本发明涉及一种微量水蒸气发生装置及方法，属于水蒸气发生器技术领域。
背景技术：
传统水蒸气发生器通过泵稳定地将蒸馏水注入蒸发器，迅速气化成水蒸气后随着载气一同离开蒸发器，通过控制蒸馏水的进样量可以精确控制水蒸气产生量。如果所需水蒸气量很小，蒸馏水会以水滴形式进入蒸发器而不能连续进样，从而无法稳定地产生水蒸气。
鼓泡法也是一种常见的水蒸气发生方式，可以通过改变载气流量和鼓泡器运行温度来调节水蒸气的携带量。除水蒸气外，鼓泡器的雾化效果还会使载气携带一定量的小液滴。由于出口载气中水蒸气分压难以确定，并且小液滴对水蒸气总量的影响也不可忽视，因此载气中水蒸气含量无法确定。
为此，本专利设计了一种可以稳定提供微小流量水蒸气并能够精确控制其产量的装置。
技术实现要素：
针对传统水蒸气发生器无法稳定提供微小流量水蒸气以及鼓泡法方式中水蒸气产生量无法精确控制等不足，本发明提供了一种可以稳定提供微小流量水蒸气并能够精确控制其产量的装置及产生方法。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种微量水蒸气发生装置包括配气系统、蒸汽发生系统和恒温冷凝系统，配气系统包括氮气瓶，蒸汽发生系统包括蒸发器和鼓泡器，鼓泡器设置于蒸发器中，蒸发器外表面设有电加热套，蒸发器的出气口与回流管连接，回流管上套设有电加热带，恒温冷凝系统包括恒温水浴锅和汽水分离器，汽水分离器设置于恒温水浴锅中，汽水分离器与螺旋盘管的出气口连接，连接处设置有四通阀，四通阀上连接有用于检测螺旋盘管出口载气温度的热电阻和用于检测螺旋盘管出口载气压力的压力传感器；其中，氮气瓶通过输气管与鼓泡器连接，输气管上沿气流方向依次设置有流量计和旁通阀门；螺旋盘管的进气口通过输气管与回流管连接，连接处设置有三通阀，三通阀上连接有用于检测螺旋盘管入口气体温度的热电阻。
优选地，蒸发器中设有液位器，液位器监测蒸发器中液面高度。
作为优选，所述回流管为金属管。
作为优选，所述螺旋盘管为高导热系数的金属、合金或非金属材质。
配气系统中所述流量计用于精确控制载气流量，旁通阀门用于管路系统堵塞后主管道泄压。
蒸汽发生系统中所述电加热套为蒸发器提供恒定温度，使所述鼓泡器工作在恒温蒸馏水中。蒸发器为一密闭容器，有三路出入口，一路连接配气系统，将载气引入所述鼓泡器；一路连接回流管，使载气中过剩液滴聚结后返回蒸发器；最后一路连接自来水管，并通过所述液位器来控制蒸发器中液面高度。所述回流管上缠绕电加热带，一方面用于汽化载气中的部分小液滴，另一方面对经过回流管的气体进行加热，防止管路散热而使载气中水蒸气大量冷凝，未汽化的小液滴在回流管内壁聚结后因重力回流至蒸发器中。
恒温冷凝系统中的恒温水浴锅为所述螺旋盘管提供恒定的外部环境温度，实现载气中水蒸气的恒温冷凝。三通阀的第三出入口用来布置热电阻，监测螺旋盘管入口气体温度。所述螺旋盘管实为一种高效冷凝器，可将载气温度降低至恒温水浴锅的环境温度，冷凝出载气中多余水蒸气，使螺旋盘管出口载气水蒸气分压接近水浴温度下的饱和蒸汽压。四通阀的第三出入口布置热电阻，用于检测螺旋盘管出口载气温度，作为电加热带温度控制的反馈信号，第四出入口布置压力传感器，监测螺旋盘管出口载气压力，可直接用于水蒸气分压的修正。
本发明装置的工作原理：作为载气的氮气以恒定的流速进入蒸发器，蒸发器中的热水在鼓泡器的作用下产生一定量水蒸气，吹入的氮气将会携带鼓泡器液面上的部分水蒸气，同时也夹带少量雾化的小液滴进入回流管；回流管将冷凝的液体回流到蒸发器中，而未被冷凝的水蒸气经回流管进入螺旋盘管，在进入盘管之前，需要通过一个热电阻来检测进入盘管的水蒸气的温度与水浴锅的温度差，以此来调节电加热带的功率；载气进入螺旋盘管后，会在盘管内进行恒壁温冷凝，冷凝后将通过一个四通阀来测定此时水蒸气的温度和压力，便于进一步调节电加热带功率，冷凝后进入汽水分离器，分离出液体之后得到饱和湿气体。
一种水蒸气的产生方法，将用户所需水蒸气流量换算成标准状态下水蒸气流量；选择合适的水浴温度，查询饱和水蒸气热力性质表，计算水蒸气浓度；根据该水蒸气浓度，计算标准状态下载气流量，若该载气流量超出用户需求，需进一步提高水浴温度；基于上述结果，设定恒温水浴控制温度和质量流量计控制参数，设置电加热套的控制温度，使蒸发器在较高工作温度(如90℃)下运行，确保载气能携带足量水蒸气；设定电加热带的控制温度，确保螺旋盘管进气温度比恒温水浴温度高出10℃以上；监测螺旋盘管出口气体温度，如高于恒温水浴温度，需适当减少载气流量或降低电加热带控制温度；监测螺旋盘管出口气体压力，如高于1atm，可利用道尔顿分压定律对实际水蒸气量进行修正，也可以在盘管出口合适位置布置引风设施，使气体压力将至1atm。
