CN111203158A - 一种粒度、浓度、流量可调的非均质凝结气源系统 - Google Patents

一种粒度、浓度、流量可调的非均质凝结气源系统 Download PDF

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丁红兵
赵亚菲
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Abstract

本发明涉及一种粒度、浓度、流量可调的非均质凝结气源系统，包括气体管路、气溶胶管路、比例控制器、浓度检测仪、用以输出凝结气源的混合管路和控制部分。气溶胶管路包括混合容器和恒温器，单分散气溶胶经过流量调节阀门进入混合容器，后与第二输入气体在混合容器内混合，随后经过恒温器调整温度，再经过气溶胶调节阀门进入混合管路；通过设定气体加热器和恒温器合适的加热温度值，确保气体管路和气溶胶管路混合时温度达到一致；流量阀门用于控制单分散气溶胶进入混合容器的流量，在混合管路上设置有浓度测量仪，比例控制器用于根据设定值进行两路混合时的调整，控制混合管路里的单分散气溶胶的比例。

Description

一种粒度、浓度、流量可调的非均质凝结气源系统
技术领域
本发明涉及的一种粒度、浓度、流量可调的非均质凝结气源系统，属于凝结分离技术领域。
背景技术
蒸汽凝结可分为均质成核和非均质成核两种方式。在达到临界过饱和状态后，当蒸汽中含有足够的杂质或者液滴，蒸汽分子会持续地在凝结核心上凝结，最终成长为具有一定尺寸的液滴，此为非均质成核；当蒸汽中没有液滴或杂质时，依靠蒸汽分子自身团聚形成凝结核，这种方式为均质成核。大多数情况下，非均质成核需要的蒸汽过饱和度较均质成核低。在工业、农业与医学等方面，蒸汽的非均质成核都得到了相当广泛的应用。例如，陈红梅等人(陈红梅,李亮,丰镇平,等.透平级中自发凝结及叶栅中非均质凝结流动的初步研究[J].工程热物理学报,2005(S1):65-68)在实际透平应用中，发现利用蒸汽的非均质成核方式，可以降低透平中的非平衡热力学损失；在除尘领域内，参考HEIDENREICH(HEIDENREICHS,VOGT U,
Figure BDA0002361651940000011
H,et al.A novel process to separate submicron particles fromgases—acascade of packed columns[J].Chemical Engineering Science,2000,55(15):2895-2905)、张霞(张霞,杨林军,孙露娟,等.应用蒸汽相变机理脱除燃烧源PM_(2.5)试验研究[J].东南大学学报(自然科学版),2008(01):81-85)、FISENKO(FISENKO S P,WANGW,SHIMADA M,et al.Vapor condensation on nanoparticles in the mixer of aparticle size magnifier[J].International Journal of Heat&Mass Transfer,50(11-12):2333-2338)等人的研究文献，蒸汽在接近饱和状态或过饱和状态时的非均质成核，可以通过增大固体颗粒的粒径大小，提高分离设备的固体颗粒脱除率等。在马庆芬博士的论文(马庆芬.旋转超音速凝结流动及应用技术研究[D].大连理工大学,2009)中，作者对装置内部含湿气体凝结流动行为进行了更深入的探索，研究表明，为在最大程度上增大液滴尺寸，减小过冷损失，蒸汽开始在凝结核心上凝结时的过饱和度应该尽量小，使得蒸汽凝结尽早发生。用非均质成核的方式凝结蒸汽，可推广到相关的分离器技术，是工业过程的有效辅助手段。一个工作稳定且凝结核可调节的气源系统，是优化及推广非均质凝结应用的前提和关键。
目前，参考秦威等人的文章(秦威,魏强,胡佰龙,等.大流量可调节的压缩空气气源系统)可知，已有航天领域内的大流量可调节的压缩空气气源系统，但对于非均质凝结技术领域，根据刘志军等人的文章(刘志军,王智超.凝聚式单分散气溶胶发生技术的探讨[J].中国粉体技术,2007,13(2):30-33)，国内对该方面气源系统的研究较少,也没有性能稳定的产品，不能满足非均质凝结过程中，凝结核粒径大小、浓度、流量可调节的要求；其二，参照丁红兵博士等人的专利(丁红兵,王超,王孝通.一种温度压力可调的气源系统:CN106227281A[P].2016-12-14)，大部分气源系统的压缩空气压力波动较大，且常会携带一定的杂质，系统存在稳定性较差的问题；其三，在管路的连接混合处，容易产生温差，会产生过早的凝结现象；基于以上这些问题，为了扩大非均质凝结的应用前景，本发明根据已有的试验方法研究了气源系统微粒大小、浓度和流量的影响因素，采用湿空气的气体管路和气溶胶发生管路相互配合的方法，设计出了一种应用于非均质凝结的气源系统，该系统工作稳定，且满足了参数可以调节的需求。
发明内容
本发明针对上述背景技术存在的问题，基于非均质凝结理论，与实验管路相配合，对气溶胶凝结核心参数的调节进行改进，本发明提供一种粒度、浓度、流量可调的非均质凝结气源系统，解决已有气源装置实用性差、不可调节、稳定性差的缺点。本发明配合实验管路，为进一步提高分离器的分离效率提供了一种具有针对性的气源系统，在提高装置分离性能的实际生产应用中有重要意义。
本发明系统内部具有检测和调节部件，可以控制气溶胶粒径、浓度、流量在一定范围内。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种粒度、浓度、流量可调的非均质凝结气源系统，包括气体管路、气溶胶管路、比例控制器、浓度检测仪、用以输出凝结气源的混合管路和控制部分，其中，
在气体管路上依次设置有气体加热器、温度计、加湿器和温湿度计，用于对第一输入气体进行温度和湿度的调整，调整后的第一输入气体通过气体调节阀门V4进入混合管路；
