CN101380541B

CN101380541B - 一种气溶胶除湿装置

Info

Publication number: CN101380541B
Application number: CN2008102242476A
Authority: CN
Inventors: 曾立民; 刘巧铃
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2008-10-14
Filing date: 2008-10-14
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2028-10-14
Also published as: CN101380541A

Abstract

本发明涉及一种气溶胶除湿装置，其特征在于：它包括冷凝器、制冷器和蠕动泵，并通过若干管路形成循环回路；冷凝器包括一垂直设置的采样气体传输管，其外部套设一冷凝管，并与冷凝管之间留有环形间隙；冷凝管的上、下两端分别设置有密封环形间隙的上、下接头，并将二者固定为一体；上、下接头的一侧轴向分别设置有出水小孔和入水小孔；传输管的下端出口连接一双向接头的一端，双向接头的另一端连接现有空气颗粒物自动监测仪器的采样气体加热部件；加热部件上部的双向接头内设置有一密封垫圈，双向接头内垂直设置有一与密封垫圈过盈配合的冷凝气体采集管；密封垫圈上方的双向接头侧面径向设置有一凝结水排出口。本发明适用于实验室研究和全国各地环境保护自动监测站的使用。

Description

一种气溶胶除湿装置

技术领域

本发明涉及一种气溶胶除湿装置，特别是关于一种用于气溶胶采集和分析监测仪器的气溶胶除湿装置。

背景技术

人们赖以生存的环境大气，实际上是一个由各种固体或者液体微粒均匀存在地分散在空气中形成的气溶胶体系。大气中的气溶胶不仅能够直接影响到达地面的太阳辐射，参与大气中其他组分的非均相化学反应，同时它还可以作为云的凝结核，间接影响大气环境。当大气中的颗粒物通过呼吸道进入人体后，还会直接危害人体的健康。大气中的气溶胶粒径分布广泛，不同粒径范围的颗粒物的化学组成、物理特征以及来源等都各具差异。因此对气溶胶的研究以及现场监测，尤其是了解颗粒物在大气中的质量浓度，一直以来都是大气环境保护和控制工作中的一个不可缺少的内容。国内外的空气质量标准中也有明确的关于TSP(总悬浮颗粒物，粒径小于100um颗粒物)、PM10(粒径小于10um颗粒物)和PM2.5(粒径小于2.5um颗粒物)等的质量浓度的限值。

目前，针对大气中气溶胶的采集以及质量浓度分析，最常用的方法就是膜采样(颗粒物采样)结合重量分析方法。颗粒物采样的原理是在采样泵的动力带动作用下，样品空气进入采样头和切割器，得到含有需要采集粒径段颗粒物的空气，通过传输管后进入装有采样过滤膜的颗粒物收集部分，颗粒物与空气气流分离，气体穿过采样膜，而颗粒物则富集在膜上被采集下来并进行在线或者离线的分析。在采样膜后是流量测定或者控制单元，来测定采样的体积，最后是适合的采样泵使得整个采样系统在预测的流速下进行工作。气溶胶质量浓度监测仪器是利用采样膜法收集大气中的气溶胶后，通过测量和计算不同时间段中采样膜的质量差等，来直接或间接获得该时间段内大气中颗粒物的质量浓度。这种方法由于具有不少优点而被广泛地应用。但是，通过多年来的监测实践发现：这些仪器存在着一个很大的缺点，即对空气的湿度变化十分敏感，在使用过程中甚至经常有负值的情况出现，造成了测量结果的不准确和实验的误差。因此，为了降低由于湿度变化所带来的影响，目前市场上绝大多数空气中颗粒物质量浓度监测仪(如微振荡天平法、β射线法等颗粒物自动监测仪)在使用中大多采用对进气管进行恒温加热以及使用非(或低)亲水性的过滤膜进行样品的采集，以减少空气湿度波动带来的采样结果的偏移。但是这样带来的是采样时的温度高于实际大气的温度，导致了一部分不稳定的挥发和半挥发性物质的损失，反而对于含有高浓度的这些组分的颗粒物的测量更加不准确了，而且使得除湿的效果也不明显。因此，近年来，有不少的研究者致力于对这方面的仪器研究和改进，产生了不少新的方法和措施，例如：SES(Sample Equilibration System采样平衡系统)采用Nafion膜(渗透膜)干燥管技术——利用Nafion膜的两侧的水汽浓度差产生的分压差作为驱动势，使空气中的水汽从高浓度的一侧扩散传质到低浓度的一侧，来较快地降低并平衡采样气路中气体的湿度，从而不需要恒温加热，测量的结果也能更加准确地反应真实大气颗粒物的情况。但是，即使是这种方法也不能将样品空气的湿度控制在精确、恒定的水平，湿度的波动仍然会对颗粒物的质量浓度水平产生影响。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种采样过程中能降低空气湿度变化对测量结果的干扰，并且获得更为真实和准确的大气气溶胶质量浓度数据的气溶胶除湿装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种气溶胶除湿装置，其特征在于：它包括一冷凝器、一制冷器和一蠕动泵，所述冷凝器、制冷器和蠕动泵之间通过若干管路形成循环回路；所述冷凝器包括一垂直设置的采样气体传输管，所述采样气体传输管外部套设一冷凝管，所述采样气体传输管与所述冷凝管之间留有环形间隙；所述冷凝管的上、下两端分别设置有上接头和下接头，所述上、下接头将所述采样气体传输管和冷凝管之间的环形间隙密封，并将二者固定为一体；所述上接头的一侧轴向设置有一出水小孔，所述下接头上与所述出水小孔位置相对的一侧设置有一入水小孔，所述入水小孔和出水小孔通过所述管路分别连接所述制冷器和蠕动泵；所述采样气体传输管的下端出口连接一双向接头的一端，所述双向接头的另一端连接一现有空气颗粒物自动监测仪器的采样气体加热部件；所述加热部件上部的所述双向接头内设置有一不锈钢环形加厚密封垫圈，所述双向接头内垂直设置有一与所述密封垫圈过盈配合的冷凝气体采集管，所述冷凝气体采集管连通所述采样气体传输管和加热部件；所述密封垫圈上方的所述双向接头侧面径向设置有一凝结水排出口。

