CN106475911A - 一种冰粒气体射流快速制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种冰粒气体射流快速制备装置及方法，所述的装置包括高压气体部、储水罐、液氮罐、射流喷嘴和射流管道；储水罐的气体入口、液氮罐的气体入口和射流管道均连接高压气体部的出气口；储水罐的出口和液氮罐的出口均与射流管道连接，射流喷嘴设置于射流管道的末端。所述的方法包括依次包括如下步骤：1)制备高压气体；2)高压气体进入到射流管道；3)储水罐中的水和液氮罐中的液氮以在射流管道中混合，形成冰粒；4)高压气体带动冰粒到达射流喷嘴处；5)冰粒从射流喷嘴中喷出；6)工作结束，将管路中的气体放出即可。本发明所述的方法及装置实现了冰粒简单快速的制备以及冰粒气体射流的一体化，结构简单，操作方便，不受场地限制，能有效的提高工作效率。

Description

一种冰粒气体射流快速制备装置及方法

技术领域

本发明属于冰粒气体射流技术领域，尤其涉及一种冰粒气体射流快速制备装置及方法。

背景技术

磨料射流技术最早出现在上世纪的60年代，具体分为磨料水射流和磨料气体射流技术。该技术能以较小的动力获得较好的清洁、冲蚀效果，被广泛应用于切割、特殊加工、钻孔、除锈及水力冲孔等作业中。

随着磨料射流技术的发展，传统磨料射流应用过程中的缺点也日渐突显出来。由于工作量的提高，磨料消耗量加大，但是传统磨料不便于回收和处理；其次，磨料射流会在作业表面残存大量的微细磨粒，不适应表面清洁度要求高的场合；另外，磨料射流进行除锈、切割作业时其工作条件较差。为此，国内外专家都在积极寻求更加经济，实用的磨料，积极开发新型磨料射流，冰粒射流正是在这一背景下产生的，冰粒在低温下具有一定的强度和硬度，可以达到磨料射流的效果。

目前，冰粒制备的方法主要有:（1）碎冰法，如波兰Galeck和加拿大Vickers通过破冰器将冰块破碎成直径为3mm的冰粒进行冰粒磨料射流试验，使用该方法制备冰粒工艺简单、易操作，但通过碎冰法不能够实现冰粒的连续制备，且破碎过程中冰粒易融化。（2）制冷剂法，如中国矿业大学李德玉提出的依靠液氮与经过预冷处理的雾化水直接接触的方式制备小冰粒，使用该方法制备冰粒可实现冰粒的低温和粒径要求，但其技术过程复杂且成本较高。

目前，对于冰粒射流的方法主要有：（1）利用高压水法，如原淮南工业学院高压水射流实验室采用高压水引射冰粒而形成的冰粒高压水射流，以高压水引射冰粒能提供较大的能量，避免冰粒在喷嘴处发生粘结、堵塞等现象。但该方法不能使冰粒持续处在低温场中，会降低作业效率。（2）利用压缩空气法，如原淮南矿业学院张东速提出的利用两套动力系统分别实现冰粒制备和气体射流，采用气体射流技术，能满足冰粒射流过程中的低温场要求，但其两套动力系统，会造成能源浪费。

上述冰粒制备及射流技术都是预先制备好冰粒，以冰粒作为磨料加入射流系统中，实现冰粒射流，其装置复杂，无法实现冰粒制备及射流的一体化。

发明内容

本发明旨在提供一种结构简单、使用效果好的冰粒气体射流快速制备装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：一种冰粒气体射流快速制备装置，包括高压气体部、储水罐、液氮罐、射流喷嘴和射流管道；高压气体部的出气口上连接有阀门；储水罐和液氮罐上均设置有带有阀门的气体入口和出口；储水罐的气体入口、液氮罐的气体入口和射流管道均连接高压气体部的出气口；储水罐的出口和液氮罐的出口均与射流管道连接，射流喷嘴设置于射流管道的末端；射流喷嘴前端的内径逐渐变小，射流喷嘴末端的内径逐渐变大。

