基于超声波发生器冷却塔防结冰的研究与应用

谢 昆，侯瑞强，马宇晴

（中国移动通信集团内蒙古有限公司，内蒙古 呼和浩特 010000）

0 引 言

随着世界向更加智能化、物联化、感知化的方向发展，工业互联网业务得到不断推广，其客户需求逐年上升。客户对大数据服务的基础设施维护要求也越来越高，运行维护工作逐渐成为了重中之重。如何保障工业设备安全稳定运行也成为全球数百万企业共同的课题。目前，我国大多数企业通常采用开式逆流冷却塔进行冷却水与外界温度换热，但对于冬季北方地区，由于室外气温极低，导致开式逆流冷却塔进风口部位结大量的积冰（见图1），严重影响冷却塔换热效率，同时维护人员清理积冰既困难又很容易操作不慎跌下马道，存在严重的安全隐患，因此解决冬季冷却塔结冰问题成了当务之急。

图1 冬季冷塔结冰情况

1 传统技术的缺点及存在的问题

目前各大型企业采用开式逆流冷却塔对冷却水进行换热[1]。冷却塔通过空气与水的接触（直接或者间接）把循环系统中的热量吸收，然后排放至大气中，以降低水温或冷却设备。该蒸发散热装置的工作原理是利用水与空气流动接触后进行冷热交换产生水蒸汽，水蒸汽挥发后带走热量，并利用蒸发散热、对流传热和辐射传热等原理来散去工业设备上与制冷空调中产生的余热，从而降低水温，保证系统正常运行。但对于北方地区，冬季外界气温极低，导致部分冷却水滴落在进风口百叶处形成大量积冰，严重影响冷却塔进风量，使得冷却塔换热效率降低。目前，行业内冷却塔除冰方式有以下几种。

1.1 利用人工机械除冰

维护人员借助镐、锤等工具手工清理冷却塔的积冰，该做法的优点在于对于少量积冰效果明显，缺点在于需要每天上冷却塔除冰，一旦中断，积冰将很难清理。而且，人工除冰浪费大量人力物力，人员站在马道上除冰很容易从高处坠落，存在严重的安全隐患。

1.2 利用化学药剂除冰

利用化学药剂进行除冰，例如一些融雪剂、化冰盐等，其优点是容易获取，价格低廉；但缺点是长时间使用化学药剂容易腐蚀冷却塔结构，除此之外，使用此类药剂如果处理不当还会对环境造成严重的污染[2]。

1.3 电加热方式除冰

利用热能将积冰融化，常见的方式就是通过加装电伴热使得积冰快速融化，其优点在于效果明显，但是电伴热会浪费大量电能，不经济。而且，冷却水中含有除垢剂、杀菌剂等腐蚀性药剂，长期作用会腐蚀电伴热线缆，使其绝缘层脱落造成漏电。

1.4 利用超声波技术除冰

该方法利用声波振动清理聚集在冷却塔进风口表面的积冰，其优点是环保，而且相对于化学除冰的方式，超声波除冰不易对冷却塔结构造成腐蚀损坏，但是缺点在于清除冷却塔积冰需要超声波装置长时间、大功率运行，特别是北方地区冬季冷却塔积冰时间快，如果不能及时开启，快速除冰，长时间反而会导致积冰越积越多。除此之外利用声波处理积冰需要长时间大功率超声波装置，很容易造成高额的电费支出。

2 总体解决方案

鉴于目前各类除冰方式均有弊端，本文提出一种以防结冰取代除结冰的思路，设计出一种基于超声波热效应、机械效应的智能防结冰系统，即利用超声波热效应提升积水的温度，同时借助振动效应减少积水停留在冷却塔进风百叶上的时间，以防结冰代替除结冰，将积冰消除在萌芽之中，最终实现降低积冰的目的。同时，为了防止冬季北方极寒地区由于积水清理不及时导致大面积积冰情况，本文还设计了冷却水回水温度采集装置，可根据冷却塔回水温度情况实时、及时调节超声波发生器功耗、频率，及时清理早期积冰，有效避免了传统超声波除冰技术中发生器长时间、高功耗的使用而造成发生器设备损坏、高额电费的支出；从而达到延长设备使用寿命、减少设备用电、取代人工的目的，并且使此类工作简单化、智能化。

