BRPI0910551B1 - Dispositivo de medição e monitoramento de potencial de oxirredução sob alta temperatura e pressão para sistemas de água quente - Google Patents

Abstract

dispositivo de medição e monitoramento de potencial de oxiredução sob alta temperatura e pressão para sistemas de água quente e método de prevenção de corrosão em um sistema de água quente empregando tal dispositivo. um dispositivo (10) para medir o potencial de oxirredução a temperatura e pressão operacionais em sistemas de água quente é revelado e reivindicado. o dispositivo inclui uma célula de fluxo continuo (25), uma sonda de potencial de oxirredução (26), um detector de temperatura (26a, 300) e um conjunto de eletrodo de referência balanceado por pressão externa (15). cada componente do dispositivo trabalha em conjunto com os demais componentes, e cada um tem conexões elétricas que transmitem sinais a um controlador o controlador calcula e determina ajustes composição química da água de alimentação para o sistema de água quente. em uma concretização particularmente preferida, o detector de temperatura compreende um sensor de resistência dependente da temperatura de quatro fios (300-309).

Description

DISPOSITIVO DE MEDIÇÃO E MONITORAMENTO DE POTENCIAL DE OXIRREDUÇÃO SOB ALTA TEMPERATURA E PRESSÃO PARA SISTEMAS DE ÁGUA QUENTE REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

O presente pedido é uma continuação-em-parte do Pedido de Patente U.S. No 11/668,048, ora pendente, intitulado "HIGH TEMPERATURE AND PRESSURE OXIDATION-REDUCTION POTENTIAL MEASURING AND MONITORING DEVICE FOR HOT WATER SYSTEMS”, por meio deste incorporado na íntegra para fins de referência.

CAMPO TÉCNICO

A presente invenção refere-se a um dispositivo de medição do potencial de oxirre-dução. Mais especificamente, a invenção refere-se a um dispositivo de medição e monitoramento do potencial de oxirredução usado em conjunto com programas de inibição de corrosão em sistemas de água quente. A invenção tem particular relevância a um dispositivo de monitoramento e medição do potencial de oxirredução, cujos sinais de saída são usados para determinar as taxas de alimentação das substâncias químicas que afetam e controlam o potencial de oxirredução em sistemas de caldeira industrial

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

A corrosão provocada pelo aumento do potencial do oxirredução em sistemas de água quente, como caldeiras industriais, é uma questão preocupante. A afinidade do oxigênio pelas ligas usadas na indústria de água de caldeira é a causa de muitos fenômenos de corrosão. Essa corrosão é um processo complexo que depende não somente da quantidade de oxigênio no sistema, mas também de fatores, como a composição química e metálica da água. Por exemplo, a presença de outras espécies na água poderia transformar o oxigênio em uma força corrosiva agressiva ou tornar a constituição metálica passivada. Outros fatores importantes são a temperatura, pressão, velocidades de fluido e práticas operacionais. Embora o oxigênio possa ser o componente primário ou essencial no processo de corrosão, ele pode não ser o único.

Os meios convencionais para reduzir a corrosão causada pelo oxigênio nos sistemas de água quente consistem na remoção da maioria do oxigênio molecular dissolvido por meios mecânicos e químicos. A grande maioria do oxigênio dissolvido é reduzida na faixa de partes por bilhão pelo uso de desaeração mecânica. A água normalmente é aquecida acima da temperatura de ebulição em um recipiente ventilado, ocasionando redução na solubilidade do oxigênio dissolvido à medida que a temperatura aumenta. A dinâmica de fluxo e questões operacionais específicas aos desaeradores deixam partes por bilhão do oxigênio dissolvido na água. Os removedores de base são substâncias químicas usadas para reduzir de maneira reproduzível os valores de oxigênio dissolvido a valores baixos e constantes. Muitos desses removedores também funcionam como inibidores de corrosão por passivação. Os desaeradores nem sempre funcionam perfeitamente; se o fizessem, um removedor puro jamais seria preciso, embora uma substância química capaz de aprimorar a passivação do metal seja uma adição positiva. Em certos casos, o removedor de oxigênio é adicionado como uma política de segurança contra a possibilidade de o desaerador não funcionar corretamente. O removedor também pode ser adicionado para combater a fuga de ar para dentro do sistema.

Tradicionalmente, a quantidade de removedor de oxigênio alimentada à água de alimentação da caldeira se baseia na quantidade de oxigênio dissolvido na água de alimentação mais certa quantidade em excesso do removedor. A quantidade de removedor em excesso alimentada se baseia na concentração de removedor residual desejada na água de alimentação da caldeira ou na própria água da caldeira, que é em função da concentração em excesso do removedor e dos ciclos da caldeira. Há vários problemas neste esquema de controle de alimentação. O primeiro é que não há controle ativo da taxa de alimentação do removedor. Condições de elevado teor de oxigênio poderiam persistir por longos períodos antes que ocorresse uma redução no removedor residual e fosse tomada uma ação corretiva.

Outra questão é que a presença do removedor residual na água da caldeira simplesmente não quer dizer que o sistema está sendo tratado de maneira satisfatória. Dependendo das condições (por exemplo, baixa temperatura ou curto tempo de residência), é possível a coexistência de elevadas concentrações de oxigênio e removedor suficiente na água de alimentação. Quando essa água de alimentação rica em oxigênio chega à caldeira, o oxigênio é removido, com o vapor deixando o removedor não-reagido na água da caldeira. Em caso extremo, o resultado pode ser um nível elevado inaceitável de oxigênio dissolvido na pré-caldeira e sistemas de condensados, esperando-se, ao mesmo tempo concentrações residuais de removedor de oxigênio na própria caldeira.

Em certas caldeiras de alta pressão que utilizam água de altíssima pureza, utilizou-se uma abordagem diferente. Não foram utilizados removedores de oxigênio. De fato, adicionam-se pequenas quantidades de oxigênio molecular deliberadamente à água de alimentação. O oxigênio (isto é, o oxidante) age como o agente passivante para o aço-carbono sob condições cuidadosamente controladas de composição química da água da caldeira. As concentrações de oxigênio utilizadas são muito menores do que os valores saturados de ar (8 ppm de oxigênio dissolvido); portanto, utiliza-se alguma desaeração. Normalmente, é mais fácil desaerar até certo grau antes de adicionar uma quantidade controlada de oxigênio.

A corrosão nos sistemas de caldeira industrial normalmente ocorre à temperatura e pressão operacionais (isto é, elevadas). Os dados de controle e operação mais eficazes e precisos se baseiam em medições feitas sob condições reais de operação. A coleta destes dados, que indica a tensão por corrosão no sistema, à temperatura e pressão da água de alimentação da caldeira, é difícil e raramente é realizada. Tradicionalmente, o potencial de oxirredução é medido à temperatura e pressão ambiente em uma amostra coletada do sistema. Tais medições à temperatura ambiente, e outras medições tradicionais, tal como a taxa de corrosão específica da constituição metálica do oxigênio dissolvido, ou medições residuais do removedor, não são capazes de detectar muitos eventos e tensões de corrosão.

Há, portanto, uma necessidade contínua pela medição e monitoramento eficazes do potencial de oxirredução à temperatura e pressão ambiente em sistemas de água quente. Tal monitoramento possibilitaria o ajuste proativo da composição química da água de alimentação (tal como oxigênio, removedores de oxigênio, agentes redutores e agentes oxi-dantes), em vez de ajustes reativos depois que a corrosão já ocorreu. A otimização contínua e em tempo real da composição química da água de alimentação, incluindo um programa de passivação/removedor de oxigênio, poderia prevenir problemas de corrosão que resultam em perda da produção de vapor, tempo de paralisação, redução da vida útil e maior custo operacional.

SUMÁRIO

Sendo assim, é revelado um dispositivo para medição e monitoramento do potencial de oxirredução à temperatura e pressão operacional (“ORP”) em um sistema de água quente. Em uma concretização, o dispositivo inclui uma célula de fluxo contínuo, um eletrodo para detectar a ORP no sistema (aqui chamado de “sonda ORP”), um detector de temperatura e um eletrodo de referência. Em uma concretização preferida, esses componentes trabalham juntos para medir e monitorar a ORP e a temperatura e enviar esses sinais medidos a um controlador que determina as taxas de alimentação das substâncias químicas de tratamento do sistema de água quente, tal como oxigênio e/ou removedores de oxigênio. Em uma concretização preferida, o potencial medido (isto é, diferencial de tensão elétrica) entre a sonda ORP dentro da célula de fluxo contínuo e o eletrodo de referência, preferencialmente encerrado dentro de um conjunto de eletrodo de referência balanceado por pressão externa (“EPBRE”), indica a ORP em um sistema de água quente, tal como um sistema de caldeira industrial.

