專(zhuān)利名稱(chēng)：基于傳熱阻差的沉積傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及監(jiān)測(cè)エ業(yè)系統(tǒng)中的礦物沉積和生物膜沉積。更具體而言，本發(fā)明涉及用于監(jiān)測(cè)和測(cè)量在エ業(yè)流體處理系統(tǒng)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(shù)：
エ業(yè)流體エ藝中的化學(xué)沉積和/或生物沉積會(huì)不利地影響處理效率，而且可不利地影響制造エ藝，包括運(yùn)行停機(jī)時(shí)間，以及甚至潛在地包括エ廠停エ。在本領(lǐng)域內(nèi)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(huì)降低臨界傳熱效率，減小流速，以及可潛在地導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞和裂紋的形成。另外，エ業(yè)用水熱交換器性能的保持對(duì)于公用發(fā)電廠尤其是核電廠來(lái)說(shuō)是安全問(wèn)題。已經(jīng)通過(guò)測(cè)量跨過(guò)傳熱表面的溫差或通過(guò)經(jīng)由電化學(xué)、光學(xué)、光譜或聲學(xué)方法來(lái)測(cè)量浸在流體中的清潔表面上的沉積所導(dǎo)致的物理和化學(xué)變化，來(lái)監(jiān)測(cè)在エ業(yè)流體エ藝中的礦物和/或生物沉積物的開(kāi)端?；跍囟葴y(cè)量的若干監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是已知的，并且特別是在熱交換器和冷卻塔中已經(jīng)被用來(lái)監(jiān)測(cè)礦物沉積和生物膜沉積。容易在這些系統(tǒng)中的許多系統(tǒng)中設(shè)立傳熱表面，并且易于操作該傳熱表面。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(guān)。但是，基于溫度測(cè)量的沉積物監(jiān)測(cè)會(huì)受エ藝變化的影響，例如エ藝溫度、流速和環(huán)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(yīng)的變化可導(dǎo)致有誤差?？上У氖?，由于エ藝變量的影響，許多可商購(gòu)獲得的沉積物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都缺乏檢測(cè)沉積物聚積的早期開(kāi)端所需的靈敏度。因此，迄今為止難以實(shí)現(xiàn)以成本有效的方式檢測(cè)沉積物聚積的早期開(kāi)端。用來(lái)測(cè)量沉積所導(dǎo)致的物理和化學(xué)變化的方法包括光透射率、熒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(shù)會(huì)影響測(cè)量，而且不可輕易地結(jié)合傳熱表面。在美國(guó)專(zhuān)利4，326，164中，提供了一種用于監(jiān)測(cè)腐蝕介質(zhì)所導(dǎo)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(lèi)似于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(gè)元件呈長(zhǎng)方形棱鏡的形狀，第二元件的厚度大于第一元件的厚度。美國(guó)專(zhuān)利7，077，563公開(kāi)和聲明了一種用于測(cè)量熱通量差的方法，其包括以下步驟(a)提供傳熱基準(zhǔn)表面；(b)提供傳熱結(jié)垢表面；(c)提供能夠在基準(zhǔn)表面和結(jié)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(duì)，ー個(gè)傳感器連接到基準(zhǔn)表面上，而另ー個(gè)傳感器則連接到結(jié)垢表面上；(e)直接從各個(gè)傳感器中測(cè)量熱通量值，而不需要測(cè)量傳感器之間溫差；(f)根據(jù)熱通量值來(lái)計(jì)算跨過(guò)傳熱路徑的熱通量差數(shù)據(jù)；(g)利用熱通量差數(shù)據(jù)來(lái)檢測(cè)和量化結(jié)垢表面處的沉積物聚積；以及其中，在基準(zhǔn)表面和結(jié)垢表面兩者處的熱通量值響應(yīng)于結(jié)垢表面處的沉積物聚積而改變。以上設(shè)備和方法的缺點(diǎn)在于難以在與傳熱表面相同的流體中建立清潔的傳熱表面來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。要克服的另ー個(gè)問(wèn)題在于，熱通量差測(cè)量會(huì)受流率變化的影響。例如，在活性檢測(cè)表面或“使用中的”檢測(cè)表面上的抗結(jié)垢性為5，而清潔基準(zhǔn)表面為0。兩個(gè)表面的流對(duì)
