CN1902126A - 生产氮浆的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种生产氮浆的方法,其特征在于包括将液氮从喷嘴喷射到保持在减压下的容器中,调整喷嘴直径和喷射压力使得液氮维持微滴形态,由此形成具有均匀粒径液氮微粒并将它们分散在容器中,在它们停留在容器空间内的过程中从微滴颗粒使氮汽化,以通过汽化潜热凝固液氮颗粒并形成具有均匀粒径的微细固体氮颗粒,然后将固体氮颗粒与液氮混合。

Description

生产氮浆的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种生产液氮和固体氮颗粒的浆料即氮浆(slush nitrogen)的方法和设备。
背景技术
液氮在很多行业中用作不燃烧且轻便的冷源。而且,低温固态氮在冷却固体表面时传热差。此外,氮不能用作流体,且因此其使用受到限制。
近来,高温超导材料已经发现并实际应用。因此,能够在与液氮温度相同的温度下冷却的超导系统已经出现。低至65K温度用于冷却而不使液氮凝固的极限,氮的熔点为63K。因为沸腾前的上限为大约75K,所以能够以液氮显热冷却的温度范围变化10K。
因为液氮的比热为2kJ/kg,显热能够变化的每单位质量液氮的焓仅仅为20kJ/kg。此外,事实上,超导体的特性通常在低温(接近液氮凝固温度)下比在高温(接近液氮的沸腾温度)下更稳定。
因此,因为能够利用液氮的显热冷却的温度范围窄且其焓小,所以大量液氮是必须的。因此,大的超导设备成为必须的。如果冷却温度上升至沸点,例如超导体的性能限制在该温度下。因此,使用固体氮颗粒和液氮的浆料,所谓的氮浆,其能够连同相变潜热(25kJ/kg)一起利用,使得可能保持在氮的三相点附近的低温。从而,可克服上述困难。
还需要氢浆(slush hydrogen)作为航天工业的液体燃料。例如,在日本公开专利No.6-241647(1994)中公开了一种氢浆生产设备,其中使用冷液氦以热交换器来液化氢。液态氢的一部分进一步在通过液氦冷却的固体表面上凝固,并刮削所产生的固态氢。
日本公开专利No.6-281321(1994)公开了通过在低温恒温容器中在通过冷液氦冷却的固体表面上凝固液态氢并刮削所产生的固态氢来生产氢浆的方法和设备,其中通过将过度冷却的液态氢释放到低温恒温容器中而产生大量氢浆。
在日本公开专利No.8-283001(1996)中,公开了一种生产氢浆的方法和设备,其中通过将氢气吹入液氦中产生固态氢,且三相点液态氢与所产生的固态氢混合。
在每种情况下,通过应用氦使氢变化。假设应用该技术来生产氮浆。当通过将氦冷凝作为冷却剂再循环时,需要液化器,氦的液化温度需要低于氮或氢的液化温度。这种过程的缺点是需要大的设备并且生产费用高。
因此,本发明的申请人在未公开的专利申请JP 2003-065571和JP2003-391508中提出生产氮浆的方法。前者是这样的技术,其中氮浆通过使用能够产生固态氮的低温冷冻剂作为工作流体在低温容器中吸取液氮来生产。因为只有氦可用作产生固态氮的低温冷冻剂,所以需要特殊设备以防止固态氮闭塞喷嘴。对于控制固体氮粒径,尽管在某种程度上可通过喷嘴直径或流体压力,但为了稳定地获得具有均匀粒径的细粒有太多的因素要控制。后者是这样的技术,其中使液氮容器中的气相减压以蒸发液相氮,使得将温度最终降低至氮的三相点;通过保持三相点产生固态氮,将产生的固态氮细粉碎以获得氮浆。然而,控制粒径是困难的。
同时,因为氮浆的工业应用已进步,所以流体的流动性已经变得必要。更具体地说,需要将氮浆中的固体氮颗粒细粉碎,并使粒径均匀以发挥很小压力损失的良好流动性。因此,当长且大的物体在流动氮浆中冷却,或输送氮浆长距离时,可以高性能且高效率地实现冷却或输送。
发明内容
考虑到前述现有技术已有的问题和目前的需要完成了本发明。本发明的目的是提供无需高成本的冷冻剂或附加设备生产包括粒径受控的细微固体氮颗粒的氮浆的方法和设备。
