液氮洗冷箱堵塞原因分析与改进措施

吕晨晨

摘 要：【目的】为降低液氮洗冷箱的堵塞概率，改进液氮洗冷箱的可靠性和性能，提高其工作效率和稳定性，降低维护和清洁成本，确保其长期稳定运行，有必要对液氮洗冷箱堵塞原因进行分析并提出改进措施。【方法】分别从设备本身的问题、操作不当、外部环境影响等三个主要方面分析了液氮洗冷箱堵塞的原因，并从液氮管理、管道改造和优化、杂质控制及温度控制等四个角度提出了针对性的改进建议。【结果】在实际应用中，提出的改进建议切实降低了液氮洗冷箱堵塞问题的发生频次。【结论】深入分析液氮洗冷箱堵塞原因，并提出具体的改进建议，为相关行业的冷却设备设计和使用提供了有力支持。

关键词：液氮洗冷箱；堵塞原因；改进建议；管道改造和优化；杂质控制；温度控制

中图分类号：TQ116.15    文献标志码：A     文章编号：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储设备，其主要用来长期存储生物样品、仪器和昂贵材料。通过使用液态氮的低温恒温技术，液氮洗冷箱能将内部温度快速降至-196 ℃以下［1］，为存储物品提供稳定的低温环境。一方面，液氮洗冷箱具有优异的保温性能，可以保持内部温度在一定范围内，减少温度波动对存储物品的影响。另一方面，液氮洗冷箱能合理分配空间［2］，其适用于多种不同尺寸和形式的样品，包括小型、大型以及复杂的实验室设备样品［3］。在安全性方面，液氮洗冷箱采用双层内胆和加密密封设计，可以有效避免液氮泄漏，保护实验室人员和设备免受液氮的危害。在控制方面，液氮洗冷箱的控制系统方便快捷［4］，可以通过温度传感器检测温度的变化，并及时采取必要的补救措施，确保贵重物品的安全性。然而，液氮洗冷箱如果使用不当或维护不及时，可能会出现堵塞的情况，这可能会导致不同程度的不良后果。如果冷箱内的温度比裂解气更低，水分达到露点温度时就会自动凝结，长此以往，冷箱性能下降，还会导致冷箱阻力增加［5］。此外，在液氮洗冷箱堵塞的情况下，存储的样品可能会受到污染或变质，导致样品质量下降。若长期存在液氮洗冷箱堵塞问题，可能会对设备本身造成损坏，缩短设备的使用寿命［6］。

综上所述，本研究对液氮洗冷箱堵塞原因与改进措施进行分析，并验证了设计改进措施的应用价值。

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为设备本身的问题、操作不当、外部环境影响等三个方面［7］。以此为基础，本研究对其展开了具体的分析，具体分析结果见表1。为了减少堵塞情况的发生，需要从多个角度来全面管理和维护液氮洗冷箱。

2 液氮洗冷箱堵塞改进措施

2.1 液氮管理改进方法

结合对液氮洗冷箱堵塞原因的分析结果，在液氮管理方面，首先要确保液氮的充足供应。因此，要定期检查液氮储罐的液位，并及时进行补充，以确保液氮洗冷箱有足够的液氮来维持其运行。此外，也可以考虑设置液氮自动补给系统，当液氮储罐的液位低于一定水平时，系统会自动补给液氮。其中，自动补给液氮总量的计算见式（1）。

式中：q为液氮洗冷箱补给液氮的总量；r为液氮洗冷箱的半径规格参数；l为实际液氮储罐的液位信息；l0为液氮洗冷箱有足够液氮供给运行时的液位。

在此基础上，还需要定期检查液氮储存罐和管道的密封性，结合实际情况定期进行设备检查和维护。相关人员要定期检查液氮储存罐和管道是否有泄漏现象，一旦发现泄漏，应立即采取措施进行修复，具体过程如下：①使用喷雾水枪，驱散、稀释沉积飘浮在罐内的气体，并判断泄漏位置；②若泄漏口较小、流速慢、泄漏量少，则配合喷雾水枪掩护进行堵漏；③管道泄漏或罐体孔洞型泄漏时，应使用应急修补装置进行修补；④禁止人员在低洼或下风区停留。

与此同时，还需要注意液氮的存储和使用安全。从属性上进行分析，液氮是一种低温气体，具有潜在的危险性，液氮的存储和使用应当都符合相关的安全规定。为此，需要最大限度地避免在密闭的空间内使用液氮，以防止氧气不足而导致工作人员的窒息危险。

2.2 管道改造和优化方法

液氮洗冷箱设备的管道直径过小，会加大制冷剂流动的阻力，导致制冷效果下降。因此，可以考虑更换更大直径的管道，以改善制冷剂的流动性。其中，具体液氮洗冷箱管道直径的选择标准见式（2）。

式中：D为液氮洗冷箱更换管道直径的选择标准；Q为运行阶段液氮洗冷箱管道的液氮流量；L为液氮洗冷箱管道的长度；P为运行阶段液氮洗冷箱管道的压力。

管道中的弯头和阀门等阻力部件会阻碍制冷剂的流动。在管道结构和排布时，要尽量减少弯头和阀门等阻力部件，通过减少这些部件的数量或优化其设计，可以起到改善制冷剂流动性的作用。在对管道走向进行改进时，管道的走向设计不合理，也会影响制冷剂的流动。因此，需要调整管道的走向，使其更加顺畅。

