CN1139742A - 使用外部电极的自激流体处理装置 - Google Patents

Abstract

一种用于处理流过管道的流体来防止在管道上沉积钙和镁结垢的方法和装置，例如，在流体流过的电绝缘的管状部件的外周表面上布置具有不同电化学势的导电材料的正负电极。因为电极布置不与流体物理接触，所以电极对流体不施加阻碍，并且电极不被流体中可能携带的微粒所刮擦磨损。虽然如此，电容效应通过流体本体在电极之间建立一个导电连接，因此流体被电离。

Description

使用外部电极的自激流体处理装置

本发明涉及一种处理导电流体即具有某种导电能力的流体的方法和装置。具体来说，本发明涉及一种利用置于流体通路外部的电极在流体通过该通路时来电离流体的自生装置。

使用有不同电化学势的导电材料和电极的自激流体处理装置为人所知。术语自激指的是这些装置不使用外部电源这个事实。在这些装置中，待处理流体流过电极，据此通过流体本体在电极之间建立导电连接。在某些这种装置中，电极成为流体流动的障碍。此外，因为电极是暴露在流体流之中，电极要受到相当大程度的磨擦和/或磨损，尤其当流体携载有不溶解微粒时。再者，受流体性质的支配，电极的导电材料会因为电解作用而腐蚀。

具有不同电化学势的电极的已知自生装置之一在美国专利号5,234,555中公开。在该装置中，电极的导电材料配以电绝缘涂层用作将流体和电极的导电材料隔离开。本发明人的数年研究发现，流体处理的理想条件是在电极之间有电压势唯一条件(voltagepotential only cond ition)在建立这个条件时将通过流体的电流限制到绝对最小是必须的。像美国专利5,234,555中所公开的那样利用电绝缘材料和电极余层在实现上述电压势唯一条件时提供一种有效的和可靠的方法。

人们知道用作电极涂层的塑料是不理想的电绝缘体，于是电子总会通过塑料而不论这种漏泄会是如何小。甚至最小量的电子也足够在不同电化学势的电极之间产生电压势。再者，本发明人的研究表明在通过流体的电流减小而维持电压势唯一条件时，流体处理变得更加有效。

然而，有涂层的电极仍然布置在流体流管道之内。因此，该装置经受上述种种问题的困扰。特别地，塑料涂层尤其要受到悬浮有固体微粒的工业用水的磨损和刮擦，因此把电极暴露在流体之中要导致效率上的损失。这个问题并不能靠增加涂层厚度而有效地得到解决，因为这种措施反过来带来诸如减少流体面积和增加制造成本的问题。

虽然在现有技术下保持电极与流体流不接触为人所知，但是电极仍然连接到外部电源。在这种情况下，电极的导电材料不需要具有不同的电化学势。

本发明的一个目的是通过提供一种流体处理装置和方法来解决上述种种问题，在这种装置和方法中电极不阻碍流体流并且不与流体物理接触从而不会被流体磨损或腐蚀。

为了实现这些目的，本发明提供一种处理流体的方法和装置，其中正负电极布置在电绝缘材料的管状部件的外围表面上，待处理流体只通过管状部件的内部流过从而不与电极物理接触。管状部件可以有一层厚壁，并且限定一个光滑平直的流体通路来防止流体成为激流。对装置刮擦的影响因此能达到最小，相应地增加了装置的工作寿命。

正负电极的导电材料具有不同的电化学势。例如，正电极的导电材料可以是碳而负电极的导电材料可以是铝。

正负电极的导电材料布置在电绝缘材料(塑料)的管状部件的外围表面上相互最接近处。电极可以相互隔离(开路条件)、用一个电阻器导电连接、或者通过直接物理接触导电连接。电路条件将根据特定应用或运行要求来选择。此外，电极沿管状部件的轴线方向，即流动方向，布置的次序也将根据本发明所用于的特定处理类型来选择。

参阅以下附图所作的详细描述，对那些本领域技术人员来讲，本发明的这些和其它目的、特点和优点将会变得是更加显而易见。其中：

图1是按照本发明的用于处理导电流体的装置的第一实施例的主要部分的透视图；

图2是按照本发明的用于处理导电流体的装置的第二实施例的主要部分的透视图；

图3是使用图1所示的主要部分的按照本发明的用于处理导电流体的装置的透视图，部分用剖面图表示；

图4是图2所示实施例的改进形式的透视图；

图5是对按照本发明的图4实施例作过处理的水样本所作试验的曲线图；以及

图6是对未作处理的水样本所作相同试验的曲线图。

图1示出了本发明的主要部分，其中标号1表示电绝缘材料(塑料)的管状部件，2表示导电材料的正电极，3表示导电材料的负电极，正电极2和负电极3的导电材料具有不同的电化学势。

待处理的流体以箭头所示的任一方向只通过管状部件1内周表面所限定的流体通路汉过。也就是说，实线箭头表示流体首先通过正电极2然而通过负电极3流过管状部件1。相反地，虚线箭头表示流体以另一方向流动，从负电极3到正电极2。如上所述，与正电极2和负电极3有关的流体方向将根据所要进行的特定处理来选择。

