CN106134450B - 一种野外高效空气氚化水蒸汽冷凝收集装置 - Google Patents

Abstract

一种野外高效空气氚化水蒸汽冷凝收集装置，包括蒸发器组件、毛细管、热力膨胀阀、单向阀、冷凝器、电磁换向阀和压缩机，蒸发器组件包括风机、螺旋翅管、外筒体、进风口、中心筒、集水斗、收集瓶，螺旋翅管盘绕在中心筒的外表面，螺旋翅管和中心筒一起套接在外筒体内部，风机位于外筒体顶部，进风口布置在外筒体的外侧面，外筒体的底部装有集水斗，集水斗的出口接收集瓶。当与环境温度对应的露点温度高于或低于0℃时，压缩机对气态制冷剂做功形成的蒸汽通过不同的循环路径，使得空气中包含的氚化水蒸汽在螺旋翅管上凝结成水并沿集水斗流入收集瓶中。本发明装置结构简单，工作温度范围宽，维护方便，通用性强，适用于各种野外工作环境。

Description

一种野外空气氚化水蒸汽冷凝收集装置

技术领域

本发明涉及一种水蒸汽收集装置，特别是一种适于野外作业的对空气氚化水蒸汽进行冷凝收集的装置。

背景技术

核反应后产生的氚元素一般附着在空气中的水分子上，对空气中的氚元素含量作检测，可以有助于环境监测和国防科学研究取样等工作的开展。

目前，国内对空气中的氚化水蒸汽取样一般采用三种方式：第一种是将蛇形管放在盛有液氮的容器中，借助空气泵使环境空气流经蛇形管，待水蒸汽在管壁上凝结成水后再进行收集。这种方法的不足之处在于液氮来源难以保证，且空气泵的泵量较小，导致水蒸汽的收集量小，同时使用空气泵还会增加空气的温度，不利于水蒸汽的冷凝。第二种方法是将蛇形管放在冰柜中，利用空气泵使空气在冷凝管中通过，冰柜中的低温冰室对流过蛇形管中的空气进行冷却，而后再收集凝结在管壁上的水。这种方法中采用冰柜作为冷却装置，因冰柜比较沉重，不适于野外使用；第三种方法是专利申请号为CN200420077918.8，名称为“被动式HTO取样器”的专利公开的取样装置，该取样器包括瓶体、装在瓶体内的干燥剂以及与瓶体紧密连接的瓶盖，在瓶盖上开有连通瓶内外的中心孔道，在中心孔道与瓶体的内空间之间还设有空气滤膜。通过空气与滤膜的对流，外界空气中的氚元素通过取样器顶盖上的孔道扩散到取样瓶内，并被瓶内的干燥剂吸收，由此得到氚元素。该种方法的缺点是对环境条件要求比较苛刻，仅适用于温湿度较高且取样量微小的场合，而且需要再分离提取氚，工作周期长，适用的范围受到限制。

国防研究需要一种几乎适用于所有季节、在任何地域均能快速收集空气中氚化水蒸汽的装置。在一般环境温、湿度条件下，该装置应能在短时间内收集到研究所用的氚化水量；即使是应用地域内的极限低温低湿场合，装置也应能高效完成收集水的工作。上述三种方法显然无法满足这样的需求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种结构简单、收集效率高的野外空气氚化水蒸汽冷凝收集装置。

