CN101246105A - 基于称重法评定材料表面阻垢性能的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于称重法评定材料表面阻垢性能的测量装置及方法，该测量装置主要包括上水箱，下水箱，实验箱，测试台，上水管，下水管，溢流管，溢流板，电源，温度温度调节装置，通过实验箱的工作介质流量调节装置，循环泵等组成；所述的上水箱通过上水管与下水箱、上水箱通过下水管和实验箱与下水箱分别构成循环系统。工作介质流经实验箱时，结垢物质会沉积在被测材料试片表面上。拆下试片用恒温电热通风干燥箱干燥后，称量试片增重，绘制试片污垢增重与时间的关系曲线图，比较污垢诱导期和渐近值来进行评定其阻垢性能。该装置可对一种材料或工作介质进行评定，也可以对多种材料和不同工作介质进行对比分析，准确率高，重复性好，评价快捷，操作简便等。

Description

基于称重法评定材料表面阻垢性能的测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种动态模拟综合评价材料表面阻垢性能的测量装置及方法，尤其涉及一种利用检测污垢沉积重量来评价换热面阻垢性能的测试方法及所用装置。

背景技术

换热表面结垢是一个无法回避的难题，由于污垢的存在使换热面的传热性能下降，流动阻力增加，使设备经济、安全性降低。因此，评价换热材料表面阻垢性能尤为重要。目前常规评价热面污垢监测的称重法常常受到材料表面制作工艺的限制，对于不同材料表面阻垢性能评价时，常规称重法是一种耗时费力的方法，存在检测时间长、操作繁琐、重复性差等缺点。

随着科技的进步，新兴换热表面材料不断出现，在户使用时，由于多种因素的影响，难以根据实际需要选择出经济适用的阻垢表面。因此，急需一种考虑全面、易操作且重复性好的表面材料阻垢性能综合评价装置及方法以满足实际生产需要。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种基于称重法评价材料表面阻垢性能的测量装置及方法。

本发明是一种基于称重法评价材料表面阻垢性能的测量方法，是通过模拟换热器实际运行工况，定时拆取实验箱中被测材料试片，然后在电热恒温鼓风箱干燥，用电子天平称量试片的污垢增重，得到阻垢材料表面。

对于析晶污垢，其诱导期是指从溶液达到过饱和时刻起到晶核长大并彼此相连，乃至覆盖了整个测试表面，形成了一极薄的结晶层，此时认为诱导期(见图6中A点以前曲线段)结束。本发明用晶核临界直径为污垢层厚度计算出单位面积上的污垢增重值，并以该值作为标准来判断污垢诱导期的结束点。污垢的增重可以通过下式计算：

Δm＝2R_cAρ(1)

式中：Δm为污垢增重值；R_c为污垢晶核临界半径；A为单位表面积；ρ为污垢层密度(取2700kg/m³)。

污垢晶核临界半径R_c可通过Gibbs-Thomson方程进行计算。

$R_c=\frac{{2\mathrm{\γ}}_{13}M}{\mathrm{RT\ρ}\ln S}---\left(2\right)$

式中：R为气体常数，8.314J·mol^-1·K^-1；T为温度，K；S为饱和比；M为CaCO₃摩尔质量，kg·mol^-1；γ₁₃为过饱和溶液与结晶新相间界面能，J·m^-2，可通过杨氏方程(3)计算：

γ₂₃＝γ₁₂+γ₁₃cosθ₁₂    (3)

