CN113970464A - 一种可凝性气体快速低温捕集装置及捕集方法 - Google Patents

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Abstract

一种可凝性气体快速低温捕集装置及捕集方法,包括制冷部件,其特征在于,还包括密封系统、真空控制部件和加热部件;其中,密封系统包括一带法兰的密封壳(2),一密封盖(4),若干密封螺钉(5),密封盖(4)盖在带法兰的密封壳(2)的开口处,使密封盖(4)与带法兰的密封壳(2)形成一个密封空间;密封盖(4)上有若干密封螺钉(5);带法兰的密封壳(2)的底面设有与制冷设备(1)连接的密封孔(28);本发明不仅实现低温制冷的要求,达到‑150℃以下,而且体积很小,因此,本发明易于搬运和移动,有利于在户外多地点进行捕集气体。

Description

一种可凝性气体快速低温捕集装置及捕集方法
技术领域
本发明是一种可凝性气体快速低温捕集装置及捕集方法,属于环境监测技术领域,特别是关于一种可凝性气体低温捕集的装置及方法。
背景技术
在环境监测技术中,对气态污染物的低温捕集方法主要有4种:半导体制冷、液氮制冷、大功率压缩机制冷机、小功率热声制冷机。
半导体制冷的制冷使用特种半导体材料,通电后直接制冷,不用制冷剂,具有可连续工作,无回转效应,工作时没有震动、噪音,寿命长,安装容易的优点。但半导体制冷缺点是制冷所能达到的温度较高,最低一般只能达到-70度,不能实现冷冻的物理方法对气体的完全捕集。因此半导体制冷的应用范围受到了限制。
液氮作为一种常用的冷却剂,其原理就是液氮在气化过程中会吸收大量的热量,从而使周围环境的温度迅速降低。其最大的优势就是最低温度可达-196度,气体可在这个温度下基本实现完全捕集。但由于这种方法是将液氮直接喷入冷阱外部的蒸发器中,因此液氮的消耗量较大,制冷的成本较高,且操作过程中需要频繁补充液氮,为使用和维护带来较大不便。
大功率压缩机制冷机一般为使用制冷剂的复叠式制冷。大功率压缩机制冷机可连续工作,使用寿命长,只需用电即可工作,最低温度可达-150度以下,满足环境监测中对气态污染物低温捕集的需要。但是大功率压缩机制冷机在使用过程中耗电量大,产生的热量多,对环境温度要求高;另外大功率压缩机制冷机一般体积较大、重量较重,虽可完成捕集工作,但在运输和搬运过程中非常困难,在极端情况下还需吊车进行搬运。
小功率热声制冷机与大功率压缩机制冷机相比,体积小、重量轻,在外场观测中易于搬运,耗电量小,对放置的环境温度要求没有那么严苛。但小功率热声制冷机的问题在于功率小,制冷量有限,实际带动的负荷小,一台制冷机最多只能带一通道低温捕集,如需多通道低温捕集就需要多台制冷机,成本比较高。另外小功率热声制冷机在制冷过程中,由于其功率较小,制冷机冷头温度可以达-150度以下,但实际低温捕集部件达不到-150度,容易造成捕集不完全的情况出现。
针对上述问题,本发明目的是设计一套多通道的快速低温捕集装置,既做到了使用小功率热声制冷机的优点,体积小、重量轻、耗电量低,又能实现低温捕集,使实际捕集部件温度达到-150度以下,同时还能一机带动多通道阵列式的捕集部件,真正实现低成本、低功耗、便携的对气态污染物完全捕集装置。
小功率制冷机在低压状态下可以达到设定的温度,但在实际使用过程中由于小功率制冷机制冷量小,在捕集部件加热过程中,会损耗过多的冷量来抵御加热产生的热量;在捕集部件降温的过程中,小功率制冷机制冷量小又会使捕集部件降温速度慢,降温时间长,不足以满足现场周期运转的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种可凝性气体快速低温捕集装置及捕集方法,克服现有方法捕集可凝性气体周期长、效率低的问题。
