专利名称：基于传热阻差的沉积传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及监测エ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測量在エ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。
背景技术：
エ业流体エ艺中的化学沉积和/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エ艺，包括运行停机时间，以及甚至潜在地包括エ厂停エ。在本领域内要理解， 冷却塔、热交換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，エ业用水热交換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、光谱或声学方法来測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，来监测在エ业流体エ艺中的矿物和/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，并且特别是在热交換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換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エ艺变化的影响，例如エ艺温度、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，由于エ艺变量的影响，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。变化和エ 艺參数会影响测量，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，ー个传感器连接到基准表面上，而另ー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測。要克服的另ー个问题在于，热通量差測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
3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増大而从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，存在对用于监测和測量在エ业流体エ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測量化学沉积和/生物沉积的早期开端，而对エ艺变化(例如エ艺温度、流速和环境温度的变化)较不敏感。发明概述公开了ー种系统和方法，其中使用传热阻差来有效和高效地检测在エ业流体エ艺和流体运送设备中的沉积物聚积的早期开端。根据ー个实施例，连同热源、水源和探头一起提供ー种探头。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。另ー个实施例提供了ー种包括两个探头的系统，其中，各个探头由传热表面組成， 各个探头的第一部分仅由薄金属层覆盖，而各个探头的传热表面的第二部分由热通量传感器和薄金属层覆盖，以及另外，其中，一个探头具有低功率供应热源，另ー个探头具有高功率供应热源。在这个实施例中，可将沉积速率作为传热阻差的变化速率来进行计算。另ー个实施例提供了 ー种包括探头、一个热源和ー个水源的系统。在这个实施例中，探头由传热表面組成，其中，整个传热表面都由热通量传感器和薄金属层覆盖。水流动跨过传热表面，并且测量热源、水源的温度以及热通量。此后，将沉积速率作为传热阻的变化速率来进行计算。一个实施例提供了ー种包括两个探头的系统，其中，两个探头的整个传热表面由热通量传感器和薄金属层覆盖，其中，一个探头包括低功率供应热源，而另ー个探头则包括高功率供应热源。在这个实施例中，将沉积速率作为传热阻差的变化速率来进行计算。在结合到本公开中且形成本公开的一部分的权利要求中特別地指出了表现本发明的特征的各种有新颖性的特征。为了更好地理解本发明、通过使用本发明所获得的本发明的运行优点和益处，对附图和描述性内容进行了參照。附图意图显示本发明的许多形式的实例。附图不意图显示对可制造和使用本发明的所有方式的限制。当然可对本发明的各种构件作出改变和替代。本发明也在于所描述的元件的子組合和子系统中，及其使用方法。附图简述
图1是根据本发明的一个实施例的沉积传感器系统的透视图。图2是在其中水流过大横截面区域的传热表面处形成的沉积的图示。图3是根据本发明的实施例的沉积探头的两种设计。图4是表明了根据本发明的一个实施例的探头的灵敏度的曲线图。图5显示了在同一冷却塔支流中串联的根据本发明的一个实施例的沉积探头和可商购获得的沉积聚积测试系统的結果。
发明详述単数形式“ー个”、“ー种”和“该”包括复数个所指对象，除非上下文明确地另有规疋。与数量结合起来使用的修饰语“大约”包括本数，并且具有上下文所规定的含义 (例如包括与特定量的測量相关联的误差度)。“可选的”或“可选地”表示随后描述的情况或情形可能出现或可能不出现，或者随后标识的材料可能存在或可能不存在，并且描述包括其中该情况或情形出现或其中该材料存在的场合，以及其中该情况或情形不出现或其中该材料不存在的场合。公开了这样的系统和方法，S卩，其中在エ业流体エ艺和流体运送设备中使用传热阻差来有效且高效地检测矿物沉积和/或生物沉积物聚积的早期开端。当沉积物开始在流体或被检查的容器的内部聚积吋，会出现传热阻的变化。由于沉积物聚积会导致有关传热表面的传热阻有变化，所以通过测量在相应的传热表面之间出现的传热阻的不同变化来检测沉积物聚积的开端是可行的。根据ー个实施例，连同热源、水源和探头一起提供探头。在这个实施例中，探头由传热表面組成，该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。两个区域的金属层被连接，而且水流动跨过全部的传热表面。如通过图1中的探头100的实例所看到的那样，传热表面110的第一部分仅由薄金属层120覆盖，传热表面110的第二部分由热通量传感器130和薄金属层120覆盖。薄金属层120跨过整个探头而被连接。水自小横截面区域150流动跨过探头，在小横截面区域150中，水接触探头100的第一部分的区域，其中，传热表面110由薄金属层120覆盖，而且水继续流到较大横截面区域160，在较大横截面区域160中，水接触由热通量传感器130 和薄金属层120覆盖的探头的传热表面110。由于水流慢和水温升高的原因，在由热通量传感器130和薄金属层120覆盖的探头100的区段上形成沉积。