液氮洗冷箱堵塞原因分析與改進措施

呂晨晨

摘 要：【目的】為降低液氮洗冷箱的堵塞概率，改進液氮洗冷箱的可靠性和性能，提高其工作效率和穩定性，降低維護和清潔成本，確保其長期穩定運行，有必要對液氮洗冷箱堵塞原因進行分析并提出改進措施。【方法】分別從設備本身的問題、操作不當、外部環境影響等三個主要方面分析了液氮洗冷箱堵塞的原因，并從液氮管理、管道改造和優化、雜質控制及溫度控制等四個角度提出了針對性的改進建議。【結果】在實際應用中，提出的改進建議切實降低了液氮洗冷箱堵塞問題的發生頻次。【結論】深入分析液氮洗冷箱堵塞原因，并提出具體的改進建議，為相關行業的冷卻設備設計和使用提供了有力支持。

關鍵詞：液氮洗冷箱；堵塞原因；改進建議；管道改造和優化；雜質控制；溫度控制

中圖分類號：TQ116.15? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：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設備，其主要用來長期存儲生物樣品、儀器和昂貴材料。通過使用液態氮的低溫恒溫技術，液氮洗冷箱能將內部溫度快速降至-196 ℃以下［1］，為存儲物品提供穩定的低溫環境。一方面，液氮洗冷箱具有優異的保溫性能，可以保持內部溫度在一定范圍內，減少溫度波動對存儲物品的影響。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、大型以及復雜的實驗室設備樣品［3］。在安全性方面，液氮洗冷箱采用雙層內膽和加密密封設計，可以有效避免液氮泄漏，保護實驗室人員和設備免受液氮的危害。在控制方面，液氮洗冷箱的控制系統方便快捷［4］，可以通過溫度傳感器檢測溫度的變化，并及時采取必要的補救措施，確保貴重物品的安全性。然而，液氮洗冷箱如果使用不當或維護不及時，可能會出現堵塞的情況，這可能會導致不同程度的不良后果。如果冷箱內的溫度比裂解氣更低，水分達到露點溫度時就會自動凝結，長此以往，冷箱性能下降，還會導致冷箱阻力增加［5］。此外，在液氮洗冷箱堵塞的情況下，存儲的樣品可能會受到污染或變質，導致樣品質量下降。若長期存在液氮洗冷箱堵塞問題，可能會對設備本身造成損壞，縮短設備的使用壽命［6］。

綜上所述，本研究對液氮洗冷箱堵塞原因與改進措施進行分析，并驗證了設計改進措施的應用價值。

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備本身的問題、操作不當、外部環境影響等三個方面［7］。以此為基礎，本研究對其展開了具體的分析，具體分析結果見表1。為了減少堵塞情況的發生，需要從多個角度來全面管理和維護液氮洗冷箱。

2 液氮洗冷箱堵塞改進措施

2.1 液氮管理改進方法

結合對液氮洗冷箱堵塞原因的分析結果，在液氮管理方面，首先要確保液氮的充足供應。因此，要定期檢查液氮儲罐的液位，并及時進行補充，以確保液氮洗冷箱有足夠的液氮來維持其運行。此外，也可以考慮設置液氮自動補給系統，當液氮儲罐的液位低于一定水平時，系統會自動補給液氮。其中，自動補給液氮總量的計算見式（1）。

式中：q為液氮洗冷箱補給液氮的總量；r為液氮洗冷箱的半徑規格參數；l為實際液氮儲罐的液位信息；l0為液氮洗冷箱有足夠液氮供給運行時的液位。

在此基礎上，還需要定期檢查液氮儲存罐和管道的密封性，結合實際情況定期進行設備檢查和維護。相關人員要定期檢查液氮儲存罐和管道是否有泄漏現象，一旦發現泄漏，應立即采取措施進行修復，具體過程如下：①使用噴霧水槍，驅散、稀釋沉積飄浮在罐內的氣體，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進行堵漏；③管道泄漏或罐體孔洞型泄漏時，應使用應急修補裝置進行修補；④禁止人員在低洼或下風區停留。

與此同時，還需要注意液氮的存儲和使用安全。從屬性上進行分析，液氮是一種低溫氣體，具有潛在的危險性，液氮的存儲和使用應當都符合相關的安全規定。為此，需要最大限度地避免在密閉的空間內使用液氮，以防止氧氣不足而導致工作人員的窒息危險。

