一种利用气压变化调控热量传递方式的VOCs捕集装置和方法

摘要

本发明公开了一种利用气压变化调控热量传递方式的VOCs捕集装置和方法，采用改变密封腔内气压的方法来改变腔内VOCs捕集部件和制冷、加热部件之间的热量传递形式，在降低功率的同时可以提高冷量的利用效率。在低温吸附时，冷块与捕集部件接触使捕集部件充分制冷至指定温度，通过真空泵控制压力保证捕集阱热量损失和冷量补给达到平衡，使得捕集温度稳定。在高温解析时，腔内压力降低到极限，腔内传热方式以热辐射为主，传热速率慢，使得捕集部件冷量和热量的传递降到最低，捕集部件加热功率最小；在捕集部件回温至低温吸附状态时，增大腔内压力，腔内传热方式以气体介质热传递为主，传热速率加快，使捕集部件能快速回温，提高冷量利用效率。

说明书

技术领域

本发明涉及环境监测仪器中的热量传递控制领域，尤其涉及一种利用气压变化调整密封系统内部热量传递方式的控制装置及方法。

背景技术

在热传导理论中，根据传热介质的不同可以将传热过程分为气体传热、液体传热和固体传热三种类型，固体导热又分为金属导热和非金属导热。这三种导热方式的微观机理并不相同，气体导热主要是通过气体分子热运动发生碰撞时的能量传递来完成的，根据气体分子动理论，气体介质的导热率为：

在环境监测领域，对气态污染物尤其是大气中的挥发性有机物(VolatileOrganic Compounds,VOCs)的富集、解析主要是通过低温吸附-高温热解析过程实现的，这一过程包括两个步骤，第一步是将捕集阱温度降至-150℃以下，将捕集部件与冷块集成在一起，冷块的冷量可以充分快速地传递至捕集部件，达到制冷温度后，捕集部件中的VOCs由气态转化为固态被吸附收集；第二步是将捕集阱温度上升至100℃以上，VOCs被完全热解析并随即进入后续分析系统。但是由于捕集部件和冷块集成在一起，在加热捕集部件时，与捕集部件相邻的低温冷块会使捕集部件加热功率偏大，并延长捕集部件的加热时间，而且加热后的捕集部件也会影响冷源的稳定性；同样的，在捕集部件回温至低温吸附状态时，热的捕集部件会使冷源的制冷功率增大，这样就造成了不必要的能量浪费，同时也会延长吸附热解析步骤的时间。因此为了节省系统制冷和制热功率的损耗，加快吸附和热解析步骤的时间，有必要改进捕集部件和制冷加热部件之间的热量传递形式，减小能量损失。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种改变捕集部件和制冷、加热部件之间热量传递形式的VOCs捕集装置及方法，保证在进行吸附-热解析时热的捕集部件尽量少地影响加热制冷部件，提升装置整体的能量利用效率。

本发明的技术方案如下：

一种VOCs捕集装置，包括VOCs捕集部件、加热部件、制冷部件和气压调控部件，其中：所述气压调控部件包括密封腔、真空泵、充气装置、第一电磁阀、第二电磁阀和真空计，所述真空泵通过设有第一电磁阀的管道连接密封腔以对密封腔抽真空，所述充气装置通过设有第二电磁阀的管道连接密封腔以对密封腔进行充气，真空计用于监测密封腔内的真空度；所述制冷部件包括位于密封腔内的冷块和外部的制冷设备；所述加热部件包括加热电源、加热接头和连接它们的电线；所述VOCs捕集部件的主体位于密封腔内，与密封腔内的冷块相接触，VOCs捕集部件的上部穿出密封腔，与加热接头接触。

在上述VOCs捕集装置中，VOCs捕集部件主要是对VOCs进行富集浓缩操作，低温时VOCs被吸附；高温时，VOCs解析。VOCs捕集部件可以是一组或多组由不锈钢或者其他复合材料制成的捕集管。优选的，在VOCs捕集部件底部安装温度传感器，可以实时监测捕集部件的温度。

在上述VOCs捕集装置中，制冷部件包括冷块和外部制冷设备，冷块设置在密封腔内。加热设备包括加热电源、加热接头以及若干电线。加热接头与VOCs捕集部件上部接触，加热电源处于密封腔外，加热接头与加热电源之间通过电线组成回路。