气溶胶管路包括混合容器和恒温器，单分散气溶胶经过流量调节阀门V3进入混合容器，后与第二输入气体在混合容器内混合，随后经过恒温器调整温度，再经过气溶胶调节阀门V5进入混合管路；通过设定气体加热器和恒温器合适的加热温度值，确保气体管路和气溶胶管路混合时温度达到一致；流量调节阀门V3用于控制单分散气溶胶进入混合容器的流量，在混合管路上设置有浓度测量仪，用以检测从混合管路输出的凝结气源的气溶胶粒子浓度，比例控制器用于根据设定值进行两路混合时的调整，控制混合管路里的单分散气溶胶的比例，控制部分根据浓度测量仪的测量信号对比例控制器进行调节。
优选地，还包括空气压缩机和除湿除尘装置，空气源由空气压缩机提供，经过除湿除尘后分为两路，分别进入气体管路和气溶胶管路。多分散气溶胶经过喷雾器后依次进入蒸发器和冷凝管，形成所述的单分散气溶胶，在蒸发器内设置有温度计，通过控制加热蒸发时的饱和温度，调整单分散气溶胶粒径的大小。控制部分包括PLC控制器，在气体管路和气溶胶管路上分别设置有压力计和阀门，PLC控制器根据压力计对相应管路上的阀门进行调节。
综上所述，本发明一种非均质凝结领域的一种粒度、浓度、流量可调的非均质凝结气源系统，优点如下：
1、本发明系统内部具有检测和调节部件，可以控制气溶胶粒径、浓度、流量在一定范围内，提高了系统的可调性和准确性；
2、实验气体管路温湿度可控，气溶胶管路无化学反应和掺杂物质，各部分分工明确，系统结构清晰；
3、系统严格控制操作条件，可以产生不同条件下的非均质凝结气源，同时两管路等温混合，可以避免气溶胶形成物质的过早凝结。
附图说明
图1为本发明的管路流程图；
图2为本发明的单分散气溶胶发生原理图；
图3为本发明的控制部分示意图；
具体实施方式
为进一步说明本发明的特征、工艺流程及具体优势、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作详细的描述。
参见图1，多参数可调的非均质凝结气源系统，由统一的压缩机1提供空气，简化了系统管路，经过除湿除尘器2后进入储气罐3，随后分为两个管路，分别为气体管路和气溶胶管路。在两管路入口处设置：调节阀门和检测部件压力计；具体过程为：压力计检测当前管路压力值，然后将压力信号传给PLC，也就是控制部分，PLC根据设定值和实际测量值的偏差，输出一个控制信号给阀门，调整阀门的开度，进而改变管路实际的压力值，使压力始终接近并稳定在设定值附近，调节阀门和检测部件的配合使用，可以保证系统的基本稳定。
气体管路Ⅰ对气体的温度和湿度进行更高精度的调整，使得温湿度达到标准。管路1打开阀门V1，其后设有压力计12测量气体压力大小，随后用气体加热器13对实验气体的温度调整，将气体温度调至实验标准，并设置温度计14检测温度值；下一步进入加湿器15对气体进行湿度调节，并在其后设置检测仪表温湿度计16，对温度和湿度值进行检测，湿度达到设定值的同时，保证气体在湿度调整后的温度也符合标准。管路1对实验气体的温湿度可以做成灵活的调整，温度湿度两个参数都符合设定的标准后，实验气体通过气体调节阀门V5进入下一阶段。
气溶胶管路II主要由含有标准单分散粒子的气溶胶24、混合容器23和恒温器26组成。单分散气溶胶发生原理如图2所示，根据JURSKI在文章(JURSKI K,
Figure BDA0002361651940000041
E.Heterogeneous condensation process in an air water vapour expansion througha nozzle––experimental aspect[J].International Journal of Multiphase Flow,29(7):1137-1152)中所述，气溶胶粒子可以自凝结的方式产生：直接加热蒸发多分散气溶胶，然后骤然降温冷凝形成单分散气溶胶粒子，过程无化学反应发生，生产过程稳定且不产生附加污染；在其他参数不变的情况下，所形成的单分散气溶胶粒子粒径大小随蒸发温度改变，参考气溶胶发生器的研究文献(林秉乐.超小DOS单分散气溶胶粒子发生器[J].洁净与空调技术,1996(03):22-25)可知，控制加热蒸发时的饱和温度，可以调整气溶胶粒径的大小；故调节蒸发温度，粒子冷凝后，产生粒度集中、大小均匀的标准微粒，并以一定浓度输出。
控制部分为可编程逻辑控制器(PLC)；执行器为阀门V1、阀门V2；检测仪表为压力计12、压力计22。具体过程如下：PLC控制器接受来自上位机软件上人为输入的设定值，同时，检测仪表的信号转换成标准电压信号后也送入PLC控制器，控制器根据偏差，通过一定的控制算法计算得到控制量，操控调整阀门的开度。控制器相关连接如图3所示。
由于最终的非均质凝结核浓度取决于进入气溶胶管路的粒子数量，因此用气溶胶输入调节阀门V3控制气溶胶进入管道的流量，阀门V3作为粗调手段，可以控制单分散气溶胶的总输入量，使得系统符合整体的工作环境标准；与后面的比例控制器协同工作，保证系统的稳定性和调节的准确性；并用浓度测量仪5装置检测气溶胶粒子浓度，在系统出口得到符合实验实际需要的凝结核浓度。
为防止混合时存在温差而过早出现凝结的现象，在汇合之前，需要确保气溶胶管路的混合物温度与湿空气管路的气体温度相同，故两管路在混合前都设置了温度检测部件：气溶胶管路的温度计27，气体管路的温湿度计16，通过设定气体加热器13和恒温器26合适的加热温度值，确保两管路气体温度一致。随后在气源系统出口处的比例控制器的控制下，按照实验所需比例，通过气溶胶调节阀门V4、气体调节阀门V5后两通道进行混合，使进入非均质凝结实验管段的凝结核粒子浓度达到实验所需的要求，供给非均质凝结接下来的管路。
系统出口处的比例控制器，可以按照实验所需条件设置参数，控制气溶胶调节阀门V4、气体调节阀门V5，设置检测装置：浓度测量仪5，将浓度的实时信息转换成电信号传送给比例控制器，调节气源系统的浓度和流量，使压缩气体和气溶胶微粒两管路进入非均质凝结阶段的比例符合标准，得到粒度、浓度、流量都符合实验要求的气源。
本非均质凝结气源的调节过程及整体特点如下：系统气源由压缩机统一提供，简化了实验气体管路；设置了检测部件，使气体温度和湿度可调，严格控制通过系统的气体温湿度；为产生符合标准的非均质凝结气源，在阀门和PLC控制器的作用下，两管路可以调节粒子的粒度、浓度、流量等参数；恒温器温度与气体管路1的出口温度保持相等，两管路进行等温混合，避免了气溶胶形成物质的过早凝结。