根据本发明,生产氮浆的方法包括以下步骤:将液氮从喷嘴喷射到保持在减压下的容器中,调整喷嘴直径和喷射压力使得液氮维持微滴形态,由此形成具有均匀粒径的液氮颗粒并将所述颗粒分散在容器中;在其停留在容器空间内的过程中从微滴颗粒使氮汽化,以通过汽化潜热凝固液氮颗粒并形成具有均匀粒径的微细固体氮颗粒;然后将该固体氮颗粒与液氮混合。
喷射的液氮粒径由喷嘴直径和喷射压力决定的流动速率决定。喷射到空间内的液滴的形状变成球形。从喷射出的液氮球形颗粒的整个表面发生汽化,剥夺汽化潜热,使得液氮颗粒的温度低于凝固温度使得颗粒以球形凝固。因为固体氮颗粒的质量可通过从喷射的液氮颗粒的质量中减去对应于将液氮颗粒的当前温度(已知)降低至氮的凝固温度(63K)所需汽化潜热的汽化的氮的质量而得到,固体氮粒径可以通过从固体氮比重几何计算而得到。而且,产生的固体氮量可以通过测量作为氮气从供应的液氮中汽化的氮的量而容易地得到。
因为产生的固体氮在真空容器的底部累积,所以给定固体浓度的氮浆可以通过将三相点液氮到入容器中并搅拌液氮和固体氮来生产。
根据本发明的另一个方面,生产氮浆的设备包括:用于对容器内部减压的真空泵、能够通过真空泵保持在减压状态下的容器、配置以能够将液氮喷射到容器中的喷嘴、用于以压力将液氮输送至喷嘴的泵、和用于搅拌容器中物质的搅拌器。在该设备中,喷嘴可以改变为不同直径的各种喷嘴,且可以调整液氮输送压力。通过调节喷射压力从选自多个喷嘴中的喷嘴将液氮喷射到保持减压状态下的容器中,以形成具有均匀粒径的液氮细颗粒,并将所述颗粒分散在容器中。在停留在容器空间内的过程中从液体颗粒使氮汽化,以通过汽化潜热来凝固液氮颗粒,并形成具有均匀粒径的微细固体氮颗粒。最后,将固体氮颗粒与液氮混合。
这样,无需特殊昂贵的冷冻器或冷冻剂,该设备可用真空泵、直径可调的喷射工具(对于不同喷嘴孔的各种喷嘴为可交换的喷射工具)、真空容器和用于供应液氮的工具容易地制造。喷嘴直径优选为0.1mm至0.2mm。喷嘴的喷射压力优选为7kg/cm2至10kg/cm2
根据本发明,多个喷嘴可以提供在一个容器中。
根据本发明,喷嘴可以是具有多个喷嘴孔的多孔型喷嘴。
根据本发明,生产氮浆的多个设备可以并联连接,且形成固体氮颗粒的过程和将固体氮颗粒与具有接近三相点温度的液氮混合的过程可以同时在分离的容器中进行,这样每个过程可以顺序地并交替地在各容器中进行,从而连续进行整个过程。
如上所述,本发明的效果可以总结如下:可无需高费用的冷冻剂或附加设备通过如下生产包含具有受控粒径的固体氮微粒的氮浆:将液氮从喷嘴喷射到保持在减压下的容器中,调整喷嘴直径和喷射压力使得液氮维持微滴形态,由此形成具有均匀粒径的液氮细颗粒并将所述颗粒分散在容器中;在其停留在容器空间内的过程中从微滴颗粒使氮汽化,以通过汽化潜热凝固液氮颗粒并形成具有均匀粒径的微细固体氮颗粒;然后将固体氮颗粒与液氮混合。
附图说明
图1是根据本发明生产氮浆的设备的一个实施方式的示意图。
图2是根据本发明的其中多个设备连接的连续生产氮浆的设备的一个实施方式的示意图。
具体实施方式
现在,将参照附图举例详细说明本发明。然而,应当理解,这里描述的具体实施方式如构成部件的尺寸、材料类型、构造和相对布置等都不用于限制本发明到所公开的具体形式;除非其它特别说明,其目的是为了示例而公开。
第一实施方式
图1是根据本发明生产氮浆的设备的一个实施方式的示意图。在图1中,1为容器;2为能通过喷射液氮形成微滴的喷嘴;3为液氮罐;4为保持容器内真空的真空泵;5为对提供在容器底部的液氮和固体氮进行搅拌的搅拌器;6为液氮;7为供应液氮的供给管;8为取出氮浆产物的管道;9为以喷嘴形成的液氮颗粒;10为从液氮颗粒凝固的固体氮颗粒;11为以压力将液氮输送至喷嘴的泵。
