CN105136857A - 一种测量水汽过饱和度的方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种测量水汽过饱和度的方法及其装置，具体为测量过饱和态的气体的温度和压力，得出该温度压力条件下饱和气体含湿量；将过饱和态的气体经过等压加热至RH<100％的状态，测量加热后气体的温度和相对湿度，并据此得出气体的绝对含湿量，气体的绝对含湿量与加热前气体的温度压力条件下饱和气体含湿量的比值即为气体的过饱和度。本发明提供了一种间接的测量过饱和度的方法及其装置，实现了测量含水汽过饱和气体的过饱和程度，将湿度计的测量量程扩大到RH>100的范围。

Description

一种测量水汽过饱和度的方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种测量气体过饱和度的方法及其装置，属于气体湿度测量技术领域。
背景技术
过饱和气体在自然界非常普遍，比如夜晚气温下降，空气冷却至露点，这时候空气中的水蒸汽便达到饱和状态，当温度进一步降低水蒸汽就达到了过饱和状态，这时过饱和的水蒸汽便会发生凝结现象。
水汽相变促进PM2.5的脱除就是在过饱和条件下发生的，PM2.5颗粒极难被传统的除尘设备脱除，因此利用水汽相变促进PM2.5长大后再利用传统除尘设备脱除成为非常具有应用前景的除尘预处理技术。而水汽在PM2.5颗粒表面凝结长大的首要条件就是构成水汽过饱和。研究结果表明，水汽过饱和度是影响PM2.5长大的重要影响因素之一。所以如何测量构成的水汽过饱和度非常具有研究意义。但是直接采用湿度计并不能测量气体的过饱和值，这是因为湿度计的测量范围RH<100％，而过饱和状态的RH>100％。另外，过饱和水汽也用于亚微米细颗粒凝结计数器的设计和应用，如TSI公司的3785系列的颗粒凝结计数器(watercondensationparticlescounter)。其原理是通过水汽凝结在细颗粒表面然后通过光学方法进行颗粒的计数测量。
过饱和度的定义一般有2种：1.实际水汽分压力与对应温度压力条件下的水汽饱和分压的比值；2.实际水汽浓度与对应温度压力条件下的水汽饱和水汽浓度的比值。这两种定义的值差别并不大，本发明采用第二种计算方法。
发明内容
本发明提供一种测量水汽过饱和度的方法及其装置，该方法和装置能够测量非平衡态的水汽过饱和度。
本发明的技术解决方案为：
一种测量水汽过饱和度的方法，测量过饱和状态下的温度和压力，得出该温度压力条件下饱和气体的含湿量；将过饱和状态的气体经过等压加热至RH<100％的状态，测量加热后气体的温度和相对湿度，并据此得出气体的绝对含湿量，气体的绝对含湿量与加热前气体的温度压力条件下饱和气体含湿量的比值即为气体的过饱和度。
一种测量水汽过饱和度的装置，包括温度压力测量探头、等压加热箱体、压力反馈控制单元；
所述温度压力测量探头设置在所述过饱和气体内；在所述等压加热箱体气体入口设置有阀门；在所述等压加热箱体内设置有用于测量等压加热箱体内气体温湿度的温湿度测量探头，在所述等压加热箱体上设置有用于加热等压加热箱体内气体的加热带，在所述等压加热箱体内还设置有用于密封所述等压加热箱体的活塞；在所述活塞上连接有用于抽吸气体的动力单元；在所述温度压力测量探头与所述动力单元之间连接有用于保持所述等压加热箱体内压力的压力反馈控制单元。
所述压力反馈控制单元读取由所述温度压力测量探头测量的压力值，将其反馈给所述动力单元；所述动力单元设置施加的压力，使等压加热箱体的压力保持与所述温度压力测量探头所测值相等。
所述温度压力测量探头测量的温度范围为0～374℃，压力范围为0～21.115MPa。
所述的阀门为闭路阀、闸阀、截止阀、旋塞阀、球阀或蝶阀。
所述等压加热箱体内壁为可承压的疏水材料，外侧由钢板固定。
所述等压加热箱体内壁材料为聚四氟乙烯。
本发明的有益效果为：本发明提供了一种间接的测量过饱和度的方法及其装置，能够实现测量含水汽过饱和气体的过饱和程度，为研究水汽相变促进PM2.5长大并脱除及亚微米细颗粒凝结计数器的研究提供准确的过饱和场测量方案和装置。将湿度计的测量量程扩大到RH>100的范围。
附图说明
图1为本发明中各状态点气体温度与相对湿度关系示意图。
图2为本发明的总体结构示意图。
图中：1-温度压力测量探头；2-阀门；3-等压加热箱体；4-温湿度测量探头；5-加热带；6-活塞；7-动力单元；8-压力反馈控制单元。
具体实施方式
下面结合附图1、2，对本发明进行详细说明。
本发明测量水汽过饱和度的方法，具体为测量过饱和态的气体的温度和压力，得出该温度压力条件下饱和气体含湿量；将过饱和态的气体经过等压加热至RH<100％的状态，测量加热后气体的温度和相对湿度，并据此得出气体的绝对含湿量，气体的绝对含湿量与加热前气体的温度压力条件下饱和气体含湿量的比值即为气体的过饱和度。
图1为气体温度与相对湿度关系示意图。结合图1，A点是过饱和气体的初始状态，其对应的温度为Tnon，对应的压力为Pnon，根据温度和压力可计算出其在饱和线上对应B点的饱和绝对含湿量ds；过饱和气体在等压条件下密闭加热到C点，C点的温度和相对湿度可测，因此可计算其绝对含湿量deq,根据S＝deq/ds则水汽过饱和度值可得。
图2为本发明的总体结构示意图。如图2所示，本发明测量水汽过饱和度方法的装置包括温度压力测量探头1、阀门2、等压加热箱体3、温湿度测量探头4、加热带5、活塞6、动力单元7和压力反馈控制单元8；
温度压力测量探头1设置在过饱和气体内；阀门2设置在等压加热箱体3气体入口；温湿度测量探头4设置在等压加热箱体3内，用于测量等压加热箱体3内气体温湿度；加热带5设置在等压加热箱体3上，用于加热等压加热箱体3内的气体；活塞设置在等压加热箱体3内，用于密封所述等压加热箱体3；动力单元7与活塞6上连接，设置在活塞外侧，用于抽吸气体；压力反馈控制单元8分别与温度压力测量探头1和动力单元7连接，用于保持等压加热箱体3内的压力。
在本发明中，温度压力测量探头1测量的温度范围为0～374℃，压力范围为0～21.115MPa。阀门2为闭路阀、闸阀、截止阀、旋塞阀、球阀或蝶阀。等压加热箱体3内壁为可承压的疏水材料，外侧由钢板固定。等压加热箱体3内壁材料为聚四氟乙烯。
本发明的水汽过饱和度测量步骤如下：将装置与过饱和气体连接，温度和压力探头1测量过饱和气体的温度Tnon和压力Pnon，压力反馈控制单元8读取由探头1测量的压力值，将其反馈给动力单元7，由动力单元7设置压力，使加热箱体的压力保持与探头1所测值相等；打开阀门2，在动力单元7的作用下，活塞缓慢由初始位置6‘移动将非平衡态的过饱和气体等压力(即P＝Pnon)抽吸到等压加热箱3中，活塞到达终点位置6时关闭阀门2，保持活塞压力不变，加热带5对气体进行加热，温湿度测量探头4测量新的气体温度Teq,相对湿度RHeq,利用相对湿度得出对应温度Teq和压力P下的绝对含湿量deq,同时通过查询水蒸汽焓湿图得出过饱和气体的温度Tnon和压力Pnon下的饱和含湿量ds,可计算出过饱和气体的水汽过饱和度S＝deq/ds。
以下结合实例对本发明做进一步的说明，但本发明不只限于此实施例。
过饱和气体由流动的饱和冷却气流(7℃)与循环流动的热水(50℃)接触产生，测得过饱和气体的温度为30℃，表压力为0，打开阀门缓慢移动活塞抽取过饱和气体至等压加热箱体中，待活塞位置到达终点关闭阀门，维持动力单元压力为0，打开加热带的电源加热气体至50℃，测得气体的相对湿度为RH为47％。查询水蒸汽焓湿图可得附图1中状态C点含湿量deq＝37.78g/kg，附图1中状态B点饱和含湿量ds＝27.198g/kg。所以该水汽过饱和气流的过饱和度为S＝deq/ds＝37.78/27.198＝1.389。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (7)

