防积垢流动歧管

申请号 CN201380061142.2 申请日 2013-11-25 公开(公告)号 CN105008057A 公开(公告)日 2015-10-28
申请人 联邦科学和工业研究机构; 发明人 罗杰·奥哈洛伦; 奈杰尔·古德曼; 班尼·库安;
摘要 一种用于安装用来监视 流体 的各种流体参数的流体监视 传感器 的防积垢 歧管 (1)。所述歧管(1)包括由流体通道(4)连接的流体入口(2)和流体出口(3)。提供传感器安装区域(7)以用于安装相应的传感器模 块 ,并且流偏转构造(9)被构造来控制所述传感器安装区域(7)处的流体流的速度梯度,从而引起所述歧管的表面壁的剪应 力 的局部增加。所述增加的壁剪力减少了所述流体中的悬浮物质附着到通道表面的趋势。
权利要求

1.一种防积垢传感器歧管,其用于将流体引导到安装在所述歧管上的传感器,所述歧管包括:
流体入口;
流体出口;
流体通道,其将所述入口连接到所述出口;
歧管壁,其限定通道内表面,所述通道内表面包括用于安装所述传感器以便暴露于流经所述通道的流体的传感器安装区域;
偏转构造,其设置在所述传感器安装区域的上游,以使所述流体的流加速,借此所述流体流的速度梯度的所得变化在所述传感器安装区域处引起壁剪的局部增加,从而在使用中抵制所述传感器的积垢。
2.根据权利要求1所述的传感器歧管,其中所述偏转构造包括以下各项中的一项或多项:所述歧管通道中的肘形弯管;所述通道的紧缩部;文丘里管构造;挡板;偏转表面;偏转叶片;鳍片;通道横截面轮廓的变化;壁表面抛光;通道膛线和/或喷嘴构造。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的传感器歧管,其中所述偏转构造包括所述流体通道中的弯管。
4.根据权利要求3所述的传感器歧管,其中所述弯管介于45度与约135度之间。
5.根据权利要求3所述的传感器歧管,其中所述弯管介于60度与约120度之间。
6.根据权利要求3所述的传感器歧管,其中所述弯管介于75度与约105度之间。
7.根据权利要求3所述的传感器歧管,其中所述弯管为约90度。
8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器歧管,其中所述偏转构造包括所述通道的紧缩部以使所述流加速。
9.根据权利要求8所述的传感器歧管,其中所述紧缩部包括用于引导所述流的喷嘴,所述喷嘴具有在喷嘴出口上游的喷嘴入口。
10.根据权利要求9所述的传感器歧管,其中所述喷嘴包括所述喷嘴入口与所述喷嘴出口之间的横截面面积的阶梯状变化。
11.根据权利要求9所述的传感器歧管,其中所述喷嘴从所述喷嘴入口向所述喷嘴出口次第渐缩。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的传感器歧管,其中所述喷嘴出口具有大体上圆形的横截面轮廓。
13.根据权利要求9至11中任一项所述的传感器歧管,其中所述喷嘴出口具有大体上细长的横截面轮廓。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的传感器歧管,其中所述喷嘴提供大于1的所述通道横截面面积相对于所述喷嘴出口横截面面积的喷嘴减小比。
15.根据权利要求14所述的传感器歧管,其中所述喷嘴减小比大于4。
16.根据权利要求14所述的传感器歧管,其中所述喷嘴减小比大于15。
17.根据权利要求9所述的传感器歧管,其中所述喷嘴出口在所述通道内大体上位于中心处。
18.根据权利要求9所述的传感器歧管,其中所述喷嘴出口从所述通道的中心偏移。
19.根据权利要求9所述的传感器歧管,其中所述喷嘴与所述歧管壁一体形成。
20.根据权利要求9至19中任一项所述的传感器歧管,其中所述喷嘴出口设置在偏转表面上游,并且适于将所述加速流引导到所述偏转表面上。
21.根据权利要求9至19中任一项所述的传感器歧管,其中所述歧管包括所述流体通道中的弯管。
22.根据权利要求21所述的传感器歧管,其中所述喷嘴出口设置在所述弯管上游,以将所述加速流引导到所述弯管中。
23.根据权利要求22所述的传感器歧管,其中所述弯管包括偏转表面。
24.根据前述权利要求中任一项所述的传感器歧管,其中所述偏转构造适于发起下游涡流
25.根据前述权利要求中任一项所述的传感器歧管,其中所述通道的横截面为大体上圆形或正方形、具有最大宽度D。
26.根据权利要求1至24中任一项所述的传感器歧管,其中所述通道具有大体上D形横截面,包括与大体上平坦段相对的大体上半圆形段,所述通道具有最大宽度D。
27.根据权利要求26所述的传感器歧管,其中所述传感器安装区域位于所述大体上平坦段上。
28.根据权利要求25至27中任一项所述的防积垢传感器歧管,其中所述传感器安装区域设置在所述偏转构造下游5D的距离内。
29.根据权利要求25至27中任一项所述的防积垢传感器歧管,其中所述传感器安装区域设置在所述偏转构造下游2D的距离内。
30.根据权利要求25至29中任一项所述的传感器歧管,其中所述喷嘴具有约3D的喷嘴长度LN。
31.根据权利要求25至30中任一项所述的传感器歧管,其中所述通道宽度D介于7mm与约15cm之间。