在图2实施例中，多个正负电极布置在管状部件1的外周表面。正电极2、2’和负电极3，3’沿管状部件1的轴线方向，即流体流方向，交替布置。此外，多个箭头表示这种布置有多种应用，其中流体可以沿任一方向流动。

图3示出一个可以容易地串联安置在待处理流体流过的管道之中的实施例。在该图中，标号5表示一个在它的相对端设有法兰的管道。这些法兰有螺栓孔，螺栓能够通过这些螺栓孔插入，将该装置固定到流体管道中对应的法兰上。标号6表示在管状部件1的外周表面和管道5的内周表面之间形成的密封的密封部件。换句话说，密封部件6在管道5的相对端内的开口处密封了正电极2和负电极3，由此流过与图中所示装置相连接的管道的流体将仅在管状部件1的内周表面所限定的流体通路之内流过该装置。标号7表示连接正电极2和管道的接地线，由此正电极2通过管道5接地。流体通路至少有与流体管道相等的直径，因此管状部件本身不会阻碍流体流。

正电极2接地并不总是必须的。已经发现在正电极很小时，它很快变得电子饱和，导致装置效率降低。正电极接地排去电子，因此使很小的元件亦十分有效。然而对较大的元件正电极相应地大，正电极接地可以省去。在这种情况下，正电极的较大表面积便于足够数量的电子散去，由此维持了其性能水平。

如上所述，在图2实施例中正负电极是交替布置的。指定流体通过电极的次序的精神已在美国共同申请07/916,254中相关主题中论及，这里提及以供参考。然而，本发明并不是局限于这样一种布置。沿管状部件轴线方向所视在外周表面上的电极次序可以是负电极、正电极、正电极、负电极，如图4实施例所示。通过实验本发明人发现，在极其困难或罕见运行条件下，比如在流体通过该装置之后用电加热方法加热到60℃以上，尤其是流体用浸入式加热器加热时，以各种次序布置电极会提供各种有用的效果和适当的性能。

本发明人通过完成下述试验证实了本发明的效果和效率。

首先，本发明的效果试验如下。

从初始电导率为249μs/cm的流体本体中提取两个相同的样本，其中一个样本让其通过图2实施例的管状部件，而另一个样本留下不作处理。

两个样本放置在共同的热水槽之中，并使其蒸发直到样本达到它们初始浓度五倍的预定浓度。对未经处理的流体的浓缩样本的电导率进行测量，确定是928μs/cm。另一方面，通过按照本发明的图2实施例的流体的浓缩样本的电导率是968μs/cm。按照本发明作过处理的水因而有比未经处理的水高得多的剩余电导率水平。它表明本发明减少了总计40μs/cm的沉淀。

其次，本发明的效率通过把按照本发明的装置和在美国专利4,902,391中所公开的装置相比较进行试验。按照美国专利4,902,391所公开的装置使用了一个铝负电极和一个碳正电极，它们相互电气隔离。从上述相同的流体本体中提取一个样本，并让其通过按照美国专利4,902,391制造的装置，藉此流体与正负电极得到接触。经过处理的水然后也放置在上述相同的热水槽之中，并使其蒸发直到它达到初始水样本浓度五倍的浓度。

对经过按照美国专利4,902,391制造的装置处理过的浓缩样本的电导率进行测量，测量显示955μs/cm的电导率。这个值要小于测量按照本发明处理过的流体的电导率所得到的值968μs/cm。因而本发明比现有美国专利4,902,391中所公开的那个装置更有效。

确切地说，因为本发明显示减少了40μs/cm的电导率损失，而按照美国专利4,902,391制造的装置的相应值只是13μs/cm，因此本发明的效率比美国专利4,902,391的发明高48％。

本发明的第二个效果试验亦完成，并且该试验的结果示于图5和图6中。

这些试验中所用的水在21.6℃时电导率为372μs/cm(25°时为400μs/cm)。三升这种水用作未经处理的样本，而三升让其通过按照本发明的图4实施例并注入到一个容器中。

每三升未经处理的和由图4实施例处理过的样本在一个配有浸入式电加热元件的小不锈钢锅炉中加热。该锅炉还装配了一组15根垂直伸出超过一米长的不锈钢管道。这些管道每个都有一个10mm的钻孔，它们作为冷凝器管以凝结在加热样本时产生的蒸汽，并将凝结水排回到锅炉之中。这样就维持了相同的水体积，因此在记录样本的PH、电导率和温度时维持了恒定的条件，从而消除了因蒸发损失不同的水而造成的试验条件的不同。

首先，未经处理的水样本在锅炉中承受加热循环，将温度升高到93℃然后让其冷却到87℃连续三次。如上所述，在加热循环过程中测量PH、电导率和温度。然后从锅炉中倒出未经处理的样本并随之将锅炉彻底清洗以除去所有沉淀残迹。

