CN106706263B - 一种带有观测功能的海底热液喷发模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有观测功能的海底热液喷发模拟装置，它主要包括它包括立式高压注射泵、温控系统、调压阀、透明压力容器、高速摄像机、水冷系统、压力表、硫化物收集装置、泄压阀以及截止阀；该装置可模拟海底热液喷发，可根据需求的差异，调节热液喷口不同的温度、速度、化学成分等，并可利用高速摄像机进行观测。本发明基于海底真实喷口环境，根据相似原理在实验室环境下，采用独特的结构设计实现了海底热液模拟喷发观测，基本还原了热液从高温高压环境喷射到相对低温低压环境，并与海水混合反应这一高度复杂的物理化学过程，为进行相关热液活动的研究提供了单纯靠理论分析和数值仿真难以获得的条件和数据。

Description

一种带有观测功能的海底热液喷发模拟装置

技术领域

本发明涉及一种海底热液喷发模拟装置，具体是涉及一种带有观测功能的海底热液喷发模拟装置，该装置可以用于实验室观测海底热液喷发时从高温高压环境喷射到相对低温低压环境的过程。

背景技术

深海热液活动广泛分布于洋中脊和弧后盆地，热液口是海洋与地壳之间物质和能量交换的窗口，由海底热液活动带来的物质通量与河流对海洋产生的通量相近，所产生的热通量仅次于太阳对地球的热辐射。深海热液喷口具有相当高的能量密度(温度为300～400℃，喷发速度为1～2m/s)，典型高温喷口的热通量可达到十兆瓦。深海热液活动一直吸引着海洋地质、地球物理、地球化学和海洋生物等多学科领域的科学家，目前仍是国际上重大前沿热点研究领域之一。

受海底火山、地震及潮汐等因素的影响，热液活动存在随时间的变化性。热液活动不仅有起始阶段、发展阶段、鼎盛期和消亡期，而且其喷发强弱、化学成分和喷发温度也可能发生周期性的变化，除了热液高温、高压以及强腐蚀性等因素外，热液与海水发生混合后产生大量金属硫化物颗粒，这些颗粒物会进行附着和堆积，影响周边环境。

所以热液与海水的混合反应是一个高度复杂的物理化学过程，除了剧烈的温度变化外，还伴随着硫化物颗粒的产生，依靠单纯理论分析和数值仿真难以获得热液与海水混合的真实过程。因此基于海底真实喷口环境，根据相似原理在实验室环境下构建热液喷发模拟实验，对进行相关热液活动的研究是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种带有观测功能的海底热液喷发模拟装置，可以还原热液从高温高压环境喷射到相对低温低压环境，并与海水混合反应的物理化学过程，模拟热液喷口不同的温度、速度、化学成分等，并可利用高速摄像机进行观测。

本发明的一种带有观测功能的海底热液喷发模拟装置，它包括立式高压注射泵、温控系统、调压阀、透明压力容器、高速摄像机、水冷系统、压力表、硫化物收集装置、泄压阀以及截止阀等，所述的透明压力容器底端通过第一截止阀与立式高压注射泵相连，顶端与硫化物收集装置及泄压阀依次相连，所述的调压阀连接透明压力容器底部用于调节透明压力容器内压力，压力表装于透明压力容器顶部，所述的水冷系统用于调节透明压力容器内液体温度以模拟海水环境温度，所述的温控系统用于调控立式高压注射泵泵出液体的温度以模拟海底热液温度，所述的立式高压注射泵通过第二截止阀连接热液样品，所述的高速摄像机设置于透明压力容器外部用于观测记录