32.根据权利要求25至30中任一项所述的传感器歧管,其中所述通道具有约1.5cm的最大宽度D。
33.根据前述权利要求中任一项所述的传感器歧管,其中所述传感器安装区域处的平均壁剪力大于约25Pa。
34.根据前述权利要求中任一项所述的传感器歧管,其中所述传感器安装区域处的所述平均壁剪力大于约34Pa。

说明书全文

防积垢流动歧管

发明领域

[0001] 本发明大体上涉及用于监视液流的传感器设备的歧管。虽然具体参考污废水灰水管理来描述本发明,但本发明也可应用于其它类型的流体
[0002] 发明背景
[0003] 以下对现有技术的论述意在促进对本发明的理解,并且使其优点能够更全面地被理解。然而,应了解,说明书通篇对现有技术的任何参考均不应被解释为表达或暗示承认此类现有技术是广泛已知的或形成本领域中的常见一般知识的一部分。
[0004] 用传感器来监视含有固体、半固体、悬浮或溶解物质的流体可能是有问题的。这些类型的流体中的许多包含或携带容易累积在用来运输流体并且传感器位于其中的管道和歧管的内部表面上的材料。举例来说,油腻和/或含油脂的积垢物质、生物/有机材料、浮渣、污泥和残渣可能粘附或累积在内部导管表面上。在传感器需要与流体流物理接触以便起作用或被精确地校准以穿过已知厚度和材料的歧管壁起作用的情况下,累积在传感器的面或通道的内部表面上的物质通常可能使传感器无法工作或出错。
[0005] 长久暴露于此类流体会使问题恶化,例如在长期和持续监视以进行管理期间。特别关注地污水、废水和灰水管理。然而,对于其它类型的流体来说,积垢也可能成问题的,包括从化工制造、仓储和/或配送中的化学聚积到例如海洋或水生环境中的生物和/或有机材料以及食品和乳制品制造和处理中的各种组分的聚积。
[0006] 减少积垢的一种方法是以非常高的流量送流体,使得流体本身扫除任何物质聚积。然而,实现高流量通常是不实际的,因为这通常需要昂贵的额外泵送设备、用于应付可能损坏传感器的较高驱动压的高等级导管。此外,传感器在此类流量下可能无法正确地起作用。
[0007] 用于解决积垢问题的另一方法需要定期维护传感器并且手动清洁。然而,这通常有必要关断系统,使得可将传感器和/或歧管拆卸下来并进行清洁。
[0008] 在一些应用中,有可能将化学清洁剂添加到流经歧管或流经定向在传感器表面处的喷口的流体中。然而,在许多情况下,添加清洁化学药品可能是不可能的,或可能是昂贵或不合需要的。
[0009] 另一方法是在歧管中提供机械擦拭器来清洁传感器。然而,此类机械装置容易发生故障,并且通常增加了歧管的复杂性和成本。
[0010] 另一解决方案涉及使用喷雾口,其将液体流喷到传感器上,借此流从冲击点径向散开,以产生薄的高速清洁液层。然而,此类壁式喷口容易损坏传感器表面,尤其是具有纤弱和/或柔性界面(例如,聚合物膜)的传感器。此外,喷射通常可导致传感器错误。另外,这些系统在水下传感器中可能无效,并且类似于机械系统,增加了歧管的复杂性和成本。
[0011] 本发明的目标是克服或显著地改善现有技术的缺陷中的一个或多个,或至少提供有用的替代方案。
[0012] 发明概述
[0013] 根据第一方面,本发明提供一种防积垢传感器歧管,其用于将流体引导到安装在歧管上的传感器,所述歧管包括:
[0014] 流体入口;
[0015] 流体出口;
[0016] 流体通道,其将入口连接到出口;
[0017] 歧管壁,其限定通道内表面,所述通道内表面包括用于安装传感器以便暴露于流经通道的流体的传感器安装区域;
[0018] 偏转构造,其设置在传感器安装区域的上游,用于使流体流加速,借此流体流的速度梯度的所得变化在传感器安装区域处引起壁剪力的局部增加,从而在使用中抵制传感器积垢。
[0019] 优选地,偏转构造包括以下各项中的一项或多项:歧管通道中的肘形弯管;通道的紧缩部;文丘里管构造;挡板、偏转表面;偏转叶片;鳍片;通道横截面轮廓的变化;壁表面抛光;通道膛线和/或喷嘴构造。
[0020] 在一个实施方案中,偏转构造包括流体通道中的弯管。优选地,弯管介于45度与约135度之间,更优选地,介于60度与约120度之间;并且最优选地,介于75度与约105度之间。在一个优选实施方案中,弯管为约90度。
[0021] 在一个实施方案中,偏转构造包括通道的紧缩部以使流加速。优选地,紧缩部包括用于引导流的喷嘴,喷嘴具有在喷嘴出口上游的喷嘴入口。优选地,喷嘴从喷嘴入口向喷嘴出口次第渐缩。
[0022] 在一个实施方案中,喷嘴在喷嘴入口与喷嘴出口之间在横截面面积中包括阶梯状变化。
[0023] 喷嘴出口可具有大体上圆形和/或细长的横截面轮廓。
[0024] 在一个实施方案中,喷嘴提供横截面面积通道横截面面积相对于喷嘴出口横截面面积的喷嘴减小比大于1。然而,优选地,喷嘴减小比大于4,并且在一些实施方案中,优选地大于15。
[0025] 喷嘴出口在通道内可大体上定位在中心处,或在一个优选实施方案中,从通道的中心偏移。
[0026] 偏转构造可以是通道内的插入件,或可与歧管壁一体形成。
[0027] 在一个优选实施方案中,喷嘴出口设置在偏转表面的上游,并且适于将已加速流引导到偏转表面上。
[0028] 在另一实施方案中,喷嘴出口设置在流体通道中的弯管的上游,以便将已加速流引导到弯管中。弯管可包括偏转表面。