本发明的技术解决方案是：一种野外空气氚化水蒸汽冷凝收集装置，包括蒸发器组件、毛细管、热力膨胀阀、单向阀、冷凝器、电磁换向阀和压缩机，所述的蒸发器组件包括风机、螺旋翅管、外筒体、进风口、中心筒、集水斗、收集瓶，螺旋翅管盘绕在中心筒的外表面，螺旋翅管和中心筒一起套接在外筒体内部，风机位于外筒体顶部，进风口布置在外筒体的外侧面，外筒体的底部装有集水斗，集水斗的出口接收集瓶；当与环境温度对应的露点温度高于0℃时，压缩机对气态制冷剂做功形成蒸汽，蒸汽依次经电磁换向阀、冷凝器、单向阀、热力膨胀阀到达螺旋翅管，流经螺旋翅管后经由电磁换向阀回流至压缩机，风机使从进风口进入的空气自下而上流经由外筒体和中心筒之间形成的环状通道，流入空气温度低于露点温度后在螺旋翅管上凝结成水并沿集水斗流入收集瓶中；当与环境温度对应的露点温度低于0℃时，压缩机对气态制冷剂做功形成蒸汽，蒸汽依次经电磁换向阀、冷凝器、单向阀、热力膨胀阀到达螺旋翅管，流经螺旋翅管后经由电磁换向阀回流至压缩机，风机使从进风口进入的空气自下而上流经由外筒体和中心筒之间形成的环状通道，流入空气温度低于露点温度后在螺旋翅管上凝结成霜，融霜时压缩机内的蒸汽反向流动，蒸汽经电磁换向阀到达螺旋翅管，流经螺旋翅管后依次经毛细管、单向阀、冷凝器、电磁换向阀回流至压缩机，螺旋翅管上凝结的霜融霜后沿集水斗流入收集瓶中。

所述压缩机的制冷功率不小于735W。所述的风机的排风量不小于60m³/h。

所述的蒸发器组件的外部包覆有保温层。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明装置使用便携式压缩机组作为氚化水蒸汽的收集动力源，工作温度范围宽，维护方便，通用性强，耐冲击、振动等各种恶劣野外工作环境；利用风机抽风形成空气的强制对流，对流空气扩散均匀，空气在蒸发器中流速较慢，有更多时间用于热交换，使空气冷凝充分；采用热力膨胀阀，流路正常工作时通过热力膨胀阀提供阻抗制冷工作，当四通电磁阀换向时流路反向工作，在冷凝器与蒸发器之间布置毛细管提供阻力，实现蒸发器的换向加热功能，可将在蒸发器管外壁凝结的冰霜化成液态水流下，方便收集，无须另设加热源；冷凝器的排风扇与蒸发器的进口相背布置，避免热空气进入蒸发器进风口，有利于空气的降温过程；

(2)蒸发器内采用翅片管盘绕方式，制冷剂在蒸发器螺旋翅管内流动，空气在螺旋翅管外流动，对流换热效率高；

(3)空气从下往上运动易于形成冷凝水雾借助重力沉积在蒸发器上，如空气从上向下流动易造成冷凝水的雾状流失；

(4)蒸发器采用双层光滑铜管，有利于清洗维护，铜管下水托盘内表面为非金属隔热光滑材料，保证在零下温度融霜时不发生结冰现象；

(5)通往蒸发器组件的制冷剂管路采用截止阀和快速接头，利于蒸发器定期拆卸和清理维护。

附图说明

图1为本发明收集装置的组成及工作原理图；

图2为本发明收集装置中蒸发器组件的结构示意图；

图3为本发明收集装置的一种实现结构图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明收集装置的组成及工作原理图，包括蒸发器组件1、毛细管2、热力膨胀阀3、单向阀4、冷凝器5、电磁换向阀6和压缩机7。图2为蒸发器组件1的结构示意图，包括风机8、螺旋翅管9、外筒体10、进风口11、中心筒12、集水斗13、收集瓶14。

如图2所示，螺旋翅管9盘绕在中心筒12的外表面，螺旋翅管9和中心筒12一起套接在外筒体10内部，风机8位于外筒体10顶部，进风口11布置在外筒体10的外侧面，外筒体10的底部装有集水斗13，集水斗13的出口接收集瓶14，安装卡箍15将外筒体10等固定在压缩制冷机组17上。

通过大量的实验，在一个大气压下，本装置以5℃～25℃范围内的一个数值为分界值。当环境温度高于此分界值时，其对应的露点温度为零度以上，空气中的饱和水蒸汽遇冷凝结成水；当环境温度低于此分界值时，其对应的露点温度为零度以下，空气中的饱和水蒸汽遇冷凝结成霜。

