CN111921395A - 一种溶气式水射流装置及溶气式水射流发生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种溶气式水射流装置及溶气式水射流发生方法，溶气式水射流装置包括溶气装置和水射流装置；溶气装置包含水箱、二氧化碳钢瓶、减压阀、气体流量计、气体增压泵、压力传感器、气泡细化器和加热带；水射流装置包括柱塞泵、电机、变频器、压力管道、移动平台和喷嘴。溶气装置作用是把定量二氧化碳气体溶解于水箱的清水中，射流装置作用是把携溶解有二氧化碳气体的水流在从喷嘴喷出，从喷嘴喷出后气体从高速水流中析出，增强水射流的冲击力。通过本发明方法可以显著提高水射流的冲击冲蚀能力，提高水射流的冲击效率。

Description

一种溶气式水射流装置及溶气式水射流发生方法

技术领域

本发明属于水射流领域，涉及一种水射流装置，具体涉及一种溶气式水射流装置及溶气式水射流发生方法。

背景技术

作为一种高能束流加工技术,高压水射流切割因其独特的切割模式,被广泛应用于机械加工、食品医疗、海洋工程等领域。纯水射流在冲击切割时***压力高、设备能耗大，给设备的使用寿命和安全性带来了极大的挑战。为了增强纯水射流切割能力，高压气液两相流作为一种高效射流，在较低压力条件下的冲蚀效果就能达到中高压力连续射流的水平，可以很好的解决纯水射流面临的问题。研究数据表明：两相流破煤岩效率大大提高，破煤岩门限压力降低，冲孔孔径及冲孔孔深是普通射流的2倍。

传统高压气液两相流的进气方式通常是在喷嘴处吸入空气，对喷嘴结构要求较高。虽然在高压水射流中进气方式多种多样，但气液混合往往不够均匀，导致冲击效果不够稳定。为了解决传统高压气液两相流气液混合不均的问题，发明一种新型溶气式水射流装置和方法具有重要的意义。

发明内容

为了克服上述的问题和不足之处，本发明提出了一种溶气式水射流装置及溶气式水射流发生方法，并依据此方法设计了一套装置，以保证该方法可以提高水射流冲击效率，增强水射流的冲击效果。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种溶气式水射流装置，其特征在于：包括溶气装置和水射流装置，所述溶气装置包括水箱、二氧化碳供气装置、空气供气装置、加热装置、压力检测装置和控制器，所述二氧化碳供气装置通过二氧化碳供气管与水箱底部相连，用于对水箱底部供给二氧化碳气体，所述空气供气装置通过空气供气管与水箱上部相连，用于对水箱内顶部供给空气，所述加热装置用于对水箱内加热，维持水箱内水处于设定温度，所述压力检测装置用于检测水箱内顶部气压，所述水箱底部通过出水管连接水射流装置，为水射流装置供给溶解有二氧化碳的水源，所述控制器接收压力检测装置的压力信号，并通过控制二氧化碳供气装置、空气供气装置的供给量保证水箱内二氧化碳溶解量的稳定，所述水箱上部设有带阀门的进水口，水箱顶部设有带阀门的通气口。

进一步地，所述二氧化碳供气装置包括二氧化碳钢瓶和设于二氧化碳顶部出口的减压阀，所述减压阀为通过控制器控制的电动减压阀，所述减压阀出口与二氧化碳供气管，二氧化碳供气管上设有用于检测供给二氧化碳流量的二氧化碳气体流量计，二氧化碳气体流量计检测的二氧化碳流量反馈给控制器，控制器通过控制减压阀大小来控制二氧化碳供气量。

进一步地，所述空气供气装置包括气体增压泵和空气流量计，所述气体增压泵的出口与空气供气管相连，所述空气流量计设于空气供气管上，用于测量对水箱供给的空气量。

进一步地，所述水箱内底部设有用于将二氧化碳气泡分散的气泡细化器，二氧化碳供气管的出口与气泡细化器的入口相连。

进一步地，所述气泡细化器为低压细化气盘石。

进一步地，所述加热装置包括加热带和温度传感器，所述加热带为围绕安装在水箱的内壁四周的电阻丝发热带，所述温度传感器用于测量水温，并将水温信号反馈给控制器，所述控制器接收水温信号并控制加热带的加热功率。