[0029] 在一个实施方案中,偏转构造适于发起下游涡流
[0030] 优选地,传感器安装区域处的壁剪力大于25Pa,然而更优选地,传感器安装区域处的壁剪力大于34Pa。
[0031] 在另一方面,本发明提供一种防积垢传感器歧管,其用于将流体引导到安装在歧管上的传感器,所述歧管包括:
[0032] 流体入口;
[0033] 流体出口;
[0034] 流体通道,其将入口连接到出口,通道具有最大宽度D介于约7mm与15cm之间的大体上圆形或正方形横截面;
[0035] 歧管壁,其限定通道内表面,所述通道内表面包括用于安装传感器的传感器安装区域;
[0036] 偏转构造,其设置在传感器安装区域的上游,以使流体流加速,借此流体流的速度梯度的所得变化在传感器安装区域内的歧管壁处引起壁剪力的局部增加,从而在使用中抵制传感器积垢,偏转构造包括通道中的肘形弯管,其限定介于45度与约135度之间的度偏转。
[0037] 在一个实施方案中,通道具有约1.5cm的最大宽度D。
[0038] 在一个实施方案中,传感器安装区域设置在弯管下游5D的距离内。然而,优选地,传感器安装区域设置在弯管下游2D的距离内。
[0039] 优选地,偏转构造还包括流体喷嘴,其具有上游喷嘴入口和下游喷嘴出口,喷嘴设置在通道内以用于将流体流从喷嘴出口引导到弯管中。在一个实施方案中,喷嘴具有约3D的喷嘴长度LN。
[0040] 在一个实施方案中,喷嘴出口设置在通道途径附近,以大体上平行于壁来引导流。
[0041] 优选地,喷嘴出口在弯管上游间隔开介于0与约0.65D之间的距离。
[0042] 在一个实施方案中,喷嘴提供大于约4并且优选地大于约15的通道横截面面积与出口喷嘴横截面面积的喷嘴减小比(即,面积与面积比)。
[0043] 在一个实施方案中,喷嘴出口是具有介于0.03D与约0.2D之间的横向宽度的细长狭槽。
[0044] 在一个实施方案中,通道具有大体上D形横截面,包括与大体上平坦段相对的大体上半圆形段。
[0045] 优选地,大体上平坦段限定大体上平面的传感器安装区域,并且喷嘴出口设置在大体上半圆形部分附近。
[0046] 有利地,在优选实施方案中,本发明在用于废水处理厂的长期监视和控制以及下水道汇水中的源控制的技术中提供显著改进。
[0047] 附图简述
[0048] 现将仅借助实例并且参照附图来描述本发明的优选实施方案,在附图中:
[0049] 图1是根据本发明第一实施方案的歧管的透视图;
[0050] 图2是示出形成内部通道的根据本发明的另一歧管的内部容积的透视图;
[0051] 图3是图2中示出的通道的横截面图;
[0052] 图4是根据本发明另一实施方案的歧管的平面图;
[0053] 图5是根据实施例1的映射到通道表面上的所得壁剪力的俯视图图形表示,其中通道包括90度肘形弯管,并且所述图包括指示壁剪力范围的阴影图例;
[0054] 图6是根据实施例2的映射到通道表面上的所得壁剪力的侧视图图形表示,其中通道包括喷嘴,并且所述图包括指示壁剪力范围的阴影图例;
[0055] 图7是根据实施例2的映射到通道表面上的所得壁剪力的俯视图图形表示;
[0056] 图8是实施例2的歧管通道的横截面图;
[0057] 图9是根据实施例3的映射到通道表面上的所得壁剪力的俯视图图形表示,其中通道包括90度肘形弯管和喷嘴,并且所述图包括指示壁剪力范围的阴影图例;
[0058] 图10是实施例3的歧管通道表面的内部容积的俯视图;
[0059] 图11是实施例3中示出的歧管通道表面的内部容积的侧视图;
[0060] 图12是根据实施例4的映射到通道表面上的所得壁剪力的俯视图图形表示,其中通道包括45度肘形弯管和喷嘴,并且所述图包括指示壁剪力范围的阴影图例;
[0061] 图13是根据实施例5的映射到通道表面上的所得壁剪力的俯视图图形表示,其中通道包括135度肘形弯管和喷嘴;
[0062] 图14是根据实施例6的映射到通道表面上的所得壁剪力的俯视图图形表示,其中所述图包括指示壁剪力范围的阴影图例;
[0063] 图15是根据实施例7的映射到通道表面上的所得壁剪力的俯视图图形表示;
[0064] 图16是根据实施例8的映射到通道表面上的所得壁剪力的俯视图图形表示,其中所述图包括指示壁剪力范围的阴影图例;
[0065] 图17是根据实施例9的映射到通道表面上的所得壁剪力的俯视图图形表示,其中所述图包括指示壁剪力范围的阴影图例;
[0066] 图18是根据实施例10的映射到通道表面上的所得壁剪力的俯视图图形表示,其中所述图包括指示壁剪力范围的阴影图例;
[0067] 图19是根据实施例11的映射到通道表面上的所得壁剪力的俯视图图形表示,其中所述图包括指示壁剪力范围的阴影图例;
[0068] 图20是根据实施例12的映射到通道表面上的所得壁剪力的俯视图图形表示,其中所述图包括指示壁剪力范围的阴影图例;
[0069] 图21是根据实施例13的映射到通道表面上的所得壁剪力的俯视图图形表示,其中所述图包括指示壁剪力范围的阴影图例;
[0070] 图22是根据本发明的具有多个传感器口的歧管的俯视图;
