CN106592308B - 一种气体轰爆处理机 - Google Patents
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Abstract
本发明属于蒸汽爆破领域，是一种气体轰爆处理机，包括：框架(1)、外缸体(2)、内缸体(3)、蒸汽管(4)、下密封端盖(5)、上密封端盖(6)、接料仓(7)、接料仓支撑板(8)、加料仓(9)；其特征在于，还包括支撑气囊(10)、气囊固定板(11)、同步缸缸体(12)、同步缸活塞(13)、脉冲缸缸体(14)、脉冲缸活塞(15)、脉冲缸活塞连板(16)、导向杆(17)、弹性密封组件(18)和控制机构；本发明采用气囊支撑提高密封效果，采用双缸叠加方式增加下密封端盖的开启力量，能在更短的时间内打开下密封端盖，使储料罐体内的物料在60‑75毫秒内瞬间爆出，大大提高了汽爆的效果和效率，结构紧凑，适合推广。
Description
技术领域
本发明属于蒸汽爆破技术领域，具体是一种气体轰爆处理机。
背景技术
目前，随着人们对蒸汽爆破原理的深入研究，蒸汽爆破机的最新发展已经超越了传统意义上的螺杆挤压式汽爆和蒸煮式汽爆，即所谓弹射式汽爆。其关键技术特征是具有爆破冲击波和与之相应的热功转换过程，蒸汽爆破机之所以能够在毫秒级内进行绝热膨胀做功，其本质体现在蒸汽爆破机的爆破时间和爆破功率密度这两个技术指标上，这两个参数是反映高压蒸汽热能转换为机械能量的效率指标，而爆破功率密度又与爆破时间紧密相联系，爆破时间越短，爆破功率密度越高，绝热膨胀做功越充分，所以爆破功率密度这一指标就成为评价蒸汽爆破机爆破性能高低的关键指标。因此，为获得更高的爆破功率密度，就需要更短的爆破时间，使得蒸汽爆破机的密封端盖开启速度更快，才能达到更高一级的爆破功率密度。
弹射式汽爆机的应用原理是：将密闭容器内的物料与高压蒸汽在瞬间(研究表明，生物质材料微孔结构内部与外部的气压平衡时间约1秒)释放至常压状态，物料与高压蒸汽以爆破的形式炸散并一同排出，使得渗进物料微孔结构内部的水蒸汽分子在极短的时间内突发性释放完毕，该过程主要是通过将高压蒸汽的内能绝大部分转化为机械能从而实现了绝热膨胀做功。由于其作用时间在毫秒级内，能量密度高，且集中作用在原料内部，使渗透到生物质原料内部纤维束与纤维束、木质素与纤维束等大分子之间的水蒸汽分子以及内部结合水所形成的强大的蒸汽压差，在毫秒级内高速释放的过程中，这一压差积累的势能转化为膨胀做功的机械能，从而产生强大的破坏力，达到了在大分子水平上高效离解木质纤维组织结构的目的，能够适用于后续的各种生物质处理工艺的需求。
现有技术中最先进的蒸汽爆破机是以博士论文《瞬时弹射式蒸汽爆破技术及其影响生物质转化机理的试验研究》、公开号CN10564288A的中国专利《瞬时弹射式汽爆机》等文献所公开的瞬间弹射式汽爆理论和工程设计为代表，其爆破时间远小于1秒，已接近理论值的87.5毫秒。但由于其密封盖开启的机械设计结构本身的限制，使其不可能提供更高的加速度，也因此无法将爆破时间缩短到小于87.5毫秒。
根据这一公开的瞬时弹射式汽爆机模型的权威理论分析和计算，人们已经形成了“爆破时间低于87.5毫秒是不可能的”、“87.5毫秒这一下限是无法突破的理论极限”等认识误区，根本原因在于打开密封端盖的气缸能够提供的开启相应速度已经达到气缸能够提供的最高值，并且在理论分析中已经按其最高值计算。随之而产生的一系列公开技术文献，大量存在最短爆破时间87.5毫秒这一所谓“理论极限”的技术偏见。有部分汽爆机文献中出现了0.00875秒即8.75毫秒的汽爆时间，在没有能力提供更强大的密封盖开启力量的情况下也是不可能实现的，显然属于笔误或者人为的错误。
因此，在蒸汽爆破机领域需要一种能克服上述技术偏见、突破87.5毫秒这一所谓“理论极限”的更高性能的蒸汽爆破机。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述技术缺陷，提供一种汽爆时间小于87.5毫秒，打破上述技术偏见的更高性能的蒸汽爆破机，名称为“气体轰爆处理机”，以区别于未能突破87.5毫秒爆破时间的现有的瞬时弹射式汽爆机。
