CN108593413A - 一种冷凝-加热管路系统及超低温冷凝富集系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种冷凝‑加热管路系统及超低温冷凝富集系统，其中冷凝‑加热管路系统包括：第一管，其一端形成进气端，另一端形成出气端；第二管，套设在第一管的外侧，用于将冷量传递至第一管上，对第一管制冷，使通过第一管内的气体中冷凝点高于第一管内的温度的物质冷凝在第一管的内壁上；冷源装置，与第二管连接，用于向第二管提供冷量；加热装置，与第一管连接，用于加热第一管，使冷凝在第一管内壁上的物质气化。由于冷源装置与第二管连接，冷源装置直接向第二管提供冷量，冷量损失较小，因此所需的冷源装置可采用微型超低温制冷机，从整体上减小了该冷凝‑加热管路系统的体积，第二管可以将冷量均匀传递到第一管上，冷凝效率较高。

Description

一种冷凝-加热管路系统及超低温冷凝富集系统

技术领域

本发明涉及气体富集技术领域，具体涉及一种冷凝-加热管路系统及超低温冷凝富集系统。

背景技术

在大气监测及VOCs即挥发性有机化合物(volatile organic compounds)监测治理领域中，需要对监测目标气体进行富集及浓缩以提高监测精度和监测效率。目前的富集浓缩技术主要有吸附和低温冷凝两种。其中吸附技术是通过将采样气体通入填充有吸附介质的管道中，用吸附作用将采样气体中的目标物质进行富集。这种方式的优势是设备结构相对简单，成本较低，劣势是对吸附介质的要求较高，同时需要定期更换吸附介质，且不同的物质需要用不同的吸附介质，部分物质难以有效富集，同时在脱附时易残留，影响检验结果。低温冷凝技术是通过将采样气体通入低温冷阱，使其中的目标物质温度降低至露点或凝固点以下，并凝结在冷阱表面进行富集。其优势是无需填充吸附剂，生产成本和维护成本相对降低，同时富集效果更加优良，光管热脱附不易残留，使监测结果更加准确。

在气体富集领域，常采用对石英管降温以对流经石英管内部的气体进行冷却富集。由于VOCs自身的浓度极低，因此当VOCs流经石英管内部时，需要确保石英管的管体与外界环境之间不产生物质交换，以免外界的杂质流入石英管内部对最终的测量结果造成影响。现有技术中，常采用在石英管外侧设置不锈钢层，由于不锈钢的致密度要远高于石英管，因此通过不锈钢可以很好地防止杂质流入石英管中。

当VOCs经过富集后，需要对石英管进行再次加热，以使已经富集的VOCs气化后流出，进行浓度测量。CN105043846A公开了一种挥发性有机物样气捕集系统及捕集方法，包括依次相连的进气装置、除水装置、捕集装置，所述除水装置包括冷凝头，该冷凝头包括：与除水装置冷阱相连的除水管座，缠绕于除水管座上的钝化金属除水管；该钝化金属除水管的进气端与进气装置相连，出气端与捕集装置相连；所述捕集装置包括捕集头，该捕集头包括与捕集装置冷阱相连的捕集管座，缠绕于捕集管座上的钝化金属捕集管；所述钝化金属捕集管的进气端与除水装置相连，出气端与气体分析仪装置相连；所述钝化金属捕集管的两端与加热电源相连。该现有技术中钝化金属除水管缠绕在除水管座上，除水管没有与冷阱直接接触，钝化金属捕集管缠绕在捕集管座上，捕集管没有与冷阱直接接触，冷量损失较大，冷凝效率较低，为弥补损失的冷量则需提供更大冷量的冷源，导致整体结构体积庞大、功耗大。且除水管与捕集管上不同位置处的制冷温度不同，气体在除水管或捕集管内的冷凝不均匀，捕集效率较低。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中富集管路系统的体积较大、冷量损失较大的缺陷，从而提供一种体积较小、可减少冷量损失的冷凝-加热管路系统及超低温冷凝富集系统。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种冷凝-加热管路系统，包括：

