CN113916840B - 套管结垢系数测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种套管结垢系数测定装置，包括：容器，容器内形成腔室；套管，放置在腔室内；紫外光源，设置在套管内；第一传感器，设置在紫外光源和套管的内壁之间，第一传感器被构造成测量紫外光源所发出的紫外光的第一光强；第二传感器，设置在所述容器外部，第二传感器被构造成测量紫外光源所发出的紫外光经所述套管的管壁、结垢层、待测水和容器的容器壁之后的第二光强；以及处理器，与第一传感器和第二传感器电连接，处理器被配置成计算第一光强随时间的第一衰减系数、以及第二光强随时间的第二衰减系数，并根据第一衰减系数和第二衰减系数获得结垢层的结垢系数。本发明解决了在线测试方法不能独立测定套管结垢系数的技术问题。

Description

套管结垢系数测定装置

技术领域

本发明涉及环保水处理技术领域，尤其涉及一种水在套管上结垢的情况下套管结垢系数测定装置。

背景技术

紫外线(UV)是波长为100～400nm的电磁辐射，其中，波长为253.7nm的UV广泛应用于水的杀菌消毒和有机污染物氧化。常用的UV光源有低压汞灯、中压汞灯、发光二极管等。UV能够高效杀灭隐孢子虫和甲第鞭毛虫，不产生消毒副产物，构筑物占地面积小和运行操作简单等。因此，新建或改建水处理设施，特别是市政污水处理厂，UV技术正逐步取代传统化学消毒工艺，或与之相结合形成多屏障消毒系统。

UV水处理技术的效果(例如，消毒或者污染物氧化去除效果)取决于UV剂量。而实际运行中，UV剂量除受到紫外光源输出系数、和水的UV透过率的影响之外，还受到附着的用于容纳水的套管的内壁上的结垢的影响。套管结垢是容纳的套管中的水的成垢组分在物理、化学等多种作用力下，逐步附着在容纳水的套管表面的过程。由于套管结垢现象的存在，在UV反应器设计时，需要评估待处理水的套管结垢系数，以根据定套管结垢系数，准确评估实时UV剂量。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种套管结垢系数测定装置，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面的实施例，提供了一种套管结垢系数测定装置，包括：容器，上述容器内形成腔室；套管，放置在上述腔室内，上述套管的外壁与上述腔室的内壁之间形成容纳水的水通道，待测水在上述套管的外壁上形成结垢层；紫外光源，设置在上述套管内；第一传感器，设置在上述紫外光源和上述套管的内壁之间，上述第一传感器被构造成测量上述紫外光源所发出的紫外光的第一光强；第二传感器，设置在上述容器外部，上述第二传感器被构造成测量上述紫外光源所发出的紫外光经上述套管的管壁、上述结垢层、待测水和上述容器的容器壁之后的第二光强；以及处理器，与上述第一传感器和第二传感器电连接，上述处理器被配置成计算上述第一光强随时间的第一衰减系数、以及第二光强随时间的第二衰减系数，并根据第一衰减系数和第二衰减系数获得上述结垢层的结垢系数。

根据本发明实施例，上述处理器进一步被配置成根据第一衰减系数、第二衰减系数、和上述紫外光穿过所述紫外光源和第二传感器之间的待测水的穿透率获得上述结垢层的结垢系数。

根据本发明实施例，根据下面的公式，确定套管结垢系数：

其中，A、A₀为所述第一传感器测量的第一光强的实时值、初始值；B、B₀为所述第二传感器测量的第二光强的实时值、初始值；l是套管结垢系数测定装置的光程长，即所述套管与所述容器壁之间的距离；UVT为所述紫外光穿透待测水的穿透率。

根据本发明实施例，上述套管的开口端与上述容器壁的开口端大致对齐；上述套管结垢系数测定装置还包括适用于密封上述套管的开口端和上述容器的开口端的封头，上述第一传感器穿过上述封头插入上述套管中。

根据本发明实施例，在上述容器的下部和上部分别设置有进水口和出水口；上述套管结垢系数测定装置还包括：储液罐，上述储液罐分别通过进水管和出水管与上述进水口和出水口流体连通；以及泵，设置于上述出水管或进水口上。

根据本发明实施例，控制上述泵的转速，使得待测水的流速在容器内的最低流速为8厘米/秒。

根据本发明实施例，上述储液罐的罐壁包括内壁和外壁，上述内壁适用于容纳待测水，上述外壁和内壁之间的空腔适用于容纳恒温水。

根据本发明实施例，还包括温度控制装置(11)，上述温度控制装置设置成控制上述恒温水的流速或者流量，使得上述待测水的温度保持在5℃～30℃的范围内。

根据本发明实施例，上述套管由石英制成。

根据本发明实施例，上述容器壁由紫外线透过率为95％以上的石英制成。

根据本发明上述实施例提供的套管结垢系数测定装置，通过第一传感器、第二传感器分别同时测定第一光强和测定第二光强，处理器计算上述第一光强随时间的第一衰减系数、以及第二光强随时间的第二衰减系数，并根据第一衰减系数和第二衰减系数在线测定套管结垢系数。

