Контроль обработки промышленных вод при помощи формирования цифровых изображений
Изобретение относится к способу контроля и анализа отложения в системе промышленного водоснабжения. Заявленный способ анализа отложения на подложке, находящейся в контакте с промышленной водой в системе промышленного водоснабжения, включает нагрев подложки в то время, когда подложка находится в контакте с промышленной водой в системе промышленного водоснабжения, до температуры выше температуры промышленной воды с образованием тем самым отложения на подложке; создание серии цифровых изображений подложки в то время, когда подложка находится в контакте с промышленной водой в системе промышленного водоснабжения; выявление элемента отложения на каждом из серии цифровых изображений подложки; и анализ элемента отложения на каждом из серии цифровых изображений подложки для определения характера изменения образования отложения на подложке в системе промышленного водоснабжения. Технический результат - повышение эффективности контроля систем промышленного водоснабжения с целью сведения к минимуму или предотвращения отложений (минеральных или любых других) на теплообменных поверхностях в рамках плана работ по эксплуатации и/или обработке систем промышленного водоснабжения. 19 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.
[0001] Настоящая заявка является международной (то есть PCT) заявкой, в которой испрашивается приоритет предварительной заявки на патент США с серийным номером 62/364,138, поданной 19 июля 2016 г., раскрытие которой полностью включено в настоящий документ посредством ссылки.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ
[0002] Поддержание теплообменных поверхностей в рабочем состоянии без отложений в водопроводных системах, более конкретно в системах промышленного водоснабжения, например, в системах водяного охлаждения и в системах водяного отопления, является важной задачей в поисках оптимальных решений по достижению максимальной эффективности использования энергетических ресурсов. Минеральные отложения, прежде всего соли кальция и более конкретно карбонат кальция, могут находиться в виде накипи или загрязнения. В общем случае, образование накипи является следствием осаждения неорганических солей на поверхностях оборудования, а загрязнение является следствием отложения взвешенных в жидкости нерастворимых частиц. Контроль систем промышленного водоснабжения с целью сведения к минимуму или предотвращения отложений (минеральных или любых других) на теплообменных поверхностях может предоставить информацию, которая может быть использована для улучшения или по меньшей мере для поддержания эффективности в рамках плана работ по эксплуатации и/или обработке систем промышленного водоснабжения.
[0003] Отложение биопленки на теплообменных поверхностях также может привести к неэкономичности в системах промышленного водоснабжения. К примеру, в сравнении с минеральным отложением, отложение биопленки обычно проявляет в 4-5 раз более сильные теплоизоляционные свойства, чем минеральное отложение. В общем случае биопленки являются слизистыми, и микроорганизмы, вызывающие образование биопленки, могут составлять лишь небольшую часть состава такой биопленки.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] Изобретение направлено на использование формирования цифровых изображений подложки для анализа отложения в системе промышленного водоснабжения. В некоторых вариантах осуществления изобретения используется формирование цифровых изображений подложки для определения термического сопротивления подложки, которое может быть использовано для установления соотношения с термическим сопротивлением, которое может быть следствием отложения.
[0005] Предложен способ анализа отложений на подложке, контактирующей с промышленной водой в системе промышленного водоснабжения. Способ включает создание цифрового изображения подложки в то время, когда подложка находится в контакте с промышленной водой в системе промышленного водоснабжения. Определяется интересующий участок на цифровом изображении подложки. На интересующем участке на цифровом изображении подложки выявляется элемент отложения. Производится анализ элемента отложения на интересующем участке на цифровом изображении подложки.
[0006] Предложен способ анализа отложений на подложке, контактирующей с промышленной водой в системе промышленного водоснабжения. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения способ включает нагрев подложки в то время, когда подложка находится в контакте с промышленной водой в системе промышленного водоснабжения, для образования отложения на подложке. Создается серия цифровых изображений подложки в то время, когда подложка находится в контакте с промышленной водой в системе промышленного водоснабжения. Определяется интересующий участок в серии цифровых изображений подложки. Выявляется элемент отложения на интересующем участке в серии цифровых изображений подложки. Анализируется элемент отложения на интересующем участке в серии цифровых изображений подложки для определения характера изменения отложения на подложке в системе промышленного водоснабжения.
[0007] Предложена система контроля отложений в системе промышленного водоснабжения. Система содержит проточный канал для текучей среды с оптическим доступом. Нагретая подложка выполнена с возможностью контакта с промышленной водой, имеющейся в проточном канале для текучей среды. Камера выполнена с возможностью захватывать цифровые изображения подложки в то время, когда она находится в проточном канале для текучей среды. Множество датчиков температуры выполнено с возможностью измерения градиента температуры по всей нагретой подложке.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0008] На фиг. 1 проиллюстрировано схематическое изображение варианта осуществления системы, которая может быть использована для осуществления способа, описанного в данном документе.
[0009] На фиг. 2 проиллюстрировано перспективное объемное изображение части системы с пространственным разделением деталей, которая может быть использована для осуществления способов, описанных в данном документе.
[0010] На фиг. 3. проиллюстрировано схематическое изображение системы с частичным пространственным разделением деталей, которая может быть использована для осуществления способов, описанных в данном документе.
[0011] На фиг. 4 проиллюстрированы примеры изображений, устанавливающих отличие отложения кальция от отложения марганца и железа.
[0012] На фиг. 5 проиллюстрированы примеры изображений, соответствующих снижению теплопередачи, отслеживаемой в виде графика, и данные изображений с уменьшенным отложением на подложке в соответствии со способом, описанным в данном документе.
[0013] На фиг. 6 проиллюстрирован пример полученных сгруппированных данных изображений на подложке, собранных с течением времени в соответствии со способом, описанным в данном документе.
[0014] На фиг. 7 проиллюстрированы примеры изображений, соответствующих отслеживаемым в виде графика данным по снижению теплопередачи и данным изображений с уменьшенным отложением на подложке в соответствии со способом, описанным в данном документе, при этом удаление отложения наблюдается по снижению показателя рН промышленной воды.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0015] Изобретение направлено на использование формирования цифровых изображений подложки для анализа отложений в системе промышленного водоснабжения. В некоторых вариантах осуществления изобретения используется формирование цифровых изображений подложки для определения термического сопротивления подложки, которое может быть использовано для установления соотношения с термическим сопротивлением, которое может быть следствием отложения.
[0016] Предложен способ анализа отложений на подложке, контактирующей с промышленной водой в системе промышленного водоснабжения. Способ включает создание цифрового изображения подложки в то время, когда подложка находится в контакте с промышленной водой в системе промышленного водоснабжения. Определяется интересующий участок на цифровом изображении подложки. Выявляется элемент отложения на интересующем участке на цифровом изображении подложки. Анализируется элемент отложения на интересующем участке на цифровом изображении подложки.
[0017] Предложен способ анализа отложений на подложке, контактирующей с промышленной водой в системе промышленного водоснабжения. В некоторых вариантах осуществления изобретения способ включает нагрев подложки в то время, когда подложка находится в контакте с промышленной водой в системе промышленного водоснабжения, для образования отложения на подложке. Создается серия цифровых изображений подложки в то время, когда подложка находится в контакте с промышленной водой в системе промышленного водоснабжения. Определяется интересующий участок в серии цифровых изображений подложки. Выявляется элемент отложения на интересующем участке в серии цифровых изображений подложки. Анализируется элемент отложения на интересующем участке в серии цифровых изображений подложки для определения характера изменения отложения на подложке в системе промышленного водоснабжения.
[0018] Предложены системы и способы анализа отложений на подложке, контактирующей с промышленной водой в системе промышленного водоснабжения. В некоторых вариантах осуществления изобретения способ представляет собой способ количественной оценки отложений на подложке, контактирующей с промышленной водой в системе промышленного водоснабжения. Формулировки «анализ», «определение», «синтез» и «количественная оценка» и связанная с ними терминология (например, сопряженные формы) в данном документе используются для описания аспектов способов, при этом «анализ» включает «количественную оценку», «определение» и «синтез», все из которых являются подвариантами анализа. Термин «подложка», «образец» и аналогичные термины следует понимать как включающий в себя «или их часть».