实际上，87.5毫秒这一所谓“理论极限”的技术偏见对本领域的技术人员已经构成了一种误导。根据瞬时弹射式汽爆机的工作机理和计算模型，只需提供更大的开启气缸密封端盖的力量，就能够产生更高的开启加速度，从而能够获得更快的爆破速度。因此，87.5毫秒的汽爆时间是能够突破的。
本发明的发明人通过反复研究和实践，不断探索，终于解决上述技术难题并且取得了意想不到技术效果。
本发明通过改进弹射式汽爆机下密封端盖的开启加力装置和支撑装置，提高密封端盖的开启加速度，使得高压气体发生更高效率的绝热膨胀做功，从而解决气缸加速度受限这一技术难题，使密封端盖具备更高的加速度，更短的爆破时间，从而提高爆破功率密度实现更高水平的汽爆效果。
本发明提供的技术方案是：
一种气体轰爆处理机，包括：框架(1)、外缸体(2)、内缸体(3)、蒸汽管(4)、下密封端盖(5)、上密封端盖(6)、接料仓(7)、接料仓支撑板(8)、加料仓(9)；其特征在于，还包括支撑气囊(10)、气囊固定板(11)、同步缸缸体(12)、同步缸活塞(13)、脉冲缸缸体(14)、脉冲缸活塞(15)、脉冲缸活塞连板(16)、2个以上的导向杆(17)、弹性密封组件(18)和控制机构；
外缸体(2)固定在框架(1)内，以获得稳定的支撑和固定；
内缸体(3)套装于外缸体(2)内轴向滑动，其下端部为固定连接的下密封端盖(5)，下密封端盖(5)安装有弹性密封组件(18)，用于密封外缸体(2)出料端口，其侧壁开有窗口，轰爆时缸内气体和物料从窗口向外爆出；
蒸汽管(4)连通并固定在外缸体(2)侧壁上，外接高压气源，向外缸体内提供高压气体；
上密封端盖(6)设置在外缸体(2)上端，上密封端盖(6)安装有弹性密封组件(18)，用于密封外缸体(2)上端的加料端口；
接料仓(7)成漏斗形，其上端口与外缸体(2)的出料端口固定连接并为内缸体(3)留有向下轴向滑动行程空间，其下端口与接料仓支撑板(8)的下料口固定连接；
接料仓支撑板(8)固定连接在框架(1)内；
加料仓(9)成漏斗形，固定连接在框架(1)的上平台上，其下端口正对外缸体(2)的加料端口，在上密封端盖(6)移开时可将物料落入外缸体(2)内；
支撑气囊(10)成柱形或台形，其下端面与气囊固定板(11)上底面固定连接，其上端面与下密封端盖(5)下底面固定连接；支撑气囊(10)通过上下方向的膨胀和压缩，在外缸体(2)内维持压力时为下密封端盖(5)提供支撑力，释放压力时则提供缓冲力；
气囊固定板(11)与框架(1)固定连接，使其支撑稳固；同步缸缸体(12)、同步缸活塞(13)、脉冲缸缸体(14)、脉冲缸活塞(15)、脉冲缸活塞连板(16)和导向杆(17)均安装于接料仓(7)内；
同步缸缸体(12)与气囊固定板(11)下底面接触，同步缸活塞(13)与脉冲缸缸体(14)固定连接，脉冲缸活塞(15)与脉冲缸活塞连板(16)固定连接；导向杆(17)垂直穿过气囊固定板(11)上的滑孔，其上、下端分别与下密封端盖(5)和脉冲缸活塞连板(16)固定连接。
外缸体(2)下端口的密封结构为上大下小的锥形密封面，下密封端盖(5)安装有可径向伸缩的弹性密封组件(18)。当支撑气囊(10)撤销支撑力时，通过启动同步缸活塞(13)推动脉冲缸缸体(14)和脉冲缸活塞(15)拉动内缸体(3)开始向下运动，当运动至外缸体(2)下端口的锥形密封面时，弹性密封组件(18)沿径向弹出，使下密封端盖(5)的向下受压面积迅速扩大，导致下密封端盖(5)和内缸体(3)受到向下的驱动力迅速增大；与此同时，脉冲缸启动发力，通过导向杆(17)进一步增大下密封端盖(5)和内缸体(3)受到的向下驱动力，提高其向下运动的加速度，实现高速开启下密封端盖(5)，使得内缸体(3)中的气体与物料通过内缸体(3)侧壁上的窗口爆出，实现气体轰爆处理过程。
本发明的工作原理和使用方法是：
