CN104995501A

CN104995501A - 用于估算传热设备中的污垢系数和/或可逆溶水垢厚度的方法和设备

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Publication number: CN104995501A
Application number: CN201380066847.3A
Authority: CN
Inventors: T·L·布利斯; T·F·帕特森
Original assignee: Suo Li Cisco Skill Cayman Co
Current assignee: Suo Li Cisco Skill Cayman Co
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2033-12-16
Also published as: PL2936130T3; US9568375B2; BR112015014130B1; KR102212780B1; CA2892560C; KR20150094771A; PT2936130T; TWI583945B; AU2013363113A1; CA2892560A1; US20140177673A1; TW201430340A; EP2936130B1; BR112015014130A2; CN104995501B; ES2666357T9; ZA201505169B; MX347931B; AU2013363113B2; WO2014099755A1

Abstract

通过引导小部分液体流经测试池，估算比如热交换器的液体系统内热传热表面上的水垢沉积情况，测试池包括位于导管壁(32)上且经过导管壁(32)突出的传感器(10)。传感器(10)包括导热块(16)，该导热块容纳加热器(14)，且具有热湿测试表面(22)，该热湿测试表面与导管壁(32)的内侧平齐，且接触经过导管(11)的流体。在导热块(16)内是两个温度传感器(18，20)，该温度传感器离离热湿测试表面(22)和加热器(14)有不同距离。设备(10)的外周被设计成减少流经外周的热量，且使流经热湿测试表面(22)的热量更多。通过比较两个温度传感器(18，20)之间的温度差与没有水垢(40)时的差，根据由积聚的水垢(40)造成的流经热湿测试表面的热量减少，可以确定水垢的存在和数量。对于给定类型的水垢(40)来说，温度差的变化与水垢厚度成直接比例关系。当水垢(40)的厚度通过其他装置确定时，可以隐含得到水垢(40)的性质。通过调节经所设的副热通量路径的热通量，可以调节测量的灵敏度，以适应很宽范围的大体量流体(36)或周边温度。

Description

用于估算传热设备中的污垢系数和/或可逆溶水垢厚度的方法和设备

相关申请的交叉引用

本申请主张享有共同待审批的2012年12月20日提交的、名称为“用于估算传热设备中的污垢系数和/或可逆溶水垢厚度的方法和设备”的美国临时申请No.61/739785，和2013年12月13日提交的美国实用专利申请No.14/105323的权益和优先权，其公开内容通过引用而全部并入本文中。

背景技术

工业工厂，比如电厂、钢厂、纸浆或造纸厂，具有相对复杂的水/流体系统。有机和无机物沉积在这些系统的内壁上，形成影响系统正常运行的污垢或水垢沉积物的积聚物。这在比如热交换器表面的被加热表面上尤其严峻。这是不希望出现的情形，该情形导致产生大量运行问题，比如热交换不足、设备堵塞、化学品使用低效、效用成本增加、由于停工造成的生产率下降、腐蚀、以及尘埃度增加造成的产品降级。

理论上，人们可以区分一方面的污垢沉积物和另一方面的水垢沉积物。污垢沉积物是有机沉积物，通常在水溶液中以生物膜的形式出现。这些生物膜基本上包括微生物，例如细菌、藻类、真菌和原生动物。水垢是由无机物形成的，比如钙(碳酸盐、草酸盐、硫酸盐、硅酸盐)、铝(硅酸盐、氢氧化物、磷酸盐)、硫酸钡、放射性硫酸镭、和锰的硅酸盐形成的复合物。

为了避免污垢沉积物的积聚，尤其是生物膜的生长，作为对策在相关流体中加入生物杀灭剂。水垢沉积物可以通过加入化学沉积物控制剂来去除或防止，该控制剂是基于丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸和天冬安酸的均聚物、共聚物和三元共聚物的。化学沉积物控制剂包括有机磷酸盐及其衍生物，以及多磷酸盐。这些生物杀灭剂和化学沉积物控制剂的剂量应非常仔细地控制，因为他们非常昂贵。

为控制水垢处理添加剂的加入，在监测和量化水垢过程中联机传感器尤其有用。高温结垢条件给研发联机水垢传感器带来了重大挑战。这样的流体对于接触流体的任何表面来说，通常阻止使用大多数非金属材料，且对于电子元件的正常运行来说也可能是挑战性的环境。此外，包括该流体的液体可能具有使传感器研发困难的其他特性；该流体可能含有颗粒、有毒、对某些材料有腐蚀性、不具有恒定的密度等。例如，冷却水可具有大量的溶解盐，但它仍然被称作水。在许多工厂，具有高含量溶解盐的水可称作盐水，虽然该术语通常用于高可溶性盐的溶液。在纸浆生产厂中，具有一定溶解盐和溶解木质素的水可被称为黑液。即使高可溶性盐的溶液也可以积聚起麻烦数量的可逆溶盐，该可逆溶盐因各种原因在水中积聚。因为最普通的水垢类型是可逆溶水垢，所以传感器需要具有暴露于流体的表面，该表面处于比大体量液态流体更高的温度下。这需要某种形式的加热，以产生易于水垢积聚的热湿测试表面。这种加热必须以允许积聚物被量化的方式来完成。这种量化可以是测量由于积聚物造成的传热能力下降，或测量积聚物的厚度，或两者。

