CN116358969B - 一种不同含水率岩样制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不同含水率岩样制备装置，包括试样容器，岩石试样的两端分别连接试样容器的第一蒸汽进口和第一蒸汽出口；第一蒸汽出口、泵和气液分离器顺序连接，气液分离器的出气端、蒸汽压缩机和第一蒸汽进口顺序连接，气液分离器的出液端、蒸汽发生器和蒸汽压缩机顺序连接。试样容器内部的水蒸气被泵抽吸至气液分离器中分离出低温水蒸气和冷凝液，低温水蒸气和冷凝液再次形成高温高压蒸汽回到试样容器的内部，蒸汽发生器的内部的储水始终在制备装置的内部循环，计量仪器测量蒸汽发生器的内部的储水的减少量，减去事先记录的制备装置空转时蒸汽发生器的内部的储水的减少量，即可获得岩石试样的含水量，进而计算出岩石试样的含水率。

Description

一种不同含水率岩样制备装置

技术领域

本发明涉及制备岩石试样领域，具体涉及一种不同含水率岩样制备装置。

背景技术

制备不同含水率的岩石试样时通常采用烘干法、真空抽气法和恒湿法，目前还有一种上述方法的岩石试样的含水率控制方法，例如中国专利公开号CN210154894U公开了的一种岩石试样高温水雾饱和装置。

这种岩石试样的饱水方法采用的技术手段是：将高温高压水蒸气压入到岩石试样的内部，水蒸气冷凝后留存在岩石试样内部的微观裂纹中，以提高岩石试样的含水率。

该方法制备的岩石试样能够快速地饱水，但是难以控制岩石试样的含水率，想要获得不同含水率的岩石试样只能通过经验法，在岩石试样通入规定时间的水蒸气之后测量其重量，反推算其含水率，然后将通入水蒸气的时间与含水率联系起来。

这种经验法获得的数据不准确，在岩石试样的内部结构有些许改变时就会出现较大的误差，如果能够在岩石试样的制备过程中获得其含水率即可解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不同含水率岩样制备装置，以解决使用高温高压水蒸气进行岩石试样的饱水时，难以控制岩石试样的含水率的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：

一种不同含水率岩样制备装置，包括：试样容器、蒸汽发生器、蒸汽压缩机、泵、气液分离器和计量仪器；所述试样容器包括第一蒸汽进口和第一蒸汽出口，岩石试样放置于所述试样容器的内部，并且所述岩石试样的两端分别连接所述第一蒸汽进口和所述第一蒸汽出口；所述第一蒸汽出口、所述泵和所述气液分离器顺序连接，所述气液分离器的出气端、所述蒸汽压缩机和所述第一蒸汽进口顺序连接，所述气液分离器的出液端、所述蒸汽发生器、所述蒸汽压缩机和所述第一蒸汽进口顺序连接；所述试样容器内部的水蒸气被所述泵抽吸至所述气液分离器中分离出低温水蒸气和冷凝液，低温水蒸气通过所述蒸汽压缩机压缩后再次形成高温高压水蒸气回到所述试样容器的内部，冷凝液进入到所述蒸汽发生器中再次形成水蒸气并且通过所述蒸汽压缩机的压缩之后回到所述试样容器的内部；所述计量仪器的计量端安装于所述蒸汽发生器的内部，所述计量仪器用于测量所述蒸汽发生器的内部的储水的减少量，进而计算出所述岩石试样的含水率。

进一步地，所述试样容器的内部安装有控温装置，所述控温装置用于控制所述试样容器内部的温度，以使得水蒸气透过所述岩石试样的两端开始循环流通之前，所述试样容器内部的温度大于水蒸气凝结的温度，并且在水蒸气透过所述岩石试样的两端开始循环流通之后，逐渐降低所述试样容器内部的温度，以使得所述岩石试样内部的水蒸气均匀地冷凝。

进一步地，所述控温装置包括冷风机，所述试样容器包括风冷进口和风冷出口，所述风冷进口和所述风冷出口均安装有通止阀，所述风冷进口连接所述冷风机的输出端，所述冷风机用于在所述通止阀开启之后向所述风冷进口输出冷风，冷风通过所述风冷出口排出。

进一步地，所述试样容器包括圆柱形的第一腔室，所述第一腔室与所述岩石试样同轴，第一蒸汽进口和第一蒸汽出口均连接所述第一腔室，所述风冷进口和所述风冷出口分别位于所述第一腔室的两端，所述风冷进口和所述风冷出口的延伸方向均垂直于所述第一腔室的轴线并且与所述第一腔室的内壁相切。