当与环境温度对应的露点温度为零度以上时，一次集水过程包括制冷、集水循环两个过程。制冷时，压缩机7对气态制冷剂做功使其压缩，形成高温高压的蒸汽，流经电磁换向阀6，在冷凝器5中放出热量，依次冷却、液化，变成高压常温液体，并送往热力膨胀阀3，热力膨胀阀3将高压常温液体进行节流降压，成为低压低温液体制冷剂，送往蒸发器组件1。经过减压降温的低压低温液体制冷剂，在蒸发器组件1中从螺旋翅管9内流过，吸收空气中大量潜热而蒸发。集水循环时，风机8工作，在外筒体10、中心筒12之间形成环状狭长通道，使从进风口15进入的空气自下而上流经通道并降温，当空气的温度降低到一定程度，即对应于当前大气压下空气中所含水蒸汽的露点后，水蒸汽会凝结并挂在螺旋翅管9上，依靠重力作用沿集水斗13流到收集瓶14中。

当与环境温度对应的露点温度为零度以下时，压缩机7对气态制冷剂做功使其压缩，形成高温高压的蒸汽，流经电磁换向阀6，在冷凝器5中放出热量，依次冷却、液化，变成高压常温液体，并送往热力膨胀阀3，热力膨胀阀3将高压常温液体进行节流降压，成为低压低温液体制冷剂，送往蒸发器组件1。经过减压降温的低压低温液体制冷剂，在蒸发器组件1中从螺旋翅管9内流过，吸收空气中大量潜热而蒸发。此时风机8工作，在外筒体10、中心筒12之间形成环状狭长通道，使从进风口15进入的空气自下而上流经通道并降温，当空气的温度降低到一定程度，即对应于当前大气压下空气中所含水蒸汽的露点后，水蒸汽会在螺旋翅管9上凝结成冰霜；融霜时，电磁换向阀6换向，压缩机7里的制冷剂反向流动，经蒸发器组件1、毛细管2、单向阀4再流向冷凝器5。流过蒸发器组件1时，制冷剂为高温蒸汽，加热螺旋翅管9，使凝结在螺旋翅管9上的冰霜融化，而后在重力作用下通过集水斗13流到收集瓶14中。需要注意的是，低温低湿度取样时，风机8初期风量调在低速，使螺旋翅管9外壁形成茸状冰霜，初始冰霜表面是冰霜生长的前提条件。再加大排风量，冰霜会不断加厚，在融霜时要采用间隔换向加热进行，连续融霜会造成水的蒸发散失。

蒸发器组件1内的螺旋翅管9为圆筒式螺旋盘管型，结构简单实用，可拆卸，维护、清理方便。采用翅片管可有效增加换热面积，同时减少水凝结成膜，增加水蒸汽的滴状冷凝，有利于冷凝水的有效收集。内层盘绕的中心筒12表面光滑，起到对外层螺旋盘管做有效换热补充的作用，中心筒12为φ80的圆筒，同时它使空气以层流和紊流双重状态进行有效换热。蒸发器组件1外部还可包裹保温板，以巩固制冷效果。在盘管上凝结一定的水后，水会汇集成液滴滴落到底部，再沿集水斗13凹陷的球面滑落到收集瓶14中。

实验表明，在一个大气压下，温度为环境温度(包括夏季的最高温度和冬季的最低温度)时，本装置中使用的压缩机7的制冷功率只要不小于735W，即可保证通过外筒体10和中心筒12之间通道的空气温度降到当前环境温湿度下的露点，可以实现空气中水蒸汽冷凝或结霜到蒸发器中螺旋翅管9的表面。风机8在螺旋翅管9的上方，自下而上的吸气。同样，当排风量不小于60m³/h时，即可保证足够的取样空气量。因为当前环境温度越低、相对湿度约小，收集水越不易。在确定装置压缩机组的功率时，是按其使用最苛刻环境，即-15℃、相对湿度17％的环境温湿度条件设计的，且-15℃、相对湿度17％的试验条件下水的收集速率不小于30g/8h。说明装置在苛刻环境条件下可以高效收集要求的水量，在一般环境条件下更能实现快速收集。

为了工作安全，可在本发明装置压缩机处设置压缩机入口压力过低和冷凝器温升与压力过高的自保护功能，通往蒸发器组件1的制冷剂管路采用截止阀和快速接头，利于蒸发器定期拆卸和清理维护。

如图3所示，为本发明装置的一种实现结构形式，包括控制机箱16、压缩制冷机组17(包括图1中的各组成部件)、车架18。控制机箱16安装在车架18的左上侧，起对装置通断电和设置温度的作用。压缩制冷机组17安装在车架18底部，降低装置的中心，利于装置行进的稳定。车架18底部安装行轮，适于野外作业。具体工作过程如下：