所述冷凝管为一环形圆柱体有机玻璃管，且其上、下两端设置有外螺纹。

所述冷凝管的上、下接头两端分别具有直径不同的大接口和小接口，并通过所述大接口内的内螺纹分别旋接在所述冷凝管的上、下两端；所述小接口的内径与所述采样气体传输管的外径相同，且所述小接口内圆外端具有一坡口；所述坡口下方的所述冷凝管上套设一与所述坡口形状相对应的楔形卡套，且所述楔形卡套与所述冷凝管为过渡配合；所述楔形卡套的锥面一端设置在所述坡口内，所述楔形卡套的另一端外部设置有一螺帽；所述螺帽通过其上的内螺纹旋接在所述小接口外侧；所述上、下接头上的所述出水小孔和入水小孔通过螺纹分别连接一接头的一端，所述接头的另一端外侧周向设置有用于连接所述管路的齿纹。

所述双向接头两端分别具有与所述小接口结构相同的上、下接口，所述上、下接口内径分别与所述采样气体传输管和加热部件的外径相同；所述上、下接口采用与所述小接口相同的固定装置分别固定所述采样气体传输管和加热部件；所述凝结水排出口通过螺纹连接一凝结水出水接头，所述凝结水出水接头的另一端外侧设置有用于连接凝结水排水管的齿纹。

所述冷凝器、制冷器、蠕动泵和管路外部均包裹有保温隔热泡沫材料。

所述凝结水排出口可以通过凝结水排水管连接一凝结水收集瓶，且所述凝结水排水管末端浸在所述凝结水收集瓶内液面以下；所述凝结水收集瓶内设置有一与外界连通的出气管，所述出气管末端连接一泵体。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于在采样气体传输管外部设置冷凝管，采样气体在冷凝除湿过程中，气体中颗粒物基本没有损失，不影响后续的分析过程，并可获得更加可靠的监测数据。2、本发明采用冷凝水进行降温，控制操作温度在5℃～15℃，使得大部分水汽能够在管壁上冷凝成滴状水珠，待水滴长大到曲率半径大约为2mm～2.5mm左右的球冠之后，在重力的作用下沿管壁滑落，从凝结水出口流走，能够达到很好的滴状冷凝的效果。3、本发明由于采样气体在经过低温冷凝除湿之后，再经过恒温加热，水汽的饱和蒸汽压增大，采样气体的相对湿度再次降低，最终可以使得到达颗粒物收集及质量浓度分析部分的空气的相对湿度降低到10％～15％。与仅有气体加热过程的气溶胶采集分析仪器相比，本发明实现了对采样气体的绝对湿度和相对湿度的双重降低。4、本发明由于自行设计了保持系统内气路密封的楔形卡套、对应啮合的坡口以及螺帽等部件，可以保证在长期使用情况下装置的气密性。5、本发明采用的循环流动的冷凝水，可连续冷凝除湿，使得除湿性能稳定可靠，有效地降低了由于过多的水汽造成的颗粒物质量浓度测量的不准确性和不确定性。6、本发明的冷凝水排水口依次连接一凝结水收集瓶和一泵体，使凝结水收集瓶内保持负压，从而确保了凝结水能从冷凝器排出。7、本发明结构简单，安装操作简便，可以直接连接在现有的空气颗粒物自动监测仪器上，置于气体采样切割头之后的气体传输部分的外部，而不需要改变原有仪器的主体结构。8、本发明实用性强，占用空间小、运行成本低、管理方便，适用于实验室研究和全国各地环境保护自动监测站的使用，能够获得更加真实和准确的大气颗粒物质量浓度的数据。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图

