CN114220994A - 一种用于带压管道系统的高效加湿系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于带压管道系统的高效加湿系统，包括：加湿装置、水路和气路；水路包括进水管路、出水管路、水泵和加热器，气路包括进气管路和出气管路；加湿装置包括罐体，罐体上设有进水口、出水口、进气口和出气口；进水口设置在罐体的上端；出水口设置在罐体的底端；罐体底部安装有文丘里混合器，进气口设置在罐体的底端；出气口设置在罐体的顶端，罐体顶部安装有除雾器，罐体上安装有液位测量装置，除雾器位于液位测量装置的最高点与出气口之间。与现有技术相比，本发明采用文丘里混合器作为气泡发生装置，并采用喷射气体引流液体的方式，填补大气体流量、微气泡型鼓泡加湿装置的技术空白，结构简单，实现了大流量、高效率的气体加湿。

Description

一种用于带压管道系统的高效加湿系统

技术领域

本发明涉及燃料电池生产技术领域，尤其是涉及一种用于带压管道系统的高效加湿系统。

背景技术

燃料电池是一种具有零排放、转换效率高、噪音低安全性高等优点的能量转换装置，可以将燃料所具有的化学能转换成电能。燃料电池的核心部件质子交换膜对湿度敏感，气体的温度也会影响燃料电池的效率，因此，在燃料电池及系统零部件测试台架的设计中，需要控制具有一定压力的气体达到测试所需的温度和湿度。

传统的喷雾加湿装置存在加湿后气体含有大量液态水雾的问题，气液分离较困难，且体积较庞大；鼓泡加湿装置往往存在气泡尺寸不均、热质交换效率低、气体加湿量小的问题；若采用蒸汽加湿器，需对气体进行预热，并且混合后的温度、湿度和气水分离等控制策略和配套装置较为复杂，成本较高。

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用于带压管道系统的高效加湿系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于带压管道系统的高效加湿系统，包括：加湿装置、水路和气路；所述水路包括进水管路、出水管路、水泵和加热器，所述气路包括进气管路和出气管路；所述加湿装置包括罐体，罐体上设有进水口、出水口、进气口和出气口；

所述进水口设置在罐体的上端，进水管路通过进水口与罐体连通；所述出水口设置在罐体的底端，出水管路通过出水口与罐体连通；罐体底部安装有文丘里混合器，所述进气口设置在罐体的底端，进气管路通过进气口与文丘里混合器连通；所述出气口设置在罐体的顶端，出气管路通过出气口与罐体连通，罐体顶部安装有除雾器，罐体上还安装有液位测量装置，除雾器的高度位于液位测量装置的最高点与出气口之间。

优选的，罐体内还设有旋流器和冒泡管，出水管路伸入罐体内，且旋流器安装在出水管路的端部，冒泡管通过固定装置安装在罐体内，且冒泡管的进气侧设于旋流器的上方，冒泡管的出气侧设于进水口的上方，且低于除雾器；所述旋流器的位置低于文丘里混合器的出气口。

优选的，所述文丘里混合器的数量为多个，进气口处设有气体分配器，进气管路内的气体通过气体分配器流入各个文丘里混合器。

优选的，所述文丘里混合器的侧壁上设有多个吸水孔，文丘里混合器的出气口为设于文丘里混合器顶部的微泡出口。

优选的，所述吸水孔均匀分布在文丘里混合器的侧壁上。

优选的，所述液位测量装置包括液位管和两个液位计，所述液位管安装在罐体上并与罐体内部连通，所述液位计分别安装在液位管的上端和下端，用于测量罐体内的液位高度。

优选的，所述水路还包括散热器，沿液体的流动方向，出水管路、水泵、加热器、散热器和进水管路依次连接，所述加热器与散热器之间设有温度传感器。

优选的，所述水路还包括补水管路和排水管路，所述补水管路和排水管路接入出水管路与水泵之间，补水管路上设有电磁阀，排水管路上设有电磁阀。

优选的，沿气体流动方向，所述进气管路上依次设有流量计、压力传感器、调压阀和单向阀。

优选的，沿气体流动方向，所述出气管路上依次设有安全阀、阀门、温度传感器、湿度传感器和压力传感器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)采用文丘里混合器作为气泡发生装置，并采用喷射气体引流液体的方式，填补大气体流量、微气泡型鼓泡加湿装置的技术空白，结构简单，实现了大流量、高效率的气体加湿。

(2)文丘里混合器产生的细微气泡容易沿出水管路随液态水流出，本申请通过在出水口上游安装创新设计的旋流器，将文丘里混合器产生的细微气泡从液相水中高效分离，使出水口中排出的液态水几乎不含气泡，避免了气泡对水泵造成的不利影响，并且无需额外设置气水分离装置对水路中的液态水进行气水分离，提高了本发明的集成度，减小了体积。