一种可凝性气体快速低温捕集装置,包括制冷部件,其特征在于,还包括密封系统、真空控制部件和加热部件;
其中,密封系统包括一带法兰的密封壳2,一密封盖4,若干密封螺钉5,密封盖4盖在带法兰的密封壳2的开口处,使密封盖4与带法兰的密封壳2形成一个密封空间;密封盖4上有若干密封螺钉5;带法兰的密封壳2的底面设有与制冷设备1连接的密封孔28;
制冷部件包括小功率制冷设备1、冷块3和捕集部件16,冷块3和捕集部件16在密封壳2内,小功率制冷设备1的冷端19穿过密封壳2底部的密封孔28与在密封壳2内的冷块3连接;在小功率制冷设备1的冷端19上设有冷端温度传感器6;
捕集部件16包含1个捕集管20或包含多个捕集管20;捕集管20贴敷在冷块3壁上,捕集管20的端头通过密封螺钉5中间的密封孔伸到密封盖4的外部;
真空控制部件包括真空计9、开关阀10、真空泵11和充气气路12,真空泵11管路的一端穿过密封壳2壁伸在密封壳2内,真空泵11管路的另一端在密封壳2外,真空泵11用于对密封系统进行抽真空,真空泵11上设有开关阀10;真空计9测量端穿过密封壳2伸在密封壳2内,真空计9的显示表盘在密封壳2外;
加热部件包括加热装置、若干加热接头13、控制芯片23、电源24和电线25,其中若干加热接头13分别连接在加热装置的两端的外壁上,控制芯片23通过电线25与加热装置的两端的加热接头13连接,控制芯片23又与电源24连接,电源24通过控制芯片23与电线25、加热接头13和加热装置形成回路;加热装置是套在捕集管20外壁的U型加热管22或者是捕集管20的外壁;捕集管20和其套有的U型加热管22成为一个整体后,再贴敷在冷块3上;在每个U型加热管22外壁上设有实时温度传感器8,或在外壁是加热装置的捕集管20的外壁上设有实时温度传感器8。
在捕集管20外部的U型加热管22外,还套有PFA或者聚四氟乙烯材料的塑料管(201),或在捕集管20外壁是加热装置的捕集管20外,还套有PFA或者聚四氟乙烯材料的塑料管。
带法兰的密封壳2和密封盖4是由热导率小的材料制成的。
一种可凝性气体快速低温捕集方法,其特征在于,包括下列步骤:
步骤一、如权利要求1所述的一种可凝性气体快速低温捕集装置,其中,将捕集部件16放置在密封系统,并对捕集部件16设置加热装置22;
步骤二、当要捕集可凝性气体时,开启小功率制冷设备1,小功率制冷设备1通过冷块3对捕集部件16进行制冷;同时真空控制部件对密封系统抽真空;
步骤三、捕集部件16被冷块3持续冷却,并使密封系统达到设定的真空度;捕集部件16里的需捕集的可凝性气体逐步成为固态物质;
步骤四、当捕集部件16捕集到设定的量的可凝性气体后,通过加热装置22对捕集部件16加热,使捕集的固态物质成为可凝性气体被回收,在捕集部件16加热的过程中,加大系统的真空度,减少捕集部件16的热量和冷块3的冷量的交换;
步骤五、可凝性气体回收完成后,加热装置22停止加热,通过充气气路12对密封系统加入少量气体,减小密封系统的真空度,使加热装置22与冷块3之间有少量气体,加热装置22因气体的传导,迅速被冷块3冷却下来;
步骤六、当需要继续捕集可凝性气体时,转入步骤三,如不再需要捕集可凝性气体,转入下一步;
步骤七、关闭小功率制冷设备1,本次捕集工作完成。
其中,步骤三所述的密封系统设定的真空度数值为大于0.5Pa,小于10Pa期间的某一值,步骤四中加大系统的真空度,此时系统真空度数值小于1Pa,步骤五中减小密封系统的真空度,此时密封系统的真空度数值为大于1Pa,小于30Pa期间的某一真空度。其中,步骤四中的真空度数值小于步骤三的真空度数值;步骤五的真空度数值大于步骤三的真空度数值。
