CN113359913B - 一种用于平衡膜加湿器管内外压力的方法及设备 - Google Patents
一种用于平衡膜加湿器管内外压力的方法及设备 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于平衡膜加湿器管内外压力的方法及设备,所述膜加湿器的管程和壳程分别通入被加湿气体和去离子水,所述被加湿气体在管程内被加热、加湿后排出,采用密闭罐体盛装去离子水,所述密闭罐体通过气‑水压力平衡管路与被加湿气体进气管路连通,当被加湿气体压力变化或波动时,该变化的压力通过气‑水压力平衡管路将压力变化传递至密闭罐体内,并使去离子水和水路管道中的压力均随之变化,实时保持膜加湿器管内外气路侧和水路侧压力相同。本发明有效解决了因Nafion隔膜或中空纤维管内外压差过大而损坏加湿器的问题,而且同时还避免了在膜加湿器损坏后,被加湿气体逃逸到周围环境中去的风险。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域,特别涉及一种用于平衡膜加湿器管内外压力的方法及设备。
背景技术
管壳式膜加湿器广泛应用于燃料电池气体加湿等行业,该加湿器主要通过壳内高渗水性的Nafion隔膜或中空纤维管,将管内或管外高湿侧的水分渗透到低湿侧,最后低湿侧的水分再通过蒸发加湿气体。
如图1所示,为管壳式膜加湿器的结构示意图,其主要包括被加湿气体进口11、被加湿气体出口12、高湿气体或去离子水进口13、高湿气体或去离子水出口14、密封材料15、Nafion隔膜或中空纤维管16以及加湿器壳体17。一般应用中,如图2和图3所示的两种现有技术方案,在管壳式膜加湿器的Nafion隔膜或中空纤维管外通入不断循环的去离子水,Nafion隔膜或中空纤维管内通入需要被加湿的气体,由于Nafion隔膜或中空纤维管具有高渗水性,即管外的去离子水很快渗入到管内壁,最后再通过蒸发将管内气体加湿。由于Nafion隔膜或中空纤维管都是一层薄膜,所以不允许管内外存在较大的压差,否则极易使管壁破裂。
如图2所示,为现有适用于常压或较低压力的气体加湿场所的技术方案,具体包括被加湿气体进气管路2、液位开关21、补水电磁阀22、自动补水管路23、加热棒24、开放式水箱25、去离子水10、去离子水进加湿器管路26、循环水泵9、被加湿气体出气管路3、膜加湿器1以及去离子水出加湿器管路27。
其中,开放式水箱中设置加热棒,可对去离子水进行加热,加热后的去离子水由循环水泵经去离子水进加湿器管路泵入膜加湿器内部,在膜加湿器内部去离子水从nafion隔膜或中空纤维管外流过,被加湿气体从管内流过,且水-气为反向流动,有利于被加湿气体被充分加热、加湿。
此外,开放式水箱中还设置有液位开关,当液位开关检测到开放式水箱中的去离子水液位低时,液位开关将连锁补水电磁阀开启并通过自动补水管路对开放式水箱进行自动补水。
而被加湿气体从被加湿气体进气管路进入膜加湿器,再经膜加湿器充分加热、加湿后,由被加湿气体出气管路排出。
该方案只能适用于常压或较低气压的气体加湿场合,而且当加湿器损坏时,被加湿气体有逃逸到周围环境中去的风险,若被加湿气体为可燃可爆或有毒有害的气体,则极易发生危险情况。
如图3所示,为现有使用压力传感器和控制器闭环控制调压阀来调节水路侧压力实时跟踪气体侧压力的技术方案,具体包括被加湿气体进气管路2、液位开关21、补水电磁阀22、自动补水管路23、加热棒24、开放式水箱25、去离子水10、去离子水进加湿器管路26、循环水泵9、被加湿气体出气管路3、膜加湿器1、去离子水出加湿器管路27、水侧压力传感器28、气侧压力传感器29、控制器30以及压力调节阀31。
