УСТРОЙСТВО УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОЧИСТКИ ОТЛОЖЕНИЙ В ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХ
ULTRASONIC CLEANER OF DEPOSITS IN HEAT EXCHANGERS

Изобретение относится к ультразвуковой технике и теплоэнергетике и может быть использовано для очистки теплообменных аппаратов различного назначения от отложений и снижения коррозии металлов на их внутренней поверхности.
Для защиты от накипи и предотвращения ее образования в теплообменных аппаратах обычно проводится химическое смягчение воды. Химическая подготовка проводится в специальных установках докотловой обработки. Приобретение и монтаж таких установок связан с большими затратами и требует квалифицированного обслуживания. Кроме того, химические реагенты негативно влияют на качество воды.
Применение безреагентного ультразвукового метода очистки позволяет снизить перерасход топлива и повысить коэффициент полезного действия котельных установок. Такой метод не требует больших затрат, исключает применение химических реагентов, имеет невысокую трудоемкость и не вызывает загрязнения окружающей среды.
Известно устройство ультразвуковой очистки теплообменных агрегатов [Устройство ультразвуковой очистки теплоагрегатов от отложений. Патент на полезную модель №43796. Авторы Афанасьев В.А., Работаев А.Ф.], состоящее из нескольких магнитострикционных преобразователей, в обмотках возбуждения которых системой управления формируются пачки силовых токовых импульсов заданной частоты. Недостатком данного устройства является отсутствие возможности изменять рабочую частоту выходных импульсов устройства управления.
Известно, что максимальная амплитуда колебаний магнитострикционного преобразователя имеет место при совпадении частоты механического резонанса преобразователя с частотой сигнала его возбуждения, которую в аналоге предварительно настраивают. Однако в силу дестабилизирующих факторов, например «усталости» металла магнитострикционного преобразователя, начинается дрейф резонансной частоты и, как следствие, снижение эффективности ультразвуковой очистки.
Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является устройство ультразвуковой очистки [Устройство ультразвуковой очистки отложений в теплообменных агрегатах. Патент RU на изобретение №2325958, МПК В06В 1/00, F28G 7/00]. Известное устройство содержит источник вторичного электропитания, подключенный через блок электронной коммутации ко входам блока магнитострикторов, одни его выходы кинематически соединены с технологическим объектом управления, имеющим кинематическое соединение с анализатором акустических колебаний, причем в него дополнительно введены микроконтроллер с блоком индикации и анализатор акустических колебаний, при этом вход синхронизации микроконтроллера соединен с другим входом источника вторичного электропитания, одна группа выходов подключена к одноименной группе входов управления блока электронной коммутации, другая группа информационных выходов подключена к одноименным входам блока индикации, а третий выход блокирования подключен к управляющему входу источника вторичного электропитания, причем другая группа выходов блока магнитострикторов через анализатор аварийного состояния подключена ко вторым входам микроконтроллера, его третий вход соединен с выходом анализатора акустических колебаний, а четвертый вход подключен к шине управления.
На механических выводах магнитострикционного преобразователя формируются ультразвуковые колебания с частотой, близкой к резонансной. В устройстве используется адаптивное и динамическое микроконтроллерное управление режимами формирования интенсивного ультразвукового поля на рабочей поверхности технологического объекта управления (теплообменного агрегата), предполагающее
- оптимизацию длительности и частоты следования импульсов возбуждения с учетом резонансных свойств магнитострикционных преобразователей;
- формирование пачек импульсов возбуждения оптимальной формы и регулируемой частоты;
- задание индивидуальной программы управления блоком электронной коммутации и магнитострикционных преобразователей.
Недостатком рассмотренного устройства является невысокая точность перестройки режимов очистки, связанных с недостаточной точностью поддержания необходимой частоты резонансных колебаний пластин магнитострикционного преобразователя, что снижает эффективность очистки теплообменного аппарата от отложений.
