CN210221877U - 一种二氧化碳相变泄爆温压测试系统 - Google Patents
一种二氧化碳相变泄爆温压测试系统 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种二氧化碳相变泄爆温压测试系统。本实用新型包括：储液仓，储液仓设有与其内部相通的进液口和泄爆口；加热装置；相变泄能仓，相变泄能仓设有进气口和出气口，进气口与泄爆口相通；第一自动控制阀，设置在储液仓的泄爆口；第二自动控制阀，设置在相变泄能仓的出气口；温压数据采集处理系统；中央控制系统，与温压数据采集处理系统、第一自动控制阀和第二自动控制阀电连接。本实用新型能准确获得二氧化碳相变泄爆过程中的温度和压力时空分布特征，有利于研究人员分别分析冲击波和高压气体静楔作用在二氧化碳相变破岩过程中的作用效果和作用时间，明确二氧化碳相变破岩过程中的温度变化情况，指向性强、精确度高。
Description
技术领域
本实用新型涉及破岩技术领域，尤其涉及一种二氧化碳相变泄爆温压测试系统。
背景技术
二氧化碳除了有固液气三相之外，在温度高于31.4℃、压强大于7.38MPa时，其液相与气相的界面突然消失，变为超临界状态。超临界状态下的二氧化碳性质特殊，兼有气相与液相的部分性质，其密度与液体接近、扩散系数与气体接近，表现出强扩散、低粘度的特点。二氧化碳相变致裂技术利用二氧化碳具有超临界状态这个物理特性，将液态二氧化碳充填进二氧化碳相变致裂器的储液管中，将充装完毕的二氧化碳相变致裂器插入预先钻取的炮孔中，发热管通电后产生大量的热，液态二氧化碳吸热后相变转化为超临界状态，储液管内的压力不断升高，当储液管内压力超过定压剪切片的剪切强度时，剪切片破断，超临界二氧化碳瞬间释放并相变为高压二氧化碳气体，瞬间释放的高压二氧化碳气体会带来破坏力极强的冲击动应力，破坏钻孔周围岩石，产生大量裂隙，高压气体进入冲击裂隙后，冲击裂隙受气楔尖劈作用的影响，二次扩展，达到破岩的目的。
二氧化碳相变荷载与常见的炸药爆破、水压致裂荷载有明显区别，其荷载峰值与压力上升时间均介于炸药爆破与水压致裂之间，但高压作用持续时间较炸药更长。二氧化碳相变致裂荷载与炸药荷载有相似之处，其荷载形式均表现为三角形荷载，但二氧化碳相变致裂的压力时程上升段斜率小于炸药的荷载斜率，其荷载卸压段曲线下降更加平缓。引起这种现象的主要原因是炸药破岩时能量主要是以冲击波的形式耗散，爆生气体作用影响有限，而二氧化碳相变致裂时很大一部分能量的表现形式是高压气体的气楔尖劈作用，而这种气楔尖劈作用在岩石裂纹扩展方面的贡献不可忽略。
已有的二氧化碳相变荷载研究多把二氧化碳相变致裂能量转化为常见的炸药荷载计算，但炸药荷载产生的冲击波作用明显大于爆生气体的静楔作用，二氧化碳相变致裂作用的气楔尖劈作用在岩体裂纹扩展中起到了不可忽视的作用，二氧化碳相变致裂过程中应力波与气体协同作用能量比例尚未明晰，直接将二氧化碳相变致裂荷载转换为炸药荷载进行理论研究存在一定的缺陷。相比之下，直接研究二氧化碳相变致裂的压力时程曲线能更简洁准确的反应二氧化碳的相变荷载特征，关于二氧化碳相变致裂荷载的研究重心正逐渐从二氧化碳相变TNT当量向高压二氧化碳气体压力时程曲线转移。二氧化碳相变致裂技术作为一种新型的破岩技术，泄爆产生的能量与二氧化碳充装量和定压剪切片的强度有关，如何获得精确的二氧化碳相变泄爆压力时程曲线是进行二氧化碳相变致裂理论研究的先决条件，二氧化碳相变泄爆压力时程曲线受二氧化碳相变泄爆冲击波应力时程曲线和高压气体时空分布特征直接影响，现有采用压电式传感器测定高压二氧化碳气体压力时程曲线的方法无法确定冲击波和高压气体各自的荷载特征。