为了确定沉积的形成，测量热源的温度(Th)和水源的温度(Tw)以及通过热通量传感器130的热通量(F》。然后可将沉积速率作为表达为(Th-Tw)/F2的传热阻的变化速率来进行计算。在另ー个实施例中，系统由两个探头組成，其中一个探头具有低功率供应热源，另一个探头具有高功率供应热源。在这个实施例中，能够将沉积速率作为传热阻差(Th_h_Tw_ h) /F2_h- (Th_l-Tw_l) /F2_l的变化速率来进行计算。一个备选实施例包括探头、一个热源和ー个水源。在这个实施例中，探头的整个传热表面由热通量传感器和薄金属层覆盖，使得探头的表面跨过传热表面的长度是一致的。 水沿着探头的长度自小横截面区域流到大横截面区域。获得热源的温度测量值(Th)和水源的温度测量值(Tw)以及热通量(F)。然后可将沉积速率作为表达为(Th-Tw)/F的传热阻的变化速率来进行计算。在另ー个实施例中，装置由两个探头组成，其中一个探头具有低功率供应热源，另一个探头具有高功率供应热源。在这个实施例中，可将沉积速率作为传热阻差(Th_h_Tw_ h) /F_h- (Th_l-Tw_l) /F_l的变化速率来进行计算。图2是在根据本发明的一个实施例的探头的传热表面上形成的沉积的图示。如所显示的那样，在水流过大横截面区域时发生沉积。至于图3，它是根据本发明的一个实施例的沉积探头的两种设计的表示。探头310显示了其中热通量传感器320覆盖传热区域的第一部分或一半的一个实施例。作为本发明的ー个备选实施例，在图3的右所描绘的探头320 是覆盖整个传热区域的热通量传感器340的描绘。热通量传感器可得自许多源，例如欧米茄工程公司(康涅狄格的斯坦福徳)。传感器产生指示在传热表面处测得的热通量的变化的电信号。传感器可连接到信号处理单元和显示器上，以处理传感器所产生的对应的电信号。另外，可用来引入传热表面的热源包括 (但不限于)电热、声辐射热或电磁辐射热，以及传送热的エ艺流体。使用传热阻差的原因在于消除エ艺变化(例如エ艺温度、流速和环境温度的变化)的影响，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。如由图 4 显示的那样，通过仅仅用人的手指进行触摸而影响环境温度。如图4中以图表的方式展示的那样，毎次手指触摸探头传热表面吋，温度増加4F且热通量减小4mV，这会导致传热阻(R)増加12%。剥去探头表面上的积垢(tap)会使传热阻减小12%。显示了本发明具有优于目前在现有技术中可用的提高的性能。图5展示了根据本发明的一个实施例的沉积探头与可商购获得的沉积聚积测试系统(DATS)的結果。以串联结合的方式将两个系统放在同一冷却塔架支流中。可清楚地看到，与DATS相比，根据本发明的结垢探头更灵敏，并且显示了更高的响应性。虽然已经參照优选实施例来描述了本发明，但是与本发明有关的领域的普通技术人员可对这些实施例作出多种改变或替代，而不偏离本发明的技术范围。因此，本发明的技术范围不仅包括上面描述的那些实施例，而且还包括落在所附权利要求的范围内的所有实施例。
权利要求
1.ー种包括具有传热表面的探头的沉积传感器，其中，所述传热表面的第一部分由薄金属层覆盖，而所述传热表面的其余部分由热通量传感器和薄金属层覆盖，以及其中，探头的两部分的所述薄金属层被连接。
2.一种用于測量沉积速率的系统，包括a)具有传热表面的探头，其中，所述传热表面的第一部分由薄金属层覆盖，而所述传热表面的其余部分由热通量传感器和薄金属层覆盖，以及其中，探头的两部分的所述薄金属层被连接；b)ー个热源；以及c)ー个水源。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在干，所述系统进ー步包括，a)使水从接触所述探头的所述传热表面的所述第一部分的小横截面区域流到接触所述探头的所述其余部分的大横截面区域，并且测量所述热源的温度(Th)和所述水源的温度(Tw)，以及通过所述大横截面区域的热通量(F》；以及b)将所述沉积速率作为根据公式(Th-Tw)/F2所表达的传热阻的变化速率来进行计算。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在干，所述系统包括两个探头。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在干，一个探头具有低功率供应热源，而另ー个探头具有高功率供应热源。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，将所述沉积速率作为根据公式(Th_h-Tw_ h) /F2_h- (Th_l-Tw_l) /F2_l的传热阻差的变化速率来进行计算。
7.ー种包括具有传热表面的探头的沉积传感器，其中，整个所述传热表面由热通量传感器和薄金属层覆盖。
8.一种用于測量沉积速率的系统，包括a)具有传热表面的探头，其中，整个所述传热表面由热通量传感器和薄金属层覆盖；b)ー个热源；以及c)ー个水源。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在干，所述系统进ー步包括，a)使水沿着所述探头的长度自小横截面区域流到较大横截面区域，以及测量所述热源的温度(Th)和所述水源的温度(Tw)，以及热通量(F)，以及b)将所述沉积速率作为根据公式(Th-Tw)/F的传热阻的变化速率来进行计算。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在干，所述系统包括两个探头。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在干，一个探头具有低功率供应热源，另ー个探头具有高功率供应热源。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，将所述沉积速率作为根据公式(Th_ h-Tw_h) /F_h- (Th_l-Tw_l) /F_l的传热阻差的变化速率来进行计算。
全文摘要
公开了一种系统和方法，其中使用传热阻差来有效且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探头。该探头由传热表面组成，该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。由于水流慢且水温升高，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。
文档编号G01N17/00GK102597742SQ201080049818
公开日2012年7月18日 申请日期2010年10月1日 优先权日2009年10月27日
发明者C·肖, 万朝阳 申请人:通用电气公司