(3)采用循环水外部加热的方式实现对气体的加热，通过文丘里混合器强化混合和传热，提高鼓泡过程加湿效率。

附图说明

图1为加湿装置的结构示意图；

图2为加湿装置的底部局部示意图；

图3为本发明的结构示意图；

附图标记：1、罐体，11、进水口，12、出水口，13、进气口，14、出气口；

21、进水管路，22、出水管路，23、水泵，24、加热器，25、散热器，2a第一温度传感器，2b、第一电磁阀，2c、第二电磁阀；

31、进气管路，31a、流量计，31b、第一压力传感器，31c、调压阀，31d、单向阀；

32、出气管路，32a、安全阀，32b、阀门，32c、第二温度传感器，32d、湿度传感器，32e、第二压力传感器；

4、文丘里混合器，41、吸水孔，42、微泡出口；

5、除雾器，6、旋流器，61、旋流流道，7、冒泡管，71、固定装置，72、冒泡口，8、气体分配器，9、液位测量装置。

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。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件。

实施例1：

一种用于带压管道系统的高效加湿系统，如图1至图3所示，包括：加湿装置、水路和气路；如图1所示，加湿装置包括罐体1，罐体1上设有进水口11、出水口12、进气口13和出气口14；水路包括进水管路21、出水管路22、水泵23和加热器24，气路包括进气管路31和出气管路32；

进水口11设置在罐体1的上端，进水管路21通过进水口11与罐体1连通；出水口12设置在罐体1的底端，出水管路22通过出水口12与罐体1连通；罐体1底部安装有文丘里混合器4，进气口13设置在罐体1的底端，进气管路31通过进气口13与文丘里混合器4连通；出气口14设置在罐体1的顶端，出气管路32通过出气口14与罐体1连通，罐体1顶部安装有除雾器5，罐体1上还安装有液位测量装置9，除雾器5的高度位于液位测量装置9的最高点与出气口14之间。

如图1、图2所示，在罐体1内还设有旋流器6和冒泡管7，出水管路22伸入罐体1内，且旋流器6安装在出水管路22的端部，冒泡管7通过固定装置71安装在罐体1内，固定装置71可以为支架、托臂等，且冒泡管7的进气侧设于旋流器6的上方，冒泡管7的出气侧设于进水口11的上方，且低于除雾器5，冒泡管7的出气侧即冒泡口72；旋流器6的位置低于文丘里混合器4的出气口。

文丘里混合器4的数量可以为多个，进气口13处设有气体分配器8，进气管路31内的气体通过气体分配器8流入各个文丘里混合器4。文丘里混合器4的侧壁上设有多个吸水孔41，文丘里混合器4的出气口即设于文丘里混合器4顶部的微泡出口42，文丘里混合器4产生的微泡从微泡出口42排出，旋流器6的位置应低于微泡出口42。为了吸水效果更好，吸水孔41均匀分布在文丘里混合器4的侧壁上。

罐体1上还安装有液位测量装置9，包括液位管和两个液位计，液位管安装在罐体1上并与罐体1内部连通，液位计分别安装在液位管的上端和下端，用于测量罐体1内的液位高度。两个液位计之间为装置正常使用时的液位高度，除雾器5的安装位置应高于高处的液位计。

水路还包括散热器25，沿液体的流动方向，出水管路22、水泵23、加热器24、散热器25和进水管路21依次连接，加热器24与散热器25之间设有温度传感器，水路上的温度传感器即图3中的第一温度传感器2a。水路还包括补水管路26和排水管路27，补水管路26和排水管路27接入出水管路22与水泵23之间，补水管路26上设有电磁阀，补水管路26上的电磁阀即图3中的第一电磁阀2b，排水管路27上设有电磁阀，排水管路27的电磁阀即图3中的第二电磁阀2c。一般情况下，罐体1和水路内循环流动的是液态水。

沿气体流动方向，进气管路31上依次设有流量计31a、压力传感器、调压阀31c和单向阀31d，进气管路31上的压力传感器即图3中的第一压力传感器31b。沿气体流动方向，出气管路32上依次设有安全阀32a、阀门32b、温度传感器、湿度传感器32d和压力传感器，出气管路32上的温度传感器即图3中的第二温度传感器32c，出气管路32上的压力传感器即图3中的第二压力传感器32e。