本发明具有以下优点:
1、本发明采用真空状态下进行制冷捕集,减少自然对流给热;本发明的真空控制部件可以通过调节系统的真空度,实现对捕集部件温度的升降速度的控制。在捕集部件升温时降低真空度数值,快速升温的同时减少捕集部件的热量在系统中的损失;在捕集部件降温时加大真空度数值,加快冷块和捕集部件的冷量传递,实现快速降温;
2、本发明采用热导率小的材料做密封附件,可减少外界热量对系统的影响,使得系统在制冷工作过程中不受外界环境的影响,提高制冷效率;本发明捕集管外部套有PFA或者聚四氟乙烯等材料的塑料管(201),起到加热管、捕集管与冷块隔热、绝缘的作用。
3、本发明由控制芯片或者程序控制的加热部件,可以在短时间内改变捕集部件的温度;
4、本发明不仅实现低温制冷的要求,达到-150℃以下,而且体积很小,因此,本发明易于搬运和移动,有利于在户外多地点进行捕集气体。同时本发明耗电量也大大降低。
附图说明
图1、本发明实施例总体结构示意图;
图2、本发明加热装置A电路连接结构示意图;
图3、本发明加热装置B电路连接结构示意图;
图4、本发明实施例中加热装置A外部套有PFA或者聚四氟乙烯材料的塑料管的加热装置A电路连接结构示意图;
图5、本发明实施例中捕集管外部套有PFA或者聚四氟乙烯材料的塑料管的加热装置B电路连接结构示意图。
其中,1为小功率制冷设备,2为带法兰的密封壳,3为冷块,4为密封盖,5为密封螺钉,6为冷端温度传感器,8为实时温度传感器,9为真空计,10为开关阀,11为真空泵,13为加热接头,16为捕集部件,19为小功率制冷设备1的冷端,20为捕集管,22为U型加热管,23为控制芯片,24为电源,25为电线,28为密封孔,201为塑料管。
具体实施方式
一种可凝性气体快速低温捕集装置,包括制冷部件,其特征在于,还包括密封系统、真空控制部件和加热部件;
其中,密封系统包括一带法兰的密封壳2,一密封盖4,若干密封螺钉5,密封盖4盖在带法兰的密封壳2的开口处,使密封盖4与带法兰的密封壳2形成一个密封空间;密封盖4上有若干密封螺钉5;带法兰的密封壳2的底面设有与制冷设备1连接的密封孔28;
制冷部件包括小功率制冷设备1、冷块3和捕集部件16,冷块3和捕集部件16在密封壳2内,小功率制冷设备1的冷端19穿过密封壳2底部的密封孔28与在密封壳2内的冷块3连接;在小功率制冷设备1的冷端19上设有冷端温度传感器6;
捕集部件16包含1个捕集管20或包含多个捕集管20;捕集管20贴敷在冷块3壁上,捕集管20的端头通过密封螺钉5中间的密封孔伸到密封盖4的外部;
真空控制部件包括真空计9、开关阀10、真空泵11和充气气路12,真空泵11管路的一端穿过密封壳2壁伸在密封壳2内,真空泵11管路的另一端在密封壳2外,真空泵11用于对密封系统进行抽真空,真空泵11上设有开关阀10;真空计9测量端穿过密封壳2伸在密封壳2内,真空计9的显示表盘在密封壳2外;
加热部件包括加热装置、若干加热接头13、控制芯片23、电源24和电线25,其中若干加热接头13分别连接在加热装置的两端的外壁上,控制芯片23通过电线25与加热装置的两端的加热接头13连接,控制芯片23又与电源24连接,电源24通过控制芯片23与电线25、加热接头13和加热装置形成回路;加热装置是套在捕集管20外壁的U型加热管22或者是捕集管20的外壁;捕集管20和其套有的U型加热管22成为一个整体后,再贴敷在冷块3上;在每个U型加热管22外壁上设有实时温度传感器8,或在外壁是加热装置的捕集管20的外壁上设有实时温度传感器8。