另一方面，所述试样容器包括第一腔室，所述岩石试样放置于所述第一腔室的内部，第一蒸汽进口和第一蒸汽出口均连接所述第一腔室，所述试样容器上设置有连接所述第一腔室内部的第二蒸汽进口和第二蒸汽出口；所述蒸汽压缩机的输出端连接所述第二蒸汽进口，所述第二蒸汽出口连接所述气液分离器的输入端。

进一步地，所述蒸汽压缩机的输出端通过第一三通阀连接所述第二蒸汽进口，所述第一三通阀的剩余端口连接大气；所述第二蒸汽出口通过第二三通阀连接所述气液分离器的输入端，所述第二三通阀的剩余端口连接所述泵的输入端。

另一方面，所述试样容器包括第一腔室、第二腔室和第三腔室，所述岩石试样放置于所述第一腔室的内部，所述第二腔室连接所述第一蒸汽进口，所述第三腔室连接所述第一蒸汽出口；所述第二腔室通过多个进气孔连接所述第一腔室，所述岩石试样的一端与所述进气孔连接；所述第三腔室通过多个出气孔连接所述第一腔室，每个所述进气孔均与一个所述出气孔同轴对应，所述岩石试样的另一端与所述出气孔连接。

进一步地，所述试样容器的壳体通过保温材料制备。

进一步地，所述岩石试样的外周壁套装有隔水套，所述隔水套用于阻止水蒸气透过所述岩石试样的外周壁进入到所述试样容器的内部。

进一步地，所述岩石试样的端面和所述试样容器的内壁之间安装有密封圈，所述密封圈用于封闭所述岩石试样的端面与所述试样容器的内壁之间的间隙，以阻止水蒸气透过所述岩石试样的端面进入到所述试样容器的内部。

本申请与现有技术相比较具有如下有益效果：

提供一种不同含水率岩样制备装置，试样容器内部的水蒸气被泵抽吸至气液分离器中分离出低温水蒸气和冷凝液，低温水蒸气和冷凝液再次形成高温高压蒸汽回到试样容器的内部，蒸汽发生器的内部的储水始终在制备装置的内部循环，计量仪器测量蒸汽发生器的内部的储水的减少量，减去事先记录的制备装置空转时蒸汽发生器的内部的储水的减少量，即可获得岩石试样的含水量，进而计算出岩石试样的含水率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明实施例1的结构原理框图；

图2为本发明实施例2的结构原理框图；

图中的标号分别表示如下：

1-试样容器；11-第一腔室；111-第一蒸汽进口；112-第一蒸汽出口；113-风冷进口；114-风冷出口；115-第二蒸汽进口；116-第二蒸汽出口；12-第二腔室；121-进气孔；13-第三腔室；131-出气孔；14-通止阀；15-第一三通阀；16-第二三通阀；2-岩石试样；21-隔水套；22-密封圈；3-蒸汽发生器；4-蒸汽压缩机；5-泵；6-气液分离器；7-计量仪器；8-控温装置；81-电阻丝；82-冷风机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。

提供一种不同含水率岩样制备装置的实施例1，用于解决技术问题：使用高温高压水蒸气进行岩石试样2的饱水时，难以控制岩石试样2的含水率。

请参照图1：

制备装置包括：试样容器1、蒸汽发生器3、蒸汽压缩机4、泵5、气液分离器6和计量仪器7；

试样容器1包括第一蒸汽进口111和第一蒸汽出口112，岩石试样2放置于试样容器1的内部，并且岩石试样2的两端分别连接第一蒸汽进口111和第一蒸汽出口112；

第一蒸汽出口112、泵5和气液分离器6顺序连接，气液分离器6的出气端、蒸汽压缩机4和第一蒸汽进口111顺序连接，气液分离器6的出液端、蒸汽发生器3、蒸汽压缩机4和第一蒸汽进口111顺序连接；

试样容器1内部的水蒸气被泵5抽吸至气液分离器6中分离出低温水蒸气和冷凝液，低温水蒸气通过蒸汽压缩机4压缩后再次形成高温高压水蒸气回到试样容器1的内部，冷凝液进入到蒸汽发生器3中再次形成水蒸气并且通过蒸汽压缩机4的压缩之后回到试样容器1的内部；