发明内容

本发明的前提是实现通过使少量的工作流体经流体池转向，跨过热湿测试表面而估算污垢系数(由于在传热表面上可逆溶水垢的累积而造成的传热效率降低)，其中该热湿测试表面的温度及其上方的流动条件模拟感兴趣的传热表面。热湿测试表面是能导热的材料块(导热块)的组成部分，或与所述块紧密接触。通过至少部分地容纳在导热块内的筒型加热器，或通过其他适当的方式给导热块供应热量。该导热块设有在其周围的隔热体，使得主导热路径朝向热湿测试表面，且使得存在至少一个远离热湿测试表面的副导热路径。随着水垢在热湿测试表面上的积聚，水垢呈现出增加朝向热湿测试表面的传热热阻。沿副导热路径的传热热阻不受水垢积聚的影响。所以，随着水垢积聚，朝向热湿测试表面的热传递减少，而沿副导热路径的热传递增加。采集由于热湿测试表面上的水垢而增加的传热热阻的测量值，作为热湿测试表面上水垢严重性的指数。

流体池的热湿测试表面的表面温度是通过使用在导热块内的两个高精度温度传感器/发射器估算的，该温度传感器/发射器以已知的距离互相间隔开，且以离热湿测试表面和热源不同且已知的距离间隔开。包括所述导热块的导热材料的导热系数(k)是从两个温度发射器(T₁和T₂)报告的温度差和它们之间的已知距离计算出来的。然后，从导热系数和从任一温度发射器到热湿测试表面的距离估算出热湿测试表面的表面温度。随着可逆溶水垢在热湿测试表面上积聚，水垢给经过导热块到热湿测试表面的热流路径带来了附加限制，因此升高了导热块内的通过两温度发射器测量得到的温度。在更高的内部温度下，更多热量经副导热路径排出。这导致两温度发射器之间的温度差减小，因为更少的热能经热湿测试表面排出。如果副导热路径末端的温度恒定或几乎恒定，则导热块内的两温度发射器之间的温度差与污垢系数是线性的，且指示它模拟的商用传热表面上的污垢或水垢形成的可能程度，其中污垢系数由热湿测试表面上积聚的水垢产生。对于任何特定类型的水垢来说，两温度发射器之间的温度差与水垢厚度也是线性的，但对于不同类型的水垢(例如，碳酸钙vs.硫酸钙或磷酸钙)，在两温度发射器之间的温度差和水垢厚度之间的关系常数是不同的。

在另一实施例中，热湿测试表面上的水垢厚度可以根据由于超声波脉冲行进到水垢然后返回到超声波探头的距离减小而造成飞行时间减少的原理，随着水垢的积聚经脉冲超声波信号同时地测量。

两温度发射器之间的温度差的范围可以通过多种方式控制，包括改变温度发射器之间的距离、加热器的温度、沿副导热路径的隔热体厚度、构成副导热路径的材料的导热性能、存在多于一个副导热路径、在副导热路径末端或沿着副导热路径的温度、增加具有不同热传递系数的材料层作为热湿测试表面、或者甚至在副导热路径末端增加热量或冷却。

通过调节这些变量，可以在很宽范围的大体量流体温度、大体量流体流速、加热器温度和围绕设备的周边环境上确定污垢系数的有用且精确的指数。当与可选的超声波或其他水垢厚度指数组合时，可以推断出对沉积物性质的有用了解。这可以使水垢控制处理能以更多的适当方式进行调节，优化热传递且使具体商用传热装置的成本最小化。