3流性傳熱阻為5?；钚詸z測(cè)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(duì)流性傳熱阻由于流率増大而從5改變到1，以及檢測(cè)表面的總傳熱阻為6，而清潔表面的總傳熱阻為1，則導(dǎo)致它們的比為6 1。在兩個(gè)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?yàn)榻Y(jié)垢的原因。因此，存在對(duì)用于監(jiān)測(cè)和測(cè)量在エ業(yè)流體エ藝和流體運(yùn)送容器中的沉積物聚積的、不會(huì)受到流率的不利影響的改進(jìn)的系統(tǒng)的需要。具有這樣的快速、準(zhǔn)確且成本有效的系統(tǒng)是合乎需要的該系統(tǒng)能夠檢測(cè)和測(cè)量化學(xué)沉積和/生物沉積的早期開(kāi)端，而對(duì)エ藝變化(例如エ藝溫度、流速和環(huán)境溫度的變化)較不敏感。發(fā)明概述公開(kāi)了ー種系統(tǒng)和方法，其中使用傳熱阻差來(lái)有效和高效地檢測(cè)在エ業(yè)流體エ藝和流體運(yùn)送設(shè)備中的沉積物聚積的早期開(kāi)端。根據(jù)ー個(gè)實(shí)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余部分由熱通量傳感器和薄金屬層覆蓋。探頭的第一區(qū)域和第二區(qū)域兩者的金屬層被連接，而且水流動(dòng)跨過(guò)全部傳熱表面。由于水流慢和水溫升高，在傳熱表面的一部分上形成沉積。測(cè)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(lái)進(jìn)行測(cè)量。另ー個(gè)實(shí)施例提供了ー種包括兩個(gè)探頭的系統(tǒng)，其中，各個(gè)探頭由傳熱表面組成， 各個(gè)探頭的第一部分僅由薄金屬層覆蓋，而各個(gè)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(gè)探頭具有低功率供應(yīng)熱源，另ー個(gè)探頭具有高功率供應(yīng)熱源。在這個(gè)實(shí)施例中，可將沉積速率作為傳熱阻差的變化速率來(lái)進(jìn)行計(jì)算。另ー個(gè)實(shí)施例提供了 ー種包括探頭、一個(gè)熱源和ー個(gè)水源的系統(tǒng)。在這個(gè)實(shí)施例中，探頭由傳熱表面組成，其中，整個(gè)傳熱表面都由熱通量傳感器和薄金屬層覆蓋。水流動(dòng)跨過(guò)傳熱表面，并且測(cè)量熱源、水源的溫度以及熱通量。此后，將沉積速率作為傳熱阻的變化速率來(lái)進(jìn)行計(jì)算。一個(gè)實(shí)施例提供了ー種包括兩個(gè)探頭的系統(tǒng)，其中，兩個(gè)探頭的整個(gè)傳熱表面由熱通量傳感器和薄金屬層覆蓋，其中，一個(gè)探頭包括低功率供應(yīng)熱源，而另ー個(gè)探頭則包括高功率供應(yīng)熱源。在這個(gè)實(shí)施例中，將沉積速率作為傳熱阻差的變化速率來(lái)進(jìn)行計(jì)算。在結(jié)合到本公開(kāi)中且形成本公開(kāi)的一部分的權(quán)利要求中特別地指出了表現(xiàn)本發(fā)明的特征的各種有新穎性的特征。為了更好地理解本發(fā)明、通過(guò)使用本發(fā)明所獲得的本發(fā)明的運(yùn)行優(yōu)點(diǎn)和益處，對(duì)附圖和描述性內(nèi)容進(jìn)行了參照。附圖意圖顯示本發(fā)明的許多形式的實(shí)例。附圖不意圖顯示對(duì)可制造和使用本發(fā)明的所有方式的限制。當(dāng)然可對(duì)本發(fā)明的各種構(gòu)件作出改變和替代。本發(fā)明也在于所描述的元件的子組合和子系統(tǒng)中，及其使用方法。附圖簡(jiǎn)述

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的沉積傳感器系統(tǒng)的透視圖。圖2是在其中水流過(guò)大橫截面區(qū)域的傳熱表面處形成的沉積的圖示。圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的沉積探頭的兩種設(shè)計(jì)。圖4是表明了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)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(lián)的根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的沉積探頭和可商購(gòu)獲得的沉積聚積測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)果。
發(fā)明詳述単數(shù)形式“ー個(gè)”、“ー種”和“該”包括復(fù)數(shù)個(gè)所指對(duì)象，除非上下文明確地另有規(guī)疋。與數(shù)量結(jié)合起來(lái)使用的修飾語(yǔ)“大約”包括本數(shù)，并且具有上下文所規(guī)定的含義 (例如包括與特定量的測(cè)量相關(guān)聯(lián)的誤差度)?！翱蛇x的”或“可選地”表示隨后描述的情況或情形可能出現(xiàn)或可能不出現(xiàn)，或者隨后標(biāo)識(shí)的材料可能存在或可能不存在，并且描述包括其中該情況或情形出現(xiàn)或其中該材料存在的場(chǎng)合，以及其中該情況或情形不出現(xiàn)或其中該材料不存在的場(chǎng)合。公開(kāi)了這樣的系統(tǒng)和方法，S卩，其中在エ業(yè)流體エ藝和流體運(yùn)送設(shè)備中使用傳熱阻差來(lái)有效且高效地檢測(cè)礦物沉積和/或生物沉積物聚積的早期開(kāi)端。當(dāng)沉積物開(kāi)始在流體或被檢查的容器的內(nèi)部聚積吋，會(huì)出現(xiàn)傳熱阻的變化。