超低溫加工用液氮穩(wěn)定傳輸射流調(diào)控系統(tǒng)*

孔繁澤，楊子健，王永青，劉 闊

(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，大連 116024)

0 引言

在航空航天等制造業(yè)重點領(lǐng)域中，鈦合金、高溫合金以及纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因其耐磨耐蝕、力學(xué)性能優(yōu)異的特點被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、火箭等產(chǎn)品的核心部件和關(guān)鍵部位上[1]，然而這些材料高韌、高粘、傳熱性能差，采用常規(guī)冷卻加工方法費時、費錢、費力。

超低溫冷卻加工是一種以液氮作為冷卻介質(zhì)的加工方法，在一些難加工材料的加工中具有延長刀具壽命、提高加工效率、提高表面加工質(zhì)量等優(yōu)勢[2]，得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。液氮溫度極低，大氣壓下僅有-196 ℃，是冷卻效果極佳的介質(zhì)，然而液氮氣化潛熱低，極易與管壁換熱形成氣液兩相流，一方面兩相流流動不穩(wěn)定甚至產(chǎn)生密度波振蕩現(xiàn)象[3]，導(dǎo)致流量波動劇烈，流量過大則對工件冷卻過度，影響加工效果，流量過小則冷卻效能不足，導(dǎo)致表面燒蝕、刀具過早磨損，另一方面射流干度也對加工區(qū)域換熱效果有巨大影響，干度越高則液氮比例越小，冷卻效果越差。因此液氮的射流狀態(tài)調(diào)節(jié)是超低溫冷卻加工的關(guān)鍵問題之一，需要盡量減小射流干度的同時調(diào)節(jié)射流流量。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對液氮管路內(nèi)傳輸特性以及低損耗傳輸方法進(jìn)行了研究。SHAEFFER等[4]對液氮管路冷卻過程進(jìn)行了研究，結(jié)果表明高雷諾數(shù)下的連續(xù)流具有最快的冷卻時間，低雷諾數(shù)下的連續(xù)流動具有最佳的冷卻效率；LYE等[5]對不同流量下的VIP板和聚氨酯泡沫保冷管道進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)保冷層均能起到良好的隔熱作用，且采用大流量更容易保持住管道沿程低溫狀態(tài)；王新等[6]根據(jù)液氮的蒸汽膜絕熱原理，在管壁始端使用吸熱涂層材料快速生成蒸汽膜，主流區(qū)液氮得以近似絕熱輸送，加快了加注過程且液氮損失更少；張偉等[7]對低溫風(fēng)洞液氮供給系統(tǒng)進(jìn)行了熱流體數(shù)值模擬，優(yōu)化噴嘴配置并增加了二次回流管路，優(yōu)化了供給系統(tǒng)性能。上述兩種液氮傳輸方法均用于大流量傳輸場合，低流量時液氮氣化量難以控制，且文獻(xiàn)[6]方法流量不能調(diào)節(jié)，文獻(xiàn)[7]方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

為此，本文以抑制傳輸中相變、射流可調(diào)可控為目標(biāo),結(jié)合機(jī)理模型和數(shù)值仿真方法分析液氮兩相流管路內(nèi)流動規(guī)律,并研制出一套結(jié)構(gòu)相對簡單的液氮穩(wěn)定傳輸射流調(diào)控裝置。

1 液氮管路兩相流模型分析

1.1 液氮兩相流一維漂移通量模型

漂移通量模型將氣液兩相混合物視為一個整體的同時考慮氣液相間滑移，簡化模型同時保留了流體系統(tǒng)的分布式特性，配合適用場景的閉包關(guān)系可以獲得良好的預(yù)測結(jié)果，得到了廣泛的應(yīng)用。對于涉及傳熱和相變的液氮兩相流流動這個復(fù)雜工程問題，通過取參數(shù)截面平均值及引入分散相截面濃度分布參數(shù)C0的方法將三維漂移通量模型簡化為一維[8]，簡化后模型由4個偏微分方程組成，分別為混合物連續(xù)性方程、氣相連續(xù)性方程、混合物動量方程和混合物能量方程:

(1)

(2)

(3)

(4)

1.2 液氮傳輸調(diào)控策略分析

在加工中使用不同的工件材料、刀具材料和切削參數(shù)時切削區(qū)域產(chǎn)生的切削熱大小不同，所需要冷卻量也應(yīng)隨之變化。超低溫加工主要依靠液氮在氣化時吸收熱量實現(xiàn)冷卻效果，單位時間內(nèi)冷卻量大小可表示為：

