CN117191632A - 二氧化碳相变实验系统及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩体爆破技术领域，公开了一种二氧化碳相变实验系统及实验方法。该二氧化碳相变实验系统包括相变实验管、安装架以及监测组件，相变实验管用于对二氧化碳进行相变膨胀实验；相变实验管设置在安装架上，安装架能够固定相变实验管，以使相变实验管的长度方向与地面平行；安装架还能够固定相变实验管，以使相变实验管的长度方向与地面垂直；监测组件沿相变实验管的长度方向间隔设置在相变实验管上，监测组件包括温度传感器和压力传感器，温度传感器用于监测相变实验管中二氧化碳的温度，压力传感器用于监测相变实验管中二氧化碳的压力。该二氧化碳相变实验系统能够监测相变实验管中二氧化碳在相变膨胀过程中的温度和压力变化情况。

Description

二氧化碳相变实验系统及实验方法

技术领域

本发明涉及岩体爆破技术领域，尤其涉及一种二氧化碳相变实验系统及实验方法。

背景技术

液态二氧化碳在受热或受外力作用下，其压力和温度会迅速上升，当其压力和温度到达临界点后，液态二氧化碳会急剧气化、转变为气态二氧化碳；在二氧化碳相变气化的过程中，释放的二氧化碳形成了一个高压区域并产生爆炸冲击波和能量释放，从而能够对目标物体进行爆破。二氧化碳相变爆炸开采铀矿就是利用上述原理对岩体进行爆破，进而改变铀岩层的渗透性，便于后续将溶浸液通过岩层注入至岩层中的铀矿中从而进行开采。

由于二氧化碳在相变爆炸时会向外界释放大量的能量，因此存在一定的危险性和不可控性，如果没有充分掌握二氧化碳的温度和压力在相变过程中随时间的变化规律，就无法更有效地利用二氧化碳相变所释放的能量，严重的则会造成一系列生产安全事故。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二氧化碳相变实验系统及实验方法，能够准确刻画二氧化碳相变过程中的传热和传质过程。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

二氧化碳相变实验系统，包括：

相变实验管，所述相变实验管用于对二氧化碳进行相变膨胀实验；

安装架，所述相变实验管设置在所述安装架上，所述安装架能够固定所述相变实验管，以使所述相变实验管的长度方向与地面平行；所述安装架还能够固定所述相变实验管，以使所述相变实验管的长度方向与地面垂直；

至少五组监测组件，至少五组所述监测组件沿所述相变实验管的长度方向间隔设置在所述相变实验管上，所述监测组件包括温度传感器和压力传感器，所述温度传感器用于监测并记录所述相变实验管中二氧化碳的温度，所述压力传感器用于监测并记录所述相变实验管中二氧化碳的压力。

作为优选地，所述安装架包括支撑架和转动设置在所述支撑架上的转动杆，所述相变实验管设置在所述转动杆上，所述转动杆在所述支撑架上能够在水平位置和竖直位置之间转动；当所述转动杆转动至所述水平位置时，所述相变实验管的长度方向与地面平行；当所述转动杆转动至所述竖直位置时，所述相变实验管的长度方向与地面垂直。

作为优选地，所述转动杆上设置有夹持组件，所述夹持组件包括夹持座、转动压板、锁紧螺杆以及锁紧螺帽，所述夹持座固定安装在所述转动杆上，所述夹持座用于承托所述相变实验管，所述转动压板转动设置在所述夹持座上，所述转动压板与所述夹持座相对地抵压在所述相变实验管上，所述锁紧螺杆转动设置在所述夹持座上，所述锁紧螺帽旋拧在所述锁紧螺杆上且与所述转动压板抵接，以使所述转动压板抵紧在所述相变实验管上。

