一种阶梯制冷自动排水的微型烟气预处理装置的制作方法

本实用新型涉及烟气预处理技术领域，特别是指一种阶梯制冷自动排水的微型烟气预处理装置。

背景技术：

烟气在线监测系统是对烟气成份进行在线分析的测定系统，需要准确测量烟气中各种气体尤其是污染性气体的成分比例。传统的测量方式分为两种：不添加预处理的烟气分析系统和添加预处理的烟气分析系统。(1)不添加预处理系统的烟气分析系统主要采用管道加热的方法，即将从烟囱中抽取并除尘后的样气，沿管道流入烟气分析仪中，管道中通过加热电阻丝来加热样气，以确保样气保持高温。这种方式的缺陷在于样气中存在大量水分，会和其中含有的酸性或碱性气体反应生成酸性或碱性气溶胶，损坏传感器，导致测量结果不准确；添加预处理的烟气分析系统是指在分析烟气成分前对烟气中的水气进行冷却，析出液态水，以降低气体中水分的含量，从而提高烟气分析系统的测量精度。(2)许多大型取样的烟气分析系统配置压缩制冷来除掉烟气中含有的水分，但由于烟气取样的连续性，预处理系统所消耗的能量非常大，而且随着冷凝水量的不断积累，如何及时的将冷凝水排出也成了传统预处理系统所要解决的难题。(3)目前，大多采用蠕动泵对凝结水进行收集，配合定期人工操作打开出水阀进行排水，以防止外界空气对样气成分的干扰，这在一定程度上克服了管道加热式的弊端，但依旧存在耗能耗时耗力的缺点。本实用新型装置提供一种阶梯制冷自动排水的微型烟气预处理装置，实现了烟气的少量取样、阶梯制冷、小功率快速制冷和智能排水，以解决上述问题。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种阶梯制冷自动排水的微型烟气预处理装置。该预处理装置采用U形管和管体倾斜式安装，由于重力的作用，冷凝水将自动流入集水渠。当流入U形管左侧管道的冷凝水位达到光电传感器的位置时，由于液面遮挡了光的信号而接通水泵电路开关，水泵会自动将水泵入水冷管。

该装置包括管道系统、管道支持系统、测量系统、排水循环系统和制冷散热系统；

其中，管道系统包括进气口、空冷管、水冷管、管体和出气管；管道支持系统包括立柱一、底座、脚垫、上固定架、下固定架、支架、立柱二和托架；测量系统包括前温湿度传感器、后温湿度传感器和温度传感器、温湿度传感器固定架和光电传感器；排水循环系统包括集水渠、导管、U形管、光电传感器、水泵和水冷管；制冷散热系统包括空冷管、水冷管、制冷片、散热片、风扇和制冷芯；

进气口位于空冷管前端，空冷管进气端外部包裹水冷管，立柱一和立柱二分别与底座相连，底座下方均匀分布四个脚垫，脚垫通过强力胶粘接在底座底部，上固定架、下固定架分别通过带有竖缝的穿孔与立柱一相连，托架通过带有竖缝的穿孔与立柱二连接；前温湿度传感器和后温湿度传感器分别位于制冷芯的两端，前温湿度传感器和后温湿度传感器通过温湿度传感器固定架安装在板筋上；散热片安装在制冷芯上部的板筋上，风扇通过螺栓和螺母固定在散热片上，散热片与制冷芯之间为制冷芯凸台，制冷片安装在制冷芯凸台上，制冷芯凸台上留有温度传感器插孔，用于安装温度传感器；制冷芯内部为制冷芯肋片，出气管连接在制冷芯末端，出气管连接管体，管体下部连接集水渠，集水渠下部连接导管，导管后接U形管，U形管末端设置托架，托架上安装光电传感器，托架固定在立柱二上，U形管末端连接水泵，水泵通过管道连接进水口；下固定架末端通过螺钉固定在支架上，支架固定在底座上。