进一步地，所述压力检测装置为带现场显示功能的压力传感器。

进一步地，所述水射流装置包括柱塞泵和喷嘴，所述柱塞泵的入口与水箱底部的出水管相连，柱塞泵的出口与喷嘴入口通过压力水管相连。

进一步地，所述喷嘴安装在用于调整其位置和姿态的移动平台上。

一种利用上述任意一项溶气式水射流装置的溶气式水射流发生方法，其特征在于：

步骤1、根据二氧化碳在水中的溶解度曲线，确定所需饱和溶解量对应的温度和液相上方气相组分中二氧化碳分压，计算出气相中二氧化碳和空气的比例；

步骤2、注水阶段，打开水箱上的进水口对水箱注水，打开通气口的阀门，保持水箱内与大气相通，当水位达到预设水位时，关闭进水口，打开加热装置将水箱内加热至步骤1中确定的温度，并维持该温度；

步骤3、关闭通气口的阀门，此时水箱内压力为大气压，也即是压力检测装置测得表压为零，打开二氧化碳供气装置，往水箱内的水中通入二氧化碳，直至压力检测装置检测的压力等于步骤1中二氧化碳分压；

步骤4、启动水射流装置，溶解有固定含量二氧化碳气体的水通过水射流装置形成溶气式水射流，此时通过加热装置维持水箱内温度恒定，同时启动二氧化碳供气装置和空气供气装置，按照步骤1中计算的气相中二氧化碳与空气的比例进气，对水箱顶部补压维持水箱顶部气压恒定。

本发明以二氧化碳为高压气液两相流的气体进行射流冲击；在水流进入高压水泵之前，在一定的温度和压力条件下，将二氧化碳溶解于水中，通过水泵施压，将溶解有二氧化碳的水通过喷嘴喷出，进行射流冲击实验。

本发明特提出采用价格低廉、无毒无害、可溶于水的二氧化碳气体作为高压气液两相流中的气相进行射流冲击。二氧化碳气体在25℃标准大气压下溶于水的体积是水的体积的0.76倍，属于可溶性气体。实验研究表明，当温度一定时，二氧化碳溶于水的体积倍数与压力成正比，即压力越高，溶解度越大。利用二氧化碳气体的这种性质，就可以通过改变压力的方式来控制水中溶解的二氧化碳的量。水经水泵加压后具有较高的势能，由于在较高的压力下二氧化碳溶解度增大，此时二氧化碳溶解于水中。在经过喷嘴处后，溶解有大量二氧化碳的高压水势能转化为动能，压力的突然释放会使二氧化碳在水中的溶解度急剧减小，溶解于水中的二氧化碳会转化为气体，与高速水流混合，形成一种新型的高压气液两相流。

结合传统的高压水射流***，本发明设计了一种可以控制溶解二氧化碳气体的射流装置，是本发明能够有效实施的必要装置。

本装置主要包括二氧化碳溶解装置和水射流装置。其中二氧化碳溶解装置包括气瓶、控制器和水箱。其中气瓶是装有二氧化碳气体的压力气瓶；气瓶出气口处装有减压阀，可以输送一定压力的二氧化碳气体。水箱上装有温度传感器和压力传感器，底部装有加热带。

附图说明

图1为本发明实施例中溶气式水射流装置结构示意图。

其中1-二氧化碳钢瓶，2-减压阀，3-二氧化碳气体流量计，4-气体增压泵，5-空气供气管，6-压力传感器，7-气泡细化器，8-水箱，9-加热带，10-进水口，11-控制器，12-温度传感器，13-柱塞泵，14-电机，15-变频器，16-压力水管，17-移动平台，18-喷嘴，19-空气流量计，20-通气口，21-二氧化碳供气管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