3 具体实施方案

本文所设计是一种基于超声波振动原理的智能防结冰系统。首先采集冷却塔进风百叶上的积水情况，当采集到有“大量积水”产生，采集器将状态反馈到控制器，根据检测值和设定值进行对比，若反馈值小于设定值，则表示没有达到除积水条件，控制系统继续采集信号。若反馈值达到设定值，此时控制器发出闭合继电器命令，超声波装置开始低功耗、低频率除积水工作。同时针对冬季北方极寒天气下积水迅速结冰情况，该系统可以通过冷却塔回水温度传感器采集到冷却水回水温度高于正常工作状态下冷却水回水温度，说明冷却塔进散热效果已受到严重影响，从而判断进风百叶存在“积冰”现象，此时将“有积冰”的信号上传至控制器，由控制器驱动超声波发生器进行高功耗、高频率振动。

超声波发生器启动后，利用超声波的热效应防止积水成冰。同时，借助超声波振动的机械效应，通过改变振动频率从而减少积水成冰的概率，例如通过调节0～900 Hz试验声波频率，统计不同频率下水的结冰时间。通过试验可以看出，当试验声波频率在250 Hz以下时，声波可以缩短水结冰的时间，但以300 Hz以上频率的试验声波驱动水时，可以有效地延长水结冰的时间，再加上声波热效应、重力及振动因素，导致水在进风百叶滞留的有效时间缩短，大大减小了在进风百叶结冰的可能性。整个系统包括以下几个部分。

3.1 积水采集模块

主要由多条积水采集线（根据实际使用情况可增加布线密度）、信号转换模块组成，即利用导线短路原理，正常情况下两根黑色电缆具有导电作用，当有积水飞溅至采集线上，使得两根原本未接通的导线接通导电，之后将“有积水”的信号上传至控制器，由控制器驱动超声波发生器进行低功耗、低频率振动。

3.2 冷却水回水温度采集模块

同时，该系统还配备冷却水回水温度采集器，当采集器采集到冷却水回水温度高于正常工作状态下冷却水回水温度，说明冷却塔进风口散热效果已受到影响，从而判断出进风百叶存在积冰现象，此时将“有积冰”的信号上传至控制器，由控制器驱动超声波发生器进行高功耗、高频率振动。

3.3 超声波控制模块

本控制器电路结构简单，只有一路采集和控制，故选取功耗小、接口少、成本较低的ATMEGA328P作为主控芯片，电路原理图如图2所示，外接USB转串口电路（见图3）和复位电路（见图4）。晶振为芯片正常工作提供震荡频率，复位电路则是在程序运行中出现故障时，控制系统不能正常工作，此时需要复位芯片，使得程序能够重新运行。

图2 控制原理图

图3 USB转串口原理图

图4 复位电路原理图

采集与控制电路：本装置采用积水采集模块、冷却水回水温度传感器作为采集端，通过采集模块采集情况判断冷却塔积水或积冰情况，并将该信息通过RS+和RS-反馈给控制芯片，控制芯片根据反馈值和设定值进行对比，若反馈值小于设定值，则没有达到除积水或积冰条件，控制器继续等待反馈信号。若反馈值大于设定值，此时控制器将信号发送至继电器、变频器，继电器控制超声波发生器开/合，变频器选择性调节超声波发生器输出功率及振动频率，从而开始除积水（低功耗、低频率）或除积冰（高功耗、高频率）工作。

3.4 超声波产生模块

超声波产生模块，又称超声波发生器，主要由电源输入模块、频率调节模块、输出调节模块、频率显示模块、散热器、电位器、小型变压器、换能器组成。其原理是把市电转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，驱动超声波换能器工作，换能器通过将电能转换为声/热能，最终通过超声波振子产生高频振动及温升[3]。

为了实现节能降耗，减少超声波发生器长期大功率运行而造成设备损坏，该系统在传统超声波发生器的基础上，通过在控制电路中加入变频器实现了超声波发生器的高功率和低功率两种工作模式。控制系统通过水位信号采集器和温度传感器的信号数据来判断目前现场情况，采取对应的动作策略。具体流程如下：根据“积水”、“积冰”采集模块将采集到的温度、积水信号（见图5）通过RS485_A、OUT及O_SCK接口传送至超声波控制模块（如图2中的23、24、27、28引脚）经超声波控制模块根据逻辑判断，智能选择输出高频、低频启动信号（如图2中的13、14引脚，HIGH代表高频率启动，LOW代表低频率启动）至变频器驱动模块（见图6，M代表超声波发生器），从而由控制变频器智能调节超声波发生器功率及振动频率，延长设备寿命。

