CN109004250A - 一种快速调节管道气体温度湿度的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种调节管道气体的装置及方法，具体涉及一种快速调节管道气体的温度、湿度的技术，属于燃料电池领域。该装置包括气体与蒸汽混合***和调温***，气体与蒸汽混合***分别设置气体和蒸汽两条管路，两管路汇合在喷嘴处，喷嘴喷出后继续混合调温后输出，调温***通过调节进入夹套热剂冷剂的比例达到调节夹套内温度的目的。本发明可以提高响应速度，减小热滞后，特别是针对增湿装置在额定范围提供温度湿度流量的快速变化控制。

Description

一种快速调节管道气体温度湿度的装置和方法
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种快速调节管道气体的温度、湿度的装置和方法。
背景技术
一些工业过程需要对气体，例如带有一定压力的管道气体进行升温、增湿。特别是针对质子交换膜燃料电池测试平台供应气体的增湿，需要根据电堆不同工况的气体流量、压力、温度进行快速的温度湿度调节。
对燃料电池电堆的测试，需要控制供气的温度、压力、湿度、流量，用以检测电堆的各种性能表现，找出优化条件。其中对空气的增湿主要采用鼓泡、喷雾喷淋、膜交换、蒸汽等方式实现。但是目前技术在快速响应温度、压力、湿度、流量同时变化方面尚有不足，还有待于更多的进展来满足技术发展需求。在具体规格的增湿装置上，对于其量程内的流量低限，特别是高温度、高湿度时，常规技术由于测试装置的容器、管件、阀门、检测器等的散热而容易导致进堆气体状态的变化，主要表现为温度湿度的下降，凝结出现水滴等状况。
鼓泡式增湿装置其体积比较大，自身温度如果需要快速调节则需要大功率动力支持，有采用***高温低温两种流体供应源的方法来增加温度调节速度，但是实际上是总的体积和功率更加庞大。一般只适用于小功率设备。
如专利CN101076910A，通过鼓泡、调温，可以实现精确控制增湿后的温度和湿度。但是这种鼓泡装置本身的体积大是一个特点，即使压力不变化，对于温度变化变化，例如从最高温度降低到最低温度，需要更大的一个***冷热源作为热量交换支持，设备本身并不适应于快速的温湿度调节方式。
例如，专利CN101829511A采用双路气体控制方式，一路增湿，一路不增湿，通过使用两套流量控制***控制流量，但是并没有对温度进行快速调节控制。
喷淋式提高了增湿的气液接触效果，一般使用换热器对空气预热，然后喷淋增湿，最后再对气体和水雾的的混合气体作换热。
例如，专利CN206115313U采用预热，分流、部分增湿，混合，控温，可以加快温度湿度的变化控制。其加热依靠循环水，需要大面积的换热器，大面积的换热器的体积和重量很大，决定了装置本身***热容大，调温需要的功率大、温度变化缓慢的的特点。
另外，当前绝大多数湿度传感器都存在探头一旦沾上冷凝水则测量失灵的弊端，特别是小流量时，从低温向高温高湿度变化，更容易在探头上出现冷凝水。在快速调控操作中，如果使用湿度测定结果作为控制条件，则这种湿度数据会影响控制调整的准确度和反馈速度，不利于快速调整。
目前燃料电池开发的测试***中，普遍存在设备体积庞大，温湿度变化响应慢，控制精度差等问题，这些问题亟待解决。
发明内容
为克服燃料电池电堆测试装置温湿度变化响应慢，控制精度差的问题，本发明提供一种快速调节管道气体温度湿度的方法，该方法可有效解决燃料电池电堆测试装置供气温度湿度变化响应慢，控制精度差的问题。
本发明采用的技术方案为：一种快速调节管道气体温度湿度的装置，包括气体与蒸汽混合***和调温***。气体与蒸汽混合***由气源口、温湿度压力检测器A、气体流量控制器及混合换热***顺序连接；所述混合换热***包括夹套、预热器、喷嘴、混合器和调温器，预热器、喷嘴、混合器和调温器依次连接，蒸汽入口、蒸汽温度压力检测器、蒸汽流量控制器与喷嘴连接，所述夹套设在预热器、喷嘴、混合器和调温器的外侧或设在喷嘴、混合器和调温器的外侧；在调温器与输出口的连接管路上还设有温湿度压力检测器B；调温***包括：混合阀、并联连接的热剂加热器和冷水机、冷剂泵，所述冷水机与冷剂泵连接。
工作时，从气源口得到的空气经过温湿度压力检测，气体流量控制器控制流量，对比目标温湿度压力数据，计算得到加入的水量，空气经过预热器预热后进入喷嘴，蒸汽由蒸汽入口进入，蒸汽压力检测器进行检测、蒸汽流量控制器控制流量后进入喷嘴，喷嘴喷出的气体在混合器中进一步混合后进入调温器，调温器调温的气体经过温湿度压力检测器，由输出口排出，调温***通过调节进入夹套热剂冷剂的比例达到调节夹套内伴热温度的目的。
