（1）样品降温除水常用的冷却器
样品降温除水常用的冷却器有以下几种：
①涡旋管冷却器。根据涡旋制冷原理工作。
②压缩机冷却器。又称为冷剂循环冷却器，其工作原理和电冰箱完全相同。
③半导体冷却器。根据珀耳帖热电效应原理工作。
④水冷却器。通过与冷却水换热实现样品的降温，有列管式、盘管式、套管式几种结构类型。
涡旋管冷却器、压缩机冷却器和半导体冷却器主要用于湿度高、含水量较大的气体样品的降温除水。其中以压缩机冷却器除湿效果最好，但价格最高。半导体冷却器制冷量较小，且难以用在防爆场合。涡旋管冷却器对气源的要求高（包括压力和质量），且耗气量大。
有时也采用水冷却器对气体样品降温除水，但除水效果有限。因为水冷却器只能将样品温度降至常温，即25～30℃，此时常压气体中的含水量为3%～4% vol，样品带压水冷时，除水效果稍好一些。因此，水冷却器只适用于对除水要求不太高的场合，一般情况下是将其安装在取样点近旁对样品进行初级除水处理。
（2）涡旋管冷却器
涡旋管的结构和工作原理见图3.36、图3.37。
图3.36 涡旋管结构示意图
1—进气管；2—喷嘴；3—涡旋管；4—孔板；5—冷气流管；6—热气流管；7—控制阀
图3.37 涡旋管工作原理示意图
常温压缩空气经喷嘴沿切线方向喷入涡旋发生器，由于切向喷嘴的作用，在涡旋发生器中形成沿圆周方向以音速旋转前进的高速气流，顺涡旋管向左运动。热端装有控制阀，当气流到达热端时，外圈气流从控制阀阀芯周边排出，内圈气流受到阀芯的阻挡，反向折转沿涡旋管向右运动，由冷端出口排出。
在涡旋管中，外圈左行气流和内圈右行气流以相同的角速度沿同一方向旋转，虽然两者角速度相同，但外圈气流线速度高，内圈气流线速度低，即两者的动能是不同的。这样，在两股气流的交界面上就会发生能量交换，内圈气流向外圈气流输出能量，或者说外圈气流从内圈气流汲取能量，以维持二者以相同的角速度高速运行。
外圈气流的动能大，就意味着其温度高，从热端出口经过控制阀排入大气时带出较多的热量，形成热气的来源。内圈气流的动能小，意味着其温度低，内圈的低温气体经过孔板排出时又会产生绝热膨胀，使其温度进一步下降，形成冷气。
涡流管两端产生的冷气流和热气流既可用来冷却除湿，也可以用来保温伴热。
涡旋管冷却器的结构见图3.38。
图3.38 涡旋管冷却器结构示意图
1—空气压力调节阀；2—涡流管制冷器；3—控制阀；4—热交换器
冷却过程通过涡旋管的冷气流与气体样品的热交换完成。冷却后气样的部分旁路既可将冷凝下的水雾水滴及时带走，还可达到自清扫的目的。运行时必须将涡旋管的控制阀调节适当，才能达到制冷目的。当控制阀全关时，气体全部从孔板排出，无制冷效应产生。若阀全开时，少许气体反而从冷端吸入，这时涡旋管就变成了一个气体喷射器。当阀调节到一定位置时，压缩气体从冷端和热端流出一定的量，制冷温度也就一定。若用铂电阻检测冷却温度，通过简单电子线路来控制压缩空气加入量（调节压缩空气的入口压力），即可实现制冷温度的自动控制。既可任意设定制冷温度，又可节约气源。
涡旋管冷却器的结构简单、启动快、维护方便，但耗气量较大，可达50～100 L/min。采用较高气压时，气样的温度可降至-10～-40℃。在实际使用中，温度给定不能太低，一般设定在6℃，使气样含水量降至0.92%即可。若低于0℃，冷凝出的水冻结会堵塞管道。
（3）压缩机冷却器
压缩机冷却器的制冷原理和电冰箱完全相同，见图3.39。制冷剂蒸气经压缩机压缩后，在冷凝器中液化并放出热量，进入干燥器脱除可能夹带的水分。毛细管的作用是产生一定的节流压差，保持入口前制冷剂的受压液化状态并使其在出口释压膨胀汽化。制冷剂在汽化器中充分汽化并大量吸热，使与之换热的样品冷却降温。
图3.39 压缩机冷却器的工作原理
1—汽化器；2—压缩机；3—制冷剂补充阀；4—冷凝器；5—干燥器；6—毛细管(www.xing528.com)
压缩机冷却器的除湿装置见图3.40，它由一组放置在液体中的盘管组成。盘管材料有玻璃、Kynar（聚偏二氟乙烯）和Teflon（聚四氟乙烯）等，液体可以是水或某种防冻液（如盐水），有时也采用空气。这些液体由制冷系统冷却，为了避免烟气中的水分在盘管中冻结，液体的温度不低于1.67℃。水蒸气冷凝液由液体收集器集中，用蠕动泵定期或连续排出。冷凝水通常采用自动方式排放，因为手动排放时，如果操作者忘记定期排放，那么就会存在一定风险，冷凝液收集器充满后，水会溢流到样品管线中去，从而导致严重后果。
图3.40 压缩机冷却器的除湿装置
增加一组冷却盘管可进一步降低水分含量，但更为有效的措施是在第一级盘管之后加一个样品泵，从第一级冷却器加压向第二级冷却器传送气样。气体在压力下比在真空下更容易冷凝。因为气体受压时，水分子从液体表面逃逸蒸发更为困难。这种增压会使气体的水分含量降得更低，比在大气压力下冷却除湿效果更好。
M&C公司的产品资料和国外专著都介绍了既能保护泵不被气样液滴损坏，又能获得低露点气样的办法，就是将泵安装在两级气样冷凝器之间。
