低温冷风发生装置的系统设计与分析

参考文献
图 4 低温冷风磨削试验现场图
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表 1 低温冷风发生装置的性能测试结果 流量（Nm3/h） 绝对压力 bar 喷嘴出口温度℃
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3 结论
本文为绿色磨削试验研究设计并搭建了一套
[1] 横川和彦,横川宗彦. ISO4000 取得のための冷风研削. 切削加工. 机械技术,1997(8) :52～56；
DESIGN AND ANALYSIS OF A COOLING-AIR GENERATOR
Liu Yefeng 1 Zhao Huanhuan1 Zhang Hua1 Cai Yulin1 Yao Jun2 Huang Haitao2 (1 College of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, P.R.China;2 Shanghai Machine Tool Works Ltd, Shanghai 200093, P.R.China)
1.2 低温冷风发生装置的系统设计
低温冷风发生装置是整个试验的核心，它的性 能直接影响喷嘴出口处的温度、压力和流量，进而 影响整个试验磨削结果。图 1 为低温冷风发生装置 的系统流程图。该装置由空气压缩机、储气罐、除 油除水过滤器、高效除油过滤器、吸附式干燥机（简 称吸干机）、除尘过滤器、金属转子流量计、蒸汽 压缩制冷系统、压力表、喷射器等部分组成。其中 空气压缩机是产生压缩空气的装置；储气罐的作用 是减少气流脉动和存储压缩气体；除水除油过滤器
Abstract One new type of cooling-air generator is development in this paper. The air handling process and main equipments of the generator including the vapor compression refrigeration system and the low noise injector are introduced in details. The performance results indicate that the generator can apply cooling air with temperature range －34℃～0℃，pressure range 1~7bar and volume mass range 0~34Nm3/h. The cooling-air generator can be used for green cutting experiment research. Keywords Cooling-air grinding Cooling-air generator Vapor compression refrigeration Low noise injector.
图 2 多通道专用喷嘴
这样使得气流在喷管中逐渐趋于完全膨胀，气 流在进口截面产生的横向压力梯度和径向分速度 逐渐减少，并在出口之前趋于零，从而获得均匀的 出流速度场，而且能在加速过程中尽可能消除回 流。图 2 是多通道专用喷嘴结构，该喷嘴头部设计 成多通道的小孔径形式，可使气流控制在最佳条 件，从而形成一个均匀、平直、有力的气流，能大 幅度降低噪音，吹力高且气量消耗低。
基金项目：上海市科委计划项目（编号：08110511700）、上海市重点学 科建设（编号：S30503）和“十一五”国家科技支撑计划资助项目 (2006BAF02A06 - 03). 作者简介：刘业凤，女，副教授，1973 年生，主要从事绿色切削加工 技术和新能源应用技术的研究, E-mail:yfliu209@163.com。
1.5 低温冷风发生装置的空气处理过程