上述技术方案中，作为优选，所述的立式高压注射泵包括支撑机构，运动转换机构，导向限位机构以及注射机构；所述的支撑机构包括底部支座、下支撑板、上支撑板以及工字梁；所述的下支撑板通过螺钉与底部支座固定，所述的上支撑板通过4根所述的均匀分布的工字梁两端与下支撑板固定连接，上下支撑板同轴线对齐；所述运动转换机构包括减速电机、联轴器、梯形丝杆、丝杆螺母、推力球轴承、深沟球轴承、弹性挡圈，轴承端盖；所述的减速电机置于所述的底部支座同一水平面，其输出轴中心对准机构主轴线，通过所述的联轴器与所述的梯形丝杆的下轴端连接，所述的梯形丝杆的下部安装有推力球轴承和深沟球轴承，所述的推力球轴承上端与梯形丝杆阶梯轴处固定，所述的深沟球轴承位于推力球轴承下方，其外圈由轴承端盖固定于下支撑板，内圈由所述的弹性挡圈固定；所述的梯形丝杆的螺纹部分与所述的丝杆螺母啮合传动；所述的导向限位机构包括移动板、导向轴、直线轴承以及限位开关；所述的丝杆螺母由螺钉固定在所述的移动板上；所述的上、下支撑板的内侧根据移动板的运动范围分别安装有所述的限位开关；所述的移动板上关于梯形丝杆对称安装有两个所述的直线轴承，两个直线轴承分别套装在所述的导向轴上，导向轴两端通过螺母固定于上下支撑板；所述的注射机构包括注射缸，注射推杆以及若干密封件；所述的注射推杆为回转体，材料为钛合金，通过紧定螺钉与所述的丝杆螺母固定，所述的梯形丝杆上端悬空在注射推杆内；所述的注射缸为回转体，材料为钛合金，利用自身的外壁突出台阶与上支撑板连接，并通过紧定螺钉固定；所述的注射推杆与注射缸之间通过密封件密封；所述的注射缸通过顶端通孔与样品溶液连接，注射缸缸壁外部均匀竖直地分布三个非通孔；

作为优选，所述的温控系统包括三路温控，每一路包括温控柜、加热圈以及热电阻；所述的3个加热圈呈均匀分布式紧紧套在所述立式高压注射泵外壁，通过导线分别与所述三路温控柜连接；所述的3个热电阻呈均匀分布式紧紧插入在所述立式高压注射泵外壁，通过导线分别与所述三路温控柜连接；

作为优选，所述的透明压力容器包括透明圆筒、两防膨胀环、两工字梁、上端盖、下端盖以及可替换喷嘴块；所述可替换喷嘴块嵌入所述下端盖的中心轴线上，所述透明圆筒的上下端一小段的外表面均紧紧箍上所述防膨胀环，所述透明圆筒的上下装有上下端盖，所述两根呈对称分布的细长工字梁卡在所述上下端盖上；

作为优选，所述的水冷系统包括冷水机、圆筒状铜管以及铠装热电阻，所述的圆筒状铜管通过管接头与所述的透明压力容器上端盖连接，置于所述透明圆筒内部的上半部分，通过水管与所述冷水机相连；所述的铠装热电阻通过管接头与所述的透明压力容器上端盖连接，径直插入所述透明圆筒内部，通过导线与所述冷水机相连。

作为优选，所述的注射推杆下端与注射缸之间通过五层密封件密封，由下到上分别为：O型密封圈，导向环，O型密封圈，导向环，防尘圈。

作为优选，所述的装置包括多个立式高压注射泵，每个立式高压注射泵分别通过一只第一截止阀与透明压力容器底端相连。

本发明模拟海底热液喷发的装置，可根据需求的差异，调节热液喷口不同的温度、速度、化学成分等，并可利用高速摄像机进行观测。该装置是基于海底真实喷口环境，根据相似原理在实验室环境下，采用独特的结构设计实现了海底热液模拟喷发观测，基本还原了热液从高温高压环境喷射到相对低温低压环境，并与海水混合反应这一高度复杂的物理化学过程，为进行相关热液活动的研究提供了单纯靠理论分析和数值仿真难以获得的条件和数据。

附图说明

图1是本发明带有观测功能的海底热液喷发模拟装置的结构示意图。

其中包括：

1立式高压注射泵 2温控系统 2-1三路温控柜 2-2加热圈 2-3热电阻

3第一截止阀 4第二截止阀 5调压阀 6透明压力容器 6-1透明圆筒

6-2防膨胀环 6-3工字梁 6-4下端盖 6-5上端盖 6-6可替换喷嘴块

7高速摄像机 8水冷系统 8-1冷水机 8-2圆筒状铜管 8-3铠装热电阻

9压力表 10硫化物收集装置 11泄压阀；

图2是本发明带立式高压注射泵的结构示意图。

1-1底部支座 1-2下支撑板 1-3工字梁 1-4导向轴 1-5梯形丝杆

1-6移动板 1-7限位开关 1-8上支撑板 1-9注射推杆 1-10注射缸

1-10-1注射缸缸壁非通孔 1-10-2注射缸顶端通孔 1-11直线轴承

1-12丝杆螺母 1-13推力球轴承 1-14深沟球轴承 1-15弹性挡圈

1-16轴承端盖 1-17联轴器 1-18减速电机。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

参照图1，本发明的带有观测功能的海底热液喷发模拟装置，它包括：立式高压注射泵1、温控系统2、调压阀5、透明压力容器6、高速摄像机7、水冷系统8、压力表9、硫化物收集装置10、泄压阀11以及若干截止阀；