（4）半导体冷却器
半导体制冷是1834年由珀耳帖发现的一种物理现象。如图3.41所示，当一块N型半导体（电子型）和一块P型半导体（空穴型）用导体连接并通以电流时，正电流进入N型半导体，多数载流子即电子在接头处发生复合。复合前的动能和势能变成接头处晶格的热振动能，于是接头处温度上升。当正电流进入P型半导体时，需挣脱N型半导体晶格的束缚，即要从外界获取足够能量才能产生电子-空穴对，于是接头处发生吸热现象。电流越大，接头处温差越大。N型和P型半导体之间的导流片采用紫铜板。为使制冷端和样品、发热端和散热片之间既保持良好接触，又保持电绝缘性，两者之间的电绝缘层采用镀银陶瓷板、薄云母板、铝或铜的氧化物层。调节电流大小即可控制制冷温度。通常设定制冷温度在1～2℃，防止样品管路冻结堵塞。在防爆区域使用时，部件需隔爆。
图3.41 半导体冷却器
半导体冷却器又称热电冷却器，其优点是外形尺寸小、使用寿命长、工作可靠、维护简便、控制灵活方便，且容易实现较低的制冷温度。其缺点是制冷量较低，在入口气样温度小于60℃，气样流量小于3 L/min的条件下，出口气样温度才能达到3℃。（压缩机冷却器制冷量大，入口气样温度可高达160℃，气样流量不小于5 L/min，仍然能保障出口气样温度3℃。）
半导体冷却器的除湿装置是将一个撞击器（又称射流热交换器）装在吸热块中，吸热块与珀耳帖元件的冷端连接，见图3.42。珀耳帖元件的热端由一组散热片散热或用风扇将热量驱散。
图3.42 半导体冷却器的撞击器
在这种撞击器中，烟气从中心管中流过，中心管被一圈真空护套管所环绕。烟气到达撞击器底部之前，湿度保持在露点以上（真空护套管起绝热作用），在撞击器底部迅速冷却，水蒸气在撞击器底部冷凝析出并被排出。气体折转向上流动，在到达出口之前被撞击器冷壁进一步冷却。这种设计的独特之处在于，气体在到达上部的出口（通往分析仪）之前，被置于护套管之外的中心管部分再度加热。
这种冷却器的制冷效率取决于撞击器的表面积和长度、气体的流速、结构材料、环境空气温度和冷却面温度。珀耳帖冷却器/撞击器冷凝系统的额定制冷量根据具体样品处理系统的需求而定，根据实际需要加以选型是必要的。
（5）PSS系列气体冷却除湿单元装置
如图3.43所示是德国M&C公司PSS系列气体冷却除湿单元系统组成图。
图3.43 M&C公司PSS系列气体冷却除湿单元
①—气体冷却器（压缩机式或半导体式）；②—精细过滤器（2 μm）；③—隔膜泵；④—过滤器；⑤—蠕动泵；1—气样入口；2—气样出口；3—冷凝液排放口
气体样品在隔膜泵3的抽吸作用下进入冷却器1，冷却脱湿后的样品经精细过滤器2后由隔膜泵排出，冷凝出来的水分经粗过滤器4后由蠕动泵5排出，蠕动泵的作用是阻气排液。在气体冷却器中，采用了该公司专利部件Jet Stream（射流）热交换器。
此外，该冷却器内配有温控系统，可以将气样出口温度控制在（5±0.1）℃，气样温度的精确控制意味着气样含水量的精确控制，这样便于从分析结果中扣除水分造成的干扰和影响，这一点对于红外等仪器的微量分析来说是十分重要的。
气体冷却除湿系统在样品处理中占有重要地位，M&C公司气体冷却单元包括CSS架装式、PSS便携式、SS壁挂式三种系列，其主要性能指标（以PSS系列为例）：入口样品温度：小于80℃；入口样品湿度：不大于80℃露点；出口样品温度：一般为（5±0.1）℃，最低可达（-30±0.1）℃；样品压力：0.7～1.4 bar abs.；样品流量：150～350 NL/h；制冷能力：50～90 kJ/h；供电和功耗：230V-（45～55）Hz，240 VA；气路配管：6 mm OD Tube；与样品接触部件材质：不锈钢、玻璃、PVDF、PTFE等。
（6）水冷却器
气体样品冷却除水采用的水冷却器大多为盘管式水冷却器，其结构详见本书上一章样品温度调节部分。在使用中，若出现含水气体样品经水冷却器和气液分离器处理后依然带水的现象，其可能原因及处理办法如下：
原因①：水气分离器排液口未装自动排液器，人工排液不及时，水气分离器内液位过高造成带水。处理：应加装自动排液器。如采用人工排液，应加强现场巡检，及时、定期排液。
原因②：水冷却器失效，气样经过水冷后温度不下降，气相中的水不能析出，并在后面的管道中冷凝析出，从而造成气样带水。处理：检修水冷器。水冷器是易结垢部件，检修内容主要是除垢。检修方法是，将水冷器从装置上拆下，卸开顶盖，抽出内部不锈钢盘管和内件，用稀盐酸溶解水垢，水垢去除干净后用水清洗，再用仪表空气吹干；检查顶盖密封垫，如有必要，更换新密封垫；组装复位。
原因③：水冷却器内部换热盘管穿孔或破裂，冷却水进入气样管路导致。处理：将水冷器解体，抽出盘管检查，修补或更换盘管。
原因④：气样伴热保温管线功能失效，造成气样管内大量带水，超出除水系统的处理能力。处理：检查处理伴热保温管线存在的问题，使其恢复正常。
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