CN208476717U - 一种精确测量吸附剂开式吸附水蒸气的装置 - Google Patents

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本实用新型公开了一种精确测量吸附剂开式吸附水蒸气的装置，其包含：用于对吸附剂进行脱附的吸附剂脱附系统；与吸附剂脱附系统连接，用于对吸附剂脱附的气体进行冷凝的冷凝系统；与冷凝系统连接，用于对凝结水量进行测量的凝结水测量系统；与凝结水测量系统连接，用于对未凝结气体含水量进行测量的含湿量测量系统。本实用新型可精确测量吸附剂吸附的各种气体中具体水蒸气的精确值，通过分离测量的方法将脱附出的凝结水量和未凝结气体中的水蒸气含量分别测量计算，具有实验结果精准、操作简单、稳定性较好、可用范围广等优点。

Description

一种精确测量吸附剂开式吸附水蒸气的装置
技术领域
本实用新型涉及吸附吸附量的测量技术领域，具体涉及一种精确测量吸附剂开式吸附水蒸气的装置。
背景技术
目前缺水地区获得水主要有三种途径：淡水输运，海水淡化，以及空气制水。
空气制水主要有冷凝制水以及吸附制水，吸附制水具有以下优点：在相对湿度极低的情况下，冷凝制水存在露点温度低，难以制水，吸附制水可以利用吸附剂的吸附特性，完成制水。
目前，对于吸附剂吸附量测量主要有称重法和冷凝法。
称重法是采用重量变化测量的方法，无法准确测量出吸附剂吸附脱附出的吸附质含水量，其原因在于吸附剂在开式吸附条件下，即在大气环境中吸附水蒸气，由于吸附剂结构特点，其吸附通常具有较为广泛的吸附特性，对多种气体均会吸附,对于吸附剂的广泛吸附性在下列文献中也有报道，授权公布号CN102580669“一种空分制氧沸石吸附剂的制备方法”所提到的型体沸石13X吸附剂的氮气吸附量为5.60ml/g，氧气吸附量为2.33ml/g。所以采用称重法测得的吸附剂吸附水蒸气量比实际吸附量要大，其差值为吸附剂吸附的其它不凝气体。
冷凝法是将吸附剂脱附的气体进行冷凝，然后测试冷凝水量从而得出吸附剂的水蒸气吸附量，该方法存在部分的水蒸气随不凝气体溢出引起测试不准确。冷凝法测得的吸附剂吸附水蒸气量比实际吸附量要小，其差值为水蒸气随不凝气体溢出部分。对于吸附剂的开式吸附性能，目前缺乏精确测试手段。
被公开的用于测试吸附剂吸附性能的专利有：授权公布号CN202119741“一种吸附性能测试的装置”主要用于闭式吸附，无法满足对开式状态下太阳能吸附制水管中吸附剂的性能测试需求。授权公布号CN105136922“一种吸附剂性能动态检测装置”没有对于脱附出的吸附质进行收集的系统，只能测试沸点较低的吸附质。授权公布号CN104849170“一种太阳能吸附制水管的开式吸附性能测试系统及其方法”采用称重法测量，只能测量出吸附剂减少量，减少量中还包括吸附的氧气、氮气等，所以该测量方式存在误差。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种精确测量吸附剂开式吸附水蒸气的装置，以精准地测量凝结的吸附质和未凝结的水蒸气。
为达到上述目的，本实用新型提供了一种精确测量吸附剂开式吸附水蒸气的装置，其包含：
用于对吸附剂进行脱附的吸附剂脱附系统；
与吸附剂脱附系统连接，用于对吸附剂脱附的气体进行冷凝的冷凝系统；
与冷凝系统连接，用于对凝结水量进行测量的凝结水测量系统；
与凝结水测量系统连接，用于对未凝结气体含水量进行测量的含湿量测量系统。
上述的精确测量吸附剂开式吸附水蒸气的装置，其中，所述吸附剂脱附系统包含：温度控制箱；设置在温度控制箱内并与冷凝系统管路连接，用于放置吸附剂的不锈钢反应器；设置在温度控制箱内的电加热器；设置在温度控制箱内的温度探头，及，分别与电加热器和温度探头连接，用于通过控制电加热器功率以使温度控制箱内达到吸附剂脱附温度的PID控制器。