[0019] Предложена система контроля отложений в системе промышленного водоснабжения. Система содержит проточный канал для текучей среды с оптическим доступом. Нагреваемая подложка выполнена с возможностью контакта с промышленной водой, имеющейся в проточном канале для текучей среды. Камера выполнена с возможностью захватывать цифровые изображения подложки в то время, когда подложка находится в проточном канале для текучей среды. Множество датчиков температуры выполнено с возможностью измерения градиента температуры по всей нагретой подложке.
[0020] Иллюстративный вариант осуществления системы для контроля отложений в системе промышленного водоснабжения проиллюстрирован на фиг. 1 и 2. Система содержит, помимо всего прочего, корпус 100 зонда с проточным каналом 101 для входа и выхода текучей среды. Нагревательный элемент 103 установлен на опорное тело с низкой теплопроводностью. Нагревательный элемент 103 может быть нагревательным элементом патронного типа, керамическим, слюдяным или любым из множества нагревательных устройств. Подложка 105 с одной стороны находится в прямом контакте с нагревательным элементом 103, а с другой стороны с жидкостью (например, промышленной водой), протекающей через проточный канал 101 и контактирующей с поверхностью подложки 105. Подложка 105 может быть отдельной деталью или, например, неотъемлемой частью оборудования, которое образует проточный канал 101. В некоторых вариантах осуществления системы подложка выполнена из подходящего металла, сплава или керамического материала. Подложка может быть выполнена имеющей заданное пользователем качество обработки поверхности и/или шероховатость.
[0021] Нагревательный элемент 103 и подложка 105 могут быть установлены с использованием, например, опоры 104 с низкой теплопроводностью. Предпочтительно, опора 104 вставляется в корпус 100 зонда таким образом, что поверхность подложки 105 (т.е. поверхность 105а) расположена заподлицо с проточным каналом 101. В проиллюстрированном варианте осуществления кольцо 114 может быть оснащено уплотнительным кольцом круглого сечения для образования уплотнения между опорой 104 и корпусом 100 зонда с целью удержания текучей среды в проточном канале 101.
[0022] В некоторых вариантах осуществления систем, описанных в данном документе, часть системы выполнена таким образом, чтобы ее можно было удалить из остальной части системы. Например, камера и/или источник (источники) света и/или множество датчиков температуры могут извлекаться в виде одного или более узлов из остальной части системы.
[0023] В проиллюстрированном варианте осуществления датчики 106, 107, 108 и 109 температуры установлены на опорном блоке для измерения температуры в различных положениях. Хотя проиллюстрированный вариант осуществления включает в себя четыре датчика температуры, можно использовать меньшее (например, 2 или 3) или большее количество датчиков (например, 5, 6, 7, …, n). Как проиллюстрировано, датчик 106 температуры входит в непосредственный контакт с подложкой 105 через отверстие в нагревательном элементе 103. Датчик 107 температуры входит в непосредственный контакт с обратной стороной нагревательного элемента 103, а датчики 108 и 109 температуры установлены в разных положениях в опоре 104 для измерения теплового потока, проходящего через опору 104. Соединительные провода 110 нагревательного элемента 103 выходят через опору 104 для подключения к источнику питания.
[0024] По-прежнему обращаясь к фиг. 1 и 2, проточный канал 101 выполнен при помощи монтажа плиты 102 на корпусе 100 зонда. Плита 102 может быть изготовлена, например, из прозрачного акрилового материала или модифицированного монтажного элемента с прозрачным окном, изготовленного из таких материалов, как стекло, кварц, сапфир, акрил таким образом, чтобы плита 102 обеспечивала оптический доступ 102a для визуального наблюдения за поверхностью 105а подложки 105. Нагревательный элемент 103 и подложка 105 могут быть собраны, например, с использованием эпоксидной смолы с высокой теплопроводностью, к примеру, эпоксидной смолы DURALCO 128 или 132, поставляемой компанией Cotronics Corp. (адрес: 131, 47-я улица, Бруклин, Нью-Йорк, США). После этого узел нагревательного элемента и подложки может быть посажен на эпоксидную смолу в опору 104 с использованием эпоксидной смолы DURALCO 4525 или 4538. После этого узел нагревательного элемента, подложки и опоры (т.е. узел 10) может быть установлен в корпус 100 зонда, например, при помощи стопорной гайки 115. Как проиллюстрировано, стопорная гайка 115 имеет вырез, чтобы позволить датчикам 106, 107, 108, 109 температуры и соединительным проводам 110 нагревательного элемента 103 проходить через вырез 115a. Непроницаемое для жидкости уплотнение реализуется при помощи затягивания стопорной гайки 115 для того, чтобы прижать уплотнительное кольцо 114 круглого сечения к корпусу 100 зонда и опоре 104.
[0025] В некоторых случаях может использоваться автоматизированный процесс очистки плиты 102 по месту. В общем случае, отложение с поверхности подложки может быть удалено в кислотных условиях. Кислотные условия могут быть созданы путем введения кислоты в промышленную воду, которая находится в контакте с поверхностью подложки. Однако вышеупомянутый подход имеет тенденцию к усложнению, требуя автоматических клапанов, систему подачи (насос(ы) и т.д.) и запаса кислоты на объекте. Более удобный подход использует электрохимическую очистку путем приложения потенциала между металлической подложкой и противоэлектродом. В процессе очистки металлическая подложка служит анодом, а катод-противоэлектрод встроен в систему. Противоэлектрод может быть выполнен, например, из металла (например, нержавеющей стали), графита или электропроводного стекла (например, оксида индия-олова или легированного фтором оксида олова). Использование электропроводного стекла обеспечивает две функции: в качестве окна для оптического доступа с целью визуального наблюдения за поверхностью подложки, а также в качестве противоэлектрода для электрохимической очистки. В тех случаях, когда использовано электропроводное стекло, оно может быть, к примеру, покрыто антибликовым веществом.
[0026] На фиг. 3 проиллюстрирован узел 10, состоящий из представленных на фиг. 1 и 2 компонентов, которые выполнены с возможностью присоединения к водопроводной трубе 200, например, системы промышленного водоснабжения, при помощи стыковочных устройств 204. В проиллюстрированном варианте осуществления стыковочные устройства 204 закреплены таким образом, что узел 10 ориентирован с возможностью прохождения текучей среды через проточный канал 101. Стыковочные устройства 204 соединяются со стандартным трубопроводом и обеспечивают переходы от круглой к прямоугольной конфигурации и обратно при сохранении той же площади поперечного сечения. Узел 10 может быть прикреплен к стыковочным устройствам 204 при помощи гаек 205. Для обеспечения уплотнений между узлом 10 и стыковочными устройствами 204 могут быть использованы уплотнительные кольца круглого сечения (не показаны).
[0027] На одной стороне стыковочных устройств 204 окно 206 обеспечивает оптический доступ 102a к плите 102 через поверхность 105a подложки 105, обеспечивая таким образом возможность визуального наблюдения за поверхностью 105a подложки 105 в проточном канале 101 во время работы.
[0028] Как проиллюстрировано, система 20 формирования изображения содержит фотокамеру 111 с объективом 112 и необязательные источники 113 освещения. Несмотря на то, что проиллюстрированы два источника 113 освещения, в системе 20 формирования изображения может быть использовано меньшее количество (например, 0 или 1, с одним источником 113 освещения, проиллюстрированным на фиг. 3) или большее количество источников освещения (например, 3, 4, …, n). Позиционирование системы 20 формирования изображения проиллюстрированным образом позволяет получать изображения поверхности 105a подложки 105 во время работы (например, при воздействии на нее текучей среды, протекающей через проточный канал 101).