本发明的有益效果：
(1)本发明可以提高响应速度，减小热滞后，特别是针对增湿装置在额定范围提供温度湿度流量的快速变化控制。
(2)本发明在气体路径部件的外部建立夹套，做温度同步调节，目的是提供同温环境，尽量避免目标气体与流经线路上的管壁、容器内壁作热量交换，夹套仅对内层气体流动提供快速变化的同温的环境，其热负荷很小，因此壁温变换很快而且均匀，不需要大功率冷热***来支持温度的快速调节变化，节省资源。
(3)本发明中的夹套可以实现升温和降温的双重功能，提高了工作效率。
附图说明
图1为本发明装置实施例1的构造简图。
图2为本发明装置实施例2的构造简图。
如图：01.气源口，02.温湿度压力检测器A，03.气体流量控制器，04.夹套，05.预热器，06.喷嘴，07.混合器，08.调温器，09.温湿度压力检测器B，10.混合阀，11.热剂三通阀，12.热剂加热器，13.热剂泵，14.热剂储罐，15.冷水机，16.冷剂泵，17.冷剂储罐，18.冷剂三通阀，19.输出口，20.蒸汽入口，21.蒸汽温度压力检测器，22.蒸汽流量控制器，23.加热器前比例调节阀，24.冷水机前比例调节阀，25.循环液储罐。
具体实施方式
实施例1
气体与蒸汽混合***由气源口1、温湿度压力检测器A2、气体流量控制器3、预热器5和喷嘴6顺序连接，喷嘴6与混合器7接触且部分伸入到混合器7的一端、混合器7另一端与调温器8、温湿度压力检测器B9和输出口19顺序连接，另设置一支路，蒸汽入口20、蒸汽温度压力检测器21、蒸汽流量控制器22与喷嘴6顺次连接，预热器5、喷嘴6、混合器7和调温器8外面套有同一夹套4，夹套4入口与混合阀10的一端相连，混合阀10的另两端分别与热剂三通阀11的一端和冷剂三通阀18的一端相连，热剂三通阀11的另两端分别与热剂加热器12和热剂储罐14相连，热剂加热器12、热剂泵13与热剂储罐14顺次连接，热剂储罐14与夹套4相连，冷剂三通阀18的另两端分别与冷水机15的一端和冷剂储罐17相连，冷水机15、冷剂泵16与冷剂储罐17顺次连接，冷剂储罐17与夹套4相连。
从气源口1得到的空气经过温湿度压力检测器A2，气体流量控制器3控制流量，对比目标温湿度压力数据，计算得到加入的水量，空气经过预热器5预热后进入喷嘴6，蒸汽由蒸汽入口20进入，蒸汽压力检测器21进行检测、蒸汽流量控制器22控制流量后进入喷嘴6，喷嘴6喷出的气体在混合器7中进一步混合后进入调温器8，调温器8调温的气体经过温湿度压力检测器B9，由输出口19排出，在热剂泵13驱动下，热剂加热器12对热剂升温，经过热剂三通阀11的控制，对包括热剂储罐14的热剂升温，达到要求温度则停止升温。该温度高于气体目标温度，一般高出5～15℃，在冷剂泵16驱动下，制冷机15对冷剂降温，经过冷剂三通阀18的控制，对包括冷剂储罐17的冷剂降温，达到要求温度则停止降温。该温度低于气体的目标温度，优先选择在低于环境温度，高于冰点，一般为高于冰点5～10℃，混合阀10将热剂冷剂混合后注入夹套4内，夹套4内的液体对预热器5、喷嘴6、混合器7和调温器8进行换热后由出口管道流回热剂储罐14和冷剂储罐17中。
实施例2
气体与蒸汽混合***由气源口1、温湿度压力检测器A2、气体流量控制器3、预热器5和喷嘴6顺序连接，喷嘴6、混合器7、调温器8、温湿度压力检测器B9和输出口19顺序连接，另设置一支路，蒸汽入口20、蒸汽温度压力检测器21、蒸汽流量控制器22与喷嘴6顺次连接，喷嘴6、混合器7和调温器8外面套有同一夹套4，夹套4入口通过管道与混合阀10的一端相连，混合阀10的另两端分别与热剂加热器12和冷水机15相连，热剂加热器12、加热器前比例调节阀23、冷剂泵16与循环液储泵25相连，循环液储泵25与夹套4相连，冷水机15、冷水机前比例调节阀24、加热器前比例调节阀23与冷剂泵16顺次连接。
从气源口1得到的空气经过温湿度压力检测器2，气体流量控制器3控制流量，对比目标温湿度压力数据，计算得到加入的水量，空气经过预热器5预热后进入喷嘴6，蒸汽由蒸汽入口20进入，蒸汽压力检测器21进行检测、蒸汽流量控制器22控制流量后进入喷嘴6，喷嘴6喷出的气体在混合器7中进一步混合后进入调温器8，调温器8调温的气体经过温湿度压力检测器B9，由输出口19排出，单一泵16提供流量动力，循环液分别从加热前比例调节阀23和冷水机前比例调节阀24进入热剂加热器12加热到高于气体目标温度5～10℃和冷水机15制冷至高于冰点5～10℃，混合阀10混合后进入夹套4对喷嘴6、混合器7和调温器8进行换热后通过夹套4的出口管道流回循环液储罐25。