作为优选地，所述夹持组件在所述转动杆上间隔设置多个。

作为优选地，所述安装架还包括承托架，所述承托架通过斜撑梁与所述支撑架连接，所述承托架上设置有第一锁定组件，当所述转动杆转动至所述水平位置时，所述转动杆的底面抵靠在所述承托架上，所述第一锁定组件能够与所述转动杆固定连接，以使所述转动杆与所述承托架保持抵接。

作为优选地，所述支撑架上设置有第二锁定组件，当所述转动杆转动至所述竖直位置时，所述转动杆抵靠在所述支撑架上，所述第二锁定组件能够与所述转动杆固定连接，以使所述转动杆与所述支撑架保持抵接。

作为优选地，至少五组所述监测组件沿所述相变实验管的长度方向等间距设置。

二氧化碳相变实验方法，使用上述的二氧化碳相变实验系统，包括以下步骤：

S1、在相变实验管上沿长度方向间隔设置至少五组所述监测组件；

S2、将所述相变实验管的长度方向与地面平行地设置在所述安装架上；

S3、向所述相变实验管中填充二氧化碳，引燃所述相变实验管中的发热装置；

S4、通过所述监测组件记录第一次实验数据；

S5、将所述相变实验管的长度方向与地面垂直地设置在所述安装架上；

S6、重新向所述相变实验管中靠近地面的端部填充二氧化碳，引燃所述相变实验管中的发热装置；

S7、通过所述监测组件记录第二次实验数据；

S8、保持所述相变实验管的长度方向与地面垂直，重新向所述相变实验管中远离地面的端部填充二氧化碳，引燃所述相变实验管中的发热装置；

S9、通过所述监测组件记录第三次实验数据。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的二氧化碳相变实验系统，用于对二氧化碳进行相变膨胀实验的相变实验管设置在安装架上，由于相变实验管上沿长度方向设置有监测组件，监测组件包括温度传感器和压力传感器，因此该二氧化碳相变实验系统能够监测并记录相变实验管中二氧化碳在相变膨胀过程中的温度和压力变化情况，从而掌握二氧化碳在相变过程中温度和压力随时间的变化规律；由于监测组件间隔设置有至少五组，因此能够对相变实验管沿长度方向上的温度和压力变化进行记录并能够绘制完整的传热和传质变化曲线图，从而准确刻画二氧化碳相变过程中的传热和传质过程；由于安装架能够固定相变实验管且分别使相变实验管的长度方向与地面平行和垂直，因此该二氧化碳相变实验系统还能够对受重力作用下的二氧化碳相变的传热和传质过程进行刻画，从而为岩体竖向爆破以及飞行器的垂直发射等提供精确的理论支撑。

使用该二氧化碳相变实验方法，通过在相变实验管上设置至少五组监测组件，能够对相变实验管中二氧化碳沿长度方向的传热和传质进行过程准确地刻画和描述；通过调整相变实验管的放置姿态并多次进行相变实验，能够对不同工况下二氧化碳的温度和压力的分布情况进行模拟，从而为多种工况下二氧化碳的传热和传质规律提供理论支撑。

附图说明

图1是本发明具体实施方式提供的二氧化碳相变实验系统的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式提供的转动杆位于竖直位置时的安装架的结构示意图；

图3是本发明具体实施方式提供的转动杆位于水平位置时的安装架的结构示意图；

图4是本发明具体实施方式提供的夹持组件的结构示意图。

图中：

1-相变实验管；

2-安装架；21-支撑架；22-转动杆；221-第一耳板；222-第二耳板；23-承托架；24-斜撑梁；

3-监测组件；31-温度传感器；32-压力传感器；

4-夹持组件；41-夹持座；42-压板；43-锁紧螺杆；44-锁紧螺帽；

5-第一锁定组件；

6-第二锁定组件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”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。对于本领域的普通技术人员而言，可以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之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，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”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、“左”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

