CN116116480A - 一种营造维持极干燥宽温域环境的装置及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于特殊环境营造技术领域，公开了一种营造维持极干燥宽温域环境的装置及其使用方法。采用空压机、冷却器、吸附塔、过滤器将环境空气处理干燥后通入密封保温实验舱，营造舱内的干燥环境；低温风机、液氮换热器、加热器对舱内极干燥空气降温或升温。环境参数测控组件实时监测舱内压力、温度、露点温度以及二氧化碳含量等指标，控制系统与环境参数测控组件以及相关设备连接，当舱内参数与预置参数有偏差时，通过PID控制对相关设备进行调节，实现自动控制。使用方法包括调节露点和二氧化碳含量，调节温度和压力，维持预置参数。装置及其使用方法集成化程度高、运行稳定可靠，能够满足在密封保温实验舱建立特殊实验环境要求。

Description

一种营造维持极干燥宽温域环境的装置及其使用方法
技术领域
本发明属于特殊环境营造技术领域，具体涉及一种营造维持极干燥宽温域环境的装置及其使用方法。
背景技术
对于一些要求极干燥和宽温域的实验环境，一般需要将环境中原有的水蒸气和二氧化碳去除，达到极干燥状态后，再进行降温或升温处理，达到参数状态，防止水蒸气和二氧化碳在低温环境下结露结冰。这种环境营造需要采用深度除湿净化技术以及液氮制冷换热实现。极干燥是指环境露点温度≤-80℃、二氧化碳含量≤1ppm，宽温域是指环境温度范围为100K~323K。要实现低露点、低二氧化碳含量的极干燥状态，只能采用固体吸附方式；要实现100K的低温环境，通常也只能采用液氮换热方式；同时，为了维持极干燥和极低温的环境状态，需采用极高的密封和保温措施；在此种密封条件下，对舱体承压能力及压力控制提出了更高的要求。所以，对于一些要求极干燥和宽温域的实验环境，空气处理技术复杂、代价高昂，并且很难实现环境营造与维持。因此，需要建设集成化程度高、运行稳定可靠的装置来营造维持极干燥和宽温域的实验环境。
中国专利文献库公开了发明名称为一种连续稳定运行节能型低露点深度除湿系统（申请号CN201922353486.8），该连续稳定运行节能型低露点深度除湿系统包括高温级制冷模块和低温级制冷模块，高温级制冷模块无霜设计，低温级制冷模块采用双蒸发器和内部独特设计的双流通风道，通过增加风门来控制不同风道的使用，实现蒸发器融霜的同时，保证制冷系统连续稳定运行；且利用高温级制冷模块的冷凝热加热出风，可以减少出风再热的功耗，还可给低温级蒸发器进行融霜，减少低温级系统的融霜时间，节能效果显著。但是，这个技术方案难以同时营造一个低露点和低二氧化碳含量实验环境，无法将水蒸气、二氧化碳处理到目标要求的浓度，满足不同水蒸气及二氧化碳含量组合工况营造需求。
中国专利文献库公开了发明名称为一种快速营造极低露点空气环境的装置及方法（申请号为CN202010019895.9），该快速营造极低露点空气环境的装置包括由真空抽气泵、鼓风机、空气组分混合箱、截止阀、光声光谱多气体分析仪、PID控制器、水蒸气添加设备以及连接以上装置的管路、电路和阀门组成。快速营造极低露点空气环境的方法先采用真空泵预先抽真空后，再按所需要的空气组分的比例充入氮气和氧气，开启鼓风机后等待气体分析仪显示其中的水蒸气含量后，通过PID控制器控制水蒸气添加设备往空气组分混合箱加入水蒸气，以营造需要的环境。这个技术方案无需复杂的除湿技术就可以成功营造需要的环境，能够有效降低营造极端低湿环境的成本。但是，这个技术方案无法实现宽温域环境的营造，无法满足一些极低温的环境需求；并且利用氮气和氧气送入空气组分混合箱，置换容积小、置换效率低，难以满足特殊试验需求。
当前，亟需发展一种营造维持极干燥宽温域环境的装置及其使用方法。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是提供一种营造维持极干燥宽温域环境的装置，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种营造维持极干燥宽温域环境的装置的使用方法，在密封保温实验舱建立特殊实验环境。