在捕集管20外部的U型加热管22外,还套有PFA或者聚四氟乙烯材料的塑料管(201),或在捕集管20外壁是加热装置的捕集管20外,还套有PFA或者聚四氟乙烯材料的塑料管。
带法兰的密封壳2和密封盖4是由热导率小的材料制成的。
一种可凝性气体快速低温捕集方法,其特征在于,包括下列步骤:
步骤一、如权利要求1所述的一种可凝性气体快速低温捕集装置,其中,将捕集部件16放置在密封系统,并对捕集部件16设置加热装置22;
步骤二、当要捕集可凝性气体时,开启小功率制冷设备1,小功率制冷设备1通过冷块3对捕集部件16进行制冷;同时真空控制部件对密封系统抽真空;
步骤三、捕集部件16被冷块3持续冷却,并使密封系统达到设定的真空度;捕集部件16里的需捕集的可凝性气体逐步成为固态物质;
步骤四、当捕集部件16捕集到设定的量的可凝性气体后,通过加热装置22对捕集部件16加热,使捕集的固态物质成为可凝性气体被回收,在捕集部件16加热的过程中,加大系统的真空度,减少捕集部件16的热量和冷块3的冷量的交换;
步骤五、可凝性气体回收完成后,加热装置22停止加热,通过充气气路12对密封系统加入少量气体,减小密封系统的真空度,使加热装置22与冷块3之间有少量气体,加热装置22因气体的传导,迅速被冷块3冷却下来;
步骤六、当需要继续捕集可凝性气体时,转入步骤三,如不再需要捕集可凝性气体,转入下一步;
步骤七、关闭小功率制冷设备1,本次捕集工作完成。
其中,步骤三所述的密封系统设定的真空度数值为大于0.5Pa,小于10Pa期间的某一值,步骤四中加大系统的真空度,此时系统真空度数值小于1Pa,步骤五中减小密封系统的真空度,此时密封系统的真空度数值为大于1Pa,小于30Pa期间的某一真空度。其中,步骤四中的真空度数值小于步骤三的真空度数值;步骤五的真空度数值大于步骤三的真空度数值。
实施例:
本发明的特征在于:它包括密封系统、制冷部件、真空控制部件和加热部件。
密封系统包括一个密封的腔体,这个密封腔体由一小功率的制冷设备,一带法兰的密封壳,一密封盖,若干密封螺钉组成;小功率制冷设备与带法兰的密封壳一端连接,带法兰的密封壳与密封盖连接,密封盖上有若干密封螺钉;密封部件的材料选择热导率小的,减少外界热量对系统的影响。
制冷部分包括小功率制冷设备、冷块和多通道捕集部件组成;小功率制冷设备的冷端与冷块紧密相连,保证小功率制冷设备的冷量充分快速导到冷块上;冷块上可安装多个通道的捕集部件,捕集部件应与冷块紧密相连,保证冷块上的冷量充分快速导到捕集部件。
真空控制部件由密封系统加上真空计、开关阀、真空泵和充气气路组成。使用真空泵对密封系统进行抽真空,真空计测量密封系统的真空度,开关阀可在真空计达到要求后停止抽真空。充气气路与真空泵和开关阀配合控制,可以调整真空系统的真空度,通过调节真空度实现对捕集部件温度的升降速度的控制:在捕集部件升温过程中,真空泵工作,使系统的真空度数值降至更低,减少捕集部件的热量在系统内的损耗;在捕集部件降温过程中,打开充气气路提高系统的真空度数值,冷块与捕集部件的冷量传递加快,实现捕集部件快速降温。
加热部件为对捕集部件进行加热,在制冷的同时还可以对捕集部件加热,实现了对样品的捕集和转移分析的要求;
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明包括密封系统、制冷部件、真空控制部件和加热部件。
密封系统包括一个密封的腔体,如图1所示,这个密封腔体由一小功率的制冷设备1,一带法兰的密封壳2,一密封盖4,若干密封螺钉5组成。小功率制冷设备1与带法兰的密封壳2一端连接,带法兰的密封壳2与密封盖4连接,密封盖4上有若干密封螺钉5。密封部件的材料选择热导率小的,减少外界热量对系统的影响。