1、加料阶段：通过操作控制机构发出指令，支撑气囊(10)充气向上轴向顶起下密封端盖(5)并使其关闭并保持，开启上密封端盖(6)并保持，打开加料仓(9)并向内缸体(3)中加入适量的物料，关闭加料仓(9)，关闭上密封端盖(6)并保持；同步缸保持张紧状态，脉冲缸不工作。
2、加压阶段：通过操作控制机构发出指令，打开蒸汽管(4)上的供气阀门向外缸体(2)内通入高压蒸汽，监控外缸体(2)内部压力和支撑气囊(10)内部压力，保持支撑气囊(10)能提供足够向上顶紧下密封端盖(5)，当外缸体(2)内部压力达到设定值后关闭蒸汽管(4)上的供气阀门；同步缸保持张紧状态，脉冲缸不工作。
3、保压阶段：通过操作控制机构发出指令，随时开关蒸汽管(4)上的供气阀门确保外缸体(2)内部压力在设定的范围内；同步缸保持张紧状态，脉冲缸不工作。
4、轰爆阶段：通过操作控制机构发出指令，打开支撑气囊(10)的放气阀门，通过启动同步缸活塞(13)推动脉冲缸缸体(14)和脉冲缸活塞(15)拉动内缸体(3)开始向下运动，当运动至外缸体(2)下端口的锥形密封面时，弹性密封组件(18)沿径向弹出，使下密封端盖(5)的向下受压面积迅速扩大，导致下密封端盖(5)和内缸体(3)受到向下的驱动力迅速增大；与此同时，脉冲缸启动发力，通过导向杆(17)进一步增大下密封端盖(5)和内缸体(3)受到的向下驱动力，提高其向下运动的加速度，实现高速开启下密封端盖(5)，使得内缸体(3)中的气体与物料通过内缸体(3)侧壁上的窗口爆出。
5、收料阶段：通过操作控制机构发出指令，收集接料仓(7)内的物料并通过接料仓(7)的出口转移下道工序中。
上述控制机构本领域的技术人员通过采用公知技术并结合本发明的技术方案和工作原理的需要即可实现。
本发明技术方案带来的有益效果是：
1、本发明在内缸体及其密封端盖具有初始加速度的基础上，进一步增大加速度，弥补了因内缸体及其密封端盖在运动过程中压差降低而导致加速度的快速减小，能使物料和气体在60-75毫秒的极短时间内释放出内缸体，由高压状态瞬间转为常压态，达到了高速完成绝热膨胀做功的目的。
2、本发明进一步提高了物料汽爆能量密度，实现了轰爆处理的效果，并能够根据物料的致密度调整物料的汽爆能量密度，促进物料的有益分解，降低物料的有害分解，从而实现按目的分解。
3、本发明能使全部物料同步爆出，避免了现有蒸汽爆破机在物料喷出内缸体是前后物料烧糊和夹生并存的差异性大的问题，为后续工艺处理提供生化特性一致性好、差异较小的物料。
4、本发明缩短了爆破时间，使得绝热膨胀做功时间缩短，爆破能量密度高，从而增大作用于微孔结构的机械势能并提高了蒸汽内能转化为机械能的效率。因此在同等单位质量蒸汽作用下，不仅生产效率、生产质量得到提升，而且平抑了蒸汽锅炉及管路负荷的波动，改善了蒸汽系统的工况。
5、本发明的气体轰爆处理机，结构紧凑，设计巧妙，大大提高了汽爆处理的效果和效率，适合推广应用。
本发明的还包括的优化或/和改进有：
优选方案之一，所述导向杆(17)为3-5个；
优选方案之二，所述同步缸和/或脉冲缸为双作用缸；
下面结合附图和实施例详细说明。
附图说明
图1为本发明的整机正视图。
图2为本发明的整机正视剖面图。
图3为本发明的局部刨开放大示意图。
图4为本发明的下密封端盖打开瞬间示意图。
图1-4中，1—框架、2—外缸体、3—内缸体、4—蒸汽管、5—下密封端盖、6—上密封端盖、7—接料仓、8—接料仓支撑板、9—加料仓、10—支撑气囊、11—气囊固定板、12—同步缸缸体、13—同步缸活塞、14—脉冲缸缸体、15—脉冲缸活塞、16—脉冲缸活塞连板、17—加力导向杆、18—弹性密封组件。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步地详细描述。
在实施例中，为了便于描述，各部件相对位置关系的描述是根据说明书附图1的布图方式来进行描述的，如：上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图1的布图方向来确定的。