本发明的营造维持极干燥宽温域环境的装置，其特点是，所述的装置包括输入系统、循环系统、充放气调节系统、环境参数测控组件和PID控制系统；
输入系统将环境空气依次经进气管道上的空压机、冷却器、吸附塔和过滤器处理成符合预置参数中的露点参数和二氧化碳参数含量要求的干燥空气后，再经进气阀门送入密封保温实验舱；
循环系统将密封保温实验舱内的干燥空气通过低温风机抽出，再通过低温风机后并联的液氮换热器和加热器进行降温或者升温，得到符合温度要求的干燥空气后，送入密封保温实验舱；
充放气调节系统通过打开密封保温实验舱的进气管道上的进气阀门，或者排气管道上的排气阀门，升高或者降低密封保温实验舱内的气体压力，将密封保温实验舱内的气体压力维持在预置参数中的压力参数范围；
环境参数测控组件包括用于测量密封保温实验舱内干燥空气的气体参数的压力传感器、温度传感器、露点仪以及二氧化碳检测仪；
PID控制系统与输入系统、循环系统、充放气调节系统、环境参数测控组件连接，通过PID控制进行调节，实现自动控制。
进一步地，所述的输入系统利用环境参数测控组件反馈的密封保温实验舱内干燥空气的露点参数和二氧化碳含量参数，通过PID控制系统的PID控制算法利用吸附塔Ⅰ、吸附塔Ⅱ实现对舱内干燥空气的露点以及二氧化碳含量的自动调节，维持密封保温实验舱内干燥空气的露点以及二氧化碳含量稳定。
进一步地，所述的循环系统利用环境参数测控组件反馈的密封保温实验舱内干燥空气的温度参数，计算密封保温实验舱内干燥空气的温度参数与设置参数的偏差，通过PID控制系统的PID控制算法利用液氮换热器和加热器实现对舱内干燥空气的温度的自动调节，维持密封保温实验舱内干燥空气的温度稳定。
进一步地，所述的充放气调节系统利用环境参数测控组件反馈的密封保温实验舱内干燥空气的压力参数，计算密封保温实验舱内干燥空气的压力参数与设置参数的偏差，通过PID控制系统的PID控制算法打开和关闭进气阀门或者排气阀门，实现对舱内干燥空气的压力的自动调节，维持密封保温实验舱内干燥空气的压力稳定。
进一步地，所述的密封保温实验舱内的气体具有超低露点超低二氧化碳含量，露点温度≤-80℃，二氧化碳含量≤1ppm，气体温度100K~323K，气体压力±2Kpa。
进一步地，所述的吸附塔内的吸附剂为氧化铝和分子筛，氧化铝与分子筛比例为1：1，氧化铝用于深度吸附空气中的水分，分子筛用于深度吸附空气中的二氧化碳。
进一步地，所述的吸附塔包括并联连接的吸附塔Ⅰ和吸附塔Ⅱ，吸附塔Ⅰ和吸附塔Ⅱ交替运行，一个塔进行吸附、另一个塔同时进行再生，吸附塔达到吸附时长后转入再生阶段，运行周期为12小时；
吸附塔吸附时气流方向为自下而上；吸附塔再生时气流方向为自上而下，再生时通过部分引入成品气实现吸附剂的再生。
本发明的营造维持极干燥宽温域环境的装置的使用方法，包括以下步骤：
S10.调节露点和二氧化碳含量；
空压机将环境空气首先送入冷却器进行冷却除湿，再送入吸附塔进行深度除水、除二氧化碳，最后将环境空气送入过滤器进行过滤净化，得到干燥空气，干燥空气通过进气管道和进气阀门进入密封保温实验舱，置换密封保温实验舱的原有气体，使得密封保温实验舱内的干燥空气具有超低露点超低二氧化碳含量，置换后的原有气体通过排气管道和排气管道上的排气阀门排出密封保温实验舱；
S20.调节温度和压力；
当密封保温实验舱内的干燥空气达到所需的露点参数和二氧化碳含量参数后，关闭进气阀门和排气阀门；根据干燥空气的温度参数，开启低温风机抽取干燥空气，通过液氮换热器降低密封保温实验舱内的干燥空气的温度，同时打开输入系统对密封保温实验舱内的干燥空气进行补风稳压；或者通过加热器提高密封保温实验舱内的干燥空气的温度，同时打开放气调节系统对密封保温实验舱内的干燥空气进行排风降压；直至密封保温实验舱内的干燥空气符合温度参数和压力参数要求；
S30.维持预置参数；
