CN105642373B - 一种垂直温度梯度可调型烟雾箱及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种垂直温度梯度变化的烟雾箱，该烟雾箱包括箱体，该烟雾箱还包括温度分级控制装置，温度分级控制装置包括通过管道依次连接的压缩机、冷凝器、干燥过滤器和多级温度控制部，从而形成循环体系。本发明还提出了该烟雾箱的工作方法。本发明利用温度分级控制装置能够实现对不同垂直大气温度变化进行模拟，能够更加接近真实大气情况，加深对大气垂直结构对大气污染的影响的理解，尤其是能够模拟逆温层结构，研究逆温层对大气污染形成的影响。

Description

一种垂直温度梯度可调型烟雾箱及其工作方法

技术领域

本发明属于大气环境试验设备领域，涉及一种垂直温度梯度可调型烟雾箱及其工作方法。

背景技术

烟雾箱是实验室研究大气污染过程的实验模拟工具之一。利用烟雾箱可以将大气污染过程中的重要化学反应过程提取出来进行模拟，并可人为控制反应条件如温度、湿度、污染物浓度等，研究大气污染过程中关键影响因素，实验具有可重复性。并可将实验所得结果与实际外场监测相结合，发现大气污染的规律，了解其污染的本质。

利用烟雾箱模拟大气污染过程的研究始于20世纪50年代的欧洲，近些年来由于我国大气污染的加重而在我国大气研究领域逐渐普及。但目前的烟雾箱对温度的模拟只能实现箱体内同一温度的控制而不能实现模拟大气层温度梯度变化的现象。

在对流层中，一般情况下大气温度随着高度增加而下降，每上升100米，温度降低0.6℃左右。即低层大气温度高、密度小，高层大气温度低、密度大，使得大气层容易发生“对流”运动。

在大气污染过程中可将近地面层的污染物向高空乃至远方输散，从而使城市上空污染程度减轻。然而当受到地球的强烈辐射作用、地形、气压影响时会出现如辐射逆温、地形逆温以及下沉逆温等气温随高度增加而升高的反常现象，即出现“逆温层”。它使得空气垂直对流运动受到阻碍，从而阻碍了近地面层大气污染物的上升扩散，使得大气污染物停滞在近地面的大气层中越积越多，加剧空气污染的程度。由此可见，逆温层的温度效应在大气污染过程中具有极其重要的研究意义。

综上，大气垂直温度分布并不是一直保持一个恒定值不变，而是随高度的变化而变化。但目前的烟雾箱并没有能够模拟大气温度梯度变化以及逆温层现象的功能，不利于更加真实的模拟大气污染的过程。

发明内容

本发明为了解决烟雾箱温度只能维持一个温度而不能真实模拟大气垂直温度变化的问题，提出了一种垂直温度梯度可调型烟雾箱及其工作方法，进一步地，该烟雾箱还能够模拟逆温层现象。

本发明提出的一种垂直温度梯度变化的烟雾箱，该烟雾箱包括箱体，该烟雾箱还包括温度分级控制装置，温度分级控制装置包括通过管道依次连接的压缩机、冷凝器、干燥过滤器和多级温度控制部，多级温度控制部还与压缩机连接，从而形成循环体系。