2.2 管道改造和優化方法

液氮洗冷箱設備的管道直徑過小，會加大制冷劑流動的阻力，導致制冷效果下降。因此，可以考慮更換更大直徑的管道，以改善制冷劑的流動性。其中，具體液氮洗冷箱管道直徑的選擇標準見式（2）。

式中：D為液氮洗冷箱更換管道直徑的選擇標準；Q為運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阻礙制冷劑的流動。在管道結構和排布時，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量或優化其設計，可以起到改善制冷劑流動性的作用。在對管道走向進行改進時，管道的走向設計不合理，也會影響制冷劑的流動。因此，需要調整管道的走向，使其更加順暢。

2.3 雜質控制方法

針對雜質問題，需要建立一套嚴格的雜質控制程序，包括定期檢查水源、空氣和原料的質量，確保其質量符合要求，同時采取相關措施來防止雜質進入設備。如果發現有雜質或污染物超標的情況，應立即采取相關措施進行處理。具體的處理流程如圖1所示。

結合圖1所示的液氮洗冷箱雜質或污染物超標情況處理措施，當存在雜質或污染物超標時，首先應停止液氮洗冷箱的運行，并進行全面檢查。相關人員檢查管道、閥門、過濾器等部件是否有堵塞或損壞的情況。如果發現管道、閥門、過濾器等部件有堵塞或損壞情況，需要及時進行清洗和更換。清洗過程中可以使用專門的清洗劑和工具來清除雜質和污染物。在此基礎上，提高對水源、空氣和原料的質量檢測頻率，及時發現并處理可能存在的雜質和污染物超標的情況。如果雜質和污染物超標是由于工藝參數設置不當引起的，可以通過調整工藝參數來改善液氮洗冷箱的運行效果，包括調整液氮流量、溫度、壓力等參數來優化制冷效果。

為了防止雜質進入設備，應在液氮洗冷箱的入口處增加過濾器或過濾網，進一步過濾水源、空氣和原料中的雜質和污染物。同時，定期檢查和更換過濾器或過濾網，以確保其過濾效果。此外，還要定期檢查和維護相關設備，及時發現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要求，可以在液氮洗冷箱周圍安裝溫度傳感器和控制設備，以監測和控制設備的運行溫度。結合實際的溫度狀態，通過控制設備的運行溫度，保持液氮洗冷箱周圍的溫度在要求的范圍內，保證設備的穩定運行，并減少堵塞問題的發生。在具體的實踐過程中，可以采用自動控制或手動控制的方式來控制設備的運行溫度。自動控制可以通過預設程序來自動調整設備的運行狀態，以達到控制溫度的目的；手動控制則需要操作人員根據溫度傳感器的反饋信息來手動調整設備的運行狀態。無論是自動還是手動，結合實際環境溫度情況調整后的液氮洗冷箱運行溫度的計算見式（3）。

式中：Δt為周圍實際環境溫度與當前液氮洗冷箱運行溫度相適應的環境溫度差值；λ為環境溫度對于液氮洗冷箱溫度的擾動系數；T0為當前液氮洗冷箱運行溫度。

3 改進措施應用效果分析

3.1 測試環境

本研究以DOAHO小型液氮洗冷箱作為具體的測試裝置。對DOAHO小型液氮洗冷箱的配置情況進行分析可知：箱體的容積大小為27 L，包含PLC控制系統和顯示器的操作界面，可結合實際的應用需求以及環境狀態設置具體的循環參數。附件配置包括1組照明燈、2個直徑為50.0 mm的引線孔、2個與引線孔匹配的硅膠塞、2個大小分別為100.0 L和200.0 L的AISI304樣品架，以及4個可調節的腳輪結構。在此基礎上，對比采用本研究提出液氮洗冷箱改進建議前后的情況，以及兩臺相同設備堵塞問題的發生情況。

3.2 應用效果與分析

對連續運行3個月的DOAHO小型液氮洗冷箱堵塞問題的發生情況進行分析，具體結果見表2。

由表2可知，在本研究采取的改進措施情況下，連續3個月內，測試的DOAHO小型液氮洗冷箱未發生堵塞問題，表明改進措施具有良好的防控效果。

4 結語

為了能夠最大限度保障液氮洗冷箱功能的穩定性，確保其使用壽命能夠達到預期，本研究以液氮洗冷箱堵塞問題為研究對象，在充分分析液氮洗冷箱堵塞原因的基礎上，對具體的液氮洗冷箱改進方法進行了綜合研究，并經過應用表明改進措施切實起到了良好的應用效果。本研究可為實際的液氮洗冷箱設計、應用以及管理提供有價值的參考。

參考文獻：

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