所述透明压力容器底端与所述调压阀和截止阀3相连，所述截止阀3与所述立式高压注射泵相连，所述立式高压注射泵通过所述截止阀4连接热液样品；所述透明压力容器内部上端放置所述水冷系统；所述透明压力容器外部放置所述高速摄像机；所述透明压力容器顶端与所述压力表和硫化物收集装置相连，所述硫化物收集装置与所述泄压阀相连。利用本装置，可以实现模拟热液喷口不同的温度、速度、化学成分等，并可利用高速摄像机进行观测。

参照图2，所述的立式高压注射泵1包括支撑机构，运动转换机构，导向限位机构以及注射机构；所述的支撑机构包括底部支座1-1、下支撑板1-2、上支撑板1-7以及工字梁1-3；所述的下支撑板1-2通过螺钉与四个所述的底部支座1-1固定，所述的上支撑板1-8通过4根所述的均匀分布的工字梁1-3两端与下支撑板固定连接，上下支撑板同轴线对齐；所述的驱动机构包括；所述运动转换机构包括减速电机1-18、联轴器1-17、梯形丝杆1-5、丝杆螺母1-12、推力球轴承1-13、深沟球轴承1-14、弹性挡圈1-15，轴承端盖1-16；所述的减速电机1-18置于所述的底部支座1-1同一水平面，其输出轴中心对准机构主轴线，通过所述的联轴器1-17与所述的梯形丝杆1-5的下轴端连接，所述的梯形丝杆1-5的中间一部分轴端通过上下分别安装所述的推力球轴承1-13和深沟球轴承1-14的方式，固定在所述的下支撑板1-2内，所述的推力球轴承1-13上端与梯形丝杆1-5阶梯轴处固定，所述的深沟球轴承1-14外圈由轴承端盖1-16固定，内圈由所述的弹性挡圈1-15固定；所述的梯形丝杆1-5的螺纹部分与所述的丝杆螺母1-12啮合传动；所述的导向限位机构包括移动板1-6、导向轴1-4、直线轴承1-11以及限位开关1-7；所述的丝杆螺母1-12由螺钉固定在所述的移动板1-6上，；所述的上、下支撑板的内侧根据移动板1-6的运动范围分别安装有所述的限位开关1-7；所述的移动板1-6上关于梯形丝杆1-5对称安装有两个所述的直线轴承1-11，两个直线轴承1-11分别套装在所述的导向轴1-4上，导向轴1-4两端通过螺母固定于上下支撑板；所述的注射机构包括注射缸1-10，注射推杆1-9以及若干密封件；所述的注射推杆1-9为回转体，材料为钛合金，通过紧定螺钉与所述的丝杆螺母1-12固定，所述的梯形丝杆1-5上端悬空在注射推杆1-9内；所述的注射缸1-10为回转体，材料为钛合金，利用自身的外壁突出台阶与上支撑板1-8连接，并通过紧定螺钉固定；所述的注射推杆1-9与注射缸1-10之间通过五层密封件密封，由下到上分别为：O型密封圈，导向环，O型密封圈，导向环，防尘圈；所述的注射缸1-10缸壁外部均匀竖直地分布三个非通孔1-10-1，注射缸1-10通过顶端通孔1-10-2与样品溶液连接；

所述的温控系统2包括三路温控柜2-1、三个加热圈2-2以及三个热电阻2-3；所述的三个加热圈呈均匀分布式紧紧套在所述立式高压注射泵外壁，通过导线分别与所述3路温控柜连接；所述的三个热电阻呈均匀分布式紧紧插入在所述立式高压注射泵外壁，通过导线分别与所述3路温控柜连接。可通过此温度系统，对模拟热液喷口的温度进行调控。

