結冰情況，該系統可以通過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下冷卻水回水溫度，說明冷卻塔進散熱效果已受到嚴重影響，從而判斷進風百葉存在“積冰”現象，此時將“有積冰”的信號上傳至控制器，由控制器驅動超聲波發生器進行高功耗、高頻率振動。

超聲波發生器啟動后，利用超聲波的熱效應防止積水成冰。同時，借助超聲波振動的機械效應，通過改變振動頻率從而減少積水成冰的概率，例如通過調節0～900 Hz試驗聲波頻率，統計不同頻率下水的結冰時間。通過試驗可以看出，當試驗聲波頻率在250 Hz以下時，聲波可以縮短水結冰的時間，但以300 Hz以上頻率的試驗聲波驅動水時，可以有效地延長水結冰的時間，再加上聲波熱效應、重力及振動因素，導致水在進風百葉滯留的有效時間縮短，大大減小了在進風百葉結冰的可能性。整個系統包括以下幾個部分。

3.1 積水采集模塊

主要由多條積水采集線（根據實際使用情況可增加布線密度）、信號轉換模塊組成，即利用導線短路原理，正常情況下兩根黑色電纜具有導電作用，當有積水飛濺至采集線上，使得兩根原本未接通的導線接通導電，之后將“有積水”的信號上傳至控制器，由控制器驅動超聲波發生器進行低功耗、低頻率振動。

3.2 冷卻水回水溫度采集模塊

同時，該系統還配備冷卻水回水溫度采集器，當采集器采集到冷卻水回水溫度高于正常工作狀態下冷卻水回水溫度，說明冷卻塔進風口散熱效果已受到影響，從而判斷出進風百葉存在積冰現象，此時將“有積冰”的信號上傳至控制器，由控制器驅動超聲波發生器進行高功耗、高頻率振動。

3.3 超聲波控制模塊

本控制器電路結構簡單，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轉串口電路（見圖3）和復位電路（見圖4）。晶振為芯片正常工作提供震蕩頻率，復位電路則是在程序運行中出現故障時，控制系統不能正常工作，此時需要復位芯片，使得程序能夠重新運行。

圖2 控制原理圖

圖3 USB轉串口原理圖

圖4 復位電路原理圖

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RS+和RS-反饋給控制芯片，控制芯片根據反饋值和設定值進行對比，若反饋值小于設定值，則沒有達到除積水或積冰條件，控制器繼續等待反饋信號。若反饋值大于設定值，此時控制器將信號發送至繼電器、變頻器，繼電器控制超聲波發生器開/合，變頻器選擇性調節超聲波發生器輸出功率及振動頻率，從而開始除積水（低功耗、低頻率）或除積冰（高功耗、高頻率）工作。

3.4 超聲波產生模塊

超聲波產生模塊，又稱超聲波發生器，主要由電源輸入模塊、頻率調節模塊、輸出調節模塊、頻率顯示模塊、散熱器、電位器、小型變壓器、換能器組成。其原理是把市電轉換成與超聲波換能器相匹配的高頻交流電信號，驅動超聲波換能器工作，換能器通過將電能轉換為聲/熱能，最終通過超聲波振子產生高頻振動及溫升[3]。

為了實現節能降耗，減少超聲波發生器長期大功率運行而造成設備損壞，該系統在傳統超聲波發生器的基礎上，通過在控制電路中加入變頻器實現了超聲波發生器的高功率和低功率兩種工作模式。控制系統通過水位信號采集器和溫度傳感器的信號數據來判斷目前現場情況，采取對應的動作策略。具體流程如下：根據“積水”、“積冰”采集模塊將采集到的溫度、積水信號（見圖5）通過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）經超聲波控制模塊根據邏輯判斷，智能選擇輸出高頻、低頻啟動信號（如圖2中的13、14引腳，HIGH代表高頻率啟動，LOW代表低頻率啟動）至變頻器驅動模塊（見圖6，M代表超聲波發生器），從而由控制變頻器智能調節超聲波發生器功率及振動頻率，延長設備壽命。

圖5 溫度、積水采集傳感器原理圖

圖6 變頻器驅動模塊原理圖

3.5 技術方案驗證

目前，這種基于超聲波發生器冷卻塔防結冰的方法，已經在中國移動呼和浩特數據中心驗證，方案滿足預期要求，具體驗證步驟如下文所述。

（1）組裝好積水采集系統，首先將采集信號線放入水中，控制器輸入端有電信號，說明百葉積水采集系統運行正常；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，說明冷卻水回水溫度采集系統運行正常。