Em um aspecto, a invenção inclui um dispositivo para medir o potencial de oxirre-dução e a temperatura em um sistema de água quente. Em uma concretização, o dispositivo inclui uma célula de fluxo contínuo contendo uma multiplicidade de portas incluindo uma primeira porta, uma segunda porta, uma porta de entrada e uma porta de saída. Em uma concretização, o dispositivo inclui uma sonda ORP associada à primeira porta e tendo uma conexão para retransmitir informações a um controlador. Em uma concretização, o dispositivo adicionalmente inclui um sensor de resistência dependente de temperatura (algumas ve-zes chamado de “detector de temperatura de resistência”) associado à primeira porta e tendo uma conexão que se estende da célula de fluxo contínuo para uma conexão elétrica do detector de temperatura operável para retransmitir informações a um controlador.

Em uma concretização, o dispositivo também inclui um conjunto de eletrodo de referência balanceado por pressão externa associado à segunda porta. O conjunto inclui uma frita porosa em uma primeira extremidade do conjunto dentro da célula de fluxo contínuo e um tubo incluindo uma solução de eletrólito e estendendo-se da primeira extremidade do conjunto para uma segunda extremidade do conjunto. A segunda extremidade do conjunto é conectada um eletrodo de referência de semicélula de cloreto de prata/prata contendo uma conexão elétrica e operável para retransmitir informações ao controlador.

Em uma concretização, o dispositivo inclui uma sonda ORP associada à primeira porta e tendo uma primeira extremidade e uma segunda extremidade. Uma tira de platina (ou outro metal nobre) é conectada à primeira extremidade e reside dentro da célula de fluxo contínuo. Um fio resistente à corrosão (por exemplo, platina) se estende a partir da tira de platina na primeira extremidade para a segunda extremidade. A segunda extremidade inclui uma conexão elétrica operável para retransmitir informações a um controlador.

Em outro aspecto, a invenção inclui um método para prevenção da corrosão em um sistema de água quente mediante o uso do dispositivo descrito. O método inclui determinar uma faixa ORP ideal para o sistema de água quente. Em uma concretização, o método inclui medir a ORP do sistema de água quente à temperatura e pressão operacionais como a diferença de potencial entre a sonda ORP e o eletrodo de referência e medir uma temperatura com o detector de temperatura. O potencial e temperatura medidos são retransmitidos a um sistema controlador que interpreta as medições e determina se a ORP medida está dentro da faixa ORP ideal. O método adicionalmente inclui adicionar uma quantidade eficaz de oxigênio ou uma quantidade eficaz de agente redutor à água de alimentação do sistema de água quente, se a ORP não estiver dentro da faixa ORP ideal.

Deve-se compreender que o dispositivo revelado é capaz de medir e monitorar a ORP e a temperatura em qualquer sistema ou fluxo de água corrente ou inerte, mas é equipado primariamente para as condições extremas encontradas em um sistema de água quente operacional ou um sistema de caldeira industrial. As temperaturas podem chegar a aproximadamente 260oC e as pressões podem chegar a cerca de 3000 psi em tais sistemas. Em uma concretização, os sinais de ORP e temperatura são monitorados de maneira contínua. Como alternativa, os sinais podem ser monitorados de acordo com um cronograma ou podem ser monitorados de maneira intermitente.

O sinal ORP medido ocorre naturalmente no ambiente aquoso do sistema de água quente devido à polarização da sonda ORP. Em vez de usar a corrente para aplicar a tensão, o dispositivo de medição e monitoramento da ORP especialmente projetado possibilita a medição passiva da ORP usando potenciais de livre flutuação. Uma unidade de interpretação de sinal de tensão adequada, tal como um voltímetro de alta impedância de entrada ou outro dispositivo, é tipicamente necessário para interpretar ou converter tais potenciais ou sinais de tensão em um formato legível. Em uma concretização preferida, quando instalada verticalmente, a base do EPBRE (isto é, o local do alojamento de múltiplos encaixes, descrito em mais detalhes abaixo) está à temperatura ambiente, seja qual for a temperatura do sistema; no entanto, a base permanece à pressão do sistema. Em concretizações alternativas, a base do EPBRE pode estar em qualquer posição em relação à célula de fluxo contínuo e sua temperatura pode estar em qualquer nível entre a temperatura ambiente e do sistema, dependendo da aplicação específica.

Uma das vantagens da invenção é oferecer um dispositivo para medir, em tempo real, o potencial de oxirredução em um sistema de água quente à temperatura e pressão operacionais.

Outra vantagem da invenção é oferecer um dispositivo capaz de medir, em tempo real, o potencial de oxirredução em um sistema de água quente à temperatura e pressão operacionais e retransmitir o potencial medido a um controlador operável para ajustar a alimentação de substâncias químicas, tal como oxigênio ou removedor de oxigênio, à água de alimentação do sistema de água quente.

Outra vantagem da invenção é oferecer um dispositivo para medir, em tempo real, o potencial de oxirredução em um sistema de água quente à temperatura e pressão operacionais e fornecer, ao operador, os dados de saída para ajuste da alimentação de substâncias químicas, tal como oxigênio ou removedor de oxigênio, à água de alimentação do sistema de água quente.

Uma vantagem adicional da invenção é propor um dispositivo capaz de oferecer uma abordagem nova e eficiente à prevenção da corrosão em um sistema de água quente.

Uma vantagem da invenção também inclui oferecer um dispositivo que mede, de forma simultânea ou concorrente, o potencial de oxirredução e a temperatura de um sistema de água quente à temperatura e pressão operacionais.

Outra vantagem da invenção é oferecer medições precisas e de alta sensibilidade para detectar eventos de corrosão em sistemas de água quente que não podem ser detectadas com os sistemas tradicionais de medição à temperatura ambiente.

Uma vantagem adicional da invenção é oferecer um método de medição do potencial de oxirredução em sistemas de água quente à temperatura e pressão elevadas, permitindo assim uma resposta rápida e precisa às tensões de corrosão no sistema.

Ainda outra vantagem da invenção é oferecer um método de uso do dispositivo aqui descrito para prevenção da corrosão em um sistema de água quente mediante a medição do potencial de oxirredução do sistema de água quente à temperatura e pressão operacio-nais e retransmissão do potencial medido a um controlador operável para ajustar a alimentação de oxigênio, ou a alimentação de removedor de oxigênio, à água de alimentação do sistema de água quente.

Uma vantagem adicional da invenção é permitir a detecção antecipada de tensões de corrosão da água de alimentação que permitem ajustes proativos em tempo real aos níveis de oxigênio e/ou removedor de oxigênio, desse modo possibilitando a otimização de tais níveis.

Outros aspectos e vantagens são descritos neste documento, e irão transparecer na Descrição Detalhada a seguir e nas Figuras.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A Figura 1 é uma vista lateral de uma concretização do dispositivo de medição de potencial de oxirredução 10, ilustrado com a célula de fluxo contínuo 25, a união em “T” 50 e o conjunto de eletrodo de referência balanceado por pressão externa 75.
A Figura 2 é um diagrama esquemático de uma concretização de uma célula de fluxo contínuo 25 contendo portas 25a, 25b, 25c e 25d, o sensor 26, o encaixe de alta pressão 78 e o acoplador 28.
A Figura 3 é um diagrama esquemático de uma concretização da união em “T” 50 incluindo o acoplador 28, a conexão elétrica do detector de temperatura 54, as virolas 56a e 56b, a conexão de sonda de potencial de oxirredução 58, o suporte em “L” 60 e conectores BNC 62a e 62b.
A Figura 4 ilustra uma concretização do sensor 26 incluindo o detector de temperatura 26a, o isolamento termocontrátil 26b, a tira de metal nobre 26c, o fio 26d, o retentor termocontrátil 26e e o tubo 26f.
A Figura 5 representa uma concretização preferida do detector de temperatura de resistência 300 incluindo dois condutores elétricos positivos 303 e 304 e dois condutores elétricos negativos 305 e 306.
A Figura 6 é uma vista de corte da relação espacial entre os vários componentes descritos, incluindo o detector de temperatura 26a, o isolamento termocontrátil 26b, a tira de metal nobre 26c, o fio 26d, o retentor termocontrátil 26e, o tubo 26f, a união em “T” 50 e a virola 56b, de acordo com uma concretização preferida.
A Figura 7 representa uma concretização do conjunto de eletrodo de referência balanceado por pressão externa 65 incluindo o tubo externo 76, o encaixe de alta pressão 78, o conector de alta pressão 80, o tubo interno 82, o eletrodo de referência 84, a frita porosa 86, o inserto 88, o alojamento de múltiplos encaixes 90, a união redutora 92, o conector BNC 94, a porca de travamento 96, o parafuso 98 e o dispositivo de fixação 102.
A Figura 8 ilustra uma concretização do alojamento de múltiplos encaixes 90 incluindo uma junção vedada 100, o dispositivo de fixação 102, o tubo interno 82 e a conexão do eletrodo de referência 84b.
A Figura 9 ilustra uma concretização do dispositivo de medição de potencial de oxir-redução 10 instalado no sistema de água quente 200 incluindo a saída de amostra de água de alimentação 202, a válvula travável 204, o tubo de transferência 206, a válvula de isolamento 208, a válvula de respiro 210, o primeiro orifício de drenagem livre 212, a união em “T” 213, o manômetro 214, o medidor de fluxo 216, a válvula de controle de fluxo 218 e o segundo orifício de drenagem livre 220.
A Figura 10 mostra múltiplos exemplos de variações de sinal ORP de temperatura e pressão alta em um sistema de água de alimentação de caldeira industrial simulado. O eixo Y mostra os números ORP obtidos com o dispositivo ORP descrito na presente invenção. O eixo X mostra as leituras de oxigênio dissolvido correspondendo a cada leitura.