因而亟需一种能精确获得不同参数下的二氧化碳相变泄爆冲击波应力时程曲线和高压气体时空分布特征的泄爆压力测试系统和测试方法，以求能精确描述不同参数下二氧化碳相变的泄爆威力，为现场实际应用提供理论基础。此外，测试二氧化碳相变泄爆系统的温度变化情况有助于我们了解二氧化碳相变致裂中两相流动过程中的温度场变化，确定二氧化碳相变致裂临界温度，有助于含温度场的多场耦合作用下的二氧化碳相变致裂机理和二氧化碳相变致裂器安全控制研究。
发明内容
本实用新型的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种二氧化碳相变泄爆温压测试系统。
本实用新型的一种二氧化碳相变泄爆温压测试系统，包括：
二氧化碳相变泄爆系统，所述二氧化碳相变泄爆系统包括：一个储液仓，所述储液仓设有与其内部相通的进液口和泄爆口；一个加热装置，设置在所述储液仓内用于加热液态二氧化碳；一个相变泄能仓，所述相变泄能仓设有与其内部相通的进气口和出气口，所述进气口与所述泄爆口相通；第一自动控制阀，设置在所述储液仓的泄爆口；第二自动控制阀，设置在所述相变泄能仓的出气口；
温压数据采集处理系统，用于采集和处理所述储液仓和相变泄能仓内的温度和压力；
中央控制系统，与所述温压数据采集处理系统、第一自动控制阀和第二自动控制阀电连接；以使得当所述温压数据采集处理系统监测到储液仓内的温压超过预设值时，中央控制系统控制第一自动控制阀开启，当所述温压数据采集处理系统监测到相变泄能仓的压力大于预设值时，中央控制系统控制第二自动控制阀开启。
优选的，所述温压数据采集处理系统包括：温度采集装置，用于采集储液仓和相变泄能仓内的温度；压力采集装置，用于采集储液仓和相变泄能仓内的压力；和数据处理系统，所述数据处理系统与所述温度采集装置、压力采集装置和中央控制系统均电连接。
优选的，所述相变泄能仓为内部中空的三菱柱，所述进气口设置在所述三菱柱的一个侧壁上，与所述侧壁相对的侧棱敞口构成所述出气口。
优选的，还包括一个支撑件，所述支撑件设置在所述侧棱的下方，以使得所述侧壁垂直设置地面上，且所述泄爆口(22)与所述出气口(42)在同一水平面。优选的，所述温度采集装置包括设置在所述储液仓内的一个第一温度传感器和设置在所述相变泄能仓内的多个第二温度传感器。
优选的，多个所述第二温度传感器沿所述侧壁至所述侧棱的方向间隔设置在所述相变泄能仓的顶侧壁上。
优选的，所述压力采集装置包括设置在所述储液仓内的一个第一压力传感器、设置在所述相变泄能仓内的多个第二压力传感器和设置在所述进气口的压差传感器。
优选的，多个所述第二压力传感器沿所述侧壁至所述侧棱的方向上间隔设置在所述相变泄能仓的底侧壁上，多个所述第二压力传感器排列成一列，且与所述出气口在同一水平面上。
优选的，所述压力采集装置还包括L型连接杆，所述连接杆的一端与固定在所述侧壁上，所述压差传感器固定在所述连接杆的另一端。
本实用新型的一种二氧化碳相变泄爆温压测试系统中的所述温压数据采集处理系统可以实时监测储液仓和相变泄能仓的温度和压力变化情况，且对数据进行采集处理并将数据传输至中央控制系统，中央控制系统根据数据与预设值对比判断是否开启第一自动控制阀和第二自动控制阀。
利用本实用新型测试系统进行测试能准确获得二氧化碳相变泄爆过程中的温度和压力时空分布特征，并能分别获得二氧化碳相变储液仓中温度变化时程曲线、二氧化碳相变储液仓中压力变化时程曲线、二氧化碳相变泄爆冲击波衰减时程曲线、相变泄能仓中特定时刻高压气体沿程分布曲线、相变泄能仓中特定位置高压气体压力变化时程曲线、相变泄能仓中特定时刻温度沿程分布曲线、相变泄能仓中特定位置温度变化时程曲线。有利于研究人员分别分析冲击波和高压气体静楔作用在二氧化碳相变破岩过程中的作用效果和作用时间，明确二氧化碳相变破岩过程中的温度变化情况，指向性强、精确度高。