[0029] Множественные источники 113 освещения могут быть использованы для освещения с разных направлений для того, чтобы выделить желательные элементы на подложке или ее поверхности или чтобы улучшить общее распределение освещения. Например, освещение поверхности подложки при помощи источника освещения, расположенного вблизи перпендикуляра к поверхности, может обеспечить яркое поле освещения. В этом случае устройство формирования изображения захватывает большую часть прямого отраженного света. Размещение одного или более источников освещения с большим(и) углом (углами) падения по отношению к нормали к поверхности может усилить неявные элементы, такие как царапины, углубления, и/или морфологию отложения на поверхности. При этом свет может быть направленным или рассеянным. Рассеянное освещение обеспечивает более равномерное освещение и ослабляет бликовую компоненту при освещении отражающих поверхностей. Свет может быть получен от одного или более светоизлучающих диодов (СИД), от лампы накаливания, галогенной лампы с вольфрамовой нитью, света, передаваемого по оптоволоконному кабелю, или от любой комбинации этих или других стандартных средств для обеспечения освещения.
[0030] Пример светодиодного источника света имеется в продаже под маркой CREEXPE2-750-1 производства компании Cree, Inc. (почтовый адрес: 4600, Silicon Drive, г. Дарем, штат Северная Каролина, США, 27703), который в некоторых вариантах осуществления оснащен объективом Carclo модели 10138, который выпускается компанией Carclo Optics (почтовый адрес: 6-7 Faraday Road, Rabans Lane Industrial Area, г. Эйлсбери, Англия, Великобритания, HP19 8RY).
[0031] Источники 113 освещения могут устанавливаться таким образом, чтобы обеспечивать возможность регулирования угла и высоты. Спектр длин волн излучения света может охватывать область белого света или полосы определенной длины волны для того, чтобы выделить конкретные элементы. Например, конкретные длины волн могут быть использованы для выделения цвета на поверхности образца или использованы с черно-белой камерой для извлечения информации о цвете с поверхности. В некоторых вариантах осуществления, представленных в данном документе, подложка освещается светом, имеющим диапазон длин волн от около 390 нм до около 700 нм.
[0032] Управление получением изображения может производиться с помощью ПК, микропроцессора, внешнего контроллера и/или встроенного в камеру процессора. Цифровые фотокамеры для коммерческого использования обычно поставляются в стандартной комплектации работающими со скоростями получения изображений 30 кадров в секунду (кадр/с) или больше. В результате того, что отложение обычно появляется за гораздо больший промежуток времени (например, от десятков минут до недель), предпочтительным способом является управление получением изображения, т.е. получением одного изображения или среднего из N изображений с частотой, которая может быть, например, фиксированной, переменной и/или управляемой внешними событиями. Сбор данных таким способом более эффективно использует хранилище данных. Например, скорость получения изображений один раз за сутки или один раз за неделю может быть достаточной для некоторых систем промышленного водоснабжения в том случае, если интерес представляют только макроскопические изменения в элементах отложений. Тем не менее, если система промышленного водоснабжения сталкивается со сбоем, например, падением показателя pH, то динамика элементов отложений может быть упущена в результате недостаточно частого получения изображений. В этом случае приведение в действие механизма увеличения частоты получения цифровых изображений во время сбоя системы позволяет осуществлять сбор данных изображений с большим разрешением по времени. Электроэнергия и/или связь могут быть обеспечены для компонентов системы формирования изображений при помощи кабельных соединений и/или антенн.
[0033] Дополнительное управление освещением может быть обеспечено при помощи использования фильтров и/или поляризаторов на источнике (источниках) света (например, прикрепленных к объективу 109) и/или при помощи устройства 106 формирования изображения. К примеру, введение линейных поляризаторов может позволить удалять с изображения отблески или участки с высоким уровнем засветки (например, блики высокой интенсивности света), полученные от лучей источника света, которые, например, могут отражаться от прозрачного окна или трубы. Дополнительно или взамен их могут использоваться цветные светофильтры (например, полосовой, узкополосный, пропускания в коротковолновой области спектра и/или пропускания в длинноволновой области спектра) для усиления конкретных деталей изображения или удаления эффектов фонового освещения. Фильтрация может применяться на фотокамере, источнике света или обоих. Например, красные элементы на поверхности могут быть усилены с использованием источника света с полосовым фильтром или с фильтром пропускания в длинноволновой области спектра с длиной волны более 600 нм, например, 600-1100 нм, или более предпочтительно 600-700 нм, а еще более предпочтительно 630 нм. В этом случае красный свет будет отражаться от красных поверхностей подложки к детектору изображения, который также может быть оборудован аналогичным фильтром. Это позволяет только отраженному от поверхности свету в диапазоне длин волн пропускания фильтра достичь детектора, в результате чего происходит усиление красных элементов.
[0034] Как проиллюстрировано на фиг. 3, устройство 20 формирования изображения может дополнительно содержать байонет 220. Байонет 220 может быть неподвижным или подвижным. Как проиллюстрировано, байонет 220 является подвижным для обеспечения возможности фокусировки устройства 20 формирования изображения. Как проиллюстрировано на фиг. 3, байонет 220 и источник 113 освещения прикреплены к основанию 225. Устройство 20 формирования изображения может быть выполнено в закрытом исполнении с использованием крышки 210. Снабжаемые энергией компоненты системы формирования изображений могут соединяться с портам электропитания и связи, например, с использованием электропроводки 240. И хотя фотокамера с автоматической фокусировкой может избавить от необходимости использования подвижного байонета, фотокамера с автоматической фокусировкой может использоваться с неподвижным или подвижным байонетом.
[0035] Фотокамера 111 может быть с матрицами CMOS, CCD, Silicon PDA или быть любым детектором матричного типа, который предоставляет пространственную информацию об интенсивности света. Коммерческие фотокамеры, в которых используется любая из технологий CMOS или CCD, легко доступны на рынке и предоставляют данные изображений в сочетании с объективом (например, с объективом 112). Фотокамера 111 может быть интегрирована с компьютером для получения и обработки изображений или может использовать встроенную обработку, если в фотокамере 111 имеется специализированный процессор. Создание серии цифровых изображений может производиться, например, по установленному, запланированному времени (например, один раз в час) или запускаться на основе события (например, при обнаружении того, что показатель pH находится за допустимыми пределами регулирования).
[0036] Цифровое изображение или серия цифровых изображений дает подтверждение наличия или отсутствия отложения на подложке (например, отложения 99 на поверхности 105а подложки 105). Цифровое изображение или серия цифровых изображений могут позволить лучше понять, например, тип отложения на основе цвета и/или морфологии, начало появления отложения, процент покрытия отложением поверхности и оценочную толщину отложения на основе глубины резкости.
[0037] Один из аспектов осуществления способов, представленных в данном документе, обеспечивает ускоренное образование отложения на подложке путем нагрева подложки. Ускоренное образование отложения может дать пользователю информацию, которая может быть использована для проведения мероприятий по предотвращению образования отложений в основном теплообменном оборудовании, например, в теплообменнике, конденсаторе, градирне и т.д.
[0038] Подача электроэнергии на нагревательный элемент 103 создает локальный перепад температур между подложкой 105 и текучей средой, расположенной в проточном канале 101, при том, что поверхность подложки имеет более высокую температуру, чем текучая среда, протекающая через проточный канал 101. В областях применения, в которых используется соли со свойствами ретроградной растворимости (например, соли кальция, а более конкретно, карбонат кальция, сульфат кальция, фосфат кальция и т.д.), может происходить осаждение на поверхности 105а подложки 105, что в результате приводит к образованию отложения 99. По мере образования отложения 99 на поверхности 105а подложки 105 температура подложки 105 будет увеличиваться в связи с пониженной теплопроводностью, т.е. изолирующими свойствами отложения 99, которая снижает конвективный теплоотвод от подложки 105. Величина градиента температуры может быть измерена при помощи множества датчиков температуры (например, датчиков 106, 107, 108, 109 температуры). Множество датчиков температуры может представлять собой один или более датчиков температуры любого подходящего типа, например, термопара, резистивный датчик температуры (РДТ), оптоволоконный датчик температуры, инфракрасный датчик температуры или любой подходящий прибор для измерения температуры. Измеряя температуру подложки 105 и зная температуру текучей среды и условия потока в проточном канале 101 или около него, можно определить термическое сопротивление (HTR) из-за отложения 99, используя математическое преобразование (математические преобразования).