DESCRIÇÃO DETALHADA

Como usado na presente invenção, o termo “sistema de água quente” refere-se a qualquer sistema em que a água quente está em contato com superfícies metálicas. O termo “água quente” indica água com uma temperatura de cerca de 37oC a cerca de 370oC. O sistema de água quente pode operar à pressão atmosférica, ou abaixo dela, ou a uma pressão de até 3.000 psi. Um sistema de água quente preferido é o sistema de caldeira industrial, que normalmente tem uma temperatura de água de cerca de 90oC a cerca de 260oC e pressões que chegam a aproximadamente 3.000 psi.

Os termos “ORP”, “medição da ORP”, “ORP medida” ou similares referem-se a medições do potencial de oxirredução obtidas à temperatura e pressão operacionais. Em uma concretização, o termo abrange sinais de temperatura retransmitidos e medidos de maneira concorrente.

O termo “sistema controlador” e similares referem-se a um operador manual ou um dispositivo eletrônico incluindo componentes como um processador, dispositivo de memória, tubo de raios catódicos, visor de cristal líquido, tela de plasma, tela de toque ou outro monitor e/ou outros componentes. Em certos casos, o controlador pode ser operável para integração com um ou mais circuitos integrados de aplicação específica, programas ou algoritmos, um ou mais dispositivos fisicamente conectados e/ou um ou mais dispositivos mecânicos. Algumas ou todas as funções do sistema controlador podem estar em uma localização central, tal como um servidor de rede, para comunicação por meio de uma rede local, rede de longa distância, rede sem fio, conexão com a Internet, ligação de microondas, ligação por infravermelho, entre outros. Além disso, outros componentes, como um condicionador de sinal ou monitor do sistema, podem ser incluídos para facilitar os algoritmos de processamento de sinais.

Em uma concretização, o esquema de controle é automatizado. Em outra concretização, o esquema de controle é manual ou semimanual, em que um operador interpreta os sinais e determina a composição química da água de alimentação, tal como a dosagem de oxigênio ou removedor de oxigênio. Em uma concretização, o sinal ORP medido é interpretado por um sistema controlador que controla uma quantidade de oxigênio ou removedor de oxigênio a ser introduzida no sistema de modo a manter a ORP medida dentro de uma faixa determinada. Em uma concretização, o sistema controlador também interpreta a temperatura medida para determinar a quantidade de oxidante (por exemplo, oxigênio) ou redutor (por exemplo, removedor de oxigênio) a ser adicionada, se houver. O detector de temperatura também poderia ser usado para fins de informação, tal como em esquemas de alarme e/ou esquemas de controle. Deve-se apreciar que o esquema de controle pode incorporar limitadores de bomba, sistemas de alarme, controle inteligente e/ou similares, baseados em outras informações de entrada, como o pH, níveis de oxigênio dissolvido e outros constituintes.

Em uma concretização preferida, alterações e ajustes à composição química da água de alimentação incluem a adição de oxigênio ou um ou mais removedores de oxigênio à água de alimentação. Por definição, os removedores de oxigênio são agentes redutores, mas nem todos os agentes redutores são, necessariamente, removedores de oxigênio. Os agentes redutores, adequados como removedores de oxigênio, satisfazem aos requisitos termodinâmicos de que exista um calor de reação exotérmica com oxigênio. Para aplicações práticas, é necessária atividade razoável a temperaturas baixas. Isto é, deve haver alguma cinética de reação favorável. Além do mais, outras alterações e ajustes à composição química da água de alimentação, tal como para controle do sistema e controle de corrosão, podem incluir a adição de outros agentes oxidantes ou de outros agentes redutores.

Também é extremamente desejável que o agente redutor e seus produtos de oxidação não sejam corrosivos e não formem produtos corrosivos quando eles se formam no equipamento de geração de vapor. Normalmente, os removedores de oxigênio funcionam da maneira ideal em certas faixas de pH, temperaturas e pressões, e são também afetados pela catálise de uma forma ou outra. A seleção dos removedores de oxigênio apropriados para um dado sistema pode ser prontamente realizada com base nos critérios discutidos acima.

Redutores preferidos (isto é, removedores de oxigênio) incluem hidrazina, sulfito, carbohidrazida, N,N-dietilhidroxilamina, hidroquinona, eritorbato, metil etil cetoxima, hidroxi-lamina, ácido tartrônico, etoxiquina, metiltetrazona, tetrametilfenilenodiamina, semicarbazi-das, dietilaminoetanal, 2-cetogliconato, N-isopropilhidroxilamina, ácido ascórbico, ácido gáli-co e hidroxiacetona.

Termos como “acoplador”, “encaixe”, “porca”, e similares, conforme utilizados na presente invenção, não têm a intenção de distinção, sendo, portanto, usados de modo geral para descrever e representar um tipo similar de mecanismo de fixação. Tais termos são usados por conveniência e não por uma limitação estrutural ou funcional. Qualquer meca-nismo ou conexão adequado pode ser usado para os acopladores, encaixes ou outros dispositivos de fixação ou conectores descritos. Normalmente, os mecanismos de conexão são projetados para resistir às temperaturas e pressões encontradas em um sistema de água quente. Para auxiliar na vedação dos acopladores, encaixes, etc. aqui descritos, agentes vedantes, como uma fita Teflon®, Teflon® líquido, massa epóxi, silicone ou outro agente vedante adequado pode ser utilizado. Além disso, referências a um encaixe como sendo de “alta pressão” não pretendem distinguir esse encaixe dos demais descritos aqui, uma vez que cada encaixe é escolhido dependendo das características específicas do sistema de água quente.

Exemplos representativos, não limitantes, de encaixes, acopladores, conectores, junções, porcas, parafusos, entre outros, aqui descritos, incluem encaixes NPT, encaixes NPT de liberação rápida, encaixes no estilo NA, encaixes alargados, encaixes de compressão (como os que utilizam virolas) ou quaisquer outros acopladores, adaptadores, encaixes ou dispositivos de fixação adequados. Contempla-se ainda, para algumas aplicações, soldagem, brazagem, colagem (por exemplo, cianoacrilato, resina ou outro adesivo adequado) ou outro tipo de conexão permanente ou semipermanente. Qualquer tamanho adequado, formato, material etc. do acoplador, encaixe, conector, adaptador ou junção pode ser usado e é determinado com base nas características e exigências da aplicação específica.

Certas conexões elétricas, como conexões catódicas e anódicas, são proporcionadas aqui de acordo com as concretizações da invenção. Em uma concretização, uma sonda ORP inclui uma conexão anódica e um eletrodo de referência inclui uma conexão catódica. Tais conexões são assim designadas por conveniência e por convenção. Em concretizações alternativas, os pólos para essas conexões podem ser transpostos ou alternados, quando, por exemplo, o eletrodo de referência é a conexão anódica e a sonda ORP é a conexão catódica.

Em uma concretização, todas as interfaces elétricas descritas ou conexões associadas a essas interfaces (isto é, conexões para a sonda ORP, eletrodo de referência, detector de temperatura) incluem um conector do tipo BNC. Como alternativa, as conexões podem incluir outros tipos de conectores RF, conectores do tipo TNC, conectores do tipo banana, conectores crimpados, outros tipos de conectores elétricos, conexões soldadas, ligação direta, ou qualquer outra interface ou conexão elétrica adequada.