图5 温度、积水采集传感器原理图

图6 变频器驱动模块原理图

3.5 技术方案验证

目前，这种基于超声波发生器冷却塔防结冰的方法，已经在中国移动呼和浩特数据中心验证，方案满足预期要求，具体验证步骤如下文所述。

（1）组装好积水采集系统，首先将采集信号线放入水中，控制器输入端有电信号，说明百叶积水采集系统运行正常；接着将冷却水温度采集器放入温度高的水中，控制器输入端有电信号，说明冷却水回水温度采集系统运行正常。

（2）将超声波发生模块接入控制系统，并加装换能器，当采集信号线放入水中，通过控制器对信号进行判断，触发值大于设定值后继电器吸合，超声波发生器开始低功耗、低频率工作，超声波振子发生振动，说明该系统整体运行正常。同时当冷却水温度采集器放入高温度水中通过控制器对信号进行判断，触发值大于设定值后继电器吸合，超声波发生器开始高功耗、高频率工作，超声波振子发生振动，说明该系统整体运行正常。

（3）进行逻辑功能验证，当进风百叶积水采集信号大于系统设定值时，开启低功率超声波发生器，并继续采集积水信号和冷却水回水温度。当百叶积水信号小于设定值时，关闭超声波发生器，当冷却水回水温度大于设定值时，启用高功率超声波发生器，并继续采集该信号，当冷却水回水温度小于设定值时，关闭高功率超声波发生器。

（4）最终，通过系统联调测试，在超声波热效应、重力及振动因素共同作用下水在进风百叶的概率明显降低。经过3个月的试运行试验，系统运行正常无故障，真正做到了以防结冰取代除结冰（改造前后效果见图7）。同时，通过控制电路实现了积水采集、冷却水回水温度采集、逻辑控制、超声波发生的智能联动，真正做到了绿色节能，无人值守。

图7 研究改造前后效果对比

4 效能分析

对于冷却塔积冰问题，传统技术方案中，行业内普遍做法是将其清理[4]。其中，人工机械清理耗费人力资源过大且存在人身安全隐患；化学除冰对冷塔危害性较大，同时污染环境；电伴热物理加热除冰效果明显但浪费大量电能；相对绿色环保的超声波除冰方式不能长时间连续使用，否则很容易造成设备寿命降低。行业内有通过液位采集来驱动超声波发生器除冰的方式，但水面波动较大、外界风力因素导致液位计频繁触发超声波发生器启动/停止，很容易造成超声波设备损害，此外，因为超声波去除大面积积冰效果欠佳，所以当液位下降到一定程度后再驱动超声波发生器除冰方式往往是“亡羊补牢”为时已晚。

综上所述，本文从“预防为主”的思路出发，以“防结冰”代替现有的“除结冰”方式，利用积水采集、温度采集取代传统的液位采集，有效地避免了液位波动带来的超声波发生器频繁启/停及外界干扰。同时，对比传统超声波机械效应除冰方式，本文还从理论上结合了超声波热效应设计出一整套采集、转换、驱动电路，通过采集积水、早期积冰情况来实现超声波发生器的自动运行，高效节能，避免超声波发生器长时间、高耗能的使用，延长超声波发生器的使用寿命，降低超声波发生器能耗[5]。同时该系统安装简单，绿色环保，适用于各类易结冰的场所，解决了冬季北方地区冷却塔易结冰及积冰已经大面积形成而导致“亡羊补牢”清除困难的问题。该系统大大提升了冷却塔换热效率，间接的提高了空调设备的稳定性与可靠性。

5 结 论

本文提出了一种除冰重点在于预防结冰的思路---基于超声波热效应、机械效应从而达到提高积水温度、减少结冰概率的目的；同时该系统还加装冷却水温度传感器，通过采集冷却水温度，从而在积冰初期及时将其清理，防止造成大面积积冰堵塞进风口从而导致冷却塔进风量降低，影响换热效率。同时提出了通过检测积水、早期积冰情况，通过加装变频器选择性的开启调节超声波发生器功率，避免了传统超声波除冰法中长期大功率开启超声波发生器的弊端，大大延长了发生器的寿命，同时，通过变频器调节，节约了超声波发生器的用电，绿色高效，目前该成果的核心控制部分提交国家专利评审，成果具有普适性，行业内具有类似问题和场景的工业、制造业厂房均可以引入，具有一定的实践指导意义。