计量仪器7的计量端安装于蒸汽发生器3的内部，计量仪器7用于测量蒸汽发生器3的内部的储水的减少量，进而计算出岩石试样2的含水率。

泵5采用适用于液体和气体的泵。

制备装置通过下述步骤改变岩石试样2的含水率：

步骤一、记录蒸汽发生器3的内部储水的量a，记录制备装置空转（即其内部循环水蒸气而不置入岩石试样2）时，蒸汽发生器3的内部的储水的减少量b。

步骤二、将岩石试样2烘干，然后置入到试样容器1的内部，将蒸汽发生器3的内部储水的量补充至a。

步骤三、蒸汽发生器3将水加热之后形成水蒸气，水蒸气通入到蒸汽压缩机4中压缩成高温高压水蒸气，高温高压水蒸气进入到岩石试样2的内部冷凝成水，并且填充岩石试样2的微观裂隙。

步骤四、岩石试样2内部的空气和未冷凝的水蒸气被泵5抽吸到气液分离器6中，其中低温水蒸气通过蒸汽压缩机4压缩成高温高压水蒸气并且再次进入到岩石试样2的内部，其中冷凝水回流到蒸汽发生器3中。

步骤五、计量仪器7通过水位传感器或者称重的方式获得蒸汽发生器3内部的水的减少量c，由于在步骤三和步骤四中，水蒸气不与外界接触，因此：

岩石试样2的含水量＝a－b－c；

通过岩石试样2的含水量即可计算出岩石试样2的含水率。

进一步地，在实施例1中，水蒸气可能会透过岩石试样2进入到试样容器1的内部，影响计量仪器7的测量结果，为了解决这一技术问题：

岩石试样2的外周壁套装有隔水套21，隔水套21用于阻止水蒸气透过岩石试样2的外周壁进入到试样容器1的内部。

隔水套21采用热缩管，将热缩管套装在岩石试样2的外侧，然后加热热缩管使其裹紧岩石试样2，再切除热缩管超出岩石试样2两端的部位即可。

进一步地：

岩石试样2的端面和试样容器1的内壁之间安装有密封圈22，密封圈22用于封闭岩石试样2的端面与试样容器1的内壁之间的间隙，以阻止水蒸气透过岩石试样2的端面进入到试样容器1的内部。

密封圈22可以固定安装在岩石试样2的端面，也可以固定安装在试样容器1的内壁，密封圈22的外径大于岩石试样2的直径，密封圈22的内径小于岩石试样2的直径。

进一步地，在实施例1中，由于水蒸气通过岩石试样2的一端进入然后从另一端离开，在岩石试样2未饱水的情况下，会出现岩石试样2的两端的含水率不同的情况，影响后续的试验，为了解决上述技术问题：

试样容器1的内部安装有控温装置8，控温装置8用于控制试样容器1内部的温度，以使得水蒸气透过岩石试样2的两端开始循环流通之前，试样容器1内部的温度大于水蒸气凝结的温度，并且在水蒸气透过岩石试样2的两端开始循环流通之后，逐渐降低试样容器1内部的温度，以使得岩石试样2内部的水蒸气均匀地冷凝。

控温装置8包括电阻丝81，电阻丝81绕设在岩石试样2的外侧，电阻丝81能够提高试样容器1内部的温度。

控温装置8还包括设置在第一蒸汽进口111和第一蒸汽出口112的湿度传感器，图中未出示湿度传感器。

当第一蒸汽进口111和第一蒸汽出口112的湿度相同时，说明水蒸气透过岩石试样2的两端开始循环流通，此时电阻丝81断电，试样容器1内部的温度逐渐下降，随着水蒸气逐渐在岩石试样2的内部冷凝，蒸汽发生器3内部的水逐渐减少，待蒸汽发生器3内部的水的减少量达到岩石试样2的预期含水量时，关闭蒸汽发生器3、蒸汽压缩机4和泵5。

进一步地，为了减少电阻丝81的耗电量：

试样容器1的壳体通过保温材料制备。

试样容器1采用隔热泡沫制造，以减少电阻丝81与外界的热交换。

试样容器1的端部或者侧部可以移动，以便于工作人员置入或者取出岩石试样2。

进一步地，为了加快试样容器1内部的冷却速度，提高岩石试样2的制备效率：

控温装置8包括冷风机82，试样容器1包括风冷进口113和风冷出口114，风冷进口113和风冷出口114均安装有通止阀14，风冷进口113连接冷风机82的输出端，冷风机82用于在通止阀14开启之后向风冷进口113输出冷风，冷风通过风冷出口114排出。