图2是本发明的冷凝管接头结构剖面示意图

图3是本发明的双向接头结构剖面示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括一冷凝器1、一制冷器2和一蠕动泵3，冷凝器1、制冷器2和蠕动泵3之间通过若干管路4形成循环回路。冷凝器1包括一垂直设置的采样气体传输管11，采样气体传输管11外部套设有一冷凝管12，采样气体传输管11与冷凝管12之间留有环形间隙。在冷凝管12的上、下两端分别设置有上接头13和下接头14，上、下接头13、14将采样气体传输管11和冷凝管12之间的环形间隙密封，并将二者固定为一体。在上接头13的一侧轴向设置有一冷凝水出水小孔15，在下接头14上与冷凝水出水小孔15位置相对的的一侧轴向设置有一冷凝水入水小孔16。冷凝水入水小孔15和冷凝水出水小孔16通过管路4分别连接制冷器2和蠕动泵3，使冷凝水在整个装置中循环流动。下接头14下方的采样气体传输管11出口连接一中部密封的双向接头5的一端，双向接头5的另一端连接一现有空气颗粒物自动监测仪器的采样气体加热部件6。加热部件6上部的双向接头5内设置有一不锈钢环形加厚密封垫圈7，双向接头5内垂直设置有一与密封垫圈7过盈配合的冷凝气体采集管8，从而将冷凝除湿的采样气体通过冷凝气体采集管8从采样气体传输管11引导到加热部件6。密封垫圈7上方的双向接头5侧面径向设置有一凝结水排出口51。

如图2所示，本发明的冷凝管12的下接头14两端分别具有直径不同的大接口104和小接口114，下接头14通过大接口104内的螺纹旋接在冷凝管12的下端。小接口114的内径与采样气体传输管11的外径相同，在小接口114内圆外端具有一坡口124，坡口124下方的冷凝管12上套设一与坡口124形状相对应的楔形卡套134，楔形卡套134与冷凝管12为过渡配合。楔形卡套134的锥面一端与坡口124啮合，楔形卡套134的另一端外部设置有一螺帽144，螺帽144通过其上的内螺纹旋接在下接头14的小接口114外侧。通过旋进螺帽144使得楔形卡套134卡紧采样气体传输管11，从而使采样气体传输管11紧密地连接在冷凝管12上。下接头14上的冷凝水入水小孔16通过螺纹连接一冷凝水入水口接头154的一端，冷凝水入水口接头154的另一端外侧周向设置有齿纹，用于连接管路4。上接头13与下接头14的结构、作用完全相同，并均采用塑料材料加工制成，故不再赘述。

如图3所示，本发明的双向接头5两端分别具有与小接口114结构相同的上、下接口52、53，上、下接口52、53内径分别与采样气体传输管11和加热部件6的外径相同，上、下接口52、53采用与下接头14的小接口114相同的固定装置分别固定采样气体传输管11和加热部件6，从而将采样气体传输管11和加热部件6连接起来。凝结水排出口51通过螺纹连接一凝结水出水接头54，凝结水出水接头54的另一端外侧设置有齿纹，用于连接凝结水排水管，将冷凝除湿的凝结出水排出冷凝器1。

上述实施例中，冷凝器1、制冷器2、蠕动泵3和管路4外部均包裹有保温隔热泡沫材料(图中未示出)。

上述实施例中，双向接头5采用不锈钢材料加工制成。

上述实施例中，双向接头5上的凝结水排出口51可以通过凝结水排水管连接一凝结水收集瓶9，且凝结水排水管末端浸在凝结水收集瓶9内液面以下。凝结水收集瓶9内还设置有一与外界连通的出气管，出气管末端连接一泵体10，使收集瓶9内保持负压，确保凝结水能从冷凝器1中排出。