1.一种测量水汽过饱和度的方法，其特征在于，测量过饱和状态下的温度和压力，得出该温度压力条件下饱和气体的含湿量；将过饱和状态的气体经过等压加热至RH<100％的状态，测量加热后气体的温度和相对湿度，并据此得出气体的绝对含湿量，气体的绝对含湿量与加热前气体的温度压力条件下饱和气体含湿量的比值即为气体的过饱和度。
2.一种实施权利要求1所述测量水汽过饱和度方法的装置，其特征在于，包括温度压力测量探头(1)、等压加热箱体(3)、压力反馈控制单元(8)；
所述温度压力测量探头(1)设置在所述过饱和气体内；在所述等压加热箱体(3)气体入口设置有阀门(2)；在所述等压加热箱体(3)内设置有用于测量等压加热箱体(3)内气体温湿度的温湿度测量探头(4)，在所述等压加热箱体(3)上设置有用于加热等压加热箱体(3)内气体的加热带(5)，在所述等压加热箱体(3)内还设置有用于密封所述等压加热箱体(3)的活塞(6)；在所述活塞(6)上连接有用于抽吸气体的动力单元(7)；在所述温度压力测量探头(1)与所述动力单元(7)之间连接有用于保持所述等压加热箱体(3)内压力的压力反馈控制单元(8)。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述压力反馈控制单元(8)读取由所述温度压力测量探头(1)测量的压力值，将其反馈给所述动力单元(7)；所述动力单元(7)设置施加的压力，使等压加热箱体(3)的压力保持与所述温度压力测量探头(1)所测值相等。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述温度压力测量探头(1)测量的温度范围为0～374℃，压力范围为0～21.115MPa。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的阀门(2)为闭路阀、闸阀、截止阀、旋塞阀、球阀或蝶阀。
6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述等压加热箱体(3)内壁为可承压的疏水材料，外侧由钢板固定。
7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述等压加热箱体(3)内壁材料为聚四氟乙烯。
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