进一步地，该烟雾箱还包括除湿装置，除湿装置设置在箱体内部，用于对烟雾箱箱体内的空气进行除湿。

进一步地，多级温度控制部的每级温度控制部均包括通过管道依次连接的温控装置、毛细管和蒸发器，温控装置还与所述干燥过滤器连接，蒸发器还与压缩机连接。

进一步地，蒸发器通过可控延时开关与压缩机连接。

进一步地，温度分级控制装置采用温度分级控制策略实现大气垂直温度分布的模拟。

进一步地，当需要减少温度级数时，通过相邻级的蒸发器设置相同温度的方式来实现级数的减少。

进一步地，该烟雾箱还包括温度测量部、湿度测量部、样品进样口、样品采样口、废气口以及模拟太阳光光源的紫外光灯。

进一步地，所述箱体具有保温功能，该保温功能通过在箱体夹层中设置保温材料或保温层实现。

进一步地，烟雾箱箱体内壁的材料具有高的光反射率，并且具有优良的热导系数。

本发明还提出一种如前所述的烟雾箱的工作方法，该方法包括以下步骤：

步骤0：在箱体内放入反应容器，进行启动前的准备工作；

步骤1：打开除湿装置对箱体内的空气进行除湿；

步骤2：除湿完毕后，在温度分级控制装置启动时或启动前关闭除湿装置，各温控装置打开；

步骤3：压缩机将制冷剂压缩成高温高压状态进入冷凝器中；冷凝器将高温高压的制冷剂转化成液体形式的中温高压制冷剂；然后制冷剂进入干燥过滤器中除去水分；

步骤4：当每一级温度控制部的温度等于或低于该级所设定的温度时，该级的温控装置关闭，制冷剂不流入该级的毛细管和蒸发器；当每一级温度控制部的温度高于该级所设定的温度时，该级的温控装置打开，制冷剂流入该级的毛细管和蒸发器中进行制冷；

步骤5：重复步骤4，直到工作结束或中断。

本发明的有益效果：本发明提出的垂直温度梯度可调型烟雾箱，利用温度分级控制装置实现对不同垂直大气温度变化模型进行模拟：降温或升温、骤降(升)或逐渐降温(升温)、梯度降温(升温)或逆温层，以及其他温度分布情况。通过该烟雾箱对大气垂直温度变化进行模拟，能够更加接近真实大气情况，加深对大气垂直结构对大气污染的影响的理解。尤其是能够利用本发明模拟逆温层结构，研究逆温层对大气污染形成的影响。

附图说明

图1是本发明的烟雾箱体结构示意图。

图2是本发明的烟雾箱分级制冷系统图。

图3是本发明烟雾箱的工作方法流程图。

附图标记说明：1.箱体夹层 2.反应容器 6.温度探头 7.紫外光灯 8.除湿装置9.进样采样口10.烟雾箱门 11.压缩机 12.冷凝器 13.干燥器 14.温控阀门 15.毛细管16.蒸发器 17.可控延时开关 18.烟雾箱箱体内壁

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。

本发明提出的垂直温度梯度变化的烟雾箱，其俯视图如图1所示，该烟雾箱包括温度分级控制装置、除湿装置8和箱体。

所述箱体包括可开合的烟雾箱门10，并能与箱体其他部件贴合时实现密封配合，从而达到箱内的密封要求。箱门10可开设透明窗，便于观察箱内情况。

所述箱体具有保温功能，可通过在箱体夹层1中设置保温材料或保温层实现，保温材料或保温层采用的材料可以是聚氨酯、聚苯乙烯材料等，但不局限于聚氨酯和聚苯乙烯。

所述箱体设有温湿度测量口、样品进样采样口9、废气口以及模拟太阳光光源的紫外光灯7。温湿度测量口在图1中示出了设置温度探头6的示例，紫外光灯7可以采用黑光灯。

为了进一步提高模拟效果，烟雾箱箱体内壁18的材料优选具有高的光反射率，并且具有优良的热导系数的材料，例如可以采用抛光的不锈钢板、镀锌铜板，但不局限于此。

除湿装置8设置在箱体内部，用于对烟雾箱箱体内的空气进行除湿。本发明可通过除湿装置降低烟雾箱体内的相对湿度，从而避免烟雾箱体中湿度太大而在箱体内壁吸附结霜，影响控温的实现。

温度分级控制装置可以采用温度分级制冷系统实现，温度分级制冷系统如图2所示，包括通过管道依次连接的压缩机11、冷凝器12、干燥过滤器13和多级温度控制部，多级温度控制部再连接压缩机11，从而形成制冷循环体系。在本发明中，冷凝器采用冷凝管。

多级温度控制部实现分级温度的控制，每级温度控制部均包括通过管道连接的温控装置、毛细管15和蒸发器16，其中，温控装置可以采用温控开关配合温控阀门14的方式，温控阀门14受温控开关控制。干燥过滤器13连接温控阀门14，温控阀门14连接毛细管15，毛细管15连接蒸发器16，蒸发器16连接到压缩机11，或者通过另一开关17连接到压缩机11以防止邻级蒸发器中的制冷剂进入。多级温度控制部还可设置旁路管路，多余的制冷剂可通过旁路管路回到压缩机11。

