[发明专利]基于传热阻差的沉积传感器

说明书

发明领域

本发明涉及监测工业系统中的矿物沉积和生物膜沉积。更具体而言，本发明涉及用于监测和测量在工业流体处理系统中的装备上的矿物沉积和生物膜沉积的器件和方法。

发明背景

工业流体工艺中的化学沉积和/或生物沉积会不利地影响处理效率，而且可不利地影响制造工艺，包括运行停机时间，以及甚至潜在地包括工厂停工。在本领域内要理解，冷却塔、热交换器和其它流体处理容器中的矿物沉积和/或生物膜沉积会降低临界传热效率，减小流速，以及可潜在地导致结构疲劳和裂纹的形成。另外，工业用水热交换器性能的保持对于公用发电厂尤其是核电厂来说是安全问题。

已经通过测量跨过传热表面的温差或通过经由电化学、光学、光谱或声学方法来测量浸在流体中的清洁表面上的沉积所导致的物理和化学变化，来监测在工业流体工艺中的矿物和/或生物沉积物的开端。基于温度测量的若干监测系统是已知的，并且特别是在热交换器和冷却塔中已经被用来监测矿物沉积和生物膜沉积。容易在这些系统中的许多系统中设立传热表面，并且易于操作该传热表面。为模拟传热表面提供了传热阻值，传热阻值可与例如热交换器的整体传热效率相关。但是，基于温度测量的沉积物监测会受工艺变化的影响，例如工艺温度、流速和环境温度的变化。例如，在支流热通量模拟器中的电加热器的功率供应的变化可导致有误差。可惜的是，由于工艺变量的影响，许多可商购获得的沉积物监测系统都缺乏检测沉积物聚积的早期开端所需的灵敏度。因此，迄今为止难以实现以成本有效的方式检测沉积物聚积的早期开端。

用来测量沉积所导致的物理和化学变化的方法包括光透射率、荧光性和石英晶体微量天平。这些方法的灵敏度通常是高的。但是，这些方法需要较昂贵的仪器。变化和工艺参数会影响测量，而且不可轻易地结合传热表面。

在美国专利4,326,164中，提供了一种用于监测腐蚀介质所导致的腐蚀的探头。该探头包括第一可腐蚀的电阻元件、具有类似于第一元件的耐温特性的耐温特性的第二可腐蚀的电阻元件，各个元件呈长方形棱镜的形状，第二元件的厚度大于第一元件的厚度。

美国专利7,077,563公开和声明了一种用于测量热通量差的方法，其包括以下步骤：(a)提供传热基准表面；(b)提供传热结垢表面；(c)提供能够在基准表面和结垢表面之间传递热通量的传热路径；(d)提供热通量传感器对，一个传感器连接到基准表面上，而另一个传感器则连接到结垢表面上；(e)直接从各个传感器中测量热通量值，而不需要测量传感器之间温差；(f)根据热通量值来计算跨过传热路径的热通量差数据；(g)利用热通量差数据来检测和量化结垢表面处的沉积物聚积；以及其中，在基准表面和结垢表面两者处的热通量值响应于结垢表面处的沉积物聚积而改变。

以上设备和方法的缺点在于难以在与传热表面相同的流体中建立清洁的传热表面来进行检测。

要克服的另一个问题在于，热通量差测量会受流率变化的影响。例如，在活性检测表面或“使用中的”检测表面上的抗结垢性为5，而清洁基准表面为0。两个表面的流对流性传热阻为5。活性检测表面的总传热阻为10，而清洁表面的总传热阻为5，它们的比为2∶1。如果对流性传热阻由于流率增大而从5改变到1，以及检测表面的总传热阻为6，而清洁表面的总传热阻为1，则导致它们的比为6∶1。在两个表面之间的总传热阻比改变的情况下，热通量差将改变，但不是因为结垢的原因。

因此，存在对用于监测和测量在工业流体工艺和流体运送容器中的沉积物聚积的、不会受到流率的不利影响的改进的系统的需要。具有这样的快速、准确且成本有效的系统是合乎需要的：该系统能够检测和测量化学沉积和/生物沉积的早期开端，而对工艺变化(例如工艺温度、流速和环境温度的变化)较不敏感。

发明概述

公开了一种系统和方法，其中使用传热阻差来有效和高效地检测在工业流体工艺和流体运送设备中的沉积物聚积的早期开端。

根据一个实施例，连同热源、水源和探头一起提供一种探头。该探头包括传热表面，传热表面的第一部分仅由薄金属层覆盖。传热表面的第二部分或其余部分由热通量传感器和薄金属层覆盖。探头的第一区域和第二区域两者的金属层被连接，而且水流动跨过全部传热表面。由于水流慢和水温升高，在传热表面的一部分上形成沉积。测量热源、水源的温度以及热通量。将沉积速率作为传热阻的变化速率来进行测量。