Задача, решаемая с помощью изобретения, заключается в реализации устройства ультразвуковой очистки с возможностью достижения механического резонанса пластин магнитострикционного преобразователя и возбуждающих его колебаний за счет точной подстройки частоты генерируемых сигналов в процессе работы, а также достижения резонанса колебаний технологического объекта (теплообменного аппарата).
Технический результат заявляемого решения - улучшение качества ультразвуковой очистки теплообменных аппаратов от отложений и снижение коррозии металлов их внутренней поверхности, что приводит к увеличению коэффициента полезного действия теплообменных аппаратов и снижению затрат на их обслуживание, расширение технических областей применения.
Технический результат достигается тем, что в устройстве ультразвуковой очистки теплообменных аппаратов, содержащем источник вторичного электропитания, подключенный через инвертор ко входам блока магнитострикторов, в котором одни его выходы кинематически соединены с технологическим объектом управления, имеющим кинематическое соединение с анализатором акустических колебаний для подачи сигнала в микроконтроллер, соединенный с блоком индикации, в соответствии с заявляемым изобретением один из входов микроконтроллера соединен с магнитостриктором через датчик тока и масштабный усилитель, два выхода микроконтроллера соединены через генераторы с прямым цифровым синтезом частоты (DDS-генераторы), один из которых выполнен с возможностью формирования сигнала треугольной формы с последующим выпрямлением и усилением, а другой - с возможностью формирования сигнала синусоидальной формы с последующим выпрямлением, с широтно-импульсным модулятором и через драйвер с одним плечом инвертора, выполненным по мостовой схеме, а третий выход микроконтроллера через другой драйвер с другим плечом инвертора.
Отличительной особенностью заявляемого изобретения является схема системы управления силовыми полупроводниковыми ключами, образующими плечи однофазного инвертора, позволяющая перестраивать частоту возбуждения магнитострикционного преобразователя в процессе работы установки с шагом до 0,01 Гц, а также схема контроля акустических колебаний технологического объекта, увеличивающая интенсивность ультразвуковых колебаний и повышающая скорость очистки.
На фиг. 1 представлена обобщенная схема предлагаемого устройства, где приняты следующие обозначения:
1 - источник вторичного электропитания (ИВЭП);
2 - однофазный мостовой инвертор (И);
3 - магнитострикционный преобразователь (МСП);
8 - микроконтроллер (МК);
9 - система управления (СУ);
19 - блок индикации (БИ);
20 - технологический объект (ТО);
21 - датчик колебаний (ДК).
На фиг. 2 представлена функциональная схема предлагаемого устройства, где обозначено:
1 - источник вторичного электропитания (ИВЭП);
2 - однофазный мостовой инвертор (И);
3 - магнитострикционный преобразователь (МСП);
4…7 - силовые ключи с обратными диодами;
8 - микроконтроллер (МК);
9 - система управления (СУ);
10 - масштабный усилитель (МУ);
11, 12 - DDS-генераторы;
13, 14 - прецизионные двухполупериодные выпрямители;
15 - усилитель с программируемым коэффициентом усиления (ПУ);
16 - широтно-импульсный модулятор (ШИМ);
17, 18 - драйверы управления силовыми ключами;
22 - датчик тока (Дт).
Заявляемое устройство ультразвуковой очистки теплообменных аппаратов состоит из источника вторичного электропитания 1, подключенного через однофазный мостовой инвертор 2, к которому в качестве нагрузки подключены входы магнитострикционного преобразователя 3, выходы которого кинематически соединены с технологическим объектом управления. Устройство содержит силовые полупроводниковые ключи инвертора 4, 5, 6, 7, микроконтроллер 8, систему управления 9, состоящую из масштабного усилителя 10, через который к микроконтроллеру 8 подключен датчик тока (Дт) 22, двух DDS-генераторов 11, 12, выходы которых соединены с прецизионными двухполупериодными выпрямителями 13, 14, выход выпрямителя 13 соединен с усилителем с программируемым коэффициентом усиления 15, широтно-импульсного модулятора 16, управляющего драйверами силовых ключей 17, 18, блока индикации 19, датчика колебаний 21, снимающего показания об акустических колебаниях в технологическом объекте 20.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Первоначально устройство (фиг. 2) находится в отключенном состоянии и его силовая электрическая часть, ИВЭП 1 и И 2, обесточена. При подаче на вход МК 8 управляющего сигнала он запускает DDS-генератор на изначально настроенную в процессе тестирования резонансную частоту МСП 3. Одновременно с этим ИВЭП 1 подает выпрямленный ток на силовые ключи 4…7 однофазного И 2.