Descrição do Dispositivo

Referindo-se às FIGS. 1 a 9, as concretizações preferidas do dispositivo de medição e monitoramento da ORP (daqui em diante chamado de “dispositivo ORP”) são ilustradas e explicadas, com números similares indicando componentes similares. Na FIG. 1, uma concretização do dispositivo ORP 10 é ilustrada com a célula de fluxo contínuo 25, o sensor 26, a união em “T” 50 e o conjunto de eletrodo de referência balanceado por pressão exter-na 75. A célula de fluxo contínuo (“FTC”) normalmente é a “base ” do dispositivo ORP à qual os demais componentes são conectados, inclusive o detector de temperatura, sensor, e o conjunto de eletrodo de referência balanceado por pressão (“EPBRE”). No entanto, em concretizações alternativas, outros componentes podem estar separados da FTC, e, portanto, não são conectados diretamente à FTC. Nesta concretização, o acoplador 28 conecta a FTC à união em “T” e o encaixe 78 conecta a FTC ao EPBRE.

Os dispositivos de fixação preferidos incluem encaixes NPT de 1/4 ou 3/8 de polegada para o acoplador 28 e o encaixe 78. Esses conectores podem ter qualquer tamanho adequado e os exemplos aqui apresentados não têm a intenção de serem limitativos. Por exemplo, um adaptador fêmea de 3/8 de polegada pode ser usado para o acoplador, tal como a Part No. SS-6-TA-7-4, e a união redutora Part No. SS-400-R-6BT pode ser usada para o encaixe 78 (ambos comercializados pela Swagelok® em Solon, OH). Nesta concretização, o EPBRE é ilustrado “dependurado” embaixo e verticalmente em relação à FTC. Tal configuração vertical é uma concretização e deve ser apreciado que o EPBRE pode ser posicionado em qualquer ângulo em relação à FTC de acordo com concretizações alternativas. De preferência, o dispositivo ORP é instalado de modo que o EPBRE aponte diretamente para baixo e em direção ao chão. Essa posição descendente mantém a base do EPBRE à temperatura ambiente e assegura que não ocorra formação de bolhas dentro da solução de ele-trólito (explicado abaixo). Se a base do EPBRE não estiver à temperatura ambiente, normalmente se fazem correções para ajustar para que se inclua os potenciais térmicos dentro do eletrodo. A temperatura da base do EPBRE pode ser determinada usando qualquer dispositivo de detecção de temperatura adequado.

A FIG. 2 ilustra uma concretização preferida da FTC 25. Embora essa vista esquemática ilustre uma concretização com quatro portas, 25a a 25d, considera-se que a FTC pode ter portas adicionais, tal como para a conexão ou adição de outros componentes ou para acomodar fluxos de entrada e/ou saída adicionais. Algumas ou todas as portas podem ser conectadas interna ou externamente ou separadas. Um exemplo de FTC de quatro portas preferidas é a conexão para tubos de 3/8 polegada Part No. SS-600-4 (disponibilizada pela Swagelok® em Solon, OH). Em uma concretização preferida, a FTC é constituída da cruz em aço inoxidável de 3/8 polegada e inclui uma configuração de orifício passante com 4 portas conectadas. É contemplado que o tamanho do orifício e outras dimensões da FTC podem ser escolhidos de forma a acomodar qualquer vazão possível, conforme determinado para cada aplicação. Vazões típicas e preferidas incluem de aproximadamente 50 mL/min a cerca de 1.000 mL/min. Outras vazões preferidas são de aproximadamente 100 mL/min a cerca de 500 mL/min.

Como mostra a FIG. 2, a porta de entrada 25b acomoda um fluxo de entrada de água do sistema de água quente e a porta de saída 25a direciona a água de volta ao siste-ma ou para um fluxo residual. Em concretizações alternativas, podem-se utilizar válvulas ou outros dispositivos de controle de fluxo para controlar o fluxo de entrada e saída na FTC. Uma concretização de tal sistema de controle de fluxo é ilustrada e explicada na FIG. 9 abaixo. Deve-se apreciar que a invenção pode incluir mais de uma porta de fluxo de entrada e/ou saída, que podem ser configuradas para trabalhar em conjunto, serem controladas de maneira independente ou configuradas e operadas de qualquer maneira adequada. A porta 25c, nesta concretização, inclui o encaixe de alta pressão 78 que conecta a FTC ao EPBRE.

Em uma concretização, o sensor 26 é associado à FTC e se projeta para perto do centro da FTC. Em uma concretização, o sensor inclui uma sonda ORP. Em outra concretização, o sensor inclui um detector de temperatura. Em outra concretização, o sensor inclui tanto a sonda ORP quanto o detector de temperatura. Em uma concretização, o detector de temperatura é um sensor de resistência dependente de temperatura, descrito em mais detalhes abaixo. Quando o fluxo de entrada de água entra em contato com a sonda ORP, por exemplo, produz-se um sinal ORP entre a sonda ORP e o eletrodo de referência, que é retransmitido ao sistema de controle. A sonda ORP é geralmente posicionada em relação à frita porosa 86, como explicado em mais detalhes abaixo. Materiais preferidos para a frita porosa incluem materiais cerâmicos ou eletrocerâmicos, tal como zircônia, materiais polimé-ricos, ou similares, ou qualquer outro material poroso adequado. Prefere-se que a frita porosa seja inerte aos processos de sistema de água quente e à medição do sinal ORP.

Na FIG. 3, é ilustrada uma concretização da união em “T” 50 incluindo o acoplador 28, a conexão elétrica do detector de temperatura 54, as virolas 56a e 56b, a conexão de sonda ORP 58, o suporte em “L” 60 e conectores BNC 62a e 62b. O acoplador 28 conecta a FTC na porta 25d à união em “T”. Um conector preferido para o acoplador 28 é o Part No. SS-6-TA-7-4 (comercializado pela Swagelok® em Solon, OH). Em uma concretização preferida, a união em “T” inclui dois conectores para tubo de 1/8 polegada com um conector NPT de % polegada na extremidade remanescente que é conectada ao acoplador 28. Em uma concretização, a união em “T” é montada no ou conectada ao suporte em “L” ou a outro dispositivo ou conexão estabilizadora. Em concretizações alternativas, a união em “T” pode ter outros encaixes de tamanho adequado, que pode ser padrão, métrica, pequena, grande ou qualquer configuração adequada. Uma extremidade da união em “T” é conectada à célula de fluxo contínuo de acordo com uma concretização. Conectadas às outras duas extremidades da união em “T” estão a conexão elétrica do detector de temperatura e a conexão da sonda ORP. Embora qualquer união em “T” adequada possa ser utilizada, uma união em “T” preferida é a No. SS-200-3-4TMT (comercializada pela Swagelok® em Solon, OH).

A FIG. 4 representa uma concretização do sensor 26 incluindo o detector de temperatura 26ã (na “ponta” do sensor), o isolamento termocontrátil 26b, a tira de metal nobre 26c, o fio 26d, o retentor termocontrátil 26e e o tubo 26f. Nesta concretização, o tubo 26f é um tubo em aço inoxidável fechado de uma extremidade tendo um diâmetro externo de aproximadamente 1/8 polegada e estendendo-se a partir do centro da célula de fluxo contínuo para dentro da união em “T”. Deve-se apreciar que o tubo pode ser de qualquer diâmetro adequado, como determinado para cada aplicação. O tubo serve para dar suporte à tira de metal nobre 26c (“tira”) e pode incluir qualquer material resistente à corrosão, tal como aço inoxidável de qualquer composição adequada, alumínio, outros metais e plásticos e combinações dos mesmos. Em uma concretização preferida, a tira funciona como um sensor ORP passivo. A ORP da água de amostra é medida na superfície passiva em relação ao eletrodo de referência. A tira está localizada, em uma concretização, próximo ao centro da FTC (como explicado acima para a FIG. 2) e está em contato direto com o fluxo aquoso.

Em uma concretização preferida, o detector de temperatura é um sensor de resistência dependente de temperatura (tal como um PT100, PT200, PT1000, CU10, NI120). Em uma concretização, o sensor de resistência dependente de temperatura é encerrado dentro do tubo 26f e não é diretamente exposto ao fluxo aquoso. O detector de temperatura também pode incluir um termopar convencional (tal como do tipo J, K, T ou E) ou outro dispositivo de detecção de temperatura de acordo com concretizações alternativas. Em uma concretização, o sensor 26 inclui tanto uma sonda ORP tendo uma tira de metal nobre quanto um detector de temperatura, que são combinados em um componente integrado. Em uma concretização, o sensor inclui uma multiplicidade de fios. Por exemplo, o fio 26d pode transmitir o sinal ORP e um ou mais outros fios transmitem sinais de temperatura.