第一管，其一端形成进气端，另一端形成出气端；

第二管，套设在所述第一管的外侧，用于将冷量传递至所述第一管上，对所述第一管制冷，使通过所述第一管内的气体中冷凝点高于所述第一管内的温度的物质冷凝在所述第一管的内壁上；

冷源装置，与所述第二管连接，用于向所述第二管提供冷量；

加热装置，与所述第一管连接，用于加热所述第一管，使冷凝在所述第一管内壁上的物质气化。

所述加热装置为电加热装置，所述第一管为导体。

所述加热装置包括分别与所述第一管的两端电连接的两电源接触端子，以及分别与电源电连接的两个加热电源接触器，所述冷凝-加热管路系统加热时，所述加热电源接触器与对应的所述电源接触端子接通形成闭合回路，所述冷凝-加热管路系统冷凝时，所述加热电源接触器与对应的所述电源接触端子断开连接。

所述加热电源接触器包括

连接端，与电源连接，两个所述加热电源接触器的两个所述连接端其中一个连接电源的正极，另一个连接电源的负极；

电磁继电器，包括滑动杆及缠绕于所述滑动杆上的电磁线圈，所述电磁线圈通电时，产生使所述滑动杆向上运动的电磁力以使连接在所述滑动杆上端的所述连接端与所述电源接触端子连通；

偏压件，连接在所述滑动杆上，在所述滑动杆向上运动时，所述偏压件产生偏压力，在所述电磁线圈断电时，所述滑动杆在所述偏压力的作用下向下运动以使连接在所述滑动杆上端的所述连接端与所述电源接触端子分离。

所述第一管与所述第二管之间设有绝缘层。

所述第一管为钝化不锈钢毛细管或外套设不锈钢管的石英管。

所述第一管内设有吸附性涂层。

所述第二管为铜管。

所述第一管的两端分别连接有用于连接采样气路的密封接头。

本发明还提供一种超低温冷凝富集系统，包括除水管路系统、富集-解析管路系统，所述除水管路系统为所述的冷凝-加热管路系统，冷凝在所述第一管的内壁上的物质为水蒸气；

和/或

所述富集-解析管路系统为所述的冷凝-加热管路系统，冷凝在所述第一管内壁上的物质为目标物质。

还包括用于阻隔所述冷凝-加热管路系统与外界热交换的绝热系统。

所述绝热系统包括真空容器，所述管路系统安装于所述真空容器中。

所述绝热系统包括密闭容器以及填充在所述密闭容器内的绝热材料，所述管路系统安装于所述密闭容器中，所述密闭容器上设有充气口。

所述密闭容器内设有干燥剂。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的一种冷凝-加热管路系统，通过将第二管套设在第一管的外侧，所述第二管可以将冷量均匀传递到所述第一管上，对所述第一管制冷，使通过所述第一管内的气体中冷凝点高于所述第一管内的温度的物质冷凝在所述第一管的内壁上，由于冷源装置与所述第二管连接，冷源装置直接向第二管提供冷量，冷量损失较小，因此所需的冷源装置可采用微型超低温制冷机，从整体上减小了该冷凝-加热管路系统的体积，所述第二管可以将冷量均匀传递到所述第一管上，冷凝效率较高。

2.本发明提供的一种冷凝-加热管路系统，所述加热装置为电加热装置，所述第一管为导体，加热装置对所述第一管通电，通过焦耳效应产生热量，可使所述第一管快速升温。

3.本发明提供的一种冷凝-加热管路系统，所述加热装置包括分别与所述第一管的两端电连接的两电源接触端子，以及分别与电源电连接的两个加热电源接触器，所述冷凝-加热管路系统加热时，所述加热电源接触器与对应的所述电源接触端子接通形成闭合回路，所述冷凝-加热管路系统冷凝时，所述加热电源接触器与对应的所述电源接触端子断开连接，所述加热电源接触器的设计使在冷凝时所述加热电源接触器与对应的所述电源接触端子断开连接，避免冷量沿着与电源相连接的导线产生冷量损失。