本发明的有益效果：
本发明装置的配气系统、蒸汽发生系统和恒温冷凝系统可相互独立运行，各个系统通过输气管路连接后即可完成本装置地组装，易于安装，整体结构简单；只需控制氮气的流量和恒温水浴温度，就能获得用户需要的水蒸气量，且载气流量和冷凝温度精确可控，可以实现微小流量水蒸气的连续稳定供应。
本发明所述的水蒸气产生方法，先经过简单的计算，然后在本发明装置上设定恒温水浴控制温度、质量流量计控制参数、电加热套的控制温度、设定电加热带的控制温度，同时监测螺旋盘管出口气体温度及螺旋盘管出口气体压力，即可得到用户所需水蒸气流量。
附图说明
图1显示了本发明的整体结构。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了更多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
图1是本发明所述的一种微量水蒸气发生装置包括配气系统1、蒸汽发生系统2和恒温冷凝系统3，配气系统包括氮气瓶1-1，蒸汽发生系统包括蒸发器2-2和鼓泡器2-3，鼓泡器2-3是一种微孔气体分布器，用于产生微小气泡，鼓泡器2-3设置于蒸发器2-2中，蒸发器2-2中设有液位器2-4，蒸发器2-2外表面设有电加热套2-1，蒸发器2-2的出气口与回流管2-5连接，回流管2-5上套设有电加热带2-6，恒温冷凝系统包括恒温水浴锅3-1和汽水分离器3-5，汽水分离器3-5设置于恒温水浴锅3-1中，汽水分离器3-5与螺旋盘管3-3的出气口连接，连接处设置有四通阀3-4；其中，氮气瓶1-1通过输气管与鼓泡器2-3连接，输气管上沿气流方向依次设置有流量计1-2和旁通阀门1-3；螺旋盘管3-3的进气口通过输气管与回流管2-5连接，连接处设置有三通阀3-2。
本发明所述实施例中所述回流管2-5为金属管，螺旋盘管3-3为高导热系数的金属材质。
一种水蒸气的产生方法，将用户所需水蒸气流量换算成标准状态下水蒸气流量；选择合适的水浴温度，查询饱和水蒸气热力性质表，计算水蒸气浓度；根据该水蒸气浓度，计算标准状态下载气流量，若该载气流量超出用户需求，需进一步提高水浴温度；基于上述结果，设定恒温水浴控制温度和质量流量计控制参数，设置电加热套的控制温度，使蒸发器在较高工作温度(如90℃)下运行，确保载气能携带足量水蒸气；设定电加热带的控制温度，确保螺旋盘管进气温度比恒温水浴温度高出10℃以上；监测螺旋盘管出口气体温度，如高于恒温水浴温度，需适当减少载气流量或降低电加热带控制温度；监测螺旋盘管出口气体压力，如高于1atm，可利用道尔顿分压定律对实际水蒸气量进行修正，也可以在盘管出口合适位置布置引风设施，使气体压力将至1atm。
实施例1：
如用户需要混合气体流量q＝1000mL/min，温度t1＝80℃，其中水蒸气浓度c1＝5％，要求载气流量不得高于350sccm。假设螺旋盘管冷却效果足够好，出口载气温度t0与恒温水浴温度t2一致，出口载气压力p0＝1atm。
混合气体中水蒸气流量：q1＝q×c1＝1000×5％＝50mL/min；
标态下水蒸气流量：q1,0＝q1×273/(273+t1)＝50×273/353＝38.67sccm。
假设水浴温度t2＝50℃，则出口载气温度t0＝50℃，根据饱和水蒸气的热力性质，可得到t0＝50℃、p0＝1atm状态下饱和蒸汽压p＝0.012345MPa。
载气中水蒸气浓度：
所需标态下载气流量：q2＝q1,0/c2-q1,0＝38.67/0.1218-38.67＝278.82sccm
根据上述计算结果，设定恒温水浴控制温度和质量流量计控制参数；并设置电加热套控制温度为90℃；调整电加热带控制温度，使螺旋盘管入口气体温度约为65℃；此时，载气携带的水蒸气量恰好满足用户的需求。
实施例2：
如用户需要混合气体流量q＝1000mL/min，温度t1＝80℃，其中水蒸气浓度c1＝5％，要求载气流量不得高于250sccm。假设螺旋盘管冷却效果足够好，出口载气温度t0与恒温水浴温度t2一致，出口载气压力p0＝1atm。
