CN212901788U - 一种快速营造极低露点空气环境的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种快速营造极低露点空气环境的装置。主要由真空抽气泵、鼓风机、空气组分混合箱、截止阀、露点仪、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。环境营造室单独连接真空抽气泵后与露点仪、空气组分混合箱、鼓风机通过管道形成一个封闭回路。本实用新型的特征在于用真空泵预先抽真空后，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，再将配置完成的空气送入环境营造室。本实用新型方法与现有技术方法相比，无需复杂的除湿技术就可以成功营造需要的环境。有效降低了营造极端低湿环境的成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及深度除湿和人工环境营造领域，具体来说，涉及一种快速营造极低露点空气环境的装置。
背景技术
对于一些需要极端干燥空气环境的场合，一般需要将环境中的水蒸气通过除湿技术进行消除，直到达到要求的参数。现阶段一般有冷冻除湿、转轮除湿、溶液除湿等方法，但是溶液除湿与冷冻除湿只有在加压的条件下，才可将要处理空气的露点降低至-20℃左右，氯化锂转轮除湿机的出风露点也仅在-40℃左右。要将出风露点降至-40℃以下，则需要采用硅胶以及分子筛转轮除湿的手段。这种除湿方式需要大量的再生热，且单台设备能够处理的干燥空气量小。所以，对于一些需要极低露点环境的应用场合来说，采用直接除湿的方法难以达到 -40℃以下的露点温度要求，且除湿时间较长、成本较高，难以满足有较大用气需求的应用场合。
实用新型内容
本实用新型的主要目的在于提出一种快速营造极低露点空气环境的装置，旨在解决现有技术中在营造极端干燥环境时，无法将水蒸气浓度处理到所要求的浓度的问题，即无法将露点温度调节在极低露点温度的问题。例如要求营造环境的水蒸气的要求浓度为2ppm，二氧化碳要求浓度为10ppm，现有的除湿设备以及除二氧化碳设备，均无法达到上述水平。为实现上述目的，本实用新型提供以下技术方案：
所述用于快速营造极低露点空气环境的装置包括空气组分混合箱、空气搅拌器、水蒸气添加设备、真空抽气泵、露点仪、PID控制器、鼓风机，环境营造室，所述真空抽气泵用于环境营造之前的抽真空工作，所述PID控制器以控制水蒸气添加设备的水蒸气添加量，所述露点仪用于测量装置内的各气体组分浓度，所述鼓风机用于使整个装置的空气顺畅流通，所述空气组分混合箱用于进行空气组分的混合，所述环境营造室用于营造要求的环境。
优选地，所述气体分析仪设置于环境营造室出风口处，用于检测由所述环境营造室中水蒸气浓度。
优选地，所述PID控制器用于接收所述气体分析仪测得的浓度数据，并与初始的设定浓度值进行比较，进而调整所述自动水蒸气喷嘴和自动二氧化碳喷嘴的开度。
优选地，所述水蒸气添加设备，用于往所述空气组分混合箱中加入水蒸气。
优选地，所述空气组分混合箱用于进行空气组分的混合过程，通过送风管将混合后的人造空气送入所述环境营造室。
另一方面，本实用新型的主要目的在于提出一种快速营造极低露点空气环境的装置，包括：
第一步：先用所述真空抽气泵将装置内的空气全部抽出。
第二步：通过所述空气组分混合箱中灌入空气比例的氮气与氧气。
第三步：开启风扇将氧气与氮气充分混合。
第四步：开启鼓风机，所述气体分析仪设置于环境营造室出风口处，检测由所述环境营造室中流出的水蒸气浓度。
第五步：所述PID控制器接收所述气体分析仪测得的浓度数据，并与初始的设定浓度值进行比较，进而调整所述自动水蒸气及自动二氧化碳喷嘴的开度，一段时间后使所述环境营造室内的各气体组分浓度达到要求水平。
本实用新型实施例的装置及方法能够快速营造出露点温度为-80℃以上的干燥空气环境。该装置能够大大减少环境营造时间以及人工成本
附图说明
图1为本实用新型实施例的结构示意图。
图中有：1环境营造室；2露点仪；3空气组分混合箱；4水蒸气添加设备； 5空气搅拌器；6鼓风机；7截止阀；8真空抽气泵；9风管。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型，并且在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本实用新型实施例的快速营造极低露点空气环境的装置，极低露点空气环境是指露点温度区间为-80℃～-40℃的环境。当然，该装置以用来配置低湿空气的原料气的水蒸气浓度作为所营造的低湿环境的水蒸气浓度下限值，就能营造出合理范围内任意水蒸气浓度的环境，大大降低营造成本以及人工成本。
