[发明专利]在流体处理应用中确定表面上的水垢厚度的装置和方法

说明书

提供用于确定暴露于液体介质的表面上的累积水垢的厚度的装置和方法。更具体地，其为用于确定水处理应用中的冷表面或热表面上的水垢(诸如，钙垢或镁垢以及碳酸盐垢、草酸盐垢、硫酸盐垢或磷酸盐垢)的可比累积的方法。

本申请要求2016年9月15日提交的美国临时申请号62/394,888的权益，该美国临时申请的全部内容在此以引用方式并入。

背景技术

本发明提供了一种用于确定暴露于液体介质的表面上的累积水垢(scale)的厚度的方法。更具体地，本发明涉及通过使用超声波信号来确定工业水处理应用(例如冷却塔、热交换器和蒸发设备，诸如那些在工业市场和受管制市场中发现的设备)中的加热或未加热表面上水垢(诸如，钙垢或镁垢以及碳酸盐垢、草酸盐垢、硫酸盐垢或磷酸盐垢)的可比累积。

结垢形成主要是由于在处理的过饱和条件下存在的水性体系中存在溶解的无机盐。当在热传递设备(诸如热交换器，冷凝器，蒸发器，冷却塔，锅炉和管道壁)中加热或冷却液体(往往是水)时，形成了盐。温度或pH的变化通过界面处不希望的固体材料的累积而导致结垢(scaling)和生垢(fouling)。在加热表面上累积水垢会导致传热系数随时间下降，并且将最终在严重生垢的情况下导致生产率无法得到满足。最终，唯一的选择往往是停止处理并执行清除。这需要停止生产以及使用昂贵的螯合剂或腐蚀性酸。由于生垢造成的经济损失是所有涉及热传递设备的行业中最大的问题之一。结垢是导致设备故障、生产损失、昂贵的维修、更高的运营成本和维护停工的原因。水垢可导致非热传递问题，包括阀门或旋转设备堵塞，由于水垢磨损导致的密合间隙表面磨损，由于与水垢相关的生物活动导致的腐蚀等。

在一些用于测量没有热传递的处理中的水垢累积的当前方法中，将电阻温度检测器(RTD)安装在还含有超声波发射器-接收器的探头内。使用RTD来测量大致在进行超声波厚度测量的点和时间处的整体水温。然后，使用内部算法(即，数学模型)来校正由于体积或处理液体温度变化而导致的通过水或其它液体介质的声速的变化。然而，对超声波速度与温度的该估计可能不够精确并且仅仅是部分校正，因为液体介质的变化(诸如盐度的变化)可影响液体介质密度并因此影响声波通过液体介质的速度。在整个申请中，处理液体和处理流体可互换使用。处理流体和处理液体在下文中还指工业流体和工业液体。

目前使用的超声波测量方法未考虑由盐度变化引起的液体密度差异，从而导致错误的水垢厚度指示。一些较新的超声波水垢测量装置测量温度和电导率作为超声波速度的预测因子，但是包含温度和电导率的最佳可用的水中超声波速度模型对于良好的超声波水垢厚度测量而言不够精确。该装置的一种流行的建议应用是关于工业冷却塔或自结垢处理，在所述工业冷却塔或自结垢处理中预期电导率或密度或盐组成具有大变化。在自结垢环境中，根据定义，形成水垢的盐的浓度处于或高于其溶解度极限。在这种情况下，水密度以及由此超声波速度受到电导率(盐浓度的替代性测量)和盐度性质(在相等ppm时，不同离子物质在不同程度上影响电导率)，以及温度效应的影响。

美国专利申请号4,872,347涉及一种用于对热传递管进行水垢厚度测量的自动超声波检查系统。然而，该方法涉及适于放入圆柱形集管中的插入管，并且包括管移动装置、水泵、缆线、超声波探头和超声波检查单元。

由Labreck、Kass和Nelligan发表于ECNDT 2006-Mo.2.8.3中的文章“对蒸汽锅炉管中的内部氧化皮的超声波厚度测量(Ultrasonic Thickness Measurement of InternalOxide Scale in Steam Boiler Tubes)”；论述了使用超声波技术测量蒸汽锅炉管中的内部氧化皮(oxide scale)的厚度。然而，该方法使用示波器作为测量超声波或声学信号的手段，并且具有有限的灵敏度。最小可检测的水垢厚度为125μm至250μm，其将导致冷却水应用中的热传递极端减少。本发明能够检测小于2-3μm厚的水垢。