实施例1：
一种气体轰爆处理机，如图1-4中所示，包括：框架(1)、外缸体(2)、内缸体(3)、蒸汽管(4)、下密封端盖(5)、上密封端盖(6)、接料仓(7)、接料仓支撑板(8)、加料仓(9)；其特征在于，还包括支撑气囊(10)、气囊固定板(11)、同步缸缸体(12)、同步缸活塞(13)、脉冲缸缸体(14)、脉冲缸活塞(15)、脉冲缸活塞连板(16)、3个导向杆(17)、弹性密封组件(18)和控制机构；
外缸体(2)固定在框架(1)内，以获得稳定的支撑和固定；
内缸体(3)套装于外缸体(2)内轴向滑动，其下端部为固定连接的下密封端盖(5)，下密封端盖(5)安装有弹性密封组件(18)，用于密封外缸体(2)出料端口，其侧壁开有窗口，轰爆时缸内气体和物料从窗口向外爆出；
蒸汽管(4)连通并固定在外缸体(2)侧壁上，外接高压气源，向外缸体内提供高压气体；
上密封端盖(6)设置在外缸体(2)上端，上密封端盖(6)安装有弹性密封组件(18)，用于密封外缸体(2)上端的加料端口；
接料仓(7)成漏斗形，其上端口与外缸体(2)的出料端口固定连接并为内缸体(3)留有向下轴向滑动行程空间，其下端口与接料仓支撑板(8)的下料口固定连接；
接料仓支撑板(8)固定连接在框架(1)内；
加料仓(9)成漏斗形，固定连接在框架(1)的上平台上，其下端口正对外缸体(2)的加料端口，在上密封端盖(6)移开时可将物料落入外缸体(2)内；
支撑气囊(10)成柱形或台形，其下端面与气囊固定板(11)上底面固定连接，其上端面与下密封端盖(5)下底面固定连接；支撑气囊(10)通过上下方向的膨胀和压缩，在外缸体(2)内维持压力时为下密封端盖(5)提供支撑力，释放压力时则提供缓冲力；
气囊固定板(11)与框架(1)固定连接，使其支撑稳固；同步缸缸体(12)、同步缸活塞(13)、脉冲缸缸体(14)、脉冲缸活塞(15)、脉冲缸活塞连板(16)和导向杆(17)均安装于接料仓(7)内；
同步缸缸体(12)与气囊固定板(11)下底面接触，同步缸活塞(13)与脉冲缸缸体(14)固定连接，脉冲缸活塞(15)与脉冲缸活塞连板(16)固定连接；导向杆(17)垂直穿过气囊固定板(11)上的滑孔，其上、下端分别与下密封端盖(5)和脉冲缸活塞连板(16)固定连接。
外缸体(2)下端口的密封结构为上大下小的锥形密封面，下密封端盖(5)安装有可径向伸缩的弹性密封组件(18)。当支撑气囊(10)撤销支撑力时，通过启动同步缸活塞(13)推动脉冲缸缸体(14)和脉冲缸活塞(15)拉动内缸体(3)开始向下运动，当运动至外缸体(2)下端口的锥形密封面时，弹性密封组件(18)沿径向弹出，使下密封端盖(5)的向下受压面积迅速扩大，导致下密封端盖(5)和内缸体(3)受到向下的驱动力迅速增大；与此同时，脉冲缸启动发力，通过导向杆(17)进一步增大下密封端盖(5)和内缸体(3)受到的向下驱动力，提高其向下运动的加速度，实现高速开启下密封端盖(5)，使得内缸体(3)中的气体与物料通过内缸体(3)侧壁上的窗口爆出，实现气体轰爆处理过程。
本发明的工作原理和使用方法是：
1、加料阶段：通过操作控制机构发出指令，支撑气囊(10)充气向上轴向顶起下密封端盖(5)并使其关闭并保持，开启上密封端盖(6)并保持，打开加料仓(9)并向内缸体(3)中加入适量的物料，关闭加料仓(9)，关闭上密封端盖(6)并保持；同步缸保持张紧状态，脉冲缸不工作。
2、加压阶段：通过操作控制机构发出指令，打开蒸汽管(4)上的供气阀门向外缸体(2)内通入高压蒸汽，监控外缸体(2)内部压力和支撑气囊(10)内部压力，保持支撑气囊(10)能提供足够向上顶紧下密封端盖(5)，当外缸体(2)内部压力达到设定值后关闭蒸汽管(4)上的供气阀门；同步缸保持张紧状态，脉冲缸不工作。
3、保压阶段：通过操作控制机构发出指令，随时开关蒸汽管(4)上的供气阀门确保外缸体(2)内部压力在设定的范围内；同步缸保持张紧状态，脉冲缸不工作。