上述实施例中，采样气体传输管11和采样气体加热部件6均是外径为12.7毫米的不锈钢管。

上述实施例中，冷凝管12是长为45厘米、外径为45.2毫米的环形圆柱体有机玻璃管。

上述实施例中，冷凝气体采集管8是长为46毫米，外径为6.3毫米的不锈钢管。

本发明的除湿原理是：利用冷凝管12中流动的冷凝水，通过热量传导使采样气体传输管11的管壁以及管内采样空气的温度降低。根据表面物理化学的相关理论，当含有水蒸气的空气与低于其水汽饱和温度的壁面相接触时，空气被冷却降温，水汽会在管道壁表面凝结成液体并且放出潜热，出现膜状冷凝或滴状冷凝的现象。在本发明除湿过程中，水汽的冷凝方式主要表现为在采样气体传输管11竖壁上的滴状冷凝的形式。根据滴状冷凝的形成机理和特点，水汽首先克服与采样空气的表面张力作用，在冷的管道壁表面凝聚成初始的小液滴，此时液滴最初的形成具有一个临界半径Rc₁，之后液滴会不断长大，气、液、固三相维持着一个平衡。在三相的界面，表面张力在起着重要作用，与液滴的重力以及气流的风力作用不断维持平衡状态：

G+Fg＝Ft

其中：G——液滴的重力，与半径R直接相关；Fg——气流可能造成的作用力，一般很小，可以忽略；Ft——器壁与液滴之间的表面张力。

但是，滴状冷凝时采样气体传输管11竖壁上的液滴不可能无限长大，当液滴的半径达到一定的大小，即液滴脱落器壁的临界半径Rc₂的时候，液滴会在重力的作用下沿着管道壁表面下滑，通过采样气体传输管11底部的凝结水排出口51排出冷凝器1，从而直接减少了采样空气中的水汽的含量。当采样空气再经过加热部件6升温之后，根据理想气体的状态方程PV＝nRT，对采样空气中的水蒸气来说，存在以下关系：

P1/T1＝P2/T2

其中，P1，T1—冷凝过程出来的采样空气中的水汽的分压和温度；P2，T2—加热后采样空气中的水汽的分压和温度。

此时，采样空气的饱和水汽压也增大，使得到达膜采集质量分析室的采样空气相对湿度(RH＝实际水汽压/饱和水汽压)与采样入口处相比，得到进一步降低，最终达到很好的除湿效果。

本发明的冷凝除湿过程如下：

1)在颗粒物自动监测装置打开的同时，打开电源，启动制冷器2。制冷器2内的半导体制冷片利用热电制冷的温差效应，一面温度降低，一面温度升高，从而冷面对管路4中的水进行制冷，使得冷凝水的温度可以降低到5～15℃左右，热面通过风扇散热。

2)同时，启动蠕动泵3为管路4中冷凝水的循环流动提供动力。冷凝水从冷凝管12的下接头13上的冷凝水入水小孔16进入，经过冷凝管12通过热量传导使得采样气体传输管11的管壁和管内采样空气降温，从而使得采样空气中的水汽在采样气体传输管11的竖壁面上冷凝成为液滴。