在使用前，先通过进水口11向罐体1内注水，此时出水口12不排水，液位管上的两个液位计，一个放在液位管低处，一个放在液位管高处，如果罐体1内的液体在两个液位计之间，则说明罐体1内的液位正常。可以通过液位测量装置9检测罐体1内的液位，维持罐体1内的液位介于两个液位计之间。当液位要求达到后，进水口11和出水口12通过进水管路21和出水管路22与外部的水泵23相连，分别进水和出水，在罐体1内形成自上而下的液体循环，同时，循环中的液态水通过水路中的加热器24循环加热至目标温度，散热器25可以在液态水温度过高时启动，对液态水进行降温；也可在结束实验时，对罐体1内部的液体快速降温，减少罐体1内外气压差。

将加湿装置与带压管道系统相连，进气口13和出气口14串接入带有一定压力的气体管路，实现带压管道系统中气体的加热和加湿。

当液态水的温度达到目标温度后，通过进气口13向罐体1内通入待加湿的气体，罐体1内底部布置一个或多个文丘里混合器4，进气管路31内的气体通过气体分配器8分配给各个文丘里混合器4。气体从文丘里混合器4内置的喷嘴高速喷出，喷射的气体会引流，通过均布于文丘里混合器4侧壁的吸水孔41吸入液态水，在文丘里混合器4内充分混合形成微气泡后，经微泡出口42喷出，气泡向上运动，与罐体1内向下的循环液态水形成逆流，延长了传质传热时间，且微小气泡形成的高比表面积进一步确保了高效的气体加湿作用。经过液态水加湿后的气体经过除雾器5，除雾器5将鼓泡过程飞溅的水滴和水雾滤除，使纯净的高温高湿气体通过出气口14排出，供后续测试使用。

文丘里混合器4是一种纯机械的装置，一般用于气体的回收，提高气体的利用率，本申请创新性的将文丘里混合器4作为气泡发生装置，在喷射高速时，引流的是液体，使得高速流动的气体携带大量的液体，从而可以混合产生微泡。

由于文丘里混合器4具有高效的气液混合效果，为了保证被加湿气体流量的稳定，同时避免含气泡随液态水沿出水管路22进入水路对水泵23及加热器24的不利影响，需要对液体中分散的微气泡进行高效的分离，如图2所示，因此本申请在罐体1内底部，出水口12的上游安装旋流器6，使液态水在通过旋流器6的旋流流道61后形成强烈的旋流，在离心力的作用下，液态水中的微气泡向中心汇聚形成更大的气泡，并在较大浮力的作用下沿着冒泡管7从冒泡口72排出。加湿后的气体经过除雾器5，除雾器5将鼓泡过程飞溅的水滴和水雾滤除，使纯净的高温高湿气体通过出气口14排出，供后续测试使用。

如果气泡随液态水沿出水管路22进入水路，假使需要加湿的气体为活泼性气体，如氢气，则氢气会沿着出水管路22通过水泵23进入到加热器24等零部件中及管路中，可能会造成氢气的积聚，当氢气的浓度达到一定范围内，遇到高温工作的加热器24可能有风险。而本申请在出水管路22端部安装旋流器6，液态水通过旋流流道61后形成强烈的旋流，气泡在离心力的作用下向旋流中心汇聚形成大气泡，大气泡沿冒泡管7排出，可以避免气泡进入水路。

加湿装置接入带压管道系统中，带压管道系统中待加湿的气体通过进气口13通入加湿装置，加湿后的气体通过出气口14流回带压管道系统，进气管路31和出气管路32均可能为带压管道系统中的一部分管路。根据需要，可以在进气口13和出气口14设置接头，便于与不同的气体管路相连，如氢气管路、空气管路等。

如图3所示，在水路内加热器24之后设置了第一温度传感器2a，可以检测液态水的温度，进而调节加热器24和散热器25的功率，对液态水进行循环加热或散热，完成对加湿装置内部的快速升温以及快速降温功能，从而使液态水达到目标温度，实现对从进气口13最终通过单向阀31d进入加湿装置的气体的加热和加湿，达到气体的目标温度和湿度。

工作过程中，罐体1内的液态水会损耗，在液位测量装置9检测到液位较低时，可以通过补水管路26添加液态水至水路中，以增高液位，补水管路26上设有第一电磁阀2b，通过第一电磁阀2b的开关控制补水管路26的通断。如果液位测量装置9检测到液位过高或者需要将罐体1内的水排出时，可以通过排水管路27将液态水排出，排水管路27上设有第二电磁阀2c，通过第二电磁阀2c的开关控制排水管路27的通断。

在加湿装置上游，即进气管路31上，设有流量计31a，可以测量加湿前的干燥气体流量，在加湿装置下游，即出气管路32上，设于第二温度传感器32c、湿度传感器32d和第二压力传感器32e，通过测量数据可以测算得到气体的相对湿度和湿气体流量。进气管路31上的第一压力传感器31b、调压阀31c可以控制气压，出气管路32上的安全阀32a可以在必要时刻直接将气体排出。