式中：θ₁₂为相间接触角，γ₂₃，γ₁₂，γ₁₃为相间界面能。

对于其它类型污垢的诱导期可根据工作介质中污垢颗粒的平均直径进行计算。

而污垢渐近值则可根据实验测试结果确定，即随着实验运行时间的增加，试片上污垢增重不再发生变化，认为达到污垢渐近值(图6中B点以后的曲线段)。

本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的：

一种基于称重法评价材料表面阻垢性能的测量方法，由如下步骤组成：

在材料表面阻垢性能测量装置的实验箱通道内试片架上，安装需要测试的并已编号的待测表面材料试片；

向所述测量装置中的下水箱中注入工作介质，用设在所述的下水箱中的电加热器将其加热到设定的温度值，启动搅拌器并调整其转速，待温度稳定；

开启上述测量装置中工作介质循环回路中的循环泵，使工作介质循环；调节流量调节阀开度至需要流量，并开始计时，直至出现渐近值时停止循环泵；

记录各工况工作介质温度和流量。按编号拆取实验箱中被测表面材料试片，对于不同材料或不同运行工况，其间隔时间不同；试片在电热恒温鼓风箱中干燥后，称量上污垢增重，将上述各评价特性参数和实验数据加以整理，绘制出不同材料表面污垢增重随时间的变化关系曲线图，得到表面材料阻垢性能的目标函数一污垢诱导期和渐近值，从中选取需要的阻垢表面材料。

上述的一种基于称重法评价材料表面阻垢性能的测量方法，其所述的工作介质为碳酸钙过饱和溶液、添加阻垢剂的碳酸钙过饱和溶液、典型水系水质、含有不溶微粒的悬浊液或添加微生物菌类。

上述的一种基于称重法评价材料表面阻垢性能的测量方法，其所述的安装在实验箱通道内试片架上的待测试的表面材料试片，为同种材料试片或同时安装的多种不同材料试片，在相同试验条件下进行测试或对比试验。

上述的一种基于称重法评价材料表面阻垢性能的测量方法，其所述的诱导期确定方法通过以工作介质中污垢颗粒平均直径为污垢层厚度计算出单位面积上的污垢增重值，以该值作为污垢诱导期的结束点。

上述的一种基于称重法评价材料表面阻垢性能的测量方法，其所述的下水箱中的工作介质温度是通过温度自动调节装置来调控；工作介质温度场和浓度场均匀是通过其内装有的搅拌器来实现。

上述的一种基于称重法评价材料表面阻垢性能的测量方法，其通过实验箱工作介质流量的控制是通过工作介质自动控制装置来实现、工作介质来流压头的恒定是通过上水箱中溢流板及其底部的溢流管来保持。

一种基于称重法评定材料表面阻垢性能的测量装置，它主要是由上水箱及其内的溢流板、测试台及其上的矩形空腔实验箱、实验箱工作介质流量自动调节装置、电源、下水箱、循环泵和调节下水箱中工作介质温度的温度自动控制装置组成；所述的上水箱通过其底部的溢流管与下水箱的侧上部相连；上水箱通过其底部下水管依次与实验箱、流量自动调节装置中的流量调节阀与下水箱侧下部相连；下水箱通过上水管及其上的循环泵与上水箱相连；实验箱内工作介质通道中装有的试片架上安装试片；电源分别与调节下水箱中工作介质温度的温度自动控制装置中的热电阻、通过实验箱的工作介质流量自动调节装置中的流量调节阀及计算机数据采集卡相连。

上述的一种基于称重法评价材料表面阻垢性能的测量装置，所述下水箱工作介质温度自动控制装置是由计算机数据采集卡、电源、一个温度测量元件热电阻和三根材质和尺寸均相同的电加热器组成。

上述的一种基于称重法评价材料表面阻垢性能的测量装置，所述的实验箱工作介质流量自动调节装置是由流量调节阀、电源和计算机数据采集卡组成。

上述的一种基于称重法评价材料表面阻垢性能的测量装置，所述上水箱中设有保持实验箱箱工作介质来流压头恒定的溢流板和溢流管。

上述的一种基于称重法评价材料表面阻垢性能的测量装置，所述下水箱中装有使其内的工作介质的温度场和浓度场均匀的搅拌器。

上述的一种基于称重法评价材料表面阻垢性能的测量装置，所述实验箱中工作介质的流量自动控制装置是由流量调节阀、电源和计算机数据采集卡组成。

本发明与现有技术相比具有的显著的进步和积极效果：

(1)本发明利用表面材料阻垢性能动态模拟监测评价装置，不仅可以用来测量相同表面材料，测量不同表面材料的污垢重量，还可以测定污垢的诱导期。消除了不同阻垢表面材料之间进行比较的技术障碍，可以缩短新型表面材料的研究周期。