4.本发明提供的一种冷凝-加热管路系统，所述加热电源接触器包括连接端，与电源连接，两个所述加热电源接触器的两个所述连接端其中一个连接电源的正极，另一个连接电源的负极；电磁继电器，包括滑动杆及缠绕于所述滑动杆上的电磁线圈，所述电磁线圈通电时，产生使所述滑动杆向上运动的电磁力以使连接在所述滑动杆上端的所述连接端与所述电源接触端子连通；偏压件，连接在所述滑动杆上，在所述滑动杆向上运动时，所述偏压件产生偏压力，在所述电磁线圈断电时，所述滑动杆在所述偏压力的作用下向下运动以使连接在所述滑动杆上端的所述连接端与所述电源接触端子分离，可以通过电磁线圈的电路的通断控制加热电路的通断，操作更加安全。

5.本发明提供的一种冷凝-加热管路系统，所述第一管与所述第二管之间设有绝缘层，绝缘层的设置可防止电源在对所述第一管进行通电加热的时候加热电流向其他部件传导，导致短路，另外绝缘层具有一定的隔热作用，减少第一管的热量向第二管传导，可使第一管温度能快速上升。

6.本发明提供的一种冷凝-加热管路系统，所述第一管为钝化不锈钢毛细管或外套设不锈钢管的石英管，可以很好的避免外界的杂质流入所述第一管内部而对最终的测量结果产生影响。

7.本发明提供的一种冷凝-加热管路系统，所述第一管内设有吸附性涂层，对气体的吸附作用更好。

8.本发明提供的一种冷凝-加热管路系统，所述第二管为铜管，导热性高，能快速均匀的将冷源装置的冷量传递给所述第一管，对所述第一管迅速制冷，保证整段管路的温度均衡，并且不需要整段管路均与冷源装置连接，在管路比较长的时候，这种设计缩小了整个设备的体积，减小了系统热容，减小了冷量损失。

9.本发明提供的一种冷凝-加热管路系统，所述第一管的两端分别连接有用于连接采样气路的密封接头，方便与外界采样气路的连接。

10.本发明提供的一种超低温冷凝富集系统，包括除水管路系统、富集-解析管路系统，所述除水管路系统为所述的冷凝-加热管路系统，冷凝在所述第一管的内壁上的物质为水蒸气；和/或所述富集-解析管路系统为所述的冷凝-加热管路系统，冷凝在所述第一管内壁上的物质为目标物质，所述冷凝-加热管路系统既可作为除水管用，又可作为富集解析管用，该超低温冷凝富集系统的体积较小，除水以及富集解析的效率高。

11.本发明提供的一种超低温冷凝富集系统，还包括用于阻隔所述冷凝-加热管路系统与外界热交换的绝热系统，可以对冷凝-加热管路系统进行绝热保护，阻隔其与外界的热交换，减少热损失。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的实施例1中提供的一种冷凝-加热管路系统的结构示意图；

