一种节能型纳米金属粉末制备系统和制备方法与流程

本技术涉及金属制备，尤其是涉及一种节能型纳米金属粉末制备系统和制备方法。

背景技术：

1、纳米金属粉末在涂层、镀膜等领域被广泛用于改善工件表面性能以及实现高精度制造，通常要求粉末平均粒径在100 nm以下，且具有较窄的粒径分布和良好的球形度。电弧法是制备该类纳米金属粉末的理想方法之一，其原理是利用电弧产生的高能等离子体对金属原料进行加热，使之蒸发形成金属蒸汽，金属蒸汽随后在工艺气体中冷凝、凝聚成为纳米金属颗粒。与其他方法相比，电弧法生产的纳米金属粉末具有纯度高、球形度好等优势。

2、在典型电弧法制粉装置中，例如cn100457339c所公开的一种多道电弧同时作用制备纳米金属粉末的方法，采用三套电弧发生器，可向蒸发室内提供高达600 a的电弧电流。装置中，电极和炉体需要用10℃以下的去离子冷水进行强制冷却；从电弧炉排出的高温工艺气体，需先被冷却至60℃以下，再由后端风机输送，气体携带的热量通过循环冷却水带走。实践表明，该类电弧制备纳米粉体的方法电耗极高，真正用于金属粉末蒸发的电能尚不足总输入电耗的10%，其余90%以上的能量主要通过设备散热形式，即冷水或循环冷却水冷却，散发到环境中而未被有效利用，造成了大量的能量浪费。

技术实现思路

1、为了改善目前电弧法在制粉过程中存在的能量高效利用问题，本技术提供一种节能型纳米金属粉末制备系统和制备方法。

2、第一方面，本技术提供一种节能型纳米金属粉末制备系统，采用如下的技术方案：

3、一种节能型纳米金属粉末制备系统，包括电弧炉、粉体过滤收集器、换热器、循环风机、平衡换热器、热水型制冷机组、去离子水循环回路和内循环冷却水回路；

4、所述电弧炉包含带水冷夹层的蒸发腔室和带水冷的电弧发生器；

5、所述换热器为并联式换热器，用于接收从粉体过滤收集器排出的高温工艺气体并将其冷却；

6、所述去离子水循环回路中，来自所述热水型制冷机组的去离子冷水，分别通入电弧发生器和电弧炉的水冷夹层进行冷却，升温后的去离子水进入所述平衡换热器，用于冷却从热水型制冷机组排出的内循环冷却水，最终返回所述热水型制冷机组进行制冷；

7、所述内循环冷却水回路中，内循环冷却水先进入循环风机冷却系统吸收热量，再进入所述换热器冷却高温工艺气体，吸热升温后作为热源进入所述热水型制冷机组，用于驱动制冷以冷却所述去离子水，降温后的内循环冷却水进入所述平衡换热器被进一步冷却，之后再返回循环风机冷却系统。

8、通过采用上述技术方案，利用去离子水回路和内循环冷却水回路构成的双冷却系统，使内循环冷却水先吸收循环风机热量、再吸收高温工艺气体热量，升温后驱动热水型制冷机组制备冷水，同时通过平衡换热器对两路水系统的水温进行耦合调节，实现了对电弧炉、循环风机及高温工艺气体余热的全面回收与利用，使系统在满足不同冷却需求的同时完成冷量和热量的内部平衡，降低了制备纳米金属粉末过程中的制冷电耗。

9、可选的，所述热水型制冷机组为利用120℃以上热水作为热源的吸收式制冷机组；所述换热器为管壳式换热器。

10、可选的，所述平衡换热器采用双壳程换热器，用于调节进入循环风机冷却系统的内循环冷却水入口温度不高于60℃，以及调节返回热水型制冷机组的去离子水回水温度。

11、可选的，当所述平衡换热器出来的内循环冷却水经去离子冷水冷却后温度仍高于60℃时，所述平衡换热器引入外循环冷却水进行进一步冷却，使其温度降至60℃以下。

12、通过采用上述技术方案，在平衡换热器去离子水侧冷却能力不足、内循环冷却水温度仍高于60℃时，引入外循环冷却水进行补充冷却，确保内循环冷却水进入循环风机冷却系统前始终满足温度要求，避免因水温过高导致风机故障，提高了系统在不同工况和环境温度下的适应性和运行安全性。