[0071] 图23是示出根据本发明的偏转构造的替代形式的一系列视图;以及[0072] 图24是根据本发明的文丘里管类型的偏转构造。
[0073] 本发明优选实施方案
[0074] 本发明涉及一种用于安装流体监视传感器的防积垢歧管,所述流体监视传感器用于监视在歧管的流体通道内流动的流体的各种流体参数。
[0075] 图1中示出本发明的一个优选实施方案。歧管1包括由流体通道4连接的流体入口2和流体出口3。具有通道内表面6的歧管壁5限定流体通道4。所述歧管包括至少一个传感器安装区域,或如图1中所示,多个传感器安装区域7。为了促进传感器暴露于通道中的流体,每个传感器安装区域7可在歧管壁5中具备至少一个孔口或口。当然,一些类型的传感器可能不要求与流体直接接触,并且可穿过歧管壁同等有效地操作。虽然图1在每个安装区域处示出单个口,但多个口和/或传感器可定位在传感器安装区域中的每一个处。
[0076] 图2显示本发明的另一优选实施方案。然而,为了清楚,在此图中已经移除了歧管和歧管壁5,以便将三维通道4的形状揭示为由省略的歧管壁5的内表面6限定的容积。此容积也表示通道/歧管壁界面,并且因此表示如由歧管壁限定的通道的内表面6。歧管被构造用于供流体从入口2流到出口3。传感器安装区域7的位置在通道4的表面上示出。
[0077] 将了解,在确定歧管的内流特性时,重要的是由歧管限定的通道4的形状而不是歧管的外部形状或外观。因此,下文所呈现的实例中所使用的图将通道容积的形状和尺寸显示为将由相应歧管限定。
[0078] 如本文所使用的术语“歧管”意在表达其上安装传感器从而允许传感器暴露于流体的任何流通导管。因此,“歧管”将同等地包括用于安装传感器的主线导管的任何一段,以及辅助导管布置,所述辅助导管布置具体地被设计用于从主流线汲取一部分流体以被递送给传感器并且接着返回到主流,或另外的布置。因此在此上下文中,歧管或导管可具有一个或多个流体入口和一个或多个流体出口。
[0079] 此外,术语“暴露”包括传感器为了像预期那样有效地起作用所需要的任何操作暴露。因此,“暴露”可包括与流体流物理接触,或通过穿过光学透明窗口或歧管壁非常接近而暴露。所需暴露的类型将取决于特定传感器的操作特性。
[0080] 参照图2,歧管通道4限定从流体入口2到流体出口3的流体流动路径。包括流偏转构造9以控制通道的选定区中的流体的流动特性。具体地说,偏转构造设置在相应传感器安装区域7的上游,以便使流体流加速。因流体的加速而导致的流体流的速度梯度的所得变化在通道表面6的预先确定传感器安装区域7处引起紧邻歧管壁的剪应力(称为壁剪力)的局部增加。流偏转构造还被构造来最小化积垢材料到传感器安装区域并且因此到传感器上的直接冲击。
[0081] 就本发明而言,壁剪力是指移动流体(具有大体上恒定的粘度)在指定位置处施加到限定通道的壁的内表面上的剪应力。已发现,增加壁剪力会减小流体中的悬浮物质附着到通道表面的趋势,并且还可通过强行去除所累积的任何物质来提供清洁效果。
[0082] 清楚地,本发明可能不是在所有情形下都消除积垢,因为积垢的趋势取决于许多因素,这些因素包括但不限于流体的性质、流体的总流量和通道直径、通道壁的表面特性、积垢物质的固有粘性、温度、粘度等。然而,本发明的目的是在通道中在传感器安装区域的上游采用偏转构造,以便在与缺乏偏转构造情况下在传感器安装区域内施加在歧管壁上的平均壁剪力相比时,引起在同一传感器安装区域内施加在歧管壁上的平均壁剪力的增加,从而降低传感器附近的积垢倾向。
[0083] 偏转构造9可采取多种形式,包括以下各项中的一项或多项:歧管通道中的肘形弯管;通道的紧缩部;文丘里管构造;挡板、偏转表面、叶片和/或鳍片;对通道横截面形状或内部表面6的轮廓的修改;通道凸纹或膛线;喷嘴;和/或其它特征、构造或装置,所述各项单独地或组合地适于对传感器安装区域附近的流体引起指定影响。
[0084] 举例来说,肘形弯管周围的流体流很少是均匀的,并且通常包括以相当不同的速度和方向流动的不同流体区域。在本发明的上下文中,利用不均匀流动分布来在通道中位于弯管下游的特定位置处提供增加水平的壁剪力。类似地,可使用文丘里管构造或通道建构来增加特定区域处的动态压力所有壁剪力。可使用叶片、鳍片、表面构造和通道形状来引导通道内的流体,以形成具有增加的壁剪力的限定区域,同时可使用喷嘴来在目标传感器安装区域上方引导相对于通道中的基线流速度相对高的流体射流。因此,传感器安装区域处所引起的剪应力大于在歧管内施加到歧管壁的平均剪应力。
[0085] 本发明可用于用来监视流经歧管的流体的各种参数的各种各样的传感器。此类传感器包括但不限于用于监视流体的以下参数的传感器:流量、温度、压力、粘度、酸度(pH)、透明度、溶解(DO)浓度、氧化还原电位(ORP)和/或浊度
[0086] 图23中示出流偏转构造的各种实例。图23A显示具有长度LN、外径或入口直径dI和出口直径dO的阶梯状减小喷嘴或塞子插入件。在此特定实施方案中,LN为约5cm,而dI和dO分别为约1.5cm和1cm。
[0087] 图23B示出具有圆形入口/出口的圆锥形喷嘴。喷嘴从入口到出口渐缩,从而使通道/喷嘴的横截面面积以喷嘴减小比减小。举例来说,如图23B中示出的圆形通道和喷2