图2为图1所示的一种冷凝-加热管路系统在加热时的结构示意图；

图3为图1所示的一种冷凝-加热管路系统的第一管、第二管、绝缘层所形成的管路的剖面图。

附图标记说明：

100-第一管； 101-第二管； 102-绝缘层；

103-电源接触端子； 104-密封接头； 105-电磁线圈；

106-滑动杆； 107-连接端； 108-偏压件；

109-电源。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

如图1-3所示为一种冷凝-加热管路系统的一种具体实施方式，包括为钝化不锈钢毛细管的第一管100，为铜管的第二管101，所述第一管100的一端形成进气端，另一端形成出气端，所述铜管套设在所述第一管100的外侧，用于将冷量传递至所述第一管100上，对所述第一管100制冷，使通过所述第一管100内的气体中冷凝点高于所述第一管100内的温度的物质冷凝在所述第一管100的内壁上；作为冷源装置的微型制冷机与所述第二管101连接，用于向所述第二管101提供冷量，由于第二管101为铜管，导热性高，能快速均匀的将冷源装置的冷量传递给所述第一管100，对所述第一管100迅速制冷，保证整段管路的温度均衡，并且不需要整段管路均与冷源装置连接，在管路比较长的时候，这种设计缩小了整个设备的体积，减小了系统热容，减小了冷量损失。所述第一管100的两端电连接有两个电源接触端子103，在需要对该冷凝-加热管路系统进行加热时，两个所述电源接触端子103与分别与电源109的正、负极电连接的两个加热电源接触器接通形成闭合回路，在需要对该冷凝-加热管路系统进行冷凝时，所述加热电源接触器与对应的所述电源接触端子103断开连接。在本实施方式中，如图1和图2所示，所述加热电源接触器包括连接端107，与电源109连接，两个所述加热电源接触器的两个所述连接端107的其中一个连接电源109的正极，另一个连接电源109的负极；电磁继电器，包括滑动杆106及缠绕于所述滑动杆106上的电磁线圈105，所述电磁线圈105通电时，产生使所述滑动杆106向上运动的电磁力以使连接在所述滑动杆106上端的所述连接端107与所述电源接触端子103连通；偏压件108，连接在所述滑动杆106上，在所述滑动杆106向上运动时，所述偏压件108产生偏压力，在所述电磁线圈105断电时，所述滑动杆106在所述偏压力的作用下向下运动以使连接在所述滑动杆106上端的所述连接端107与所述电源接触端子103分离，这样设计既保证了操作的安全性，由避免了在冷凝时冷量沿着与电源109相连接的导线产生冷量损失。

所述第一管100与第二管101之间设有对所述第一管100进行电隔离的绝缘层102，此处绝缘层102的材料采用耐高低温的材料，绝缘层102的设置可防止电源在对所述第一管100进行加热的同时对所述第二管101加热，阻隔了电源与所述第二管101，可使第一管100快速加热。为使该管路系统能更好的吸附气体，所述第一管100内还设有吸附性涂层。所述第一管100的两端还分别连接有用于连接采样气路的密封接头104。

在使用时，采样气体从所述第一管100的一端进入，微型制冷机向所述第二管101提供冷量，所述第二管101快速均匀的将冷量传递至所述第一管100上，采样气体中冷凝点高于所述第一管100内的温度的物质冷凝在所述第一管100的内壁上，其他物质从所述第一管100的另一端流出，然后给电磁线圈105通电，电磁线圈105通电后产生使所述滑动杆106向上运动的电磁力以使连接在所述滑动杆106上端的所述连接端107与所述电源接触端子103连通，电源对所述第一管100进行加热，由于所述第一管100采用钝化不锈钢毛细管，电源直接对不锈钢管进行加热，所述第一管100内快速升温，冷凝在所述第一管100内的物质快速气化，此时向所述第一管100内通入干燥纯净的惰性气体(如氮气)从而将气化的物质带出，在加热完毕需要继续对该管路系统冷凝时，所述电磁线圈105断电，所述滑动杆106在所述偏压件108的偏压力作用下向下运动而使连接在所述滑动杆106上端的所述连接端107与所述电源接触端子103分离，从而避免冷量沿着对所述第一钢管加热的导线产生冷量损失。

在可替换的实施方式中，所述第一管100采用外套设不锈钢管的石英管。

在可替换的实施方式中，所述第二管101采用其他导热性较好的材料，比如石墨、陶瓷、银、铝等。

在可替换的实施方式中，所述电源109采用交流电源，两个所述加热电源接触器的两个所述连接端107其中一个连接到火线，另一个连接到零线。

实施例2

本实施例提供一种超低温冷凝富集系统，包括除水管路系统、富集-解析管路系统，所述除水管路系统采用实施例1中所提供的冷凝-加热管路系统，冷凝在所述第一管100的内壁上的物质为水蒸气，所述富集-解析管路系统采用实施例1中所提供的冷凝-加热管路系统，冷凝在所述第一管100上的物质为目标物质(为需要进行富集解析的VOCs),所述除水管路系统、富集解析系统均安装在真空容器中，以阻隔所述冷凝-加热管路系统与外界热交换。

在使用时，采样气体通过所述除水管路系统，采样气体中的水蒸气在所述第一管100内冷凝，可完成采样气体的除水操作，对所述除水管路系统进行加热则可将冷凝的水珠汽化，完成干燥处理；采样气体通过所述富集解析管路系统，VOCs在所述第一管100内冷凝，完成富集操作，之后对所述富集解析管路系统进行加热，使目标物质汽化，此时向所述第一管100中送入干燥的氮气，将气态的VOCs带出，并输送至检测仪器中进行解析。

