CN111390767A - 用于辅助破冰的电感加热磨料水射流装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于辅助破冰的电感加热磨料水射流装置及方法，通过设置依次连接的增压器、电磁感应加热装置和混砂管；所述增压器的输入端与水源连接；所述混砂管上还设有磨料供给系统，用于向混砂管内的水流输送磨料；所述混砂管的输出端设有喷嘴，用于实现所述混砂管内的磨料水射流通过喷嘴喷出射流。由于高温的磨料水射流可以延缓射流凝结，提高射流切割冰层的能力，并且射流本身具有高温，可以一定程度上冲蚀、融化冰层，提高破冰效果；同时，磨料水射流具有极强的切割能力，大大提高了可切割冰层的厚度。本申请用于传统的撞击或者压裂式破冰船的辅助破冰，可大大提升破冰船破冰效率，值得推广。

Description

用于辅助破冰的电感加热磨料水射流装置及方法
技术领域
本发明涉及船舶与海洋工程技术领域，具体涉及用于辅助破冰的电感加热磨料水射流装置及方法。
背景技术
磨料水射流技术作为一种新技术，具有成本低、效率高、环保等优点，目前已被广泛应用于石油天然气勘探开发、超高压水射流钻井、钢材除锈、水力喷射分段压裂、高速水射流清洗等多种实际工况。在极地航行以及河流破冰过程中，水资源可以随时进行补充并且安全环保；且高速水射流产生瞬间形成的冲击波作用于冰面可以引起冰板的变形和破坏，并且磨料水射流可以直接冲击冰面使其产生裂纹或破碎，射流形成的滞后流还可以对碎冰进行清理和二次破损。由此可见，磨料水射流技术可以作为一种新型的辅助破冰方式，应用潜力巨大。
传统的撞击或者压裂式破冰船的辅助破冰，破冰船破冰效率较低；其中，特别是射流本身在极低环境温度下会凝结，影响切割效果，亟待改进。
发明内容
本发明的目的是提供用于辅助破冰的电感加热磨料水射流装置及方法，旨在提升破冰船破冰效率。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
用于辅助破冰的电感加热磨料水射流装置，包括依次连接的增压器、电磁感应加热装置和混砂管；
所述增压器的输入端与水源连接；
所述混砂管上还设有磨料供给系统，用于向混砂管内的增压水流输送磨料；
所述混砂管的输出端设有喷嘴，用于实现增压水流通过所述混砂管输出磨料水射流。
可选地，所述增压器通过高压管道与所述电磁感应加热装置连接。
可选地，所述喷嘴竖直于冰面设置。
可选地，所述喷嘴距离冰面的距离为5-8mm。
可选地，所述磨料供给系统内的磨料为石榴砂或金刚砂。
可选地，所述水源为连续的水流供给，可实现高温高速的磨料水射流的连续破冰。
一种用于辅助破冰的电感加热磨料水射流的方法，基于上述用于辅助破冰的电感加热磨料水射流装置，水流依次通过增压器、电磁感应加热装置和混砂管后从喷嘴喷出高温高速的磨料水射流，并对冰面进行打击来实现破冰。
可选地，所述用于辅助破冰的电感加热磨料水射流装置安装在破冰船的船首位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本申请通过水流依次通过增压器、电磁感应加热装置、混砂管和磨料供给系统，来形成具有高温的磨料水射流；高温的磨料水射流可以延缓射流凝结，提高射流切割冰层的能力，并且射流本身具有高温，可以一定程度上冲蚀、融化冰层，提高破冰效果；同时，磨料射流具有极强的切割能力，大大提高了可切割冰层的厚度。本申请用于传统的撞击或者压裂式破冰船的辅助破冰，可大大提升破冰船破冰效率，值得推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图中标号说明：
1、增压器；2、高压管道；3、电磁感应加热装置；4、混砂管；5、喷嘴；6、磨料供给系统。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了用于辅助破冰的电感加热磨料水射流装置及方法，要解决现阶段破冰船的辅助破冰的效率低的技术问题。
结合附图1，具体地，用于辅助破冰的电感加热磨料水射流装置，包括依次连接的增压器1、电磁感应加热装置3和混砂管4；
所述增压器1的输入端与水源连接；
所述混砂管4上还设有磨料供给系统6，用于向混砂管4内的增压水流输送磨料；
所述混砂管4的输出端设有喷嘴5，用于实现增压水流通过所述混砂管4输出磨料水射流。
本申请通过水流依次通过增压器1、电磁感应加热装置3、混砂管4和磨料供给系统6，来形成具有高温的磨料水射流；高温的磨料水射流可以延缓射流凝结，提高射流切割冰层的能力，并且射流本身具有高温，可以一定程度上冲蚀、融化冰层，提高破冰效果；同时，磨料水射流具有极强的切割能力，大大提高了可切割冰层的厚度。相对于传统的撞击或者压裂式破冰船的辅助破冰，本申请可大大提升破冰船破冰效率，值得推广。