上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明创造限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围内。

Claims (8)

1.一种快速调节管道气体温度湿度的装置，其特征是，该装置包括气体与蒸汽混合***和调温***，气体与蒸汽混合***由气源口(1)、温湿度压力检测器A(2)、气体流量控制器(3)及混合换热***通过管道顺序连接；所述混合换热***包括夹套(4)、预热器(5)、喷嘴(6)、混合器(7)和调温器(8)，预热器(5)、喷嘴(6)、混合器(7)和调温器(8)依次连接，蒸汽入口(20)、蒸汽温度压力检测器(21)、蒸汽流量控制器(22)和喷嘴(6)依次连接，所述夹套(4)设在预热器(5)、喷嘴(6)、混合器(7)和调温器(8)的外侧或设在喷嘴(6)、混合器(7)和调温器(8)的外侧；在调温器(8)与输出口(19)的连接管路上还设有温湿度压力检测器B(9)；调温***包括：混合阀(10)、并联连接的热剂加热器(12)和冷水机(15)、冷剂泵(16)，所述冷水机(15)与冷剂泵(16)连接。
2.根据权利要求1所述一种快速调节管道气体温度湿度的装置，其特征是，调温***连接方式如下，夹套(4)入口与混合阀(10)的一端相连，混合阀(10)的另两端分别与热剂三通阀(11)的一端和冷剂三通阀(18)的一端相连，热剂三通阀(11)的另两端分别与热剂加热器(12)和热剂储罐(14)相连，热剂加热器(12)、接热剂泵(13)与热剂储罐(14)依次相连，热剂储罐(14与夹套(4)的出口管道相连，冷剂三通阀(18)的另两端分别与冷水机(15)和冷剂储罐(17)相连，冷水机(15)、冷剂泵(16)与冷剂储罐(17)依次连接，冷剂储罐(17)与夹套(4)出口管道相连。
3.根据权利要求1所述一种快速调节管道气体温度湿度的装置，其特征是，调温***连接方式如下，夹套(4)入口与混合阀(10)的一端相连，混合阀(10)的另两端分别与热剂加热器(12)和冷水机(15)相连，热剂加热器(12)、加热器前比例调节阀(23)、冷剂泵(16)与循环液储泵(25)依次相连，循环液储泵(25)与夹套(4)的出口相连，冷水机(15)与冷水机前比例调节阀(24)冷剂泵(16)依次相连。
4.一种快速调节管道气体温度湿度的方法，其特征是，从气源口(1)送入空气经过温湿度压力检测(2)，气体流量控制器(3)控制流量，对比目标温湿度压力数据，计算得到加入的水量，空气经过预热器(5)预热后进入喷嘴(6)，蒸汽由蒸汽入口(20)进入，蒸汽压力检测器(21)进行检测、蒸汽流量控制器(22)控制流量后进入喷嘴(6)，喷嘴(6)喷出的气体在混合器(7)中进一步混合后进入调温器(8)，调温器(8)调温的气体经过温湿度压力检测器(9)，由输出口(19)排出，调温***通过调节冷剂和热剂的比例改变注入夹套(4)内的液体温度。
5.根据权利要求4所述一种快速调节管道气体温度湿度的方法，其特征是，循环剂在热剂泵(13)驱动下，热剂加热器(12)对热剂升温，经过热剂三通阀(11)的控制，对包括热剂储罐(14)的热剂升温，达到要求温度则停止升温；该温度高于气体目标温度，在冷剂泵(16)驱动下，制冷机(15)对冷剂降温，经过冷剂三通阀(18)的控制，对包括冷剂储罐(17)的冷剂降温，达到要求温度则停止降温，该温度低于气体的目标温度，混合阀(10)将热剂、冷剂混合后注入夹套(4)内，夹套(4)内的液体对预热器(5)、喷嘴(6)、混合器(7)和调温器(8)进行换热后由出口管道流回热剂储罐(14)和冷剂储罐(17)中。
6.根据权利要求4所述一种快速调节管道气体温度湿度的方法，其特征是，单一泵(16)提供流量动力，循环液分别从加热前比例调节阀(23)和冷水机前比例调节阀(24)进入热剂加热器(12)和冷水机(15)，使热剂加热到高于气体目标温度、冷剂制冷至高于冰点，混合阀(10)将热剂、冷剂混合后进入夹套(4)对喷嘴(6)、混合器(7)和调温器(8)进行换热后通过夹套(4)的出口管道流回循环液储罐(25)。
7.根据权利要求4所述一种快速调节管道气体温度湿度的方法，其特征是，热剂加热器(12)加热循环液到高于气体目标温度5～10℃，冷水机(15)制冷循环液至高于冰点5～10℃。
8.根据权利要求5所述一种快速调节管道气体温度湿度的方法，其特征是，调节热剂、冷剂通过混合阀(10)调节或者通过调节热剂泵(13)和冷剂泵(16)的频率改变热剂、冷剂的混合比例。
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