实施例1

如图1所示，一种溶气式水射流装置，包括溶气装置和水射流装置，所述溶气装置包括水箱8、二氧化碳供气装置、空气供气装置、加热装置、压力检测装置和控制器11，所述二氧化碳供气装置通过二氧化碳供气管21与水箱8底部相连，用于对水箱8底部供给二氧化碳气体，所述空气供气装置通过空气供气管5与水箱8上部相连，用于对水箱8内顶部供给空气，所述加热装置用于对水箱8加热，维持水箱8内水处于设定温度，所述压力检测装置用于检测水箱8内顶部气压，所述水箱8底部通过出水管连接水射流装置，为水射流装置供给溶解有二氧化碳的水源，所述控制器11接收压力检测装置的压力信号，并通过控制二氧化碳供气装置、空气供气装置的供给量保证水箱8内二氧化碳溶解量的稳定，所述水箱8上部设有带阀门的进水口10，水箱8顶部设有带阀门的通气口20。

所述二氧化碳供气装置包括二氧化碳钢瓶1和设于二氧化碳顶部出口的减压阀2，所述减压阀2为通过控制器11控制的电动减压阀2，所述减压阀2出口与二氧化碳供气管21，二氧化碳供气管21上设有用于检测供给二氧化碳流量的二氧化碳气体流量计3，二氧化碳气体流量计3检测的二氧化碳流量反馈给控制器11，控制器11通过控制减压阀2大小来控制二氧化碳供气量。

所述空气供气装置包括气体增压泵4和空气流量计19，所述气体增压泵4的出口与空气供气管5相连，所述空气流量计19设于空气供气管5上，用于测量对水箱8供给的空气量。

所述水箱8内底部设有用于将二氧化碳气泡分散的气泡细化器7，二氧化碳供气管21的出口与气泡细化器7的入口相连。

本实施例中，所述气泡细化器7为低压细化气盘石，具体为森森品牌的ZY-3090H型。

所述加热装置包括加热带9和温度传感器12，所述加热带9为围绕安装在水箱8的内壁四周的电阻丝发热带，所述温度传感器12用于测量水温，并将水温信号反馈给控制器11，温度传感器12安装在水箱8侧壁，所述控制器11接收水温信号并控制加热带9的加热功率，本实施例中所述温度传感器12为带现场显示功能的温度传感器，所述压力检测装置为带现场显示功能的压力传感器6。

所述水射流装置包括柱塞泵13和喷嘴18，所述柱塞泵13的入口与水箱8底部的出水管相连，柱塞泵13的出口与喷嘴18入口通过压力水管16相连，柱塞泵13与电机14动力传递相连，电机14与变频器15相连，所述喷嘴18安装在用于调整其位置和姿态的移动平台17(为现有成熟技术，比如三维移动平台或者二维移动平台，具体本发明不再赘述)上，柱塞泵13为耐腐蚀性柱塞泵13，压力水管16为耐腐蚀水管，喷嘴18为耐腐蚀喷嘴18。所述柱塞泵13给水加压，柱塞泵13压力通过变频器15调节电机14转速控制。

本发明还提供了一种溶气式水射流发生方法，具体步骤如下：

步骤1，根据二氧化碳在水中的溶解度曲线(通过化学物性手册可以查到)，确定所需饱和溶解量M对应的温度T和液相上方气相组分中二氧化碳分压P，计算出气相中二氧化碳和空气的比例。

步骤2，把L升纯水通过进水口10加入水箱8中，打开通气口20，保持水箱8内与大气相连，打开加热带9，把水箱8中的水温加热，当温度传感器12显示的水温维持在温度T时，关闭通气口20，密闭水箱8。

步骤3，打开减压阀2，二氧化碳钢瓶1中的二氧化碳气体通过二氧化碳供气管21通入水箱8中，当压力传感器6检测的水箱8内压力稳定在P时，二氧化碳溶解于水的量即已经达到目标值M。

步骤4，启动控制器11，控制器11可以通过处理温度传感器12和加热带9维持水箱8内温度恒定，通过压力传感器6的数据对减压阀2的开度和气体增压泵4的排气量进行控制，从而控制二氧化碳和空气安装上述计算的比例进料，保持水箱8内总压稳定，最终达到保持水箱8上方气体中二氧化碳分压维持稳定。