该方案与图2中技术方案的主要区别在于,当被加湿气体具有压力时,气侧压力传感器可检测被加湿器气体压力变化情况并反馈给控制器,最后再由控制器、水侧压力传感器和压力调节阀闭环控制水路侧压力,以实时保持水路侧压力与气路侧压力相同,即起到平衡或减小Nafion隔膜或中空纤维管内外压差的作用。
该方案可适用于气体存在压力的加湿场合,但该方案存在水路侧压力变化滞后于气路侧压力变化,难以实现气路侧压力快速波动的情况,且该应用方案实现起来较为复杂、成本高昂,同时也存在加湿器损坏后,被加湿气体逃逸到周围环境中去的风险,若被加湿气体为可燃可爆或有毒有害的气体,则极易发生危险情况。
发明内容
本发明的目的在于:针对上述存在的问题,提供一种用于平衡膜加湿器管内外压力的方法及设备,其能够消除由于被加湿气体压力变化而带来的管内外压差变化而损坏加湿器的问题,并且可避免在加湿器损坏后被加湿气体随水流逃逸到周围环境中去的风险。
本发明采用的技术方案是:一种用于平衡膜加湿器管内外压力的方法,所述膜加湿器的管程和壳程分别通入被加湿气体和去离子水,所述被加湿气体在管程内被加热、加湿后排出,其特征在于:采用密闭罐体盛装去离子水,所述密闭罐体通过气-水压力平衡管路与被加湿气体进气管路连通,当被加湿气体压力变化或波动时,该变化的压力通过气-水压力平衡管路将压力变化传递至密闭罐体内,并使去离子水和水路管道中的压力均随之变化,实时保持膜加湿器管内外气路侧和水路侧压力相同。
本发明所述的用于平衡膜加湿器管内外压力的方法,其通入被加湿气体进气管路内的被加湿气体一部分进入膜加湿器的管程内,另一部分通过气-水压力平衡管路进入密闭罐体内去离子水液面上方的密闭腔室。
本发明所述的用于平衡膜加湿器管内外压力的方法,其密闭罐体内的去离子水通过管道进入膜加湿器的壳程,在对膜加湿器管程内的被加湿气体进行加热、加湿后,经管道回流至密闭罐体内,形成密闭的循环回路。
本发明所述的用于平衡膜加湿器管内外压力的方法,其在膜加湿器内管程泄漏而混入到水路侧的被加湿气体同循环水回流至密闭罐体内,并通过气-水压力平衡管路回流至被加湿气体管路中。
一种用于平衡膜加湿器管内外压力的设备,包括膜加湿器,所述膜加湿器的管程与被加湿气体进气管路和被加湿气体出气管路连通,所述膜加湿器的壳程与加湿循环水进水管路和加湿循环水出水管路连通,其特征在于:所述膜加湿器的壳程通过进、出水管路与密闭罐体相连,所述密闭罐体通过气-水压力平衡管路与被加湿气体进气管路相连,使膜加湿器的管内外气路侧和水路侧压力相同。
本发明所述的用于平衡膜加湿器管内外压力的设备,其所述气-水压力平衡管路与密闭罐体内去离子水液面上方的密闭腔室连通。
本发明所述的用于平衡膜加湿器管内外压力的设备,其在所述加湿循环水进水管路上设置有循环水泵,所述膜加湿器的水路通过进、出水管路与密闭罐体相连形成密闭的循环回路。
与现有技术相比,本发明通过将储存去离子水的开放式水箱设计为密闭罐体,并将被加湿气体进气管路和密闭罐体用气-水压力平衡管路连通,即将被加湿气体压力引入到密闭罐体内,该压力又通过去离子水传导至整个水路,从而保证了膜加湿器内Nafion隔膜或中空纤维管内外的压力平衡。该方法解决了因Nafion隔膜或中空纤维管内外压差过大而损坏加湿器的问题,而且同时还避免了在膜加湿器损坏后,被加湿气体逃逸到周围环境中去的风险。
附图说明
本发明将通过具体实施例并参照附图的方式说明,其中
图1是管壳式膜加湿器的结构示意图。
图2是现有用于气体加湿的一种结构示意图。
图3是现有用于气体加湿的另一种结构示意图。
图4是本发明的结构示意图。