附图说明

图1是根据本发明的一种示例性实施例的套管结垢系数测定装置的示意图；以及

图2是根据本发明的一种示例性实施例的套管结垢系数测定装置的测定实验的结果。

附图标记：

1-紫外光源，

2-套管，

21-结垢层

3-容器，

31-腔室

4-第一传感器，5-第二传感器，6-处理器，7-储液罐，8-泵，9-进水口，10-出水口，11-温度控制装置，12-封头，13-出水管，14-进水管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本申请的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本申请的概念。在附图中示出了根据本申请实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。

一般的，套管结垢与容纳在套管中的待处理水的水质成分、水体流速、套管材料性质、套管表面温度和结垢时间等因素密切相关，是动量传递、质量传递和热量传递等多种过程综合作用的结果。由于套管结垢现象的存在，在UV反应器设计时，需要评估待处理水的套管结垢系数，同时考虑紫外光源的输出系数、水UV透过率和保险系数，准确设计UV反应器以达到水的处理效果。同时，在UV反应器实际运行中，也需要在线测定套管结垢系数，以准确评估实时UV剂量。

根据本发明一方面总体上的发明构思，提供了一种套管结垢系数测定装置，包括：容器，容器内形成腔室；套管，放置在腔室内，套管的外壁与所述腔室的内壁之间形成容纳水的水通道，待测水在套管的外壁上形成结垢层；紫外光源，设置在套管内；第一传感器，设置在紫外光源和套管的内壁之间，第一传感器被构造成测量紫外光源所发出的紫外光的第一光强；第二传感器，设置在容器外部，第二传感器被构造成测量紫外光源所发出的紫外光经套管的管壁、结垢层、待测水和容器的容器壁之后的第二光强；以及处理器，与第一传感器和第二传感器电连接，处理器被配置成计算第一光强随时间的第一衰减系数、以及第二光强随时间的第二衰减系数，并根据第一衰减系数和第二衰减系数获得结垢层的结垢系数。

本发明实施例提供的结垢系数测定装置利用第一传感器、第二传感器分别测定第一光强和测定第二光强，可以在线评估各种实际水体的套管结垢系数(如自来水、二次供水、海洋馆水和二沉池出水等)，能够在线测定套管结垢系数。通过在线、准确测定套管结垢系数，再根据实际的情况，考虑保险系数，为反应器的设计、运行维护提供重要依据。

图1示意性示出了根据本公开实施例的套管结垢系数测定装置。

在一种示例性实施例中，如图1所示，套管结垢系数测定装置，包括：紫外光源1、套管2、容器3、第一传感器4、第二传感器5、和处理器6。容器3所述容器内形成腔室31。套管2放置在所述腔室内，所述套管的外壁与所述腔室的内壁之间形成容纳水的水通道，待测水在所述套管的外壁上形成结垢层21。紫外光源1设置在所述套管内。第一传感器4设置在所述紫外光源和所述套管的内壁之间，所述第一传感器被构造成测量所述紫外光源所发出的紫外光的第一光强。第二传感器5设置在所述容器外部，所述第二传感器被构造成测量所述紫外光源所发出的紫外光经所述套管的管壁、所述结垢层、待测水和所述容器的容器壁之后的第二光强。处理器6与所述第一传感器和第二传感器电连接，所述处理器被配置成计算所述第一光强随时间的第一衰减系数、以及第二光强随时间的第二衰减系数，并根据第一衰减系数和第二衰减系数获得所述结垢层的结垢系数。

在一种实施例中，紫外光源1采用的是紫外(UV)低压汞灯，紫外(UV)低压汞灯插入外径为23mm的套管2内，套管2安装于外径为40mm的容器3轴线上。紫外(UV)低压汞灯、套管2和容器3组成紫外(UV)反应器，紫外(UV)反应器的有效容积约为200mL。处理器6与第一传感器4和第二传感器5通过电路相连接，每隔2分钟，第一传感器4和第二传感器5将检测到的紫外(UV)光信号转化为电信号，储存在处理器中。

根据本发明的实施例，处理器6进一步被配置成根据第一衰减系数、第二衰减系数、和紫外光穿过紫外光源1和第二传感器5之间的待测水的穿透率获得结垢层的结垢系数。

根据本发明的实施例，根据下面的公式，确定套管结垢系数：

其中，A、A₀为第一传感器测量的第一光强的实时值、初始值；B、B₀为第二传感器测量的第二光强的实时值、初始值；l是套管结垢系数测定装置的光程长，即套管与容器壁之间的距离；UVT为紫外光穿透待测水的穿透率。