低温冷风发生装置工作时，首先设定空气压缩 机的出口压力，再启动空气压缩机，环境空气经空 气压缩机进入储气罐，储气罐可缓冲空气压力波动 并保证空气流量稳定。等到压力稳定后，开启蒸汽 压缩制冷系统。待制冷系统进入稳定状态后，开启 吸附式干燥机。压缩空气通过除油除水过滤器和高
1.1 低温冷源的选择
常见冷源的获取主要有 4 种形式：使用低沸点 介质（常用液氮）的间接冷却、涡流管制冷、空气 绝热膨胀制冷和蒸汽压缩式制冷。间接冷却系统结 构简单，但是连续实现机械加工需要大容量的储液 器，增加系统的运行成本；涡流管制冷系统结构简 单，但是制冷效率比较低；空气绝热膨胀制冷系统 结构简单，气源无相变发生，能耗低，但是温度不 易控制，成本较高。蒸汽压缩式制冷系统结构简单， 制造方便，温度控制精确，能耗效率理想。本文研 制的低温冷风发生装置采用该制冷方式。由于本试 验要求低温冷风温度为-30℃～0℃，为了实现温度 的连续调节，在旁通管路设置调节阀进行连续调 节。
式中： r0、r1－喷嘴进口和出口截面的半径，m； l－喷嘴进口到喷嘴出口的距离,m； x－壁面上任一点至喷管进口的轴向距离。
效除油过滤器，除去压缩空气中较大的油、水和固 态微粒，之后通过吸附式干燥机对压缩空气进行除 湿干燥。然后把经过干燥的空气送入除尘过滤器中 去除空气中杂质以免影响磨削加工质量。然后通过 制冷系统中的蒸发器对空气进行冷却降温，达到实 验设计要求。最后通过喷射器把满足要求的冷空气 喷射到试件和砂轮的加工区域表面，达到降温效 果。
目前对于低温冷风切削的研究主要针对车削、 铣削、钻削的加工过程。而对低温冷风切削技术在 磨削加工的应用研究十分缺乏，缺乏试验数据，难 以提供科学、合理的磨削参数。因此，本文研制了 一套低温冷风发生装置，可以控制低温冷风的流量 范围 0～34Nm3/h、绝对压力 3～6bar、温度范围-34
℃～0℃，并研制出低噪声喷嘴。该装置为低温冷 风磨削加工的试验研究提供了前提条件。
[2] 张 震 , 何 曙 华 . 低 温 冷 风 切 削 技 术 浅 谈 . 工 具 技 术,2002(6) :32～33；
[3] 杨颖,童明伟,严兴春等. 低温冷风射流对断屑影响的实 验. 重庆大学学报,2004(5) :74～77；
[4] 刘献礼,文东辉,钟 佳. 冷风发生装置及风冷却切削用 技术. 制造技术与机床, 2001(10) :8～10；
r
=
r1{1
−
[1
−
(
r1 r0
)2
]
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− +
3χ 3χ
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l 2 )2 }−1 2 l2 )2
（1）
环境 空气压 空气 缩机
消消 音音 器器
12
p1
除油除水 高效除油
过滤器
过滤器
吸附式 干燥机
除尘 流量计 过滤器
旁通调节阀
p3
p2
试件
喷嘴 电动阀
蒸发器
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制冷机
图 1 低温冷风发生装置系统流程图
[5] 刘安虎,李文贵,章海涛等. 干式冷风车削不锈钢的高速 钢刀具磨损试验. 工具技术. 2007：41（10）：61－63；
采用离心运动的原理将空气中较大的油、水和固态 微粒分离出来，初步净化空气；高效除油过滤器进 一步除去压缩空气中细小的油等杂质；微热型吸附 干燥机利用吸附剂氧化铝对压缩空气进行干燥，避 免在后面的降温过程中出现结霜或水分，压力露点 可达到-50℃（即压缩空气在-50℃以上不会结霜）； 除尘过滤器除去压缩空气中的灰尘，清洁空气；金 属转子流量计测量压缩空气的流量。制冷机的蒸发 器对压缩干燥的空气进行降温冷却，最后处理完的 低温冷风经喷嘴送向加工区的试件和砂轮，对磨削 进行降温冷却。
面完整性。它能减少切削液的相关费用、回收切屑 和改善作业环境。日本对此项技术的研究较早,开发 水平较高。1996 年,日本学者横川和彦、横川宗彦 等人将-10℃～-100℃的压缩空气直接喷向车削的 刀屑接触区冷却润滑,刀具使用寿命是干切时的 3 倍以上[1]。日本的三井精机推出的加工中心、森精 机推出的车床等都使用了低温冷风切削技术。在国 内，重庆大学、哈尔滨理工大学、大连理工大学、 南京航空航天大学等研究人员[2-5]也对这方面技术 进行过研究，研究表明：低温风冷切削可显著降低 切削区温度，提高刀具耐磨性，延长刀具使用寿命， 改善加工表面质量，且对环境完全无污染。