Em uma concretização mais preferida, o detector de temperatura inclui uma multiplicidade de fios ou condutores elétricos. Tal configuração supera os erros introduzidos como resultado da resistência intrínseca dos condutores elétricos. A FIG. 5 ilustra um detector de temperatura de resistência com dois condutores elétricos positivos 303 e 304 e dois condutores elétricos negativos 305 e 306. O encaixe 309 corresponde ao encaixe BNC 62a na FIG. 3. Para averiguar a temperatura na área em torno do resistor 300, a tensão (ou corrente) é aplicada ao longo do resistor, com a queda de tensão resultante sendo usada para determinar a temperatura (como conhecido na técnica para detectores de temperatura baseados em resistência). Quaisquer desvios da tensão conhecida estão relacionados a alterações na resistência do resistor 300 em função da temperatura.

Uma configuração como na FIG. 5, em que o detector de temperatura de resistência inclui uma multiplicidade de condutores elétricos positivos e uma multiplicidade de condutores elétricos negativos permitem que o usuário ou controlador fatore os erros de medição intrínsecos. Por exemplo, a medição da queda de tensão entre os condutores elétricos positivos 303 e 304 e os condutores elétricos negativos 306 e 306 permite que o controlador meça de maneira mais precisa a queda de tensão ao longo de qualquer de par de condutores elétricos positivos/negativos. A medição resultante fornece uma leitura precisa da queda de tensão através do resistor 300, que, por sua vez, fornece uma leitura de temperatura mais precisa.

Na concretização representada na FIG. 5, o resistor 300 corresponde ao sensor de temperatura 26a da FIG. 4. Os condutores elétricos positivos 303 e 304 se conectam ao encaixe 309 no ponto 302 e os condutores elétricos negativos 305 e 306 se conectam ao encaixe 309 no ponto 307. O condutor positivo 301 conecta o ponto 309 ao resistor 300 e o condutor negativo 308 conecta o ponto 307 ao resistor 300.

Configurações alternativas para o detector de temperatura podem incluir um, dois ou mais detectores de temperatura usados ou de forma independente ou em conjunto um com o outro. Por exemplo, caso sejam empregados dois detectores de temperatura, pode-se usar um detector para monitorar a temperatura próxima à FTC enquanto o outro monitora a temperatura próxima ao eletrodo de referência. Tais configurações permitem que o usuário ou operador do dispositivo ORP avaliem e calculem potenciais térmicos que poderiam existir ao longo do comprimento do EPBRE. Esses dados seriam então usados para corrigir e fazer a deconvolução dos valores ORP em relação aos diferenciais e potenciais de temperatura.

O fio e a tira podem incluir qualquer metal nobre, tal como ouro, prata, tântalo, platina, ródio, cobre e/ou similares. Dá-se preferência à platina. Em uma concretização, qualquer fio descrito na presente invenção pode incluir um material isolante, tal como plástico ou Teflon®, envolvido em tal fio. O fio 26d é conectado à tira e transmite um sinal elétrico à conexão anódica 58. Em uma concretização, outros fios (não ilustrados) transmitem um sinal elétrico à conexão elétrica do detector de temperatura 54 a partir de uma parte “ativa” de um detector de temperatura de resistência que reside dentro da extremidade fechada do tubo na ponta 26a. A FIG. 6 ilustra uma vista de corte detalhada da relação espacial entre vários componentes descritos de acordo com uma concretização preferida. Em uma concretização, a extremidade traseira do sensor 26 se projeta através da união em “T” e para dentro do espaço do lado oposto da união em “T” a partir da FTC (como mostra a FIG. 6). Nesta concretização, a parte ativa do sensor de resistência dependente de temperatura está localizada dentro do tubo 26f na ponta 26a.

Uma concretização preferida do eletrodo de referência inclui o EPBRE 75, que serve para encerrar e isolar termicamente o eletrodo de referência. Na FIG. 7, é ilustrada uma concretização do EPBRE 75 incluindo o tubo externo 76, o encaixe de alta pressão 78, o conector de alta pressão 80, o tubo interno 82, o eletrodo de referência 84, a frita porosa 86, o inserto 88, o alojamento de múltiplos encaixes 90, a união redutora 92, o conector BNC 94, a porca de travamento 96, o parafuso 98 e o dispositivo de fixação 102. O tubo externo, nesta concretização, é um tubo em aço inoxidável de diâmetro interno de 1/8 a 1/2 polegada e aloja o tubo interno. Em uma concretização, o EPBRE inclui um ou mais insertos 88, que servem para permitir que o tubo interno seja separado para atualizar, verificar, substituir, renovar etc., a solução do eletrólito, como explicado em mais detalhes abaixo.

Deve-se apreciar que o tubo externo, o tubo interno e o inserto podem ser feitos de qualquer material adequado de qualquer tamanho adequado, tal como aço inoxidável, alumínio, Teflon®, plástico, outro material polimérico adequado ou outro metal adequado. De preferência, o tubo externo é em aço inoxidável (tal como um tubo em aço inoxidável de diâmetro externo de ¼ polegada comercializado pela McMaster-Carr® in Elmhurst, IL) e o tubo interno é Teflon® com um encaixe firme com o tubo externo. Neste exemplo, o tubo externo 76 tem cerca de 5 a 25 polegadas de comprimento. De preferência, o tubo externo tem cerca de 10 a cerca de 20 polegadas de comprimento. O comprimento do tubo externo age de modo a isolar termicamente o eletrodo de referência (dentro do EPBRE) do sistema de água quente mantendo, ao mesmo tempo, a pressão aproximadamente igual entre o sistema de água quente e o eletrodo de referência. Ele é feito de qualquer material próprio para tubo, e qualquer diâmetro ou comprimento adequado pode ser utilizado.

Uma concretização para o alojamento de múltiplos encaixes ou “base” do EPBRE é ilustrada na FIG. 8, que inclui a junção vedada 100, o dispositivo de fixação 102 e a conexão 84b do eletrodo de referência. A junção vedada de preferência inclui um material não-metálico, com múltiplas virolas. Nesta concretização, o material vedante na junção vedada compreende 3 virolas de Teflon® separadas fixadas, com uma porca de 3/16 polegada, ao alojamento de múltiplos encaixes. Um exemplo de tal “conjunto” de virola inclui o Part No. T-303 e T-304 (comercializados pela Swagelok® em Solon, OH). Em outras concretizações, diferentes tipos de vedações e materiais de vedação podem ser usados para a junção vedada. Por exemplo, o material de vedação pode incluir uma gaxeta, elastômero, silicone, cortiça, encaixe alargado, luva de borracha, anel em “O” ou qualquer vedação ou material de vedação. Nesta concretização, as virolas atuam colocando pressão sobre o eletrodo de referência 84, que é encerrado pelo tubo interno. O conector 80 é conectado à conexão redutora 92, por exemplo, por virolas convencionais em aço inoxidável. As virolas exercem pressão sobre o tubo externo, retendo-o assim no lugar e formando um limite seguro contra pressão.

O eletrodo de referência tem, de preferência, um comprimento de cerca de 2,5 a cerca de 3,5 polegadas, e se afunila da ponta 84a para a junção vedada 100. Em uma concretização, o diâmetro do eletrodo de referência permanece constante desde a junção vedada até a conexão do eletrodo de referência 84b. A extremidade de conexão do eletrodo de referência geralmente tem um diâmetro de cerca de 0,125 polegada e a ponta geralmente tem um diâmetro de cerca de 0,01 polegada. Esses diâmetros podem assumir qualquer valor adequado de acordo com as concretizações alternativas. O eletrodo de referência (de preferência uma semicélula de cloreto de prata/prata, em que o eletrodo tubular afunilado inclui prata com um revestimento de cloreto de prata) estende-se de dentro do tubo interno (isto é, a ponta está em contato com a solução de eletrólito) até a extremidade do tubo ex-terno e entra em contato com a conexão do eletrodo de referência. A extremidade de conexão do eletrodo de referência inclui um entalhe para acomodar um fio conectando o eletrodo de referência ao conector BNC 94 operável para transmitir o sinal elétrico do eletrodo de referência a um receptor ou controlador, de acordo com uma concretização. O parafuso 98 atua para impedir que o eletrodo de referência seja ejetado sob pressão do sistema e geralmente é feito de qualquer material eletricamente isolante, tal como náilon, PVC ou outro plástico.