附图说明
图1为本实用新型的一种二氧化碳相变泄爆温压测试系统的结构示意图。
1-二氧化碳相变泄爆系统；2-储液仓；21-进液口；22-泄爆口；3-加热装置；4-相变泄能仓；41-进气口；42-出气口；43-侧壁；44-顶侧壁；45-底侧壁；5-第一自动控制阀；6-第二自动控制阀；7-温压数据采集处理系统；71-温度采集装置；711-第一温度传感器；712-第二温度传感器；72-压力采集装置；721-第一压力传感器；722-第二压力传感器；723-压差传感器；724-连接杆；73-数据处理系统；8-中央控制系统；9-支撑件；91-支撑柱；10-安装杆。
具体实施方式
以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。
如图1所示，本实用新型的一种二氧化碳相变泄爆温压测试系统，包括：
二氧化碳相变泄爆系统1，包括：一个储液仓2，储液仓2设有与其内部相通的进液口21和泄爆口22；一个加热装置3，设置在储液仓2内用于加热液态二氧化碳；一个相变泄能仓4，相变泄能仓4设有与其内部相通的进气口41和出气口42，进气口41与泄爆口22相通；第一自动控制阀5，设置在储液仓2的泄爆口22；第二自动控制阀6，设置在相变泄能仓4的出气口42；
温压数据采集处理系统7，用于采集和处理储液仓2和相变泄能仓4内的温度和压力；
中央控制系统8，与温压数据采集处理系统7、第一自动控制阀5和第二自动控制阀6电连接；以使得当温压数据采集处理系统7检测到储液仓2内的温压超过预设值时，中央控制系统8控制第一自动控制阀5开启，当温压数据采集处理系统7检测到相变泄能仓4的压力大于预设值时，中央控制系统8控制第二自动控制阀6开启。
利用本实用新型测试系统进行测试能准确获得二氧化碳相变泄爆过程中的温度和压力时空分布特征，并能分别获得二氧化碳相变储液仓中温度变化时程曲线、二氧化碳相变储液仓中压力变化时程曲线、二氧化碳相变泄爆冲击波衰减时程曲线、相变泄能仓4中特定时刻高压气体沿程分布曲线、相变泄能仓4中特定位置高压气体压力变化时程曲线、相变泄能仓4中特定时刻温度沿程分布曲线、相变泄能仓4中特定位置温度变化时程曲线。有利于研究人员分别分析冲击波和高压气体静楔作用在二氧化碳相变破岩过程中的作用效果和作用时间，明确二氧化碳相变破岩过程中的温度变化情况，指向性强、精确度高。
温压数据采集处理系统7的结构有多种，在这里不做限定，在本实施例中，温压数据采集处理系统7可以包括：温度采集装置71，用于采集储液仓2和相变泄能仓4内的温度；压力采集装置72，用于采集储液仓2和相变泄能仓4内的压力；和数据处理系统73，数据处理系统73与温度采集装置71、压力采集装置72和中央控制系统8均电连接。
为模拟二氧化碳高压气体尖劈气楔作用，相变泄能仓4的形状可以设置为一端宽一端窄，更好的模拟裂纹扩展过程中高压气体扩散所受的边界限制，在本实施例中，相变泄能仓4可以为内部中空的三菱柱，进气口41设置在三菱柱的一个侧壁43上，与侧壁43相对的侧棱敞口构成出气口42。
还可以包括一个支撑件9，支撑件9设置在侧棱的下方，以使得侧壁43垂直设置地面上，且所述泄爆口22与所述出气口42在同一水平面。
支撑件9的结构有多种，在这里不做限定，例如可以多个间隔设置在侧棱的支撑柱91。
温度采集装置71的结构有多种，在这里不做限定，在本实施例中，温度采集装置71可以包括设置在储液仓2内的一个第一温度传感器711和设置在相变泄能仓4内的多个第二温度传感器712。
