CN107388032A - 一种液氮射流状态稳定流量的调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种液氮射流状态稳定流量的调控方法属于低温工程领域,涉及一种液氮射流状态稳定流量的调控方法。该方法对液氮射流状态稳定流量的调节是利用绝热管路降低漏热,使两相流气体质量分数调控在一定的范围内,降低液氮在输送过程中的气化比例,获得允许范围内的稳定输出结果;通过实时监测液氮输送流量,利用PID调控方法实现液氮流量调节及稳定输出。该方法对低温介质加工中的低温流体进行有效的稳定调控,降低了液氮在管路输送中的干度,提高了液氮超低温切削时流体的利用率。液氮输送装置结构紧凑,采用真空管路,降低了管路中的热损失;减小了液氮气化速率,降低了两相流气体质量分数,稳定了液氮射流状态,实现了液氮流量的精确调控。
Description
技术领域
本发明属于低温工程领域,特别涉及一种液氮射流状态稳定流量的调控方法。
背景技术
近年来,液氮在超导磁体的冷却、低温微创手术、超低温冷却加工等领域被广泛应用。特别地,以液氮作为冷却介质实施超低温冷却加工,在延长刀具寿命、提高加工质量与加工效率等方面具有独特优势,亦对输送至刀具-工件交互作用区域的低温介质(两相氮)流量、气体质量分数等提出了极高的要求。液相氮的含量越高即气体质量分数越低,低温介质的冷却和润滑效果越好,对加工有利。液氮可控输送对超低温冷却加工研究及实用推广都是必不可少的。液氮是一种低温流体,其储存、运输、使用方法等都与常规切削液有很大的不同。液氮沸点低(-196℃),气化潜热较小(水的1/8),是一种极易气化的低温介质。这对输送系统的输送压力、管路系统的绝热性能、管路系统的结构设计提出了较高的要求。液氮在输送过程中,不可避免地会出现气化现象,呈现气液两相流,同时考虑系统漏热等复杂问题,致使流量调控十分困难。
为了获得更加直接的冷却效果、提高低温介质的使用效率,国内外学者提出了多种超低温冷却的施加方式,对液氮的输送、喷射以及低温介质状态的影响等方面都有过深入的研究。2013年,上海航天设备制造总厂在发明专利CN201320088413.0公开了“一种低温加工用低温氮气供气系统”,将液氮气化产生的-196℃低温氮气通过恒温器加热至预期温度,通过PLC调控器调控低温氮气射流,但其两相流气体质量分数过大,加工时低温介质对切削区的降温效果不足。2016年,张小明等人在发明专利CN105583689A公开了“一种适用于Inconel718切削加工的双喷头式液氮冷却系统”,通过喷头将液氮漫灌式喷射至刀具的前、后刀面,尚未涉及液氮流量控制问题。
但是,以上方法均未考虑两相流气体质量分数对液氮输送状态的影响,未提及液氮射流状态稳定流量的调控方法。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是克服现有方法的不足,针对液氮射流状态稳定调控难题,发明了一种液氮射流状态稳定流量的调控方法。利用绝热管路等降低漏热,使两相流气体质量分数调控在一定的范围内,降低液氮在输送过程中的气化比例,获得允许范围内的稳定输出结果;通过实时监测液氮输送流量,利用PID调控方法实现液氮流量调节及稳定输出;该方法可靠性好、操作效率高、工作环境安全。
发明所采用的技术方案是一种液氮射流状态稳定流量的调控方法,其特征是,该方法对液氮射流状态稳定流量的调节是利用绝热管路降低漏热,使两相流气体质量分数调控在一定的范围内,降低液氮在输送过程中的气化比例,获得允许范围内的稳定输出结果;通过实时监测液氮输送流量,利用PID调控方法实现液氮流量调节及稳定输出;方法的具体步骤如下:
第一步,组装液氮输送装置
液氮输送装置由液氮输送管路系统和液氮流量调控单元组成;
先组装液氮输送管路系统,系统由自增压杜瓦罐1、真空绝热管2、法兰3、液氮流量计4、喷头5和超低温调节阀7构成;用于提供液氮的自增压杜瓦罐1上部的出液口a通过螺纹与真空绝热管2连接;真空绝热管2通过法兰3与液氮流量计4连接;液氮流量计4须垂直安装;超低温调节阀7须水平安装,且液氮流量计4须位于超低温调节阀7的液氮流入一侧,以满足相应功能需求;液氮流量计4和超低温调节阀7尽量靠近喷头5;喷头5安装在水平真空绝热管2的最右端。
再组装液氮流量调控单元,调控单元包括调控器6、U/I信号转换器9、I/U信号转换器10和信号发生器8;信号发生器8直接连接调控器6的信号接口;调控器6通过I/U信号转换器10与液氮流量计4连接;调控器6通过U/I信号转换器9与超低温调节阀7连接。
第二步实施液氮流量调控
自增压杜瓦罐1压出的液氮流经真空绝热管2、液氮流量计4和超低温调节阀7,最终传输至喷头5;进行液氮流量调控,首先,利用信号发生器8设置液氮目标流量Q;液氮流量计4按一定的采样频率实时监测当前时刻的液氮流量Qk,通过I/U信号转换器10反馈至调控器6;调控器6按公式(1)自动计算流量偏差e(k):
e(k)=Q-QK (1)
并经嵌入的PID模块计算得出对超低温调节阀7的调控指令u(k);最后,调控器6经U/I信号转换器9自动向超低温调节阀7发出流量调控指令u(k),通过调整超低温调节阀7的阀口大小完成对液氮流量的调控。