另外，每级蒸发器16与压缩机11之间的开关17可采用可控延时开关，当达到相应温度时，蒸发器前的温控阀门14关闭，蒸发器后的可控延时开关17经过所设定的延迟时间后关闭，该设定的延迟时间可以保证蒸发器中的制冷剂基本流出。

如图1和2所示，为了美观，压缩机11、冷凝器12、干燥过滤器13、毛细管15和蒸发器16设置在箱体夹层1中。为保证冷凝效果，蒸发器16紧贴箱体内壁，冷凝器12尽量靠近箱体外壁，压缩机11、干燥过滤器13、毛细管15无需紧贴箱体内壁。

压缩机、冷凝器和干燥过滤器的数量根据实际情况可灵活选择。多级温度控制部可以共用同一套压缩机11、冷凝器12和干燥过滤器13，如图2所示；当然，也可以多级温度控制部中的一部分共用同一套压缩机11、冷凝器12和干燥过滤器13，甚至也可以多级温度控制部中的每级各自使用一套压缩机11、冷凝器12和干燥过滤器13。

本发明中的温度分级控制装置采用温度分级控制策略实现大气垂直温度分布的模拟。设置的温度级数小于或等于温度控制部的级数，如温度控制部有5级，则最多可以实现5个温度级数的设置，当需要减少温度级数时，可通过相邻级的蒸发器设置相同温度的方式来实现级数的减少。仍以5级温度控制部为例，当需要设置的温度级数为4级时，可以将5级温度控制部中某两个相邻蒸发器的温度设置为相同的温度；当需要设置的温度级数为3级时，可以将5级温度控制部中某两个相邻蒸发器的温度设置为相同的温度，另两个相邻蒸发器的温度设置为相同的温度。

一般来说，多级温度控制部整体呈现温度升高或降低的状态，即本发明的烟雾箱既可以模拟大气温度正常温度梯度情况，也可以模拟大气温度异常例如逆温层的情况。当然，为了更真实地模拟大气垂直温度的梯度，多级温度控制部也可以按照大气温度的实际情况设置各级蒸发器的温度，例如大气温度不是随着高度增加呈现规律的升温或降温。也就是说，本发明的烟雾箱通过分级温度控制，既可以模拟下部热上部冷的温度分布情况，也可以模拟上部热下部冷的温度分布情况，还可以模拟混合式的温度分布情况。

同时，本发明中的分级温度设置可以为逐级升温或降温，也可以是温度骤升或骤降，此时只需要改变温度分级的数目和相邻两级之间的温度梯度。如需骤升或骤降，则需要将温度梯度调大、级数减少；如需逐级升温或降温，则需要将温度梯度调小、级数增加。

本发明所述的烟雾箱为实际大气垂直情况的缩小版，即用烟雾箱的1m或者其他合适高度模拟实际大气垂直结构的100m(或其他合适高度)。若实际大气温度变化情况为从地面到离地高度500m处的温度变化情况为以1℃/100m的温度递增。则此时可以以烟雾箱从烟雾箱底到离底部5m以1℃/m的速度升温模拟实际大气情况；随后以0.6℃/m的速度降温模拟实际大气情况。例如，模拟垂直温度变化情况为0m-500m，-5℃～5℃，以2℃/100m的梯度递增。烟雾箱构造为1米一个温控级，总共设置6级。各级的温度分别设定为-5℃、-3℃、-1℃、1℃、3℃、5℃。

下面结合图1至3说明本发明烟雾箱的工作过程。

将作大气实验用的反应容器2通过箱门10放入箱体内，在反应容器和箱体上各自连接好样品进样口和采样口以及温湿度探头等准备工作。若反应需要连续光照，则提前打开箱体内的紫外光灯7，以防后期引起箱体内的温度波动；如只需短暂光照，则可以不进行任何操作。实验过程中，反应容器悬挂或者安放于烟雾箱中，反应容器内通入所需要的反应性物质，通过烟雾箱对其进行光照和温度的控制。反应容器一般由F46膜制成。

