CN108155401B - 大流量低温气体温湿度控制设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大流量低温气体温湿度控制设备，包括：气源用于提供高压气体；减压装置，输入端与气源连接，用于调节气源提供的高压气体的气压和流量；液体恒温器，内部设有第一热交换器和第二热交换器；第一除湿装置，包括第一去水组件和第一管路加热器；第二除湿装置，包括第二去水组件和第二管路加热器。与现有技术相比，本发明设置两个热交换器，并在每一次热交换器之后均设置去水组件和管路加热器，且管路加热器设置在去水装置之后，可以大大降低气体中的水分含量，减少可能的结冰量，避免损伤燃料电池。

Description

大流量低温气体温湿度控制设备
技术领域
本发明涉及一种燃料电池技术，尤其是涉及一种大流量低温气体温湿度控制设备。
背景技术
燃料电池电堆低温冷启动指的是电堆在0℃以下的环境中进行冷启动。此时进堆的氢气、空气温度都很低，甚至为环境温度。模拟电堆的低温冷启动需要向电堆供给温湿度可调的低温气体。
对汽油机、柴油机等进行低温环境下的性能测试时都需要低温的空气。
将室温气体降温至0℃以下时，气体内含的水蒸气气压达到饱和蒸气压后会凝结为液态水，在0℃以下甚至会结冰。
目前，低温气体的制备大多是针对0℃以上的低温气体，针对0℃以下的低温气体的制备的专利较少。
中国专利CN 102261558A公开了一种低温气体供气装置，所述装置利用低温液体常温气化后形成常温气体，再经过自身冷量冷却的方法获得低温气体。但该装置获得的气体的流量较小、湿度不可控，另外，管道内会发生结冰现象，甚至会阻塞管路。
中国专利CN 103353183A提出了一种干燥气体低温制备装置，所述装置包括了由蒸发器、压缩机、冷凝器以及散热风扇构成的制冷系统，并利用蒸发器外围设置的高压仓将低温气体存储到存储腔内。但该装置无法对所制备的气体的温湿度进行准确的控制。
中国专利CN 103874898A设计了一种低温气体供给装置，所述装置利用换热器使低温气体制冷剂和目标气体进行热交换，通过控制各自的量，使目标气体温度达到预设值。但是，该装置无法对气体的湿度进行控制，也没有对管路内可能的结冰现象采取措施。
中国专利CN 101757837A公开了一种气体低温干燥装置，该装置通过将气体冷却至露点温度以下，使气体中的水蒸气凝结为液体，达到干燥气体的目的。但是，该装置无法对气体的湿度进行控制，也没有对管路内可能的结冰现象采取措施。
通过分析，以上3个专利均未对低温气体的湿度进行控制，且未对管道内可能出现的结冰现象进行处理。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种大流量低温气体温湿度控制设备。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种大流量低温气体温湿度控制设备，包括：
气源，用于提供高压气体；
减压装置，输入端与气源连接，用于调节气源提供的高压气体的气压和流量；
还包括：
液体恒温器，内部设有第一热交换器和第二热交换器，所述第一热交换器的输入端与减压装置的输出端连接；
第一除湿装置，包括第一去水组件和第一管路加热器，所述第一去水组件的输入端与第一热交换器的输出端连接，输出端与第一管路加热器的输入端连接，所述第一管路加热器的输出端与第二热交换器的输入端连接；
第二除湿装置，包括第二去水组件和第二管路加热器，所述第二去水组件的输入端与第二热交换器的输出端连接，输出端与第二管路加热器的输入端连接，所述第二管路加热器的输出端与燃料电池连接。
所述减压装置包括依次连接的减压阀、第一压力传感器、流量计和第一比例阀。
所述第一压力传感器和流量计之间的管路上设有温度传感器。
所述液体恒温器内填充有防冻液，所述第一热交换器和第二热交换器均浸在液体恒温器内的防冻液中。
所述第一热交换器输出端气体温度为2～5摄氏度。