制冷部分包括小功率制冷设备1、冷块3和捕集部件16组成;小功率制冷设备1的冷端与冷块3紧密相连,保证小功率制冷设备1的冷量充分导到冷块3上;冷块3上可安装若干捕集部件16,捕集部件16应与冷块3紧密相连,保证冷块3上的冷量充分导到捕集部件16。温度传感器6可以测量小功率制冷设备1的实时温度。实时温度传感器8可以测量捕集部件的实时温度。
真空控制部件由密封系统加上真空计9、开关阀10、真空泵11和充气气路12组成。使用真空泵11对密封系统进行抽真空,真空计9测量密封系统的真空度,开关阀10可在真空度达到要求后停止抽真空。在捕集部件升温过程中,真空泵11工作,使系统的真空度数值降至更低,减少捕集部件热量在系统内的损耗;在捕集部件降温过程中,打开充气气路12提高系统真空度数值,冷块3与捕集部件16的冷量传递加快,实现捕集部件16快速降温。
加热部件根据实时温度传感器8的温度测量,对捕集部件16进行加热处理,在制冷的同时还可以对捕集部件16加热,实现了对样品的捕集和转移分析的要求。本发明的加热部件可有图2和图3两种方式。图2包括冷块3,加热管22,捕集管20,加热接头13,温度传感器8,控制芯片23、电源24和电线25。加热管22用于对加热温度进行调节,电源24为开关电源,控制芯片23可以是单片机控制芯片,也可以是自行设计的控制芯片。图3包括冷块3,加热和捕集管20,加热接头14,温度传感器7,控制芯片23、电源24和电线25。加热和捕集管20即是对加热温度进行调节设备也是样品捕集设备,电源24为开关电源,控制芯片23可以是单片机控制芯片,也可以是自行设计的控制芯片。
本发明的一种多通道的快速低温捕集装置,制冷温度可达-150度以下,远低于现有的半导体制冷。与液氮相比,工作时不需要添加任何物质,在制冷效果上差别不大,极大地降低了成本。与大功率压缩机制冷机比,本发明结构小巧,耗电量少,运输方便。与小功率热声制冷机比,实际制冷温度更低,通过调节系统的真空度的设计,实现对捕集部件温度的升降温度的控制,满足环境监测对气态污染物的低温捕集的要求。

Claims (5)

1.一种可凝性气体快速低温捕集装置,包括制冷部件,其特征在于,还包括密封系统、真空控制部件和加热部件;
其中,密封系统包括一带法兰的密封壳(2),一密封盖(4),若干密封螺钉(5),密封盖(4)盖在带法兰的密封壳(2)的开口处,使密封盖(4)与带法兰的密封壳(2)形成一个密封空间;密封盖(4)上有若干密封螺钉(5);带法兰的密封壳(2)的底面设有与制冷设备(1)连接的密封孔(28);
制冷部件包括小功率制冷设备(1)、冷块(3)和捕集部件(16),冷块(3)和捕集部件(16)在密封壳(2)内,小功率制冷设备(1)的冷端(19)穿过密封壳(2)底部的密封孔(28)与在密封壳(2)内的冷块(3)连接;在小功率制冷设备(1)的冷端(19)上设有冷端温度传感器(6);
捕集部件(16)包含1个捕集管(20)或包含多个捕集管(20);捕集管(20)贴敷在冷块(3)壁上,捕集管(20)的端头通过密封螺钉(5)中间的密封孔伸到密封盖(4)的外部;
真空控制部件包括真空计(9)、开关阀(10)、真空泵(11)和充气气路(12),真空泵(11)管路的一端穿过密封壳(2)壁伸在密封壳(2)内,真空泵(11)管路的另一端在密封壳(2)外,真空泵(11)用于对密封系统进行抽真空,真空泵(11)上设有开关阀(10);真空计(9)测量端穿过密封壳(2)伸在密封壳(2)内,真空计(9)的显示表盘在密封壳(2)外;
