基於傳熱阻差的沉積傳感器的製作方法

2023-04-29 05:33:41 2

專利名稱：基於傳熱阻差的沉積傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及監測エ業系統中的礦物沉積和生物膜沉積。更具體而言，本發明涉及用於監測和測量在エ業流體處理系統中的裝備上的礦物沉積和生物膜沉積的器件和方法。
背景技術：
エ業流體エ藝中的化學沉積和/或生物沉積會不利地影響處理效率，而且可不利地影響製造エ藝，包括運行停機時間，以及甚至潛在地包括エ廠停エ。在本領域內要理解， 冷卻塔、熱交換器和其它流體處理容器中的礦物沉積和/或生物膜沉積會降低臨界傳熱效率，減小流速，以及可潛在地導致結構疲勞和裂紋的形成。另外，エ業用水熱交換器性能的保持對於公用發電廠尤其是核電廠來說是安全問題。已經通過測量跨過傳熱表面的溫差或通過經由電化學、光學、光譜或聲學方法來測量浸在流體中的清潔表面上的沉積所導致的物理和化學變化，來監測在エ業流體エ藝中的礦物和/或生物沉積物的開端。基於溫度測量的若干監測系統是已知的，並且特別是在熱交換器和冷卻塔中已經被用來監測礦物沉積和生物膜沉積。容易在這些系統中的許多系統中設立傳熱表面，並且易於操作該傳熱表面。為模擬傳熱表面提供了傳熱阻值，傳熱阻值可與例如熱交換器的整體傳熱效率相關。但是，基於溫度測量的沉積物監測會受エ藝變化的影響，例如エ藝溫度、流速和環境溫度的變化。例如，在支流熱通量模擬器中的電加熱器的功率供應的變化可導致有誤差。可惜的是，由於エ藝變量的影響，許多可商購獲得的沉積物監測系統都缺乏檢測沉積物聚積的早期開端所需的靈敏度。因此，迄今為止難以實現以成本有效的方式檢測沉積物聚積的早期開端。用來測量沉積所導致的物理和化學變化的方法包括光透射率、螢光性和石英晶體微量天平。這些方法的靈敏度通常是高的。但是，這些方法需要較昂貴的儀器。變化和エ 藝參數會影響測量，而且不可輕易地結合傳熱表面。在美國專利4，326，164中，提供了一種用於監測腐蝕介質所導致的腐蝕的探頭。 該探頭包括第一可腐蝕的電阻元件、具有類似於第一元件的耐溫特性的耐溫特性的第二可腐蝕的電阻元件，各個元件呈長方形稜鏡的形狀，第二元件的厚度大於第一元件的厚度。美國專利7，077，563公開和聲明了一種用於測量熱通量差的方法，其包括以下步驟(a)提供傳熱基準表面；(b)提供傳熱結垢表面；(c)提供能夠在基準表面和結垢表面之間傳遞熱通量的傳熱路徑；(d)提供熱通量傳感器對，ー個傳感器連接到基準表面上，而另ー個傳感器則連接到結垢表面上；(e)直接從各個傳感器中測量熱通量值，而不需要測量傳感器之間溫差；(f)根據熱通量值來計算跨過傳熱路徑的熱通量差數據；(g)利用熱通量差數據來檢測和量化結垢表面處的沉積物聚積；以及其中，在基準表面和結垢表面兩者處的熱通量值響應於結垢表面處的沉積物聚積而改變。以上設備和方法的缺點在於難以在與傳熱表面相同的流體中建立清潔的傳熱表面來進行檢測。要克服的另ー個問題在於，熱通量差測量會受流率變化的影響。例如，在活性檢測表面或「使用中的」檢測表面上的抗結垢性為5，而清潔基準表面為0。兩個表面的流對