[0039] Например, для определения термического сопротивления отложения на подложке применяется анализ теплового потока, начинающийся с уравнения
Qэл=Qвод+Qпот, (1)
где Qэл является мощностью нагревателя, определенной исходя из входного напряжения, подаваемого на нагреватель, и сопротивления нагревателя; Qвод является теплом, отводимым в текущий над подложкой поток воды, а Qпот является теплом, теряемым через опорную конструкцию нагревателя. Для упрощения анализа, чтобы проиллюстрировать основную концепцию, принимается, что тепловой поток является одномерным, т.е. поток в радиальном направлении и потери через боковые стороны принимаются пренебрежительно малыми (Qпот=0). Используя закон Фурье, Qвод в уравнении (1) дает общую величину HTR как
, (2)
где HTRобщ является величиной, обратной общему коэффициенту теплопередачи, и является суммой всех термических сопротивлений задействованных материалов, таких как материалы подложки, нагревателя, опоры, отложения и конвективной теплопередачи. A является площадью нагреваемой поверхности, а ΔT является разностью температур между нагревателем и объемной текучей средой, протекающей по подложке. Для чистой подложки HTRотл=0, поэтому HTRобщ имеет вид
HTRобщ=HTRподл+HTRнагр+HTRоп+HTRконв. (3)
Для определения постоянных значений HTR (подложки, нагревателя и опоры) величина конвективной теплопередачи вычисляется из числа Нуссельта (Nu), имеющего общее выражение в виде
, (4)
где C, m и n являются постоянными, определенными экспериментально, l является длиной, k является теплопроводностью текучей среды, h является величиной конвективной теплопередачи, Re является числом Рейнольдса, а Pr является числом Прандтля. Корреляции по числам Нуссельта можно найти в литературе по различным геометриям и диапазонам чисел Рейнольдса. Зная физические свойства текучей среды и условия потока, HTRконв (1/h) рассчитывается из уравнения (4). Постоянное термическое сопротивление для чистой подложки имеет вид
HTRфикс=HTRобщ - HTRконв. (5)
Тогда изменение термического сопротивления во времени t составляет
HTRt=HTRобщ - HTRфикс - HTRконв. (6)
Затем определяется термическое сопротивление отложения путем измерения тех же самых параметров термического сопротивления для чистой подложки и подложки с отложением:
HTRотл=HTRt отл - HTRt чист. (7)
[0040] В сочетании с очисткой in-situ, т.е. на месте (например, электрохимической, химической, воздушной, ультразвуковой, механической и т.д.) для удаления отложения, образовавшегося на поверхности, цифровое изображение или серия цифровых изображений могут обеспечить обратную связь о состоянии удаления отложения, например, было ли отложение полностью удалено или оно по-прежнему остается, что может быть использовано для запуска прекращения процесса очистки in-situ. Если данные изображения указывают, что отложение по-прежнему присутствует на подложке, то операция по очистке может продолжаться до тех пор, пока не будет достигнут желаемый уровень чистоты.
[0041] Цифровое изображение или серия цифровых изображений также могут дать представление о типе отложения на основе цвета и/или морфологии отложения. Использование данных, относящихся к цифровому изображению или серии цифровых изображений, в сочетании со знаниями химическом составе воды и обработке может позволить определить состав отложения. Например, белое кристаллическое отложение является верным показателем того, что отложение скорее всего происходит от соли кальция, в то время как темно-коричневатое отложение могло бы указывать на высокое содержание марганца и/или железа. В общем случае, биопленка будет иметь другие характеристики отражения света в связи со слизистой природой микробиологического отложения. Объединение этого наблюдаемого изменения, например, вместе с измерением низкого окислительно-восстановительного потенциала подтверждает, что отложение имеет по меньшей мере отчасти микробиологическое происхождение, потому что микробиологические отложения обычно содержат множественные компоненты, например, минеральные, иловые и микробиологические компоненты.
[0042] Ввиду этого, в некоторых вариантах осуществления способов и систем используется множество способов и/или систем для того, чтобы сделать возможной дифференциацию типа (типов) отложений. Например, множество систем, работающих при различных температурах нагретой подложки, могут быть реализованы так, чтобы анализировать множество образований отложений. В относительно узком интервале температур (например, от около 30 °С до около 50 °С) наблюдается тенденция к созданию условий для роста биопленки, в то время как относительно широкий интервал температур (например, от около 70 °С до около 120 °С) подвергается испытанию на водный потенциал для выявления твердой минеральной накипи.
[0043] Способ сбора и анализа данных изображений подложки не ограничивается конфигурацией, проиллюстрированной на фигурах, или прибором для измерения термического сопротивления. Например, формирование изображений отложения может проводиться на микровесах на кристалле кварца («QCM», таких как, например, описанные в патенте США № 8945371), на датчике на поверхностных акустических волнах, на оптическом датчике для измерения быстро затухающей волны, на поверхности подложки, связанной с ультразвуковым датчиком толщины отложений, на трубчатом датчике для измерения перепада давления, на патронном нагревательном трубчатом элементе или любой комбинации этих устройств. Измерение отложений может проводиться при помощи способов, описанных в данном документе, при условии, что к поверхности подложки обеспечивается оптический доступ или система может быть модифицирована для обеспечения оптического доступа. Осуществление формирования изображений на месте для обнаружения формирования отложений предоставляет возможность дополнительного измерения для подтверждения наличия отложения, доказательства чистоты поверхности, информацию о типе отложения на основе его цвета и морфологии, качественную оценку количества отложения и обнаружение самого начала образования отложения. В некоторых вариантах осуществления подложка способна нагреваться без необходимости в отдельном нагревательном элементе.
[0044] В некоторых вариантах осуществления подложка является образцом. В некоторых вариантах осуществления подложка является участком водопроводной трубы. В некоторых вариантах осуществления подложка является типичным материалом для изготовления системы промышленного водоснабжения. В некоторых вариантах осуществления подложка изготовлена из металла, который в некоторых вариантах осуществления выбирается из стали, железа, алюминия, меди, латуни, никеля, титана и соответствующих сплавов. В некоторых вариантах осуществления сталь являться одной из следующих: мягкая сталь, нержавеющая сталь и углеродистая сталь. В некоторых вариантах осуществления металл является способным к пассивированию, а в других вариантах металл является не способным к пассивированию.
[0045] Подложка находится в контакте с промышленной водой в системе промышленного водоснабжения, как проиллюстрировано на фигурах, через проточный канал 101. Примеры систем промышленного водоснабжения включают в себя, помимо прочего, системы водяного отопления (например, котельные установки), системы водяного охлаждения (например, системы, содержащие градирню), трубопроводы для транспортировки воды (например, для транспортировки морской воды, которая может использоваться как среда для транспортировки при добыче полезных ископаемых) и тому подобное. Промышленная вода представляет собой любое водное вещество, которое используется или будет использоваться в системе промышленного водоснабжения. В общем случае, системы промышленного водоснабжения содержат промышленную воду, которая может обрабатываться тем или иным способом для того, чтобы сделать воду более пригодной для использования в рассматриваемой системе промышленного водоснабжения. Например, промышленная вода, используемая в системах водяного отопления (например, в котельных установках), может быть деаэрирована. Промышленная вода, используемая в системах водяного отопления, может быть дополнительно обработана, например, ингибитором отложений, ингибитором коррозии, ингибитором образования накипи и/или средством микробиологического регулирования. Другие обработки могут быть представлены для разных систем промышленного водоснабжения. В некоторых вариантах осуществления промышленная вода системы промышленного водоснабжения обрабатывается ингибитором отложений. В некоторых вариантах осуществления система промышленного водоснабжения представляет собой систему водяного охлаждения. В некоторых вариантах осуществления система промышленного водоснабжения представляет собой систему водяного отопления, которая может быть котельной установкой. В некоторых вариантах осуществления промышленная вода системы водяного отопления была деаэрирована.