在上述VOCs捕集装置中，气压调控部件包括密封腔、真空泵、充气装置、真空计、电磁阀等组成。优选的，所述密封腔包括腔体和密封盖，腔体和密封盖之间通过螺钉或螺栓固定连接，起到密封的作用。通过充气、放气操作改变密封腔内部的压强，从而改变腔内气体的导热率。密封腔的腔体和密封盖可由聚四氟乙烯等复合材料制成。真空泵可以对密封腔进行抽真空，真空计测量密封腔内的真空度。充气装置可以对密封腔进行充气操作，提高密封腔的气体含量。在真空泵、充气装置、真空计连通密封腔的各管道以及捕集部件穿过密封盖的部位设有密封圈以进行密封。第一电磁阀可以根据需要控制真空泵是否对密封腔进行抽真空操作。低温吸附开始时，真空泵启动对密封腔抽真空，真空计实时检测密封腔内的气压，当气压达到要求后，开关电磁阀关闭，停止抽真空；当进行热解析步骤时，打开第一电磁阀，利用真空泵将密封腔内的压强进一步降低，此时腔内气体的导热率进一步减小，加热装置的温度就会较小地影响到冷块；热解析完成后，进入下一次低温吸附步骤前，打开第二电磁阀，对密封腔进行充气，增大腔内压强，腔内气体导热率增加，冷块与VOCs捕集部件之间的热量传递速率加快，减小捕集部件降温的时间。

本发明还提供了利用上述VOCs捕集装置对大气中挥发性有机物进行富集和解析的方法，包括以下步骤：

1)启动真空泵对密封腔抽真空，使密封腔内达到设定的真空度，同时启动制冷设备对冷块进行制冷，VOCs捕集部件随即被制冷，进入低温吸附过程；

2)VOCs被低温吸附后，停止制冷，再次启动真空泵对密封腔抽真空，使密封腔内气压进一步减小，然后启动加热部件对VOCs捕集部件进行加热，进入热解析过程；

3)热解析完成后，停止加热，通过充气装置对密封腔进行充气，加快冷块与VOCs捕集部件之间的热传递速率，使VOCs捕集部件快速降温。

优选的，上述步骤1)中设定的真空度为0.1～10pa。

进一步的，在步骤2)中抽真空使密封腔内真空度减小到0.01～10pa。

在步骤3)中，优选的，通过充气装置充气，使密封腔内气压达到5～50pa为宜。

在上述利用气压变化调控热量传递方式来进行VOCs富集和解析的方法中，制冷部件、加热部件、捕集部件和部分气压调控部件都处于密封腔内，充放气气管和电线均穿过密封盖与外部的相关设备相连。装置工作时，先启动真空泵对密封腔抽真空，使密封系统达到设定的真空度，与此同时启动制冷设备对冷块进行制冷，捕集部件随即被制冷；在低温吸附时，捕集部件内VOCs被冷冻吸附；随后进入热解析过程，第一电磁阀打开，真空泵再次对密封系统进行抽真空操作，使密封系统压强进一步减小，此时腔内气体的密度减小，平均自由程增大，分子之间的热运动减弱，分子碰撞次数减少，因此热交换减少，热的捕集部件和冷块之间的热传递方式从气体介质热传递为主转变为热辐射传热为主，传热效果大大降低，减少了热量损失，稳定了冷块温度的均匀性；当下一次低温吸附热解析步骤开始前，打开充气装置向密封腔内充气，密封腔内压强增大，气体密度增加，平均自由程减小，分子热运动增强，热交换增多，此时密封腔内的传热方式从热辐射为主转变为气体介质热传递为主，传热速率增加，冷块能更快地使捕集部件温度降低，能够提高仪器的时间分辨率。