多个第二温度传感器712可以沿侧壁43至侧棱的方向间隔设置在相变泄能仓4的顶侧壁44上。
压力采集装置72可以包括设置在储液仓2内的一个第一压力传感器721、设置在相变泄能仓4内的多个第二压力传感器722和设置在进气口41的压差传感器723。
多个第二压力传感器722可以沿侧壁43至侧棱的方向上间隔设置在相变泄能仓4的底侧壁45上，多个第二压力传感器722排列成一列，且与出气口在同一水平面上。侧壁43垂直设置地面上时，底侧壁45为倾斜的，为了使得多个第二压力传感器722排列成一列，且在同一水平线上，第二压力传感器722可以通过长短不一的安装杆10设置在底侧壁45上。
压差传感器723的设置方式有多种，在这里不做限定，在本实施例中，压力采集装置72还可以包括L型的连接杆724，连接杆724的一端固定在侧壁43上，压差传感器723固定在连接杆724的另一端。为了避免压差传感器723挡住第二压力传感器722，压差传感器723底部略高于第二压力传感器722的顶部。
在测试时，第一压力传感器721和第一温度传感器711不断将采集到的储液仓2中的温度和压力数据传输至温压数据采集处理系统7中，当储液仓2中的压力值达到预设值，即设定的定压剪切片强度值，温压数据采集处理系统7向中央控制系统8传输信号，中央控制系统8指示第一自动控制阀5打开，二氧化碳泄爆过程发生。其中温压数据采集处理系统7对第一温度传感器711采集到的气压数据进行处理，可以得到二氧化碳相变储液仓中温度变化时程曲线；温压数据采集处理系统7对第一压力传感器721采集到的气压数据进行处理，可以得到二氧化碳相变储液仓中压力变化时程曲线。
二氧化碳泄爆后，多个第二压力传感器722不断将不同时刻的气压数据传输至温压数据采集处理系统7中，当最靠近出气口42的第二压力传感器722检测到气体压力大于预设值，即二氧化碳相变致裂作用对象断裂临界应力时，中央控制系统8控制第二自动控制阀6打开，相变泄能仓4中的二氧化碳通过相变泄能仓4的出气口42直接排出。
温压数据采集处理系统7对整个过程中采集到的气压数据进行处理，得到泄能仓中高压气体压力时空分布特征，即可得到泄能仓中特定时刻高压气体沿程分布曲线、泄能仓中特定位置高压气体压力变化时程曲线。
温压数据采集处理系统7对整个过程中采集到的温度数据进行处理，多个第二温度传感器712不断将采集到的温度数据传输至温压数据采集处理系统7中，温压数据采集处理系统7对数据进行分析处理，得到相变泄能仓4中二氧化碳相变高压气体温度时空分布特征，即可得到能仓中特定时刻温度沿程分布曲线、泄能仓中特定位置温度变化时程曲线；
二氧化碳泄能过程发生时，进气口41的压差传感器723受高压气体冲击，将采集到的冲击波应力传输到温压数据采集处理系统7中，温压数据采集系统将采集到的冲击波应力数值处理成二氧化碳相变泄爆冲击波衰减时程曲线。
以上未涉及之处，适用于现有技术。
虽然已经通过示例对本实用新型的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本实用新型的范围，本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围。
Claims (9)
1.一种二氧化碳相变泄爆温压测试系统，其特征在于：包括：
