液氮洗冷箱堵塞原因分析與改進(jìn)措施

呂晨晨

摘 要：【目的】為降低液氮洗冷箱的堵塞概率，改進(jìn)液氮洗冷箱的可靠性和性能，提高其工作效率和穩(wěn)定性，降低維護(hù)和清潔成本，確保其長期穩(wěn)定運(yùn)行，有必要對(duì)液氮洗冷箱堵塞原因進(jìn)行分析并提出改進(jìn)措施?！痉椒ā糠謩e從設(shè)備本身的問題、操作不當(dāng)、外部環(huán)境影響等三個(gè)主要方面分析了液氮洗冷箱堵塞的原因，并從液氮管理、管道改造和優(yōu)化、雜質(zhì)控制及溫度控制等四個(gè)角度提出了針對(duì)性的改進(jìn)建議?！窘Y(jié)果】在實(shí)際應(yīng)用中，提出的改進(jìn)建議切實(shí)降低了液氮洗冷箱堵塞問題的發(fā)生頻次?！窘Y(jié)論】深入分析液氮洗冷箱堵塞原因，并提出具體的改進(jìn)建議，為相關(guān)行業(yè)的冷卻設(shè)備設(shè)計(jì)和使用提供了有力支持。

關(guān)鍵詞：液氮洗冷箱；堵塞原因；改進(jìn)建議；管道改造和優(yōu)化；雜質(zhì)控制；溫度控制

中圖分類號(hào)：TQ116.15? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1003-5168（2024）06-0048-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.06.010

Cause Analysis and Improvement Measures for Blockage of Liquid

Nitrogen Washing Cold Box

LYU Chenchen

（Yankuang Lunan Chemical Co.， Ltd.， Tengzhou 277527， China）

Abstract： [Purposes] To reduce the probability of blockage in liquid nitrogen wash cold boxes， improve the reliability and performance of liquid nitrogen wash cold boxes， enhance their work efficiency and stability， reduce maintenance and cleaning costs， ensure their long-term stable operation， and provide technical support for the design and manufacture of more efficient and reliable liquid nitrogen wash cold boxes， it is necessary to propose a study on the causes of blockage in liquid nitrogen wash cold boxes and improvement suggestions. [Methods] The causes of blockage in the liquid nitrogen washing cold box were analyzed from three main aspects： equipment problems， improper operation， and external environmental impact. Targeted improvement suggestions were proposed from four perspectives： liquid nitrogen management， pipeline renovation and optimization， impurity control， and temperature control. [Findings] In practical applications， the proposed improvement suggestions effectively reduced the frequency of blockage problems in liquid nitrogen washing cold boxes. [Conclusions] The study can deeply analyze the causes of blockage in liquid nitrogen washing cold boxes and propose specific improvement suggestions， providing strong support for the design and use of cooling equipment in related industries.

Keywords： liquid nitrogen washing cold box; reasons for blockage; improvement suggestions; pipeline renovation and optimization; impurity control; temperature control

0 引言

液氮洗冷箱是一種高科技存儲(chǔ)設(shè)備，其主要用來長期存儲(chǔ)生物樣品、儀器和昂貴材料。通過使用液態(tài)氮的低溫恒溫技術(shù)，液氮洗冷箱能將內(nèi)部溫度快速降至-196 ℃以下［1］，為存儲(chǔ)物品提供穩(wěn)定的低溫環(huán)境。一方面，液氮洗冷箱具有優(yōu)異的保溫性能，可以保持內(nèi)部溫度在一定范圍內(nèi)，減少溫度波動(dòng)對(duì)存儲(chǔ)物品的影響。另一方面，液氮洗冷箱能合理分配空間［2］，其適用于多種不同尺寸和形式的樣品，包括小型、大型以及復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備樣品［3］。在安全性方面，液氮洗冷箱采用雙層內(nèi)膽和加密密封設(shè)計(jì)，可以有效避免液氮泄漏，保護(hù)實(shí)驗(yàn)室人員和設(shè)備免受液氮的危害。在控制方面，液氮洗冷箱的控制系統(tǒng)方便快捷［4］，可以通過溫度傳感器檢測(cè)溫度的變化，并及時(shí)采取必要的補(bǔ)救措施，確保貴重物品的安全性。然而，液氮洗冷箱如果使用不當(dāng)或維護(hù)不及時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)堵塞的情況，這可能會(huì)導(dǎo)致不同程度的不良后果。如果冷箱內(nèi)的溫度比裂解氣更低，水分達(dá)到露點(diǎn)溫度時(shí)就會(huì)自動(dòng)凝結(jié)，長此以往，冷箱性能下降，還會(huì)導(dǎo)致冷箱阻力增加［5］。此外，在液氮洗冷箱堵塞的情況下，存儲(chǔ)的樣品可能會(huì)受到污染或變質(zhì)，導(dǎo)致樣品質(zhì)量下降。若長期存在液氮洗冷箱堵塞問題，可能會(huì)對(duì)設(shè)備本身造成損壞，縮短設(shè)備的使用壽命［6］。