(1)观察控制机箱16内温湿度仪表所测量的环境温度与湿度；

(2)根据当前温湿度值，可应用Magnus-Tetens近似法计算露点：

$T_d=\frac{b\[\frac{aT}{b+T}+ln(RH/100)\]}{a-\[\frac{aT}{b+T}+ln(RH/100)\]}$

其中a、b为常数，a＝17.27、b＝237.7℃，T为温度值，RH为相对湿度值，T_d为露点温度；或者利用露点计测出水蒸汽的露点温度，设定制冷目标温度，其值应低于露点至少5℃；

(3)启动压缩制冷机组1工作，打开风机8开关，氚化水蒸汽即开始冷凝或结霜在蒸发器螺旋翅管9的外壁；

(4)如环境温度对应的露点温度高于0℃，氚化水蒸汽直接冷凝成液态水，依靠重力作用流入收集瓶14，观察取样量满足试验需求，停机即可；

(5)如环境温度对应的露点温度低于0℃，空气中的饱和水蒸汽含量较低，可延长运行时间到4～8小时，氚化水蒸汽在螺旋翅管9外壁冷凝成冰霜；

(6)打开融霜开关，将凝结在螺旋翅管9外壁上的冰霜溶解成液态水，即可进行收集。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种野外空气氚化水蒸汽冷凝收集装置，其特征在于包括：蒸发器组件(1)、毛细管(2)、热力膨胀阀(3)、单向阀(4)、冷凝器(5)、电磁换向阀(6)和压缩机(7)，所述的蒸发器组件(1)包括风机(8)、螺旋翅管(9)、外筒体(10)、进风口(11)、中心筒(12)、集水斗(13)、收集瓶(14)，螺旋翅管(9)盘绕在中心筒(12)的外表面，螺旋翅管(9)和中心筒(12)一起套接在外筒体(10)内部，风机(8)位于外筒体(10)顶部，进风口(11)布置在外筒体(10)的外侧面，外筒体(10)的底部装有集水斗(13)，集水斗(13)的出口接收集瓶(14)；当与环境温度对应的露点温度高于0℃时，压缩机(7)对气态制冷剂做功形成蒸汽，蒸汽依次经电磁换向阀(6)、冷凝器(5)、单向阀(4)、热力膨胀阀(3)到达螺旋翅管(9)，流经螺旋翅管(9)后经由电磁换向阀(6)回流至压缩机(7)，风机(8)使从进风口(11)进入的空气自下而上流经由外筒体(10)和中心筒(12)之间形成的环状通道，流入空气温度低于露点温度后在螺旋翅管(9)上凝结成水并沿集水斗(13)流入收集瓶(14)中；当与环境温度对应的露点温度低于0℃时，压缩机(7)对气态制冷剂做功形成蒸汽，蒸汽依次经电磁换向阀(6)、冷凝器(5)、单向阀(4)、热力膨胀阀(3)到达螺旋翅管(9)，流经螺旋翅管(9)后经由电磁换向阀(6)回流至压缩机(7)，风机(8)使从进风口(11)进入的空气自下而上流经由外筒体(10)和中心筒(12)之间形成的环状通道，流入空气温度低于露点温度后在螺旋翅管(9)上凝结成霜，融霜时压缩机内的蒸汽反向流动，蒸汽经电磁换向阀(6)到达螺旋翅管(9)，流经螺旋翅管(9)后依次经毛细管(2)、单向阀(4)、冷凝器(5)、电磁换向阀(6)回流至压缩机(7)，螺旋翅管(9)上凝结的霜融霜后沿集水斗(13)流入收集瓶(14)中。

2.根据权利要求1所述的一种野外空气氚化水蒸汽冷凝收集装置，其特征在于：所述的压缩机(7)的制冷功率不小于735W。

3.根据权利要求1或2所述的一种野外空气氚化水蒸汽冷凝收集装置，其特征在于：所述的风机(8)的排风量不小于60m³/h。

4.根据权利要求1或2所述的一种野外空气氚化水蒸汽冷凝收集装置，其特征在于：所述的蒸发器组件(1)的外部包覆有保温层。