高压气体部包括空压机、气体输入管道和至少1个气瓶，气瓶上设置有均连接有阀门的入气口和出气口，各个气瓶的出气口上均连接有流量计；空压机连接各个气瓶的入气口，各个气瓶的出气口均连接气体输入管道，气体输入管道的末端连接储水罐的气体入口、液氮罐的气体入口和射流管道。

储水罐和液氮罐的气体入口分别设置于储水罐的顶端和液氮罐的顶端。

储水罐和液氮罐的出口上均连接有流量计；储水罐的出口上还连接有雾化喷嘴，雾化喷嘴连接射流管道。

气体输入管道上设置有压力检测部，射流管道上设置有温度检测部。

压力检测部为压力计；温度检测部为处理单元、显示单元和设置于射流管道内壁上的温度传感器，温度传感器采集温度信息，并将采集到的温度信息传输到处理单元，处理单元将温度信息传输到显示单元进行显示。

一种利用上述装置进行冰粒气体射流快速制备的方法，依次包括如下步骤：

1)制备高压气体；

2)高压气体分为两路，一路分别进入到储水罐和液氮罐中；另外一路进入到射流管道；

3)液氮在射流管道中形成低温场，水进入射流管道中在低温场作用下形成冰粒；进入到射流管道中的液氮和水的流量比为0.1~0.4；

4)高压气体带动冰粒到达射流喷嘴处；

5)冰粒从射流喷嘴中喷出；冰粒在射流喷嘴中的路径先逐渐变窄，然后逐渐变宽；

6)工作结束；首先，停止向储水罐和液氮罐中充入高压气体，停止储水罐的出水和液氮从液氮罐的流出；然后，停止高压气体的制备，排完管路内的气体。

步骤3）中，储水罐中的水被雾化后进入到射流管道；同时，射流管道内的温度为-65℃~-100℃。

步骤2）中进入到射流管道的高压气体的流量和压力分别为0.02～0.58kg/s 、0.5～15Mpa。

步骤5）中从射流管道中喷出的冰粒粒径为0.053～0.25mm；冰粒的速度为300～500m/s。

通过以上技术方案，本发明的有益效果为：1、本发明所述的装置实现了冰粒简单快速的制备以及冰粒气体射流的一体化，该装置利用水和液氮在管路内快速结冰，实现了冰粒的即时制备，冰粒在管路内混合均匀，避免了水资源的浪费；同时，设置的射流喷嘴可以使冰粒获得更高的速度，避免了冰粒在射流区融化、硬度降低等缺点，保证了射流效果。2、高压气体部包括空压机、气体输入管道和至少1个气瓶，从而实现方便，易于控制。3、储水罐和液氮罐的气体入口分别设置于储水罐的顶端和液氮罐的顶端，从而方便了气体的进入，方便了气体对储水罐和液氮罐的作用过程。4、储水罐的出口上还连接有雾化喷嘴，雾化喷嘴和液氮罐的出口连接射流管道，通过雾化水滴与液氮的直接接触实现管路中冰粒的快速制备。5、压力检测部为压力计；温度检测部为温度传感器、处理单元和显示单元，通过压力计和温度传感器实现了工作过程中参数的监测，从而便于工作过程的控制。6、本发明所述的方法实现了冰粒的快速制备和冰粒气体的射流，制备方法简便，实现快速，工作过程连续，同时易于控制；水流量和液氮流量比最佳为0.1~0.4，在此种条件下，气体和冰粒混合后管路中最佳的温度为-100℃，可以保证管路内和射流区冰粒硬度最大，获得较好的射流效果。7、步骤3）中，储水罐中的水被雾化后进入到射流管道，从而提供冰粒的形成效果；射流管道内的温度小于-100℃，从而保证形成的冰粒的硬度。8、步骤2）中进入到射流管道的高压气体的流量和压力分别为0.02～0.58kg/s 、0.5～15Mpa，从而使得气体可以以较高的速度带动冰粒射流。9、步骤5）中从射流管道中喷出的的冰粒粒径为0.053～0.25mm；冰粒的速度为300～500m/s，从而使得冰粒获得较好的作用效果。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为射流喷嘴结构示意图；

