一种超临界二氧化碳的传输工艺的制作方法

本发明涉及金属加工领域，特别是涉及一种超临界二氧化碳的传输工艺。

背景技术：

随着现代先进制造技术的突飞猛进，各类新材料、新工艺应运而生，对机床切削速度，刀具寿命以及加工效率提出了更高的要求。清洁生产、绿色制造已成为发展先进制造技术的主题之一。采用低温冷却润滑切削技术，已被证实为解决高硬高强度材料强烈切削热冲击和振动以及塑性材料切削易产生加工毛刺等难加工特性有效方案。

目前常用的低温切削技术主要为：低温冷风(-30℃)冷却技术、液氮(-179℃)冷却技术、液态二氧化碳(-78.5℃)冷却技术等。其中液态二氧化碳冷却技术采用压力为5.0-6.5mpa的液态二氧化碳经管路输送并在喷嘴前端释放，可在喷嘴处迅速膨胀吸热产生-78.5℃(理论值)低温，被成功应用于难加工材料切削冷却。为尽可能接近其理论低温值，需严格控制输送管路内部的液态二氧化碳压降速率，并且需对输送管路进行有效保温，以避免液态二氧化碳在管路内部因快速压降而结冰堵塞管路。由于液态二氧化碳冷却技术上述缺点，目前该技术尚未实现大面积推广应用。

针对上述问题，近年来采用超临界二氧化碳流体进行切削加工的冷却润滑获得了关注。将低压的二氧化碳气体通过增压系统增压至7.4mpa以上并将其升温至31.7℃以上，二氧化碳即可处于超临界状态。将超临界状态的二氧化碳喷射出去，由于超临界二氧化碳流体的快速压降而瞬间吸热膨胀，从而使喷射区域达到瞬间低温(-78.5℃)的效果。

虽然超临界二氧化碳已在制药工业、化学工程和半导体工业萃取、蚀刻和清洁过程中广泛应用，但将超临界二氧化碳应用于加工冷却，实现加工过程高效降温尚处于深入开发阶段。专利zl200680022912.2公布了一种基于超临界二氧化碳的金属加工润滑方法，该方法涉及在超临界二氧化碳流体中掺入润滑剂以及在金属加工过程施加超临界二氧化碳的系统组成。专利201710867324.9公布了一种超临界二氧化碳集中供液系统，并描述了集中供液系统组成及集中供液方式。不同于液态二氧化碳冷却技术，超临界二氧化碳在输送管路内部需始终维持压力大于或等于7.4mpa以及温度大于或等于31.7℃，以确保超临界二氧化碳流体快速压降形成低温介质。

现有超临界二氧化碳系统多涉及获得超临界二氧化碳流体方式，证实了超临界二氧化碳可有效应用于金属加工，对于如何控制超临界二氧化碳输出、如何确保管路中二氧化碳始终处于超临界状态以及如何控制超临界二氧化碳喷射流量等均未涉及。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种流量控制精准、输送稳定性强的超临界二氧化碳的传输工艺。

本发明所采取的技术方案是：

一种超临界二氧化碳的传输工艺，包括以下步骤：

1)在超临界二氧化碳生成装置和超临界二氧化碳输出装置之间设置超临界二氧化碳流量调节装置，通过更换超临界二氧化碳流量调节装置中的中转管路至其符合输出需求；

2)通过超临界二氧化碳生成装置生成超临界二氧化碳，超临界二氧化碳经过超临界二氧化碳流量调节装置，流入超临界二氧化碳输出装置的输出管道中；

3)在超临界二氧化碳输出装置的输出管道外套设辅助气流管道，并往辅助气流管道中持续注入加热后的辅助气体。

进一步作为本发明技术方案的改进，步骤1)中，采用毛细管作为中转管路，中转管路的内孔直径d的取值范围为0.05～2mm。

进一步作为本发明技术方案的改进，超临界二氧化碳流量调节装置还包括进料转接模块和出料转接模块，超临界二氧化碳通过进料转接模块流入中转管路，而后通过出料转接模块流入超临界二氧化碳输出装置的输出管道中。

进一步作为本发明技术方案的改进，在出料转接模块上设置气流转接口，辅助气体通过气流转接口流入辅助气流管道。

进一步作为本发明技术方案的改进，辅助气体在进入辅助气流管道之前，通过加热装置对辅助气体加热。

进一步作为本发明技术方案的改进，辅助气体的温度大于或等于32℃。

进一步作为本发明技术方案的改进，辅助气体包括压缩空气、氮气、二氧化碳气、氩气。

进一步作为本发明技术方案的改进，采用毛细管作为超临界二氧化碳输出装置的输出管道，其内孔直径取值范围为0.05～2mm。

进一步作为本发明技术方案的改进，步骤3)中，超临界二氧化碳和辅助气流通过喷嘴同时喷出。

本发明的有益效果：此超临界二氧化碳的传输工艺，在输送超临界二氧化碳之前，通过超临界二氧化碳流量调节装置切换中转管路至其符合超临界二氧化碳的流量加工要求，主要是通过切换中转管路的长度，以改变其流量，同时通过辅助气体包裹在超临界二氧化碳的输出管道外，起到温度补偿的作用，维持超临界二氧化碳的温度值始终处于或者靠近超临界态所需温度值范围，保证了超临界二氧化碳流体性质稳定及超临界二氧化碳性能发挥。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明实施例的整体结构示意图；