(2)本发明的设备功能完备，测试准确度高，重复再现性好，评价快捷，操作简便。

(3)上述的装置为环保型，在减少化学试剂对环境污染和能源消耗方面均会带来明显的经济效益和社会效益。特别适用于针对碳酸钙盐垢及微生物污垢等类型污垢的评价。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；图中，

1-上水箱2-溢流板3-下水管4-试片

5-实验箱6-试片架7-流量调节阀

8-计算机数据采集卡9-电源10-热电阻

11-下水箱12-搅拌器13-电加热器

14-循环泵15-上水管16-溢流管17-测试台

图2为试验箱结构示意图；

图3为试片架结构示意图；

图4为试片架截面图；

图5为本发明系统信号传递流向图；

图6为本发明的铜表面污垢增重与时间关系曲线图；图中，A点之前为结垢诱导期，B点之后为污垢达到渐近值；

图7为本发明的铜、铝、不锈钢、渗铝钢表面污垢增重与时间关系曲线图；图中，I-铜II-铝III-渗铝钢IV-不锈钢。

具体实施方式

实施例1

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步描述如下：

如图1所示，一种基于称重法评价材料表面阻垢性能的测量装置，它是由上水箱1，溢流板2，下水管3，试片4，实验箱5，试片架6，流量调节阀7，计算机数据采集卡8，电源9，热电阻10，下水箱11，搅拌器12，电加热器13，循环泵14，上水管15，溢流管16，测试台17构成；所述的上水箱1内装有溢流板2，上水箱1通过其底部的溢流管16与下水箱11的侧上部相连；上水箱1通过其底部下水管3及实验箱5与下水箱11侧下部相连；下水箱11通过上水管15及其上的循环泵14与上水箱1底部相连；

所述的下水箱11内装有搅拌器12和电加热器13；温度自动控制装置中的电加热器13通过电缆与电源9相连接；而所述的计算机数据采集卡8通过导线与装在下水箱11顶部热电阻10和流量调节阀7相连接；在上水箱1与下水箱11之间设有测试台17，其上有实验箱5；实验箱5内的工作介质通道中装有试片架6，试片架6上设有供安装固定试片的矩形槽(见图3所示)，能同时安装固定多个不同表面材料试片4：上水箱1底部的下水管3经过实验箱5和流量调节阀7与下水箱10顶部相连；流量调节阀7处在下水管3位于实验箱5与下水箱11之间管路上；上述测温热电阻、工作介质流量测量装置流量调节阀的输出信号输入计算机，并通过监测系统控制为设定值。

实验箱5工作介质来流压头恒定是由上水箱1中溢流板2和溢流管16调控，上水箱1被具有一定高度的溢流板2分隔成两部分，一侧底部与上水管15相连，当循环泵14打到上水箱1里的工质水位高于溢流板2时，则工作介质从上水箱1内另一侧底部的溢流管16流回下水箱11，以保持通过下水管3流向实验箱5中工作介质来流水位恒定。

实验箱5中的流量是由流量自动调节装置控制。所述的工作介质的流量自动控制装置是由流量调节阀7、电源9和计算机数据采集卡8组成。

下水箱中的温度自动控制装置是由三根材质和尺寸均相同的电加热器13、电源9、计算机数据采集卡8和一个温度测量元件热电阻10组成。

下水箱11中的工作介质是通过搅拌器12搅拌使得温度场和浓度场均匀。

下水箱为长方形，其侧面和底面由聚苯乙烯泡沫绝热材料覆盖，其外侧为镀锌铁皮，以减少热损失；其上部设有其内填充聚苯乙烯泡沫绝热填料夹层的盖板。下水箱一侧布设有循环工作介质的出口和上水箱溢流工作介质的入口。