3流性傳熱阻為5。活性檢測表面的總傳熱阻為10，而清潔表面的總傳熱阻為5，它們的比為 2 1。如果對流性傳熱阻由於流率増大而從5改變到1，以及檢測表面的總傳熱阻為6，而清潔表面的總傳熱阻為1，則導致它們的比為6 1。在兩個表面之間的總傳熱阻比改變的情況下，熱通量差將改變，但不是因為結垢的原因。因此，存在對用於監測和測量在エ業流體エ藝和流體運送容器中的沉積物聚積的、不會受到流率的不利影響的改進的系統的需要。具有這樣的快速、準確且成本有效的系統是合乎需要的該系統能夠檢測和測量化學沉積和/生物沉積的早期開端，而對エ藝變化(例如エ藝溫度、流速和環境溫度的變化)較不敏感。發明概述公開了ー種系統和方法，其中使用傳熱阻差來有效和高效地檢測在エ業流體エ藝和流體運送設備中的沉積物聚積的早期開端。根據ー個實施例，連同熱源、水源和探頭一起提供ー種探頭。該探頭包括傳熱表面，傳熱表面的第一部分僅由薄金屬層覆蓋。傳熱表面的第二部分或其餘部分由熱通量傳感器和薄金屬層覆蓋。探頭的第一區域和第二區域兩者的金屬層被連接，而且水流動跨過全部傳熱表面。由於水流慢和水溫升高，在傳熱表面的一部分上形成沉積。測量熱源、水源的溫度以及熱通量。將沉積速率作為傳熱阻的變化速率來進行測量。另ー個實施例提供了ー種包括兩個探頭的系統，其中，各個探頭由傳熱表面組成， 各個探頭的第一部分僅由薄金屬層覆蓋，而各個探頭的傳熱表面的第二部分由熱通量傳感器和薄金屬層覆蓋，以及另外，其中，一個探頭具有低功率供應熱源，另ー個探頭具有高功率供應熱源。在這個實施例中，可將沉積速率作為傳熱阻差的變化速率來進行計算。另ー個實施例提供了 ー種包括探頭、一個熱源和ー個水源的系統。在這個實施例中，探頭由傳熱表面組成，其中，整個傳熱表面都由熱通量傳感器和薄金屬層覆蓋。水流動跨過傳熱表面，並且測量熱源、水源的溫度以及熱通量。此後，將沉積速率作為傳熱阻的變化速率來進行計算。一個實施例提供了ー種包括兩個探頭的系統，其中，兩個探頭的整個傳熱表面由熱通量傳感器和薄金屬層覆蓋，其中，一個探頭包括低功率供應熱源，而另ー個探頭則包括高功率供應熱源。在這個實施例中，將沉積速率作為傳熱阻差的變化速率來進行計算。在結合到本公開中且形成本公開的一部分的權利要求中特別地指出了表現本發明的特徵的各種有新穎性的特徵。為了更好地理解本發明、通過使用本發明所獲得的本發明的運行優點和益處，對附圖和描述性內容進行了參照。附圖意圖顯示本發明的許多形式的實例。附圖不意圖顯示對可製造和使用本發明的所有方式的限制。當然可對本發明的各種構件作出改變和替代。本發明也在於所描述的元件的子組合和子系統中，及其使用方法。附圖簡述

圖1是根據本發明的一個實施例的沉積傳感器系統的透視圖。圖2是在其中水流過大橫截面區域的傳熱表面處形成的沉積的圖示。圖3是根據本發明的實施例的沉積探頭的兩種設計。圖4是表明了根據本發明的一個實施例的探頭的靈敏度的曲線圖。圖5顯示了在同一冷卻塔支流中串聯的根據本發明的一個實施例的沉積探頭和可商購獲得的沉積聚積測試系統的結果。
發明詳述単數形式「ー個」、「ー種」和「該」包括複數個所指對象，除非上下文明確地另有規疋。與數量結合起來使用的修飾語「大約」包括本數，並且具有上下文所規定的含義 (例如包括與特定量的測量相關聯的誤差度)。「可選的」或「可選地」表示隨後描述的情況或情形可能出現或可能不出現，或者隨後標識的材料可能存在或可能不存在，並且描述包括其中該情況或情形出現或其中該材料存在的場合，以及其中該情況或情形不出現或其中該材料不存在的場合。公開了這樣的系統和方法，S卩，其中在エ業流體エ藝和流體運送設備中使用傳熱阻差來有效且高效地檢測礦物沉積和/或生物沉積物聚積的早期開端。當沉積物開始在流體或被檢查的容器的內部聚積吋，會出現傳熱阻的變化。由於沉積物聚積會導致有關傳熱表面的傳熱阻有變化，所以通過測量在相應的傳熱表面之間出現的傳熱阻的不同變化來檢測沉積物聚積的開端是可行的。根據ー個實施例，連同熱源、水源和探頭一起提供探頭。在這個實施例中，探頭由傳熱表面組成，該傳熱表面的第一部分僅由薄金屬層覆蓋。