优选地，所述增压器1通过高压管道2与所述电磁感应加热装置3连接，确保整个装置的有效运行；需要说明的是，各部件之间的连接管道均采用抗高压的连接部件构成。
优选地，本装置安装在破冰船的船首位置，且所述喷嘴5竖直于冰面设置，用于实现高温高速射流对船首冰面的垂直打击。
优选地，所述喷嘴距离冰面的距离靶距5-8mm。
优选地，所述磨料供给系统6内的磨料为石榴砂或金刚砂；需要说明的是，磨料供给系统6将磨料以很低的初始速度与高速水射流的相互接触，由于高速水射流的边界层的紊动扩散作用与被吸磨料发生动量交换，使磨料加速，并通过喷嘴5喷出来形成磨料水射流。
优选地，本申请的水源为连续的水流供给，可实现高温高速的磨料射流的连续破冰。
上述用于辅助破冰的电感加热磨料射流的方法，水流依次通过增压器1、电磁感应加热装置3和混砂管4后从喷嘴5喷出高温高速的磨料水射流，并对冰面进行打击来实现破冰。
需要说明的是，具体实施时，将该装置安装在破冰船船首，喷嘴5垂直向下，距离冰面的距离靶距5-8mm。本申请通过增压器1(常见的商用磨料射流增压器)的输入端与水源连接，用于实现对输出水流的增压，水流压力上升至350MPa左右，高压水经由高压管路至电磁感应加热装置3(内层为钢管，外层为电感加热管)，电磁感应加热装置3将水流由接5℃加热至95℃左右，加热后的高压水流经管路进入混砂管4与磨料在混砂管4中进行充分混合，最后混合后的磨料射流经过喷嘴5射出，喷射形成的高温高速射流打击到冰面，超高压的磨料射流对冰面产生冲击力和切削力，使冰层破裂，且由于本申请的水源为连续水流(可从船底抽水供应)，可实现不间断的连续破冰，大大提高破冰效率，并使得冰层的裂缝延展，进而破坏冰层结构，辅助破冰船进行破冰任务，特别适用于极地破冰，经济实用，值得推广。
具体实施时，相关计算公式为：
由工作压力、喷嘴5直径，计算流量q
Figure BDA0002416051030000041
式中：d为喷嘴5直径mm；p为喷射压力bar；q为喷射流量L/min；n为喷嘴5个数。
由流量q和温升ΔT按0-90摄氏度温升计算计算加热功率P
P＝Q/t；Q＝c*m*ΔT；
式中：c为水的比热容；m为单位时间被加热水质量流量q*密度ρ；ΔT为温升；t为60秒，因为流量的时间单位为L/min，功率单位为时间单位为s。
所述增压器1工作压力P＝350MPa，喷嘴5直径为d＝2mm，工作时流量约为q＝156L/min，电磁加热功率P＝990kW。上述压力的磨料水射流切割钢板的最大厚度可以达到100mm，按照钢板与冰层的物理性能估算，破冰厚度至少为钢板的10倍，即1000mm，大大提高了可切割冰层的厚度。
需要说明的是，本发明中未详细阐述部分属于本领域公知技术，或可直接从市场上采购获得，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可获得，其具体的连接方式在本领域或日常生活中有着极其广泛的应用，此处不再详述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.用于辅助破冰的电感加热磨料水射流装置，其特征在于：包括依次连接的增压器、电磁感应加热装置和混砂管；
所述增压器的输入端与水源连接；
所述混砂管上还设有磨料供给系统，用于向混砂管内的增压水流输送磨料；
所述混砂管的输出端设有喷嘴，用于实现增压水流通过所述混砂管输出磨料水射流。
2.根据权利要求1所述的用于辅助破冰的电感加热磨料水射流装置，其特征在于：所述增压器通过高压管道与所述电磁感应加热装置连接。
3.根据权利要求1所述的用于辅助破冰的电感加热磨料水射流装置，其特征在于：所述喷嘴竖直于冰面设置。
4.根据权利要求1所述的用于辅助破冰的电感加热磨料水射流装置，其特征在于：所述喷嘴距离冰面的距离为5-8mm。
5.根据权利要求1所述的用于辅助破冰的电感加热磨料水射流装置，其特征在于：
所述磨料供给系统内的磨料为石榴砂或金刚砂。
6.根据权利要求1所述的用于辅助破冰的电感加热磨料水射流装置，其特征在于：所述水源为连续的水流供给，可实现高温高速的磨料射流的连续破冰。
7.一种用于辅助破冰的电感加热磨料水射流的方法，基于权利要求1-6任一项所述的用于辅助破冰的电感加热磨料水射流装置，其特征在于，水流依次通过增压器、电磁感应加热装置和混砂管后从喷嘴喷出高温高速的磨料水射流，并对冰面进行打击来实现破冰。
8.根据权利要求7所述的用于辅助破冰的电感加热磨料水射流的方法，其特征在于：所述用于辅助破冰的电感加热磨料水射流装置安装在破冰船的船首位置。
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