实施例2

从图1可见，本发明一种基于称重法评价材料表面阻垢性能的测量方法，由如下步骤组成：

在材料表面阻垢性能测量装置的实验箱工作介质通道中，安装需要测试的并编号的表面材料试片；

向所述测量装置中的下水箱中注入工作介质，用设在所述下水箱中的电加热器将其加热到设定的温度值，启动搅拌器并调整其转速，待温度稳定；

开启上述测量装置中工作循环回路中的循环泵，使工作介质循环；调节流量调节阀开度至需要流量，并开始计时，直至出现渐近值时停止循环泵；

记录各工况工作介质温度和流量。按编号拆取实验箱中被测表面材料试片，对于不同材料或不同运行工况，其间隔时间不同；试片在电热恒温鼓风箱中干燥后，称量其上污垢增重，将上述各评价特性参数和实验数据加以整理，绘制出不同材料表面污垢增重随时间的变化关系曲线图(如图6、图7)，得到表面材料阻垢性能的目标函数一污垢诱导期和渐近值，从中选取需要的阻垢表面材料。

上述的一种基于称重法评价材料表面阻垢性能的测量方法，其所述的工作介质是利用碳酸钠和氯化钙配制的碳酸钙过饱和溶液，或用添加阻垢剂碳酸钙过饱和溶液、典型水系水质、含有不溶微粒的悬浊液或添加微生物菌类的工作介质。工作介质的种类主要是根据实际模拟需要选择。

上述的一种基于称重法评价材料表面阻垢性能的测量方法，其所述的安装在实验箱5工作介质通道中待测试的表面材料试片，可以为多种同时安装的不同试片，在相同试验条件下进行对比试验(如图7)。

上述的一种基于称重法评价材料表面阻垢性能的测量方法，对于不同材料或不同运行工况，记录各工况工作介质温度和流量。按编号拆取实验箱中被测表面材料试片，对于不同材料或不同运行工况，其间隔时间不同；然后在电热恒温鼓风箱中干燥，称量试片上污垢增重，将上述各评价特性参数和实验数据加以整理，绘制出不同材料表面污垢增重随时间的变化关系曲线图，得到表面材料阻垢性能的目标函数-污垢诱导期和渐近值(污垢增重与时间关系曲线，见附图7)，从中选取需要的阻垢表面材料。

启动循环泵14，使下水箱11内的工作介质(如CaCO₃过饱和溶液)由循环泵14经上水管15，打到上水箱1中，再由下水管3经过实验箱5流入下水箱11中，从而构成一个闭路循环。正如以上所述的下水箱11内循环工作介质溶液温度可设定为恒定值，其精度达到±0.2℃；在试片架6上可同时固定安装50个不同表面材料的试片4。

根据测试运行工况的需要，间隔一定时间测量实验箱中试片4上污垢重量增加值，以横坐标为测试时间，以纵坐标为试片污垢质量，随着测试运行时间的变化，试片上污垢质量也随之变化(增加)，根据不同时刻采集的数据绘制一条连续的污垢质量变化的曲线图(见图6、图7)。

操作过程中，在初始阶段试片质量保持不变，当运行时间达到或超过某一临界值时，沉积的污垢质量突然上升，见图6中A点以前曲线段。继续运行，测试材料的表面污垢质量会增加，当运行超过某一特定值时，测试的材料表面污垢质量保持不变，此时达到测试材料表面的污垢质量增重渐近值(如图6中B点以后曲线段)，停止对循环泵12供电。