图3为本发明所述方法流程图。

具体实施方式

一种冰粒气体射流快速制备装置，如图1所示，包括高压气体部，高压气体部用于制备具有压力的气体，高压气体部包括空压机1、气体输入管道11和至少1个气瓶2，本实施例中气瓶2的数量为3个。为了便于气体的控制，在气瓶2的入气口和出气口上均设置有阀门3，通过阀门3的开启或关闭方便气体传输的控制过程。同时，在气瓶2的出气口上设置有流量计4，通过流量计4可以得知从各个气瓶中出来的气体的流量，通过对气体参数的监测，可以及时对整个冰粒气体射流的过程做出调整，保证其高效的工作状态。空压机1通过管道连接各个气瓶2的入气口，各个气瓶2的出气口均通过管道连接气体输入管道11。

在气体输入管道11上设置有压力检测部，其中压力检测部为压力表，通过压力表可以实时得知流经气体输入管道11的气体的压力，其也有益于对整个工作过程的监测。

气体输入管道11的末端分成第一路和第二路，其中第一路连接有储水罐6和液氮罐8。在储水罐和液氮罐的顶端均设置有气体入口，通过将气体入口设置于顶端，方便气体对储水罐和液氮罐中的压力的作用过程。同时，在储水罐和液氮罐的气体入口上均连接有阀门3，从而便于气体进入到储水罐和液氮罐中的控制过程。气体输入管道的第一路通过管道分别连接储水罐和液氮罐的气体入口，通过将气体输入到储水罐和液氮罐中可以平衡储水罐和液氮罐中的压力，进而方便水从储水罐中流出和液氮从液氮罐中流出。

气体输入管道11的第二路连接有射流管道12，同时气体输入管道的第二路连接射流管道12的初始端。

射流管道12的中部连接储水罐6和液氮罐8的出口，储水罐和液氮罐的出口上也设置有阀门；储水罐出口的阀门，可以调节水的流量，从而控制冰粒射流的质量和流量，以满足不同工作条件下的冰粒射流；通过控制液氮罐出口的阀门可以控制流出的液氮量；当水的流量改变时，可以调节液氮的量使水滴在管路中充分凝结成冰粒；同时，储水罐和液氮罐的出口上也设置有流量计，通过流量计便于工作过程中参数的监测。

为了提高冰粒的效果在储水罐6的出口上连接有雾化喷嘴7，雾化喷嘴7的出口连接射流管道12的中部，从储水罐6中出来的水被雾化后进入到射流管道中，在射流管道中在液氮作用下形成冰粒，通过雾化水滴与液氮的直接接触实现管路中冰粒的快速制备。其中，雾化喷嘴为市售产品。

在射流管道12上设置有温度检测部，其中温度检测部为处理单元、显示单元和设置于射流管道内壁上的温度传感器、，通过温度传感器可以将检测到的温度传输到处理单元中，处理单元将接受到的温度信息在显示单元上显示即可。

其中，温度传感器的型号为DS18B20，处理单元2选用单片机即可；而显示单元包括与处理单元的信号输出端连接的显示芯片，显示芯片的型号为LCD1602。通过温度检测部可以实时监测射流管道中的温度。

在射流管道12的末端设置有射流喷嘴10，射流喷嘴10如图2所示，包括喷嘴壳体101，喷嘴壳体101内部设置有冰粒腔体102，冰粒腔体102前端的内径自内向外逐渐变小，冰粒腔体末端的内径自内向外逐渐变大，从而气体可以获得更高的速度，冰粒也可以加速至较高速度，而且射流喷嘴及射流喷嘴出口的一段区域可以维持较低的温度场，该温度场可以保证冰粒射流过程中，冰粒不会融化，进而保证冰粒射流效果。

储水罐中存储的水，通过雾化喷嘴雾化成小液滴进入射流管道内；同时，将液氮通入射流管道，创造低温环境，使小液滴在射流管道中凝结成小冰粒，通过射流喷嘴形成冰粒气体实现射流。

当水或者液氮用完时，可以关闭气瓶出气口的阀门，实现水或液氮的快速添加。

本发明公开的装置实现了冰粒简单快速的制备以及冰粒气体射流的一体化，该装置利用水和液氮在管路内快速结冰，实现了冰粒的即时制备，冰粒在管路内混合均匀，避免了水资源的浪费；同时，设置的射流喷嘴可以使冰粒获得更高的速度，避免了冰粒在射流区融化、硬度降低等缺点，保证了射流效果；另外，整个装置结构简单，操作方便，不受场地限制，能有效的提高工作效率。