[0046] Примеры подходящих ингибиторов отложений включают в себя, но не ограничены ими, пригодные средства подавления биологического обрастания, антинакипины и/или биоциды.
[0047] Ингибитор отложений может присутствовать в промышленной воде в концентрации от около 0,01 млн-1 (миллионной доли) до около 1000 млн-1 по массе, включая от около 0,1 млн-1 или от около 1 млн-1 до около 500 млн-1 или до около 200 млн-1.
[0048] В промышленной воде могут присутствовать другие вещества, включая, но не ограничиваясь этим, один или более из ингибитора коррозии, буфера, других химикатов для обработки и их комбинаций.
[0049] В определенных вариантах осуществления измеряют параметр системы промышленного водоснабжения. Параметры включают, но не ограничены ими, температуру, давление, pH, проводимость, окислительно-восстановительный потенциал, сопротивление линейной поляризации, их производные и их комбинации.
[0050] Подложка достаточно освещена для обеспечения возможности создания цифровых изображений подложки, находящейся в системе промышленного водоснабжения. В предпочтительных вариантах осуществления подложка достаточно освещена с использованием одного или более источников освещения, которыми могут быть светоизлучающий диод и, более предпочтительно, множество светоизлучающих диодов.
[0051] В предложенных здесь способах создают цифровое изображение или серию цифровых изображений подложки. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления цифровое изображение или серию цифровых изображений подложки создают в то время, когда подложка находится в системе промышленного водоснабжения. Несмотря на то, что это не является предпочтительным, цифровое изображение или серия цифровых изображений подложки могут быть созданы в то время, когда подложка не находится в системе промышленного водоснабжения. В предпочтительных вариантах осуществления подложка, находящаяся в системе промышленного водоснабжения, как правило, находится в контакте с промышленной водой.
[0052] При использовании серия цифровых изображений может состоять из двух или более цифровых изображений. В некоторых вариантах осуществления серия цифровых изображений содержит количество цифровых изображений, достаточное для выполнения анализа характера изменения цифровых изображений, а значит, и поверхности нагретой подложки. В предпочтительных вариантах осуществления серия цифровых изображений содержит количество цифровых изображений, достаточное для выполнения анализа характера изменения отложения на подложке. В некоторых вариантах осуществления серию цифровых изображений создают с фиксированным временным интервалом, т.е. каждое изображение снимают по истечение фиксированного количества времени. В некоторых вариантах осуществления серию цифровых изображений создают с фиксированным временным интервалом, когда параметр системы промышленного водоснабжения находится в диапазоне допустимого предела регулирования, но при этом серию цифровых изображений создают с меньшим интервалом времени, чем фиксированный временный интервал, когда параметр системы промышленного водоснабжения не находится в диапазоне допустимого предела регулирования. Иначе говоря, если процесс не выходит за заданные рамки, то цифровое изображение создают с частотой одно цифровое изображение за отрезок времени t, но если процесс выходит за заданные рамки, то цифровое изображение создают с частотой, превышающей одно цифровое изображение за отрезок времени t.
[0053] В некоторых вариантах осуществления цифровое изображение или серию цифровых изображений подложки анализируют для того, чтобы определить характер изменения осаждения на подложке в системе промышленного водоснабжения. В некоторых вариантах осуществления анализ включает в себя определение интересующего участка на цифровом изображении или в серии цифровых изображений подложки и синтез данных характера изменения интересующего участка по цифровому изображению или серии цифровых изображений. В некоторых вариантах осуществления анализ включает в себя математическое преобразование данных для синтеза информации, относящейся к размеру, профилю цвета, проценту покрытой отложением площади, общей средней площади поверхности отложения, термическому сопротивлению (или его увеличению), связанной с ней информации (например, о коэффициенте теплопередачи, изменении коэффициента теплопередачи и т.д.) и их комбинаций для расчета характера изменения отложения (например, скорости развития отложения). Отслеживание характера изменения отложений и примеры математических преобразований данных обсуждаются здесь далее.
[0054] В некоторых вариантах осуществления способы включают определение интересующего участка на цифровом изображении или в серии цифровых изображений подложки. Интересующий участок может содержать поверхность подложки или ее часть. В некоторых вариантах осуществления интересующий участок является поверхностью или частью поверхности подложки.
[0055] В некоторых вариантах осуществления отложение развивается на интересующем участке, и по этой причине, в некоторых вариантах осуществления, интересующий участок содержит элемент отложения. В некоторых вариантах осуществления способ включает выявление элемента отложения на интересующем участке. В некоторых вариантах осуществления вычисляют площадь поверхности элемента отложения, которая может быть проанализирована для определения характера изменения отложения на подложке в системе промышленного водоснабжения. Анализ может дополнительно включать определение термического сопротивления (HTR), которое может быть определено при помощи множества датчиков температуры. Анализ может дополнительно включать в себя измерение параметра промышленной воды в системе промышленного водоснабжения, выбранного из pH, проводимости, окислительно-восстановительного потенциала, сопротивления линейной поляризации, показателя контроля электрохимической коррозии, их производных и их комбинаций. Анализ может быть использован для сведения к минимуму или предотвращения образования отложений в системе промышленного водоснабжения.
[0056] В некоторых вариантах осуществления предпринимают действие на основании анализа элемента отложения на интересующем участке цифрового изображения или серии цифровых изображений подложки и, необязательно, включая, например, термическое сопротивление и/или любой, один, комбинацию или все перечисленные здесь параметры. В общем случае предпринимаемое действие будет одним или более действием для предотвращения или уменьшения воздействий отложения в системе промышленного водоснабжения. Может быть принято любое одно или более действий, включая, но не ограничиваясь этим, увеличение дозы ингибитора отложений, выбор другого ингибитора отложений, модификацию ингибитора отложений, изменение физического свойства системы промышленного водоснабжения, продувку системы промышленного водоснабжения, остановку системы промышленного водоснабжения и их комбинации.
[0057] В некоторых вариантах осуществления используется множество устройств формирования изображений для создания множества цифровых изображений или серий (множественных) цифровых изображений. Множество систем могут быть выполнены с возможностью непосредственного взаимодействия, например, с контроллером, которым может быть ПК, микропроцессор, шлюз или комбинация таких устройств для установления электронной связи с целью управления сбором данных, а также для хранения и/или передачи данных изображений. Данные могут передаваться с помощью проводного соединения и/или протокола беспроводной связи (например, одного или более из Wi-Fi, Zigbee, LoRa, Thread, BLE OnRamp, RPMA, семейства сетей EEE 802.11, IEEE 802.15.4, Bluetooth, HiperLAN, LoRa и т.д.). Питание систем может осуществляться при помощи кабеля, аккумуляторной батареи, солнечной энергии или других средств аккумулирования энергии, например, по принципу преобразования энергии вибрации. Комбинация использования протокола беспроводной связи со способом работы с собственным источником питания позволяет осуществлять простую установку во множественных местоположениях. Данные изображений, собранные контроллером, могут быть сохранены, обработаны при помощи усовершенствованных алгоритмов анализа изображений, обработаны и преобразованы в ключевые переменные отслеживания характера изменений, при этом можно передавать данные на удаленный сервер или обмениваться данными с устройством управления, например, с распределенной системой управления («DCS», например, по технологии Nalco 3D, имеющейся у компании Nalco Water, Ecolab, почтовый адрес: 1601 West Diehl Road, г. Напервиль, штат Иллинойс, США, 60563), с лабораторной информационной системой (например, комплект программного и аппаратного обеспечения «LIMS») и/или системой облачных вычислений.