如图1所示，本发明提供了一种二氧化碳相变实验系统，该二氧化碳相变实验系统包括相变实验管1、安装架2以及至少五组监测组件3，相变实验管1用于对二氧化碳进行相变膨胀实验；至少五组监测组件3，至少五组监测组件3沿相变实验管1的长度方向间隔设置在相变实验管1上，监测组件3包括温度传感器31和压力传感器32，温度传感器31用于监测并记录相变实验管1中二氧化碳的温度，压力传感器32用于监测并记录相变实验管1中二氧化碳的压力。于本实施例中，相变实验管1是本领域测试二氧化碳相变膨胀时温度和压力沿管道长度方向瞬时变化的一种实验装置，属于现有技术，相变实验管1中具有充装装置、发热装置以及引燃装置等，能够多次向管内充入二氧化碳并引燃发热装置使其产生相变；相变实验管1上设置有温度传感器31和压力传感器32，温度传感器31采用高宽带信号调理器技术，能够捕捉瞬态信号，其响应时间小于18ms，适合于本实验中的快速测温，且其测温精度可达0.25%，满足测温的精度要求；压力传感器32具有加速度补偿石英元件，抵消了端件和膜片的加速度效应，并扩展了频率特性，增强了传感器的瞬态响应，能够满足本实验的快速测压要求；温度传感器31和压力传感器32通过数据线与数据采集中心连接，能够将监测到的温度和压力实时传输至数据采集中心上。具体地，每组监测组件3中的温度传感器31和压力传感器32沿相变实验管1的长度方向设置在同一位置上，以确保测得的是离二氧化碳相变发生点相同距离处的温度和压力；由于相变实验管1上沿长度方向设置有监测组件3，监测组件3包括温度传感器31和压力传感器32，因此该二氧化碳相变实验系统能够监测并记录相变实验管1中二氧化碳在相变膨胀过程中的温度和压力变化情况，从而掌握二氧化碳在相变过程中温度和压力随时间的变化规律；由于监测组件3间隔设置有至少五组，因此能够对相变实验管1沿长度方向上的温度和压力变化进行记录并能够绘制完整的传热和传质变化曲线图，从而准确刻画二氧化碳相变过程中的传热和传质过程。

相变实验管1设置在安装架2上，安装架2能够固定相变实验管1，以使相变实验管1的长度方向与地面平行；安装架2还能够固定相变实验管1，以使相变实验管1的长度方向与地面垂直。于本实施例中，用于对二氧化碳进行相变膨胀实验的相变实验管1设置在安装架2上，由于安装架2能够固定相变实验管1且分别使相变实验管1的长度方向与地面平行和垂直，因此该二氧化碳相变实验系统还能够对受重力作用下的二氧化碳相变的传热和传质过程进行刻画，从而为飞行器的垂直发射以及岩体竖向爆破等提供精确的理论支撑。

进一步地，如图2和图3所示，安装架2包括支撑架21和转动设置在支撑架21上的转动杆22，相变实验管1设置在转动杆22上，转动杆22在支撑架21上能够在水平位置和竖直位置之间转动；当转动杆22转动至水平位置时，相变实验管1的长度方向与地面平行；当转动杆22转动至竖直位置时，相变实验管1的长度方向与地面垂直。于本实施例中，支撑架21包括两根立杆和T形底座，立杆焊接在T形底座上，转动杆22通过销轴转动设置在两根立杆之间，从而能够在支撑架21上转动；相变实验管1沿长度方向固定在转动杆22上，因此转动转动杆22即可带动相关实验管1转动，无需对安装架2进行搬运和翻转即可实现相变实验管1在水平位置和竖直位置之间转动。