根据下面的详细描述和附图，将进一步理解本发明的目的和优点。

附图说明

图1是具有温度传感器位置标示的本发明的示意图；

图2是本发明的替代实施例的局部剖示意图；

图3是本发明的第二替代实施例的类似于图1的示意图；

图4是本发明的第三替代实施例的剖视示意图；

图5是本发明的第四替代实施例的剖视示意图；

图6是本发明的第五替代实施例的剖视示意图；

图7是本发明的第六替代实施例的剖视示意图；

图8是本发明的第七替代实施例的剖视示意图；

图9是示出了温度差随水垢的积聚而变化的曲线图；

图10是本发明的装置特定实施例的局部切除分解图，该装置用于产生图9所示曲线图中发现的数据；

图11是本发明的被加热导热块部件的替代实施例的剖面示意图；

图12是显示在形成200微米水垢时材料30的导热率对温度差的影响的曲线图；

图13是显示在200微米水垢时材料30的厚度对温度差的影响的曲线图；

图14是显示在200微米水垢时材料16的厚度对温度差的影响的曲线图；

图15是显示在200微米水垢时材料16的导热率对温度差的影响的曲线图；

图16是显示温度差对水垢厚度的曲线图；

图17是显示温度差对水垢厚度的曲线图，其中温度T₄变化了；

图18是显示在与图17中相同条件下的温度差的曲线图，除了在高T_水 _垢情形中加热器的功率是500瓦，而不是200瓦。

具体实施方式

如图1所示，用于检测水系统表面上的水垢形成情况的设备或传感器10位于水系统的侧导管11中。这种侧通道11从水系统中取水，并且随后将水返回水系统。水系统(未示出)可以是任何工业水处理系统，比如电厂、炼油厂、造纸厂或钢厂。该传感器被设计成测量具有比大体量水温度更高温度的表面上的水垢积聚情况。

传感器10包括位于导热块16内的加热器14，该导热块包括位于该金属块内第一位置处的第一温度传感器18，和位于导热块16内的第二温度传感器20。第一温度传感器18位于该导热块的第一端22附近，第二温度传感器20如图所示在加热器14附近。该设备还包括与第一端22相反的第二端24，如图所示该第二端暴露于周边条件。加热器14是筒型加热器，其位于导热块16内且允许热量朝向和远离表面22流动。虽然它可以由任何适当的材料制成，但它一般是金属的。如图所示，表面22接触大体量的水流，且因此用作测试表面，具体而言是热湿测试表面。

设备10具有四个外周侧面26(示出2个)。外周侧面26包括隔热层28，第二端24包括隔热层30，隔热层30可具有与隔热层28不同的导热率。

设备10通过比如螺钉、螺栓或夹具(未示出)的适当紧固件固定在具有壁32和34的导管11上，其中导热块16的第一端22附接于壁32上，但通过隔热件33隔开与壁32的直接接触，以避免导热传递。理想情况下，没有热量从导热块16传递到导管11的壁32。如果几乎没有或没有热量从导热块16传递到导管11的壁32，那么整个热湿测试表面的温度将相对均匀，所以对于它试图去模拟的更大商用传热面来说将给出更有代表性的指示。热湿测试表面是与导管11的侧壁32的内表面平齐的，以使对导管11内流动的大体量液体36的干扰最小。

如所示，导管11是矩形形状。导管11从水系统(未示出)导引流体，尤其是具有比如热交换器的被加热面的那种水系统。理想地在与它试图去模拟的商用传热设备中相当的流动条件下，导管只抽取沿箭头36的方向经过导管11流动的大体量水。

在运行中，加热器14产生热流或热通量，如箭头38所示朝向热湿测试表面22。测试表面22被加热到接近它将模拟的热交换器或其他水系统传热面的部分区段的温度的温度。这样，热湿测试面22被加热器加热，且被经过导管11的流体流润湿。结果，存在着将在热湿表面22上形成一层水垢40的可能性。温度传感器18将记录热湿表面22附近的温度T₁。第二温度传感器20将报告加热器14附近的导热块16的温度T₂。因为加热器14位于导热块16内，所以热量可以从设备10的第二端24向外流动，如箭头42所示。这是副导热路径。

当加热器14启动时，最初热流将沿箭头38的方向，且T₂将被记录，随后T₁将被记录，T₁应当小于T₂。随着热量经过湿表面22进入如箭头36所示的大体量流体中，换言之，热湿表面被冷却，相应地使T₁小于T₂。

随着水垢40在热湿测试表面22上累积，更少的热量流经导热块16的端22。水垢40充当隔热体，传热热阻增加。因为热量可以沿箭头42的方向向后行进，所以，因为由于水垢40的隔热效应使流经热湿测试表面22的热量减少，温度T₁和T₂将都增加。然而，因为导热块16的温度现在较高，更多的热能将经过导热块16的部分隔热的第二端24，即副导热路径而逃逸。这将减小T₁和T₂之间的温度差，并提供水垢形成情况的指数，且温度差的变化量是水垢量的指数，尤其是水垢对经过导热块16的热湿测试表面22的热传递的负面影响的指数。

热传递由下述公式约束

K是各个材料、水垢、隔热体和金属的导热系数。A是面积，q是热能的热通量。热传递是两个方向的，沿箭头38的方向(朝向热湿表面)和沿箭头42的方向(相反方向，经过端24，与周边环境部分隔热的路径)。随着水垢在热湿测试表面22上累积，沿热湿测试表面的方向的热传递“阻力”增加。沿相反方向的热传递“阻力”不变，因此q_水垢减少，q_隔热体增加，其中相关联的ΔTs(T₂-T₁和T₃-T₄)相应地变化，且与水垢厚度线性相关。T₂-T₁和T₃-T₄之一可用于估算水垢的积聚情况及其导致的热传递减少情况。