其中，水冷管两端上部和下部分别设置出水口和进水口，水泵前端连接U形管左侧管路，水泵末端接水冷管的进水口，当水位升至光电传感器发射端时，光电传感器的信号被阻挡，反馈到电路，使得水泵接通，将U形管中低温凝结水抽至水冷管中对烟气进行降温，水冷管为套管式换热器，冷却水在套管中自下而上流动，气体在内管中自左向右流动。

制冷散热系统采用阶梯制冷，包括空冷段、水冷段和半导体制冷段，空冷段为空冷管，将高温烟气降至100℃以内，水冷段为水冷管，将烟气温度降至略高于大气环境温度，半导体制冷段包括制冷片、散热片、风扇以及制冷芯，将烟气温度降至4℃，冷凝析出烟气中大部分的气态水；制冷芯包括制冷芯凸台、制冷芯肋片和板筋，制冷芯凸台上开有圆形温度传感器插孔，用来插入温度传感器，温度传感器用来测量制冷芯肋片的温度；散热片与风扇的四角对应位置上有螺纹孔，螺栓通过对应的螺纹孔，由螺母固定；制冷片冷面紧贴制冷芯的制冷芯凸台，连接端面涂有导热硅脂，制冷片热面与散热片紧贴，连接端面涂有导热硅脂；散热片四角的螺纹孔与管体和板筋的螺纹孔在竖直方向上对应，由螺栓和螺母连接。

集水渠在管体尾部，呈长方体形状，横截面为正方形，与管体用强力胶连接。

集水渠、导管和U形管之间均用强力胶连接；所述光电传感器的发射端和接收端用强力胶粘接在托架上。

托架上有竖缝穿过立柱二，托架能够上下自由滑动。

上固定架、下固定架和托架能够上下滑动，下固定架呈盒状，用来支撑管体、上固定架；下固定架端部呈半圆状。

立柱一为下端带外螺纹的碳钢或不锈钢圆棒，脚垫由橡胶或硅胶材料制成，空冷管、水冷管及管体为石英材料制成；散热片采用肋片式铜质材料。

制冷芯采用铝质材料，制冷芯的长度、温度和表面积配合，保证烟气出口温度在2-6℃；采用双制冷芯凸台，制冷芯凸台高2cm，间距1cm，制冷芯凸台面积与制冷片冷面面积相同。

前温湿度传感器承受温度在200℃以上。

本实用新型的上述技术方案的有益效果如下：

本实用新型提出采用半导体制冷的方式，利用温控板的控制功能使制冷芯的温度可以调节并保持，实现了制冷的快速性、精确性和稳定性。管体采用倾斜安装方式，由于重力的作用，冷凝水将自动流入集水渠。在U形管中提前加入适量水以形成封闭环境，防止外界空气由U形管进入管体而影响烟气成分，合理调整出水口的高度可使凝结水自动流出，实现了自动排水的功能。该装置具备温度检测功能及湿度控制功能。通过检测进口烟气温湿度来自动调节控制冷芯的温度，以得到所需温湿度的烟气。弥补了现有压缩制冷装置无法控制制冷前后温湿度的不足，为实验研究和工程应用提供技术保障。