混合气体中水蒸气流量：
标态下水蒸气流量：q1,0＝q1×273/(273+t1)＝50×273/353＝38.67sccm。
假设水浴温度t2＝50℃，则出口载气温度t0＝50℃，根据饱和水蒸气的热力性质，可得到t0＝50℃、p0＝1atm状态下饱和蒸汽压p＝0.012345MPa。
载气中水蒸气浓度：
所需标态下载气流量：q2＝q1,0/c2-q1,0＝38.67/0.1218-38.67＝278.82sccm
该载气流量已超出了用户需求范围，为了携带上述水蒸气量，需要提高恒温水浴温度。
再次假设水浴温度t2＝55℃，则出口载气温度t0＝55℃，根据饱和水蒸气的热力性质，可得到t0＝55℃、p0＝1atm状态下饱和蒸汽压p＝0.015743MPa。
载气中水蒸气浓度：
所需标态下载气流量：q2＝q′1/c2-q′1＝38.67/0.1554-38.67＝210.17sccm
根据第二次计算结果，设定恒温水浴控制温度和质量流量计控制参数；并设置电加热套控制温度为90℃；调整电加热带控制温度，使螺旋盘管入口气体温度约为70℃；此时，载气携带的水蒸气量恰好满足用户的需求。
实施例3：
如用户需要混合气体流量q＝1000mL/min，温度t1＝80℃，其中水蒸气浓度c1＝5％，要求载气流量不得高于350sccm。假设螺旋盘管冷却效果一般，出口载气温度t0高于恒温水浴温度t1，出口压力p0＝1atm。假设水浴温度为50℃，而出口载气温度为55℃，此时水蒸气携带量不同于实施例1，可分别通过调节载气流量和出口载气温度来控制水蒸气携带量。
a)调整载气流量方案
混合气体中水蒸气流量：q1＝q×c1＝1000×5％＝50mL/min；
标态下水蒸气流量：q1,0＝q1×273/(273+t1)＝50×273/353＝38.67sccm。
根据饱和水蒸气的热力性质，可得到t0＝55℃、p0＝1atm状态下饱和蒸汽压p＝0.015743MPa。
载气中水蒸气浓度：
所需标态下载气流量：q2＝q1,0/c2-q1,0＝38.67/0.1554-38.67＝210.17sccm
设定恒温水浴控制温度和质量流量计控制参数；并设置电加热套控制温度为90℃；调整电加热带控制温度，使螺旋盘管入口气体温度约为70℃；调整后载气携带的水蒸气量恰好满足用户的需求。
b)调整出口载气温度方案
由于螺旋盘管冷却效果一般，为确保出口载气温度降低至50℃，应降低入口载气温度，即降低电加热带温度控制器的设定温度。设定温度值降幅大小，与环境温度、对流换热系数、加热带材料物性参数等多种因素有关，需要多次尝试之后才能最终确定。
实施例4：
如用户需要混合气体流量q＝1000mL/min，温度t1＝80℃，其中水蒸气浓度c1＝5％，要求载气流量不得高于350sccm。假设螺旋盘管冷却效果足够好，出口载气温度t0与恒温水浴温度t2一致，出口载气q1＝q×c1＝1000×5％＝50mL/min；压力p0＝1.1atm。此时水蒸气携带量也会发生变化，可通过两种方法调整携带量：
a)道尔顿分压定律
混合气体所需水蒸气流量：q1＝q×c1＝1000×5％＝50mL/min；
标态下水蒸气流量：q1,0＝q1×273/(273+t1)＝50×273/353＝38.67sccm。
根据饱和水蒸气的热力性质，可得到t’＝50℃、p’＝1atm状态下饱和蒸汽压p＝0.012345MPa；
此时，载气中水蒸气浓度：
所需标态下载气流量：q2＝q1,0/c2-q1,0＝38.67/0.1108-38.67＝310.34sccm
设定恒温水浴控制温度和质量流量计控制参数；并设置电加热套控制温度为90℃；调整电加热带控制温度，使螺旋盘管入口气体温度约为65℃；将载气携带量增加至310.34sccm，恰好能够携带混合气体所需的水蒸气量。
b)盘管出口布置引风设施
本实施例采用道尔顿分压定律时存在一定局限性，如出口状态下饱和蒸气压与t0＝55℃、p0＝1atm状态时会有偏差，计算结果可能有一定误差。可在盘管出口合适位置布置引风设施，恰好抵消用户处的压力损失，将盘管出口处压力将至1atm左右，即可采用实施例1计算方法。
本申请的实施例只是便于说明本发明的过程和原理，并不仅仅限于本申请。在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作一些改变，而不违背本申请的精神和范畴。