[0058] Создание цифрового изображения может быть реализовано с помощью простого моментального снимка подложки, а серия цифровых изображений может быть получена с помощью двух или более моментальных снимков подложки с течением времени. В некоторых вариантах осуществления цифровые изображения в серии цифровых изображений усредняют, что может обеспечить улучшенное отношение сигнала к уровню шумов, что, например, может быть использовано для создания замедленного видео, синхронизированного для обработки данных, собранных путем измерения параметра промышленной воды в системе промышленного водоснабжения. Способ может дополнительно включать анализ (например, синтез) данных, полученных из цифрового изображения или серии цифровых изображений путем математического преобразования данных, что в некоторых вариантах осуществления может обеспечить более глубокое понимание выявленного отложения.
[0059] Возможность захвата изображения подложки в разные моменты времени обеспечивает средство для контроля изменений, возникающих на поверхности подложки, в данном случае из-за отложения. Кроме того, возможность хранить данные изображения обеспечивает возможность сравнения текущих данных изображения с прошлыми наблюдениями различных подложек всех видов, например, находящихся в таком же положении подложек в такой же системе промышленного водоснабжения, находящихся в таком же положении подложек в различных системах промышленного водоснабжения, выполнять статистический анализ совокупности подложек и т.д. Например, серия цифровых изображений подложки может создаваться каждые 5, 10, 15... дней и анализироваться в сравнении с данными цифровых изображений за прошлое время, собранными за те же самые поступательные периоды для одной или более подложек, находящихся в одном и том же положении внутри системы промышленного водоснабжения. Наблюдаемые различия между данными могут указывать на изменения в процессе в связи с выполнением плана работ по очистке и/или изменением качества воды.
[0060] Использование алгоритмов обработки цифровых изображений может обеспечивать количественную оценку цифровых изображений, которая дает количественную оценку отложения на подложке, а поэтому и отложения в системе промышленного водоснабжения. Данные, собранные из цифрового изображения или серии цифровых изображений, могут быть использованы для получения общих трендов (т.е. характеров изменений), относящихся к элементу отложения (или множеству элементов отложения), по изменениям площади поверхности подложки.
[0061] Способы и системы, представленные в данном документе, могут быть модифицированы для того, чтобы обеспечить возможность формирования многоспектральных изображений, что в некоторых вариантах осуществления дает возможность получения характеристик типа отложения, образовавшегося на подложке. В некоторых вариантах осуществления способов и систем, предусмотренных в данном документе, освещение подложки осуществляется с использованием источника света с узким диапазоном длин волн, такого как, например, RGBW-светоизлучающий диод (т.е. светодиод красного, зеленого, синего, белого свечения). Освещение подложки на разных диапазонах длин волн может заострять внимание на областях различного цвета, что дает представление об отнесении отложения к тому или иному типу (его классификации). В общем, источник света ограничен RGB-диапазоном, но для выбора некоторых более узких диапазонов длин волн может быть использована комбинация широкополосного источника света со светофильтрами с узкой полосой пропускания. Как вариант, может быть использовано устройство формирования многоспектральных изображений, которое можно приобрести в компании Surface Optics Corporation (адрес: 1155 Rancho Bernardo Rd., Сан Диего, штат Калифорния, США), в качестве камеры в системе или для создания цифрового изображения или серии цифровых изображений при помощи формирования многоспектральных изображений. В общем случае устройство формирования многоспектральных изображений может обеспечить непрерывную спектральную информацию в диапазоне длин волн от около 400 нм до около 1000 нм для каждого пикселя. В тех вариантах осуществления, в которых используется формирование многоспектральных изображений, спектральный диапазон устройства формирования многоспектральных изображения позволяет проводить выявление типа отложения, например, минеральное отложение (и, возможно, разновидность минерального отложения) в противоположность микробиологическому отложению.
[0062] В некоторых вариантах осуществления способов и систем, описанных в данном документе, подложка представляет собой детектор с микровесами на кристалле кварца (QCM, от англ. quartz crystal microbalance), снабженный системой формирования изображений. Для вариантов осуществления, использующих детектор с QCM, подложка, описанная выше и проиллюстрированная на фиг. 1 и 2, является устройством с QCM, работающим, например, на частоте 5 МГц. Противоэлектрод кристалла QCM может работать как нагревательное устройство для нагрева электрода, который подвергается воздействию текучей среды. Предполагая, что в потоке промышленной воды присутствуют ионы кальция и карбоната, нагрев поверхности электрода вызывает отложение карбоната кальция из потока промышленной воды, контактирующего с поверхностью электрода. По мере образования отложения на поверхности резонансная частота детектора с QCM уменьшается из-за нагрузки массой, что следует из уравнения Сауэрбри. В общем, нагрев детектора с QCM останавливают, когда выполняется замер массы. Детектор с QCM не выдает напрямую информацию о составе отложения, а выдает только его массу.
[0063] На рынке доступна техника с использованием рассеяния, например, детектор с контролем рассеивания (QCM-D) от компании QSense, входящей в компанию Biolin Scientific USA (адрес: 215 College Road, г. Парамус, штат Нью-Джерси, США), для определения того, является ли осадок мягким (например, микробиологическим по своей природе) или жестким (например, карбонатом кальция). При помощи соединения системы формирования изображений, проиллюстрированной на фиг. 1-3, с детектором с QCM в такой конфигурации, как проиллюстрирована на фиг. 1-3, из данных изображения может быть получено представление о типе осадка, образовавшегося на поверхности.
[0064] Пример, иллюстрирующий этот аспект, продемонстрирован на фиг. 4. Верхняя серия изображений слева направо (с течением времени) показывает отложение карбоната кальция, в то время как нижняя серия изображений показывает коричневатое отложение марганца и/или железа на поверхности, определенное в результате анализа вне системы. В обоих случаях датчик QCM измерял увеличение массы с течением времени. Тем не менее, без обратной связи с системой формирования изображений информация о характере отложения теряется. Дополнительное представление об отложении помогает в оптимизации химического состава и дозировки реагентов при мероприятиях по обработке и в подтверждении ее эффективности.
[0065] Напряженность водного режима технической воды в системе промышленного водоснабжения может быть проверена, например, на вероятность образования отложения, а также на тип отложения, путем эксплуатации нагретой подложки при различных температурах ее поверхности, а также электрохимического изменения показателя рН локально вблизи нагретой поверхности подложки. К этому можно добавить, что относящиеся к химическому составу воды сведения, полученное при попеременном анализе, например, pH, проводимости, окислительно-восстановительного потенциала, расхода химических реагентов, щелочности, концентрации ионов металлов, концентрации фосфатов, сульфатов и диоксида кремния, могут служить входными данными в пакет программных средств моделирования, например, French Creek Software, которые могут дополнительно включать в себя входные данные от способов и систем, описанных в данном документе. Например, поэтапное регулирование температуры нагретой подложки для управления образованием отложения на нагретой подложке может предоставить информацию об уровне насыщения или потенциале осаждения минеральной соли в промышленной воде. В дополнение к этому, системы с матрицей датчиков (зондов) могут использоваться в контакте, например, с одним потоком промышленной воды, при этом каждый датчик настроен на разные условия работы, например, на температуру подложки и/или локальную регулировку pH, а также на разное качество обработки поверхности подложки или ее состав и т.д.
[0066] В некоторых вариантах осуществления способов и систем, описанных в данном документе, нагретая подложка содержит блок слюды со стеклянным наполнителем. В некоторых вариантах осуществления способов и систем, описанных в данном документе, нагретая подложка содержит полиэфиримидную смолу (например, смолу ULTEM, имеется в продаже от компании SABIC).