4、轰爆阶段：通过操作控制机构发出指令，打开支撑气囊(10)的放气阀门，通过启动同步缸活塞(13)推动脉冲缸缸体(14)和脉冲缸活塞(15)拉动内缸体(3)开始向下运动，当运动至外缸体(2)下端口的锥形密封面时，弹性密封组件(18)沿径向弹出，使下密封端盖(5)的向下受压面积迅速扩大，导致下密封端盖(5)和内缸体(3)受到向下的驱动力迅速增大；与此同时，脉冲缸启动发力，通过导向杆(17)进一步增大下密封端盖(5)和内缸体(3)受到的向下驱动力，提高其向下运动的加速度，实现高速开启下密封端盖(5)，使得内缸体(3)中的气体与物料通过内缸体(3)侧壁上的窗口爆出。
5、收料阶段：通过操作控制机构发出指令，收集接料仓(7)内的物料并通过接料仓(7)的出口转移下道工序中。
上述控制机构本领域的技术人员通过采用公知技术并结合本发明的技术方案和工作原理的需要即可实现。
实施例2：
本实施例的一种气体轰爆处理机与实施例1的不同之处在于：
所述导向杆(17)为4个；
所述同步缸和/或脉冲缸为双作用缸。
本实施例的工作原理和使用方法与实施例1相同。
可以理解的是，以上实施例仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，增加的这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种气体轰爆处理机，包括：框架(1)、外缸体(2)、内缸体(3)、蒸汽管(4)、下密封端盖(5)、上密封端盖(6)、接料仓(7)、接料仓支撑板(8)、加料仓(9)；其特征在于，还包括支撑气囊(10)、气囊固定板(11)、同步缸缸体(12)、同步缸活塞(13)、脉冲缸缸体(14)、脉冲缸活塞(15)、脉冲缸活塞连板(16)、2个以上的导向杆(17)、弹性密封组件(18)和控制机构；外缸体(2)固定在框架(1)内，以获得稳定的支撑和固定；内缸体(3)套装于外缸体(2)内轴向滑动，其下端部为固定连接的下密封端盖(5)，下密封端盖(5)安装有弹性密封组件(18)，用于密封外缸体(2)出料端口，内缸体(3)侧壁开有窗口，轰爆时缸内气体和物料从窗口向外爆出；蒸汽管(4)连通并固定在外缸体(2)侧壁上，外接高压气源，向外缸体内提供高压气体；上密封端盖(6)设置在外缸体(2)上端，上密封端盖(6)安装有弹性密封组件(18)，用于密封外缸体(2)上端的加料端口；接料仓(7)成漏斗形，其上端口与外缸体(2)的出料端口固定连接并为内缸体(3)留有向下轴向滑动行程空间，其下端口与接料仓支撑板(8)的下料口固定连接；接料仓支撑板(8)固定连接在框架(1)内；加料仓(9)成漏斗形，固定连接在框架(1)的上平台上，其下端口正对外缸体(2)的加料端口，在上密封端盖(6)移开时可将物料落入外缸体(2)内；支撑气囊(10)成柱形或台形，其下端面与气囊固定板(11)上端面固定连接，其上端面与下密封端盖(5)下端面固定连接；支撑气囊(10)通过上下方向的膨胀和压缩，在外缸体(2)内维持压力时为下密封端盖(5)提供支撑力，释放压力时则提供缓冲力；气囊固定板(11)与框架(1)固定连接，使其支撑稳固；同步缸缸体(12)、同步缸活塞(13)、脉冲缸缸体(14)、脉冲缸活塞(15)、脉冲缸活塞连板(16)和导向杆(17)均安装于接料仓(7)内；同步缸缸体(12)与气囊固定板(11)下底面接触，同步缸活塞(13)与脉冲缸缸体(14)固定连接，脉冲缸活塞(15)与脉冲缸活塞连板(16)固定连接；导向杆(17)垂直穿过气囊固定板(11)上的滑孔，其上、下端分别与下密封端盖(5)和脉冲缸活塞连板(16)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种气体轰爆处理机，其特征在于，所述导向杆(17)为3-5个。
3.根据权利要求1所述的一种气体轰爆处理机，其特征在于，同步缸和/或脉冲缸为双作用缸。
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