[發明專利]在流體處理應用中確定表面上的水垢厚度的裝置和方法

在審

• 申請號: 201780070334.8
• 申請日: 2017-09-08
• 公開（公告）號: CN109952507A
• 公開（公告）日: 2019-06-28
• 發明（設計）人: T·L·布利斯;T·F·帕特森
• 申請（專利權）人: 索理思科技公司
• 主分類號: G01N29/07
• 分類號: G01N29/07;G01B15/02;G01B7/06;G01N29/44;G01N17/00
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 過曉東

提供用于確定暴露于液體介質的表面上的累積水垢的厚度的裝置和方法。更具體地，其為用于確定水處理應用中的冷表面或熱表面上的水垢(諸如，鈣垢或鎂垢以及碳酸鹽垢、草酸鹽垢、硫酸鹽垢或磷酸鹽垢)的可比累積的方法。

本申請要求2016年9月15日提交的美國臨時申請號62/394,888的權益，該美國臨時申請的全部內容在此以引用方式并入。

背景技術

本發明提供了一種用于確定暴露于液體介質的表面上的累積水垢(scale)的厚度的方法。更具體地，本發明涉及通過使用超聲波信號來確定工業水處理應用(例如冷卻塔、熱交換器和蒸發設備，諸如那些在工業市場和受管制市場中發現的設備)中的加熱或未加熱表面上水垢(諸如，鈣垢或鎂垢以及碳酸鹽垢、草酸鹽垢、硫酸鹽垢或磷酸鹽垢)的可比累積。

結垢形成主要是由于在處理的過飽和條件下存在的水性體系中存在溶解的無機鹽。當在熱傳遞設備(諸如熱交換器，冷凝器，蒸發器，冷卻塔，鍋爐和管道壁)中加熱或冷卻液體(往往是水)時，形成了鹽。溫度或pH的變化通過界面處不希望的固體材料的累積而導致結垢(scaling)和生垢(fouling)。在加熱表面上累積水垢會導致傳熱系數隨時間下降，并且將最終在嚴重生垢的情況下導致生產率無法得到滿足。最終，唯一的選擇往往是停止處理并執行清除。這需要停止生產以及使用昂貴的螯合劑或腐蝕性酸。由于生垢造成的經濟損失是所有涉及熱傳遞設備的行業中最大的問題之一。結垢是導致設備故障、生產損失、昂貴的維修、更高的運營成本和維護停工的原因。水垢可導致非熱傳遞問題，包括閥門或旋轉設備堵塞，由于水垢磨損導致的密合間隙表面磨損，由于與水垢相關的生物活動導致的腐蝕等。

在一些用于測量沒有熱傳遞的處理中的水垢累積的當前方法中，將電阻溫度檢測器(RTD)安裝在還含有超聲波發射器-接收器的探頭內。使用RTD來測量大致在進行超聲波厚度測量的點和時間處的整體水溫。然后，使用內部算法(即，數學模型)來校正由于體積或處理液體溫度變化而導致的通過水或其它液體介質的聲速的變化。然而，對超聲波速度與溫度的該估計可能不夠精確并且僅僅是部分校正，因為液體介質的變化(諸如鹽度的變化)可影響液體介質密度并因此影響聲波通過液體介質的速度。在整個申請中，處理液體和處理流體可互換使用。處理流體和處理液體在下文中還指工業流體和工業液體。

目前使用的超聲波測量方法未考慮由鹽度變化引起的液體密度差異，從而導致錯誤的水垢厚度指示。一些較新的超聲波水垢測量裝置測量溫度和電導率作為超聲波速度的預測因子，但是包含溫度和電導率的最佳可用的水中超聲波速度模型對于良好的超聲波水垢厚度測量而言不夠精確。該裝置的一種流行的建議應用是關于工業冷卻塔或自結垢處理，在所述工業冷卻塔或自結垢處理中預期電導率或密度或鹽組成具有大變化。在自結垢環境中，根據定義，形成水垢的鹽的濃度處于或高于其溶解度極限。在這種情況下，水密度以及由此超聲波速度受到電導率(鹽濃度的替代性測量)和鹽度性質(在相等ppm時，不同離子物質在不同程度上影響電導率)，以及溫度效應的影響。

美國專利申請號4,872,347涉及一種用于對熱傳遞管進行水垢厚度測量的自動超聲波檢查系統。然而，該方法涉及適于放入圓柱形集管中的插入管，并且包括管移動裝置、水泵、纜線、超聲波探頭和超聲波檢查單元。

由Labreck、Kass和Nelligan發表于ECNDT 2006-Mo.2.8.3中的文章“對蒸汽鍋爐管中的內部氧化皮的超聲波厚度測量(Ultrasonic Thickness Measurement of InternalOxide Scale in Steam Boiler Tubes)”；論述了使用超聲波技術測量蒸汽鍋爐管中的內部氧化皮(oxide scale)的厚度。然而，該方法使用示波器作為測量超聲波或聲學信號的手段，并且具有有限的靈敏度。最小可檢測的水垢厚度為125μm至250μm，其將導致冷卻水應用中的熱傳遞極端減少。本發明能夠檢測小于2-3μm厚的水垢。