冷風射流技術在清潔能源裝備制造中的應用

丁達哲，童雙雙，曹 杰

（東方汽輪機有限公司裝備能源部，四川 德陽 618000）

0 引言

切削熱是在金屬切削過程中必然存在的一種物理現象，即在切削過程中由于剪切變形所做的功與刀具前、后摩擦所做的功都轉變為熱。在加工過程中，如采用切削液，則由切削液將刀具、工件、切屑上的熱量帶走。其中，切屑帶走的熱量最大，傳向刀具的熱量雖小，但前、后的溫度卻會影響切削過程并損耗刀具[1]。

切削液誕生于1775 年，通過迭代更新，直至今天仍廣泛運用于金屬機加工領域。但切削液是一種礦物油或合成油為基底的化工產品，在生產過程中添加氯、硫、有機化合物等，經過使用過程中與刀具、工件的高溫接觸，易發生汽化或分解，對周邊環境及人體產生危害。同時，在金屬切屑的再生利用過程中，必須通過化學處理和燃燒等方式對切削液進行預去除，容易產生二次污染，提升金屬的回收再利用成本[2]。

因此，基于環境保護方面的壓力和企業成本管控，將風冷技術應用于金屬干式加工、半干式加工的清潔冷卻方式，逐步出現在各個加工領域。

1 發展現狀與基本原理

我國在用的大部分切削工藝都采用切削液或切削油來冷卻刀具和工件，從20 世紀90 年代開始，出現了一種用低溫冷風裝置代替切削液進行冷卻的加工工藝。通過傳統氟利昂蒸發制冷系統或液態低沸點工作冷源進行熱交換，將低溫壓縮空氣、低溫氮氣或低溫二氧化碳等氣體與切削液、潤滑油混合后噴射至刀具、工件上，以實現冷卻和潤滑的效果。采用冷風射流機對刀具、工件進行半干式冷卻，混合切削液少，氣體流通好、壓力高、黏度小，能滲透入切削點附近狹窄空間，將細微油粒送達精密點位，提供持續的冷卻和潤滑，降低切削點溫升，延長刀具使用壽命。同時，切削點的低溫化使工件材料脆性增加，更易于切除，減少粘刀現象，也降低了切削力，相對減弱了積屑瘤的生成強度，刀具的粘著磨損也能得到一定的控制[3]。

根據不同的制冷、換熱架構，射流的溫度也不相同，一般為-30～-10℃。若采用R22 等的制冷劑蒸發制冷模式，射流溫度大概為-10℃上下，溫度偏高且穩定性差，同時氟利昂對臭氧層有破壞，產生其他環境污染；根據《蒙特利爾議定書》內容，R22 制冷劑市場也會受到限制，導致輔材和管理成本上升。若采用液氮作為冷源換熱制冷，液氮在常壓下溫度為-196℃，通過空氣與液氮在熱交換器中換熱，產出冷風，體積巨大、結構復雜、液氮成本高昂，但產出的射流溫度可以接近-30℃，使用效果優于上述制冷系統。總體來說，結合經濟和技術兩方面內容，現使用的大多數冷風射流機為采用制冷劑蒸發制冷系統結構。

綜上，在研制冷風射流機的過程中應該解決現有市面上設備的4 處不足：①射流溫度不足，溫度波動范圍大。②制冷系統、熱交換系統效能低，工質污染環境。③結構復雜、使用復雜。④制造成本高，不利于推廣[4]。

2 系統結構與工作原理

2.1 系統組成

冷風射流機的系統結構包含空氣制備系統、制冷系統、控制系統。壓縮空氣通過制備系統預處理后，由制冷系統進行熱交換，再混合切削液，形成-60～-25℃的低溫射流，噴射至加工區域為刀具、工件冷卻。

通過空氣制備系統可以有效過濾空氣中的油霧、粉塵等雜質，對空氣實施干燥等預處理，降低壓縮空氣露點至-60℃以下。

在本設計中，采用的制冷系統為二元復疊式制冷系統。不同于單級制冷系統，這種設計極大拓展了制冷范圍，降低了壓縮機的工作壓力，提升了系統的穩定性。

結合設計中的制冷系統，采用雙變頻壓縮機搭配電子膨脹閥控制使用來達到制冷的效果，相較市面上普通壓縮機結構及機械式調節閥，本設計的裝置具備調溫快速精確、運行穩定、綠色節能的優點。

