一种换热设备污垢生长实时监测装置

1.本实用新型涉及污垢特性监测技术领域，具体为一种换热设备污垢生长实时监测装置。


背景技术：

2.污垢是一种极为普遍的现象，它广泛存在于自然界、日常生活和各种工业生产过程中。长期以来，换热设备的结垢问题一直困扰着人们，据调查90%以上的换热设备都存在不同程度的污垢问题。污垢是热的不良导体，其导热性能一般只有碳钢的1/30
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1/50。污垢一旦在换热面上形成，就会使传热表面的热阻明显增大，其传热性能被严重恶化。污垢在管道上的沉积还将减小流通面积、增加流动阻力，迫使流体输送设备增加功率，进而增加了能源消耗。污垢的沉积常常引起设备局部过热或超温而导致机械性能下降，引发鼓包、爆管等事故。污垢还常常使金属换热面出现垢下腐蚀和热点腐蚀，严重威胁换热设备的安全运行。污垢的存在同时增加了初始投资和运行维护的费用。综上所述，污垢广泛存在于换热设备中且危害巨大，因此通过研究污垢晶体的生长规律来抑制和消除污垢具有重要的理论意义和实用价值。
3.换热设备结垢不仅是一个能量传递、动量传递和质量传递的过程，而且往往涉及化学反应及多种物理化学过程，这使得换热设备污垢的研究难度增大，进展缓慢。最早的污垢观察和研究报告出现于上世纪二十年代，但直到上世纪七十年代初，污垢仍然被认为是“传热中未被解决的主要问题”。epstein 在第六届国际传热大会上做了污垢问题的专题报告，对1960
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1978年间的170多篇污垢研究文献进行了全面系统的评述，按引起污垢沉积的主要物理/化学过程，将污垢分为六大类：结晶污垢、微粒污垢、化学反应污垢、腐蚀污垢、微生物污垢和凝固污垢，并重点讨论了描述污垢的沉积
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再夹带模型。basim等研究发现：不论污垢的形成机理如何，污垢热阻都受到污垢生长特征及污垢层特征的影响。因此，能够在不同工况下，实时观测到单个污垢的生长情况及污垢层的特征对于研究污垢的形成机理及抑制方法非常有效。
4.现有技术污垢生长的监测系统需要将测试板或测试管取下进行称重和形貌的电镜分析，换热面上的污垢离开溶液环境就会死亡，现有系统能够测试到的是不同时刻不同污垢的生长情况，并不能测出单个污垢的实时生长情况，所得实验结果不能用于污垢生长的精细化研究。
5.现有技术还有通过超声的方法得到不同时刻污垢的大致形貌和生长状态，但是超声装置的使用破坏了单个污垢的生长状态和生长环境，造成原有污垢将不再按照原来的生长路径生长，超声装置不能得到单个污垢的实时形貌和生长特征。
6.目前还没有在不破坏污垢生长环境的状态下实时监测单个污垢生长特征和形貌的装置。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的在于提供一种换热设备污垢生长实时监测装置，可监测如碳酸钙污垢、硫酸钙污垢或氢氧化镁污垢等不同类型污垢在管路不同位置及污垢生长不同阶段的生长特性、晶体大小及垢层特点。
8.为解决上述问题，本使用新型一种换热设备污垢生长实时监测装置包括有微流道组件，微流道组件包括有板ⅰ、板ⅱ、板ⅲ、板ⅳ和板
ⅴ
，板ⅰ、板ⅱ、板ⅲ、板ⅳ和板
ⅴ
由上到下一次连接，板ⅰ上设有视窗，板ⅲ设有实验流体流道，板
ⅴ