电阻丝81通电时，通止阀14关闭；电阻丝81断电时，通止阀14开启。

进一步地，为了提高冷风在试样容器1的内部冷却岩石试样2的效率，降低冷风机82消耗的能源：

试样容器1包括圆柱形的第一腔室11，第一腔室11与岩石试样2同轴，风冷进口113和风冷出口114分别位于第一腔室11的两端，风冷进口113和风冷出口114的延伸方向均垂直于第一腔室11的轴线并且与第一腔室11的内壁相切。

第一腔室11的内壁和岩石试样2的外壁之间形成圆筒形的腔室，使得冷风从风冷进口113螺旋移动至风冷出口114，通过延长冷风的移动距离提高冷风的冷却效率。

另一方面，为了减少制备装置使用的器械的数量，降低制备装置的成本，但是保留控制试样容器1的内部温度的功能，请参照图2所示的实施例2：

试样容器1包括第一腔室11，岩石试样2放置于第一腔室11的内部，试样容器1上设置有连接第一腔室11内部的第二蒸汽进口115和第二蒸汽出口116；

蒸汽压缩机4的输出端连接第二蒸汽进口115，第二蒸汽出口116连接气液分离器6的输入端。

实施例2使用高温高压的水蒸气替代电阻丝81加热岩石试样2的外周壁，使得岩石试样2内部的温度大于水蒸气的冷凝温度，第一腔室11内部的低温水蒸气和冷凝水通过第二蒸汽出口116移动至气液分离器6中。

进一步地，为了快速地降低试样容器1内部的温度，以提高岩石试样2的制备速度：

蒸汽压缩机4的输出端通过第一三通阀15连接第二蒸汽进口115，第一三通阀15的剩余端口连接大气；

第二蒸汽出口116通过第二三通阀16连接气液分离器6的输入端，第二三通阀16的剩余端口连接泵5的输入端。

蒸汽发生器3启动之前，第一三通阀15连接蒸汽压缩机4和第一腔室11，第二三通阀16连接第一腔室11和气液分离器6。

蒸汽发生器3运行一段时间，水蒸气透过岩石试样2的两端开始循环流通之后，第一三通阀15连接大气和第一腔室11，第二三通阀16连接第一腔室11和泵5，泵5抽出第一腔室11内部的空气，并且将空气传输至气液分离器6，外界的冷空气通过第一三通阀15进入到第一腔室11的内部，以冷却岩石试样2。

通过上述步骤无需电阻丝81和冷风机82也能控制试样容器1内部的温度。

进一步地，在实施例1和实施例2中，为了提高岩石试样2的制备效率，还可以一次制备多个岩石试样2，请参照图2：

试样容器1包括第二腔室12和第三腔室13，第二腔室12连接第一蒸汽进口111，第三腔室13连接第一蒸汽出口112；

第二腔室12通过多个进气孔121连接第一腔室11，岩石试样2的一端与进气孔121连接；

第三腔室13通过多个出气孔131连接第一腔室11，每个进气孔121均与一个出气孔131同轴对应，岩石试样2的另一端与出气孔131连接。

试样容器1一次能够制备的岩石试样2的数量等于进气孔121的数量。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为本发明实施例的落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种不同含水率岩样制备装置，其特征在于，

包括：试样容器（1）、蒸汽发生器（3）、蒸汽压缩机（4）、泵（5）、气液分离器（6）和计量仪器（7）；

所述试样容器（1）包括第一蒸汽进口（111）和第一蒸汽出口（112），岩石试样（2）放置于所述试样容器（1）的内部，并且所述岩石试样（2）的两端分别连接所述第一蒸汽进口（111）和所述第一蒸汽出口（112）；

所述第一蒸汽出口（112）、所述泵（5）和所述气液分离器（6）顺序连接，所述气液分离器（6）的出气端、所述蒸汽压缩机（4）和所述第一蒸汽进口（111）顺序连接，所述气液分离器（6）的出液端、所述蒸汽发生器（3）、所述蒸汽压缩机（4）和所述第一蒸汽进口（111）顺序连接；

所述试样容器（1）内部的水蒸气被所述泵（5）抽吸至所述气液分离器（6）中分离出低温水蒸气和冷凝液，低温水蒸气通过所述蒸汽压缩机（4）压缩后再次形成高温高压水蒸气回到所述试样容器（1）的内部，冷凝液进入到所述蒸汽发生器（3）中再次形成水蒸气并且通过所述蒸汽压缩机（4）的压缩之后回到所述试样容器（1）的内部；