二氧化碳相变泄爆系统(1)，所述二氧化碳相变泄爆系统(1)包括：一个储液仓(2)，所述储液仓(2)设有与其内部相通的进液口(21)和泄爆口(22)；一个加热装置(3)，设置在所述储液仓(2)内用于加热液态二氧化碳；一个相变泄能仓(4)，所述相变泄能仓(4)设有与其内部相通的进气口(41)和出气口(42)，所述进气口(41)与所述泄爆口(22)相通；第一自动控制阀(5)，设置在所述储液仓(2)的泄爆口(22)；第二自动控制阀(6)，设置在所述相变泄能仓(4)的出气口(42)；
温压数据采集处理系统(7)，用于采集和处理所述储液仓(2)和相变泄能仓(4)内的温度和压力；
中央控制系统(8)，与所述温压数据采集处理系统(7)、第一自动控制阀(5)和第二自动控制阀(6)电连接；以使得当所述温压数据采集处理系统(7)检测到储液仓(2)内的温压超过预设值时，中央控制系统(8)控制第一自动控制阀开启，当所述温压数据采集处理系统(7)监测到相变泄能仓(4)的压力大于预设值时，中央控制系统(8)控制第二自动控制阀(6)开启。
2.如权利要求1所述的一种二氧化碳相变泄爆温压测试系统，其特征在于：所述温压数据采集处理系统(7)包括：温度采集装置(71)，用于采集储液仓(2)和相变泄能仓(4)内的温度；压力采集装置(72)，用于采集储液仓(2)和相变泄能仓(4)内的压力；和数据处理系统(73)，所述数据处理系统(73)与所述温度采集装置(71)、压力采集装置(72)和中央控制系统(8)均电连接。
3.如权利要求2所述的一种二氧化碳相变泄爆温压测试系统，其特征在于：所述相变泄能仓(4)为内部中空的三菱柱，所述进气口(41)设置在所述三菱柱的一个侧壁(43)上，与所述侧壁(43)相对的侧棱敞口构成所述出气口(42)。
4.如权利要求3所述的一种二氧化碳相变泄爆温压测试系统，其特征在于：还包括一个支撑件(9)，所述支撑件(9)设置在所述侧棱的下方，以使得所述侧壁(43)垂直设置地面上，且所述泄爆口(22)与所述出气口(42)在同一水平面。
5.如权利要求4所述的一种二氧化碳相变泄爆温压测试系统，其特征在于：所述温度采集装置(71)包括设置在所述储液仓(2)内的一个第一温度传感器(711)和设置在所述相变泄能仓(4)内的多个第二温度传感器(712)。
6.如权利要求5所述的一种二氧化碳相变泄爆温压测试系统，其特征在于：多个所述第二温度传感器(712)沿所述侧壁(43)至所述侧棱的方向间隔设置在所述相变泄能仓(4)的顶侧壁(44)上。
7.如权利要求4-6任一项所述的一种二氧化碳相变泄爆温压测试系统，其特征在于：所述压力采集装置(72)包括设置在所述储液仓(2)内的一个第一压力传感器(721)、设置在所述相变泄能仓(4)内的多个第二压力传感器(722)和设置在所述进气口(41)的一个压差传感器(723)。
8.如权利要求7所述的一种二氧化碳相变泄爆温压测试系统，其特征在于：多个所述第二压力传感器(722)沿所述侧壁(43)至所述侧棱的方向上间隔设置在所述相变泄能仓(4)的底侧壁(45)上，多个所述第二压力传感器(722)排列成一列，且与所述出气口在同一水平线上。
9.如权利要求7所述的一种二氧化碳相变泄爆温压测试系统，其特征在于：所述压力采集装置(72)还包括L型的连接杆(724)，所述连接杆(724)的一端固定在所述侧壁(43)上，所述压差传感器(723)固定在所述连接杆(724)的另一端。
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| CN110044952A (zh) * | 2019-04-29 | 2019-07-23 | 中国地质大学（武汉） | 一种二氧化碳相变泄爆温压测试系统及其测试方法 |
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