与现有技术对比，本发明具有以下优点：

1.本发明采用改变密封腔内气压来改变腔内热传递方式的方法，降低功率的同时可以提高冷量的利用效率。在装置低温吸附时，冷块与捕集部件接触使捕集部件充分制冷至指定温度，通过真空泵控制压力保证捕集阱热量损失和冷量补给达到平衡，使得捕集温度稳定。在高温解析时，腔内压力降低到极限，腔内传热方式以热辐射为主，传热速率慢，使得捕集部件冷量和热量的传递降到最低，捕集部件加热功率最小；在捕集部件回温至低温吸附状态时，增大腔内压力，腔内传热方式以气体介质热传递为主，传热速率加快，使捕集部件能快速回温，提高冷量利用效率。

2.本发明在保证良好性能的前提下，通过密封系统将加热部件、制冷部件、捕集部件以及部分气压调控部件集成在一起，气路和电线均由密封盖引出，使得本装置简单小巧，易于操控。

3.本发明可以使用多组捕集部件进行吸附热解析操作。

附图说明

图1是本发明VOCs捕集装置的整体结构示意图；

其中：1：密封腔腔体；2：密封盖；3：固定螺钉；4：加热接头；5：VOCs捕集部件；6：真空计；7：真空泵；8：第一电磁阀；9：第二电磁阀；10：密封圈；11：冷块。

具体实施方式

下面结合附图和实施过程对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明的VOCs捕集装置包括VOCs捕集部件5、制冷部件、加热部件和气压调控部件。

VOCs捕集部件5是由不锈钢或者其他复合材料制成的VOCs捕集管，低温时VOCs被吸附，高温时VOCs解析进入后续分析系统进行检测。VOCs捕集部件5的上部穿过密封盖2与加热接头4在密封腔外接触，其余部分处于密封腔腔体1内部进行低温吸附-高温热解析操作。在VOCs捕集部件5穿过密封盖2的部位有密封圈10对其进行密封，防止外部气体进入。

制冷部件包括冷块11和外部制冷设备，冷块11位于密封腔内。在密封腔内VOCs捕集部件5与冷块11接触安装，在低温吸附时，冷块11通过气体介质热传递将VOCs捕集部件5制冷。加热部件主要包括加热电源、加热接头4及若干电线，加热接头4与VOCs捕集部件5在密封腔外接触，在进行热解析操作时，加热电源启动，加热接头4对VOCS捕集部件5进行加热。气压调节组件包括密封腔腔体1、密封盖2、真空计6、真空泵7和充气装置，其中，密封腔腔体1和密封盖2通过固定螺钉3连接形成密封腔；真空泵7通过设有第一电磁阀8的管道连接密封腔，充气装置通过设有第二电磁阀9的管道连接密封腔，真空计6通过伸入密封腔内的探测管实时检测密封腔内的气压，在各管道穿过密封盖的部位设有密封圈10以进行密封。

气压调控组件主要是通过调控密封腔内的气压来改变腔内气体的导热率，进而调整腔内热量传递的形式，保证制冷时VOCs捕集部件5能快速达到指定制冷温度，加热时热的VOCs捕集部件5尽量少地影响到冷块11的温度。

以图1所示VOCs捕集装置为例进行一次低温吸附-高温热解析操作如下：先打开第一电磁阀8，启动真空泵7对密封腔抽真空，使密封系统达到设定的真空度，与此同时启动制冷设备对冷块11进行制冷，VOCs捕集部件5随即被制冷在低温吸附时，VOCs捕集部件5低温吸附VOCs。随后进入热解析过程，第一电磁阀8打开，真空泵7再次对密封系统进行抽真空操作，使密封系统压强进一步减小，此时密封系统内的压强小于5pa，腔内气体的密度减小，平均自由程增大，分子之间的热运动减弱，因此热交换效率降低，热的VOCs捕集部件5和冷块11之间的热传递方式从气体介质热传递为主转变为热辐射传热为主，传热效果大大降低，减少了热量损失，稳定了冷块11温度的均匀性。在VOCs捕集部件5回温至低温吸附状态时，打开电磁阀9向密封腔内充气，密封腔内压强增大，气体密度增加，平均自由程减小，分子热运动增强，热交换增多，此时密封腔内的传热方式从热辐射为主转变为气体介质热传递为主，传热速率增加，冷块11能更快地使捕集管温度降低，能够提高仪器的时间分辨率。

本发明仅以上述实施过程进行说明，各部位的结构或连接都有可能变化，在此基础上根据本发明进行的改变均不应排除在本发明的保护范围之外。