如图1所示，测试箱5为一矩形空腔体，其长1400mm，截面尺寸为80×60mm。该试验箱5两端通过其上的进、出口法兰(见图2所示)与下水管3上的法兰相连；当将试片架6上安装固定好待测试片7后，将其从拆下的试验箱5的法兰口处插入测试箱内；试片架6上可以同时安装50个待测的试片，试片尺寸为40×60mm。当工作介质经过试验箱5时，介质溶液中的结垢物质会附着在试片表面上形成污垢。由于污垢沉积在试片上，会使试片的质量发生变化。根据试片表面编号的不同，按顺序间隔一定时间分多次取出试片。取出的试片用电热恒温鼓风干燥箱对其进行干燥，以除去试片和污垢层中含有的水分，然后用电子电子天平称量试片重量，减去试片洁净时的初始重量，得到试片表面污垢增加的重量。

本发明采用电热恒温鼓干燥箱对取下的试片进行干燥，用电脑微智能控制，具有设定、测定温度双数据显示和PID(比例-积分-微分)自整功能，控温精确可靠，保证污垢增重测量值的准确性。

本发明采用模块化设计自动控制工作介质流量和温度，主处理模块完成数据的采集、显示和键盘的控制等功能。将采集的流量和温度数据为12位数字信号转换为格式化浮点数，再与键盘输入的流量和温度设定值比较，然后通过流量调节阀门和电加热器电磁开关对流量和温度进行调节，系统信号传递流向如图5所示。

上述的搅拌器通过调整搅拌速度，以保证下水箱中工作介质温度和浓度场稳定均匀。

本发明的评价装置具体操作过程如下：对铜测试片进行编号和称重，记录相关数据。按照实验设计要求配制浓度为1000mg/L碳酸钙饱和溶液作为工作介质，将其装入下水箱11内，设定温度值，启动电加热器13，调节搅拌器12的搅拌速度，待温度达到设定值30±0.2℃并稳定后，启动循环泵14，调节流量调节阀开度以调整至所需流量为0.2m/s，然后开始实验计时。循环工作介质由上水箱1流经实验箱后，回到下水箱11中，如此封闭循环。间隔4～5小时取下被测试片，然后置入电热恒温鼓风干燥箱中进行干燥。干燥后取出试片进行称重，减去试片初始重量得到污垢增重。随着时间的增加，试片上的污垢沉积量也随之增加，从而可得到不同时间对应试片表面污垢增重数值，并依据时间与污垢增重的对应关系，绘制出污垢增重与时间的关系曲线图(图6所示)。当污垢达到渐近值时结束测试实验。表面材料阻垢性能评价是根据污垢诱导期长短和渐近值大小来确定的。污垢诱导期的结束点是指污垢增重达到以晶核临界直径为污垢层厚度计算出单位面积上的污垢增重值为标准。污垢渐近值指随着时间的增加污垢沉积量也增加，当污垢增重保持不变时，即为达到污垢渐近值。

图7给出本发明对铜、铝、不锈、渗铝钢不同材料表面结垢变化关系曲线图，其实验条件为：碳酸钙浓度800mg/L流量为0.2m/s，循环工作介质温度为40℃。从图7可见，所述的关系曲线表示污垢增重随着时间的变化而变化的记录，初始阶段，污垢增重较为缓慢，随着时间不断增加，超过诱导期后，曲线出现拐点，污垢增重较为明显，当达到某一特定值后曲线出现拐点，增加又较为缓慢，达到污垢渐近值。

Claims (11)

