液氮循環系統實現低溫箱內低溫循環的核心邏輯是：通過液氮的流動與換熱，持續吸收低溫箱內的熱量，同時通過系統設計維持液氮的循環利用(或補充)，終實現箱內溫度的穩定控制。其具體實現過程可分為系統組成和循環原理兩部分，以下是詳細說明：

　　一、系統核心組成

　　液氮循環系統通常包含以下關鍵組件，共同支撐循環過程：

　　液氮儲存單元

　　一般為真空絕熱儲罐(杜瓦罐)，用于低溫儲存液氮(沸點 - 196℃)，減少液氮因環境換熱導致的汽化損耗。儲罐需具備良好的絕熱性能(如多層真空絕熱)，并配備壓力控制裝置(如安全閥、壓力調節器)，避免因液氮汽化導致壓力過高。

　　輸送與驅動單元

　　負責推動液氮在系統內流動，核心設備為低溫泵(如離心式或柱塞式低溫泵)，其需適應液氮的超低溫環境(避免材料脆化)，通過機械力將液氮從儲罐輸送至低溫箱內的換熱部件。部分簡易系統也可通過儲罐自身壓力(液氮汽化產生的壓力)驅動液氮流動，無需泵體。

　　低溫箱內換熱單元

　　是液氮與低溫箱內進行熱量交換的核心部件，通常為蛇形盤管、翅片式蒸發器或噴嘴：

　　盤管 / 蒸發器：液氮在管內流動，通過管壁與箱內空氣(或被冷卻物體)間接換熱，吸收熱量后部分汽化(形成氣液混合物)。

　　噴嘴：液氮直接噴淋到箱內(或被冷卻物體表面)，通過相變(液態→氣態)快速吸收大量熱量(液氮汽化潛熱極高，1kg 液氮汽化可吸收約 199kJ 熱量)，效率更高。

　　循環回路與回收 / 液化單元

　　根據系統類型(開式 / 閉式)，回路設計不同：

　　閉式循環(主流設計)：汽化后的氮氣(溫度仍極低)通過回氣管路返回系統，經壓縮機壓縮(提高壓力)和冷凝器(通常用液氮或低溫介質冷卻)重新液化為液氮，再次進入輸送單元，形成 “液氮→吸熱汽化→壓縮液化→液氮” 的閉環循環，實現液氮的重復利用。

　　開式循環(簡易設計)：液氮在箱內汽化后，氮氣直接排放至大氣(或收集再利用)，系統通過持續補充新液氮維持循環(嚴格來說是 “持續供應” 而非 “閉環循環”，但廣義上屬于循環換熱過程)。

　　溫控與安全單元

　　溫度傳感器(如鉑電阻、熱電偶)實時監測低溫箱內溫度，反饋給控制系統(PLC 或溫控器)。

　　控制模塊根據設定溫度調節液氮循環量(如調節泵的轉速、閥門開度)：當箱內溫度高于設定值時，增加液氮流量，強化換熱;達到目標溫度時，減少流量，維持穩定。

　　安全裝置：包括超壓安全閥(防止液氮汽化導致系統壓力過高)、低溫保護(避免設備因超低溫損壞)、泄漏檢測(氮氣濃度過高時報警，防止缺氧)等。

　　二、循環過程原理(以閉式系統為例)

　　初始階段：低溫箱內溫度高于設定值，控制系統啟動循環。低溫泵將儲罐中的液氮加壓后，輸送至低溫箱內的換熱盤管(或噴嘴)。

　　換熱吸熱：液氮在換熱部件中與箱內空氣(或物體)接觸，吸收熱量：

　　若為盤管間接換熱：液氮先以液態吸熱(顯熱)，溫度升高至沸點后汽化(潛熱)，形成低溫氮氣(-196℃至室溫之間)。

　　若為直接噴淋：液氮直接汽化，快速吸收大量潛熱，箱內溫度驟降。

　　介質回流：吸熱后的低溫氮氣(或氣液混合物)通過回氣管路返回系統，進入壓縮機被壓縮(提高壓力和溫度)，隨后進入冷凝器(由外部冷源或液氮自身冷卻)，重新液化成液氮。

　　循環維持：液化后的液氮再次進入儲罐，由低溫泵輸送至低溫箱，完成 “液氮→吸熱→汽化→壓縮→液化→液氮” 的閉環循環。通過持續循環，箱內熱量被不斷帶走，終穩定在設定低溫(通常 - 50℃至 - 196℃，取決于系統設計)。

　　三、關鍵特點

　　高效低溫：利用液氮的極低沸點和高汽化潛熱，可實現深低溫環境(低接近 - 196℃)。

　　精準控溫：通過調節液氮循環量，可將箱內溫度波動控制在 ±0.5℃甚至更高精度。

　　開 / 閉式選擇：閉式系統液氮可循環利用，適用于長期運行(節能);開式系統結構簡單，適用于短時間、高降溫速率場景(如快速冷凍)。

　　綜上，液氮循環系統通過 “輸送 - 換熱 - 回收 - 再利用” 的閉環(或半閉環)流程，實現了低溫箱內的持續低溫循環，核心是利用液氮的低溫特性和循環流動，高效帶走箱內熱量。

---

本文鏈接地址：http://www.tgoe-bridge.com.cn/1455.html