要注意的是第二端24的温度T₄将随着环境条件变化，这将改变热通量。而且，沿外周表面26的隔热被假定为“完美的”，这在实际装置中是不可能达到的。在实际装置中将有一些径向热通量，且该热通量也将受环境条件影响。在非计量性意义上，如果外周表面26的隔热也被假定为部分隔热，如同它们在实际装置中那样，那么端24和侧面26的组合区域可以从概念上认为是副导热路径。

图2示出了本发明的替代实施例。水垢传感器10被整合在导管11上，如图1所示。此外，水垢厚度测量单元50被整合在导管11的指向壁32的壁34上。水垢厚度测量单元50安装在导管11的壁34的开口内，以使测量单元50的表面与导管11的壁34的内侧表面平齐，从而最小化对流体36的干扰。可以使用任何已知的附接方式，比如螺钉或螺栓、夹具或螺纹(未示出)。因为厚度测量单元50不使用加热器，且不包括在热传递中，所以，不需要使其隔开与导管11的壁34的接触。

测量单元50包括超声换能器52和检测器。超声换能器仅是用来检测表面32上沉积物厚度的几种方法之一。在本发明中可以采用任何已知的设备。对于单元50，由换能器52朝向壁32发射超声波信号54。为了检测和分析导热块16的热湿测试表面22上积聚的污垢和/或水垢沉积物40，测量通过超声波发射信号54的反射而出现的超声波反射信号56。如果没有沉积物40积聚，则热湿测试表面22主要用作超声波信号的反射面。测量单元将测量信号行进到热湿测试表面22并返回所需的时间。如果水垢和/或污垢沉积物40覆盖了反射用热湿测试表面22，那么超声波信号至少部分在沉积物40的表面上被反射。

如果水垢存在，那么反射信号需要更少的时间返回，因为比之前没有水垢存在时在它反射离开水垢表面之后行进的距离更短。水垢的厚度可以根据现在的“飞行时间”测量值和之前没有水垢存在时的基准测量值之间的差值，以及声音穿过水行进的速度计算出来。

有许多不同类型的可以形成水垢的化合物，比如钙的碳酸盐、草酸盐、硫酸盐、硅酸盐，比如硅酸盐、氢氧化物、磷酸盐的铝化合物，以及其他的。不同类型的水垢具有不同的密度和不同的每单位水垢厚度的传热热阻系数。通过测量q_水垢和沉积的水垢厚度，人们可以根据这一经验数据估算正在形成的水垢类型。这随之可以使操作人员向水系统施加适当的补救化学品，以去除或控制特定类型的水垢，或者，在生物膜的情况下，施加适当的化学品来处理生物膜。

如果仅存在生物膜，反射波56将实际上包括来自生物膜表面反射的第一小峰和来自内壁32反射的第二高峰。两个信号的幅度是不同的，因为生物膜的声阻抗小于壁材料32的声阻抗。这两个信号之间的时间差将表示生物膜的厚度。

结垢测试

图2的设备在图10中以剖视图更详细地示出。在该实施例中，厚度测量单元50被安装在导管11的壁34上的开口51内，通过垫圈53与壁隔开。与厚度测量单元50相反的是传感器10。如图所示，它被安装在导管壁32的开口55内，通过塑料隔热件33与壁隔开，该隔热件发过来通过垫圈57与导热块16和壁32隔开。导热块16包括安装法兰59。虽然未示出热传感器，但这些传感器将分别位于通道61和62内，其中筒型加热器14位于扩大的通道63内。所有这一切都被PEEK隔热体64包住。

附接于冷却塔的图10所示的设备(包括200瓦筒型加热器、CuNi热湿测试表面、两个RTD温度发射器、PEEK(聚醚醚酮)隔热体，和用于通过“飞行时间”差测量到热湿测试表面的距离的脉冲超声波换能器)采用水作为大体量液体进行测试。导热块16包括CuNiFeMg合金。测试表面离筒型加热器的中心线约14mm。RTD温度发射器T₁和T₂中心线到中心线约3.5mm且沿从加热器朝向测试表面的热通量方向偏移，以避免一个发射器对另一个的干涉。向去离子水添加盐，来模拟我们的标准补充水的4倍浓缩(例如，对水调配来模拟已经“预循环”至4次循环浓缩的标准补充水)，且该水经过冷却塔系统循环，并允许循环直到目标值6次循环浓缩。“预循环”水、塔补充水和6次循环浓缩水的成分在表1中列出。

表1

用于结垢试验的冷却塔水的数据，2012年8月20日开始

冷却塔保持在24.5℃的大体量水温度，且利用导热率引发的排放/液面受控的补充水添加，以控制导热率为约3500μmho(在开始水垢试验1之后约60小时达到的6次循环浓缩)。导管11内的流速是0.75米/秒，pH是9.0，且加热器功率设定为在热湿测试表面上产生60.5℃的温度。试验1进行总共96小时(3.5天)。在那个时间结束时，在热湿测试表面上积聚的水垢被清除掉，作为试验2测试重新开始，采用同样的条件，除了加热器功率增加而在热湿表面上产生70℃的表面温度。冷却塔水池中的水在试验2开始时已经处于6次循环浓缩的状态，且保持这样。试验2被允许运行168小时(7天)，但在121小时(5天)之后，Drew 2235阻垢剂的量增加50％。