一种利用上述装置进行冰粒气体射流快速制备的方法，如图2所示依次包括如下步骤：

（1）制备高压气体，空压机生成高压气体，同时高压气体进入到气瓶中实现存储；使用时可以利用气瓶的入气口和出气口的阀门实现高压气体进入或出来气瓶的控制。

工作前，首先打开气瓶进口处的阀门，关闭其余阀门，储水罐和液氮罐内分别加好水和液氮，启动空压机；气瓶压力达到设置值时，打开其余阀门，同时保证空压机继续工作，其中气瓶压力的设定值为0.5～15Mpa，从而使得进入到射流管道的高压气体的压力可以使得冰粒获得足够的速度；设置的气瓶可以保证高压气体的稳定性。

（2）高压气体分为两路，一路分别进入储水罐中和液氮罐中，用以平衡储水罐和液氮罐中的压力；另外一路进入到射流管道，进入到射流管道中的高压气体的流量和压力分别为0.02～0.58kg/s； 0.5～15Mpa，从而使得冰粒有足够的射流速度。

具体为：高压气体从气瓶出来后进入到气体输入管道内，气体输入管道分成两路，气体输入管道的第一路通过储水罐和液氮罐的气体入口进入到储水罐和液氮罐中，实现储水罐和液氮罐压力的平衡，从而使得水可以顺利从储水罐中流出；液氮可以顺利从液氮罐中流出。

（3）液氮在射流管道中形成低温场，雾化水进入射流管道中在低温场作用下形成冰粒；

具体为：液氮从液氮罐的出口出来后进入到射流管道中，在射流管道中形成低温场；储水罐中的水从储水罐的出口出来后进入到雾化喷嘴中，水在雾化喷嘴中被雾化后进入到射流管道中；被雾化的水在射流管道中在低温场的作用下形成冰粒。

此处，进入到射流管道中的水和进入到射流管道中的液氮的流量比为0.1~0.4，优选为0.3，在此种条件下，气体和冰粒混合后管路中最佳的温度为-100℃，可以保证管路内和射流区冰粒硬度最大，获得较好的射流效果，从而提高液氮对水的作用效果，防止液氮的浪费。

通过将水雾化再使得水进入到射流管道，可以提高冰粒的效果，使得射流管道中生成合适大小的冰粒，防止水在射流管道中大面积冻结。

通过温度传感器的监测到的射流管道中的温度数据，以及观察到的射流喷嘴出来的冰粒气体射流状态，来调节储水罐和液氮罐出口处的阀门，其中，要保证射流管道内的温度在-65℃和-100℃，优选-100℃，从而使得冰粒的莫氏硬度达到最大。

（4）高压气体带动冰粒到达射流喷嘴处；

射流管道中的高压气体带动冰粒快速前进，最终达到射流喷嘴处。

（5）冰粒从射流喷嘴中喷出。

冰粒进入射流喷嘴的冰粒腔体中，冰粒气体在冰粒腔体中的路径首先逐渐变小，然后，逐渐变大，从而使得冰粒可以获得较大的动能，避免冰粒在射流区融化、硬度降低等缺点；最终冰粒以速度从射流喷嘴中喷出，喷出的冰粒的尺寸为，喷出的冰粒作用在需要作用的表面上。

此处，冰粒的喷出速度为300～500m/s，优选为400m/s，喷出的冰粒的粒径在0.053～0.25mm之间，可以在节约能量的情况下，满足冰粒的作用效果。

（6）工作结束；冰粒气体射流工作完成以后，首先，依次关闭储水罐和液氮罐气体入口和出口处的阀门；5s后，关闭空压机，排完管路内的气体；再5s后，关闭气瓶进气口的阀门，间隔5s关闭气瓶出气口的阀门，整个工作过程结束。此处，阀门关闭的先后顺序关系到装置的稳定性，先对储水罐和液氮罐上的阀门进行操作，可以保证管道压力的平衡；最终间隔5s依次关闭气瓶进气口的阀门和出气口的阀门，可以保证气瓶中的压力平衡，保证工作过程。