13、可选的，去离子冷水的循环水量m冷和内循环冷却水的水量m热依据系统冷热平衡，通过以下公式确定：

14、 ；

15、 ；

16、其中，t中为平衡换热器的去离子水侧进水温度，t进为制冷机组冷水侧出水温度，t回为制冷机组热水侧进水温度，t进为平衡换热器内循环冷却水侧出水温度， p1为电弧炉输入功率，η1为电弧炉散热效率， p2为循环风机气体增温功率，c为水的比热。

17、通过采用上述技术方案，依据电弧炉散热功率和循环风机增温功率，通过热平衡公式分别确定去离子冷水循环水量和内循环冷却水水量，能够使两路冷却水量与实际热负荷精确匹配，在水泵输送和制冷环节避免能量浪费，并为热水型制冷机组提供与制冷负荷相匹配的驱动热量，提高系统整体能效。

18、可选的，m冷和m热满足以下公式：

19、；

20、；

21、其中，t外进为外循环冷却水进水温度，t外回为外循环冷却水回水温度。

22、通过采用上述技术方案，利用平衡换热器中两路水系统与外循环冷却水之间的热量平衡关系，以及热水型制冷机组制冷系数cop与冷热两侧热量的关系，建立了各水流参数之间的关联，能够在系统运行工况变化时，通过调节外循环冷却水量等参数维持系统冷热平衡，保证制冷机组冷水出水温度达到设计值。

23、第二方面，本技术提供一种节能型纳米金属粉末制备方法，采用如下的技术方案：

24、一种节能型纳米金属粉末制备方法，包括以下步骤：

25、金属原料在电弧炉中被电弧加热汽化，形成金属蒸汽；

26、循环工艺气体携带金属蒸汽进入电弧炉内加热至设定温度，随后进入粉体过滤收集器，纳米金属粉末被拦截收集，干净的高温工艺气体排出；

27、排出的高温工艺气体进入换热器，被冷却至60℃以下，之后进入循环风机增压循环使用；

28、去离子冷水通入电弧发生器和电弧炉的水冷夹层进行冷却，升温后进入平衡换热器，用于冷却从热水型制冷机组排出的内循环冷却水，温度进一步升高后返回热水型制冷机组被冷却，循环使用；

29、内循环冷却水先进入循环风机冷却系统进行冷却，再进入换热器吸收高温工艺气体的热量，温度升高至120℃以上后，进入热水型制冷机组作为驱动热源，用于冷却去离子水，自身降温后进入平衡换热器被进一步冷却，之后再返回循环风机冷却系统循环利用。

30、通过采用上述技术方案，使高温工艺气体通过换热器被内循环冷却水冷却至60℃以下后循环使用，去离子冷水经平衡换热器冷却内循环冷却水后温度升高再返回制冷机组，内循环冷却水依次流经循环风机冷却系统和换热器吸收余热后驱动制冷机组，整个过程按照热量的需求进行有序分配，实现了对工艺气体余热、循环风机散热和电弧炉散热等不同废热的梯级回收和高效利用，降低了生产线总电耗。

31、可选的，内循环冷却水从热水型制冷机组排出时温度约为68℃，经平衡换热器冷却至60℃以下后进入循环风机冷却系统。

32、可选的，所述金属原料为铜粉或镍粉，所述循环工艺气体为氮气。

33、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

34、1.采用双冷却系统，即去离子水冷却系统和内循环水冷却系统，实现了高温工艺气体余热回收和制粉系统的冷却；通过热平衡换热器、换热器和热水型制冷机组的组合利用，在制粉系统内实现了冷、热平衡，实现了高温工艺气体余热用于冷水的制备，粉体制备系统总电耗减少了5%-10%；

35、2.依据电弧炉散热功率和循环风机增温功率，通过热平衡公式分别确定去离子冷水循环水量和内循环冷却水水量，能够使两路冷却水量与实际热负荷精确匹配，在水泵输送和制冷环节避免能量浪费，并为热水型制冷机组提供与制冷负荷相匹配的驱动热量，提高系统整体能效；

36、3.使高温工艺气体通过换热器被内循环冷却水冷却至60℃以下后循环使用，去离子冷水经平衡换热器冷却内循环冷却水后温度升高再返回制冷机组，内循环冷却水依次流经循环风机冷却系统和换热器吸收余热后驱动制冷机组，整个过程按照热量的需求进行有序分配，实现了对工艺气体余热、循环风机散热和电弧炉散热等不同废热的梯级回收和高效利用，降低了生产线总电耗。