上设有热流体流道，实验流体流道设在热流体流道正上方，视窗设在实验流体流道正上方，实验流体流道一侧为实验流体入口，实验流体流道另一侧为实验流体出口，热流体流道一侧为热流体入口，热流体流道另一侧为热流体出口，实验流体流道内实验流体的流向与热流体流道内热流体的流向相同。
9.进一步的，所述的视窗在板ⅰ上设有多个，多个视窗线性布设，靠近实验流体入口的视窗的边缘与实验流体入口之间的距离大于10倍的实验流体流道的截面直径，靠近实验流体出口的视窗的边缘与实验流体出口之间的距离大于10倍的实验流体流道的截面直径。
10.进一步的，所述的板ⅰ材料为金属板，不透光；所述的板ⅱ材料为透明有机玻璃；所述的板ⅲ材料为聚丙烯或聚四氟乙烯；所述的板ⅳ为测试板；板
ⅴ
材料为聚四氟乙烯。
11.进一步的，所述的板ⅰ、板ⅱ、板ⅲ、板ⅳ和板
ⅴ
的四角处均设有固定孔，固定孔内连接有螺栓，板ⅰ、板ⅱ、板ⅲ、板ⅳ和板
ⅴ
通过固定孔内的螺栓及螺母连接在一起；板ⅰ、板ⅱ、板ⅲ、板ⅳ和板
ⅴ
之间还涂抹有玻璃胶。
12.进一步的，还包括有实验流体供应系统，实验流体供应系统包括有阴离子水箱和阳离子水箱，阳离子水箱入口通过管道连接有供压泵，供压泵出口通过管道连接有流量计，流量计出口通过管道连接有离子加热器，阴离子水箱出口通过管道连接有供压泵，供压泵出口通过管道连接有流量计，加热器的出口与阴离子水箱连接的流量计的出口通过管道连接有混合器，混合器出口通过管道连接在实验流体入口上，混合器出口的管道上设有温度传感器。
13.进一步的，所述的实验流体出口和热流体出口上连接有温度传感器。
14.进一步的，所述的实验流体中阴离子为co
32
‑
和so
42
‑
,实验流体中阳离子为ca
2+
。
15.进一步的，还包括有热水供应系统，热水供应系统包括有自来水入口，自来水入口通过管道连接有泵，泵出口通过管道连接有流量计，流量计通过管道出口连接有电加热器，电加热器通过管道出口连接有汽水分离器，汽水分离器出口通过管道连接在热流体入口上，汽水分离器出口的管道上设有温度传感器
16.进一步的，还包括有成像监测系统，成像监测系统包括有三目体视显微镜、摄像机、数据记录仪和计算机，三目体视显微镜设在视窗上方，视窗上方还设有光源，三目体视显微镜中的两个目镜用于使用肉眼观察污垢形貌特征，三目体视显微镜中的另一个目镜与摄像机连接，摄像机与数据记录仪数据连接，数据记录仪与计算机数据连接。
17.进一步的，所述的成像监测系统还包括有数码相机，三目体视显微镜其中一个目镜与数码相机连接。
18.本实用新型的有益效果是：包括有微流道组件，微流道组件包括有板ⅰ、板ⅱ、板ⅲ、板ⅳ和板
ⅴ
，板ⅰ、板ⅱ、板ⅲ、板ⅳ和板
ⅴ
由上到下一次连接，板ⅰ上设有视窗，板ⅲ设有实验流体流道，板
ⅴ
上设有热流体流道，实实验流体流道内实验流体的流向与热流体流道
内热流体的流向相同，本实用新型实验时不取出测试板，不造成污垢生长环境的改变，保证每次测量的是同一个污垢个体；不引入外部力场，如超声、电场、磁场等，避免外部力场对污垢生长的影响，保证单个污垢按照原有生长路径生长；不影响污垢生长微环境的条件下，完成多组单个污垢生长的实时监测。
附图说明
19.图1为本实用新型结构示意图；
20.图2为本实用新型微流道组件俯视图；
21.图3为本实用新型图2的a
‑
a剖视图；
22.图4为本实用新型图2中b
‑
b剖视图；
23.图5为本实用新型成像系统结构组成图。
24.图中：1.阴离子水箱；2.阳离子水箱；3.供压泵；5.流量计；7.混合器；8.离子加热器；9.自来水入口；11.电加热器；12.汽水分离器；13.温度传感器；14.实验流体入口；15.热流体入口；16.视窗；17.微流道组件；18.成像监测系统；19.光源；20.固定孔；21.板ⅰ；22.板ⅱ；23.板ⅲ；24.板ⅳ；25.板