利用环境参数测控组件实时监测密封保温实验舱内的干燥空气的各种参数，当参数产生偏差后，开启空压机、吸附塔、液氮换热器、加热器以及进气阀门和排气阀门进行实时调节，使得各种参数符合预置参数要求。
本发明的营造维持极干燥宽温域环境的装置采用空压机、冷却器、吸附塔、过滤器将环境空气处理干燥后通入密封保温实验舱，营造密封保温实验舱的干燥环境；低温风机、液氮换热器、加热器对密封保温实验舱内极干燥空气降温或升温。环境参数测控组件实时监测密封保温实验舱内压力、温度、露点温度以及二氧化碳含量等指标，控制系统与环境参数测控组件以及空压机、吸附塔、过滤器、低温风机、液氮换热器、加热器等设备连接，当密封保温实验舱内参数与预置参数有偏差时，通过PID控制对相关设备进行调节，实现自动控制。
本发明的营造维持极干燥宽温域环境的装置的系统具有以下优点：
1.集成化程度高，功能齐全、结构紧凑，具备营造维持极干燥宽温域的密封保温实验舱的实验环境，有效降低了密封保温实验舱的实验环境的营造维持成本。
2.参数可控范围广，露点温度可低至-80℃、二氧化碳含量≤1ppm，温度范围100K~323K，能够满足多需求的密封保温实验舱的实验环境要求。
3.自动化程度高，操作方便，能够实现密封保温实验舱的压力、温度、露点温度以及二氧化碳含量的自动控制调节。
简而言之，本发明的营造维持极干燥宽温域环境的装置及其使用方法的集成化程度高、运行稳定可靠，获得的密封保温实验舱能够营造和维持露点温度≤-80℃、二氧化碳含量≤1ppm、环境温度100K~323K、舱体耐压±2Kpa的实验环境，能够满足在密封保温实验舱建立特殊实验环境要求。
附图说明
图1为本发明的营造维持极干燥宽温域环境的装置的结构示意图。
图中，1.密封保温实验舱；2.空压机；3.冷却器；4.吸附塔Ⅰ；5.过滤器；6.低温风机；7.液氮换热器；8.加热器；9.环境参数测控组件；10.排气阀门；11.吸附塔Ⅱ；12.进气阀门；13.进气管道；14.排气管道。
实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
实施例1
如图1所示，本实施例的营造维持极干燥宽温域环境的装置，其特点是，所述的装置包括输入系统、循环系统、充放气调节系统、环境参数测控组件9和PID控制系统；
输入系统将环境空气依次经进气管道13上的空压机2、冷却器3、吸附塔和过滤器5处理成符合预置参数中的露点参数和二氧化碳参数含量要求的干燥空气后，再经进气阀门12送入密封保温实验舱1；
循环系统将密封保温实验舱1内的干燥空气通过低温风机6抽出，再通过低温风机6后并联的液氮换热器7和加热器8进行降温或者升温，得到符合温度要求的干燥空气后，送入密封保温实验舱1；
充放气调节系统通过打开密封保温实验舱1的进气管道13上的进气阀门12，或者排气管道14上的排气阀门10，升高或者降低密封保温实验舱1内的气体压力，将密封保温实验舱1内的气体压力维持在预置参数中的压力参数范围；
环境参数测控组件9包括用于测量密封保温实验舱1内干燥空气的气体参数的压力传感器、温度传感器、露点仪以及二氧化碳检测仪；
PID控制系统与输入系统、循环系统、充放气调节系统、环境参数测控组件9连接，通过PID控制进行调节，实现自动控制。
进一步地，所述的输入系统利用环境参数测控组件9反馈的密封保温实验舱1内干燥空气的露点参数和二氧化碳含量参数，通过PID控制系统的PID控制算法利用吸附塔Ⅰ4、吸附塔Ⅱ11实现对舱内干燥空气的露点以及二氧化碳含量的自动调节，维持密封保温实验舱1内干燥空气的露点以及二氧化碳含量稳定。
进一步地，所述的循环系统利用环境参数测控组件9反馈的密封保温实验舱1内干燥空气的温度参数，计算密封保温实验舱1内干燥空气的温度参数与设置参数的偏差，通过PID控制系统的PID控制算法利用液氮换热器7和加热器8实现对舱内干燥空气的温度的自动调节，维持密封保温实验舱1内干燥空气的温度稳定。
进一步地，所述的充放气调节系统利用环境参数测控组件9反馈的密封保温实验舱1内干燥空气的压力参数，计算密封保温实验舱1内干燥空气的压力参数与设置参数的偏差，通过PID控制系统的PID控制算法打开和关闭进气阀门12或者排气阀门10，实现对舱内干燥空气的压力的自动调节，维持密封保温实验舱1内干燥空气的压力稳定。