嘴具有由(dI/dO)给出的喷嘴减小比。在一个实施方案中,例如,dI为约15.3mm,而dO为约
4mm,从而提供14.6或约15的喷嘴减小比。还应注意,喷嘴出口通常在通道中同轴定位在中心处。
[0088] 图23C示出类似的圆锥形减小喷嘴。然而,在此情况下,喷嘴的出口从通道中心偏移。图23C中的喷嘴出口是圆形的,而图23D中示出的喷嘴包括矩形出口。
[0089] 图23E示出横截面具有阶梯状减小的喷嘴,并且包括大体上垂直于通道的纵轴的出口。图24是文丘里管型装置。
[0090] 将了解,虽然图23和图24中所示的实例被示出为将塞子插入件插入到对应直径的通道中,但它们同样可作为歧管的部分与通道壁一体形成。这些构造也可结合其它补充流偏转装置使用,如具体构造的管弯管和/或内部通道轮廓,以在传感器安装区域附近引起所需流动特性,如下文更全面地描述。所述歧管因此抵抗传感器积垢以及必然减小的流量的后果,从而有利地允许歧管操作在相对延长的时间而无需维护和/或清洁。在这点上,虽然本发明可用于广泛范围的流体,但只有在结合以下流体时才能实现其潜在优势,所述流体本质上容易使流体在其中流动的导管积垢。如先前所指出,此类流体包括但不限于要求长期且持续的监视以进行有效管理的污水、废水和灰水。这些类型的流体中的许多流体包括油腻和/或含油脂的积垢材料,这些流体连同微生物生物膜一起容易累积在传感器安装在其中或安装到其上的管道和歧管的内部表面上。
[0091] 现在转而更详细地描述装置,传感器安装区域7包括用于安装传感器的传感器安装口。优选地,安装区域是大体上平坦的表面,这对于将传感器对准和安装成与通道内表面齐平可能是有利的。然而,提供平坦的传感器安装表面也可能影响通道的形状。举例来说,图3显示呈本发明的一种形式的通道4的截面图。
[0092] 此实施方案中的通道是大体上圆形的,然而,如图所示,通道具有大体上D形横截面,包括位于如页面上示出的底部处的浑圆半圆形部分10,以及包括大体上平坦段12的上部略方部分11。虽然可使用其它形状,但此处,平坦段12为通道提供用于传感器安装的大体上平面的表面,而歧管的相对的浑圆侧是容积高效的,并且如将看到的,也可通过充当偏转表面来在歧管中在弯管之后增强涡流产生,尤其是在结合平面顶部表面的情况下。另外,通道的宽度和高度大体上相等。因此,通道在本文中可称为具有直径D,但通道可能不是严格地具有圆形横截面。
[0093] 如图2中所示,大体上平坦的平面表面可在通道的长度上延伸,以提供具有恒定横截面的通道。然而,还将了解,可能并不总是这种情况,并且在一些实施方案中,通道的横截面可沿其长度显著地变化。举例来说,通道可包括用于传感器安装的部分(其包括一定长度的具有U形横截面的通道),并且对于歧管的剩余部分,通道可恢复到容积上高效的圆形横截面。
[0094] 图2和图3中所示的通道允许相对容易地从上方接近传感器。然而,可以可替代地根据需要在任何取向处安装传感器和/或提供平面表面。举例来说,将歧管倒置将呈现面向下的平面传感器安装表面,从而允许从下面接近。
[0095] 如所指出的,偏转构造可采取多种形式,并且可包括组合或分开使用的一个或多个元件。在一种形式中,偏转构造是流体通道中的简单的肘形弯管13。在另一形式中,偏转构造是流体喷嘴或内部喷口14。在更进一步实施方案中,如图2中所示,使用肘形弯管和喷嘴的组合。
[0096] 图4示出具有肘形弯管和内部流体喷嘴两者的歧管的实施方案。流动方向由箭头(F)指示。如可看到的,积垢物质(M)撞击并累积在每个弯管的进口附近,而在弯管出口之后产生具有增加的壁剪力的区。增加水平的壁剪力在示出为洁净区(CZ)的内表面上产生固有清洁效果。将传感器安装区域7和传感器定位在具有增加的壁剪力的洁净区中防止或减小材料聚积在传感器上的趋势。
[0097] 作为起始点,对歧管的实施方案的测试证明对通道壁的清洁对于仅仅肘弯来说在15到25l/min下发生,并且对于喷嘴和肘弯的组合来说在6到8l/min下发生。使用计算流体动力学(CFD)分析来就物理大小、肘弯角度和流量示出可在通道中再现相同清洁作用的范围。在此实施例以及本文所有实施例中,假定流体为具有水的粘度的顿流体。
实施例
[0098] 不可能示出歧管的每种想得到的形式。然而,为了支持本发明,现在在以下表格中呈现并概述若干说明性实施例。
[0099]
[0100] *喷嘴沿顶部平坦壁放置
[0101] 实施例1:基线情况-简单的肘形弯管-图5
[0102] 为了定量地限定清洁水平,首先针对仅仅肘弯情况在22l/min的流体流量下执行模拟。图5中示出此实施例中所使用的通道,其中流体从入口2流向出口3并且包括肘形弯管13。通道由弯管分为具有长度L入口的入口段和具有长度L出口的出口段。在所示实施方案中,L入口为8cm,并且L出口为6cm。
[0103] 通道的横截面是恒定的并且在图3中示出。此处,半圆形部分的半径(r)为7.65mm,从而提供为15.3mm的确定通道宽度的直径(D)。正方形部分的高度(z)为5.8mm,并且每个倒圆拐角半径rc为2mm。弯管优选地为90度,但如将看到的,也可应用介于45度与135度之间的弯管。