图中标记:1为膜加湿器,2为被加湿气体进气管路,3为被加湿气体出气管路,4为加湿循环水进水管路,5为加湿循环水出水管路,6为密闭罐体,7为气-水压力平衡管路,8为密闭腔室,9为循环水泵,10为去离子水,11为被加湿气体进口,12为被加湿气体出口,13为高湿气体或去离子水进口,14为高湿气体或去离子水出口,15为密封材料,16为Nafion隔膜或中空纤维管,17为加湿器壳体,21为液位开关,22为补水电磁阀,23为自动补水管路,24为加热棒,25为开放式水箱,26为去离子水进加湿器管路,27为去离子水出加湿器管路,28为水侧压力传感器,29为气侧压力传感器,30为控制器,31为压力调节阀。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作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。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图4所示,一种用于平衡膜加湿器管内外压力的方法,所述膜加湿器的管程和壳程分别通入被加湿气体和去离子水,所述被加湿气体在管程内被加热、加湿后排出,采用密闭罐体盛装去离子水,所述密闭罐体通过气-水压力平衡管路与被加湿气体进气管路连通,即通入被加湿气体进气管路内的被加湿气体一部分进入膜加湿器的管程内,另一部分通过气-水压力平衡管路进入密闭罐体内去离子水液面上方的密闭腔室,当被加湿气体压力变化或波动时,该变化的压力通过气-水压力平衡管路将压力变化传递至密闭罐体内,并使去离子水和水路管道中的压力均随之变化,实时保持膜加湿器管内外气路侧和水路侧压力相同。本发明以极简的实现方式、低廉的成本消除了管壳式膜加湿器内Nafion隔膜或中空纤维管内外的压力差,从而有效的解决了因压力差而损坏加湿器的问题。
在本实施例中,密闭罐体内的去离子水通过管道进入膜加湿器的壳程,在对膜加湿器管程内的被加湿气体进行加热、加湿后,经管道回流至密闭罐体内,形成密闭的循环回路,在膜加湿器内管程泄漏而混入到水路侧的被加湿气体同循环水回流至密闭罐体内,并通过气-水压力平衡管路回流至被加湿气体管路中。本发明有效地避免了因为Nafion隔膜或中空纤维管损坏而导致被加湿气体逃逸到周围环境中去的风险。
如图1所示,一种用于平衡膜加湿器管内外压力的设备,包括膜加湿器1,所述膜加湿器1的管程与被加湿气体进气管路2和被加湿气体出气管路3连通,所述膜加湿器1的壳程与加湿循环水进水管路4和加湿循环水出水管路5连通,所述膜加湿器1的壳程通过进、出水管路与密闭罐体6相连,所述密闭罐体6通过气-水压力平衡管路7与被加湿气体进气管路2相连,具体地,所述气-水压力平衡管路7与密闭罐体6内去离子水10液面上方的密闭腔室8连通,使膜加湿器1的管内外气路侧和水路侧压力相同。
在本实施例中,在所述加湿循环水进水管路4上设置有循环水泵9,所述膜加湿器1的水路通过进、出水管路与密闭罐体6相连形成密闭的循环回路,当膜加湿器内的Nafion隔膜或中空纤维管破裂损坏时,被加湿气体混入到水侧并同循环水回流至密闭罐体内,但逃逸的被加湿气体又可通过气-水压力平衡管路回流到被加湿气体管路中去,即避免了被加湿气体逃逸至周围环境中去的风险。
本发明的工作原理是:密闭罐体中设置有加热棒,可对去离子水进行加热,加热后的去离子水由循环水泵经加湿循环水进水管路泵入膜加湿器内部,在膜加湿器内部去离子水从Nafion隔膜或中空纤维管束外流过,被加湿气体从管内流过,且水-气为反向流动,有利于被加湿气体被充分加热、加湿;密闭罐体中还设置有液位开关,当液位开关检测到密闭罐体中的去离子水液位低时,液位开关将连锁补水电磁阀开启并通过自动补水管路对密闭罐体进行自动补水。