图9示出了对照采用超声波发射器和接收器测量的水垢累积厚度绘制的T₂和T₁之间的温度差。温度差的响应与在0至45μm的“前垢(prescale)”累积范围内的水垢厚度是成线性的，而且也与在45-160μm的“稳定状态”范围的水垢厚度成线性，但有不同的斜率。在试验2中，温度差的响应与整个范围的水垢厚度成线性，但温度差的绝对值和相关系数(温度差对水垢厚度曲线的斜率)是不同的，因为在更高的加热器功率下水垢层的隔热效应产生了遍及导热块16的更高温度，且还产生了两温度测量值之间更高的温度差。阻垢剂(Drew 2235)加入比率的变化改变了水垢积聚物厚度对时间的比率(未示出)，但没有改变温度差和水垢厚度之间的关系。

在两个结垢试验中有由于数据登录问题或其他问题而数据不可获得的时间段。

对照水垢厚度(如超声波测量的)绘制的温度差(T₂-T₁)是高度线性的。此外，当对照污垢系数绘图时，温度差(T₂-T₁)也是高度线性的，如采用Ashland OnGuard 2-Plus水垢分析仪确定的(未示出绘图)，该分析仪广泛用于商业装置中监测污垢系数。在所有情况下，线性度是通过在约0.91和0.99之间的线性相关系数(R²)来表示的(1.0表示完全相关，0表示不相关)。

因此，图1、2和10所示的实施例充分测量了沿热湿金属测试表面的水垢形成情况。该构思可以通过调整传感器10来补偿变量，尤其是围绕传感器10的周边条件而进一步提高。图3至8示出了各种改变的温度测量单元。所有这些都附接于导管11的壁32且穿过壁32突出，使它们的热湿测试表面22与导管11的内壁32平齐，该导管将流体从水系统引导到将对水垢进行测量的热湿测试表面。所有都必须具有隔热元件33，以减少热量从导热块流向导管11的壁32。在图3至8中的这些实施例中，相同的元件将保持图1和2中的相同标记。在图3-8中示意地示出的全部图都旨在通过操纵沿副导热路径的热传递来减少围绕传感器10的周边条件变化的影响，或增加水垢量化测量的灵敏度，或两者。当该装置安装在气候受控的房间时，或当流体36的温度远高于周边温度时，或两者时，它们最适用。需要强调的是在某些情况下，大体量流体可能是工业冷却水之外的，例如纸浆厂的黑液、盐水、或其他大体量流体。在某些情况下，温度可能过高，或流体可能是另外的不适于通过脉冲超声波信号测量水垢厚度的流体。在这些情况下，本发明可与适于该环境的不同水垢厚度测量装置一起使用，或者不与测量水垢厚度的装置一起使用。在没有适当的水垢厚度测量装置可用的情况下，将仅获得传热热阻信息，且将不容易能推断出水垢的化学成分。

图3所示的实施例是图1所示的实施例的改版。改变是在与湿表面32相反的第二端24上增加了后加热器60。热通量由类似的公式来约束

因为T₄被控制，所以有能力主动控制经过隔热层30的热通量。沿副导热路径的热通量控制是通过控制温度T₄来完成的。

要注意的是，对该示例来说沿纵向表面的隔热体28被假定为“完美的”，但这在实际装置中是不可达到的。在实际装置中将存在一些径向热通量，且这一热通量将受周边条件的影响。图3中示意地示出的热通量控制可以称作主动热通量控制，因为为它供应的是受控量的外部能量。像这样，通过后加热器60供应的功率可以根据温度T₄进行调节或控制，其中当装置必须在更极端的条件下运行时，该温度成为可用于优化装置运行的调节点。如图3所示的装置的潜在限制是无能力冷却传感器10的表面26和24。

下面的描述是作为如何优化图3的传感器设计而使其对于给定实施方案来说实用性最大化的示例而提供的。为了这种分析的目的，T₂和T₃被定位在紧邻加热器14的任一侧附近。因为T₂和T₃不接触加热器，所以假定T₂＝T₃＝T_h(T_h是加热器的温度)。此外，材料30从加热器14的表面(传感器t3的新位置)延伸至传感器T₄的位置(在材料30和加热器60之间的界面)；现在δ₂是加热器14和加热器60之间的距离。

在针对该特定实施例的任何给定实施方案中，下面的将是已知的，大体量流体的温度(该温度允许估计水垢暴露表面的温度，T_水垢)，和最大可得的加热器输出。优化问题是选择材料16、材料30、距离δ₁、δ₂和通过后加热器60保持的温度(等于T₄)，使得在传感器的预期工作范围之上，使温度差T₁和T₃-T₄最大化，因此为水垢积聚物的测量提供了最高可能的解析度。