所述的透明压力容器6包括一透明圆筒6-1、两防膨胀环6-2、两工字梁6-3、一下端盖6-4、一上端盖6-5以及一可替换喷嘴块6-6；所述可替换喷嘴块嵌入所述下端盖的中心轴线上，所述透明圆筒的上下端一小段的外表面均紧紧箍上所述防膨胀环，所述透明圆筒的上下装有上下端盖，所述两根呈对称分布的细长工字梁卡在所述上下端盖上。由于材料和工艺的特殊性，该透明压力容器不仅可以承受0—10MPa的压力，且可利用高速摄像机清楚的观测到模拟热液喷口的状态。

所述的水冷系统8包括一冷水机8-1、一圆筒状铜管8-2以及一铠装热电阻8-3；所述的圆筒状铜管通过管接头与所述的透明压力容器上端盖连接，置于所述透明圆筒内部的上半部分，通过水管与所述冷水机相连；所述的铠装热电阻通过管接头与所述的透明压力容器上端盖连接，径直插入所述透明圆筒内部，通过导线与所述冷水机相连。该冷水系统可以调节整个压力容器内部的水体温度，模拟海水温度环境。

应用上述的装置进行海底热液喷发模拟及观测的方法，具体包括如下步骤：

步骤A：拧紧截止阀3，向透明压力容器6注满水，并启动加压泵5使其内部达到指定压力环境；启动水冷系统8，将冷水机8-1的温度设定为希望的模拟海水温度，利用圆筒状铜管8-2以及铠装热电阻8-3使透明压力容器6内部稳定在指定水温；

步骤B：打开截止阀4，启动立式高压注射泵1，待其内部充满热液样品溶液后关闭立式高压注射泵1，启动温控系统2，根据希望的热液喷口温度设置三路温控柜2-1的目标温度，使得加热圈2-2对立式高压注射泵内热液样品溶液进行加热，热电阻2-3对其实时温度进行反馈，待三路温控柜2-1稳定在目标温度后，设定泄压阀11的压力；

步骤C：拧紧截止阀4，打开截止阀3，启动立式高压注射泵1，根据希望的热液碰口速度设置立式高压注射泵的运动速度，热液样品溶液从立式高压注射泵1喷射到透明压力容器6中，可通过高速摄像机7对热液喷口的状态进行观测；实验进行中圆筒状铜管8-2内的低温冷水会与透明压力容器6中的模拟海水进行热交换，以维持模拟海水的温度环境；透明压力容器6中的部分溶液会经硫化物收集装置10过滤后流入泄压阀11，以维持模拟海水的压力环境。

步骤D：该装置可以包括两个立式高压注射泵1，每个立式高压注射泵分别通过一只第一截止阀3与透明压力容器6底端相连，待一个立式高压注射泵热液样品溶液喷发完毕，可利用旁边另一个一模一样的立式高压注射泵继续进行喷发，两者交替使用，可保证实验的长时间不间断性。

Claims (6)

1.一种带有观测功能的海底热液喷发模拟装置，其特征在于：它包括立式高压注射泵（1）、温控系统（2）、调压阀（5）、透明压力容器（6）、高速摄像机（7）、水冷系统（8）、压力表（9）、硫化物收集装置（10）、泄压阀（11）以及若干截止阀；

所述的透明压力容器（6）底端通过第一截止阀（3）与立式高压注射泵（1）相连，顶端与硫化物收集装置（10）及泄压阀（11）依次相连，所述的调压阀（5）连接透明压力容器（6）底部用于调节透明压力容器（6）内压力，压力表（9）装于透明压力容器（6）顶部，所述的水冷系统（8）用于调节透明压力容器（6）内液体温度以模拟海水环境温度，所述的温控系统（2）用于调控立式高压注射泵（1）泵出液体的温度以模拟海底热液温度，所述的立式高压注射泵（1）通过第二截止阀（4）连接热液样品，所述的高速摄像机（7）设置于透明压力容器（1）外部用于观测记录；

所述的立式高压注射泵（1）包括支撑机构，运动转换机构，导向限位机构以及注射机构；

所述的支撑机构包括底部支座（1-1）、下支撑板（1-2）、上支撑板（1-8）以及工字梁（1-3）；所述的下支撑板（1-2）通过螺钉与底部支座（1-1）固定，工字梁（1-3）共四根，每根工字梁（1-3）两端分别与上支撑板（1-8）及下支撑板（1-2）固定连接，上下支撑板同轴线对齐；

