带有氮气回收深冷处理设备的设计_顾开选

随着深冷处理技术的发展及应用， 相应的深冷 处理设备也必不可少。 目前， 采用液氮制冷的处理 较为普遍， 根据其制冷方式的不同又可以分为液氮 浸泡式和利用液氮的汽化潜热或者低温氮气制冷， 而后者又分为： 基于辐射换热的系统、 基于对流换热 的系统以及基于辐射和对流换热相结合的换热系 统。 图 1 是典型的基于液氮气化吸热制冷原理的深 冷处理设备结构图， 在液氮气化的过程中， 液氮的潜 热和显热都要释放冷量， 系统就是利用这部分冷量 液氮传 来对工件进行制冷。 整套系统包括液氮罐、 输系统、 深冷箱箱体和控制系统四部分。 液氮罐用 于储存并为系统提供制冷剂， 液氮传输管路采用真
第3 期
顾开选等： 带有氮气回收深冷处理设备的设计
பைடு நூலகம்· 43·
铜管。氮气的汽化潜热为 198． 6 kJ / kg， 氮气的平均 比热容为 1． 04 kJ / （ kg · K ） ， 铝合金的平均比热容 C p 为 0． 879 kJ / （ kg·K） ， 换热器的功率为： Q = q（ γ + C p m△T） / t = 43． 9 kW 冷量来自于液氮的汽化潜热和显热两部分， 所 以： Q = q （ γ + C p q △T） 代入数值求解上式得液氮流量 q = 0． 19 kg / s， 液 cA 3 氮的密度为 808 kg / m ， 因此由公式 q = 可得液氮 V 在管道内部的流速 c 为 2． 08 m / s。由此可知液氮在 管道内部流动的雷诺数： cd = 6 ． 71 × 10 4 μ /p ［6 ］ 查表得液氮的普朗特数 Pr 为 2． 285 ， 由准则 Re =
1， 2 顾开选 ， 郭 1 1， 2 嘉， 薛小代 ， 崔 1 1 晨 ，王俊杰 ，周
远
1
（ 1． 中国科学院低温工程学重点实验室 （ 理化技术研究所） ， 北京 100190 ； 2． 中国科学院研究生院， 北京 100049 ） 要： 对深冷处理技术及传统的深冷处理设备进行了简单总结 ， 在此基础上提出了一种带有液氮 。 回收的深冷处理设备 采用翅片管式换热器作为该深冷设备的中间换热设备 ， 液氮通过换热器管侧 摘 翅片侧通过风机提供一定流速的气流进行强制对流换热 ， 利用热交换后的气流控制设 进行热交换， 备的温度， 热交换后的氮气流出换热器进行回收利用 。根据使用要求对换热器进行了设计计算， 确 定了换热器的结构及尺寸大小。采用经验公式对该换热器的压降进行了计算 ， 对比了该设备与传统 深冷设备的效率和经济性。 关键词： 深冷处理； 氮气回收； 换热器； 压降 中图分类号： TB657． 3 文献标识码： A 文章编号： 1673 － 4971 （ 2012 ） 03 － 0041 － 03
Design of the Subzero Treatment Equipment with Nitrogen Recovery
2 2 GU Kaixuan1， ，GUO Jia1 ，XUE Xiaodai1， ，CUI Chen1 ，WANG Junjie1 ，ZHOU Yuan1
（ 1． Key Laboratory of Cryogenics，TIPC ，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190 ，China； 2． Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049 ，China） Abstract： The techniques of subzero treatment and traditional subzero treatment equipment are summarized，and on that basis，the subzero treatment equipment with nitrogen recovery is proposed． This equipment uses finned tube heat exchanger as a middle heat exchanger，liquid nitrogen passes the heat exchanger tube to exchange heat and the fan gives the forced convection heat transfer with certain flow rate is heat exchanger through the side of fin． The gas after heat exchanging is used to control the temperature of equipment． Over heat exchanging，the nitrogen is collected into a gas storage tank． The structure and size of the heat exchanger is decided by calculation of heat exchanger according to operating requirement． For choosing the fan，the pressure drop of the heat exchanger is calculated by empirical formula． The heat transfer and economical efficiency are compared between this equipment and traditional one． Key words： subzero treatment； nitrogen recovery； heat exchanger； pressure drop
Fig． 1 图1 SLX 程序控制深冷箱
The subzero tank controlled by SLX program
带氮气回收系统的深冷处理设备 带氮气回收系统的深冷处理设备换热器计算