套管结垢系数(F)是污垢层两侧的UV光强之比，用以表示套管结垢程度，无法直接测得。套管结垢系数(F)在0～1之间，数值越大，则表示套管结垢程度越轻。本发明的实施例提供的套管结垢系数测定装置通过间接的方法测定套管结垢系数(F)，下面结合第一传感器4、第二传感器5的放置位置以及UV传播过程的衡算，介绍套管结垢系数(F)的推导过程。

如图1所示，第一传感器4安装在紫外光源1与套管2之间的间隙，由于其响应完全不受水UV透过率和套管结垢的影响，因此第一传感器4的监测的第一光强可用于根据公式(2)计算紫外光源1输出的紫外光的输出衰减系数N：

其中，A、A₀为第一传感器测量的第一光强的实时值、初始值，N＝1.00表示紫外光源输出的紫外光的光强没有发生变化，即相对于初始状态是稳定的。

第二传感器5放置在容器3的外部，例如紧贴容器3放置。由于第二传感器5测量紫外光源1所发出的紫外光经套管2的管壁、结垢层、待测水和容器3的容器壁之后的第二光强，因此第二传感器5的监测的第二光强可用于根据公式(3)计算紫外光源1输出的紫外光由于结垢导致的总体衰减系数(O)：

其中，B₀、B为第二传感器测量的第二光强的实时值、初始值。

在一种实施例中，通过安装多个第二传感器5，可以表征套管结垢的不均匀性，并减少套管结垢系数测定的误差。

水UV透过率是平行UV光束透过待测水的百分比，例如紫外光穿过1.0cm厚的待测水。水UV透过率的变化则会引起套管2和容器3之间UV传递剂量的变化。采用分光光度法，每隔一段时间，根据公式(4)测定待测水UV穿透率：

UVT＝10^-a (4)

其中，a为1.0cm厚度水的吸光度。

由于水UV透过率UVT、套管结垢系数F、紫外光的输出衰减系数N三者是互相独立的，那么处理器所获得的总体UV衰减O则是水UV透过率UVT、套管结垢系数F和紫外光的输出衰减系数N的乘积，即满足下述公式(5)：

O＝N×F×UVT (5)

对上述公式(5)进行数学变换，根据下面的公式(1)，确定套管结垢系数：

根据本发明的实施例，套管2的开口端与容器壁的开口端大致对齐；套管结垢系数测定装置还包括适用于密封套管的开口端和容器的开口端的封头12，第一传感器4穿过封头插入套管2中。

根据本发明的实施例，在容器的下部和上部分别设置有进水口9和出水口10。套管结垢系数测定装置还包括：储液罐7，储液罐分别通过进水管14和出水管13与进水口9和出水口10流体连通；以及泵8，设置于出水管13或进水口9上。

根据本发明的实施例，控制泵的转速，使得待测水的流速在容器内的最低流速为8厘米/秒。为了使光学系统的稳定，需要固定容器3、第一传感器4和第二传感器5的位置，防止移动造成测试数据的偏移。例如，可以将容器3横放于平板表面，利用铁丝绕过平板表面的孔洞，从而固定容器3。第一传感器4插入紫外光源1和套管2之间的缝隙。由于紫外光源1输出是不稳定的，一方面会随环境温度而变化，另一方面会随紫外光源的寿命而减小，第一传感器4由胶水粘附在紫外光源表面，用于监测紫外光源输出系数。第二传感器5的前端(图1中的左端)平放在容器3的表面，后端(图1中的右端)通过胶水黏附在与容器3等高的垫木上。

根据本发明的实施例，储液罐7的罐壁包括内壁和外壁，内壁适用于容纳待测水，外壁和内壁之间的空腔适用于容纳恒温水。

根据本发明的实施例，还包括温度控制装置11，温度控制装置设置成控制恒温水的流速或者流量，使得待测水的温度保持在5℃～30℃的范围内。待测水的运行模式为循环方式，为了防止紫外光源1向待处理水体散发热量而导致其温度不断上升，影响实验结果，需要通过温度控制装置11控制待测水体温度的恒定。

根据本发明的实施例，套管由石英制成。

根据本发明的实施例，容器壁由紫外线透过率为95％以上的石英制成。容器3由具有高紫外UV透过率的材料制作而成，使UV反应器内的UV能够透过容器3，从而被第二传感器5检测到。第二传感器5紧贴容器3处，用于监测UV反应器内总体UV变化系数。总体UV变化系数是由于灯输出、套管结垢、待测水UV透过率等综合作用的结果。