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；26. 实验流体流道；27. 热流体流道。
具体实施方式
25.如图1
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图5所示，本实用新型一种换热设备污垢生长实时监测装置包括有微流道组件17，微流道组件17包括有板ⅰ21、板ⅱ22、板ⅲ23、板ⅳ24和板
ⅴ
25，板ⅰ21、板ⅱ22、板ⅲ23、板ⅳ24和板
ⅴ
25由上到下一次连接，板ⅰ21上设有视窗16，板ⅲ23设有实验流体流道26，板
ⅴ
25上设有热流体流道27，实验流体流道26设在热流体流道27正上方，视窗16设在实验流体流道26正上方，实验流体流道26一侧为实验流体入口14，实验流体流道26另一侧为实验流体出口，热流体流道27一侧为热流体入口15，热流体流道27另一侧为热流体出口，实验流体流道26内实验流体的流向与热流体流道27内热流体的流向相同。
26.进一步的，所述的视窗16在板ⅰ21上设有多个，多个视窗16线性布设，靠近实验流体入口14的视窗16的边缘与实验流体入口14之间的距离大于10倍的实验流体流道26的截面直径，靠近实验流体出口的视窗16的边缘与实验流体出口之间的距离大于10倍的实验流体流道26的截面直径。
27.进一步的，所述的板ⅰ21材料为金属板，不透光；所述的板ⅱ22材料为透明有机玻璃；所述的板ⅲ23材料为聚丙烯或聚四氟乙烯；所述的板ⅳ24为测试板；板
ⅴ
25材料为聚四氟乙烯。
28.进一步的，所述的板ⅰ21、板ⅱ22、板ⅲ23、板ⅳ24和板
ⅴ
25的四角处均设有固定孔20，固定孔20内连接有螺栓，板ⅰ21、板ⅱ22、板ⅲ23、板ⅳ24和板
ⅴ
25通过固定孔20内的螺栓及螺母连接在一起；板ⅰ21、板ⅱ22、板ⅲ23、板ⅳ24和板
ⅴ
25之间还涂抹有玻璃胶。
29.进一步的，还包括有实验流体供应系统，实验流体供应系统包括有阴离子水箱1和阳离子水箱2，阳离子水箱2入口通过管道连接有供压泵3，供压泵3出口通过管道连接有流量计5，流量计5出口通过管道连接有离子加热器8，阴离子水箱1出口通过管道连接有供压泵3，供压泵3出口通过管道连接有流量计5，加热器8的出口与阴离子水箱1连接的流量计5的出口通过管道连接有混合器7，混合器7出口通过管道连接在实验流体入口14上，混合器7
出口的管道上设有温度传感器13。
30.进一步的，所述的实验流体出口和热流体出口上连接有温度传感器13。
31.进一步的，所述的实验流体中阴离子为co
32
‑
和so
42
‑
,实验流体中阳离子为ca
2+
。
32.进一步的，还包括有热水供应系统，热水供应系统包括有自来水入口9，自来水入口9通过管道连接有泵，泵出口通过管道连接有流量计5，流量计5通过管道出口连接有电加热器11，电加热器11通过管道出口连接有汽水分离器12，汽水分离器12出口通过管道连接在热流体入口15上，汽水分离器12出口的管道上设有温度传感器13
33.进一步的，还包括有成像监测系统，成像监测系统包括有三目体视显微镜、摄像机、数据记录仪和计算机，三目体视显微镜设在视窗16上方，视窗16上方还设有光源19，三目体视显微镜中的两个目镜用于使用肉眼观察污垢形貌特征，三目体视显微镜中的另一个目镜与摄像机连接，摄像机与数据记录仪数据连接，数据记录仪与计算机数据连接。
34.进一步的，所述的成像监测系统还包括有数码相机，三目体视显微镜其中一个目镜与数码相机连接。