在可替换的实施方式中，所述真空容器可替换为密闭容器，在所述密闭容器内填充绝热材料，在密闭容器上设有密封的管路接口，同时设置一个充气口，用于向容器内灌注干燥氮气，使容器内保持一定的正压，防止空气进入而导致空气中的水蒸气在容器内凝结，可在容器内设置干燥剂，使容器内保持干燥。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (14)

1.一种冷凝-加热管路系统，其特征在于，包括：

第一管，其一端形成进气端，另一端形成出气端；

第二管，套设在所述第一管的外侧，用于将冷量传递至所述第一管上，对所述第一管制冷，使通过所述第一管内的气体中冷凝点高于所述第一管内的温度的物质冷凝在所述第一管的内壁上；

冷源装置，与所述第二管连接，用于向所述第二管提供冷量；

加热装置，与所述第一管连接，用于加热所述第一管，使冷凝在所述第一管内壁上的物质气化。

2.根据权利要求1所述的一种冷凝-加热管路系统，其特征在于，所述加热装置为电加热装置，所述第一管为导体。

3.根据权利要求2所述的一种冷凝-加热管路系统，其特征在于，所述加热装置包括分别与所述第一管的两端电连接的两电源接触端子，以及分别与电源电连接的两个加热电源接触器，所述冷凝-加热管路系统加热时，所述加热电源接触器与对应的所述电源接触端子接通形成闭合回路，所述冷凝-加热管路系统冷凝时，所述加热电源接触器与对应的所述电源接触端子断开连接。

4.根据权利要求3所述的一种冷凝-加热管路系统，其特征在于，所述加热电源接触器包括

连接端，与电源连接，两个所述加热电源接触器的两个所述连接端其中一个连接电源的正极，另一个连接电源的负极；

电磁继电器，包括滑动杆及缠绕于所述滑动杆上的电磁线圈，所述电磁线圈通电时，产生使所述滑动杆向上运动的电磁力以使连接在所述滑动杆上端的所述连接端与所述电源接触端子连通；

偏压件，连接在所述滑动杆上，在所述滑动杆向上运动时，所述偏压件产生偏压力，在所述电磁线圈断电时，所述滑动杆在所述偏压力的作用下向下运动以使连接在所述滑动杆上端的所述连接端与所述电源接触端子分离。

5.根据权利要求4所述的一种冷凝-加热管路系统，其特征在于，所述第一管与所述第二管之间设有绝缘层。

6.根据权利要求5所述的一种冷凝-加热管路系统，其特征在于，所述第一管为钝化不锈钢毛细管或外套设不锈钢管的石英管。

7.根据权利要求6所述的一种冷凝-加热管路系统，其特征在于，所述第一管内设有吸附性涂层。

8.根据权利要求5所述的一种冷凝-加热管路系统，其特征在于，所述第二管为铜管。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种冷凝-加热管路系统，其特征在于，所述第一管的两端分别连接有用于连接采样气路的密封接头。

10.一种超低温冷凝富集系统，包括除水管路系统、富集-解析管路系统，其特征在于，

所述除水管路系统为权利要求1-9中任一项所述的冷凝-加热管路系统，冷凝在所述第一管的内壁上的物质为水蒸气；

和/或

所述富集-解析管路系统为权利要求1-9中任一项所述的冷凝-加热管路系统，冷凝在所述第一管内壁上的物质为目标物质。

11.根据权利要求10所述的一种超低温冷凝富集系统，其特征在于，还包括用于阻隔所述冷凝-加热管路系统与外界热交换的绝热系统。

12.根据权利要求11所述的一种超低温冷凝富集系统，其特征在于，所述绝热系统包括真空容器，所述管路系统安装于所述真空容器中。

13.根据权利要求11所述的一种超低温冷凝富集系统，其特征在于，所述绝热系统包括密闭容器以及填充在所述密闭容器内的绝热材料，所述管路系统安装于所述密闭容器中，所述密闭容器上设有充气口。

14.根据权利要求13所述的一种超低温冷凝富集系统，其特征在于，所述密闭容器内设有干燥剂。