一种液氮射流状态稳定流量的调控方法与流程

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。

技术实现要素：

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。