綜上所述，本研究對(duì)液氮洗冷箱堵塞原因與改進(jìn)措施進(jìn)行分析，并驗(yàn)證了設(shè)計(jì)改進(jìn)措施的應(yīng)用價(jià)值。

1 液氮洗冷箱堵塞原因

液氮洗冷箱堵塞的原因主要可以分為設(shè)備本身的問題、操作不當(dāng)、外部環(huán)境影響等三個(gè)方面［7］。以此為基礎(chǔ)，本研究對(duì)其展開了具體的分析，具體分析結(jié)果見表1。為了減少堵塞情況的發(fā)生，需要從多個(gè)角度來全面管理和維護(hù)液氮洗冷箱。

2 液氮洗冷箱堵塞改進(jìn)措施

2.1 液氮管理改進(jìn)方法

結(jié)合對(duì)液氮洗冷箱堵塞原因的分析結(jié)果，在液氮管理方面，首先要確保液氮的充足供應(yīng)。因此，要定期檢查液氮儲(chǔ)罐的液位，并及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充，以確保液氮洗冷箱有足夠的液氮來維持其運(yùn)行。此外，也可以考慮設(shè)置液氮自動(dòng)補(bǔ)給系統(tǒng)，當(dāng)液氮儲(chǔ)罐的液位低于一定水平時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)補(bǔ)給液氮。其中，自動(dòng)補(bǔ)給液氮總量的計(jì)算見式（1）。

式中：q為液氮洗冷箱補(bǔ)給液氮的總量；r為液氮洗冷箱的半徑規(guī)格參數(shù)；l為實(shí)際液氮儲(chǔ)罐的液位信息；l0為液氮洗冷箱有足夠液氮供給運(yùn)行時(shí)的液位。

在此基礎(chǔ)上，還需要定期檢查液氮儲(chǔ)存罐和管道的密封性，結(jié)合實(shí)際情況定期進(jìn)行設(shè)備檢查和維護(hù)。相關(guān)人員要定期檢查液氮儲(chǔ)存罐和管道是否有泄漏現(xiàn)象，一旦發(fā)現(xiàn)泄漏，應(yīng)立即采取措施進(jìn)行修復(fù)，具體過程如下：①使用噴霧水槍，驅(qū)散、稀釋沉積飄浮在罐內(nèi)的氣體，并判斷泄漏位置；②若泄漏口較小、流速慢、泄漏量少，則配合噴霧水槍掩護(hù)進(jìn)行堵漏；③管道泄漏或罐體孔洞型泄漏時(shí)，應(yīng)使用應(yīng)急修補(bǔ)裝置進(jìn)行修補(bǔ)；④禁止人員在低洼或下風(fēng)區(qū)停留。

與此同時(shí)，還需要注意液氮的存儲(chǔ)和使用安全。從屬性上進(jìn)行分析，液氮是一種低溫氣體，具有潛在的危險(xiǎn)性，液氮的存儲(chǔ)和使用應(yīng)當(dāng)都符合相關(guān)的安全規(guī)定。為此，需要最大限度地避免在密閉的空間內(nèi)使用液氮，以防止氧氣不足而導(dǎo)致工作人員的窒息危險(xiǎn)。

2.2 管道改造和優(yōu)化方法

液氮洗冷箱設(shè)備的管道直徑過小，會(huì)加大制冷劑流動(dòng)的阻力，導(dǎo)致制冷效果下降。因此，可以考慮更換更大直徑的管道，以改善制冷劑的流動(dòng)性。其中，具體液氮洗冷箱管道直徑的選擇標(biāo)準(zhǔn)見式（2）。

式中：D為液氮洗冷箱更換管道直徑的選擇標(biāo)準(zhǔn)；Q為運(yùn)行階段液氮洗冷箱管道的液氮流量；L為液氮洗冷箱管道的長度；P為運(yùn)行階段液氮洗冷箱管道的壓力。

管道中的彎頭和閥門等阻力部件會(huì)阻礙制冷劑的流動(dòng)。在管道結(jié)構(gòu)和排布時(shí)，要盡量減少彎頭和閥門等阻力部件，通過減少這些部件的數(shù)量或優(yōu)化其設(shè)計(jì)，可以起到改善制冷劑流動(dòng)性的作用。在對(duì)管道走向進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，管道的走向設(shè)計(jì)不合理，也會(huì)影響制冷劑的流動(dòng)。因此，需要調(diào)整管道的走向，使其更加順暢。

2.3 雜質(zhì)控制方法

針對(duì)雜質(zhì)問題，需要建立一套嚴(yán)格的雜質(zhì)控制程序，包括定期檢查水源、空氣和原料的質(zhì)量，確保其質(zhì)量符合要求，同時(shí)采取相關(guān)措施來防止雜質(zhì)進(jìn)入設(shè)備。如果發(fā)現(xiàn)有雜質(zhì)或污染物超標(biāo)的情況，應(yīng)立即采取相關(guān)措施進(jìn)行處理。具體的處理流程如圖1所示。