所述第一去水组件包括气液分离器和除湿器，所述气液分离器的输入端与第一热交换器的输出端连接，输出端与除湿器的输入端连接，所述除湿器的输出端与第一管路加热器连接；
气液分离器除去气体中混有的液态水；除湿器进一步除去气体中的部分水蒸气。
所述第一热交换器和气液分离器之间的管路上设有温度传感器。
所述第二去水组件为除冰器，且该除冰器与第二管路加热器之间的管路上设有温度传感器和第一湿度传感器；除冰器除去管路中形成的冰和剩余的液态水。
所述第二管路加热器连接至燃料电池的管路中设有第二比例阀。
所述第二管路加热器和第二比例阀之间的管路上设有第二压力传感器、温度传感器和第二湿度传感器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)设置两个热交换器，并在每一次热交换器之后均设置去水组件和管路加热器，且管路加热器设置在去水装置之后，可以大大降低气体中的水分含量，减少可能的结冰量，避免损伤燃料电池。
2)减压装置配置有压力传感器和流量计，可以实现依托于压力传感器和流量计的反馈控制，提高控制效果。
3)第一热交换器输出端气体温度为2～5摄氏度，利于第一去水组件出去大部分的水分，同时避免水分凝华成冰。
4)第二去水组件为除冰器，可以去除低温气体凝华得到的冰，防止水结冰堵塞管路。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
其中：1、气源，2、减压阀，3、第一压力传感器，4、温度传感器，5、流量计，6、第一比例阀，7、液体恒温器，8、第一热交换器，9、温度传感器，10、气液分离器，11、除湿器，12、第一管路加热器，13、第二热交换器，14、除冰器，15、温度传感器，16、第一湿度传感器，17、第二管路加热器，18、第二压力传感器，19、温度传感器，20、第二湿度传感器，21、第二比例阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种大流量低温气体温湿度控制设备，如图1所示，包括：
气源1，用于提供高压气体，气源1可以是罐装压缩气体，也可以是来自于压缩机的高压气体。；
减压装置，输入端与气源1连接，用于调节气源1提供的高压气体的气压和流量；
还包括：
液体恒温器7，内部设有第一热交换器8和第二热交换器13，第一热交换器8的输入端与减压装置的输出端连接；
第一除湿装置，包括第一去水组件和第一管路加热器12，第一去水组件的输入端与第一热交换器8的输出端连接，输出端与第一管路加热器12的输入端连接，第一管路加热器12的输出端与第二热交换器13的输入端连接；
第二除湿装置，包括第二去水组件和第二管路加热器17，第二去水组件的输入端与第二热交换器13的输出端连接，输出端与第二管路加热器17的输入端连接，第二管路加热器17的输出端与燃料电池连接。
减压装置包括依次连接的减压阀2、第一压力传感器3、流量计5和第一比例阀6。
第一压力传感器3和流量计5之间的管路上设有温度传感器4。
液体恒温器7内填充有防冻液，第一热交换器8和第二热交换器13均浸在液体恒温器7内的防冻液中。
第一热交换器8输出端气体温度为2～5摄氏度。
第一去水组件包括气液分离器10和除湿器11，气液分离器10的输入端与第一热交换器8的输出端连接，输出端与除湿器11的输入端连接，除湿器11的输出端与第一管路加热器12连接；
气液分离器10除去气体中混有的液态水；除湿器11进一步除去气体中的部分水蒸气。
第一热交换器8和气液分离器10之间的管路上设有温度传感器。
第二去水组件为除冰器14，且该除冰器14与第二管路加热器17之间的管路上设有温度传感器15和第一湿度传感器16；除冰器14除去管路中形成的冰和剩余的液态水。
第二管路加热器17连接至燃料电池的管路中设有第二比例阀21。
第二管路加热器17和第二比例阀21之间的管路上设有第二压力传感器18、温度传感器19和第二湿度传感器20。
上述设备工作时，控制过程及控制原理如下：