在启动烟雾箱的温度分级制冷系统之前先打开除湿装置8对烟雾箱体内的空气进行除湿，以防止在烟雾箱内壁积霜，影响温度控制。除湿完毕在制冷系统启动时或启动前关闭除湿装置。

当启动烟雾箱的温度分级制冷系统后，各温控阀门14打开，压缩机11开始工作。压缩机11将制冷循环体系中气体形式的制冷剂压缩成高温高压状态进入冷凝器12中；冷凝器12将高温高压的制冷剂转化成液体形式的中温高压制冷剂；然后制冷剂进入干燥过滤器13中除去可能产生的水分，防止堵塞管路。

在每一级中，该级的温度探头6所探测的温度高于该级所设定的温度时，通过干燥过滤器13的制冷剂再通过该级的毛细管15进入对应的蒸发器16中进行制冷，最后回到压缩机11。毛细管15在制冷循环体系中实现了冷凝器12的高压和蒸发器16的低压之间的转换。

在每一级中，当该级的温度探头6所探测的温度等于或低于该级所设定的温度时，温控开关控制温控阀门关闭，制冷剂不流入，该级温度可由夹层的保温材料维持稳定；当该级的温度探头6探测温度高于所设定温度时，温控开关控制温控阀门14打开，制冷剂流入各级毛细管15、蒸发器16中进行制冷。如此反复该步骤，直到工作结束或中断。当各级温控系统均处于稳定状态时即可模拟大气实验。

制冷剂需要具有较宽的温控范围和制冷效果，可以采用液氨或其他常用制冷剂，但不局限于液氨。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种垂直温度梯度变化的烟雾箱，该烟雾箱包括箱体，其特征在于，该烟雾箱还包括温度分级控制装置，温度分级控制装置包括通过管道依次连接的压缩机、冷凝器、干燥过滤器和多级温度控制部，多级温度控制部还与压缩机连接，从而形成循环体系；其中，温度分级控制装置采用温度分级控制策略实现大气垂直温度分布的模拟。

2.根据权利要求1所述的烟雾箱，其特征在于，该烟雾箱还包括除湿装置，除湿装置设置在箱体内部，用于对烟雾箱箱体内的空气进行除湿。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的烟雾箱，其特征在于，多级温度控制部的每级温度控制部均包括通过管道依次连接的温控装置、毛细管和蒸发器，温控装置还与所述干燥过滤器连接，蒸发器还与压缩机连接。

4.根据权利要求3所述的烟雾箱，其特征在于，蒸发器通过可控延时开关与压缩机连接。

5.根据权利要求1所述的烟雾箱，其特征在于，当需要减少温度级数时，通过相邻级的蒸发器设置相同温度的方式来实现级数的减少。

6.根据权利要求3所述的烟雾箱，其特征在于，该烟雾箱还包括温度测量部、湿度测量部、样品进样口、样品采样口、废气口以及模拟太阳光光源的紫外光灯。

7.根据权利要求3所述的烟雾箱，其特征在于，所述箱体具有保温功能，该保温功能通过在箱体夹层中设置保温材料或保温层实现。

8.根据权利要求3所述的烟雾箱，其特征在于，烟雾箱箱体内壁的材料具有高的光反射率，并且具有优良的热导系数。

9.一种如权利要求3至8中任一项所述的烟雾箱的工作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤0：在箱体内放入反应容器，进行启动前的准备工作；

步骤1：打开除湿装置对箱体内的空气进行除湿；

步骤2：除湿完毕后，在温度分级控制装置启动时或启动前关闭除湿装置，各温控装置打开；

步骤3：压缩机将制冷剂压缩成高温高压状态进入冷凝器中；冷凝器将高温高压的制冷剂转化成液体形式的中温高压制冷剂；然后制冷剂进入干燥过滤器中除去水分；

步骤4：当每一级温度控制部的温度等于或低于该级所设定的温度时，该级的温控装置关闭，制冷剂不流入该级的毛细管和蒸发器；当每一级温度控制部的温度高于该级所设定的温度时，该级的温控装置打开，制冷剂流入该级的毛细管和蒸发器中进行制冷；

步骤5：重复步骤4，直到工作结束或中断。