(5)

因此可以認(rèn)為控制流量實際是指控制射流中液態(tài)氮部分的質(zhì)量流量，其大小可表示為：

(6)

從式(3)可看出，改變局部阻力損失系數(shù)可以改變混合物流速，因此在管路內(nèi)安裝開度可調(diào)的閥門元件可起到改變質(zhì)量流量的作用，但液氮兩相流管路模型是一個高度耦合的偏微分方程組，改變局部阻力引起流速變化的同時，管路內(nèi)的流體溫度、壓力、密度、干度均會變化，式(6)中液氮的密度ρl又是管路內(nèi)溫度和壓力的函數(shù)，即改變閥門開度質(zhì)量流量的三個自變量均會發(fā)生變化，閥門開度和流量并非簡單的線性關(guān)系，還需要設(shè)計合適的控制方法才能實現(xiàn)對流量的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。

由式可知，蒸發(fā)速率Γg是影響射流干度的關(guān)鍵因素，Γg由近壁面蒸發(fā)速率Γw和氣液界面蒸發(fā)速率Γgf兩部分組成[10]：

Γg=Γw+Γgf

(7)

其中，

(8)

(9)

(10)

式中，qw為熱通量；Hif是氣-液界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；下標(biāo)f、cr、fg、fs、sat分別代表液體、臨界值、氣液參數(shù)值差、飽和液體、飽和狀態(tài)。分別觀察管路熱通量和局部阻力損失系數(shù)對蒸發(fā)量的影響：當(dāng)熱通量qw增大時，由式(4)可知流體內(nèi)能和焓值會增加，導(dǎo)致溫度上升，氣液相焓值差減小，Γw和Γgf增大；當(dāng)減小閥門開度增大局部阻力時，壓力減小，液氮飽和溫度下降，增大。減小壁面熱通量和增大閥門開度均可減小流體干度，但閥門開度必須優(yōu)先用于流量調(diào)節(jié)，因此增大壁面熱阻是減少液氮氣化的唯一方法。

2 液氮調(diào)控管路結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 管路整體設(shè)計

為實現(xiàn)液氮的傳輸、監(jiān)測和調(diào)節(jié)，設(shè)計管路整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中壓力源采用自增壓杜瓦罐，前后連接管路采用真空絕熱軟管，減少冷損失的同時便于調(diào)整空間布置和液氮射流角度；在管路中安裝壓差式流量計、溫度傳感器、壓力傳感器對流體狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測；此段管路存在多個法蘭連接節(jié)點，若采用真空絕熱軟管漏熱嚴(yán)重，故對整段管路做隔熱處理；采用電動減壓閥和電動調(diào)節(jié)閥作為分布式控制器，調(diào)節(jié)流量同時穩(wěn)定射流；管路末端處安裝噴嘴獲得大壓強(qiáng)集中射流，增強(qiáng)冷卻效率。

圖1 液氮輸送管路結(jié)構(gòu)

2.2 傳感器布置

根據(jù)式(1)～式(4)可知，液氮管路兩相流系統(tǒng)是一個分布參數(shù)系統(tǒng)，系統(tǒng)的狀態(tài)變量分布在空間中的每個點上，即系統(tǒng)是無窮維的，要想了解整個系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，需要布置無窮數(shù)量個傳感器，然而在現(xiàn)實中這是不可能的。在整條管路中，除了液氮入口連接處存在一段換熱管路外，其余管路由于熱導(dǎo)率極小，低至0.015 W/(m·K)，可視為絕熱管路，這些管道內(nèi)壁光滑，且水平布置不存在高度差，結(jié)合液氮兩相流模型可以看出液氮流動時流體的狀態(tài)變量基本不發(fā)生改變。因此，只要在幾個壓力突變的調(diào)節(jié)閥門處和壓力入口邊界處布置壓力和溫度傳感器，并假設(shè)其他管路內(nèi)流體狀態(tài)變量呈線性變化，就可基本了解整個管路內(nèi)流體的溫度和壓力狀態(tài)。為盡可能準(zhǔn)確測量流量，在管路上游還安裝了壓差式流量計，這樣減小了由于氣化帶來的測量誤差并避免了調(diào)節(jié)閥開度變化引起的流量擾動。

