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2023-11-23
电热式污垢监测法及其仪器分析
【摘要】：采用电热式污垢监测仪在线监测冷却水系统中发生的污垢或沉积物的情况。现以一种电热式污垢监测仪为例，介绍电热式污垢监测法。图4-11 电热式污垢监测仪的结构示意图电热式污垢监测仪分三部分：电压控制部分、流速控制部分和测试部分。随着污垢的增加，壁温发生变化。图4-13 典型的Wilson曲线3.污垢热阻的测定当污垢监测仪刚接入冷却水系统时，测试管的金属表面处于清洁状态。
采用电热式污垢监测仪在线监测冷却水系统中发生的污垢或沉积物的情况。污垢监测仪具有小巧、简便、直读的优点，既可监测冷却水系统中的污垢，又可监测冷却水系统中金属设备的腐蚀；在使用场合方面，既可用于实验室，也可用于现场。
现以一种电热式污垢监测仪为例，介绍电热式污垢监测法。
1.仪器结构
仪器的结构如图4-11所示。
图4-11 电热式污垢监测仪的结构示意图
电热式污垢监测仪分三部分：电压控制部分、流速控制部分和测试部分。
电压控制部分实质上是一个可控硅调压变压器，带有电压指示，可用手动调节。
冷却水的流速控制部分包括阀门及带控制器的流量指示器。如果冷却水的流量下降到一定值或断水，加热电源就被切断，测试管内的加热电阻停止加热，保护测试管。测试部分由透明的玻璃套管和内部加热的金属测试管组成，冷却水在玻璃套管和测试管之间的空间流过，如图4-12所示。
图4-12 测试部分的结构
测试管为40cm长金属管，中间有10cm长的加热段，管壁嵌有一支热电偶。测试管的一端封死，另一端有两组导线引出。其中一组为加热丝导线，与调压变压器的输出端连接。另一组为管壁嵌热电偶的导线，与仪表相连接读得壁温，也可与计算机相连接，经计算机直接算出污垢热阻rF值。
将进口和出口水管与冷却水系统相连接，插入表面洁净的测试管，通入冷却水，并调至所要求的流速，调节加热，使测试管的壁温达到要求值。随着污垢的增加，壁温发生变化。由测试管表面处于清洁状态和处于污垢状态时的壁温TW、热负荷Q/F、冷却水的温度TB和流速V，可求出污垢热阻rF。
2.测试管管壁热阻的标定
测试管的管壁热阻rW（m2·K/W）标定方法为威尔逊（Wilson）曲线图解法，扼要介绍于下。
根据传热学的基本原理，用蒸馏水以不同的流速通过清洁的金属表面，可得到一系列传热系数K。相对于每一流速，管壁（温度为TWC）和外层流体（温度为TB）间的传热系数K有如下关系：
传热系数的倒数1/K定义为热阻r，在没有结垢的情况下等于管壁的热阻rW和流体的热阻r2之和：
在恒温情况下，流体的热阻r2反比于流速V的n次方，式（4-12）变为：
以1/K对1/Vn作图可得一直线，其截距[（C/Vn）=0或Vn→∞时]即为rW，即为Wilson曲线。
图4-13为一条典型的Wilson曲线，通过非线性回归，可由实验数据求得rW、C和n（通常为0.8～0.9）。如此，标定好测试管的常数。
图4-13 典型的Wilson曲线
3.污垢热阻的测定
当污垢监测仪刚接入冷却水系统时，测试管的金属表面处于清洁状态（下标C表示）。分别测定下列参数。
TWC——测试管的金属表面处于清洁状态时的管壁温度，K
TBC——测试管的金属表面处于清洁状态时冷却水的水体温度，K
（Q/F）C——测试管表面清洁时的热负荷，W/m2
VC——测试管表面处于清洁状态时冷却水流速，m/s
监测开始后，测试管表面逐渐积累污垢，测试管处于污垢状态（下标F表示）。分别测定下列参数：
TWF——测试管表面处于污垢时的管壁温度，K
TBF——测试管表面处于污垢时冷却水的水体温度，K
（Q/F）F——测试管表面处于污垢时的热负荷，W/m2
VF——测试管表面处于污垢时冷却水的流速，m/s
其中TWC、TBC和（Q/F）C的物理意义如图4-14所示。
图4-14 各参数的定义示意图
测试管的污垢热阻rF为：
当（Q/F）F≈（Q/F）C和VF≈VC时，式（4-14）简化为：
因此，采用这种电热式污垢监测仪以在线监测方式，可测得循环冷却水系统的污垢热阻，了解沉积物的情况。
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