結(jié)合圖1所示的液氮洗冷箱雜質(zhì)或污染物超標(biāo)情況處理措施，當(dāng)存在雜質(zhì)或污染物超標(biāo)時(shí)，首先應(yīng)停止液氮洗冷箱的運(yùn)行，并進(jìn)行全面檢查。相關(guān)人員檢查管道、閥門、過濾器等部件是否有堵塞或損壞的情況。如果發(fā)現(xiàn)管道、閥門、過濾器等部件有堵塞或損壞情況，需要及時(shí)進(jìn)行清洗和更換。清洗過程中可以使用專門的清洗劑和工具來清除雜質(zhì)和污染物。在此基礎(chǔ)上，提高對(duì)水源、空氣和原料的質(zhì)量檢測(cè)頻率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理可能存在的雜質(zhì)和污染物超標(biāo)的情況。如果雜質(zhì)和污染物超標(biāo)是由于工藝參數(shù)設(shè)置不當(dāng)引起的，可以通過調(diào)整工藝參數(shù)來改善液氮洗冷箱的運(yùn)行效果，包括調(diào)整液氮流量、溫度、壓力等參數(shù)來優(yōu)化制冷效果。

為了防止雜質(zhì)進(jìn)入設(shè)備，應(yīng)在液氮洗冷箱的入口處增加過濾器或過濾網(wǎng)，進(jìn)一步過濾水源、空氣和原料中的雜質(zhì)和污染物。同時(shí)，定期檢查和更換過濾器或過濾網(wǎng)，以確保其過濾效果。此外，還要定期檢查和維護(hù)相關(guān)設(shè)備，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理可能存在的其他堵塞問題。

2.4 溫度控制方法

為了保證溫度符合相關(guān)要求，可以在液氮洗冷箱周圍安裝溫度傳感器和控制設(shè)備，以監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備的運(yùn)行溫度。結(jié)合實(shí)際的溫度狀態(tài)，通過控制設(shè)備的運(yùn)行溫度，保持液氮洗冷箱周圍的溫度在要求的范圍內(nèi)，保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，并減少堵塞問題的發(fā)生。在具體的實(shí)踐過程中，可以采用自動(dòng)控制或手動(dòng)控制的方式來控制設(shè)備的運(yùn)行溫度。自動(dòng)控制可以通過預(yù)設(shè)程序來自動(dòng)調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，以達(dá)到控制溫度的目的；手動(dòng)控制則需要操作人員根據(jù)溫度傳感器的反饋信息來手動(dòng)調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。無論是自動(dòng)還是手動(dòng)，結(jié)合實(shí)際環(huán)境溫度情況調(diào)整后的液氮洗冷箱運(yùn)行溫度的計(jì)算見式（3）。

式中：Δt為周圍實(shí)際環(huán)境溫度與當(dāng)前液氮洗冷箱運(yùn)行溫度相適應(yīng)的環(huán)境溫度差值；λ為環(huán)境溫度對(duì)于液氮洗冷箱溫度的擾動(dòng)系數(shù)；T0為當(dāng)前液氮洗冷箱運(yùn)行溫度。

3 改進(jìn)措施應(yīng)用效果分析

3.1 測(cè)試環(huán)境

本研究以DOAHO小型液氮洗冷箱作為具體的測(cè)試裝置。對(duì)DOAHO小型液氮洗冷箱的配置情況進(jìn)行分析可知：箱體的容積大小為27 L，包含PLC控制系統(tǒng)和顯示器的操作界面，可結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用需求以及環(huán)境狀態(tài)設(shè)置具體的循環(huán)參數(shù)。附件配置包括1組照明燈、2個(gè)直徑為50.0 mm的引線孔、2個(gè)與引線孔匹配的硅膠塞、2個(gè)大小分別為100.0 L和200.0 L的AISI304樣品架，以及4個(gè)可調(diào)節(jié)的腳輪結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)比采用本研究提出液氮洗冷箱改進(jìn)建議前后的情況，以及兩臺(tái)相同設(shè)備堵塞問題的發(fā)生情況。

3.2 應(yīng)用效果與分析

對(duì)連續(xù)運(yùn)行3個(gè)月的DOAHO小型液氮洗冷箱堵塞問題的發(fā)生情況進(jìn)行分析，具體結(jié)果見表2。

由表2可知，在本研究采取的改進(jìn)措施情況下，連續(xù)3個(gè)月內(nèi)，測(cè)試的DOAHO小型液氮洗冷箱未發(fā)生堵塞問題，表明改進(jìn)措施具有良好的防控效果。

4 結(jié)語

為了能夠最大限度保障液氮洗冷箱功能的穩(wěn)定性，確保其使用壽命能夠達(dá)到預(yù)期，本研究以液氮洗冷箱堵塞問題為研究對(duì)象，在充分分析液氮洗冷箱堵塞原因的基礎(chǔ)上，對(duì)具體的液氮洗冷箱改進(jìn)方法進(jìn)行了綜合研究，并經(jīng)過應(yīng)用表明改進(jìn)措施切實(shí)起到了良好的應(yīng)用效果。本研究可為實(shí)際的液氮洗冷箱設(shè)計(jì)、應(yīng)用以及管理提供有價(jià)值的參考。

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