传感器的热通量平衡是由下式给出的

\frac{q_{T}}{A} = \frac{q_{16}}{A} + \frac{q_{30}}{A}

其中q_T是加热器输出，q₁₆是经过材料16的热通量，q₃₀是经过材料30的热通量，且A是面积。该等式可以使用热阻类推来重新表达

\frac{q_{30}}{A} = \frac{T_{h} - T_{4}}{R_{4}}

取代等式右手侧的部分，得到

其中R_16+水垢是材料16和水垢的组合热阻，R₃₀是材料30的热阻。等式可以重新排列，而提供T_h的表达式

对于给定的材料16、材料30和水垢类型来说，上述等式可以用于计算T_h。一旦T_h被计算出来，那么两个热通量可以如下计算

其中

且

q_{30} = \frac{T_{h} - T_{4}}{R_{4}} A

其中

R_{30} = \frac{δ_{2}}{K_{30}}

一旦热通量被计算出来，则其余的参数就可以计算出来。

在优化设计中，要考虑的主要因素是材料16和材料30的导热率和厚度、温度T₄、水垢表面的温度T_水垢和主加热器的功率。目标是随着水垢在暴露于大体量流体的表面上累积，使沿材料16和材料30的长度的温度差最大。

作为示例，假定可得的加热器具有200W的输出，且导热块具有测量为10mmx50mm的截面。使用上述等式，可以研究改变T₄、T_水垢、材料16、材料30、δ₁、δ₂的效果，然后确定最满足使传感器中温度差最大化的设计目标的装置配置。

图12示出了改变材料30的导热率的效果。在忽略材料16中的温度差时，可以为使材料30中的温度差最大化而优化设计。在这种情况下，材料30的导热率将尽可能地低。缺点是材料16中的温度差将不会随着水垢发展而显著变化。该图示出了材料30的最优导热率，使材料16中的温度差最大化的一个值，即K₃₀＝～20W/m-°K。为了该示例的目的，材料30的导热率设定为20W/m-°K。基本原理是具有两个指示水垢生长的温度差而不是一个将会更好。

在图13中检查了改变材料30的厚度的效果。随着材料30的厚度(δ₂)增加，有效热阻增加，致使其表现的更像隔热体。因此，结果是类似于图12所示的那些。而且，存在着使材料16中的温度差最大化的材料30的最优厚度(δ₂)。为了使材料16中的温度差最大化，材料30的厚度被设为10mm。

材料16的厚度在图14中给出。增加材料16的厚度的效果在约δ₁＝～10mm处停滞。在这一厚度时整个材料30仍有合理的温度差，所以为了该示例的目的，材料16的厚度被设为10mm。

在图15中，考虑了材料16的导热率。因为改变厚度具有改变热阻的效果，所以结果是类似于在材料30上发生的。增加导热率的效果出现停滞。在前述结垢测试中使用的传感器具有～42W/m°K的导热率，这也给出了整个材料30的合理温度差，为了该示例的目的，材料16的导热率被设为42W/m°K。

图16示出了用于几种不同条件和一定范围水垢厚度的整个材料16和材料30的温度差。T_水垢为40和70℃的情况是低温应用，对于在标准工业热交换器应用中发现的来说更为普通。材料16和材料30两者中的温度差都足以监测水垢发展。对于T_水垢为130和170℃的情况来说，结果是不满意的。这些情况对于造纸厂制浆和黑液应用来说更具代表性。

图17示出了针对具体应用调节T₄的实用性。在所有前面的曲线图中T₄设定为50℃。在图18中，针对特定的情况T₄被设为

1.T_水垢＝40℃→T₄＝80℃

2.T_水垢＝70℃→T₄＝100℃

3.T_水垢＝130℃→T₄＝100℃

4.T_水垢＝170℃→T₄＝130℃

上下调节T₄可以使温度差的范围随着水垢的累积而扩大或收缩。通过调节T₄，在经过副热流路径的热传递上施行控制。该装置的实用性取决于操纵装置内的温度而使温度差最大化。在高T_水垢的情况下，通过给加热器提供更大的功率，可以更容易完成任务，因此可以提高用于给定系列条件的T_h。图18示出了与图17同样的条件，除了在高T_水垢的情况下加热器的功率为500W，而不是200W。

图4所示的实施例是图1所示实施例的改进。该修改旨在消除周边条件变化的影响，且通过提供名义上的等温边界条件而提供沿副导热路径的已知条件。它还补偿了大体量流体中的速度和温度变化。

这是通过包围该装置且使来自水系统的流体在整个传感器装置周围循环来实现的。传感器10被沿传感器10周围的导管11流动并返回导管66的来自水系统的流体所围绕。导管11在区域68处扩大，使得工作流体围绕传感器10的所有侧面，除了传感器10的包括水垢积聚的热湿测试表面22的那部分，该测试表面已经接触了流经导管11的流体。这样围绕传感器10的环境与流体温度相同，且在流体温度保持恒定的意义上来说保持恒定。虽然如前述热量经过热湿测试表面22，以及从所有暴露的侧面26和从第二端24损失给大体量流体36，但经过侧面26和端24的热量损失现在几乎不变，因为大体量水流36的温度一般几乎不变。