传统的深冷处理通过液氮汽化后直接与工件接 换热后的氮气排到空气中， 而对于一些 触进行换热， 热处理企业或其它加工企业， 对氮气有一定的需求 量， 比如采用氮气进行气冷或用作保护气体等。 因 对深冷处理过程中排出的氮气进行回收利用可 此， 为企业降低生产成本。 为了实现对氮气的回收， 该设备采用一套翅片 管式换热器作为中间换热设备， 液氮在管内流动， 翅 片侧通过风机进行强迫对流换热， 利用换热后的气 流对设备进行温度控制。而管内换热后的氮气直接 排至储气罐进行回收利用， 其流程图如图 2 所示。 下面对换热器的换热面积进行计算 。 假设处理 600 kg 铝合金， 从 30 ℃ 以 5 ℃ / min 的速率降到 － 120 ℃ 的功率作为设计功率。 并采用 管翅式换热器进行换热， 换热器管道采用铜管， 翅片 。 ， 6 mm ， 2 mm 采用铝片 根据经验 采用内径 壁厚 的
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收稿日期： 2012 － 02 － 13 作者简介： 顾开选（ 1987 － ） ， 男， 博士， 主要从事金属材料深冷处理方面的研究。 联系电话： 15210674644 ； E － mail： gukaix@ 126． com “高档数控机床与基础制造装备 ” 基金项目： 本项目得到国家 科技重大专项（ 2011ZX04002 － 031 ） 和中国科学院新兴战略产业联盟（ 2011 ） 的支持。
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空绝热软管将液氮罐和深冷箱连接起来。 深冷箱箱 体由双层不锈钢制成， 双层不锈钢之间采用先进的 能够最大限度地减小箱体内外的热 保温材料填充， 交换， 从而保持箱体温度的均匀性并降低了液氮消 耗量。箱体内侧配有扇叶和自主研发的液氮分散系 统， 液氮先通过液氮分散系统然后通过风扇均匀地 分散到箱体内部达到降温的目的。 控制系 统 采 用 PID 进行控制， 用低温温度计检测温度， 利用智能调 通过控制电路驱动低温电 节器的制冷和加热信号， 磁阀和加热器来实现深冷箱内部的温度调节 ， 整套 系统如图 1 所示
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深冷处理是指将被处理工件置于特定的、 可控 的低温环境中， 使材料的微观组织结构发生变化， 从 而达到提高或改善材料性能的一种处理手段。 关于 深冷处理的机理问题， 现在还处于一个研究初期阶 段， 对材料内部变化机理的认识还不够完善。 相对 来说有关黑色金属 （ 钢铁 ） 的深冷机理已经研究得 透彻， 各国研究者已达成一些共识。 而对 较为深入、 于铝合金深冷处理的机理研究得较少。 对于黑色金 其深冷处理的机理主要由以下几点： ① 残余 属来说， 奥氏体转变成马氏体， 提高材料的硬度和强度， 同时 改善材料的尺寸稳定性； ② 从马氏体基体中析出超 细碳化物颗粒， 提高材料的耐磨性， 从而提高使用寿 命； ③马氏体板条碎化， 使组织得到细化， 从而引起 ； 工件的强韧化 ④降低材料内部的残余应力， 从而提 高材料的尺寸稳定性。 1 传统的深冷处理设备 2 2． 1
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热处理技术与装备
第 33 卷
者们把钟表的关键零件埋在阿尔卑斯雪山中保持一 ［2 ］ 段时间发现能够提高零件的使用寿命 。但直到二 十世纪中叶深冷处理技术一直未在工业中得到推 深冷 广。1965 年美国首次将深冷处理实用化以后， 处理技术才开始引起全世界的关注。 随后美国、 前 苏联、 日本等各国学者都对其进行了广泛 的 研 究， 并把这一技术应用到很多领域， 如航空航天、 精密仪 器仪表、 摩擦偶件、 工具、 模 具 和 量 具、 纺织机械零 汽车工业和军事科学领域，取得了很大的经济 件、 效益。我国也有一些单位开展了深冷处理的研究及 应用，特别是在标准行业、 工具行业、 纺织行业、 油 嘴油泵、 轴承、 航空航天等。涉及的材料主要是工具 钢、 轴承钢和高速钢
·设 备·
第 33 卷第 3 期 2012 年 6 月
热处理技术与装备 RECHULI JISHU YU ZHUANGBEI
No． 3 Vol． 33 ， Jun， 2012
带有氮气回收深冷处理设备的设计
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－ 0 ． 245
（
s1 － d r ） dr
－ 0． 9
（
－ 0． 7
n 为了流动方向上的管排数， n = 6 ； d e 为当量直径 de = F1r d r + F1f 槡 F1F / 2 n f = 0． 016 m F1r + F1f
n f 为单位长度的翅片数， 式中， 为 405 ； F1r 为每根管
深冷处理又称为超低温处理， 是指处理温度在 － 130 ～ － 196 ℃ 的低温处理， 深冷处理能够有效提 稳定尺寸、 改善 高金属材料的机械性能和使用寿命、
均匀性、 减小变形 ， 此外， 还能改善金属材料的导 电性、 导热性等物理性能。 深冷处理是 20 世纪 60 年代从普通冷处理 （ 0 ～ － 100 ℃ ） 的基础上发展起 来的一门新技术， 早在 100 多年前， 瑞士的钟表制造
0． 8 0． 4 式 N μ = 0 ． 023 R e Pr 得 N u = 232． 6 ， 所以管道内部 Nμ λ = 5815 W / （ m2 ·K ） ， 假设管道 换热系数为： h i = d
由于换热器的翅片侧通过风机提供一定的风速 进行强制对流换热， 因此， 气流流经换热器的压降直 接决定了风机大小的选择。如果选择风机过大则造 成能量的浪费， 选择过小则降低换热效率。 为了保 证风机选择合适， 需要对换热器进行压降计算 压力损失： △p = f · 式中， 摩擦系数 G max d e f = 1 ． 463 （ ） μ de （ ） － 0． 9 = 1 ． 01 dr nG2 max N / m2 2p s1 － d r + 1） sf