控制过程：调节减压阀2、第一比例阀6使气体压力、流量大小合适；调节液体恒温器7的设置温度，使第一热交换器8后的温度传感器9的示数稳定在2℃至5℃范围内；气液分离器10除去气体中混有的液态水；除湿器11进一步除去气体中的部分水蒸气；调节第一热交换器8和第二热交换器13之间的第一管路加热器12，使除冰器14后的温度传感器15示数为Tdp℃(该Tdp为小于0的值)，湿度传感器示数为100％(由于经过冷凝，且除冰器14并未去除水蒸气，仅出去气体中的固态冰和液态水)；除冰器14除去管路中形成的冰；调节靠近第二比例阀21的第二管路加热器17，使其后的温度传感器19示数为Tgas℃(该Tgas大于Tdp，但仍然小于0)，此时气体相对湿度位RH小于100％。
控制原理：Tdp、Tgas、RH的热力学关系。
第一热交换器8将气体温度降至2℃至5℃，气液分离器10除去气体中混有的液态水，至此，气体内的大部分水分可以除去。
经过气液分离器10、除湿器11二级除水后，气体流经第二换热器13时水蒸气液化为液态水的量已经很少，之后的结冰量更少，这些液态水和冰通过除冰器14除去。2个管路加热器能使温湿度快速响应。

Claims (8)

1.一种大流量低温气体温湿度控制设备，包括：
气源(1)，用于提供高压气体；
减压装置，输入端与气源(1)连接，用于调节气源(1)提供的高压气体的气压和流量；
其特征在于，还包括：
液体恒温器(7)，内部设有第一热交换器(8)和第二热交换器(13)，所述第一热交换器(8)的输入端与减压装置的输出端连接；
第一除湿装置，包括第一去水组件和第一管路加热器(12)，所述第一去水组件的输入端与第一热交换器(8)的输出端连接，所述第一去水组件的输出端与第一管路加热器(12)的输入端连接，所述第一管路加热器(12)的输出端与第二热交换器(13)的输入端连接；
第二除湿装置，包括第二去水组件和第二管路加热器(17)，所述第二去水组件的输入端与第二热交换器(13)的输出端连接，所述第二去水组件的输出端与第二管路加热器(17)的输入端连接，所述第二管路加热器(17)的输出端与燃料电池连接；
所述第一去水组件包括气液分离器(10)和除湿器(11)，所述气液分离器(10)的输入端与第一热交换器(8)的输出端连接，所述气液分离器(10)的输出端与除湿器(11)的输入端连接，所述除湿器(11)的输出端与第一管路加热器(12)连接；
气液分离器(10)除去气体中混有的液态水；除湿器(11)进一步除去气体中的部分水蒸气；
所述第二去水组件为除冰器(14)，且该除冰器(14)与第二管路加热器(17)之间的管路上设有温度传感器(15)和第一湿度传感器(16)；除冰器(14)除去管路中形成的冰和剩余的液态水。
2.根据权利要求1所述的一种大流量低温气体温湿度控制设备，其特征在于，所述减压装置包括依次连接的减压阀(2)、第一压力传感器(3)、流量计(5)和第一比例阀(6)。
3.根据权利要求2所述的一种大流量低温气体温湿度控制设备，其特征在于，所述第一压力传感器(3)和流量计(5)之间的管路上设有温度传感器(4)。
4.根据权利要求1所述的一种大流量低温气体温湿度控制设备，其特征在于，所述液体恒温器(7)内填充有防冻液，所述第一热交换器(8)和第二热交换器(13)均浸在液体恒温器(7)内的防冻液中。
5.根据权利要求1～4中任一所述的一种大流量低温气体温湿度控制设备，其特征在于，所述第一热交换器(8)输出端气体温度为2～5摄氏度。
6.根据权利要求1所述的一种大流量低温气体温湿度控制设备，其特征在于，所述第一热交换器(8)和气液分离器(10)之间的管路上设有温度传感器。
7.根据权利要求1所述的一种大流量低温气体温湿度控制设备，其特征在于，所述第二管路加热器(17)连接至燃料电池的管路中设有第二比例阀(21)。
8.根据权利要求7所述的一种大流量低温气体温湿度控制设备，其特征在于，所述第二管路加热器(17)和第二比例阀(21)之间的管路上设有第二压力传感器(18)、温度传感器(19)和第二湿度传感器(20)。
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