具体地，如图4所示，转动杆22上设置有夹持组件4，夹持组件4包括夹持座41、转动压板42、锁紧螺杆43以及锁紧螺帽44，夹持座41固定安装在转动杆22上，夹持座41用于承托相变实验管1，转动压板42转动设置在夹持座41上，转动压板42与夹持座41相对地抵压在相变实验管1上，锁紧螺杆43转动设置在夹持座41上，锁紧螺帽44旋拧在锁紧螺杆43上且与转动压板42抵接，以使转动压板42抵紧在相变实验管1上。于本实施例中，夹持座41固定在转动杆22上，转动压板42通过销轴与夹持座41转动连接，转动压板42能够转动至夹持座41的上方，从而将相变实验管1夹固在转动压板42和夹持座41中间；锁紧螺杆43的一端也通过销轴与夹持座41转动连接，锁紧螺杆43的另一端上旋拧有锁紧螺帽44，转动压板42上开设有能够容纳锁紧螺杆43的避让槽，当转动压板42转动至相变实验管1上方并抵压在相变实验管1上后，向上转动锁紧螺杆43，使锁紧螺杆43的另一端卡入避让槽中，此时旋拧锁紧螺帽44，使锁紧螺帽44抵压在转动压板42上形成锁固结构，从而抵紧下方的相变实验管1，以将相变实验管1固定在转动杆22上。

具体地，如图1所示，夹持组件4在转动杆22上间隔设置多个。于本实施例中，多个夹持组件4等间距或不等间距地设置在转动杆22上，能够对相变实验管1上的不同位置进行夹持固定，从而提高了实验过程中相变实验管1在转动杆22上的稳定性。

具体地，如图3所示，安装架2还包括承托架23，承托架23通过斜撑梁24与支撑架21连接，承托架23上设置有第一锁定组件5，当转动杆22转动至水平位置时，转动杆22的底面抵靠在承托架23上，第一锁定组件5能够与转动杆22固定连接，以使转动杆22与承托架23保持抵接。于本实施例中，支撑架21的T形底座上焊接有承托架23，当转动杆22转动至水平位置时，转动杆22的底面抵靠在承托架23上，防止转动杆22继续转动而偏离水平位置；转动杆22上靠近端部的位置设置有第一耳板221，第一耳板221上开设有第一容置槽，第一锁定组件5包括与承托架23销接的第一锁定螺杆以及旋拧在第一锁定螺杆上的第一锁定螺帽，其中第一锁定螺杆与承托架23沿水平方向销接；当转动杆22转动至水平位置时，转动杆22的底面抵靠在承托架23上，此时向上转动第一锁定螺杆使其卡入第一容置槽中，随后旋拧第一锁定螺帽，使第一锁定螺帽抵压在第一耳板221上，此时第一锁定组件5与第一耳板221形成锁固结构，转动杆22被锁固在水平位置，无需操作人员手动扶持转动杆22即可实现固定，结构简单、操作方便；可以理解的是，斜撑梁24斜向焊接在承托架23和支撑架21之间，形成三角形结构，从而增强了安装架2本身的结构稳定性。

具体地，如图2所示，支撑架21上设置有第二锁定组件6，当转动杆22转动至竖直位置时，转动杆22抵靠在支撑架21上，第二锁定组件6能够与转动杆22固定连接，以使转动杆22与支撑架21保持抵接。于本实施例中，转动杆22上设置有第二耳板222，第二耳板222上开设有第二容置槽，转动杆22转动至竖直位置时，第二耳板222抵靠在支撑架21的立杆上；第二锁定组件6包括与支撑架21的立杆销接的第二锁定螺杆以及旋拧在第二锁定螺杆上的第二锁定螺帽，其中第二锁定螺杆与支撑架21沿竖直方向销接；当转动杆22转动至竖直位置时，第二耳板222抵靠在支撑架21上，此时水平转动第二锁定螺杆使其卡入第二容置槽中，随后旋拧第二锁定螺帽，使第二锁定螺帽抵压在第二耳板222上，此时第二锁定组件6与第二耳板222形成锁固结构，转动杆22被锁固在竖直位置，无需操作人员手动扶持转动杆22即可实现固定，结构简单、操作方便。