3)同时，液滴在重力的作用下沿着采样气体传输管11竖壁下滑，通过冷凝水排出口51排到冷凝器1外，从而除去采样空气中的水汽，降低了空气的绝对湿度。

4)经过冷凝管12的冷凝水从上接头13上的冷凝水出水小孔15排出，重新进入制冷器2被冷却，循环利用，连续除湿。

5)此外，从冷凝器1中出来的采样气体，经过加热部件6，由于温度的升高，饱和水汽压增大，采样气体的相对湿度得到了进一步的降低。最终，达到了对气溶胶采样的有效除湿，而且还不对颗粒物的质量浓度造成损失，得到了能够更加准确地反应空气中颗粒物质量浓度的监测数据。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置、及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种气溶胶除湿装置，其特征在于：它包括一冷凝器、一制冷器和一蠕动泵，所述冷凝器、制冷器和蠕动泵之间通过若干管路形成循环回路；所述冷凝器包括一垂直设置的采样气体传输管，所述采样气体传输管外部套设一冷凝管，所述采样气体传输管与所述冷凝管之间留有环形间隙；所述冷凝管的上、下两端分别设置有上接头和下接头，所述上、下接头将所述采样气体传输管和冷凝管之间的环形间隙密封，并将二者固定为一体；所述上接头的一侧轴向设置有一出水小孔，所述下接头上与所述出水小孔位置相对的一侧设置有一入水小孔，所述入水小孔和出水小孔通过所述管路分别连接所述制冷器和蠕动泵；所述采样气体传输管的下端出口连接一双向接头的一端，所述双向接头的另一端连接一现有空气颗粒物自动监测仪器的采样气体加热部件；所述加热部件上部的所述双向接头内设置有一不锈钢环形加厚密封垫圈，所述双向接头内垂直设置有一与所述密封垫圈过盈配合的冷凝气体采集管，所述冷凝气体采集管连通所述采样气体传输管和加热部件；所述密封垫圈上方的所述双向接头侧面径向设置有一凝结水排出口。

2.如权利要求1所述的一种气溶胶除湿装置，其特征在于：所述冷凝管为一环形圆柱体有机玻璃管，且其上、下两端设置有外螺纹。

3.如权利要求1所述的一种气溶胶除湿装置，其特征在于：所述冷凝管的上、下接头两端分别具有直径不同的大接口和小接口，并通过所述大接口内的内螺纹分别旋接在所述冷凝管的上、下两端；所述小接口的内径与所述采样气体传输管的外径相同，且所述小接口内圆外端具有一坡口；所述坡口下方的所述采样气体传输管上套设一与所述坡口形状相对应的楔形卡套；所述楔形卡套的锥面一端设置在所述坡口内，所述楔形卡套的另一端外部设置有一螺帽；所述螺帽通过其上的内螺纹旋接在所述小接口外侧；所述上、下接头上的所述出水小孔和入水小孔通过螺纹分别连接一接头的一端，所述接头的另一端外侧周向设置有用于连接所述管路的齿纹。

4.如权利要求2所述的一种气溶胶除湿装置，其特征在于：所述冷凝管的上、下接头两端分别具有直径不同的大接口和小接口，并通过所述大接口内的内螺纹分别旋接在所述冷凝管的上、下两端；所述小接口的内径与所述采样气体传输管的外径相同，且所述小接口内圆外端具有一坡口；所述坡口下方的所述采样气体传输管上套设一与所述坡口形状相对应的楔形卡套；所述楔形卡套的锥面一端与所述坡口啮合，所述楔形卡套的另一端外部设置有一螺帽；所述螺帽通过其上的内螺纹旋接在所述小接口外侧；所述上、下接头上的所述出水小孔和入水小孔通过螺纹分别连接一接头的一端，所述接头的另一端外侧周向设置有用于连接所述管路的齿纹。

5.如权利要求3或4所述的一种气溶胶除湿装置，其特征在于：所述双向接头两端分别具有与所述小接口结构相同的上、下接口，所述上、下接口内径分别与所述采样气体传输管和加热部件的外径相同；所述上、下接口分别固定所述采样气体传输管和加热部件；所述凝结水排出口通过螺纹连接一凝结水出水接头，所述凝结水出水接头的另一端外侧设置有用于连接凝结水排水管的齿纹。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种气溶胶除湿装置，其特征在于：所述冷凝器、制冷器、蠕动泵和管路外部均包裹有保温隔热泡沫材料。

7.如权利要求5所述的一种气溶胶除湿装置，其特征在于：所述冷凝器、制冷器、蠕动泵和管路外部均包裹有保温隔热泡沫材料。

8.如权利要求1或2或3或4所述的一种气溶胶除湿装置，其特征在于：所述凝结水排出口通过凝结水排水管连接一凝结水收集瓶，且所述凝结水排水管末端浸在所述凝结水收集瓶内液面以下；所述凝结水收集瓶内设置有一与外界连通的出气管，所述出气管末端连接一泵体。

9.如权利要求5所述的一种气溶胶除湿装置，其特征在于：所述凝结水排出口通过凝结水排水管连接一凝结水收集瓶，且所述凝结水排水管末端浸在所述凝结水收集瓶内液面以下；所述凝结水收集瓶内设置有一与外界连通的出气管，所述出气管末端连接一泵体。

10.如权利要求6所述的一种气溶胶除湿装置，其特征在于：所述凝结水排出口通过凝结水排水管连接一凝结水收集瓶，且所述凝结水排水管末端浸在所述凝结水收集瓶内液面以下；所述凝结水收集瓶内设置有一与外界连通的出气管，所述出气管末端连接一泵体。