因为利用大体量流体36进行温度控制，但没有外部能量加入，所以该装置可以被认为利用了半主动热通量控制。

热通量由下述等式来约束

图5示出了图1的改版。它旨在通过提供等温边界条件来消除环境变化的影响。在这种情况下，该装置被第二加热器68围绕。所以，以类似于图4所示装置的方式，存在着沿副导热路径的热通量控制。图5中示意地示出的热通量控制可以称作主动热通量控制，因为它被供应了受控量的外部能量。像这样，通过第二加热器68供应的功率可以通过温度信号T₄进行调节或控制，当装置必须在更极端的条件下运行时，该温度成为可用于优化装置运行的调节点。如图5所示该装置的潜在限制是无能力冷却传感器10的表面26和24。

热通量由下述公式约束

图6示出了图5所示实施例的改进，其中现在有用于传感器10的外周表面26的分离加热器70，和用于第二端24的分离加热器72。这个实施例具有两个不同的副导热路径。这提供了增强的、用于通过控制沿那些表面的温度来控制沿纵向轴线和垂直于纵向轴线的热通量的能力。在图6中示意地示出的热通量控制可以称作沿副导热路径的主动热通量控制，因为它被供应了受控量的外部能量。像这样，通过副加热器70和72供应的功率可以独立地和共同地调节，以保持T₄或其它潜在温度测量位置的恒定温度，且当装置必须在更极端的条件下运行时可用于进一步优化装置的运行。如图6所示装置的潜在限制是无能力冷却传感器10的表面26和24。

热通量由下述公式约束

图7所示的实施例采用沿副导热路径的主动热通量控制。在这种情况下，该装置被可变散热器78和迫使可变散热器上方的空气流动的装置(未示出)围绕，其中可变散热器在这里用冷却翅片74来表示，该迫使空气流动的装置迫使空气沿箭头76的方向流动。热量排出是通过增加或减小流经翅片上方的空气速度进行调整的。还可想到可以使用热空气流来减少来自该装置的热通量。更精炼的方案将具有用于该装置纵向表面的分离的热通量控制。另一更精炼的方案将具有可喷洒在可变散热器上的可调量的水雾，以便在即使更极端的环境条件下，甚至更有效地控制传感器10外表面的温度。在图7中示意地示出的热通量控制可以称作沿副导热路径的主动热通量控制，因为它被供应了受控量的外部能量。像这样，通过提供进一步减小周边条件改变的影响的装置，空气流温度或体积或运行时间的设定点，和/或水雾流和/或持续时间的设定点可以独立地和共同地调节，以便当装置必须在更极端的条件下运行时可进一步优化装置的运行。

热通量由下述公式约束

图8所示的实施例类似于图4所示的实施例。它使用分离的流体流来主动地加热或冷却该装置。所以，这种实施方案具有通过温度控制(即，使用特定温度的流体)来控制热通量的能力，和直接控制热通量(即，通过改变流体流速以及从该装置去除或向该装置加入的热量)的能力。在图8中示意地示出的热通量控制可以称作沿副导热路径的主动热通量控制，因为它被供应了受控量的外部能量。像这样，通过提供进一步减小周边条件改变的影响的装置，温度设定点和/或分离的流体流的流速可以独立地和共同地调节，以便当装置必须在更极端的条件下运行时可进一步优化装置的运行。

热通量由下述公式约束

图11示出了本发明的部件，导热块16的替代实施例的剖面示意图。在图11中，导热块16包括围绕或部分围绕加热装置14的高导热性材料、附接于第一材料作为热湿测试表面22的第二材料、和附接于相反端24的第三材料。第一材料是针对其高导热率进行选择的，可以是铜、金、银、CuNi合金、黄铜、铝或任何其他高导热性的材料。在此位置使用高导热性材料有利于沿箭头38所示方向的热传递，以使加热器14在热湿测试表面22产生目标温度所需的功率最小。在某些应用中因为暴露于导管11内的流体，这种高导热性材料可能没有适当的抗腐蚀性。第二材料层是薄层，且是针对抗腐蚀性、抗生物膜性或为匹配将要模拟的传热面而选择的。因为它薄，所以其传热特性是非关键的。第三材料是针对其低导热率和足够的结构性能而选择的，可以是低碳钢、不锈钢或任何具有足够结构强度的塑料，以在预期温度下满足其机械需求。它还被选择来阻挡沿副导热路径方向的热流。

可以通过任何适当的机械装置，比如螺钉或螺栓、夹具等，通过焊接、钎焊或其他对于特定金属来说适当的技术将材料接合在一起。其中特别感兴趣的是箔片钎焊技术，该技术可以将各种金属类型接合良好。