然后，将按照本发明的图4实施例处理过的水样本放置在相同的锅炉中并承受相同的加热循环。在该样本通过按照本发明的装置之后过去大约20分钟再打开电加热器以便有时间让PH值稳定。

比较两个图中的曲线图，图5曲线图中的PH线比图6曲线图中的PH线维持在一个较高的水平(碱性)，图6曲线图中的PH线降低则表示较强的酸性条件。

图5曲线图的电导率线也比图6曲线图的电导率线维持在一个较高的水平，因此表示经过图4装置处理过的水的溶性含量的沉淀减少了。在图5的曲线图中，电导率线显示了在第一个峰点值下有28μs/cm的损失，而图6曲线图的电导率线显示了在第一个峰点值下有34μs/cm的损失。这个电导率差别表示在相同的条件下本发明的装置使水的溶性含量的沉淀减少了36μs/cm。虽然这个值似乎相对太小，但是本发明人注意到了其它大概是由于本发明所处理的流体的电离所带来的积极因素。例如，本发明人发现在浸入式加热元件上所形成的结垢在加热经本发明处理过的水时要比加热未经处理的样本时少得多。此外，该结垢非常柔软且易于冲洗，而加热未经处理的水所形成的结垢则沉重、质地更坚硬，并且难于清洁加热元件的表面层。

这一点应该也是十分明显的，即将三升很小的试验样本从外界温度加热到93℃所强加的条件要比本发明所要用于的绝大多数实际环境所强加的条件苛刻得多。因此，虽然上述试验表示了一个相对小的6μs/cm改善，但是在实际运行条件下所减少沉淀实事上会大得多。如果注意到这些试验是在实验室内在很短时间中进行的，而本发明将要逗留在流体管道中数年内连续运行，这一点就尤为确定。由短期试验所显示的甚至是很小的变化，其长期效果亦会提供非常有效的流体处理结果(在防止钙和镁结垢沉积的情况下)。

最后，谈及上述试验，注意到图5曲线图中的温度线从峰点1至峰点3有一个周期时间，它比图6曲线图中的温度线的相同周期短大约1分钟。

上面的试验显示了本发明的效果和效率而没有充分解释本发明在运行中所遇到的复杂性。在证实本发明的运行主旨时本发明人已经考虑了各种各样的因素。例如，本发明人注意到在流体沿管状部件的内周表面流过时由于摩擦作用要产生电荷。还有电极的“逸出功”或“费米功”要加以考虑。本发明人认为这些能量与流体在电极之间所建立的导电连接相结合会在流体内产生共振效应。

虽然已经结合附图中的优选实施例对本发明作了全面的描述，但是必须注意到，对本领域普通技术人员来讲，许多更改和改进将变得显而易见。例如，虽然上文内容描述了本发明处理水来防止在一个水密封系统内形成钙和/或镁结垢，但是本发明并不局限于此，还可以用于处理其它流体。例如，因为电极不与流体物理接触，即使是腐蚀性流体如酸、碱等也可以实施本发明来作处理。由于类似的原因，本发明非常适合处理饮料、浆状食物、医疗流体等需要避免污染的流体。本发明也可以用于处理溶剂、石油、燃料(用于促进燃烧)或帮助调配两种不同的流体。因此，这样的更改和改进看得出是在附加权利要求书中所限定的本发明的正当精神和范围之内。

Claims (5)

1.一种用于处理导电流体的装置，所述装置包括：

一个电绝缘材料的管状部件，有一个限定流体通路的内周表面和一个外周表面；以及

不用外部电源的用于产生电势的自生装置，所述自生装置包括一个正电极和一个负电极，

所述正电极是导电材料的并且布置在所述管状部件的外周表面上，

所述负电极是导电材料的并且布置在所述管状部件的外周表面上，并且

所述电极的导电材料具有不同的电化学势，因此在待处理的导电流体在该装置中流过所述流体通路时，通过流体本体在所述电极之间建立一个导电连接。

2.如权利要求1所述的装置，还进一步包括一个有相对端的管道和在所述相对端处的法兰，所述管状部件布置在所述管道之内，并且所述电极在该相对端处从所述管道的开口部分所密封。

3.如权利要求2所述的装置，还进一步包括一个连接所述正电极和所述管道的接地线。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述正电极的导电材料是碳，以及所述负电极的导电材料是铝。

5.一种处理导电流体的方法，所述方法包括：

提供一个电绝缘材料的管状部件，其有一个限定流体通路的内周表面和一个外周表面，与流体管道串联，因此流过所述管道的流体将只通过所述流体通路流过所述管状部件；以及

在管状部件的外周表面上提供一个导电材料的正电极而不利用任何外部电源来产生一个电势，

在管状部件的外周表面上提供一个导电材料的负电极，电极的导电材料具有不同的电化学势，以及

使得导电流体本体流过管道并由此仅在电绝缘材料和管状部件之内，因此通过流体本体在电极之间建立一个导电连接。

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