本发明的有益效果是:对低温介质加工中的低温流体进行有效的稳定调控,降低了液氮在管路输送中的干度,提高了液氮超低温切削时流体的利用率;液氮输送装置中的管路元器件布局有利于系统的移动和安放,并兼顾实际位置要求,减小占用空间;液氮输送装置结构紧凑,减小了液氮输送的总长度,同时采用真空管路,降低了管路中的热损失;减小了液氮气化速率,降低了两相流气体质量分数,稳定了液氮射流状态,实现了液氮流量的精确调控。
附图说明
图1-液氮输送装置示意图,其中:1-自增压杜瓦罐,2-真空绝热管,3-法兰,4-液氮流量计,5-喷头,6-调控器,7-超低温调节阀,8-信号发生器,9-U/I信号转换器,10-I/U信号转换器,a-出液口。
图2-液氮流量控制曲线,其中:A-液氮目标流量曲线,B-实际流量变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式:
实施例中采用的真空绝热管的热导率为2×10-5W/(m·K),可承受的内外壁温差达270度;自增压杜瓦罐公称压力为1.4Mpa。
方法的具体步骤如下:
第一步,组装液氮输送装置
液氮输送装置由液氮输送管路系统和液氮流量调控单元组成。
先组装液氮输送管路系统,如图1所示。系统由自增压杜瓦罐1、真空绝热管2、法兰3、液氮流量计4、喷头5和超低温调节阀7构成;用于提供液氮的自增压杜瓦罐1上部的出液口a通过螺纹与真空绝热管2连接;真空绝热管2通过法兰3与液氮流量计4连接;液氮流量计4须垂直安装;超低温调节阀7须水平安装,且液氮流量计4须位于超低温调节阀7的液氮流入一侧,以满足相应功能需求;液氮流量计4和超低温调节阀7尽量靠近喷头5;喷头5安装在水平真空绝热管2的最右端。
再组装液氮流量调控单元,调控单元包括调控器6、U/I信号转换器9、I/U信号转换器10和信号发生器8;信号发生器8直接连接调控器6的信号接口;调控器6通过I/U信号转换器10与液氮流量计4连接;调控器6通过U/I信号转换器9与超低温调节阀7连接。
第二步,实施液氮流量调控
首先,利用信号发生器8设置液氮目标流量Q,如图2中目标流量曲线A所示,液氮流量按控制曲线A变化。
其次,液氮流量计4按采样频率10Hz实时监测当前时刻的液氮流量,通过I/U信号转换器10反馈至调控器6;接着,调控器6按公式(1)自动计算流量偏差e(k),实施例中,液氮目标流量Q设定值为150L/h、当前流量Qk为180L/h,则e(k)=180-150=30L/h,并经嵌入的PID模块计算得出超低温调节阀7的调控指令;最后,调控器6经U/I信号转换器9自动向超低温调节阀7发出流量调控指令u(k),通过调整超低温调节阀7的阀口大小对管路液氮流量进行调控,得到实际流量变化曲线B,如图2所示。因系统实时液氮调节流量,实际流量会在目标流量附近波动。
本发明有效地对低温介质加工中的低温流体进行稳定调控,降低了液氮在管路输送中的干度,提高了液氮超低温切削时流体的利用率;为液氮切削液系统提供了一种准确稳定的液氮流体供给方式。
Claims (1)
1.一种液氮射流状态稳定流量的调控方法,其特征是,该方法对液氮射流状态稳定流量的调节是利用绝热管路降低漏热,使两相流气体质量分数调控在一定的范围内,降低液氮在输送过程中的气化比例,获得允许范围内的稳定输出结果;通过实时监测液氮输送流量,利用PID调控方法实现液氮流量调节及稳定输出;方法的具体步骤如下:
第一步,组装液氮输送装置
液氮输送装置由液氮输送管路系统和液氮流量调控单元组成;
先组装液氮输送管路系统,系统由自增压杜瓦罐(1)、真空绝热管(2)、法兰(3)、液氮流量计(4)、喷头(5)和超低温调节阀(7)构成;用于提供液氮的自增压杜瓦罐(1)上部的出液口(a)通过螺纹与真空绝热管(2)连接;真空绝热管(2)通过法兰(3)与液氮流量计(4)连接;液氮流量计(4)须垂直安装;超低温调节阀(7)须水平安装,且液氮流量计(4)须位于超低温调节阀(7)的液氮流入一侧,以满足相应功能需求;液氮流量计(4)和超低温调节阀(7)尽量靠近喷头(5);喷头(5)安装在水平真空绝热管(2)的最右端,
再组装液氮流量调控单元,调控单元包括调控器(6)、U/I信号转换器(9)、I/U信号转换器(10)和信号发生器(8);信号发生器(8)直接连接调控器(6)的信号接口;调控器(6)通过I/U信号转换器(10)与液氮流量计(4)连接;调控器(6)通过U/I信号转换器(9)与超低温调节阀(7)连接;
第二步实施液氮流量调控,
自增压杜瓦罐(1)压出的液氮流经真空绝热管(2)、液氮流量计(4)和超低温调节阀(7),最终传输至喷头(5);进行液氮流量调控,首先,利用信号发生器(8)设置液氮目标流量Q;液氮流量计(4)按一定的采样频率实时监测当前时刻的液氮流量Qk,通过I/U信号转换器(10)反馈至调控器(6);调控器(6)按公式(1)自动计算流量偏差e(k):
e(k)=Q-QK (1)
并经嵌入的PID模块计算得出对超低温调节阀(7)的调控指令u(k);最后,调控器(6)经U/I信号转换器(9)自动向超低温调节阀(7)发出流量调控指令u(k),通过调整超低温调节阀(7)的阀口大小完成对液氮流量的调控。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20171124 |