[0104] 壁剪应力(τ)的模拟分布被标绘在通道壁上,其中范围以Pa为单位,如由壁剪力图例所示。所关注的区域是紧接在弯管下游的传感器安装区域7。因此,将传感器安装区域分为若干个区,这些区在距弯管的距离上递增。在图5中,已预先确定三个同等大小的区,其中边界选定在距弯管等量递增的距离处。距弯管出口的距离可表达为通道4的直径D的函数,以便可相对于通道尺寸进行缩放。
[0105] 区A-0D到0.65D(0cm到1cm)
[0106] 区B-0.65D到1.3D(1cm到2cm)
[0107] 区C-1.3D到2D(2cm到3cm)
[0108] 这些区中的每一个的面积在三个单独区上平均化,三个单独区在通道壁的平坦段上定位在肘弯下游0到1cm、1cm到2cm和2cm到3cm处(实例见图1)。弯管出口被认为是通道从弯管或弯道过渡到直线段的点。这些区代表可能的传感器位置。接着使用最大平均壁剪力值作为比较基准(τcrit)来估定针对不同通道设计进行的所有后续模拟中的清洁水平。接着超过τcrit的τ值被认为提供比实验上在高流量(>22l/min)下在仅仅肘弯中观察到的清洁更强的清洁。
[0109] 在图5中,壁剪力范围用阴影来绘制在通道的表面上。较暗区域显示较高壁剪力值,而较淡区域具有较低剪应力,如由图例所指示。
[0110] 从图中可清楚地看到,在弯管的出口之后产生具有相对较高壁剪力的区。如以上所指出,壁剪力是由流速在通道中紧接在弯管下游的不均匀分布导致,部分地通过弯管中的流体撞击弯管的弯曲后方下部通道壁并且被向上偏转来增强。应注意,通道的不对称横截面意味着下侧壁所提供的此偏转效应不会被上侧壁的相等但相反的偏转平衡掉。增加水平的壁剪力导致在所述区域中通道表面累积积垢物质的趋势减小。
[0111] 虽然所述图示出绘制到通道表面上的壁剪力值的图案,但也针对区A、B和C中的每一个计算了平均壁剪力。在这点上,通道在区A和区B两者中产生34Pa的平均壁剪力。已知此值在真实测试情况下减少积垢。因此,此值被用作所有后续实施例中的壁剪力的基线临界值(τcrit)。高于τcrit的壁剪力被视为足以减少或消除积垢聚积。
[0112] 在22l/min下,预测的压力降为2.2kPa。
[0113] 实施例2:内部喷嘴-图6、图7和图8
[0114] 如所指出的,在另一形式中,偏转构造是内部流体喷嘴14。喷嘴被构造来引导流体以在传感器安装区域7中产生较高剪力。
[0115] 图6、图7和图8中示出内部流体喷嘴的实例,图6、图7和图8示出除喷嘴段之外具有大体上均匀横截面的直线通道的相应侧视图、俯视图和横截面端视图,如将阐释。图8中所示的通道的横截面轮廓与来自图1并且在图3中示出的轮廓完全相同。
[0116] 在此构型中,喷嘴14包括位于喷嘴入口15与喷嘴出口16之间的渐缩段。锥形总体上通过有角平面表面17与通道相交而形成,有角平面表面17充当沿通道长度延伸的具有长度LN的斜坡。如在图8中可见,喷嘴出口16形成为邻近平面通道壁定位的细长狭缝。在此实施方案中,LN为5cm,并且斜坡在入口下游2cm处在底部或半圆形部分处开始,并且朝向通道的正方形上部部分成角度、在通道顶之前1mm处结束,从而将喷嘴出口形成为高
2
度为1mm(h=1mm)且横截面面积为12.5mm的狭缝。传感器安装区域7以间隔距离s即
1cm定位在喷嘴下游,并且如同实施例1那样被分为区A、B和C。
[0117] 喷嘴横截面面积的减小导致流体流速和壁剪应力的增加。在区A、B和C中这些分别记录为170Pa、125Pa和90Pa,这些值全部远高于所计算的τcrit的最小值34Pa。还应指出,这些高壁剪力值是在8l/min(从实施例1中的22l/min下降)的降低的流量下模拟的。
[0118] 实施例3:偏移喷嘴、肘弯和偏转表面-图9、图10和图11
[0119] 如先前所指出,还设想到并且在图9中示出喷嘴和弯管的组合。在此实施例中,喷嘴14安置在90度弯管13上游1cm处。然而,与实施例2相比,喷嘴出口16被构造成邻近通道壁的半圆形部分(即,与传感器侧相对)。
[0120] 另外,喷嘴尺寸与实施例2相同,其中喷嘴长度LN为5cm,并且喷嘴出口的高度为2
1mm(h=1mm)且横截面面积为约12.5mm。间隔距离s现在变为喷嘴出口-弯管入口位移但仍为1cm。
[0121] 图9中示出通道实施例3。这里,在弯管之后,通道的出口段的长度L出口为12cm。图10和图11分别示出从顶部和侧面来看的通道的局部视图。在图10中,已缩短通道的出口部分。
[0122] 在此构型中,偏移喷嘴将细的加速流体流引导到弯管出口处的下部横向通道壁上。流沿通道壁扫掠,从而沿其路径直接使壁剪应力升高。圆形壁的弯曲形状结合弯管的外周边充当偏转表面,使流向上偏转并进入弯管出口中,从而在弯管周围以及弯管下游的通道中发起“漩涡”或涡流,这通常使邻近歧管壁的流体的速度升高。紧接在弯管之后并且尤其是在顶部平面表面安装区域处涡流最强,随着距弯管距离的增加而消散。然而,较高壁剪应力区在肘弯下游持续多于5个通道直径。因此,虽然传感器安装区域在传感器区域的区A处提供最强清洁作用,但清洁效果和潜在传感器安装区域在区域B和C内以及距弯管多达7.5cm(5xD)处是可行的。