由于沉積物聚積會(huì)導(dǎo)致有關(guān)傳熱表面的傳熱阻有變化，所以通過(guò)測(cè)量在相應(yīng)的傳熱表面之間出現(xiàn)的傳熱阻的不同變化來(lái)檢測(cè)沉積物聚積的開(kāi)端是可行的。根據(jù)ー個(gè)實(shí)施例，連同熱源、水源和探頭一起提供探頭。在這個(gè)實(shí)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余部分由熱通量傳感器和薄金屬層覆蓋。兩個(gè)區(qū)域的金屬層被連接，而且水流動(dòng)跨過(guò)全部的傳熱表面。如通過(guò)圖1中的探頭100的實(shí)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(guò)整個(gè)探頭而被連接。水自小橫截面區(qū)域150流動(dòng)跨過(guò)探頭，在小橫截面區(qū)域150中，水接觸探頭100的第一部分的區(qū)域，其中，傳熱表面110由薄金屬層120覆蓋，而且水繼續(xù)流到較大橫截面區(qū)域160，在較大橫截面區(qū)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。由于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(qū)段上形成沉積。為了確定沉積的形成，測(cè)量熱源的溫度(Th)和水源的溫度(Tw)以及通過(guò)熱通量傳感器130的熱通量(F》。然后可將沉積速率作為表達(dá)為(Th-Tw)/F2的傳熱阻的變化速率來(lái)進(jìn)行計(jì)算。在另ー個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)由兩個(gè)探頭組成，其中一個(gè)探頭具有低功率供應(yīng)熱源，另一個(gè)探頭具有高功率供應(yīng)熱源。在這個(gè)實(shí)施例中，能夠?qū)⒊练e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(lái)進(jìn)行計(jì)算。一個(gè)備選實(shí)施例包括探頭、一個(gè)熱源和ー個(gè)水源。在這個(gè)實(shí)施例中，探頭的整個(gè)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(guò)傳熱表面的長(zhǎng)度是一致的。 水沿著探頭的長(zhǎng)度自小橫截面區(qū)域流到大橫截面區(qū)域。獲得熱源的溫度測(cè)量值(Th)和水源的溫度測(cè)量值(Tw)以及熱通量(F)。然后可將沉積速率作為表達(dá)為(Th-Tw)/F的傳熱阻的變化速率來(lái)進(jìn)行計(jì)算。在另ー個(gè)實(shí)施例中，裝置由兩個(gè)探頭組成，其中一個(gè)探頭具有低功率供應(yīng)熱源，另一個(gè)探頭具有高功率供應(yīng)熱源。在這個(gè)實(shí)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(lái)進(jìn)行計(jì)算。圖2是在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)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(guò)大橫截面區(qū)域時(shí)發(fā)生沉積。至于圖3，它是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的沉積探頭的兩種設(shè)計(jì)的表示。探頭310顯示了其中熱通量傳感器320覆蓋傳熱區(qū)域的第一部分或一半的一個(gè)實(shí)施例。作為本發(fā)明的ー個(gè)備選實(shí)施例，在圖3的右所描繪的探頭320 是覆蓋整個(gè)傳熱區(qū)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(康涅狄格的斯坦福徳)。傳感器產(chǎn)生指示在傳熱表面處測(cè)得的熱通量的變化的電信號(hào)。傳感器可連接到信號(hào)處理單元和顯示器上，以處理傳感器所產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。另外，可用來(lái)引入傳熱表面的熱源包括 (但不限于)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于消除エ藝變化(例如エ藝溫度、流速和環(huán)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(guò)僅僅用人的手指進(jìn)行觸摸而影響環(huán)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(huì)導(dǎo)致傳熱阻(R)増加12%。剝?nèi)ヌ筋^表面上的積垢(tap)會(huì)使傳熱阻減小12%。顯示了本發(fā)明具有優(yōu)于目前在現(xiàn)有技術(shù)中可用的提高的性能。圖5展示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的沉積探頭與可商購(gòu)獲得的沉積聚積測(cè)試系統(tǒng)(DATS)的結(jié)果。以串聯(lián)結(jié)合的方式將兩個(gè)系統(tǒng)放在同一冷卻塔架支流中?？汕宄乜吹?，與DATS相比，根據(jù)本發(fā)明的結(jié)垢探頭更靈敏，并且顯示了更高的響應(yīng)性。雖然已經(jīng)參照優(yōu)選實(shí)施例來(lái)描述了本發(fā)明，但是與本發(fā)明有關(guān)的領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可對(duì)這些實(shí)施例作出多種改變或替代，而不偏離本發(fā)明的技術(shù)范圍。因此，本發(fā)明的技術(shù)范圍不僅包括上面描述的那些實(shí)施例，而且還包括落在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