2.3 隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

文獻(xiàn)[5]通過仿真驗證了使用VIP板和PU聚氨酯泡沫的保冷結(jié)構(gòu)對液氮管路減少熱損的有效性，然而在實際工程中這兩種材料均有一定缺陷。VIP板的保溫性能基于其真空結(jié)構(gòu)，無法隨意裁切，難以應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)管路；泡沫保溫材料在低溫溫度范圍內(nèi)的熱循環(huán)和環(huán)境暴露條件下極易發(fā)生裂紋發(fā)展導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，不適用于超低溫管路。為此采取柔性保溫材料氣凝氈作為內(nèi)層保溫以及聚氨酯泡沫填充作為外層保溫。采用圓筒型不同材料雙層冷損失下的絕熱層總厚度計算方式，其中外層絕熱層外徑D2應(yīng)滿足[11]：

(11)

內(nèi)層絕熱層外徑D1應(yīng)滿足下式的要求:

(12)

式中，T0為管道或設(shè)備的外表面溫度；T1為內(nèi)層絕熱層外表面溫度;Tα為環(huán)境溫度；λ1為內(nèi)層絕熱材料氣凝膠氈導(dǎo)熱系數(shù)，為0.015 W/(m·K)；λ2為外層絕熱材料聚氨酯泡沫的導(dǎo)熱系數(shù)，取為0.02 W/(m·K)；αs為絕熱層外表面與周圍空氣的換熱系數(shù)，值取為8.141 W/(m2·K)；[Q]為以每平方米絕熱層外表面積為單位的最大允許冷損失量；計算可得取內(nèi)層氣凝膠氈外徑為70 mm，外層硬質(zhì)聚氨酯泡沫外徑為150 mm。

3 基于AMESIM的模型仿真分析

為驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計以及傳感器布置合理性，了解液氮兩相流管內(nèi)流動規(guī)律，利用AMESIM多學(xué)科仿真平臺的兩相流庫、熱力學(xué)庫、信號控制庫中的相關(guān)單元建立液氮傳輸調(diào)控系統(tǒng)的液氮兩相流動傳熱管路模型。

3.1 仿真模型建立

真空絕熱軟管通過轉(zhuǎn)接頭和杜瓦罐連接，不可避免會產(chǎn)生熱交換，其他管路熱損失極小，可以近似視為絕熱管路，因此分別采用熱交換管路模型和絕熱管路模型并合理設(shè)置管路長度、直徑等參數(shù)；管路中減壓閥和調(diào)節(jié)閥開度可變，用于調(diào)整壓降分配，可采用兩相可調(diào)節(jié)節(jié)流孔模擬；末端噴嘴使用固定兩相流限流孔和直徑足夠大管路的組合模擬。隨著閥門開度變小，流體干度會不斷增加，流型會從氣液均勻混合的氣泡流逐漸轉(zhuǎn)換為氣液分離的彈狀流甚至是環(huán)狀流[12]，故采用分離流的Friedle關(guān)聯(lián)式來描述兩相流摩擦壓降。完成液氮管路系統(tǒng)的搭建如圖2所示。

圖2 AMESIM液氮輸送管路建模

3.2 仿真結(jié)果分析

設(shè)置環(huán)境溫度為20 ℃，入口壓力和溫度分別為1.2 MPa和-170 ℃，設(shè)置減壓閥閥后壓力為0.9 MPa，電動調(diào)節(jié)閥開度50%(開口量7.5 mm)，仿真得管路內(nèi)溫度和壓力分布如圖3所示。其中換熱管路和入口的真空絕熱軟管以及減壓閥前管路壓強(qiáng)相等，均為1.2 MPa，通過減壓閥后管內(nèi)壓力減到0.9 MPa，經(jīng)過電動調(diào)節(jié)閥后壓力降至0.45 MPa且在小范圍內(nèi)周期性波動；管路內(nèi)的溫度也呈相同趨勢，除此之外由于流量的周期性波動在換熱管路中單位時間內(nèi)流體吸收熱量也隨之變化，流體溫度呈現(xiàn)出周期性波動狀態(tài)。上述現(xiàn)象表明管路內(nèi)壓力和溫度變化主要發(fā)生在閥門管件處，沿管道的壓降和溫降可忽略不計，可用較少數(shù)量的傳感器大體了解管路內(nèi)流體的狀態(tài)，驗證了所設(shè)計的傳感器布置方法的合理性。