进一步地，所述的密封保温实验舱1内的气体具有超低露点超低二氧化碳含量，露点温度≤-80℃，二氧化碳含量≤1ppm，气体温度100K~323K，气体压力±2Kpa。
进一步地，所述的吸附塔内的吸附剂为氧化铝和分子筛，氧化铝与分子筛比例为1：1，氧化铝用于深度吸附空气中的水分，分子筛用于深度吸附空气中的二氧化碳。
进一步地，所述的吸附塔包括并联连接的吸附塔Ⅰ4和吸附塔Ⅱ11，吸附塔Ⅰ4和吸附塔Ⅱ11交替运行，一个塔进行吸附、另一个塔同时进行再生，吸附塔达到吸附时长后转入再生阶段，运行周期为12小时；
吸附塔吸附时气流方向为自下而上；吸附塔再生时气流方向为自上而下，再生时通过部分引入成品气实现吸附剂的再生。
本实施例的营造维持极干燥宽温域环境的装置的使用方法，包括以下步骤：
S10.调节露点和二氧化碳含量
空压机2将环境空气首先送入冷却器3冷却，冷却器3内输入供水温度为7℃冷冻水，经冷却器3后，环境空气变为12℃左右饱和湿空气，再依次送入吸附塔Ⅰ4和吸附塔Ⅱ11进行深度除水、深度除二氧化碳，使得环境空气的露点≤-80℃、二氧化碳含量≤1ppm；最后将环境空气送入过滤器5进行过滤净化，得到干燥空气，干燥空气通过进气管道13和进气阀门12进入密封保温实验舱1，置换密封保温实验舱1的原有气体，使得密封保温实验舱1内的干燥空气具有超低露点超低二氧化碳含量，置换后的原有气体通过排气管道14和排气管道上的排气阀门10排出密封保温实验舱1；
S20.调节温度和压力；
当密封保温实验舱1内的干燥空气达到所需的露点参数和二氧化碳含量参数后，关闭进气阀门12和排气阀门10；根据干燥空气的温度参数，开启低温风机6抽取干燥空气，通过液氮换热器7降低密封保温实验舱1内的干燥空气的温度，同时打开输入系统对密封保温实验舱1内的干燥空气进行补风稳压；或者通过加热器8提高密封保温实验舱1内的干燥空气的温度，同时打开放气调节系统对密封保温实验舱1内的干燥空气进行排风降压；直至密封保温实验舱1内的干燥空气符合温度参数和压力参数要求；
S30.维持预置参数；
利用环境参数测控组件9实时监测密封保温实验舱1内的干燥空气的各种参数，当参数产生偏差后，开启空压机2、吸附塔Ⅰ4和吸附塔Ⅱ11、液氮换热器7、加热器8以及进气阀门12和排气阀门10进行实时调节，使得各种参数符合预置参数要求。
上述具体实施方式不以任何形式限制本发明的技术方案，凡是采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案均落在本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种营造维持极干燥宽温域环境的装置，其特征在于，所述的装置包括输入系统、循环系统、充放气调节系统、环境参数测控组件（9）和PID控制系统；
输入系统将环境空气依次经进气管道（13）上的空压机（2）、冷却器（3）、吸附塔和过滤器（5）处理成符合预置参数中的露点参数和二氧化碳参数含量要求的干燥空气后，再经进气阀门（12）送入密封保温实验舱（1）；
循环系统将密封保温实验舱（1）内的干燥空气通过低温风机（6）抽出，再通过低温风机（6）后并联的液氮换热器（7）和加热器（8）进行降温或者升温，得到符合温度要求的干燥空气后，送入密封保温实验舱（1）；
充放气调节系统通过打开密封保温实验舱（1）的进气管道（13）上的进气阀门（12），或者排气管道（14）上的排气阀门（10），升高或者降低密封保温实验舱（1）内的气体压力，将密封保温实验舱（1）内的气体压力维持在预置参数中的压力参数范围；
环境参数测控组件（9）包括用于测量密封保温实验舱（1）内干燥空气的气体参数的压力传感器、温度传感器、露点仪以及二氧化碳检测仪；
PID控制系统与输入系统、循环系统、充放气调节系统、环境参数测控组件（9）连接，通过PID控制进行调节，实现自动控制。