2.3 杂质控制方法

针对杂质问题，需要建立一套严格的杂质控制程序，包括定期检查水源、空气和原料的质量，确保其质量符合要求，同时采取相关措施来防止杂质进入设备。如果发现有杂质或污染物超标的情况，应立即采取相关措施进行处理。具体的处理流程如图1所示。

结合图1所示的液氮洗冷箱杂质或污染物超标情况处理措施，当存在杂质或污染物超标时，首先应停止液氮洗冷箱的运行，并进行全面检查。相关人员检查管道、阀门、过滤器等部件是否有堵塞或损坏的情况。如果发现管道、阀门、过滤器等部件有堵塞或损坏情况，需要及时进行清洗和更换。清洗过程中可以使用专门的清洗剂和工具来清除杂质和污染物。在此基础上，提高对水源、空气和原料的质量检测频率，及时发现并处理可能存在的杂质和污染物超标的情况。如果杂质和污染物超标是由于工艺参数设置不当引起的，可以通過调整工艺参数来改善液氮洗冷箱的运行效果，包括调整液氮流量、温度、压力等参数来优化制冷效果。

为了防止杂质进入设备，应在液氮洗冷箱的入口处增加过滤器或过滤网，进一步过滤水源、空气和原料中的杂质和污染物。同时，定期检查和更换过滤器或过滤网，以确保其过滤效果。此外，还要定期检查和维护相关设备，及时发现并处理可能存在的其他堵塞问题。

2.4 温度控制方法

为了保证温度符合相关要求，可以在液氮洗冷箱周围安装温度传感器和控制设备，以监测和控制设备的运行温度。结合实际的温度状态，通过控制设备的运行温度，保持液氮洗冷箱周围的温度在要求的范围内，保证设备的稳定运行，并减少堵塞问题的发生。在具体的实践过程中，可以采用自动控制或手动控制的方式来控制设备的运行温度。自动控制可以通过预设程序来自动调整设备的运行状态，以达到控制温度的目的；手动控制则需要操作人员根据温度传感器的反馈信息来手动调整设备的运行状态。无论是自动还是手动，结合实际环境温度情况调整后的液氮洗冷箱运行温度的计算见式（3）。

式中：Δt为周围实际环境温度与当前液氮洗冷箱运行温度相适应的环境温度差值；λ为环境温度对于液氮洗冷箱温度的扰动系数；T0为当前液氮洗冷箱运行温度。

3 改进措施应用效果分析

3.1 测试环境

本研究以DOAHO小型液氮洗冷箱作为具体的测试装置。对DOAHO小型液氮洗冷箱的配置情况进行分析可知：箱体的容积大小为27 L，包含PLC控制系统和显示器的操作界面，可结合实际的应用需求以及环境状态设置具体的循环参数。附件配置包括1组照明灯、2个直径为50.0 mm的引线孔、2个与引线孔匹配的硅胶塞、2个大小分别为100.0 L和200.0 L的AISI304样品架，以及4个可调节的脚轮结构。在此基础上，对比采用本研究提出液氮洗冷箱改进建议前后的情况，以及两台相同设备堵塞问题的发生情况。

3.2 应用效果与分析

对连续运行3个月的DOAHO小型液氮洗冷箱堵塞问题的发生情况进行分析，具体结果见表2。

由表2可知，在本研究采取的改进措施情况下，连续3个月内，测试的DOAHO小型液氮洗冷箱未发生堵塞问题，表明改进措施具有良好的防控效果。

4 结语

为了能够最大限度保障液氮洗冷箱功能的稳定性，确保其使用寿命能够达到预期，本研究以液氮洗冷箱堵塞问题为研究对象，在充分分析液氮洗冷箱堵塞原因的基础上，对具体的液氮洗冷箱改进方法进行了综合研究，并经过应用表明改进措施切实起到了良好的应用效果。本研究可为实际的液氮洗冷箱设计、应用以及管理提供有价值的参考。

参考文献：

［1］姜云，李鹏，方大勇.液氮洗装置冻堵工况分析与对策［J］.氮肥与合成气，2023，51（10）：33-35，43.

［2］汝志山，张天宇.液氮洗冷箱换热器冻堵分析及处理［J］.氮肥技术，2023，44（1）：19-22.

［3］乔飞.液氮洗冷箱阻力大原因分析［J］.氮肥与合成气，2023，51（2）：49-50，53.

［4］张伟华.液氮洗冷箱压差升高因素分析及预防措施［J］.大氮肥，2022，45（6）：369-372.

［5］赵岩，徐程程.液氮洗冷量过剩的原因分析与改进措施［J］.氮肥与合成气，2021，49（11）：5-7，20.

［6］冀淑军.副产液化天然气的液氮洗装置运行及改进［J］.氮肥与合成气，2021，49（11）：21-23.

［7］张伟华.回收液氮洗火炬气的优化改造［J］.化肥设计，2021，59（5）：27-30.