傳熱表面的第二部分或其餘部分由熱通量傳感器和薄金屬層覆蓋。兩個區域的金屬層被連接，而且水流動跨過全部的傳熱表面。如通過圖1中的探頭100的實例所看到的那樣，傳熱表面110的第一部分僅由薄金屬層120覆蓋，傳熱表面110的第二部分由熱通量傳感器130和薄金屬層120覆蓋。薄金屬層120跨過整個探頭而被連接。水自小橫截面區域150流動跨過探頭，在小橫截面區域150中，水接觸探頭100的第一部分的區域，其中，傳熱表面110由薄金屬層120覆蓋，而且水繼續流到較大橫截面區域160，在較大橫截面區域160中，水接觸由熱通量傳感器130 和薄金屬層120覆蓋的探頭的傳熱表面110。由於水流慢和水溫升高的原因，在由熱通量傳感器130和薄金屬層120覆蓋的探頭100的區段上形成沉積。為了確定沉積的形成，測量熱源的溫度(Th)和水源的溫度(Tw)以及通過熱通量傳感器130的熱通量(F》。然後可將沉積速率作為表達為(Th-Tw)/F2的傳熱阻的變化速率來進行計算。在另ー個實施例中，系統由兩個探頭組成，其中一個探頭具有低功率供應熱源，另一個探頭具有高功率供應熱源。在這個實施例中，能夠將沉積速率作為傳熱阻差(Th_h_Tw_ h) /F2_h- (Th_l-Tw_l) /F2_l的變化速率來進行計算。一個備選實施例包括探頭、一個熱源和ー個水源。在這個實施例中，探頭的整個傳熱表面由熱通量傳感器和薄金屬層覆蓋，使得探頭的表面跨過傳熱表面的長度是一致的。 水沿著探頭的長度自小橫截面區域流到大橫截面區域。獲得熱源的溫度測量值(Th)和水源的溫度測量值(Tw)以及熱通量(F)。然後可將沉積速率作為表達為(Th-Tw)/F的傳熱阻的變化速率來進行計算。在另ー個實施例中，裝置由兩個探頭組成，其中一個探頭具有低功率供應熱源，另一個探頭具有高功率供應熱源。在這個實施例中，可將沉積速率作為傳熱阻差(Th_h_Tw_ h) /F_h- (Th_l-Tw_l) /F_l的變化速率來進行計算。圖2是在根據本發明的一個實施例的探頭的傳熱表面上形成的沉積的圖示。如所顯示的那樣，在水流過大橫截面區域時發生沉積。至於圖3，它是根據本發明的一個實施例的沉積探頭的兩種設計的表示。探頭310顯示了其中熱通量傳感器320覆蓋傳熱區域的第一部分或一半的一個實施例。作為本發明的ー個備選實施例，在圖3的右所描繪的探頭320 是覆蓋整個傳熱區域的熱通量傳感器340的描繪。熱通量傳感器可得自許多源，例如歐米茄工程公司(康乃狄克的斯坦福徳)。傳感器產生指示在傳熱表面處測得的熱通量的變化的電信號。傳感器可連接到信號處理單元和顯示器上，以處理傳感器所產生的對應的電信號。另外，可用來引入傳熱表面的熱源包括 (但不限於)電熱、聲輻射熱或電磁輻射熱，以及傳送熱的エ藝流體。使用傳熱阻差的原因在於消除エ藝變化(例如エ藝溫度、流速和環境溫度的變化)的影響，即(Th_h-Tw_h)/F_h-(Th_l-Tw_l)/F_l = R_convective+r_deposit_h- (R_ convective+r_deposit_l) = r_d印osit_h_r_d印osit_l。如由圖 4 顯示的那樣，通過僅僅用人的手指進行觸摸而影響環境溫度。如圖4中以圖表的方式展示的那樣，毎次手指觸摸探頭傳熱表面吋，溫度増加4F且熱通量減小4mV，這會導致傳熱阻(R)増加12%。剝去探頭表面上的積垢(tap)會使傳熱阻減小12%。顯示了本發明具有優於目前在現有技術中可用的提高的性能。圖5展示了根據本發明的一個實施例的沉積探頭與可商購獲得的沉積聚積測試系統(DATS)的結果。以串聯結合的方式將兩個系統放在同一冷卻塔架支流中。可清楚地看到，與DATS相比，根據本發明的結垢探頭更靈敏，並且顯示了更高的響應性。雖然已經參照優選實施例來描述了本發明，但是與本發明有關的領域的普通技術人員可對這些實施例作出多種改變或替代，而不偏離本發明的技術範圍。因此，本發明的技術範圍不僅包括上面描述的那些實施例，而且還包括落在所附權利要求的範圍內的所有實施例。