Claims (4)

1.一种粒度、浓度、流量可调的非均质凝结气源系统，包括气体管路、气溶胶管路、比例控制器、浓度检测仪、用以输出凝结气源的混合管路和控制部分。其中，
在气体管路上依次设置有气体加热器、温度计、加湿器和温湿度计，用于对第一输入气体进行温度和湿度的调整，调整后的第一输入气体通过气体调节阀门(V4)进入混合管路；
气溶胶管路包括混合容器和恒温器，单分散气溶胶经过流量调节阀门(V3)进入混合容器，后与第二输入气体在混合容器内混合，随后经过恒温器调整温度，再经过气溶胶调节阀门(V5)进入混合管路；通过设定气体加热器和恒温器合适的加热温度值，确保气体管路和气溶胶管路混合时温度达到一致；流量阀门(V3)用于控制单分散气溶胶进入混合容器的流量，在混合管路上设置有浓度测量仪，用以检测从混合管路输出的凝结气源的气溶胶粒子浓度，比例控制器用于根据设定值进行两路混合时的调整，控制混合管路里的单分散气溶胶的比例，控制部分根据浓度测量仪的测量信号对比例控制器进行调节。
2.根据权利要求1所述的气源系统，其特征在于，还包括空气压缩机和除湿除尘装置，空气源由空气压缩机提供，经过除湿除尘后分为两路，分别进入气体管路和气溶胶管路。
3.根据权利要求1所述的气源系统，其特征在于，多分散气溶胶经过喷雾器后依次进入蒸发器和冷凝管，形成所述的单分散气溶胶，在蒸发器内设置有温度计，通过控制加热蒸发时的饱和温度，调整单分散气溶胶粒径的大小。
4.根据权利要求1所述的气源系统，其特征在于，控制部分包括PLC控制器，在气体管路和气溶胶管路上分别设置有压力计和阀门，PLC控制器根据压力计对相应管路上的阀门进行调节。
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