缠绕式变频脉冲水处理器的研制与阻垢实验研究

摘要

随着现代社会、经济的发展，水在人们日常生活以及各行各业中都扮演着不可或缺的角色。而水垢作为其必然的副产物，不但加速了设备了老化，同时也增加了安全隐患，在我国，每年因换热器结垢导致传热效率下降而造成的损失达100亿元以上，而与此同时，长期饮用高硬度水极易产生严重的健康问题。因此，深入开展阻垢工作就显得尤为重要。常用阻垢剂等化学方法尽管效果良好，但不可避免地会造成污染，因此，近年来采用变频电磁阻垢等物理法解决结垢问题的研究报道越来越受到关注。
　　本文首先分析了缠绕式变频电脉冲水处理器的工作原理，通过理论计算得到螺线管磁场的轴向磁感应强度为 Gs数量级，阻垢过程中所起的作用很小，因此，提出水管内的感生电场对硬水溶液的作用占据主导地位。然后基于等效单匝线圈理论建立了缠绕式电脉冲水处理系统的数学模型，推导出溶液的感生电流表达式，利用感生电流对溶液的做功平均功率来衡量水处理器的阻垢效果，得出了阻垢效果和激磁信号以及激磁线圈结构的函数关系。实现了对缠绕式电脉冲水处理系统关键参数的优化设置，从而实现了对系统阻垢性能的优化。最后，利用COMSOL仿真验证了磁场计算的正确性和激磁信号下溶液感生电流解析表达式的准确性。
　　研制了一套缠绕式变频电脉冲水处理装置，以 STM32F103微控制器为核心，配合CD4046芯片等组成的信号调理电路以及IR2111半桥驱动电路，产生频率可调的互补PWM信号，控制H桥功率放大电路中MOSFET管的开通和关断，最后输出固定频率或扫频输出的电脉冲信号加载到多匝线圈上。输出脉冲的频率变化范围100Hz~20kHz，且电压幅值和频率可连续调节。
　　最后，利用变频电脉冲水处理装置、饮水机处理腔和测量仪器搭建了系统阻垢实验研究平台。通过预实验验证了利用该装置进行阻垢实验的可行性以及阻垢实验的可重复性。多次阻垢实验结果表明：本文建立的缠绕式电脉冲水处理系统有一定的阻垢效果，当激磁线圈结构和信号幅值一定时，激磁频率在转折频率（本实验工况下为1.5kHz）附近时，阻垢效果最佳，阻垢率可达46.7％；在激磁信号频率、幅值和线圈半径不变的情况下，当单层密绕螺线管的长度与线圈直径相等时，阻垢效果最佳；线圈匝数增减、半径变化均导致阻垢效果减弱。由此证明了本文理论分析得到的系统阻垢效果与激磁线圈的频率、线圈匝数和半径之间对应关系的正确性。

目录

1 绪 论

1.1课题研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.4本文主要研究工作

2 变频脉冲水处理技术理论分析

2.1变频脉冲水处理系统的工作原理

2.2有限长螺线管磁场的理论计算

2.3变频脉冲水处理系统数学模型的建立

2.4溶液感生电流表达式的求解

2.5激磁电流与感生电流的近似求解

2.6 感生电流做功平均功率与关键参数之间的关系

2.7基于有限元仿真的电磁场分析与感生电流计算

2.8变频脉冲水处理装置的技术指标

2.9本章小结

3 变频脉冲水处理装置主电路与控制设计

3.1系统整体方案设计

3.2控制信号发生电路

3.3功率放大电路

3.4可调直流电源

3.5人机交互电路

3.6电磁兼容性问题

3.7控制系统程序设计框图

3.8变频脉冲水处理装置调试结果

3.9本章小结

4 变频脉冲水处理装置的阻垢实验与数据分析

4.1实验平台的研制

4.2可行性验证

4.3阻垢实验的重复性问题讨论

4.4 阻垢实验方案

4.5 频率对阻垢效果的影响

4.6 线圈匝数对阻垢效果的影响

4.7 线圈半径对阻垢效果的影响

4.8 长期阻垢除垢实验分析

4.9 本章小结

5 结论与展望

5.1结论

5.2展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目