下面结合图1描述本发明实施例的套管结垢系数测定装置的操作过程。

开启紫外(UV)低压汞灯，等待15min，待灯输出达到稳定时，运行待处理水体。在容器3的下部和上部分别设置有进水口9和出水口10，进水口9和出水口10的内径都为8mm。待测水体置于有效容积为5L储液罐7中，通过泵8经硅胶管输送至进水口9，流经腔室31，通过出水口10经硅胶管返回至储液罐7中，由此水经历了首先从储液罐7的出水管13流出，接着经过泵8后通过进水口9流经腔室31，然后流过出水口10，最后通过进水管14回到储液罐7的完整循环。

下面结合具体实例对利用本发明实施例的套管结垢系数测定装置测定自来水的套管结垢系数的结果进行详细说明。

本实例以pH为7.67，Ca²⁺浓度为42.3mg/L，碱度99.7mg/L CaCO₃，Fe³⁺浓度为0.02mg/L的自来水为待处理水体，自来水的流量保持为2L/min，在本发明实施例提供的套管结垢系数测定装置中进行套管结垢实验，评估套管结垢系数，实验结果如图2所示。

如图2所示，第一光强(灯输出)在为期10天的过程中，先略微上升，之后略微下降，变化范围不超过5％。自来水的水UVT保持在95％以上，没有呈现出太大的变化。套管结垢程度在呈现逐渐下降的趋势，并且最后稳定在约为0.80左右，即套管结垢系数为0.80。

本发明实施例提供的结垢系数测定装置利用第一传感器、第二传感器分别测定第一光强和测定第二光强，可以在线评估各种实际水体的套管结垢系数(如自来水、二次供水、海洋馆水和污水厂二沉池出水等)，能够在线测定套管结垢系数。通过在线、准确测定套管结垢系数，再根据实际的情况，考虑保险系数，为反应器的设计、运行维护提供重要依据。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种套管结垢系数测定装置，包括：

容器(3)，所述容器内形成腔室(31)，所述容器的下部和上部分别设置有进水口(9)和出水口(10)；

套管(2)，放置在所述腔室内，所述套管的外壁与所述腔室的内壁之间形成容纳水的水通道，待测水在所述套管的外壁上形成结垢层(21)；

紫外光源(1)，设置在所述套管内；

封头(12)，适用于密封所述套管的开口端和所述容器的开口端；

第一传感器(4)，设置在所述紫外光源和所述套管的内壁之间，所述第一传感器穿过所述封头插入所述套管中，所述第一传感器被构造成测量所述紫外光源所发出的紫外光的第一光强；

第二传感器(5)，设置在所述容器外部，所述第二传感器被构造成测量所述紫外光源所发出的紫外光经所述套管的管壁、所述结垢层、待测水和所述容器的容器壁之后的第二光强，其中，所述第二传感器的前端平放在所述容器的表面，后端通过胶水黏附在与所述容器等高的垫木上，安装多个所述第二传感器表征套管结垢的不均匀性；

储液罐(7)，包括内壁和外壁，所述内壁适用于容纳待测水，所述外壁和内壁之间的空腔适用于容纳恒温水，所述储液罐分别通过进水管(14)和出水管(13)与所述进水口和出水口流体连通；

泵(8)，设置于所述出水管或进水口上；

温度控制装置(11)，所述温度控制装置设置成控制所述恒温水的流速或者流量，使得所述待测水的温度保持在5℃～30℃的范围内；以及

处理器(6)，与所述第一传感器和第二传感器电连接，所述处理器被配置成计算所述第一光强随时间的第一衰减系数、以及第二光强随时间的第二衰减系数，并根据第一衰减系数和第二衰减系数获得所述结垢层的结垢系数，包括：根据下面的公式，确定套管结垢系数：

其中，A、A₀为所述第一传感器测量的第一光强的实时值、初始值；B、B₀为所述第二传感器测量的第二光强的实时值、初始值；l是套管结垢系数测定装置的光程长，即所述套管与所述容器壁之间的距离；UVT为所述紫外光穿透待测水的穿透率。

2.根据权利要求1所述的套管结垢系数测定装置，其特征在于，所述处理器进一步被配置成根据第一衰减系数、第二衰减系数、和所述紫外光穿过所述紫外光源和第二传感器之间的待测水的穿透率获得所述结垢层的结垢系数。

3.根据权利要求1或2所述的套管结垢系数测定装置，其特征在于，

所述套管的开口端与所述容器壁的开口端对齐，所述第一传感器穿过所述封头插入所述套管中。

4.根据权利要求3所述的套管结垢系数测定装置，其特征在于，控制所述泵的转速，使得待测水的流速在容器内的最低流速为8厘米/秒。

5.根据权利要求1或2所述的套管结垢系数测定装置，其特征在于，所述套管由石英制成。

6.根据权利要求1或2所述的套管结垢系数测定装置，其特征在于，所述容器壁由紫外线透过率为95％以上的石英制成。