上述的精确测量吸附剂开式吸附水蒸气的装置，其中，所述吸附剂脱附系统还包含设置在不锈钢反应器内的L形测温套管；所述L形测温套管的末端位于反应器的中心位置，并设置有用于测量吸附剂中心处温度的第一热电偶；所述L形测温套管的拐角处位于反应器的边缘位置，并设置有用于测量吸附剂边缘处温度的第二热电偶；所述第一热电偶与第二热电偶分别与数据采集仪连接；所述数据采集仪与用于显示采集数据的计算机连接。
上述的精确测量吸附剂开式吸附水蒸气的装置，其中，所述不锈钢反应器包括反应器本体及与反应器本体密封连接的上盖。
上述的精确测量吸附剂开式吸附水蒸气的装置，其中，所述上盖与反应器本体之间通过法兰和密封圈密封。
上述的精确测量吸附剂开式吸附水蒸气的装置，其中，所述冷凝系统包含：冷凝器及冷水机组；所述冷凝器的冷侧入口及冷侧出口与冷水机组连接；所述冷凝器的热侧入口与吸附剂脱附系统连接；所述冷凝器的热侧出口与凝结水测量系统连接。
上述的精确测量吸附剂开式吸附水蒸气的装置，其中，所述冷水机组与冷凝器的冷侧入口之间设置有温度测试器。
上述的精确测量吸附剂开式吸附水蒸气的装置，其中，所述凝结水测量系统包含：用于测量凝结水体积的量筒及用于密封所述量筒的密封胶塞；所述量筒分别与冷凝系统和含湿量测量系统通过管路连接。
上述的精确测量吸附剂开式吸附水蒸气的装置，其中，所述含湿量测量系统包含：用于测量未凝结气体体积的气体测试容器和设置在气体测试容器内的可移动活塞；所述可移动活塞将气体测试容器分割成第一空腔和第二空腔；所述第一空腔与凝结水测量系统管路连接，并设置有用于测量第一空腔内温度和湿度的温湿度测量仪及用于测量第一空腔内压力的压力测试仪。
相对于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：
(1)操作简单，只需将吸附好的吸附剂放入不锈钢反应器内，增温脱附即可，并无过多步骤。
(2)实验结果较为准确，本实用新型所提供的装置不仅可测得凝结水量，还可测量出未凝结气体中所含水量，相比于传统的称重法和凝结法其测量结果更为准确。
(3)使用范围广，可根据不同吸附剂调节脱附温度。
附图说明
图1为本实用新型精确测量吸附剂开式吸附水蒸气的装置的结构示意图；
图2为本实用新型中L形测温套管的物理模型示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本实用新型作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本实用新型，并不是对本实用新型保护范围的限制。
如图1所示，本实用新型提供了一种精确测量吸附剂开式吸附水蒸气的装置，其包含：
用于对吸附剂进行脱附的吸附剂脱附系统；
与吸附剂脱附系统连接，用于对吸附剂脱附的气体进行冷凝的冷凝系统；
与冷凝系统连接，用于对凝结水量进行测量的凝结水测量系统；
与凝结水测量系统连接，用于对未凝结气体(不凝气体以及部分水蒸气)含水量进行测量的含湿量测量系统。
所述吸附剂脱附系统包含：温度控制箱10；设置在温度控制箱10内并与冷凝系统管路连接，用于放置吸附剂的不锈钢反应器11；设置在温度控制箱10内的电加热器12；设置在温度控制箱10内的温度探头13，及，分别与电加热器12和温度探头13连接，用于通过控制电加热器12功率以使温度控制箱10内达到吸附剂脱附温度的PID控制器14。
所述吸附剂脱附系统还包含设置在不锈钢反应器11内的L形测温套管15；所述L形测温套管15的末端位于反应器的中心位置，并设置有用于测量吸附剂中心处温度的第一热电偶；所述L形测温套管15的拐角处位于反应器的边缘位置，并设置有用于测量吸附剂边缘处温度的第二热电偶；所述第一热电偶与第二热电偶(可选择T型热电偶)分别与数据采集仪16连接；所述数据采集仪16与用于显示采集数据的计算机17连接。可选地，L形测温套管15穿过不锈钢反应器11顶部后设置在不锈钢反应器11内，可调整测量高度且与不锈钢反应器11接口处采用过盈硅胶密封。进一步地，所述不锈钢反应器11包括反应器本体及与反应器本体密封连接的上盖。更进一步地，所述上盖与反应器本体之间通过法兰18和密封圈19(可选聚四氟乙烯密封圈19)密封。