2.2 制冷原理

制冷系統的基本制冷原理是通過壓縮機吸入從蒸發器出來的較低壓力的工質蒸汽，使之壓力升高后送入冷凝器，在冷凝器中冷凝成壓力較高的液體，經節流閥節流后，成為壓力較低的液體后，送入蒸發器，在蒸發器中吸熱蒸發而成為壓力較低的蒸汽，再送入壓縮機的入口，從而完成制冷循環。在冷凝器中，工質從高溫高壓的氣態冷凝成高壓常溫的液態；而在蒸發器中，工質由液態蒸發為氣態，同時吸收被冷卻物質的熱量，使物質溫度下降。

而在低溫制冷中，單級蒸汽壓縮制冷循環的壓力比過大，在符合壓縮機工作條件的情況下，無法獲得需求的低溫。即由于制冷劑熱物理特性的限制，在單級制冷循環系統中應用的中溫制冷劑，就會出現凝固溫度、吸氣壓力過低、吸氣比體積過大的限制；然而若采用低溫制冷劑，換熱溫度在30～60℃，就會出現R23 等介質的超臨界循環，使其系統內壓力遠遠超過1.6MPa 的安全壓力，故低溫制冷劑在單級壓縮蒸汽制冷循環中是無法運行的。所以通常就會采用多級蒸汽壓縮式制冷循環系統，而如果需求獲取-60℃以下的低溫，提高制冷效率和制冷范圍，更深一步提高低溫，通常就會采用復疊式壓縮制冷系統。即，用兩種及兩種以上不同的制冷劑（主要為中溫制冷劑和低溫制冷劑兩類），分別組成兩個及兩個以上的相互獨立的單級或兩級壓縮制冷循環，并最終統合成一個系統進行制冷循環，獲得-130～-80℃的低溫。

在本系統中，采用兩個單級壓縮制冷循環組成二元系統，分別為高溫部分及低溫部分。高溫部分采用中溫中壓制冷劑，蒸發器為低溫部分冷凝器工作創造低溫冷凝的放熱環境；而低溫部分采用低溫高壓制冷劑，蒸發器為用戶制冷；居中蒸發冷凝器則實現兩部分之間的熱量交換；由此，可制取-80～-60℃的低溫。在此設計中，高溫部分制冷劑通過產出溫度較低的工質為低溫部分進行熱交換。高溫部分中冷凝器與外界介質（空氣/冷卻水等）進行熱交換，能量由外界介質帶走；而高溫循環的蒸發器則與低溫循環的冷凝器進行熱交換，帶走低溫循環釋放的熱能，使低溫部分蒸發器產出溫度更低的工質，以提供用戶使用[5]。

這樣的設計方式可以使每臺壓縮機的工作壓力適中穩定，從而獲得優秀的穩定性，同時提升低溫部分制冷壓縮機的輸氣系數和工作效率，有效提升制冷系數、降低能耗，相比于二級式制冷系統設計稍微復雜，但也具有尺寸小、重量輕的優點。由此，可在低能耗、低成本的情況下，更穩定、更高效的獲得低溫。

2.3 制冷系統

制冷系統主要分為高溫制冷系統和低溫制冷系統兩個部分。

壓縮空氣通過高溫制冷系統進行一級冷卻，輸出-25～0℃的冷風，再通過低溫制冷系統進行二級冷卻，得到-60～-25℃的低溫冷風。高溫制冷系統采用R410A 制冷劑，低溫制冷系統采用R23 制冷劑，制冷能效更高；高溫制冷系統為壓縮空氣提供一級冷卻的同時，R410A 制冷劑也在低溫制冷系統的冷凝器中進行循環，與低溫制冷系統中的R23 制冷劑進行熱交換。