Montagem

Embora existam vários métodos para montagem do dispositivo OPR descrito, um método exemplificativo inclui perfurar, através da união em “T” 50 com uma broca de 1/8 polegada (ou qualquer tamanho que corresponda ao tamanho do tubo 26f) para permitir a inserção do tubo 26f através da união em “T”. O suporte em “L” 60 é então conectado (por exemplo, soldado) à união em “T” e o acoplador 28 é conectado ao lado FTC da união em “T”. Em uma etapa subsequente, o acoplador será usado para afixar a união em “T” a uma das portas, tal como a porta 25c, na FTC.

A formação da sonda ORP (em uma concretização, a tira de metal nobre 26c) inclui o uso de uma tira (de preferência platina) com uma largura de cerca de 1/16 a cerca de 1/2 polegada (de preferência cerca de 1/4) e um diâmetro grande o suficiente para se encaixar ao redor do tubo 26f. O isolamento termocontrátil 26b se contrai no tubo 26f, deixando cerca de 1/8 polegada da extremidade fechada do tubo exposta. Uma parte pequena da tira é então cortada e a tira agora em “forma de C” é envolvida ou dobrada firmemente em volta do isolamento termocontrátil. A parte de corte ou costura da tira deve, por fim, defronta-se para longe da frita porosa 86 após a montagem final. Uma extremidade do fio 26d é colocada entre o isolamento termocontrátil e a tira, que é então crimpada sobre o isolamento termo-contrátil. Essa crimpagem segura o fio 26d entre o isolamento termocontrátil e a tira. O fio normalmente é também fixado na tira por soldagem, solda fraca etc. O fio geralmente tem um diâmetro de cerca de 0,001 a cerca de 0,01 polegada e tem um comprimento (normalmente de cerca de 2,5 a cerca de 4,5 polegadas) suficientemente longo para atingir a conexão da sonda ORP 58.

Em uma concretização, um sensor de resistência dependente de temperatura reside dentro do tubo 26f. Por exemplo, um sensor de resistência dependente de temperatura de 4 fios é transformado em um conector de 2 fios e ligado à conexão elétrica do detector de temperatura BNC 54. Uma pequena quantidade de material termocontrátil ou de outro material estabilizante pode ser colocada no sensor de resistência dependente de temperatura para oferecer suporte e isolamento elétrico. O sensor de resistência é então inserido na extremidade aberta do tubo 26f até a extremidade fechada do tubo. À medida que a temperatura da superfície externa do tubo se altera em relação ao fluxo aquoso, a alteração térmica desencadeia alterações de resistência no sensor de resistência dependente de temperatura, que, por sua vez, é detectada pelo sistema controlador.

Dessa forma, o tubo 26f aloja ou encerra internamente um sensor de resistência dependente de temperatura e a sonda ORP incluindo a tira de metal nobre 26c reside em sua superfície externa, de acordo com uma concretização. O tubo geralmente tem de cerca de 3,5 a cerca de 5 polegadas; no entanto, qualquer comprimento adequado será compatível. Após cortar o tubo ao comprimento final e colocar o isolamento termocontrátil sobre uma parte do tubo, o fio e a tira são fixados no local. O isolamento termocontrátil pode cobrir quase todo o tubo ou apenas parcialmente o tubo, deixando assim uma parte de cada extremidade do tubo exposta. Por exemplo, uma pequena parte da extremidade fechada, tal como 1/8 polegada, e uma parte ligeiramente maior da extremidade aberta, tal como cerca de ½ polegada a cerca 1 polegada, pode ser exposta.

Outro componente, o retentor termocontrátil 26e atua de forma a ajudar a reter a tira e o fio no lugar correto. Em uma concretização, uma primeira parte do retentor termocontrátil é colocada em frente à tira (isto é, entre a tira e a ponta de extremidade fechada do tubo) e uma segunda parte do retentor termocontrátil é colocada no outro lado da tira. A segunda parte do retentor termocontrátil sobrepõe ligeiramente a tira e atua de forma a adicionalmente fixar a tira e o fio ao tubo 26f.

O tubo montado é então deslizado na união em “T” e travado no local, como se segue. O fio que se estende a partir da tira é inserido através da parte inferior da união em “T” em direção à virola 56b e a extremidade do tubo (também incluindo a extremidade do sensor de resistência dependente de temperatura) é inserida na união em “T” em direção à virola 56a. As virolas são então travadas e vedadas. Os fios estendendo-se a partir da sonda ORP e do sensor de resistência dependente de temperatura são então afixados aos conectores BNC, de preferência por soldagem. Verificações elétricas devem ser realizadas para assegurar a continuidade entre a tira e o encaixe BNC e para assegurar a ausência de condutivi-dade entre a tira ou fio e o restante da montagem.

Em uma concretização, o alojamento de múltiplos encaixes 90 é geralmente feito de aço inoxidável (outros metais adequados, plásticos etc. são também contemplados) e tem duas funções principais. A primeira função é a de alojar a conexão elétrica do eletrodo de referência e a segunda função é oferecer suporte estrutural para impedir que o eletrodo de referência 84 seja ejetado sob pressão do sistema. Uma porca de conexão redutora é soldada ou conectada de alguma outra forma a um primeiro encaixe do alojamento de múltiplos encaixes. A porca de travamento 96 é fixada no interior de um segundo encaixe do alojamento de múltiplos encaixes. O parafuso 98 é inserido na porca de travamento para assegurar que o eletrodo de referência fique seguro sob pressão. O conector BNC 94 conecta-se a um terceiro encaixe do alojamento de múltiplos encaixes. Cada um dos componentes acima pode ser fixado usando quaisquer meios adequados, inclusive soldagem, soldagem fraca, epóxi, e similares.

A montagem do EPBRE inclui a preparação do eletrodo de referência, que tem uma conicidade que se estende ao longo de um comprimento do eletrodo de referência, como explicado acima. A parte afunilada do eletrodo de referência reside na solução de eletrólito. O eletrodo de referência, de preferência, é eletro-clorado imergindo-o em uma solução de ácido clorídrico de aproximadamente 1 mol e passando uma corrente de aproximadamente 3,5 miliampéres através do eletrodo de referência e de um contra-eletrodo por cerca de 4 horas.

Um método ilustrativo de eletrocloração do eletrodo de referência inclui a preparação, em uma cela de vidro de 1 litro, com cerca de 1 litro de 1 mol de solução de ácido clorídrico. Dois contra-eletrodos de carbono conectados um ao outro funcionam como o contra-eletrodo (a ser conectado a um condutor de contra-eletrodo de potenciostato). O eletrodo de referência é, de preferência, uma haste de prata como descrito acima, que é suspensa no centro da cela de vidro. Ambos os contra-eletrodos estão separados em 180 graus nas bordas opostas da cela de vidro. Uma configuração típica do potenciostato é: Faixa de corrente 100 mA, modo galvanostato; Define configuração de varredura: I1 0 A; retardo 1 a 10 s; varredura II mA/s; 12 a 8,3 mA (alimentação como 0,083-mA); retardo 2 6500; varredura 2 10 s; I3 0A. Os eletrodos podem ser armazenados em uma solução de KCl a 0,1N após a eletro-cloração.

Em uma concretização, o tubo interno inclui um inserto 88 que separa o tubo interno em uma parte superior e uma parte de base (e pela funcionalidade, pode também separar o tubo externo em duas partes). A parte superior é conectada a uma das portas na FTC e a parte de base é conectada à base do EPBRE. As duas partes são conectadas usando o inserto. Tal capacidade de separação possibilita a manutenção da solução eletrolítica dentro do tubo interno.

Para formar a parte superior, uma seção de tubo termocontrátil em Teflon® (que se contrai a cerca de 1/8 polegada do diâmetro externo) com cerca de 12 polegadas de comprimento é aquecida à 345oC em um forno e resfriada. Normalmente, um tubo delgado em aço inoxidável (ou outro material adequado) colocado dentro do tubo de Teflon® oferece suporte estrutural durante o processo de aquecimento e resfriamento. O tubo de suporte é removido após o resfriamento. A frita porosa 86, neste exemplo, tem um diâmetro externo de aproximadamente 1/8 polegada, um comprimento de cerca de 1/2 polegada, e uma porosidade de cerca de 10% a cerca de 20%. Uma extremidade do tubo contraído é desbastada para se obter um comprimento de aproximadamente 11,45 polegadas (29 cm) e a outra extremidade é ligeiramente alargada. A frita porosa é pressionada cerca de 1/2 polegada para dentro da extremidade cortada do tubo contraído, em que cerca de 0,05 polegada a cerca de 0,15 polegada da ponta da frita porosa é geralmente deixada exposta além do tubo interno. O inserto de aproximadamente 1 polegada de comprimento irá se encaixar dentro da extremidade alargada (até cerca de 1/2 polegada). Em uma concretização, o inserto também passa por um processo de contração como ilustrado acima. Como alternativa, o inserto não é contraído e é um tamanho adequado de Teflon® a ser inserido no Teflon® termocontraído compreendendo a parte superior do tubo interno.