權(quán)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余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。
2.一種用于測(cè)量沉積速率的系統(tǒng)，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余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(gè)熱源；以及c)ー個(gè)水源。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在干，所述系統(tǒng)進(jìn)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(qū)域流到接觸所述探頭的所述其余部分的大橫截面區(qū)域，并且測(cè)量所述熱源的溫度(Th)和所述水源的溫度(Tw)，以及通過(guò)所述大橫截面區(qū)域的熱通量(F》；以及b)將所述沉積速率作為根據(jù)公式(Th-Tw)/F2所表達(dá)的傳熱阻的變化速率來(lái)進(jìn)行計(jì)算。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在干，所述系統(tǒng)包括兩個(gè)探頭。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在干，一個(gè)探頭具有低功率供應(yīng)熱源，而另ー個(gè)探頭具有高功率供應(yīng)熱源。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，將所述沉積速率作為根據(jù)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(lái)進(jìn)行計(jì)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(gè)所述傳熱表面由熱通量傳感器和薄金屬層覆蓋。
8.一種用于測(cè)量沉積速率的系統(tǒng)，包括a)具有傳熱表面的探頭，其中，整個(gè)所述傳熱表面由熱通量傳感器和薄金屬層覆蓋；b)ー個(gè)熱源；以及c)ー個(gè)水源。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在干，所述系統(tǒng)進(jìn)ー步包括，a)使水沿著所述探頭的長(zhǎng)度自小橫截面區(qū)域流到較大橫截面區(qū)域，以及測(cè)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(jù)公式(Th-Tw)/F的傳熱阻的變化速率來(lái)進(jìn)行計(jì)算。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在干，所述系統(tǒng)包括兩個(gè)探頭。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在干，一個(gè)探頭具有低功率供應(yīng)熱源，另ー個(gè)探頭具有高功率供應(yīng)熱源。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，將所述沉積速率作為根據(jù)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(lái)進(jìn)行計(jì)算。
全文摘要
公開(kāi)了一種系統(tǒng)和方法，其中使用傳熱阻差來(lái)有效且高效地檢測(cè)在工業(yè)流體工藝和流體運(yùn)送設(shè)備中的沉積物聚積的早期開(kāi)端。根據(jù)一個(gè)實(shí)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余部分由熱通量傳感器和薄金屬層覆蓋。探頭的第一區(qū)域和第二區(qū)域兩者的金屬層被連接，而且水流動(dòng)跨過(guò)全部傳熱表面。由于水流慢且水溫升高，在傳熱表面的一部分上形成沉積。測(cè)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(lái)進(jìn)行測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N17/00GK102597742SQ201080049818
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2010年10月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月27日
發(fā)明者C·肖, 萬(wàn)朝陽(yáng) 申請(qǐng)人:通用電氣公司