[0067] В некоторых вариантах осуществления способов и систем, описанных в данном документе, нагретая подложка или ее часть покрыта термочувствительной краской. При использовании термочувствительной краски она может обеспечить дополнительную точность измерения температуры поверхности нагретой подложки. Температура поверхности нагретой подложки может быть критически важным параметром для измерения потенциала накипеобразования водной системы, потому что обычно оператор старается достичь условий, близких к тем, которые выявлены в теплообменнике. Термочувствительная краска имеется на рынке, например, в виде термочувствительной краски UniTemp, поставляемая компанией Innovative Scientific Solutions, Inc. (адрес: 7610 McEwen Road, г. Дейтон, штат Огайо, США). В некоторых вариантах осуществления поверхность нагретой подложки, находящаяся в контакте с промышленной водой, полностью покрыта термочувствительной краской, а в других вариантах осуществления покрыты одна или более частей поверхности нагретой подложки, находящейся в контакте с промышленной водой. В общем, по мере того, как отложение формируется на поверхности и поверх части (частей) поверхности, покрытой термочувствительной краской, интенсивность излучения термочувствительной краски будет уменьшаться из-за снижения проникновения источника возбуждения к термочувствительной краске. При дальнейшем формировании отложения излучение уменьшается, становясь менее обнаруживаемым, так как сформировавшееся на подложке отложение будет полностью загораживать источник возбуждения, присутствующий в термочувствительной краске.
ПРИМЕРЫ
[0068] Применение с использованием комбинации теплопередачи и формирования изображений демонстрируется при использовании системы оборотного водоснабжения, начиная с исходного состава, показанного в таблице 1, которая является экспериментальным примером промышленной воды в системе промышленного водоснабжения. Состав воды, приведенный в таблице 1, используется во всех примерах.
Таблица 1. Состав воды для испытания образцов осадка в системе с рециркуляцией.
| Содержание в воде | CaCO3, млн-1 |
Вещество, млн-1 | Вещество, форма в воде | CaCO3, мг/л |
Вещество, граммы |
| Ca (CaCO3) Mg (CaCO3) Щелочность (CaCO3) Хлорид (CaCO3) Сульфат (CaCO3) |
550 225 300 600 225 |
220 54 366 426 216 |
CaCl2•2H2O MgSO4•7H2O NaHCO3 NaCl |
550 225 300 50 |
16,17 11,115 10,08 1,17 |
ПРИМЕР 1.
[0069] При использовании этой конфигурации вода циркулировала по коллектору с проиллюстрированной на фиг. 1-3 системой, установленному в проточном контуре, в котором использовалось регулирование расхода для поддержания расхода в 1 галлон (около 3,9 литра) в минуту при использовании трубы NPT Schedule 40 диаметром 1 дюйм (2,54 см). Для того, чтобы вызвать образование отложения, концентрацию карбоната кальция в воде регулировали добавлением 50 млн-1 хлорида кальция и 100 млн-1 бикарбоната натрия с различными шагами повышения доз. Для сравнительной оценки результатов измерений в контуре рециркуляции была установлена испытательная система накопления отложения (DATS) производства компании Bridger Scientific INC. В зонде использовался керамический нагреватель модели HT19R диаметром 23 мм и мощностью 19 Вт производства компании THORLABS (адрес: 56 Sparta Ave, г. Ньютон, штат Нью-Джерси, США) для нагрева подложки из нержавеющей стали 302 толщиной 0,01 дюйма (0,254 мм). Для контроля температуры были использованы термопары типа J модели JMQSS-062G-6 производства компании Omega Engineering INC. (адрес: One Omega Drive, г. Стэмфорд, штат Коннектикут, США). Для измерения температуры массы воды был использован дополнительный датчик RTD. Регистрация температуры была выполнена в системе DNA-PPC8 и DNA-AI-207 компании United Electronics Industries, Inc. (адрес: Renmar Avenue, 27, Walpole, штат Массачусетс, США), подключенной к персональному компьютеру. Мониторинг и регулирование расхода обеспечивались блоком DATS, который был оборудован системой регулирования расхода с обратной связью. Проводимость воды, pH и окислительно-восстановительный потенциал непрерывно контролировались с помощью системы регулирования 3D TRASAR производства компании Nalco/ECOLAB с датчиками, вставленными в расходную емкость, которая подавала и принимала оборотную воду.
[0070] Результаты эксперимента демонстрируют измеренное изменение термического сопротивления (HTR), данные отобранных изображений и данные обработанных изображений, которые представлены на фиг. 5-7. На фиг. 5 проиллюстрировано, что изменение HTR проявляется в возрастании его величины, начинающемся через 5 часов по мере того, как на нагретой подложке формируется отложение. Одновременно с измерением HTR серия цифровых изображений демонстрирует образование отложения на поверхности нагретой подложки. Отобранные изображения образцов показаны на фиг. 5 в разные моменты времени. Данные изображений собирали на ПК при помощи камеры производства компании THE IMAGING SOURCE LLC, адрес: 6926 Shannon Willow Rd, г. Шарлотт, штат Северная Каролина, США, модели DFK ECU010-M12 с объективом 8 мм модели TBL-8-C производства компании THE IMAGING SOURCE. Освещением управляли светодиодом Cree XLamp XP-E2 (производства компании Cree INC., адрес: 4600 Silicon Drive, г. Дарем, штат Северная Каролина, США) и линзой Carlco 10140 (производства компании Carlco Optics, адрес: 600 Depot Street, г. Латроб, штат Пенсильвания, США). Эти примерные изображения демонстрируют условия до появления отложения (~ 2 часа), сразу после того, как отложение начало формироваться (~ 7 часов), и после длительного периода (~ 20 часов) для того, чтобы продемонстрировать протяженность образования отложения на поверхности нагретой подложки.
[0071] Серию цифровых изображений обрабатывают для уменьшения данных двумерного изображения (разрешающая способность в пикселях 1280 по горизонтали x 720 по вертикали) до одной точки, которая отражена на графике фиг. 5 в виде тренда как сгруппированное изображение. Этапы обработки изображения включают в себя первое группирование (т.е. суммирование) значений интенсивности пикселей по вертикальному направлению для того, чтобы сформировать горизонтальный линейный профиль интенсивности от 0 до 1280 пикселей. Пример, демонстрирующий итоговые сгруппированные данные изображений, собранные в разные моменты времени, проиллюстрирован на фиг. 6. На фиг. 6 также показаны вертикальные пунктирные линии, которые представляют края подложки. На фиг. 6 стрелкой указано направление потока слева направо. Сгруппированный линейный профиль первоначально является плоским для всех обработанных изображений, потому что он представляет ненагретый участок слева от подложки, наблюдаемый на данных изображений, проиллюстрированных на фиг. 5. Сгруппированный линейный профиль между пунктирными линиями соответствует площади подложки, а в значениях интенсивности линейного профиля наблюдаются изменения, происходящие на подложке. Сгруппированный линейный профиль со временем увеличивается по мере образования отложения на поверхности подложки. Самое большое изменение в линейном профиле наблюдается в крайней правой части графика, потому что это та область, где образование отложения происходит в первую очередь, так как это самый нагретый участок подложки. За пределами области подложки в правой части сгруппированный линейный профиль обнаруживает более высокую чувствительность, чем в левой части, из-за образования отложения ниже по течению в направлении потока воды.
[0072] При интегрировании линейного профиля между пунктирными линиями, проиллюстрированными на фиг. 6, кривая превращается к одну точку. Будучи заранее сформированным с различными приращениями времени, полученное интегрированием значение может отражаться на графике в виде тренда. Количественное значение точки характеризует изменение отражательной способности и/или цвета поверхности подложки. На фиг. 5 эта точка проиллюстрирована путем сравнения данных сгруппированных изображений с измеренными значениями термического сопротивления. По мере образования отложения на поверхности подложки величина HTR увеличивается, как и данные сгруппированных изображений, причем и то, и другое демонстрирует соответствующее увеличение. Результат тренда, проиллюстрированный на фиг. 5, корректируют на смещение, т.е. участок без отложения, и нормализуют по максимальному полученному интегрированием значению для того, чтобы изменить масштаб данных от нуля до единицы. В этом примере данные сгруппированных изображений выявляют наличие отложения приблизительно на 2 часа раньше, чем измерение HTR, основанное на использовании порога чувствительности, равного 2-кратной величине помех. В этом случае помехи при измерении HTR обусловлены колебаниями в потоке в результате работы системы регулирования расхода. Небольшие изменения в величине расхода распространяются на расчет HTR в результате конвекции. В отличие от измерения HTR, измерение по изображениям не зависит от расхода текучей среды и/или температуры.