所述的运动转换机构包括减速电机（1-18）、联轴器（1-17）、梯形丝杆（1-5）、丝杆螺母（1-12）、推力球轴承（1-13）、深沟球轴承（1-14）、弹性挡圈（1-15），轴承端盖（1-16）；所述的减速电机（1-18）置于所述的底部支座（1-1）同一水平面，其输出轴中心对准机构主轴线，通过所述的联轴器（1-17）与所述的梯形丝杆（1-5）的下轴端连接，所述的梯形丝杆（1-5）下部安装有推力球轴承（1-13）和深沟球轴承（1-14）所述的推力球轴承（1-13）与梯形丝杆（1-5）阶梯轴处固定，所述的深沟球轴承（1-14）位于推力球轴承下方，其外圈通过轴承端盖（1-16）与下支撑板（1-2）固定，内圈由所述的弹性挡圈（1-15）固定；所述的梯形丝杆（1-5）的螺纹部分与所述的丝杆螺母（1-12）啮合传动；

所述的导向限位机构包括移动板（1-6）、导向轴（1-4）、直线轴承（1-11）以及限位开关（1-7）；所述的丝杆螺母（14）由螺钉固定在所述的移动板（1-6）上，所述的上、下支撑板的内侧根据移动板（1-6）的运动范围分别安装有所述的限位开关（1-7）；所述的移动板（1-6）上关于梯形丝杆（1-5）对称安装有两个所述的直线轴承（1-11），两个直线轴承（1-11）分别套装在所述的导向轴（1-4）上，导向轴（1-4）两端通过螺母固定于上下支撑板；

所述的注射机构包括注射缸（1-10），注射推杆（1-9）以及若干密封件；所述的注射推杆（1-9）为回转体，材料为钛合金，下端通过紧定螺钉与所述的丝杆螺母（1-12）固定，所述的梯形丝杆（1-5）上端悬空在注射推杆（1-9）内；所述的注射缸（1-10）为回转体，材料为钛合金，利用自身下端的外壁突出台阶与上支撑板（1-8）连接，并通过紧定螺钉固定；所述的注射推杆（1-9）下端与注射缸（1-10）之间通过密封件密封，所述的注射缸（1-10）缸壁外部竖向均匀分布三个非通孔（1-10-1），注射缸（1-10）顶端开有通孔（1-10-2）。

2.根据权利要求1所述的带有观测功能的海底热液喷发模拟装置，其特征在于：所述的温控系统（2）包括三路温控，每一路均包括温控柜（2-1）、加热圈（2-2）以及热电阻（2-3）；所述的三个加热圈（2-2）呈均匀分布式紧套在所述注射缸（1-10）外壁，通过导线分别与所述三路温控柜（2-1）连接；所述的三个热电阻（2-3）呈均匀分布式紧嵌入在所述注射缸（1-10）外壁的三个非通孔（1-10-1）内，通过导线分别与所述三路温控柜（2-1）连接。

3.根据权利要求1所述的带有观测功能的海底热液喷发模拟装置，其特征在于：所述的透明压力容器（6）包括透明圆筒（6-1）、防膨胀环（6-2）、工字梁（6-3）、下端盖（6-4）、上端盖（6-5）以及可替换喷嘴块（6-6）；所述可替换喷嘴块嵌入所述下端盖的中心轴线上，所述透明圆筒的上下端分别安装有上、下端盖（6-5、6-4），在透明圆筒上下端外周均紧箍有所述防膨胀环，两根呈对称分布的细长工字梁分别卡在所述上下端盖上。

4.根据权利要求1所述的带有观测功能的海底热液喷发模拟装置，其特征在于：所述的水冷系统（8）包括冷水机（8-1）、圆筒状铜管（8-2）以及铠装热电阻（8-3）；所述的圆筒状铜管通过管接头与所述的透明压力容器上端盖连接，置于所述透明圆筒内部的上半部分，通过水管与所述冷水机相连；所述的铠装热电阻通过管接头与所述的透明压力容器上端盖连接，径直插入所述透明圆筒内部，通过导线与所述冷水机相连。

5.根据权利要求1所述的带有观测功能的海底热液喷发模拟装置，其特征在于：所述的注射推杆（1-9）下端与注射缸（1-10）之间通过五层密封件密封，由下到上分别为：O型密封圈，导向环，O型密封圈，导向环，防尘圈。

6.根据权利要求1所述的带有观测功能的海底热液喷发模拟装置，其特征在于：所述的海底热液喷发模拟装置包括多个立式高压注射泵（1），每个立式高压注射泵分别通过一只第一截止阀（3）与透明压力容器（6）底端相连。