应用电磁信号发生器的处理腔管仿真分析＊

陈长卿 ， 李子健 ， 黄 涛 ， 叶大鹏 ， 李海芸

（1.福建农林大学机电工程学院，福建 福州 350002； 2.福建农林大学现代农业装备福建省高校工程研究中心，福建 福州 350002； 3.闽江师范高等专科学校机电工程系，福建 福州 350108）

0 引言

2021年政府工作报告提出要加大对生态环境的治理力度，其中特别提到对废水处理的要求，支持大力推动新能源的发展[1]。目前工业上循环水冷却水的利用率有70%～80%[2]，循环水的应用减少了水资源浪费问题，但同时也带来了其他问题。因为循环水在持续的循环运行过程中会浓缩和蒸发，且随着循环时间的增加，浓缩倍数也不断地增加[2]，使得水垢的生成速率比直流水的水垢生成速率快得多。水垢胶结在管道中会导致设备换热效率降低，增加能源消耗，不符合节能减排要求。

在工业上去除水垢的方法较为单一，多是采用化学法，如使用阻垢剂、缓蚀剂、灭藻剂等水处理化学药剂[3]，化学药剂的发展较为成熟，且成本较低，所以应用十分广泛。但化学药剂往往会对环境造成严重的污染，如阻垢剂中含有的羧酸类铁会形成新的污染物。如果使用不当，也会对人的皮肤造成伤害，还会腐蚀设备，增加了设备的维护成本。电磁法是一种纯物理方法，可在设备运行时持续工作，不必像化学法需要定期停产以处理水垢，可提高生产经营效益，并且集安全、节能、环保多种优势于一体。

笔者简单阐明了电磁信号发生器的组成，并详细说明了处理腔的设计过程。

1 信号发生器的构成

电磁信号发生器是电磁法处理水的关键，它能够输出频率可调的信号。其整体方案结构图如图1所示，主要包括12 V直流电源、稳压模块、功率放大电路、MCU系统、保护电阻、处理腔。

在系统工作过程中，电磁信号发生器根据单片机发出的指令，产生某个特定的频率或者变频的微弱电信号，再通过功率放大电路对磁感线圈作用一定频率和功率的脉冲信号，从而在处理腔中产生电磁场，对循环水进行处理。

图1 电磁信号发生器结构图

2 处理腔的仿真与设计

影响磁场强度的因素有很多，材料方面如处理腔的直径、处理腔的材料、磁感线圈的匝数等。为了减小后续实验的复杂和提高效率，利用Comsol Multiphysics多物理仿真系统模拟仿真电磁场，探索不同处理腔的材料、线圈匝数等条件下电磁场的强度及其作用范围，设计最高效率的处理腔。

由于水泵直径的限制，将处理腔的管口直径设为定值，为6.5 mm，管壁壁厚为1.15 mm。

磁感线圈是由普通漆包铜线绕在一起制成的，磁环电感线圈是一种具有通直流阻交流、通低频阻高频、电流超前九十度角的电子元器件。选择直径为0.8 mm的漆包线。

图2 处理腔模型

2.1 处理腔材料的选择

不同材料的相对磁导率及电导率会有所区别，对磁场强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处理腔的磁场，找到电磁处理最合适的处理腔。笔者对几种常见的管道材料仿真，它们的相对磁导率如表1所示。

表1 各种材料的相对磁导率

选择PE管=1 H/m，不锈钢=2.8 H/m，碳钢=150 H/m仿真。输入电流为0.5 A，线圈匝数为30匝，输入频率为1.5 kHz。仿真结果如图3、图4、图5所示。

图3 PE管仿真结果

图4 不锈钢管的仿真结果

从仿真结果可得，处理腔的材料不同会对磁场强度和分布范围有所影响。PE管的磁感应强度最强，碳钢管的磁感应强度最弱，对比这三种材料的仿真效果可知，处理腔管道材料的相对磁导率越大，管道对磁场的屏蔽效果更加明显。所以实验时选用PE管作为处理腔的腔体。

2.2 磁感线圈匝数的选择

直径一定的线圈，匝数越多，线圈产生的电阻就越大，电流就会越小，产生的感应电动势越大，一增一减，磁感应强度变化无从得知。当达到一定匝数，磁通量会达到饱和状态，此时再增加线圈匝数，磁感应强度也不会增强。但是匝数越多，磁场的分布就越广，水经过磁场被处理的时间就越长。所以仿真是必要的。选择处理腔为PE管，输入电流为0.5 A。目前在电磁场水处理研究中，对处理腔的缠绕线圈的匝数没有特定要求，一般30匝就会有效果[5]。所以选择线圈匝数分别为30匝、70匝、110匝、150匝。仿真结果如图6、图7、图8、图9所示。

图6 匝数为30匝时的磁场分布

图7 匝数为70匝时的磁场分布

图8 匝数为110匝时的磁场分布

图9 匝数为150匝时的磁场分布

由仿真结果可知，在确定处理腔的长度为120 mm时，在线圈匝数为30匝的基础上，每增加40匝，磁场强度就越强，但在本文条件下，还未受到磁饱和效应的影响，所以该模型的线圈匝数选择150匝。

3 结论

笔者设计了一款电磁信号发生器，并用Comsol Multiphysics 模拟仿真处理腔的磁场分布。仿真结果说明管道的材料由于相对磁导率不同，会对磁场强度和分布产生较大影响，且相对磁导率越大对磁场的屏蔽效果就越强。除此之外，由于磁饱和效应，线圈匝数也会对磁场造成影响。绿色化发展是现在以及将来水处理方式上的一个趋势，希望将来能打破技术壁垒，让电磁法处理水的技术走向成熟，实现一套系统多个应用场景使用，减少时间、精力和成本的浪费，将电磁法广泛应用在各个场景。