冷風射流機系統如圖1 所示。

圖1 冷風射流機系統

傳熱計算如下。

（1）壓縮空氣耗冷量。

溫差：ΔT（溫差）=（-25）-（-60）=35℃。

耗冷量：Qd=GρΔT。

C=0.05×1.29×35×1.2=2.71kW（0.05N·m2/s 的流量設定）。

R23 系統能效比：EER=4.16（據R23 壓焓圖）。

壓縮機功率：Wd =Qd/EER =2.71/4.16 =0.65 =1.141kW。

（2）冷凝器換熱量。

傳 熱 溫 差：ΔT=[（-10-10）-（25-25）]/2=-10℃（10℃）。

換熱量：Q=Qd+Wd=2.71+1.141=3.851kW。

通過上述計算，經高溫制冷循環制冷的-25℃壓縮空氣經低溫制冷循環降低至-60℃的過程中。需求的耗冷量為2.71kW，冷凝器換熱量為3.851kW。

2.4 系統運行

系統運行過程中，可根據不同循環系統以調節電動截止閥制取不同溫度區域的射流，通過高溫制冷循環可以制取-25～10℃的冷風，通過低溫制冷循環可以制取-65～-25℃的冷風。

制備-25～10℃壓縮空氣時，壓縮空氣可直接通過高溫制冷循環制取。0.3MPa～0.8MPa 壓縮空氣通過空氣制備系統預處理后，去除空氣中的大部分水汽，降低露點至低于-25℃，輸送至高溫制冷循環系統，經高溫膨脹節流閥可調節射流溫度，最終制得-20～10℃的冷風射流。

制備-60～-25℃壓縮空氣時，壓縮空氣可通過高溫制冷系統預處理后，再通過低溫制冷系統段制取。高溫制冷循環中，在蒸發器兩側增設支路連接至低溫冷凝器；壓縮空氣管道直接連通高溫蒸發器、低溫蒸發器，不經過低溫冷凝器。0.3MPa～0.8MPa 的壓縮空氣經截止閥流經粗過濾器及精過濾器后，進入精除濕機，去掉空氣中的絕大部分水汽，使其露點低于-60℃。壓縮空氣通過高溫蒸發器，進行熱交換后，溫度降低至-25℃。打開高溫蒸發器兩側支路控制閥，使工質流通到低溫冷凝器，將高溫制冷循環工質R410A 在低溫冷凝器中完成蒸發過程，同時作為換熱介質為低溫制冷循環換熱。壓縮空氣進入低溫制冷系統的深冷冷凝器去冷凝低溫制冷器的R23 制冷劑，溫度升至-23℃左右，再進入低溫蒸發器，進行熱交換，通過低溫膨脹節流閥可調節輸出的冷風溫度，得到-60～-25℃的冷風輸出，供用戶使用。

2.5 控制系統

結合設計中的制冷系統，采用雙變頻壓縮機搭配電子膨脹閥控制使用。

電氣控制主要是采用西門子CPU224 和EM231 模擬量輸入模塊進行程序的設計和數據的處理。配合上西門子S7-200 文本顯示設備TD400C 的畫面編輯、顯示功能以及其突出的數據交互能力，從而實現整套冷風冷卻裝置的電氣控制。

電氣控制系統如圖2 所示。

圖2 電氣控制系統

控制回路采用便捷、可靠的西門子S7-200 小型的可編程控制器和TD400C 文本顯示器實現控制。其中S7-200 的PLC 主要用于邏輯控制程序的編程設計以及檢測回路中各種模擬量信號的處理。TD400C 文本顯示器主要用于溫度的設定，溫度、流量的顯示，與S7-200 的CPU 之間通過特定的通信電纜連接，將設定的溫度數據實時傳送給PLC 中，并將PLC 處理后的溫度和流量實時的顯示出來。

檢測回路主要包括溫度檢測和流量檢測。其中溫度檢測由兩個TA3000 高溫型溫度變送器組成；流量檢測由兩個FVX700 渦街流量計組成。檢測回路的作用主要就是將氣體的流量和出風口溫度實時反饋給控制系統，從而實現溫度的精準控制[6]。

主回路主要由變頻壓縮機、電子膨脹閥以及輔助設備的電源回路組成。這是整個冷風冷卻裝置的執行機構，通過這些設備與裝置的配合工作，最終實現空氣的冷卻。

3 結語

目前，大部分廠家仍采用傳統的切削液、切削油冷卻方式加工工件，冷風射流機作為新型刀具加工方式在市場上的利用率仍然較少，采用冷風射流的冷卻技術不僅提高了潤滑和冷卻性能，還提高了工件加工的幾何精度和表面質量，可以為高精度金屬機加工提供服務。同時，作為一種新型高效清潔能源設備，在基于環境保護和可持續發展的今天，更具備了重大的意義。