（2）將超聲波發生模塊接入控制系統，并加裝換能器，當采集信號線放入水中，通過控制器對信號進行判斷，觸發值大于設定值后繼電器吸合，超聲波發生器開始低功耗、低頻率工作，超聲波振子發生振動，說明該系統整體運行正常。同時當冷卻水溫度采集器放入高溫度水中通過控制器對信號進行判斷，觸發值大于設定值后繼電器吸合，超聲波發生器開始高功耗、高頻率工作，超聲波振子發生振動，說明該系統整體運行正常。

（3）進行邏輯功能驗證，當進風百葉積水采集信號大于系統設定值時，開啟低功率超聲波發生器，并繼續采集積水信號和冷卻水回水溫度。當百葉積水信號小于設定值時，關閉超聲波發生器，當冷卻水回水溫度大于設定值時，啟用高功率超聲波發生器，并繼續采集該信號，當冷卻水回水溫度小于設定值時，關閉高功率超聲波發生器。

（4）最終，通過系統聯調測試，在超聲波熱效應、重力及振動因素共同作用下水在進風百葉的概率明顯降低。經過3個月的試運行試驗，系統運行正常無故障，真正做到了以防結冰取代除結冰（改造前后效果見圖7）。同時，通過控制電路實現了積水采集、冷卻水回水溫度采集、邏輯控制、超聲波發生的智能聯動，真正做到了綠色節能，無人值守。

圖7 研究改造前后效果對比

4 效能分析

對于冷卻塔積冰問題，傳統技術方案中，行業內普遍做法是將其清理[4]。其中，人工機械清理耗費人力資源過大且存在人身安全隱患；化學除冰對冷塔危害性較大，同時污染環境；電伴熱物理加熱除冰效果明顯但浪費大量電能；相對綠色環保的超聲波除冰方式不能長時間連續使用，否則很容易造成設備壽命降低。行業內有通過液位采集來驅動超聲波發生器除冰的方式，但水面波動較大、外界風力因素導致液位計頻繁觸發超聲波發生器啟動/停止，很容易造成超聲波設備損害，此外，因為超聲波去除大面積積冰效果欠佳，所以當液位下降到一定程度后再驅動超聲波發生器除冰方式往往是“亡羊補牢”為時已晚。

綜上所述，本文從“預防為主”的思路出發，以“防結冰”代替現有的“除結冰”方式，利用積水采集、溫度采集取代傳統的液位采集，有效地避免了液位波動帶來的超聲波發生器頻繁啟/停及外界干擾。同時，對比傳統超聲波機械效應除冰方式，本文還從理論上結合了超聲波熱效應設計出一整套采集、轉換、驅動電路，通過采集積水、早期積冰情況來實現超聲波發生器的自動運行，高效節能，避免超聲波發生器長時間、高耗能的使用，延長超聲波發生器的使用壽命，降低超聲波發生器能耗[5]。同時該系統安裝簡單，綠色環保，適用于各類易結冰的場所，解決了冬季北方地區冷卻塔易結冰及積冰已經大面積形成而導致“亡羊補牢”清除困難的問題。該系統大大提升了冷卻塔換熱效率，間接的提高了空調設備的穩定性與可靠性。

5 結 論

本文提出了一種除冰重點在于預防結冰的思路---基于超聲波熱效應、機械效應從而達到提高積水溫度、減少結冰概率的目的；同時該系統還加裝冷卻水溫度傳感器，通過采集冷卻水溫度，從而在積冰初期及時將其清理，防止造成大面積積冰堵塞進風口從而導致冷卻塔進風量降低，影響換熱效率。同時提出了通過檢測積水、早期積冰情況，通過加裝變頻器選擇性的開啟調節超聲波發生器功率，避免了傳統超聲波除冰法中長期大功率開啟超聲波發生器的弊端，大大延長了發生器的壽命，同時，通過變頻器調節，節約了超聲波發生器的用電，綠色高效，目前該成果的核心控制部分提交國家專利評審，成果具有普適性，行業內具有類似問題和場景的工業、制造業廠房均可以引入，具有一定的實踐指導意義。