附图说明

图1为本实用新型的阶梯制冷自动排水的微型烟气预处理装置结构示意图；

图2为本实用新型的阶梯制冷自动排水的微型烟气预处理装置测量系统示意图，其中(A)为温湿度传感器部分，(B)为光电传感器部分；

图3为本实用新型的阶梯制冷自动排水的微型烟气预处理装置制冷散热系统拆装结构示意图；

图4为本实用新型的阶梯制冷自动排水的微型烟气预处理装置半导体制冷装置拆装结构示意图；

图5为本实用新型的阶梯制冷自动排水的微型烟气预处理装置排水循环系统结构示意图；

图6为本实用新型的阶梯制冷自动排水的微型烟气预处理装置工艺流程图，其中，(A)为进气流程，(B)为水凝结及其排水流程。

其中：1-进气口；2-空冷管；3-出水口；4-水冷管；5-进水口； 6-立柱一；7-上固定架；8-前温湿度传感器；9-散热片；10-螺栓； 11-板筋；12-制冷芯凸台；13-制冷芯；14-温度传感器；15-制冷片； 16-温度传感器插孔；17-制冷芯肋片；18-下固定架；19-水泵；20- 风扇；21-螺母；22-后温湿度传感器；23-温湿度传感器固定架；24- 出气管；25-管体；26-螺钉；27-集水渠；28-导管；29-支架；30- 底座；31-脚垫；32-U形管；33-光电传感器；34-托架；35-立柱二。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本实用新型提供一种阶梯制冷自动排水的微型烟气预处理装置。

如图1所示，装置前部有进气口1、空冷管2和水冷管4；装置中部为管体25；装置后部有出气管24。进气口1导入高温烟气，空冷管2为铜质材料，导热效果好，可以增强高温烟气与外界环境的对流换热与辐射散热，水冷管4为套管式换热器，烟气从水冷管4的内管流过，冷却水从水冷管4的套管中流过，烟气与冷却水通过管壁进行换热，烟气温度进一步降低，其温度接近外界环境温度值，冷却水温度上升，经烟气加热后的冷却水从出水口3排出。管体25左端开口位于中部偏下，管体25右端开口位于中部偏上。烟气经过水冷管 4后，温度由高温降到略高于环境温度，随后进入管体25，即半导体制冷部分，此时的烟气为饱和状态，由于管体25横截面积大于进气口1的横截面积，烟气速度下降，与制冷芯肋片充分接触，烟气从管体25左下角流入，至管体25右上角流出，在管体25中的路程长，增加了换热面积，烟气温度将继续下降，直到达到设定温度4℃左右，烟气中的水分因温度下降，从烟气中析出形成冷凝水，沿制冷芯肋片下滑并滴落至管体25底部，由于管体25采用倾斜安装方式，冷凝水在重力作用下积聚在集水渠27内。

管道支持系统中立柱一6和立柱二35采用下端带外螺纹的碳钢或不锈钢圆棒，可以通过螺纹与下部带内螺纹的底座30相连，方便拆装。底座30下部均匀分布四个脚垫31，采用橡胶材料，起缓冲减震作用，脚垫31通过强力胶粘接在底座30底部。上固定架7与下固定架18分别采用带有竖缝的穿孔与立柱一6相连，托架34采用带有竖缝的穿孔与立柱二35相连，均可上下滑动，调整位置。通过螺钉 26缩小竖缝距离，依靠摩擦力抱紧立柱，起到定位作用。下固定架 18呈盒状，与管体25形状吻合，用来盛放管体25，上固定架7呈“T”状，用来卡紧管体25，起固定作用，上固定架7与下固定架18在左侧结合处可形成圆形孔，供管体通过。水泵19用强力胶粘接于底座 30之上，水泵19的左侧连接水冷管4的进水口5，右侧连接U形管 32的左侧管道，形成密封空间。

测量系统如图2(A)和图2(B)所示，该系统由前温湿度传感器8、后温湿度传感器22、温湿度传感器固定架23、温度传感器14 和光电传感器33组成。将温度传感器14插入制冷芯凸台12上的温度传感器插孔16中，向其中注入热熔胶，起固定作用。将后温湿度传感器22插入温湿度传感器固定架23的通孔中，可上下滑动。温湿度传感器固定架23与管体25之间用强力胶粘结，起固定作用。当有烟气沿管道流入时，前温湿度传感器8顶部正对管体25的气体入口处，测量入口烟气的温度和湿度，温度传感器14负责测量制冷芯温度，高温烟气流过时，由于热量的交换，制冷芯温度会有轻微提高。后温湿度传感器22正对管体25的出口，负责测量制冷除水后的烟气温度和湿度，这样就得到了烟气经过半导体制冷段前后的温度和湿度变化量。