在步骤（1）、（2）、（3）、（4）、（5）的过程中，需要时刻观察储水罐和液氮罐中的水和液氮，当水或液氮快用完后，关闭气瓶出气口的阀门，向储水罐或液氮罐中加水或液氮；完成后，打开气瓶出气口的阀门，使得整个工作过程继续进行。

本发明所述的方法实现了冰粒射流简单快速的制备以及冰粒气体射流的一体化，利用水和液氮在管路内快速结冰，实现了冰粒即时制备，避免了传统方法的过程复杂，成本高，不连续等缺点；同时，本方法制备出的冰粒可以获得更高的动量，可以避免冰粒在射流区融化、硬度降低，保证了射流效果。

Claims (10)

1.一种冰粒气体射流快速制备装置，其特征在于：包括高压气体部、储水罐、液氮罐、射流喷嘴和射流管道；高压气体部的出气口上连接有阀门；储水罐和液氮罐上均设置有带有阀门的气体入口和出口；储水罐的气体入口、液氮罐的气体入口和射流管道均连接高压气体部的出气口；储水罐的出口和液氮罐的出口均与射流管道连接，射流喷嘴设置于射流管道的末端；射流喷嘴前端的内径逐渐变小，射流喷嘴末端的内径逐渐变大。

2.如权利要求1所述的冰粒气体射流快速制备装置，其特征在于：高压气体部包括空压机、气体输入管道和至少1个气瓶，气瓶上设置有均连接有阀门的入气口和出气口，各个气瓶的出气口上均连接有流量计；空压机连接各个气瓶的入气口，各个气瓶的出气口均连接气体输入管道，气体输入管道的末端连接储水罐的气体入口、液氮罐的气体入口和射流管道。

3.如权利要求2所述的冰粒气体射流快速制备装置，其特征在于：储水罐和液氮罐的气体入口分别设置于储水罐的顶端和液氮罐的顶端。

4.如权利要求3所述的冰粒气体射流快速制备装置，其特征在于：储水罐和液氮罐的出口上均连接有流量计；储水罐的出口上还连接有雾化喷嘴，雾化喷嘴连接射流管道。

5.如权利要求4所述的冰粒气体射流快速制备装置，其特征在于：气体输入管道上设置有压力检测部，射流管道上设置有温度检测部。

6.如权利要求5所述的冰粒气体射流快速制备装置，其特征在于：压力检测部为压力计；温度检测部为处理单元、显示单元和设置于射流管道内壁上的温度传感器，温度传感器采集温度信息，并将采集到的温度信息传输到处理单元，处理单元将温度信息传输到显示单元进行显示。

7.一种利用权利要求1所述装置进行冰粒气体射流快速制备的方法，其特征在于：依次包括如下步骤：

制备高压气体；

高压气体分为两路，一路分别进入到储水罐和液氮罐中；另外一路进入到射流管道；

液氮在射流管道中形成低温场，水进入射流管道中在低温场作用下形成冰粒；进入到射流管道中的液氮和水的流量比为0.1~0.4；

高压气体带动冰粒到达射流喷嘴处；

冰粒从射流喷嘴中喷出；冰粒在射流喷嘴中的路径先逐渐变窄，然后逐渐变宽；

工作结束；首先，停止向储水罐和液氮罐中充入高压气体，停止储水罐的出水和液氮从液氮罐的流出；然后，停止高压气体的制备，排完管路内的气体。

8.如权利要求7所述的冰粒气体射流快速制备方法，其特征在于：步骤3）中，储水罐中的水被雾化后进入到射流管道；同时，射流管道内的温度为-65℃~-100℃。

9.如权利要求8所述的冰粒气体射流快速制备方法，其特征在于：步骤2）中进入到射流管道的高压气体的流量和压力分别为0.02～0.58kg/s 、0.5～15Mpa。

10.如权利要求7或8或9所述的冰粒气体射流快速制备方法，其特征在于：步骤5）中从射流管道中喷出的冰粒粒径为0.053～0.25mm；冰粒的速度为300～500m/s。