加热部件包括加热装置、若干加热接头(13)、控制芯片(23、)电源(24)和电线(25),其中若干加热接头(13)分别连接在加热装置的两端的外壁上,控制芯片(23)通过电线(25)与加热装置的两端的加热接头(13)连接,控制芯片(23)又与电源(24)连接,电源(24)通过控制芯片(23)与电线(25)、加热接头(13)和加热装置形成回路;加热装置是套在捕集管(20)外壁的U型加热管(22)或者是捕集管(20)的外壁;捕集管(20)和其套有的U型加热管(22)成为一个整体后,再贴敷在冷块3上;在每个U型加热管(22)外壁上设有实时温度传感器(8),或在外壁是加热装置的捕集管(20)的外壁上设有实时温度传感器(8)。
2.根据权利要求1所述的一种可凝性气体快速低温捕集装置,其特征在于,在捕集管(20)外部的U型加热管(22)外,还套有PFA或者聚四氟乙烯材料的塑料管(201);或在捕集管(20)外壁是加热装置的捕集管(20)外,还套有PFA或者聚四氟乙烯材料的塑料管(201)。
3.根据权利要求1或2所述的一种可凝性气体快速低温捕集装置,其特征在于,带法兰的密封壳(2)和密封盖(4)是由热导率小的材料制成的。
4.一种可凝性气体快速低温捕集方法,其特征在于,包括下列步骤:
步骤一、如权利要求1所述的一种可凝性气体快速低温捕集装置,其中,将捕集部件(16)放置在密封系统,并对捕集部件(16)设置加热装置(22);
步骤二、当要捕集可凝性气体时,开启小功率制冷设备(1),小功率制冷设备(1)通过冷块(3)对捕集部件(16)进行制冷;同时真空控制部件对密封系统抽真空;
步骤三、捕集部件(16)被冷块(3)持续冷却,并使密封系统达到设定的真空度;捕集部件(16)里的需捕集的可凝性气体逐步成为固态物质;
步骤四、当捕集部件(16)捕集到设定的量的可凝性气体后,通过加热装置(22)对捕集部件(16)加热,使捕集的固态物质成为可凝性气体被回收,在捕集部件(16)加热的过程中,加大系统的真空度,减少捕集部件(16)的热量和冷块(3)的冷量的交换;
步骤五、可凝性气体回收完成后,加热装置(22)停止加热,通过充气气路(12)对密封系统加入少量气体,减小密封系统的真空度,使加热装置(22)与冷块(3)之间有少量气体,加热装置(22)因气体的传导,迅速被冷块(3)冷却下来;
步骤六、当需要继续捕集可凝性气体时,转入步骤三,如不再需要捕集可凝性气体,转入下一步;
步骤七、关闭小功率制冷设备(1),本次捕集工作完成。
5.根据权利要求4所述的一种可凝性气体快速低温捕集方法,其特征在于,步骤三所述的密封系统设定的真空度数值为大于0.5Pa,小于10Pa期间的某一值,步骤四中加大系统的真空度,此时系统真空度数值小于1Pa,步骤五中减小密封系统的真空度,此时密封系统的真空度数值为大于1Pa,小于30Pa期间的某一真空度。其中,步骤四中的真空度数值小于步骤三的真空度数值;步骤五的真空度数值大于步骤三的真空度数值。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114392580A (zh) * 2022-03-24 2022-04-26 广东盈峰科技有限公司 一种冷阱装置
CN115791358A (zh) * 2023-02-06 2023-03-14 北京鹏宇昌亚环保科技有限公司 VOCs捕集装置

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CN114392580A (zh) * 2022-03-24 2022-04-26 广东盈峰科技有限公司 一种冷阱装置
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