进一步地，至少五组监测组件3沿相变实验管1的长度方向等间距设置。具体地，各组监测组件3之间的间隔相等，从而能够得到沿相变实验管1长度方向均匀的温度和压力数据，使得绘制出的传热和传质曲线图更为精确。

本实施例还提供了一种二氧化碳相变实验方法，使用上述的二氧化碳相变实验系统，包括以下步骤：

S1、在相变实验管1上沿长度方向间隔设置至少五组监测组件3。具体地，在相变实验管1上沿长度方向设置至少五组监测组件3，监测组件包括温度传感器31和压力传感器32，用于对相变实验管1中沿长度方向上的温度和压力进行监测和记录。

S2、将相变实验管1的长度方向与地面平行地设置在安装架2上。具体地，将相变实验管1的长度方向与地面平行地安装在安装架2上。

S3、向相变实验管1中填充二氧化碳，引燃相变实验管1的发热装置。具体地，向相变实验管1中填充入二氧化碳，并引燃相变实验管1的发热装置，使其中的液态二氧化碳迅速被加热而发生相变膨胀，从而进行二氧化碳相变模拟。

S4、通过监测组件3记录第一次实验数据。具体地，监测组件3将监测到的第一次实验数据传输至数据采集中心上，操作人员将第一次实验数据进行处理并绘制成曲线图，从而可以得到二氧化碳沿水平方向的温度和压力随时间的变化情况。

S5、将相变实验管1的长度方向与地面垂直地设置在安装架2上。具体地，安装架2包括支撑架21和转动设置在支撑架21上的转动杆22，操作人员将转动杆22转动至竖直位置，此时相变实验管1的长度方向与地面垂直。

S6、重新向相变实验管1中靠近地面的端部填充二氧化碳，引燃相变实验管1中的发热装置。具体地，操作人员重新向相变实验管1中靠近地面的端部填充入二氧化碳，并引燃相变实验管1中的发热装置，使其中的液态二氧化碳迅速被加热而发生相变膨胀，从而进行二氧化碳相变模拟。

S7、通过监测组件3记录第二次实验数据。具体地，监测组件3将监测到的第二次实验数据传输至数据采集中心上，操作人员将第二次实验数据进行处理并绘制成曲线图，从而可以得到在受到重力作用的情况下，二氧化碳沿竖直方向向上的温度和压力随时间的变化情况，以模拟真实情况下飞行器发射时底部二氧化碳的传热和传质的演化规律。

S8、保持相变实验管1的长度方向与地面垂直，重新向相变实验管1中远离地面的端部填充二氧化碳，引燃相变实验管1的发热装置。具体地，操作人员重新向相变实验管1中远离地面的端部填充入二氧化碳，并引燃相变实验管1的发热装置，使其中的液态二氧化碳迅速被加热而发生相变膨胀，从而进行二氧化碳相变模拟。

S9、通过监测组件3记录第三次实验数据。具体地，监测组件3将监测到的第三次实验数据传输至数据采集中心上，操作人员将第三次实验数据进行处理并绘制成曲线图，从而可以得到在受到重力作用的情况下，二氧化碳沿竖直方向向下的温度和压力随时间的变化情况，以模拟真实情况下对岩体进行顶部爆破时的二氧化碳的传热和传质的演化规律。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.二氧化碳相变实验系统，其特征在于，包括：

相变实验管（1），所述相变实验管（1）用于对二氧化碳进行相变膨胀实验；

安装架（2），所述相变实验管（1）设置在所述安装架（2）上，所述安装架（2）能够固定所述相变实验管（1），以使所述相变实验管（1）的长度方向与地面平行；所述安装架（2）还能够固定所述相变实验管（1），以使所述相变实验管（1）的长度方向与地面垂直；