本申请采用文丘里混合器4作为气泡发生装置，并采用喷射气体引流液体的方式，填补大气体流量、微气泡型鼓泡加湿装置的技术空白，结构简单，实现了大流量、高效率的气体加湿。

本申请采用循环水外部加热的方式实现对气体的加热，通过文丘里混合器4强化混合和传热，提高鼓泡过程加湿效率。

出水管路22伸入罐体1内，文丘里混合器4产生的细微气泡容易沿出水管路22随液态水流出，本申请通过在出水口12上游安装创新设计的旋流器6，将文丘里混合器4产生的细微气泡从液相水中高效分离，使出水口12中排出的液态水几乎不含气泡，避免了气泡对水泵23造成的不利影响，并且无需额外设置气水分离装置对水路中的液态水进行气水分离，提高了本发明的集成度，减小了体积。

本申请具有以下优点：

1、体积紧凑：实现了大气体流量的鼓泡加湿，相比于喷雾加湿装置具有更小的体积。

2、湿气体纯净：鼓泡加湿由于微小离散相是气体，不存在喷雾加湿气体中含有微小液滴的问题，配合除雾器5，湿气体几乎不含液态水。

3、加湿效率高：采用文丘里混合器4实现气抽水的高效混合，传质传热效率高，气体加湿速度快。

4、对配套设备要求低：本发明装置兼具高效气水分离功能，可以确保水泵23和加热器24不受气泡的影响。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于带压管道系统的高效加湿系统，其特征在于，包括：加湿装置、水路和气路；所述水路包括进水管路、出水管路、水泵和加热器，所述气路包括进气管路和出气管路；所述加湿装置包括罐体，罐体上设有进水口、出水口、进气口和出气口；

所述进水口设置在罐体的上端，进水管路通过进水口与罐体连通；所述出水口设置在罐体的底端，出水管路通过出水口与罐体连通；罐体底部安装有文丘里混合器，所述进气口设置在罐体的底端，进气管路通过进气口与文丘里混合器连通；所述出气口设置在罐体的顶端，出气管路通过出气口与罐体连通，罐体顶部安装有除雾器，罐体上还安装有液位测量装置，除雾器的高度位于液位测量装置的最高点与出气口之间。

2.根据权利要求1所述的一种用于带压管道系统的高效加湿系统，其特征在于，罐体内还设有旋流器和冒泡管，出水管路伸入罐体内，且旋流器安装在出水管路的端部，冒泡管通过固定装置安装在罐体内，且冒泡管的进气侧设于旋流器的上方，冒泡管的出气侧设于进水口的上方，且低于除雾器；所述旋流器的位置低于文丘里混合器的出气口。

3.根据权利要求1所述的一种用于带压管道系统的高效加湿系统，其特征在于，所述文丘里混合器的数量为多个，进气口处设有气体分配器，进气管路内的气体通过气体分配器流入各个文丘里混合器。

4.根据权利要求1所述的一种用于带压管道系统的高效加湿系统，其特征在于，所述文丘里混合器的侧壁上设有多个吸水孔，文丘里混合器的出气口为设于文丘里混合器顶部的微泡出口。

5.根据权利要求4所述的一种用于带压管道系统的高效加湿系统，其特征在于，所述吸水孔均匀分布在文丘里混合器的侧壁上。

6.根据权利要求1所述的一种用于带压管道系统的高效加湿系统，其特征在于，所述液位测量装置包括液位管和两个液位计，所述液位管安装在罐体上并与罐体内部连通，所述液位计分别安装在液位管的上端和下端，用于测量罐体内的液位高度。

7.根据权利要求1所述的一种用于带压管道系统的高效加湿系统，其特征在于，所述水路还包括散热器，沿液体的流动方向，出水管路、水泵、加热器、散热器和进水管路依次连接，所述加热器与散热器之间设有温度传感器。

8.根据权利要求7所述的一种用于带压管道系统的高效加湿系统，其特征在于，所述水路还包括补水管路和排水管路，所述补水管路和排水管路接入出水管路与水泵之间，补水管路上设有电磁阀，排水管路上设有电磁阀。

9.根据权利要求1所述的一种用于带压管道系统的高效加湿系统，其特征在于，沿气体流动方向，所述进气管路上依次设有流量计、压力传感器、调压阀和单向阀。

10.根据权利要求1所述的一种用于带压管道系统的高效加湿系统，其特征在于，沿气体流动方向，所述出气管路上依次设有安全阀、阀门、温度传感器、湿度传感器和压力传感器。

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