所述计量仪器（7）的计量端安装于所述蒸汽发生器（3）的内部，所述计量仪器（7）用于测量所述蒸汽发生器（3）的内部的储水的减少量，进而计算出所述岩石试样（2）的含水率；

所述试样容器（1）的内部安装有控温装置（8），所述控温装置（8）用于控制所述试样容器（1）内部的温度，以使得水蒸气透过所述岩石试样（2）的两端开始循环流通之前，所述试样容器（1）内部的温度大于水蒸气凝结的温度，并且在水蒸气透过所述岩石试样（2）的两端开始循环流通之后，逐渐降低所述试样容器（1）内部的温度，以使得所述岩石试样（2）内部的水蒸气均匀地冷凝。

2.根据权利要求1所述的一种不同含水率岩样制备装置，其特征在于，

所述控温装置（8）包括冷风机（82），所述试样容器（1）包括风冷进口（113）和风冷出口（114），所述风冷进口（113）和所述风冷出口（114）均安装有通止阀（14），所述风冷进口（113）连接所述冷风机（82）的输出端，所述冷风机（82）用于在所述通止阀（14）开启之后向所述风冷进口（113）输出冷风，冷风通过所述风冷出口（114）排出。

3.根据权利要求2所述的一种不同含水率岩样制备装置，其特征在于，

所述试样容器（1）包括圆柱形的第一腔室（11），所述第一腔室（11）与所述岩石试样（2）同轴，第一蒸汽进口（111）和第一蒸汽出口（112）均连接所述第一腔室（11），所述风冷进口（113）和所述风冷出口（114）分别位于所述第一腔室（11）的两端，所述风冷进口（113）和所述风冷出口（114）的延伸方向均垂直于所述第一腔室（11）的轴线并且与所述第一腔室（11）的内壁相切。

4.根据权利要求1所述的一种不同含水率岩样制备装置，其特征在于，

所述试样容器（1）包括第一腔室（11），所述岩石试样（2）放置于所述第一腔室（11）的内部，第一蒸汽进口（111）和第一蒸汽出口（112）均连接所述第一腔室（11），所述试样容器（1）上设置有连接所述第一腔室（11）内部的第二蒸汽进口（115）和第二蒸汽出口（116）；

所述蒸汽压缩机（4）的输出端连接所述第二蒸汽进口（115），所述第二蒸汽出口（116）连接所述气液分离器（6）的输入端。

5.根据权利要求4所述的一种不同含水率岩样制备装置，其特征在于，

所述蒸汽压缩机（4）的输出端通过第一三通阀（15）连接所述第二蒸汽进口（115），所述第一三通阀（15）的剩余端口连接大气；

所述第二蒸汽出口（116）通过第二三通阀（16）连接所述气液分离器（6）的输入端，所述第二三通阀（16）的剩余端口连接所述泵（5）的输入端。

6.根据权利要求1所述的一种不同含水率岩样制备装置，其特征在于，

所述试样容器（1）包括第一腔室（11）、第二腔室（12）和第三腔室（13），所述岩石试样（2）放置于所述第一腔室（11）的内部，所述第二腔室（12）连接所述第一蒸汽进口（111），所述第三腔室（13）连接所述第一蒸汽出口（112）；

所述第二腔室（12）通过多个进气孔（121）连接所述第一腔室（11），所述岩石试样（2）的一端与所述进气孔（121）连接；

所述第三腔室（13）通过多个出气孔（131）连接所述第一腔室（11），每个所述进气孔（121）均与一个所述出气孔（131）同轴对应，所述岩石试样（2）的另一端与所述出气孔（131）连接。

7.根据权利要求1或4所述的一种不同含水率岩样制备装置，其特征在于，

所述试样容器（1）的壳体通过保温材料制备。

8.根据权利要求1所述的一种不同含水率岩样制备装置，其特征在于，

所述岩石试样（2）的外周壁套装有隔水套（21），所述隔水套（21）用于阻止水蒸气透过所述岩石试样（2）的外周壁进入到所述试样容器（1）的内部。

9.根据权利要求8所述的一种不同含水率岩样制备装置，其特征在于，

所述岩石试样（2）的端面和所述试样容器（1）的内壁之间安装有密封圈（22），所述密封圈（22）用于封闭所述岩石试样（2）的端面与所述试样容器（1）的内壁之间的间隙，以阻止水蒸气透过所述岩石试样（2）的端面进入到所述试样容器（1）的内部。