在图3至8和图11所示的任一实施例中，如图2所示的用于测量沉积水垢厚度的设备可以与图2中相同的方式纳入。在这些实施例的每一个中，水垢测量传感器10将确定沉积水垢的污垢系数。在每一情况下，当可逆溶水垢积聚在热湿表面22上时，水垢40对经过金属块16经过热湿金属表面32流向大体量流体的热流路径带来了附加限制。导热块内的温度上升被两个温度传感器记录。在更高的内部温度下，更多热量经所设的部分隔热的热流路径排出到空气中。这导致两温度传感器之间的温度差减小，因为更少的热量经热湿金属表面32排出。污垢系数，或流经热湿金属表面的热量减少表示积聚的水垢。对于任何特定类型的水垢来说，两温度传感器之间的温度差相对于水垢厚度是线性的。对于不同类型的水垢，两温度传感器之间的温度差是不同的。通过测量水垢厚度，比如通过脉冲超声波信号，人们可以确定沉积的水垢类型，且相应地提供最有效的处理。

这已经是与实施本发明的优选实施例一起的本发明描述。然而，本发明本身应当仅由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种检测热湿测试表面的污垢或水垢的方法，包括：

加热导热块；

所述导热块具有包括所述热湿测试表面的第一端，和与所述第一端相反的第二端；

使所述热湿测试表面与第一液体接触；

测量沿所述导热块在第一位置处和第二位置处的温度，而获得第一温度测量值和第二温度测量值，其中所述第一位置比所述第二位置更靠近所述热湿测试表面；

比较所述第一位置处的第一温度测量值和所述第二位置处的第二温度测量值，从而建立起在所述热湿测试表面上没有污垢或水垢时的基准温度差；

通过随后测量所述第一位置处和第二位置处的温度，并检测在所述第一位置处的所述温度和第二位置处的所述温度之间的温度差相对于所述基准温度差的变化，确定所述表面上的污垢或水垢。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一位置和第二位置在加热器和所述热湿测试表面之间。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一位置和第二位置在加热器和与所述第一端相反的所述第二端之间。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括绕所述导热块的外周表面设置隔热体，由此使得从所述导热体径向向外比从所述导热块经过所述第二端的热阻更大。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括绕所述导热体的外周表面设置第一材料，且在所述第二端处设置第二材料，其中所述第一和第二材料具有不同的导热系数。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括利用围绕所述外表面的热交换流体来调节所述外表面的温度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括通过调节所述热交换流体的流速或温度来控制所述外表面的温度。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述热交换流体与所述第一液体相同。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括用散热器至少部分地围绕所述第一和第二材料。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括在所述散热器上投射热交换流体，从而控制所述外表面的温度。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括控制所述热交换流体，以建立起所述外表面的所希望的温度。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述热交换流体包括空气和水雾至少之一。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括测量在所述湿表面上的沉积物的厚度。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述厚度是利用声波测量的。

15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，响应于在所述热湿测试表面上积聚的水垢的导热率变化，调节水垢控制化学品的流速。

16.一种检测热湿测试表面上的污垢或水垢的设备，其中所述热湿测试表面处于接触大体量液体的液体流动路径内，包括：

加热器；

导热块，所述导热块具有包括所述热湿测试表面的第一端、与所述第一端相反的第二端、和外周表面；

第一温度传感器，所述第一温度传感器在所述导热块内在靠近所述热湿测试表面的第一位置处；

第二温度传感器，所述第二温度传感器在所述导热块内在靠近所述加热器且比所述第一温度传感器更远离所述热湿测试表面的第二位置处；

其中所述第二端具有比所述外周表面更高的导热率。

17.一种检测热湿测试表面上的污垢或水垢的设备，其中所述热湿测试表面处于流体流动路径内，包括：

加热器；

第一温度传感器，所述第一温度传感器在所述导热块内靠近所述加热器、且在所述加热器和所述第二端之间；

第二温度传感器，所述第二温度传感器在所述导热块内、在所述加热器和所述第二端之间、且靠近所述第二端但比所述第一温度传感器更远离所述加热器的第二位置处。

18.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，所述外周表面和所述第二端至少之一包括隔热体。

19.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，所述第一和第二位置被充分地偏移开，以避免热通量的干涉。

20.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，所述设备还包括可通过对着所述湿表面导引波能而测量所述热湿测试表面上的水垢厚度的装置。

21.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，所述设备被热交换流体至少部分地围绕。

22.根据权利要求18所述的设备，其特征在于，所述外周表面被散热器至少部分地围绕。

23.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，所述导热块包括第一材料，且具有与所述第一端接合的第二材料薄层，其中所述第二材料薄层包括所述热湿测试表面。

24.根据权利要求23所述的设备，其特征在于，所述第二材料包括抗腐蚀材料。

25.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，所述导热块是在所述第二端处的第三材料层，其中所述第三材料具有不同于所述第一材料的导热率的导热率。

26.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，还包括在所述第二端处的第二加热器。

27.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，还包括接触所述外周表面的至少一部分的第三加热器。