1、一种基于称重法评定材料表面阻垢性能的测量方法，是由如下步骤组成：

在材料表面阻垢性能测量装置的实验箱通道内试片架上，安装需要测试的并已编号的待测表面材料试片；

向所述测量装置中的下水箱中注入工作介质，用设在所述下水箱中的电加热器将其加热到设定的温度值，启动搅拌器并调整其转速，待温度稳定；

开启上述测量装置中工作介质循环回路中的循环泵，使工作介质循环；调节流量调节阀开度至需要流量，并开始计时，直至出现渐近值时停止循环泵；

记录各工况工作介质温度和流量；按编号拆取实验箱中被测表面材料试片，对于不同材料或不同运行工况，其间隔时间不同；试片在电热恒温鼓风箱中干燥后，称量其上污垢增重，将上述各评价特性参数和实验数据加以整理，绘制出不同材料表面污垢增重随时间的变化关系曲线图，得到表面材料阻垢性能的目标函数-污垢诱导期和渐近值，从中选取需要的阻垢表面材料。

2、根据权利要求1所述的一种基于称重法评定材料表面阻垢性能的测量方法，其所述的工作介质为碳酸钙过饱和溶液、添加阻垢剂的碳酸钙过饱和溶液、典型水系水质、含有不溶微粒的悬浊液或添加微生物菌类。

3、根据权利要求1所述的一种基于称重法评定材料表面阻垢性能的测量方法，其所述的安装在实验箱通道内试片架上的被测试的表面材料试片，为同种材料试片或同时安装的多种不同材料试片，在相同试验条件下进行测试或对比试验。

4、根据权利要求1所述的一种基于称重法评定材料表面阻垢性能的测量方法，其所述的诱导期确定方法是通过以工作介质中污垢颗粒平均直径为污垢层厚度计算出单位面积上的污垢增重值，并以该值作为标准来判断污垢诱导期的结束点。

5、根据权利要求1所述的一种基于称重法评定材料表面阻垢性能的测量方法，其所述的下水箱中的工作介质温度是通过温度自动控制装置来调控、工作介质温度场和浓度场均匀是通过其内装有的搅拌器来实现。

6、根据权利要求1所述的一种基于称重法评定材料表面阻垢性能的测量方法，其通过实验箱工作介质流量的控制是通过工作介质流量自动控制装置来实现、工作介质来流压头的恒定是通过上水箱中的溢流板及其底部的溢流管来保持。

7、一种基于称重法评定材料表面阻垢性能的测量装置，它主要是由上水箱(1)及其内的溢流板(2)、测试台(17)及其上的矩形空腔实验箱(5)、实验箱(5)工作介质流量自动调节装置、电源(9)、下水箱(11)、循环泵(14)和调节下水箱(11)中工作介质温度的温度自动控制装置组成；所述的上水箱(1)通过其底部的溢流管(16)与下水箱(11)的侧上部相连；上水箱(1)通过其底部下水管(3)依次通过实验箱(5)、流量自动调节装置中的流量调节阀(7)与下水箱(11)侧下部相连；下水箱(11)通过上水管(15)及其上的循环泵(14)与上水箱(1)相连；实验箱(5)内工作介质通道中装有的试片架(6)上安装试片(4)；电源(9)分别与调节下水箱(11)中工作介质温度的温度自动控制装置中的热电阻(10)、通过实验箱(5)工作介质流量自动调节装置中的流量调节阀(7)及计算机数据采集卡(8)相连。

8、根据权利要求7所述的一种基于称重法评定材料表面阻垢性能的测量装置，所述的下水箱(11)工作介质的温度自动控制装置是由计算机数据采集卡(8)、电源(9)、一个温度测量元件热电阻(10)和三根材质和尺寸均相同的电加热器(13)组成。

9、根据权利要求7所述的一种基于称重法评定材料表面阻垢性能的测量装置，所述的通过实验箱(5)中工作介质的流量自动控制装置是由流量调节阀(7)、电源(9)和计算机数据采集卡(8)组成。

10、上述的一种基于称重法评价材料表面阻垢性能的测量装置，所述的上水箱(1)中设有保持实验箱工作介质来流压头恒定的溢流板(2)、底部的溢流管(16)。

11、上述的一种基于称重法评价材料表面阻垢性能的测量装置，所述下水箱(11)中装有使其内的工作介质的温度场和浓度场均匀的搅拌器(12)。

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