参照图1，本实用新型实施例提供一种快速营造极低露点空气环境的装置，包括空气组分混合箱3、水蒸气添加设备4、真空抽气泵8、露点仪2和鼓风机 6。水蒸气添加设备4和空气组分混合箱3的第一进口连接，空气组分混合箱3 上设有氮气进口和氧气进口；空气组分混合箱3的出口通过第一管道和鼓风机6 的进口连接，露点仪2的出口通过第二管道和空气组分混合箱3的第二进口连接。使用时，真空抽气泵8通过第三管道和环境营造室1的第一出口连接，鼓风机6的出口通过第四管道和环境营造室1的进口连接，环境营造室1的第二出口通过第五管道和露点仪2的进口连接。
上述实施例中，环境营造室1用于营造所需要的环境。真空抽气泵8用于对环境营造室1抽真空。露点仪设置于环境营造室1出风口处，用于检测由所述环境营造室1流出的水蒸气浓度。水蒸气添加设备4用于向空气组分混合箱4中加添加需要的水蒸气。鼓风机6用于使整个装置的空气顺畅流通。空气组分混合箱3 用于进行空气组分的混合。
优选的，所述第一管道、第二管道、第三管道、第四管道和第五管道中分别设有阀门。设置阀门，可以控制管道的通闭。优选的，所述第一管道、第二管道、第三管道、第四管道和第五管道采用风管9。优选的，阀门为截止阀7。
优选的，所述空气组分混合箱3下部装有空气搅拌器5。空气搅拌器5用以均匀混合气体。在使用时，空气组分混合箱3中通入氧气、氮气和水蒸气。通过启动空气搅拌器5，将氧气、氮气和水蒸气混合均匀。
优选的，所述氮气进口和氧气进口位于空气组分混合箱3的侧面，所述第一进口位于空气组分混合箱3的侧面，第一进口所在的侧面和氧气进口所在的侧面相对；空气组分混合箱3的出口位于空气组分混合箱3的前侧或后侧，空气组分混合箱3的第二进口位于空气组分混合箱3的后侧或前侧，空气组分混合箱3的第二进口所在的面和空气组分混合箱3的出口所在的面相对。以该种进出口布局方式进行布局可以更充分的混合配置低湿空气所需的原料气，使配置出的低湿空气品质更接近于实际的低湿空气。
上述实施例中，装置用于营造露点温度在-80至-40摄氏度以上的任意极端干燥空气环境。
利用上述实施例的装置，快速营造极低露点空气环境的方法，包括：
步骤一：计算抽真空后的理论水蒸气浓度，用所述真空抽气泵8将环境营造室1内的空气抽出。具体地，真空抽气泵8抽真空后，关闭位于真空抽气泵8 前的阀门。所述环境营造室1内抽真空后的水蒸气理论浓度Cppm，vac通过式(1) 确定：
其中：Cppm，vac为所述环境营造室1内抽真空后的水蒸气理论浓度；P′为抽真空后所述环境营造室1中的压力值；C′ppm为抽真空前所述环境营造室1内水蒸气的体积浓度；P为环境营造室1内要求的压力值。
通过露点仪测出的浓度的数据与理论浓度数据进行比较，其误差保持在合理范围内，则露点仪正确运行，本步骤成功，进行下一步骤。
步骤二：向空气组分混合箱3中灌入空气比例的氮气与氧气，开启鼓风机6，将氧气与氮气充分混合，使得空气组分混合箱内3的压力达到要求的数值，此时关闭空气组分混合箱3前后的截止阀。具体地，空气组分混合箱3内的压力要求的理论值可由式(2)确定：
其中，Pfix表示空气组分混合箱3的理论压力值。Vsum表示整个装置和环境营造室1中气流流动空间的体积总和，包括各管道中空部分的体积、环境营造室1和空气组分混合箱3中空部分的体积。Vfix表示空气组分混合箱3的体积。P 表示所述环境营造室1内要求的压力值。
步骤三：打开所述空气组分混合箱3前后的截止阀，露点仪2设置于环境营造室1出风口处，检测由环境营造室1流出的气流中的实际水蒸气浓度Cppm’R。
步骤四：打开所述空气组分混合箱3前后的截止阀，露点仪2设置于环境营造室1出风口处，检测由环境营造室1流出的气流中的水蒸气的浓度。具体地，灌入空气比例的氮气与氧气后，所述环境营造室1中水蒸气的理论浓度通过式(3)、式(4)、式(5)、式(6)和式(7)确定：
m＝mN+mO+mvac 式(4)
其中：Cppm为环境营造室1内的初始理论水蒸气浓度；T为环境营造室1内的温度；M为水蒸气相对分子质量；m为加入的氮气、氧气加上抽真空后残留下的水蒸气理论质量；P为环境营造室1内要求的气压值；V为环境营造室1的体积；mN为所加入氮气中水蒸气的质量；Cppm′N为所加入氮气中的水蒸气浓度； VN为加入氮气的体积；PN为加入氮气的压力；TN为加入氮气的温度；mO为所加入氧气中水蒸气的质量；Cppm′O为为所加入氧气中的水蒸气浓度；VO为加入氧气的体积；PO加入氧气的压力；TO为加入氧气的温度。