35.微流道组件17考虑了压降、温度、视窗的位置、出入口效应、保温、透光性等因素，本实施例中板ⅳ24为测试板的总尺寸为30mm
×
800mm，实际使用时可根据实际工况确定尺寸，板ⅰ21、板ⅱ22、板ⅲ23、板ⅳ24和板
ⅴ
25的四角处均设有固定孔20并通过螺栓螺母固定。为了观察测试板不同位置处的污垢生长特征，在板ⅰ21前端、中端、后端各开有一个视窗16，视窗16可根据实验要求在布设多个视窗，本实施例中视窗16的大小为8mm
×
8mm，视窗16大小可根据污垢晶体的种类而定，为了减小出入口效应的影响，前端和后端视窗距离进口和出口的距离为60mm，远远大于十倍的流道直径，可以忽略出入口效应的影响。本实施例中，板ⅰ21材料为304不锈钢，厚度1.5mm；板ⅱ22材料为透明有机玻璃，厚度1mm；述的板ⅲ23材料为聚丙烯或聚四氟乙烯，厚度1.5mm，实验流体流道26的截面为矩形，尺寸为1.5mm
×
6.5mm；板
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25材料为聚四氟乙烯，热流体流道27的截面为矩形，尺寸为5mm
×
8mm。
36.阳离子水箱2提供的阳离子经过加热后和阴离子水箱1提供的阴离子通过混合器7进行混合后得到实验流体，实验流体的流速可通过流量计5进行调节，两个供压泵3能够随意调控进液量；离子加热器8用于加热阳离子溶液，以防止阴阳离子混合后在未进入测试流道之前出现沉淀物；温度传感器13用于实时监测两个流道的进出口温度，温度是污垢生长快慢的决定性因素，是数据分析的重要依据。
37.热水供应系统将自来水加热到一定温度，温度可调40℃
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95℃，汽水分离器12可以将电加热器加热过程中产生的气泡从热水中分离出去。热水的流速通过流量计调节，由于自来水的压力较高且可调节，因此热水的流速可在较大范围内进行调控，一般为0.1m/s
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5 m/s。
38.成像监测系统是观察污垢生长并记录相关污垢特征的主要部件，系统的分辨率、记录时间、照片质量、数据处理和保存功能关系到污垢生长动态监测的准确性和完整性。本实施例中成像系统主要包括有凤凰光学集团有限公司的三目体视显微镜，型号为xtl
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165，凤凰光学集团有限公司的ccd摄像机型号为mc
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d500u，尼康d5600数码相机，深圳市华盛昌科技实业股份有限公司的数据记录仪，型号为dt
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176cv2。三目体视显微镜可以调节工作距离，放大倍数能够达到250倍，两个目镜用于肉眼观察污垢的形貌特征，另一个目镜用于连接ccd摄像机，实时动态记录污垢的生长特征，摄像机的另一端连有数据记录仪，数据记录
仪将数据导入计算机，可以通过计算机观测到污垢的形貌特征。另外，目镜还可以连接数码照相机，在需要污垢形貌的高清图片时，进行拍摄。获得的高清图片可用来定性分析污垢的生长特征，图片进行定量化处理就可以获得污垢的具体质量。另外，成像监测系统的设备可以随着显微镜的发展进行升级，获得更加高分辨率的图像。
39.光源19为不产生阴影的光源，用于照亮视窗，使显微镜取得好的成像效果。