所述冷凝系统包含：冷凝器20及冷水机组21；所述冷凝器20的冷侧入口及冷侧出口与冷水机组21连接；所述冷凝器20的热侧入口与吸附剂脱附系统连接；所述冷凝器20的热侧出口与凝结水测量系统连接。进一步地，所述冷水机组21与冷凝器20的冷侧入口之间设置有温度测试器22。
所述凝结水测量系统包含：用于测量凝结水体积的量筒30及用于密封所述量筒30的密封胶塞31；所述量筒30分别与冷凝系统和含湿量测量系统通过管路连接。
所述含湿量测量系统包含：用于测量未凝结气体体积的气体测试容器40和设置在气体测试容器40内的可移动活塞41；所述可移动活塞41将气体测试容器40分割成第一空腔42和第二空腔43；所述第一空腔42与凝结水测量系统管路连接，并设置有用于测量第一空腔42内温度和湿度的温湿度测量仪44及用于测量第一空腔42内压力的压力测试仪45。
如图2所示，在选择L型测温套管时：
首先，建立一维稳态等截面直肋的物理模型建立方程：
式中tH为套管内部温度，tf为套管外部温度，t0为套管根部(拐角处)温度，H为肋高，ch为双曲余弦函数。
式中，h为表面传热系数，P为换热周长，λ为导热系数，A为套管截面积。
其次，根据方程可得出，选择长且薄的套管，材质选用导热系数小的不锈钢管，可减少测量误差。
上述的精确测量吸附剂开式吸附水蒸气的装置用于精确测量的方法包含以下步骤：
步骤1：将吸附后的吸附剂放置在吸附剂脱附系统中进行升温脱附；
步骤2：脱附出的气体经冷凝系统冷凝后进入凝结水测量系统；
步骤3：通过凝结水测量系统对凝结水量进行测量，未凝结气体溢出至含湿量测量系统；
步骤4：通过含湿量测量系统对未凝结气体含水量进行测量；
步骤5：将凝结水量和未凝结气体含水量相加得到吸附剂开式吸附水蒸气的量。
具体使用本实用新型所提供的装置时，首先应检测装置整体的气密性，在确保气密性良好的前提下，将吸附好的吸附剂放置于不锈钢反应器11内，然后进行相应测量实验，具体过程介绍如下。
脱附实验过程:
首先调节测温套管，使其在最佳测温位置，不锈钢反应器11使用聚四氟乙烯密封圈19密封并用法兰18固定。
进一步，通过PID控制器14调节电加热器12使温度控制箱10内的温度达到吸附剂脱附温度，通过数据采集仪16检测吸附剂温度变化。
冷凝及凝结水量测量实验过程：
在开启吸附剂脱附系统同时，开启冷凝系统，假设环境温度为20℃，温湿度测试仪在40％-60％范围内测量结果精准。
首先，开启冷水机组21。
其次，通过读取温度测试器22，人工调节冷水机组21供水温度，实现不同温度段的冷凝，以保证空气湿度在相对精准的测量范围之内。在本实施例中，根据湿空气焓湿图查得，采用7℃-12℃冷凝可实现冷凝之后气体相对湿度在40％-60％，以保证空气湿度在相对精准的测量范围之内。
进一步，调节冷却水温度为7℃-12℃，使脱附气体冷凝。通过量筒30测量得到凝结水量。
未凝结气体含水量测量过程：
首先，通过压力测试仪45反馈第一空腔42内气体压力值，通过推动可移动活塞41使第一空腔42保持在标准大气压。
其次，通过气体测试容器40，其上带有容积刻度，测量出脱附前后第一空腔42内的气体体积。
进一步，通过温湿度测量仪44，测量出脱附前后第一空腔42内气体的温湿度。
吸附剂开式吸附水蒸气的量的计算过程：
凝结水量直接观测量筒获得。
未凝结气体含水量计算：
首先，由温湿度测量仪测量的数据，查湿空气焓湿图，得出该温度下的饱和水蒸气分压力。