A parte de base do tubo interno é contraída e ligeiramente alargada, como descrito acima, para a parte superior. Em uma concretização, a extremidade da parte de base que se conecta ao alojamento de múltiplos encaixes é reforçada com tubo termocontrátil de Teflon® adicional (ou outro material similar) e é alargada, em sua extremidade superior, para permitir a inserção de aproximadamente 1/2 polegada restante do inserto (isto é, a parte do inserto que permanece fora da parte inferior da parte superior do tubo interno). O material de reforço ajuda a oferecer suporte para o tubo interno na união redutora 92. O eletrodo de referência eletro-clorado é então pressionado para dentro da extremidade reforçada da parte de base, com a extremidade cônica do eletrodo de referência sendo inserida no tubo interno.

Em uma concretização, o tubo interno 82 é preenchido com qualquer concentração de solução de eletrólito, tal como NaCl, KCl, calomelano (isto é, cloreto de mercúrio (I) ou Hg2Cl2), similares e combinações dos mesmos. Em uma concretização, preencher o tubo interno inclui separar o tubo via inserto e preencher um volume interno da parte superior e da parte de base com solução de eletrólito usando uma seringa de agulha longa. As duas partes são geralmente preenchidas um pouco além da capacidade, resultando em meniscos. Quando as duas partes são conectadas, as soluções de eletrólito se combinam, não deixando, portanto, nenhuma bolha de ar dentro das partes de tubo internas conectadas. A presença de bolhas de ar causaria medições imprecisas e medições em circuito aberto. De preferência, o tubo interno é preenchido com cerca de 0,1 N KCl. Como alternativa, a solução de eletrólito inclui cerca de 0,001 N a cerca de 3,8 N KCl. Em outras concretizações, o EPBRE não tem um tubo interno e o tubo externo é preenchido com a solução de eletrólito. Isto é, um tubo desempenha a função da combinação tubo interno e tubo externo. Em concretizações alternativas, uma multiplicidade de tubos podem ser montados ou combinados de maneira concêntrica para desempenhar a função descrita. Em concretizações adicionais, o EPBRE inclui um eletrodo de hidrogênio convencional ou outro eletrodo de referência adequado.

Uma vez que o tubo interno montado é deslizado para dentro do tubo externo 76 para formar um conjunto de tubo, a extremidade inferior do conjunto de tubo é conectada ao alojamento de múltiplos encaixes e a extremidade superior do conjunto de tubo é conectada à FTC. Uma parte pequena do tubo externo (por exemplo, cerca de 0,05 polegadas a cerca de 0,25 polegadas) deve permanecer exposta além das respectivas conexões redutoras em qualquer uma das extremidades do tubo externo. A montagem das conexões redutoras geralmente envolve forjamento a frio, prensagem a frio etc. das uniões para formar uma vedação.

De acordo com uma concretização, a montagem do alojamento de múltiplos encaixes inclui soldagem ou outro tipo de conexão do dispositivo de fixação 102 ao alojamento de múltiplos encaixes. A junção vedada 100 se encaixa no dispositivo de fixação e forma uma vedação para a parte de base do tubo interno. O conector de alta pressão 80, a conexão redutora 92 e o dispositivo de fixação 102 são montados para conectar a parte de base ao alojamento de múltiplos encaixes. Uma pequena parte do eletrodo de referência se projeta para dentro do alojamento de múltiplos encaixes para permitir a conexão do eletrodo de referência ao conector BNC 94 com um fio ou outro material condutor. A porca de travamento 96 e o parafuso são então montados no alojamento de múltiplos encaixes para assegurar que o eletrodo de referência permaneça pressionado na posição correta sob pressão operacional.

A montagem do topo do conjunto de tubo inclui conectar o encaixe de alta pressão 78 a uma das portas na FTC. Em uma concretização, utiliza-se uma conexão redutora, tal como a Part No. SS-400-R-6BT (comercializada pela Swagelok® em Solon, OH). Em concretizações alternativas, qualquer dispositivo de fixação adequado, acoplador etc. pode ser usado para conectar o topo do conjunto de tubo à FTC. Em uma concretização, a distância ou intervalo espacial entre a frita porosa 86 (a frita porosa termina o EPBRE na extremidade da FTC) e a tira é de cerca de 1/64 polegada ou maior. De preferência, a distância de é de cerca de 1/8 polegada a cerca de 1/2 polegada, e mais preferencialmente, a distância é de cerca de 3/16. Normalmente, a distância é de cerca de 1,5 vez o diâmetro da extremidade de conexão do eletrodo de referência e pode ser de cerca de 1 a cerca de 2 vezes esse diâmetro. O diâmetro da extremidade preferencialmente é de cerca de 1/100 a cerca de 1 polegada, mais preferencialmente cerca de 1/8 polegada a cerca de ½ polegada, e mais preferencialmente, de cerca de 3/16 polegada. Em concretizações alternativas, a extremidade pode ter qualquer diâmetro adequado, tal como de cerca de 1/100 polegada ou menos a cerca de várias polegadas ou mais. Em cada concretização, o diâmetro da extremidade está relacionado ao intervalo espacial e a calibração (explicada abaixo) do dispositivo ORP inclui ajustes para acomodar o intervalo espacial.

Calibração e Instalação

A calibração do dispositivo ORP inclui, por exemplo, verificar o potencial eletroquí-mico do EPBRE em comparação com uma semicélula convencional de cloreto de potássio saturado. Sob condições de calibração, o conector elétrico normalmente (isto é, sob condições operacionais) conectado à sonda ORP é conectado ao EPBRE e o conector elétrico normalmente conectado ao EPBRE é conectado a uma semicélula convencional conhecida.

Ambos os eletrodos devem ser imersos em uma solução de cloreto de potássio saturado. A diferença de potencial entre esses dois eletrodos deve ser de cerca de 82 mV a cerca de 92 mV caso a temperatura ambiente seja de aproximadamente 25oC (de preferência cerca de 90 mV). Embora a diferença de potencial seja em função da temperatura, o efeito da temperatura é relativamente pequeno, sendo de cerca de 2, a partir de cerca de 0oC a cerca de 50oC. Quaisquer variações significativas destes valores geralmente indicam bolhas de ar na solução de preenchimento de eletrólito ou danos ao eletrodo de referência. Um dispositivo ORP calibrado deve fornecer uma leitura de zero milivolt quando a conexão normalmente usada para a sonda ORP é curto-circuitada ao conector normalmente usado para o eletrodo de referência.

A FIG. 9 representa uma concretização de uma instalação de dispositivo ORP típica no sistema de água quente 200. Deve-se apreciar que um, dois ou mais dispositivos ORP podem ser usados em um sistema de água quente. Por exemplo, certas usinas utilizam múltiplos desaeradores quando a água de alimentação é direcionada a múltiplas caldeiras via múltiplas bombas de alimentação de caldeira e sistemas de apoio. Nestes casos, vários dispositivos ORP instalados em várias localizações de ponto de amostra diferentes podem ser necessários. Em uma concretização, os sinais ORP de uma ou mais dessas localizações seria transmitido a um controlador, que calcularia e determinaria quaisquer alterações necessárias à composição química do sistema.

As válvulas incluídas na FIG. 9 são nomeadas por conveniência. Qualquer tipo de válvula pode ser usado em cada ocorrência de uma válvula, tal como de duas vias, de 3 vias, de padrão “Y”, registro de passagem, de agulha, esfera, globo, retenção, piloto, de gaveta, borboleta etc., ou qualquer desenho de válvula apropriado. Além disso, as válvulas podem ser automatizadas controladas manualmente ou operadas de qualquer forma necessária para aplicações específicas para regular a vazão através de uma célula de fluxo contínuo. Nesta concretização, o sistema de água quente inclui a válvula travável 204 que recebe uma amostra em linha da saída de água de alimentação 202 e atua como ponto inicial para introduzir o fluxo no dispositivo ORP através do tubo de transferência 206 e da válvula de isolamento 208. Neste exemplo, a saída de água de alimentação é conectada a uma entrada do economizador, rotulada como “ponto de amostra de entrada do economizador após a bomba de água de alimentação da caldeira” na FIG. 8. Qualquer vazão adequada pode ser empregada, conforme determinado pelo operador ou pelo sistema controlador. As vazões podem ser diferentes e controladas de maneira independente para diferentes partes do sistema representado na FIG. 9. Além do mais, vazões constantes geralmente fornecem medições ORP mais precisas. Como explicado acima, a vazões preferidas vão de cerca de 50 mL/min a cerca de 1.000 mL/min. Outras vazões preferidas são de aproximadamente 100 mL/min a cerca de 500 mL/min.