通过步骤3中露点仪测出的实际水蒸气浓度数据与理论水蒸气浓度数据进行比较，其误差保持在合理范围内，则露点仪正常运行且测量数值正确，本实验步骤成功，进行下一实验步骤。
步骤五：露点仪2测得的实际水蒸气浓度数据与初始的设定浓度值进行比较，通过式(8)确定加入氮气、氧气后环境营造室内的水蒸气质量m，进而根据公式(9)调整所述水蒸气添加设备4向空气组分混合箱3中加入的水蒸气总质量Δm。
Δm＝m1-mR 式(9)
其中：mR为环境营造室1中实际的水蒸气质量；Cppm’R为所述环境营造室1 内由所述露点仪2测量出的实际水蒸气浓度；m1表示所需要营造环境的水蒸气的质量；Δm表示水蒸气添加设备4需要向环境营造室1中添加的水蒸气的质量。
步骤六：由步骤五得到所述水蒸气添加设备4需要向所述环境营造室1中添加的水蒸气的总质量Δm后，令Δmd为分布水蒸气添加量，其中Δmd＝Δm/K，K 值根据实际情况确定，开启空气搅拌器(5)混入水蒸气；利用露点仪(2)检测所述环境营造室(1)中水蒸气的浓度；根据露点仪(2)检测的实际水蒸气的浓度Cppm’R，返回步骤五调整水蒸气添加设备(4)向所述空气组分混合箱(3) 中添加的水蒸气的量，直至水蒸气浓度达到要求。
本实用新型实施例采用真空抽气泵8预先将环境营造室1抽真空后，再按正常空气组分的比例向空气组分混合箱3充入氮气和氧气，开启鼓风机6后，露点仪显示环境营造室1内的水蒸气含量后。根据水蒸气实际浓度与营造环境所需的水蒸气目标浓度的差值，通过PID控制器调整加入空气组分混合箱中的水蒸气量(步骤五、步骤六)，以营造需要的环境。
本实用新型实施例的方法与现有技术相比，无需通过复杂的多级深度除湿技术，就可以快速地营造极低露点的环境，且所营造的露点范围可任意调节，有效降低极端干燥环境的营造成本和能耗。
本实用新型实施例所能营造的露点温度极限值取决于抽真空装置的最低真空度及所添加氮气和氧气本身所含的水量，理论最低露点可达-80℃。通过调整加入环境中的水蒸气质量，可以使得所述环境营造室1中的露点温度达到任意设定值。
本实用新型实施例的装置也可以应用于营造任意露点值的环境，相较传统的除湿方式，其环境营造速度大大提升，适用于需要快速提供大量干燥空气的场合。且现有除湿技术一般是直接将湿空气的水蒸气通过冷凝、吸收、吸附等方式除去，需要消耗大量的时间和能源，而本方案采取配气的方式，利用市面上高纯氮气氧气中水蒸气含量几乎为零的特点，根据空气中氮气氧气的比例，就可以快速配置出极低露点温度的空气。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种快速营造极低露点空气环境的装置，其特征在于，所述装置包括环境营造室(1)、露点仪(2)、空气组分混合箱(3)、水蒸气添加设备(4)、空气搅拌器(5)、鼓风机(6)、截止阀(7)、真空抽气泵(8)、风管(9)；
水蒸气添加设备(4)和空气组分混合箱(3)的第一进口连接，空气组分混合箱(3)上设有氮气进口和氧气进口；空气组分混合箱(3)的出口通过第一管道和鼓风机(6)的进口连接，露点仪(2)的出口通过第二管道和空气组分混合箱(3)的第二进口连接；
使用时，真空抽气泵(8)通过第三管道和环境营造室(1)的第一出口连接，鼓风机(6)的出口通过第四管道和环境营造室(1)的进口连接，环境营造室(1)的第二出口通过第五管道和露点仪(2)的进口连接。
2.按照权利要求1所述的快速营造极低露点空气环境的装置，其特征在于，所述第一管道、第二管道、第三管道、第四管道和第五管道中分别设有阀门。
3.按照权利要求1所述的快速营造极低露点空气环境的装置，其特征在于，所述空气组分混合箱(3)下部装有空气搅拌器(5)。
4.按照权利要求1所述的快速营造极低露点空气环境的装置，其特征在于，所述装置用于营造露点温度在-80摄氏度以上的干燥空气环境。
5.按照权利要求1所述的快速营造极低露点空气环境的装置，其特征在于，所述氮气进口和氧气进口位于空气组分混合箱(3)的侧面，所述第一进口位于空气组分混合箱(3)的侧面，第一进口所在的侧面和氧气进口所在的侧面相对；空气组分混合箱(3)的出口位于空气组分混合箱(3)的前侧或后侧，空气组分混合箱(3)的第二进口位于空气组分混合箱(3)的后侧或前侧，空气组分混合箱(3)的第二进口所在的面和空气组分混合箱(3)的出口所在的面相对。
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