圖3 減壓閥閥后壓力0.9 MPa、閥門開度50%管路內(nèi)溫度和壓力分布

為了解液氮兩相流射流的質(zhì)量流量和干度的變化規(guī)律，以調(diào)節(jié)閥開度作為單一變量，分別設(shè)置為100%、80%、60%、40%、20%，減壓閥出口壓力保持1.1 MPa不變，觀察出口段的混合物質(zhì)量流量、液氮質(zhì)量流量和干度的變化規(guī)律，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯旌衔镔|(zhì)量流量和液氮質(zhì)量流量變化趨勢一致，且和干度變化趨勢相反，當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度較大時三者可以保持穩(wěn)定狀態(tài)，隨著開度減小均會發(fā)生周期性震蕩，開度越小振幅越大，當(dāng)開度為20%時甚至?xí)霈F(xiàn)液氮完全蒸干的情況，幾乎無法起到任何冷卻效果。

(a)氣液混合物質(zhì)量流量

為拓寬射流流量的可使用范圍，采用PID控制器對液氮質(zhì)量流量進(jìn)行控制，分析中低流量下射流的可控性能。分別以液氮質(zhì)量流量0.01 kg/s、0.007 kg/s和0.004 kg/s作為射流設(shè)定目標(biāo)，調(diào)節(jié)PID控制器參數(shù)，得出控制效果如圖5a所示。當(dāng)設(shè)定值為0.01 kg/s和0.007 kg/s時，相比無控制系統(tǒng)射流穩(wěn)定性得到很大提升；設(shè)定值為0.004 kg/s時，調(diào)節(jié)效果尚可，但從圖5b可以看出調(diào)節(jié)閥開度變化劇烈，現(xiàn)實中無法實現(xiàn)。

(a)液氮質(zhì)量流量

4 液氮穩(wěn)定傳輸射流調(diào)控裝置搭建

基于上述設(shè)計并結(jié)合仿真分析結(jié)果研制了液氮傳輸射流調(diào)控裝置，如圖6所示。采用工業(yè)平板作為上位機(jī)，基于LabVIEW設(shè)計了狀態(tài)監(jiān)測-調(diào)節(jié)系統(tǒng)，各傳感器通過A/D卡把4～20 mA電流信號轉(zhuǎn)換為RS485信號，使用Modbus協(xié)議與LabVIEW通信，也可以通過串口把控制信號經(jīng)D/A卡轉(zhuǎn)換為模擬量來控制調(diào)節(jié)閥的開閉。

圖6 液氮穩(wěn)定傳輸射流調(diào)控系統(tǒng)

為驗證整體管路的隔熱性能，分別在進(jìn)出口真空絕熱軟管和箱體內(nèi)保冷層的外壁上布置溫度傳感器，流量設(shè)置為100 L/h并持續(xù)1 h，觀察外壁溫度變化情況，期間壁面溫度并未發(fā)生明顯變化，隔熱效果良好。

使用本裝置進(jìn)行了液氮射流實驗，實驗中管路各處溫度和壓力的分布和變化情況與仿真結(jié)果相符，改變調(diào)節(jié)閥開度可以有效地改變射流流量，穩(wěn)定射流流量范圍在35～100 L/h,射流溫度穩(wěn)定在-193 ℃～196 ℃，可滿足超低溫加工對穩(wěn)定冷卻效果的需求。

5 結(jié)論

針對超低溫加工中實用的液氮冷卻劑穩(wěn)定傳輸調(diào)節(jié)問題，分析了液氮兩相流管路內(nèi)流動機(jī)理，提出了液氮穩(wěn)定傳輸調(diào)控策略，結(jié)合AMESIM數(shù)值仿真設(shè)計了液氮穩(wěn)定傳輸調(diào)控裝置，得出以下結(jié)論：

(1)本文所設(shè)計的液氮穩(wěn)定傳輸調(diào)控裝置隔熱效果良好，通過傳感器獲得的流體信息充分，改變調(diào)節(jié)閥開度可以有效的改變液氮射流流量；

(2)射流流量調(diào)節(jié)的目的在于控制射流中液氮的質(zhì)量流量以提供穩(wěn)定的冷卻效果，當(dāng)調(diào)節(jié)閥處于大開度時射流狀態(tài)穩(wěn)定，減小開度會導(dǎo)致流量周期性波動，采用控制算法可以有效抑制這種波動，但當(dāng)開度過小時流量極不穩(wěn)定且難以調(diào)節(jié)，此時射流無法用于加工冷卻，若長時間需要小流量采用低壓壓力源更為合適。