[0123] 区A、B和C中的平均壁剪力值分别为215Pa、178Pa和67Pa,这些值同样全部远高于所计算的τcrit的最小值34Pa。如同实施例2,应注意,这些高壁剪力值是在8l/min(从实施例1中的22l/min下降)的降低的流量下模拟的。相比之下,尽管在本文中未作为实例呈现,但将喷嘴放置在顶部平坦侧在区B中产生较强的清洁。
[0124] 实施例4和5:45度和135度肘弯角度-图12和图13
[0125] 实施例4和5显示肘弯的弯管13的角度的影响。如图12中所示的实施例4的通道如同实施例3那样使用弯管和喷嘴的组合,然而,通道包括45°的锐角弯管角度。在图13中所示的实施例5中,弯管角度为135°。
[0126] 在图12和图13中,壁剪力值被绘制到相应45度弯管通道和135度弯管通道上。
[0127] 在以下表格中呈现区A、B和C中的平均壁剪力值。应注意,与所有其它实施例相比,在实施例4中,平均剪力值从区A到区C增加。
[0128]
[0129] 锐角和钝角两者均减小剪力峰值。然而,益处是所有三个区上的高壁剪力的更均匀分布。对于45°肘弯情况(图12),高壁剪力区稍细长并且出现在弯管下游更远处,而实施例5中的135°情况显示较高剪力出现在较靠近弯管处。
[0130] 实施例6和7:缩放效应-图14和图15
[0131] 在如图14中所示的实施例6中,通道和喷嘴以1/2的系数缩小,并且在实施例7(图15)中,通道和喷嘴以10的系数放大。下文呈现与实施例3相比的实施例6和7中所使用的通道尺寸的比较表格。
[0132]
[0133]
[0134] 壁剪力(τ)的模拟分布被标绘在通道壁上并且在图14和图15中示出。应注意,图14和图15未按比较比例画出。
[0135] 为了在通道内部维持相同的流体流速,由于横截面面积的增加而必须分别使流量以1/4和100的系数缩小和放大。因此,实施例6中的流量为2l/m,并且实施例7中的流量为800l/min。
[0136] 如参考图可见,壁剪力图案在实施例3、6和7之间的相对类似之处在于高壁剪应力区位于传感器区域内,并且尤其是在区A和B内,在区C中有所下降。
[0137]
[0138] 在所有情况下,平均壁剪力在区A中达到峰值。然而,所述值在较大(x10)比例(实施例7)下较小,这指示下面的流型并不随通道大小线性地放大,并且因此壁剪力水平针对较大通道直径并不是保持不变。不过,三个窗口内的平均壁剪力全部远高于所测试的三个通道直径的τcrit。因此,对于范围在约7mm与至少约150mm之间的通道直径,预期通道壁的有效清洁是合理的。重要的是应注意,区的大小也相对于通道被缩放。
[0139] 实施例8:减小的狭缝到弯管距离-图16
[0140] 实施例8中示出缩放的非线性性质的效果之一。参考实施例7,由于缩放,在x10情况下(实施例7),喷嘴与弯管之间的间隔距离s为10cm,而不是就实施例3中的基础比例(x1)情况来说的1cm。因此,与具有较小间隔距离s情况相比,来自喷嘴的流体流的消散在10cm处具有较大系数,从而导致肘弯下游的较弱清洁。在图16中所示的实施例8中,喷嘴间隔距离s以10-1的系数减小到1cm。
[0141] 在图16中呈现并且在以下表格中概述所标绘的结果。可看到,减小缩放后间隔距离s(即,从肘弯上游10cm到1cm)减少了扩散和流衰减壁剪力,尤其是在区A(图16)内。以下呈现每个区A、B和C中的平均壁剪力。包括实施例7的结果以用于比较说明。
[0142]
[0143] 实施例9和10:流量的影响-图17和图18
[0144] 参考先前实施例中的每个区中的平均剪力,应注意,所有平均值均充分超过根据效清洁所需要来确定的τcrit的最小值(34Pa)。由于流量直接影响壁剪力水平,并且因此影响肘弯下游的清洁,所以将有可能降低流量同时维持足够(但减少)的清洁。自然地,减小流量需要较少的泵送压力和泵送损耗。
[0145] 在使用与实施例3中所使用相同的通道尺寸的同时,实施例9和10分别将流量从实施例3中的8l/min降低到4l/min和6l/min。实施例9和10中的通道尺寸与实施例3的那些完全相同。
[0146] 图17和18中呈现壁剪力等高线。以下表格中呈现区A、B和C中的每一个中的平均壁剪应力。同样地,包括实施例3的结果以用于比较说明。
[0147] 如在表格中可见,在4l/min的流量下,平均壁剪力在区C中低于τcrit,但在区A和区B中高于τcrit。类似于在实验室里在高流量下针对仅仅肘弯所观察到的,这被视为清洁区A和区B所需的最小水流量。在4l/min下,所需的压力降为15.9kPa。
[0148] 实施例9和10指示可在仍提供足够的清洁性能的同时降低泵送要求。
[0149]
[0150] 实施例11、12和13:喷嘴出口大小的影响-图19、图20和图21
[0151] 用于降低泵送损耗的另一方法是增加喷嘴出口的大小。实施例11、12和13各自分别使用3mm的较大狭缝宽度h以及6l/min、8l/min和12l/min的流量。
[0152] 狭缝的较大横截面面积的折衷是壁剪力水平的减小。在以下表格中呈现并且在分别对应于实施例11、12和13的图19、20和21中的阴影绘图中示出模拟结果。
[0153]