文章编号：CAR136
低温冷风发生装置的系统设计与分析
刘业凤1 赵欢欢1 张华1 蔡宇琳1 姚俊2 黄海涛2
（1 上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093；2 上海机床厂有限公司，上海 200093）
摘 要 本文设计并搭建了一套低温冷风发生装置，对该系统的空气处理过程和主要设备包括蒸汽压缩制冷系统、低噪声喷 射器进行了详细的介绍。该装置能够提供温度范围－34℃～0℃、绝对压力 3～6bar、流量范围 0～34Nm3/h 的低温压缩空气. 该装置的研制成功为切削加工的绿色化试验研究提供了基础。 关键词 低温冷风磨削 低温冷风发生装置 蒸汽压缩制冷 低噪声喷射器
2 装置的性能测试
该装置设计并搭建完成，系统实物见图 3 和图 4。性能测试结果见表 1。由于蒸发器出口至喷嘴有 约 2m的管道距离，虽然采用保温棉保温，但仍有 热损失，导致空气升温 5℃左右，因此用T型热电偶 测量温度的点布置在喷嘴出口处，而不是蒸发器出 口,该点测量的温度值才能真实反映喷嘴出口处的 实际温度。测试结果表明：该装置能够提供温度范 围－34℃～0℃、压力 3～6bar、流量范围 0～ 34Nm3/h的低温压缩空气，完全满足磨削试验对低 温冷风参数的设计要求。
0 引言
绿色切削技术 可以提高刀具使用寿命及加工 质量,且对环境无污染,对人体健康无害,在实际应用 中取得了良好效果，是金属切削加工领域今后的发 展方向。绿色切削技术领域一些常见的分支技术包 括干式切削、液氮冷却切削、水蒸汽冷却切削、气 体射流冷却切削及低温风冷切削等均属于绿色切 削技术。低温冷风切削技术是在加工过程中用-10 ℃～-100℃的低温压缩空气冲刷加工区，从而降低 刀具和工件温度的一种切削技术。它的切削系统主 要由冷风发生装置和切削加工系统组成。低温气体 冷却可以理想地消除金相变化,并能改善工件的表
1 低温冷风发生装置的系统设计
为了分析低温冷风参数对磨削效果的影响，磨 削试验需要提供温度、压力和流量可调的低温冷风 发生装置，设计要求低温冷风的流量范围 0～ 30Nm3/h、压力范围 3～6bar、温度范围-30℃～0℃。 因此，本系统设计时要充分考虑试验的要求以及操 作的方便性和灵活性。冷风温度由蒸发器的旁通阀 开度调节，压力由空气压缩机来调节，流量由电动 阀调节。
1.4 低噪声耐低温亚声速喷射器
喷射器是该装置的末端设备，它的结构决定了低 温冷风气流的分布，并且对磨削过程的冷却起着关键 的作用。由于喷射器使用了压缩低温气体，常会有恼 人的高频刺耳的“嗤嗤”声，其噪音可超过 100dB， 这种噪音可严重损害听力，必须采用特殊设计使得噪 音低于 85dB。这种噪音是由于气体出口处的气体涡 流产生的，其强度由喷嘴的喷口形状和气体压力决 定。这意味着：如果需要更好和更强的气流，则对人 有害的噪音也会越大，气体消耗、成本也就越高。为 此利用气体动力学理论中的亚声速冲击射流原理。内 部流道形状满足维多辛斯基曲线公式，
图 3 低温冷风发生装置实物
新型的低温冷风发生装置，该装置能够提供温度范 围-34℃～0℃、绝对压力 3～6bar、流量范围 0～ 34Nm3/h的低温压缩空气，介绍了该装置的系统组 成及其工作过程，对其中的制冷系统和低噪声喷射 器进行了详细介绍。该装置具有系统设计合理、结 构简单、易于控制和操作等优点。通过性能测试， 该装置满足设计要求。该装置的研制成功为下一步 的低温冷风磨削技术的研究提供了试验条件。
空气状态参数的控制方法：通过调节旁通管路 上的调节阀开度让一部分空气旁通来对喷嘴出口 处的空气温度进行连续控制，电动阀控制空气流 量，设置空气压缩机的启停压力来控制压力。
1.3 蒸汽压缩制冷系统
为获得实验所要求的-30℃～0℃低温冷风，本 试验采用蒸汽压缩式制冷系统，制冷剂为 R404A， 单级压缩。