Tubos ou condutos de qualquer dimensão e material adequado podem ser usados para o tubo de transferência, ainda que se prefira uma tubagem em aço inoxidável de % ou 3/8 polegada. O tubo em “T” 213 reside entre a válvula de isolamento e o dispositivo ORP. Também é conectado ao tubo em “T” um manómetro 214, que pode ser um simples medidor ou dispositivo/conjunto de detecção de pressão capaz de retransmitir os dados de pressão a qualquer receptor. Em uma instalação típica, deve-se usar um isolamento adequado nos componentes entre a saída da água de alimentação e o dispositivo ORP para reduzir a perda de calor e assegurar que temperaturas estáveis sejam mantidas no dispositivo ORP. A água de alimentação amostrada flui então através do dispositivo ORP, é opcionalmente resfriada e despressurizada, ou, como alternativa, é retornada ao sistema ou drenada como resíduo através do orifício de drenagem livre 220.

Em uma aplicação de caldeira industrial (por exemplo, caldeiras de vapor convencionais ou de central térmica), o dispositivo ORP (e seus componentes é normalmente posicionado próximo à coleta da amostra da linha de água de alimentação (sob temperatura e pressão operacionais). Com as caldeiras de vapor convencionais, a posição seria preferencialmente após a bomba de alimentação principal, mas antes do economizador ou após o desaerador. Nas caldeiras térmicas de geração de eletricidade, a retirada da amostra ocorre tipicamente antes do desaerador. Deve-se apreciar que as localizações do dispositivo ORP variam de acordo com as aplicações e configurações específicas. Uma auditoria completa da água de alimentação da usina geralmente deve ser realizada para determinar onde as medições ORP (isto é, a “tensão redox”) forneceriam o maior benefício para qualquer aplicação específica.

Isso poderá ser melhor compreendido tomando-se por referência o exemplo a seguir, cuja intenção é somente para fins ilustrativos, não tendo a intenção de limitar o âmbito da invenção.

Exemplo

A FIG. 10 mostra múltiplos exemplos de variações de sinal ORP de temperatura e pressão alta em um sistema de água de alimentação de caldeira industrial simulado (@T ORP®). O eixo Y mostra as leituras ORP medidas com o dispositivo ORP descrito na presente invenção. O eixo X mostra as leituras de oxigênio dissolvido correspondendo a cada leitura. As condições de teste e algumas das variáveis que poderiam levar a números ORP diferentes são apresentadas na legenda da FIG. 10. Ao mover-se ao longo do segmento de linha de “A” para “B”, uma quantidade maior de oxigênio é removida do sistema por desae-ração mecânica. Do ponto “B” ao ponto “C”, no entanto, são adicionadas quantidades crescentes de redutor (carbohidrazida neste exemplo) com o declínio resultante nos valores ORP. Neste caso, a designação de “1” na figura corresponde a 0,06 ppm (IX) de carbohidra-zida adicionada. Os pontos “5” e “20” são a adição de carbohidrazida em 5x e 10x. Como se pode observar, a redução da quantidade de oxigênio dissolvido e o aumento da quantidade de redutor/removedor de oxigênio adicionada tem um efeito expressivo sobre os valores ORP medidos obtidos à temperatura e pressão.

Deve-se compreender que diversas alterações e modificações às concretizações presentemente preferidas aqui descritas transparecerão aos versados na técnica. Tais alterações e modificações podem ser efetuadas sem divergir do âmbito e essência da invenção e sem detrimento de suas vantagens almejadas. Portanto, pretende-se que tais alterações e modificações sejam cobertas pelas reivindicações apensas.

Claims (18)

1. Dispositivo para medir um potencial de oxirredução a temperatura e pressão operacionais (“ORP”) em um sistema de água quente, o dispositivo sendo CARACTERIZADO por compreender:

   • (a) uma célula de fluxo contínuo (25) incluindo uma primeira porta (25d) e uma segunda porta (25c), e pelo menos uma porta de fluxo de entrada e pelo menos uma porta de fluxo de saída;
   • (b) um sensor integrado no qual uma sonda ORP e um sensor de resistência dependente de temperatura (26) são conectados à primeira porta (25d), tanto a sonda como o sensor (26) se estendendo pelo menos parcialmente através da célula de fluxo contínuo (25), e cada um dentre a sonda e o sensor tendo pelo menos uma conexão elétrica operável para retransmitir informação a um controlador, em que a sonda ORP é operável para medir ORP no sistema de água quente a temperatura e pressão operacionais, e o sensor de resistência dependente de temperatura tendo uma pluralidade de condutores elétricos negativos e uma pluralidade de condutores elétricos positivos, a sonda ORP compreendendo uma tira de metal nobre (26c) e um fio de metal nobre (26d), em que o controlador é operável para determinar se uma ORP em tempo real está dentro de uma faixa de ORP ideal e adicionalmente operável para causar adição de uma quantidade eficaz de oxigênio ou uma quantidade eficaz de um ou mais redutores a uma água de alimentação do sistema de água quente, se a ORP em tempo real não está dentro da faixa ORP ideal; e
   • (c) um conjunto de eletrodo de referência balanceado por pressão externa (75) associado com a segunda porta (25c), o dito conjunto incluindo uma frita porosa (86) em uma primeira extremidade do conjunto parcialmente dentro da célula de fluxo contínuo (25), um tubo (82) incluindo uma solução eletrolítica e se estendendo a partir da primeira extremidade do conjunto para uma segunda extremidade do conjunto, a segunda extremidade do conjunto fixada a um alojamento de múltiplos encaixes (90) e tendo um eletrodo de referência de semicélula de cloreto de prata/prata parcialmente imerso na solução eletrolítica e tendo uma conexão elétrica operável para retransmitir informação para o controlador.
2. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a célula de fluxo contínuo (25) inclui uma pluralidade de portas de fluxo de entrada e/ou uma pluralidade de portas de fluxo de saída.
3. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o metal nobre é platina.
4. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o sensor de resistência dependente de temperatura (26) é encerrado dentro de um tubo (76).
5. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende uma pluralidade de detectores de temperatura.
6. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a solução eletrolítica é uma solução de cloreto de potássio de cerca de 0,001 normal a cerca de 3,8 normal.
7. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o conjunto de eletrodo de referência balanceado por pressão externa (75) compreende um inserto para permitir que o tubo interno (82) seja separado.
8. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda um detector de temperatura localizado para permitir a avaliação e cálculo de potenciais térmicos ao longo do comprimento do conjunto de eletrodo de referência balanceado por pressão externa (75).
9. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a frita porosa (86) se estende a partir do conjunto.
10. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a frita porosa (86) compreende pelo menos um dentre um material cerâmico e um material eletrocerâmico.
11. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a frita porosa (86) compreende zircônia.
12. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a frita porosa (86) é inerte a processos de sistema de água quente e à medição de sinal ORP.
13. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a ORP medida e a temperatura medida são eletronicamente transmitidas para o sistema controlador.
14. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que inclui uma pluralidade de conexões elétricas em comunicação com o sistema controlador.
15. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a pluralidade de condutores elétricos positivos consiste em dois condutores elétricos positivos (305, 306) e a pluralidade de condutores elétricos negativos consiste em dois condutores elétricos negativos (303, 304).
16. Método para prevenir corrosão em um sistema de água quente por meio do uso dispositivo, conforme definido na reivindicação 1, o método sendo CARACTERIZADO por compreender:

    • (a) determinar uma faixa de potencial de oxirredução (“ORP”) ideal para o sistema de água quente;
    • (b) medir uma ORP em tempo real do sistema de água quente a temperatura e pressão operacionais;
    • (c) medir uma temperatura em tempo real do sistema de água quente; (i) medir diferença de potencial em tempo real (ORP) entre a sonda ORP e o eletrodo de referência;
    • (d) retransmitir a referida diferença de potencial (ORP) medida e a referida temperatura medida ao sistema controlador;
    • (e) determinar se a ORP medida está dentro da faixa ORP ideal; e
    • (f) adicionar uma quantidade eficaz de oxigênio ou uma quantidade eficaz de um ou mais redutores à água de alimentação do sistema de água quente, se a ORP medida não estiver dentro da faixa ORP ideal.
17. Método, de acordo com a reivindicação 16, CARACTERIZADO por incluir regular uma vazão através da célula de fluxo contínuo (25).
18. Método, de acordo com a reivindicação 16, CARACTERIZADO por incluir adicionar manualmente e/ou automaticamente oxigênio ou redutor à água de alimentação do sistema de água quente.

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