[0154] 结果显示:为了达到τcrit,通道需要在8l/min的最小流量下操作。与1mm狭缝情况(图6)中的72%相比,三个窗口上的平均壁剪力的变化小于17%。在6l/min、8l/min和12l/min下所需的压力降分别为3.9kPa、6.9kPa和15.5kPa。
[0155] 歧管工作范围
[0156] 基于以上实施例,已经在以下表格中建立具有肘弯和狭缝喷嘴的通道。
[0157]
[0158] D=通道直径(对于X1情况,为15.3mm)
[0159] 参照所述表格,在本发明的最佳实例中,歧管通道的横截面为大体上圆形或正方形。通道的直径(或最大宽度)D介于约7mm与15cm之间。
[0160] 所述歧管包括复合偏转构造,所述复合偏转构造包括:两个离散但协同地相互作用的偏转元件、肘形弯管和上游喷嘴,所述上游喷嘴限定喷嘴出口,用于邻近并沿通道的壁引导液体流并且引导至弯管中。喷嘴出口以介于0与约0.65x通道直径D之间的距离与弯管间隔开。
[0161] 弯管提供在约45°与约135°之间的角度范围内的通道的方向变化。喷嘴提供介于4与约15之间的减少比,所述减少比对应于通道的横截面面积与喷嘴出口的横截面面积的比。喷嘴出口优选地是细长的,具有介于0.03D与约0.2D之间的横向宽度。传感器安装区域被设置成邻近肘形弯管出口并且紧接在肘形弯管出口的下游,在对应于5x通道直径D的距离内。
[0162] 在一种形式中,歧管可连接到主要流体导管以限定辅助流动路径,使得仅从主要流汲取一定比例的流体并引导其穿过歧管以用于监视。流体可通过依靠主导管中的压差和/或流来被动地放掉,或通过使用流体泵送装置来主动地放掉。在另一形式中,歧管并入到主导管中、与主导管成一体、或简单地构成主导管的部分。
[0163] 图22示出根据本发明的适合多种传感器的歧管设计。通过更迭连续弯管的方向,歧管在相对紧凑的拓扑结构内限定并入多个传感器安装区域的蜿蜒流动路径。
[0164] 更具体地,歧管通路4包括各自具有相应传感器安装口和传感器模17的四个传感器安装区域7。应注意,传感器安装区域中的每一个位于呈相应肘形弯管13形式的相应偏转构造之后。虽然此特定歧管不包括喷嘴类型偏转构造,但所述歧管可被修改成包括与一个或多个传感器安装区域相关联的一个或多个构造。
[0165] 流体入口2借助于软管18连接到流体泵19的出口。泵19从有待监视的流体源汲取流体。可看到泵入口20,其可借助于软管(未图示)连接到储槽或储库,或来自主要流体管的细管。另一软管(未图示)借助于配件21连接歧管出口3,以便将流体返回到源或主要供应源。在其它情况下,可能不需要泵,并且代替地,流体由于入口2和出口3处的压差而流经歧管。
[0166] 本发明在其各种优选实施方案中提供歧管,用于以抵制积垢并且避免损坏敏感传感器的独特方式将流体引导到安装在歧管上的传感器。这进而最小化对维护和修理的需要。有利地,所述装置非常适用于位于包括那些含有油腻/含脂肪的悬浮物质的液体的多种液体中的稳健传感器。所述装置还适合具有柔性或另外的流体敏感界面(例如,聚合物膜)的传感器,因为所述装置避免来自壁式喷口的可能使这些敏感表面破裂或受损的直接流动撞击。此外,可以可靠且成本有效的方式并且在与否则可能需要的情况相比减小的流量下实现这些优点。因此,本发明提供优于现有技术的实用且商业上显著的改进。
[0167] 本说明书通篇对“一个实施方案”或“一实施方案”的提及意味着结合所述实施方案所描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方案中。因此,短语“在一个实施方案中”或“在一实施方案中”在本说明书各个地方的出现不一定全部是指但可以是指同一实施方案。此外,如本领域的普通技术人员从本公开将明白的,特定特征、结构或特性可以任何合适方式组合在一个或多个实施方案中。
[0168] 类似地,应了解,在以上对本发明示例性实施方案的描述中,本发明的各种特征有时在单个实施方案、图或其描述中聚集在一起以便于简化本公开并且帮助理解各种发明性方面中的一个或多个。然而,本公开的这种方法不应被解释为反映以下意图:所要求的本发明要求比每项权利要求中明确陈述的特征多的特征。相反,如所附权利要求书所反映,发明性方面在于少于单个前文所公开实施方案的所有特征。因此,在详述之后的权利要求书特此明确地并入到此详细描述中,其中每项权利要求独立地作为本发明的单独实施方案。
[0169] 此外,虽然本文所描述的一些实施方案包括一些但不是其它实施方案中所包括的其它特征,但如本领域的技术人员将理解,不同实施方案的特征的组合意在属于本发明的范围内,并且形成不同的实施方案。例如,在所附权利要求书中,所要求的实施方案中的任一个可以任何组合来使用。
[0170] 在本文所提供的描述中,陈述大量的具体细节。然而,应理解,可在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施方案。在其它实例中,未详细示出众所周知的方法、结构和技术,以便不会模糊对本说明书的理解。
[0171] 因此,尽管已参考具体实例描述了本发明,但本领域的技术人员将了解,本发明可以许多其它形式来具体体现。
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