權利要求
1.ー種包括具有傳熱表面的探頭的沉積傳感器，其中，所述傳熱表面的第一部分由薄金屬層覆蓋，而所述傳熱表面的其餘部分由熱通量傳感器和薄金屬層覆蓋，以及其中，探頭的兩部分的所述薄金屬層被連接。
2.一種用於測量沉積速率的系統，包括a)具有傳熱表面的探頭，其中，所述傳熱表面的第一部分由薄金屬層覆蓋，而所述傳熱表面的其餘部分由熱通量傳感器和薄金屬層覆蓋，以及其中，探頭的兩部分的所述薄金屬層被連接；b)ー個熱源；以及c)ー個水源。
3.根據權利要求2所述的系統，其特徵在幹，所述系統進ー步包括，a)使水從接觸所述探頭的所述傳熱表面的所述第一部分的小橫截面區域流到接觸所述探頭的所述其餘部分的大橫截面區域，並且測量所述熱源的溫度(Th)和所述水源的溫度(Tw)，以及通過所述大橫截面區域的熱通量(F》；以及b)將所述沉積速率作為根據公式(Th-Tw)/F2所表達的傳熱阻的變化速率來進行計算。
4.根據權利要求2所述的系統，其特徵在幹，所述系統包括兩個探頭。
5.根據權利要求4所述的系統，其特徵在幹，一個探頭具有低功率供應熱源，而另ー個探頭具有高功率供應熱源。
6.根據權利要求4所述的系統，其特徵在於，將所述沉積速率作為根據公式(Th_h-Tw_ h) /F2_h- (Th_l-Tw_l) /F2_l的傳熱阻差的變化速率來進行計算。
7.ー種包括具有傳熱表面的探頭的沉積傳感器，其中，整個所述傳熱表面由熱通量傳感器和薄金屬層覆蓋。
8.一種用於測量沉積速率的系統，包括a)具有傳熱表面的探頭，其中，整個所述傳熱表面由熱通量傳感器和薄金屬層覆蓋；b)ー個熱源；以及c)ー個水源。
9.根據權利要求8所述的系統，其特徵在幹，所述系統進ー步包括，a)使水沿著所述探頭的長度自小橫截面區域流到較大橫截面區域，以及測量所述熱源的溫度(Th)和所述水源的溫度(Tw)，以及熱通量(F)，以及b)將所述沉積速率作為根據公式(Th-Tw)/F的傳熱阻的變化速率來進行計算。
10.根據權利要求8所述的系統，其特徵在幹，所述系統包括兩個探頭。
11.根據權利要求10所述的系統，其特徵在幹，一個探頭具有低功率供應熱源，另ー個探頭具有高功率供應熱源。
12.根據權利要求11所述的系統，其特徵在於，將所述沉積速率作為根據公式(Th_ h-Tw_h) /F_h- (Th_l-Tw_l) /F_l的傳熱阻差的變化速率來進行計算。
全文摘要
公開了一種系統和方法，其中使用傳熱阻差來有效且高效地檢測在工業流體工藝和流體運送設備中的沉積物聚積的早期開端。根據一個實施例，連同熱源、水源和探頭一起提供探頭。該探頭由傳熱表面組成，該傳熱表面的第一部分僅由薄金屬層覆蓋。傳熱表面的第二部分或其餘部分由熱通量傳感器和薄金屬層覆蓋。探頭的第一區域和第二區域兩者的金屬層被連接，而且水流動跨過全部傳熱表面。由於水流慢且水溫升高，在傳熱表面的一部分上形成沉積。測量熱源、水源的溫度以及熱通量。將沉積速率作為傳熱阻的變化速率來進行測量。
文檔編號G01N17/00GK102597742SQ201080049818
公開日2012年7月18日 申請日期2010年10月1日 優先權日2009年10月27日
發明者C·肖, 萬朝陽 申請人:通用電氣公司