DDS-генератор 12 выдает двуполярный синусоидальный сигнал с частотой, равной частоте механического резонанса МСП 3, а DDS-генератор 11 выдает двуполярный треугольный сигнал с частотой, в 10 раз большей частоты резонанса. Сигналы с генераторов поступают на прецизионные двухполярные выпрямители 13, 14.
Выпрямленный синусоидальный сигнал поступает на ШИМ 16, а выпрямленный треугольный сигнал - сначала на усилитель с программируемым коэффициентом усиления 15, а затем на ШИМ 16. ШИМ 16 формирует управляющие импульсы силовых полупроводниковых ключей 4, 5 и подает их на драйвер Др 17.
Датчик тока Дт, находящийся в цепи МСП 3, измеряет ток через МСП 3 и выдает результат измерения на вход МК 8 через масштабный усилитель 10. Исходя из величины измеренного тока, МК 8 изменяет коэффициент усиления ПУ 15 и скважность управляющих импульсов ШИМ 16.
Драйвер Др2 18 управляется непосредственно МК 8 и поочередно открывает силовые ключи 6,7 на половину периода сигнала, получаемого с DDS-генератора 12.
МК 8 по величине сигнала с Дт определяет резонансную частоту МСП 3.
Для более эффективной передачи акустической энергии в ТО 20 (фиг. 1) в устройство введен датчик колебаний 21 поверхности ТО 20. Настройка на резонансную частоту ТО 20 осуществляется кратковременным воздействием МСП 3 на ТО 20. По сигналу с ДК 21, пропорциональному амплитуде колебаний поверхности ТО 20, определяется резонансная частота ТО 20, с которой в штатном режиме работы будут формироваться пачки высокочастотных импульсов возбуждения магнитострикционного преобразователя.
МК 8 запускает штатный режим работы с определенными параметрами частоты резонанса МСП 3 и длительности следования пачек импульсов.
Необходимая информация отображается на блоке индикации БИ 18, а параметры резонансной частоты и длительности следования пачек импульсов сохраняются в памяти микроконтроллера.
Чем точнее подобрана частота резонанса магнитострикционного преобразователя, тем лучше происходит очистка теплообменных аппаратов от отложений, меньше коррозия металлов внутренней поверхности и меньше энергетические потери при эксплуатации. Под действием колебаний соли жесткости кристаллизуются непосредственно в объеме воды, образуя мелкодисперсный шлам, а колебания поверхностей нагрева препятствуют осаждению шлама на стенках труб котла. Поэтому шлам находится в воде во взвешенном состоянии и удаляется из теплообменного аппарата регулярными продувками, что обеспечивает защиту от накипи, предотвращает ее образование. В прототипе использовались технические средства, уступающие по частотному разрешению DDS-генераторам, что вносит значительную погрешность в определение резонансной частоты магнитострикционного преобразователя.
Таким образом, использование точной подстройки резонансной частоты магнитострикционного преобразователя и определение резонансной частоты колебания очищаемой поверхности технологического объекта позволят повысить эффективность очистки отложений и снизить коррозию металла на внутренней поверхности теплообменных аппаратов, а также позволят расширить области технического использования устройства в различном теплообменном оборудовании. В целом такой подход отличает предлагаемое устройство ультразвуковой очистки от вышеперечисленных аналога и прототипа.