至少五组监测组件（3），至少五组所述监测组件（3）沿所述相变实验管（1）的长度方向间隔设置在所述相变实验管（1）上，所述监测组件（3）包括温度传感器（31）和压力传感器（32），所述温度传感器（31）用于监测并记录所述相变实验管（1）中二氧化碳的温度，所述压力传感器（32）用于监测并记录所述相变实验管（1）中二氧化碳的压力。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳相变实验系统，其特征在于，所述安装架（2）包括支撑架（21）和转动设置在所述支撑架（21）上的转动杆（22），所述相变实验管（1）设置在所述转动杆（22）上，所述转动杆（22）在所述支撑架（21）上能够在水平位置和竖直位置之间转动；当所述转动杆（22）转动至所述水平位置时，所述相变实验管（1）的长度方向与地面平行；当所述转动杆（22）转动至所述竖直位置时，所述相变实验管（1）的长度方向与地面垂直。

3.根据权利要求2所述的二氧化碳相变实验系统，其特征在于，所述转动杆（22）上设置有夹持组件（4），所述夹持组件（4）包括夹持座（41）、转动压板（42）、锁紧螺杆（43）以及锁紧螺帽（44），所述夹持座（41）固定安装在所述转动杆（22）上，所述夹持座（41）用于承托所述相变实验管（1），所述转动压板（42）转动设置在所述夹持座（41）上，所述转动压板（42）与所述夹持座（41）相对地抵压在所述相变实验管（1）上，所述锁紧螺杆（43）转动设置在所述夹持座（41）上，所述锁紧螺帽（44）旋拧在所述锁紧螺杆（43）上且与所述转动压板（42）抵接，以使所述转动压板（42）抵紧在所述相变实验管（1）上。

4.根据权利要求3所述的二氧化碳相变实验系统，其特征在于，所述夹持组件（4）在所述转动杆（22）上间隔设置多个。

5.根据权利要求2所述的二氧化碳相变实验系统，其特征在于，所述安装架（2）还包括承托架（23），所述承托架（23）通过斜撑梁（24）与所述支撑架（21）连接，所述承托架（23）上设置有第一锁定组件（5），当所述转动杆（22）转动至所述水平位置时，所述转动杆（22）的底面抵靠在所述承托架（23）上，所述第一锁定组件（5）能够与所述转动杆（22）固定连接，以使所述转动杆（22）与所述承托架（23）保持抵接。

6.根据权利要求2所述的二氧化碳相变实验系统，其特征在于，所述支撑架（21）上设置有第二锁定组件（6），当所述转动杆（22）转动至所述竖直位置时，所述转动杆（22）抵靠在所述支撑架（21）上，所述第二锁定组件（6）能够与所述转动杆（22）固定连接，以使所述转动杆（22）与所述支撑架（21）保持抵接。

7.根据权利要求1所述的二氧化碳相变实验系统，其特征在于，至少五组所述监测组件（3）沿所述相变实验管（1）的长度方向等间距设置。

8.二氧化碳相变实验方法，使用如权利要求1-7任一项所述的二氧化碳相变实验系统，包括以下步骤：

S1、在相变实验管（1）上沿长度方向间隔设置至少五组所述监测组件（3）；

S2、将所述相变实验管（1）的长度方向与地面平行地设置在所述安装架（2）上；

S3、向所述相变实验管（1）中填充二氧化碳，引燃所述相变实验管（1）中的发热装置；

S4、通过所述监测组件（3）记录第一次实验数据；

S5、将所述相变实验管（1）的长度方向与地面垂直地设置在所述安装架（2）上；

S6、重新向所述相变实验管（1）中靠近地面的端部填充二氧化碳，引燃所述相变实验管（1）中的发热装置；

S7、通过所述监测组件（3）记录第二次实验数据；

S8、保持所述相变实验管（1）的长度方向与地面垂直，重新向所述相变实验管（1）中远离地面的端部填充二氧化碳，引燃所述相变实验管（1）中的发热装置；

S9、通过所述监测组件（3）记录第三次实验数据。