其次，可计算出该温度、湿度下的水蒸气分压力为：
式中，PV为该温度下湿空气的水蒸气分压力，Pa；为湿空气相对湿度；PS为该温度下饱和湿空气的水蒸气分压力，Pa；
进一步，由理想气体状态方程得水蒸气的绝对湿度为
式中，ρS为该温度下水蒸气绝对湿度，kg/m3；PV为该温度下水蒸气分压力，Pa；RV为水蒸气的气体常数，RV＝461J/(kg*k)；T为热力学温度，K；
进一步，未凝结气体中水蒸气的质量
式中，为脱附后水蒸气绝对湿度，kg/m3；V2为脱附后容器体积，m3；为脱附前水蒸气绝对湿度kg/m3；V1为脱附前容器体积，m3。
最后，吸附剂开式吸附水蒸气的量(吸附质脱附量)等于凝结水量加未凝结气体中水蒸气含量。
综上所述，本实用新型可精确测量吸附剂吸附的各种气体中具体水蒸气的精确值，通过分离测量的方法将脱附出的凝结水量和未凝结气体中的水蒸气含量分别测量计算，具有实验结果精准、操作简单、稳定性较好、可用范围广等优点。
尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种精确测量吸附剂开式吸附水蒸气的装置，其特征在于，其包含：
用于对吸附剂进行脱附的吸附剂脱附系统；
与吸附剂脱附系统连接，用于对吸附剂脱附的气体进行冷凝的冷凝系统；
与冷凝系统连接，用于对凝结水量进行测量的凝结水测量系统；
与凝结水测量系统连接，用于对未凝结气体含水量进行测量的含湿量测量系统。
2.如权利要求1所述的精确测量吸附剂开式吸附水蒸气的装置，其特征在于，所述吸附剂脱附系统包含：温度控制箱；设置在温度控制箱内并与冷凝系统管路连接，用于放置吸附剂的不锈钢反应器；设置在温度控制箱内的电加热器；设置在温度控制箱内的温度探头，及，分别与电加热器和温度探头连接，用于通过控制电加热器功率以使温度控制箱内达到吸附剂脱附温度的PID控制器。
3.如权利要求2所述的精确测量吸附剂开式吸附水蒸气的装置，其特征在于，所述吸附剂脱附系统还包含设置在不锈钢反应器内的L形测温套管；所述L形测温套管的末端位于反应器的中心位置，并设置有用于测量吸附剂中心处温度的第一热电偶；所述L形测温套管的拐角处位于反应器的边缘位置，并设置有用于测量吸附剂边缘处温度的第二热电偶；所述第一热电偶与第二热电偶分别与数据采集仪连接；所述数据采集仪与用于显示采集数据的计算机连接。
4.如权利要求2所述的精确测量吸附剂开式吸附水蒸气的装置，其特征在于，所述不锈钢反应器包括反应器本体及与反应器本体密封连接的上盖。
5.如权利要求4所述的精确测量吸附剂开式吸附水蒸气的装置，其特征在于，所述上盖与反应器本体之间通过法兰和密封圈密封。
6.如权利要求1所述的精确测量吸附剂开式吸附水蒸气的装置，其特征在于，所述冷凝系统包含：冷凝器及冷水机组；所述冷凝器的冷侧入口及冷侧出口与冷水机组连接；所述冷凝器的热侧入口与吸附剂脱附系统连接；所述冷凝器的热侧出口与凝结水测量系统连接。
7.如权利要求6所述的精确测量吸附剂开式吸附水蒸气的装置，其特征在于，所述冷水机组与冷凝器的冷侧入口之间设置有温度测试器。
8.如权利要求1所述的精确测量吸附剂开式吸附水蒸气的装置，其特征在于，所述凝结水测量系统包含：用于测量凝结水体积的量筒及用于密封所述量筒的密封胶塞；所述量筒分别与冷凝系统和含湿量测量系统通过管路连接。
9.如权利要求1所述的精确测量吸附剂开式吸附水蒸气的装置，其特征在于，所述含湿量测量系统包含：用于测量未凝结气体体积的气体测试容器和设置在气体测试容器内的可移动活塞；所述可移动活塞将气体测试容器分割成第一空腔和第二空腔；所述第一空腔与凝结水测量系统管路连接，并设置有用于测量第一空腔内温度和湿度的温湿度测量仪及用于测量第一空腔内压力的压力测试仪。
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