参照图1,下面解释根据本发明第一实施方式的设备结构和工艺。供应液氮的供给管7连接到液氮罐3上,管的一端通过泵11连接到喷嘴2上。准备好孔径不同的各种喷嘴,并该喷嘴在孔的尺寸范围内可以交换。喷嘴内的压力可以泵11的转速或以用于调整提供在泵11(未示出)出料侧处的压力的手段来调整。供应液氮的供给管的另一端连接到容器1上。真空管连接到容器的顶部,以能够通过真空泵降低容器内部压力。搅拌器5设置在容器底部,以能够搅拌容器的内容物。用于取出产物的管道8设置在容器1侧壁的底部附近。
液氮预先储备在液氮罐3中,或补充以保持合适的液位。氮通过供给管7以7至10kg/cm2的压力供应给喷嘴2。当液氮从喷嘴喷射时,喷嘴2直径在0.1mm至0.2mm的范围内变化,且操作真空泵4使得容器内部压力变为大约93托(其为三相点)。结果,获得具有在0.05mm至0.1mm之间变化的任何直径的固体氮颗粒。如果使用一定的喷嘴孔直径的喷嘴,并保持恒定的供应压力和恒定的减压,可以获得尖锐粒径分布的固体氮粉末。
当固体氮粉末形成并累积在容器底部时,通过供给管7将液氮引入容器中,用搅拌器5搅拌内容物以形成具有均匀粒径的微细固体氮颗粒。从用于取出氮浆产物的管道8中提取氮浆,以结束一个分批过程。
第二实施方式
图2为根据本发明第二实施方式的设备的示意图。图2包括图1中相同标记所表示的部件,因此省略了这些部件的具体说明。参照图2,下面解释根据本发明第二实施方式的设备结构和工艺。
类似于第一实施例中所解释的设备的生产氮浆的设备100和200并联布置。两个设备的材料供应线都连接到相同的液氮罐3,它们的产物移出线也都连接到相同的产物移出线80。在生产氮浆的设备100中,通过操作泵4保持容器1内的减压,以压力将液氮6输送至布置在容器1内的喷嘴2,以形成液氮颗粒9,然后生产出包含固体氮颗粒10的固体氮粉末。同时,当前一批生产的固体氮粉末停留在设备200中时,将液氮6从氮罐3引入到设备200的容器1中,操作搅拌器5以混合容器的内容物和液氮,从而生产含有均匀固体氮细颗粒的氮浆。之后,通过产物移出线80取出产物。在设备100中生产微细固体氮颗粒的过程安排在与当设备200中的混合和内容物移出的过程完成的同时完成。接下来,固体氮颗粒生产过程依次转变成混合和移出过程,以在设备200中生产固体氮颗粒并在100中混合并移出内容物。之后,这些过程交替并连续进行。
工业应用性
根据本发明,具有良好流动性的氮浆可以用廉价的设备和方法来生产,大而长的物体可以有效地冷却,由此该技术可以广泛地应用在超导设备工业和其它工业中。

Claims (5)

1、一种生产氮浆的方法,包括以下步骤:
(a)将液氮从喷嘴喷射到保持在减压下的容器中,并调整喷嘴直径和喷射压力使得喷射后液氮维持微滴形态,由此形成具有均匀粒径的液氮细颗粒并将所述颗粒分散在容器中;
(b)在其停留在容器空间内的过程中从微滴颗粒使氮汽化,以通过汽化潜热凝固液氮颗粒并形成具有均匀粒径的微细固体氮颗粒;和
(c)将固体氮颗粒与液氮混合。
2、一种生产氮浆的设备,包括:
用于对容器内部减压的真空泵;
能够通过真空泵保持在减压状态下的容器;
配置以能够将液氮喷射到容器中的喷嘴;
以压力将液氮输送至喷嘴的泵;和
用于搅拌容器中内容物的搅拌器;
其中,喷嘴可以改变为不同直径的各种喷嘴,
液氮输送压力可以调节,
通过调节喷射压力从选自多个喷嘴中的喷嘴中将液氮喷射到保持减压状态的容器中,以形成具有均匀粒径的液氮细颗粒,并将所述颗粒分散在容器中,
在它们停留在容器空间内的过程中从液体颗粒使氮汽化,以通过汽化潜热凝固液氮颗粒并形成具有均匀粒径的微细固体氮颗粒,和将固体氮颗粒与液氮混合。
3、权利要求2所述的生产氮浆的设备,其中多个喷嘴设置在一个容器中。
4、权利要求2所述的生产氮浆的设备,其中喷嘴为具有多个喷嘴孔的多孔型喷嘴。
5、权利要求2所述的生产氮浆的设备,其中生产氮浆的多个设备并联连接,且形成固体氮颗粒的过程和将固体氮颗粒与具有接近三相点温度的液氮注入混合的过程可以同时在分离的容器中进行,使得每个过程可以顺序地在各容器中进行,以连续进行整个过程。
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