ПРИМЕР 2.
[0073] Во втором примере, проиллюстрированном на фиг. 7, в начале графика на поверхности подложки уже имеется отложение. Отложение продолжает формироваться на поверхности подложки, что является причиной увеличения величины HTR, которое переходит в пологий участок кривой на графике на отметке времени приблизительно 3:12, за которым следует резкое уменьшение на отметке времени около 8:00 в результате удаления отложения после введения кислоты в протекающий поток. При этом показатель рН изменился с 8,5 до менее чем 2. Данные сгруппированных изображений демонстрируют аналогичный характер изменения (тренд), но ближе к моменту введения кислоты отличаются по своей структуре. В обоих случаях после удаления отложения с поверхности подложки величина HTR и данные сгруппированных изображений возвращаются к исходному значению, которое меньше, чем значения в начале графика.
[0074] Все ссылки, включая публикации, заявки на патенты и патенты, приведенные в данном документе, включены сюда по ссылке в такой же степени, как если бы каждая ссылка была отдельно и конкретно указана включенной по ссылке и была изложена полностью в данном документе.
[0075] Использование терминов в единственном числе и выражения «по меньшей мере один» и аналогичных определяемых объектов в контексте описания изобретения (особенно в контексте следующей формулы изобретения) следует истолковывать как охватывающее как единственное, так и множественное число, если иное не указано в данном документе или явно не противоречит контексту. В частности, в данной заявке встречается слово «серия», которое следует истолковывать как охватывающее как единственное, так и множественное число, если иное не указано в данном документе или явно не противоречит контексту. Использование выражения «по меньшей мере один», за которым следует перечень из одного или более предметов (например, «по меньшей мере один из А и В»), следует истолковывать как относящееся к одному предмету, выбранному из перечисленных предметов (А или В), или к любой комбинации двух или более из перечисленных предметов (A и B), если иное не указано в данном документе или явно не противоречит контексту. Термины «содержащий», «имеющий», «включающий» и «содержащий в себе», следует истолковывать как неограничивающие термины (т.е. означающие «включающий, но не ограниченный этим»), если не указано иное. Указание диапазонов значений в данном документе предназначено просто для того, чтобы служить кратким способом индивидуального указания каждого отдельного значения, попадающего в диапазон, если в данном документе не указано иное, а каждое отдельное значение включено в данное описание, как если бы оно было отдельно перечислено в данном документе. Все способы, описанные в данном документе, могут быть выполнены в любом подходящем порядке, если иное не указано в данном документе или иное явно не противоречит контексту. Использование любого и всех примеров или примерных выражений (например, «такой как»), приводимых в данном документе, предназначено просто для лучшего освещения изобретения и не налагает ограничения на объем изобретения, если не заявлено иное. Ни одна формулировка в описании не должна быть истолкована как указывающая на любой незаявленный элемент как существенный для практического осуществления изобретения.
[0076] В данном документе описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, включая лучший известный авторам изобретения вариант осуществления изобретения. Вариации этих предпочтительных вариантов осуществления могут стать очевидными специалистам в данной области техники после прочтения предшествующего описания. Авторы изобретения ожидают, что квалифицированные специалисты будут использовать такие вариации, исходя из конкретных условий, и авторы изобретения предполагают, что изобретение может осуществляться на практике иначе, чем это конкретно описано в данном документе. В соответствии с этим, настоящее изобретение включает в себя все модификации и эквиваленты объекта изобретения, указанного в прилагаемой формуле изобретения, как это разрешено применяемым законодательством. Более того, настоящим изобретением охватывается любая комбинация вышеописанных элементов во всех их возможных вариациях, если иное не указано в данном документе или иное явно не противоречит контексту.
1. Способ анализа отложения на подложке, находящейся в контакте с промышленной водой в системе промышленного водоснабжения, включающий:
нагрев подложки в то время, когда подложка находится в контакте с промышленной водой в системе промышленного водоснабжения, до температуры выше температуры промышленной воды с образованием тем самым отложения на подложке;
создание серии цифровых изображений подложки в то время, когда подложка находится в контакте с промышленной водой в системе промышленного водоснабжения;
выявление элемента отложения на каждом из серии цифровых изображений подложки; и
анализ элемента отложения на каждом из серии цифровых изображений подложки для определения характера изменения образования отложения на подложке в системе промышленного водоснабжения.
2. Способ по п. 1, дополнительно включающий регулирующую обработку промышленной воды системы промышленного водоснабжения ингибитором отложений на основе определенного характера изменения образования отложения.
3. Способ по п. 1 или 2, дополнительно включающий определение термического сопротивления подложки.
4. Способ по любому из пп. 1-3, дополнительно включающий измерение параметра промышленной воды в системе промышленного водоснабжения, выбранного из pH, проводимости, окислительно-восстановительного потенциала, сопротивления линейной поляризации, их производных и их комбинаций.
5. Способ по любому из пп. 1-4, дополнительно включающий измерение температуры во множестве точек для определения термического сопротивления подложки.
6. Способ по любому из пп. 1-5, в котором отложение содержит вещество, содержащее кальций.
7. Способ по п. 6, в котором вещество, содержащее кальций, является карбонатом кальция.
8. Способ по любому из пп. 1-7, в котором отложение содержит вещество, содержащее железо.
9. Способ по п. 8, в котором вещество, содержащее железо, является оксидом железа.
10. Способ по любому из пп. 1-9, в котором создание серии цифровых изображений подложки включает захват многоспектральных цифровых изображений.
11. Способ по любому из пп. 1-10, дополнительно включающий действие по регулированию образования отложения в системе промышленного водоснабжения.
12. Способ по п. 11, в котором действие по регулированию образования отложения в системе промышленного водоснабжения включает осуществление действия, выбранного из увеличения дозы ингибитора отложений, выбора другого ингибитора отложений, модификации ингибитора отложений, изменения физического свойства системы промышленного водоснабжения, остановки работы системы промышленного водоснабжения и их комбинаций.
13. Способ по любому из пп. 1-12, в котором анализ элемента отложения включает классификацию элемента отложения на подложке в соответствии с цветом.
14. Способ по любому из пп. 1-13, дополнительно включающий перемещение подложки в системе промышленного водоснабжения для экспонирования второго интересующего участка формирования цифровых изображений; и повторение этапов способа.
15. Способ по любому из пп. 1-14, в котором подложка является микровесами с кристаллом кварца.
16. Способ по любому из пп. 1-15, в котором образование отложения на подложке включает образование неорганического отложения на подложке.
17. Способ по любому из пп. 1-16, в котором система промышленного водоснабжения включает в себя по меньшей мере одно из теплообменника, конденсатора и градирни, а нагрев подложки до температуры выше температуры промышленной воды включает ускорение образования отложения сверх скорости, с которой в противном случае отложение образовывалось бы на упомянутом по меньшей мере одном из теплообменника, конденсатора и градирни.
18. Способ по любому из пп. 1-17, в котором анализ элемента отложения на каждом из серии цифровых изображений дополнительно включает определение состава отложения на основе по меньшей мере одного из цвета элемента отложения и морфологии элемента отложения.
19. Способ по любому из пп. 1-18, в котором система промышленного водоснабжения является системой водяного отопления или системой водяного охлаждения.
20. Способ по любому из пп. 1-19, в котором подложка образована из металла.