2.根据权利要求1所述的营造维持极干燥宽温域环境的装置，其特征在于，所述的输入系统利用环境参数测控组件（9）反馈的密封保温实验舱（1）内干燥空气的露点参数和二氧化碳含量参数，通过PID控制系统的PID控制算法利用吸附塔Ⅰ（4）、吸附塔Ⅱ（11）实现对舱内干燥空气的露点以及二氧化碳含量的自动调节，维持密封保温实验舱（1）内干燥空气的露点以及二氧化碳含量稳定。
3.根据权利要求1所述的营造维持极干燥宽温域环境的装置，其特征在于，所述的循环系统利用环境参数测控组件（9）反馈的密封保温实验舱（1）内干燥空气的温度参数，计算密封保温实验舱（1）内干燥空气的温度参数与设置参数的偏差，通过PID控制系统的PID控制算法利用液氮换热器（7）和加热器（8）实现对舱内干燥空气的温度的自动调节，维持密封保温实验舱（1）内干燥空气的温度稳定。
4.根据权利要求1所述的营造维持极干燥宽温域环境的装置，其特征在于，所述的充放气调节系统利用环境参数测控组件（9）反馈的密封保温实验舱（1）内干燥空气的压力参数，计算密封保温实验舱（1）内干燥空气的压力参数与设置参数的偏差，通过PID控制系统的PID控制算法打开和关闭进气阀门（12）或者排气阀门（10），实现对舱内干燥空气的压力的自动调节，维持密封保温实验舱（1）内干燥空气的压力稳定。
5.根据权利要求1所述的营造维持极干燥宽温域环境的装置，其特征在于，所述的密封保温实验舱（1）内的气体具有超低露点超低二氧化碳含量，露点温度≤-80℃，二氧化碳含量≤1ppm，气体温度100K~323K，气体压力±2Kpa。
6.根据权利要求1所述的营造维持极干燥宽温域环境的装置，其特征在于，所述的吸附塔内的吸附剂为氧化铝和分子筛，氧化铝与分子筛比例为1：1，氧化铝用于深度吸附空气中的水分，分子筛用于深度吸附空气中的二氧化碳。
7.根据权利要求1所述的营造维持极干燥宽温域环境的装置，其特征在于，所述的吸附塔包括并联连接的吸附塔Ⅰ（4）和吸附塔Ⅱ（11），吸附塔Ⅰ（4）和吸附塔Ⅱ（11）交替运行，一个塔进行吸附、另一个塔同时进行再生，吸附塔达到吸附时长后转入再生阶段，运行周期为12小时；
吸附塔吸附时气流方向为自下而上；吸附塔再生时气流方向为自上而下，再生时通过部分引入成品气实现吸附剂的再生。
8.一种营造维持极干燥宽温域环境的装置的使用方法，使用方法用于权利要求1~7中的任意一种营造维持极干燥宽温域环境的装置，其特征在于，包括以下步骤：
S10.调节露点和二氧化碳含量；
空压机（2）将环境空气首先送入冷却器（3）进行冷却除湿，再送入吸附塔进行深度除水、除二氧化碳，最后将环境空气送入过滤器（5）进行过滤净化，得到干燥空气，干燥空气通过进气管道（13）和进气阀门（12）进入密封保温实验舱（1），置换密封保温实验舱（1）的原有气体，使得密封保温实验舱（1）内的干燥空气具有超低露点超低二氧化碳含量，置换后的原有气体通过排气管道（14）和排气管道（14）上的排气阀门（10）排出密封保温实验舱（1）；
S20.调节温度和压力；
当密封保温实验舱（1）内的干燥空气达到所需的露点参数和二氧化碳含量参数后，关闭进气阀门（12）和排气阀门（10）；根据干燥空气的温度参数，开启低温风机（6）抽取干燥空气，通过液氮换热器（7）降低密封保温实验舱（1）内的干燥空气的温度，同时打开输入系统对密封保温实验舱（1）内的干燥空气进行补风稳压；或者通过加热器（8）提高密封保温实验舱（1）内的干燥空气的温度，同时打开放气调节系统对密封保温实验舱（1）内的干燥空气进行排风降压；直至密封保温实验舱（1）内的干燥空气符合温度参数和压力参数要求；
S30.维持预置参数；
利用环境参数测控组件（9）实时监测密封保温实验舱（1）内的干燥空气的各种参数，当参数产生偏差后，开启空压机（2）、吸附塔、液氮换热器（7）、加热器（8）以及进气阀门（12）和排气阀门（10）进行实时调节，使得各种参数符合预置参数要求。
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