图2是本发明实施例的超临界二氧化碳输出装置和超临界二氧化碳流量调节装置的示意图；

图3是本发明实施例的超临界二氧化碳流量调节装置的结构示意图；

图4是本发明实施例的超临界二氧化碳输出装置和超临界二氧化碳流量调节装置的爆炸示意图。

具体实施方式

参照图1～图4，本发明为一种超临界二氧化碳的传输工艺，包括以下步骤：

1)在超临界二氧化碳生成装置1和超临界二氧化碳输出装置3之间设置超临界二氧化碳流量调节装置2，通过更换超临界二氧化碳流量调节装置2中的中转管路22至其符合输出需求，主要是通过切换中转管路22的长度，以改变其流量；

2)通过超临界二氧化碳生成装置1生成超临界二氧化碳，超临界二氧化碳经过超临界二氧化碳流量调节装置2，流入超临界二氧化碳输出装置3的输出管道31中；

3)在超临界二氧化碳输出装置3的输出管道31外套设辅助气流管道32，并往辅助气流管道32中持续注入加热后的辅助气体。

具体的，超临界二氧化碳生成装置1用于将低压的二氧化碳转变为超临界二氧化碳流体，主要包括二氧化碳源11、增压装置12、储存容器13、加热器14、输送管路及设置在输送管路上的开关阀门等。增压装置12用于对低压二氧化碳进行增压动作。为保证超临界二氧化碳流体状态及性质，二氧化碳增压上限值设定在7.5～30mpa，且增压上限值依据实际切削应用需求可调。加热器14用于对增压后的二氧化碳进行加温动作。为保证超临界二氧化碳冷却润滑系统所需超临界二氧化碳流体状态及性质，加热器14加热温度上限设定在31.7～100℃，且加热温度上限值依据实际切削应用需求可调。

还包括辅助气流装置5，辅助气流装置5包括辅助气源51，辅助气源51通过管路连接辅助气流管道32，辅助气源51与辅助气流管道32之间还设有阀门52和加热装置53，加热装置53用于对辅助气体进行加热。辅助气源51与气流入口之间还设有过滤装置。

在输送超临界二氧化碳之前，通过超临界二氧化碳流量调节装置2切换中转管路22至其符合超临界二氧化碳的流量加工要求，主要是通过切换中转管路22的长度，以改变其流量，同时通过辅助气体包裹在超临界二氧化碳的输出管道31外，起到温度补偿的作用，维持超临界二氧化碳的温度值始终处于或者靠近超临界态所需温度值范围，保证了超临界二氧化碳流体性质温度稳定及超临界二氧化碳性能发挥。

作为本发明优选的实施方式，步骤1)中，采用毛细管作为中转管路22，中转管路22的内孔直径d的取值范围为0.05～2mm，毛细管调节超临界二氧化碳流量方式是通过更换不同内径和长度的定量毛细管实现，超临界二氧化碳流量可调范围为：0.1～20kg/h。

中转管路22的内径约定0.05～2mm，而液体状态下的二氧化碳黏度约等于0.0127。结合超临界二氧化碳密度计算可知，此时的雷诺数较小，粘滞力对流场的影响大于惯性，流场中流速的扰动会因粘滞力而衰减，流体流动稳定，为层流。且该层流在流动中会产生较大内摩擦，导致能量损耗，从而降低流体流速。运用这个定理，可以实现超临界二氧化碳的流速控制，继而通过控制流速实现超临界二氧化碳输出流量控制。

作为本发明优选的实施方式，超临界二氧化碳流量调节装置2还包括进料转接模块21和出料转接模块23，超临界二氧化碳通过进料转接模块21流入中转管路22，而后通过出料转接模块23流入超临界二氧化碳输出装置3的输出管道31中。作为本发明优选的实施方式，在出料转接模块23上设置气流转接口231，辅助气体通过气流转接口231流入辅助气流管道32。

出料转接模块23可将输出管道31和辅助气流管道32同时连接，从而在一定程度上使得超临界二氧化碳和辅助气体的输出结构更加紧凑，也方便了各个管路的安装连接。

作为本发明优选的实施方式，辅助气体在进入辅助气流管道32之前，通过加热装置对辅助气体加热。

作为本发明优选的实施方式，辅助气体的温度大于或等于32℃。

作为本发明优选的实施方式，辅助气体包括压缩空气、氮气、二氧化碳气、氩气。

作为本发明优选的实施方式，采用毛细管作为超临界二氧化碳输出装置3的输出管道31，其内孔直径取值范围为0.05～2mm，相比于常规的耐压冷媒管或者钢管，毛细管实现了超临界二氧化碳输出时的压降速率有效控制。

作为本发明优选的实施方式，步骤3)中，超临界二氧化碳和辅助气流通过喷嘴4同时喷出，辅助气体最终在喷嘴4处向外喷出，可以防止超临界二氧化碳在喷射的过程中，在喷嘴4处结冰，进而堵塞喷嘴4。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。