如图3、图4所示，散热片9为多肋片式，制冷芯13为多翅片式。风扇20的四角与散热片9的四角在对应位置上分别分布着四个螺丝孔，散热片9的四角与制冷芯板筋的四角在对应位置上也分别分布着四个螺丝孔，器件之间由螺栓和螺母固定。制冷散热系统以制冷片15为核心，制冷片15上方紧贴散热片9，两者之间涂抹导热硅脂，起加快导热作用，散热片9上方紧贴风扇20，强化散热片9的对流散热。制冷片15下方为制冷芯凸台12，两者之间涂有导热硅脂，也起加快导热作用。开始工作时，由帕尔贴效应及半导体制冷的热惯性可知，在极短时间内半导体两面将到达极限温差所对应的温度。两片制冷片15同时工作，以保持整个制冷芯温度分布均匀。制冷片15冷面温度较低，从制冷芯吸收热量，导致制冷芯温度降低。制冷片15 热面温度较高，将热量传导给散热片9，并由风扇20强化对流换热，使烟气热量快速散失到周围环境中。

图5为装置的排水循环装置，整个装置采用倾斜放置方式，当高温烟气经过制冷段时，每一段均有水分析出，由于重力与表面张力的作用，水沿管壁流入集水渠27和U形管32中。空冷段，水冷段、半导体制冷段、U形管32、水泵接口和水冷管进水口5之间均采用强力胶粘结。

温度传感器14、制冷片15和风扇20均由温控板控制，温度传感器14、前温湿度传感器8和后温湿度传感器22所测温度和湿度均由温控板显示屏显示。

本装置设计气体流量为0～0.2L/min；散热片使用90×90mm肋片式铜散热片，肋高10mm；风扇使用60mm直流涡流风扇，风扇厚 15mm；制冷芯采用铝材料，翅片宽50mm，采用10个翅片，5个通道，翅片厚1mm，翅片间距为3mm，制冷芯长130mm；制冷芯凸台高20mm，截面边长为40mm的正方形；制冷片采用12703型制冷片。

该装置操作过程如下：首先，如图6(A)所示，安装温度传感器14，调节前温湿度传感器8，使其正对管体25的烟气进口，后温湿度传感器22正对管体25的烟气出口。倾斜安装调整装置，使冷凝水能够向集水渠27流动。打开温度控制板确定温度和湿度示数是否为空气实际温湿度，若相同，可继续实验，否则更换相应传感器。用棉花塞堵住进气口1和出气管24以创造封闭环境，打开制冷片15和风扇20开关，设置制冷芯所需制冷温度，待温度传感器14所测示数为所需温度时，利用相关取样器取得试验范围的烟气或模拟烟气，通入烟气，烟气经过前温湿度传感器8会测出烟气的初始温度和湿度，经过制冷芯时，烟气降温，水蒸气凝结析出附着在管壁之上，流入集水渠27，进入U形管32，如图6(B)所示，当U形管32左侧水位到达光电传感器的位置时，凝结水被水泵泵入水冷管。烟气经过后温湿度传感器时，烟气的温度和湿度将再次被测出，如果达到理想温度和湿度，可将干烟气导入烟气分析仪进行成分分析，否则设置更低的制冷温度，直至达到出口烟气的理想温度和湿度值。

在具体实施过程中，用该烟气预处理装置除去某锅炉燃烧所产生烟气中的水分，烟气温度为340℃，含水量占25％，湿度为333g/m³。装置进气量为0.1L/min，管道内径为36mm，流速为1.67mm/s，空冷管与水冷管各长20cm。打开散热片风扇及制冷片开关，设置制冷芯温度为4℃，在水冷管中加入温度为室温的水至水冷管出水口处，待装置各部分温度稳定时，通入烟气，一段时间后，烟气稳定，空冷段管壁、水冷段管壁和电子制冷段管壁冷凝出水珠，并聚集流入U形管。测得制冷段烟气入口温度为62℃，水含量为156g/m³，在出气管处测量烟气温度为4℃，水含量为5g/m³。该装置在上述情况下的除水量为328g/m³，除水率达到98.5％。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。