被加湿气体从被加湿气体进气管路进入膜加湿器,在经膜加湿器充分加热、加湿后,经被加湿气体出气管路排出。当被加湿气体压力变化或波动时,该变化的压力将通过气-水压力平衡管路将压力变化传递至密闭罐体内,并使去离子水和水路管道中的压力均随之变化,即实时保持了Nafion隔膜或中空纤维管内外气路侧和水路侧压力相同。当膜加湿器内的Nafion隔膜或中空纤维管破裂损坏时,被加湿气体混入到水侧并同循环水回流至密闭罐体内,但逃逸的被加湿气体又可通过气-水压力平衡管路回流到被加湿气体管路中去,即避免了被加湿气体逃逸至周围环境中去的风险。
本发明并不局限于前述的具体实施方式,本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合,以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (6)
1.一种用于平衡膜加湿器管内外压力的方法,所述膜加湿器的管程和壳程分别通入被加湿气体和去离子水,所述被加湿气体在管程内被加热、加湿后排出,其特征在于:采用密闭罐体盛装去离子水,所述膜加湿器的水路通过进、出水管路与密闭罐体相连形成密闭的循环回路,所述密闭罐体内去离子水液面上方的密闭腔室通过气-水压力平衡管路与被加湿气体进气管路连通,当被加湿气体压力变化或波动时,该变化的压力通过气-水压力平衡管路将压力变化传递至密闭罐体内,在膜加湿器内管程泄漏而混入到水路侧的被加湿气体同循环水回流至密闭罐体内,并通过气-水压力平衡管路回流至被加湿气体管路中,使去离子水和水路管道中的压力均随之变化,实时保持膜加湿器管内外气路侧和水路侧压力相同。
2.根据权利要求1所述的用于平衡膜加湿器管内外压力的方法,其特征在于:通入被加湿气体进气管路内的被加湿气体一部分进入膜加湿器的管程内,另一部分通过气-水压力平衡管路进入密闭罐体内去离子水液面上方的密闭腔室。
3.根据权利要求2所述的用于平衡膜加湿器管内外压力的方法,其特征在于:密闭罐体内的去离子水通过管道进入膜加湿器的壳程,在对膜加湿器管程内的被加湿气体进行加热、加湿后,经管道回流至密闭罐体内,形成密闭的循环回路。
4.一种用于平衡膜加湿器管内外压力的设备,包括膜加湿器(1),所述膜加湿器(1)的管程与被加湿气体进气管路(2)和被加湿气体出气管路(3)连通,所述膜加湿器(1)的壳程与加湿循环水进水管路(4)和加湿循环水出水管路(5)连通,其特征在于:所述膜加湿器(1)的壳程通过进、出水管路与密闭罐体(6)相连形成密闭的循环回路,所述密闭罐体(6)内去离子水液面上方的密闭腔室(8)通过气-水压力平衡管路(7)与被加湿气体进气管路(2)相连,当被加湿气体压力变化或波动时,被加湿气体进气管路(2)内的被加湿气体通过气-水压力平衡管路(7)将压力变化传递至密闭罐体(6)内,在膜加湿器内管程泄漏而混入到水路侧的被加湿气体同循环水回流至密闭罐体内,并通过气-水压力平衡管路回流至被加湿气体管路中,实时保持膜加湿器(1)的管内外气路侧和水路侧压力相同。
5.根据权利要求4所述的用于平衡膜加湿器管内外压力的设备,其特征在于:所述气-水压力平衡管路(7)与密闭罐体(6)内去离子水(10)液面上方的密闭腔室(8)连通。
6.根据权利要求4所述的用于平衡膜加湿器管内外压力的设备,其特征在于:在所述加湿循环水进水管路(4)上设置有循环水泵(9),所述膜加湿器(1)的水路通过进、出水管路与密闭罐体(6)相连形成密闭的循环回路。
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Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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