步骤5，启动水射流装置，通过移动平台17调节喷嘴18的位置，通过变频器15调节电机14转速，达到预设压力；柱塞泵13吸入水箱8中溶解有二氧化碳气体的清水从喷嘴18喷出形成溶气式水射流。

当水箱中水用完时，重新组装溶气式水射流装置按照步骤2至步骤5可以进行下一次水射流发生。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种溶气式水射流装置，其特征在于：包括溶气装置和水射流装置，所述溶气装置包括水箱、二氧化碳供气装置、空气供气装置、加热装置、压力检测装置和控制器，所述二氧化碳供气装置通过二氧化碳供气管与水箱底部相连，用于对水箱底部供给二氧化碳气体，所述空气供气装置通过空气供气管与水箱上部相连，用于对水箱内顶部供给空气，所述加热装置用于对水箱内加热，维持水箱内水处于设定温度，所述压力检测装置用于检测水箱内顶部气压，所述水箱底部通过出水管连接水射流装置，为水射流装置供给溶解有二氧化碳的水源，所述控制器接收压力检测装置的压力信号，并通过控制二氧化碳供气装置、空气供气装置的供给量保证水箱内二氧化碳溶解量的稳定，所述水箱上部设有带阀门的进水口，水箱顶部设有带阀门的通气口。

2.如权利要求1所述溶气式水射流装置，其特征在于：所述二氧化碳供气装置包括二氧化碳钢瓶和设于二氧化碳顶部出口的减压阀，所述减压阀为通过控制器控制的电动减压阀，所述减压阀出口与二氧化碳供气管，二氧化碳供气管上设有用于检测供给二氧化碳流量的二氧化碳气体流量计，二氧化碳气体流量计检测的二氧化碳流量反馈给控制器，控制器通过控制减压阀大小来控制二氧化碳供气量。

3.如权利要求1所述溶气式水射流装置，其特征在于：所述空气供气装置包括气体增压泵和空气流量计，所述气体增压泵的出口与空气供气管相连，所述空气流量计设于空气供气管上，用于测量对水箱供给的空气量。

4.如权利要求1所述溶气式水射流装置，其特征在于：所述水箱内底部设有用于将二氧化碳气泡分散的气泡细化器，二氧化碳供气管的出口与气泡细化器的入口相连。

5.如权利要求4所述溶气式水射流装置，其特征在于：所述气泡细化器为低压细化气盘石。

6.如权利要求1所述溶气式水射流装置，其特征在于：所述加热装置包括加热带和温度传感器，所述加热带为围绕安装在水箱的内壁四周的电阻丝发热带，所述温度传感器用于测量水温，并将水温信号反馈给控制器，所述控制器接收水温信号并控制加热带的加热功率。

7.如权利要求1所述溶气式水射流装置，其特征在于：所述压力检测装置为带现场显示功能的压力传感器。

8.如权利要求1-7任意一项所述溶气式水射流装置，其特征在于：所述水射流装置包括柱塞泵和喷嘴，所述柱塞泵的入口与水箱底部的出水管相连，柱塞泵的出口与喷嘴入口通过压力水管相连。

9.如权利要求8所述溶气式水射流装置，其特征在于：所述喷嘴安装在用于调整其位置和姿态的移动平台上。

10.一种利用利要求1-7任意一项所述溶气式水射流装置的溶气式水射流发生方法，其特征在于：

步骤1、根据二氧化碳在水中的溶解度曲线，确定所需饱和溶解量对应的温度和液相上方气相组分中二氧化碳分压，计算出气相中二氧化碳和空气的比例；

步骤2、注水阶段，打开水箱上的进水口对水箱注水，打开通气口的阀门，保持水箱内与大气相通，当水位达到预设水位时，关闭进水口，打开加热装置将水箱内加热至步骤1中确定的温度，并维持该温度；

步骤3、关闭通气口的阀门，此时水箱内压力为大气压，也即是压力检测装置测得表压为零，打开二氧化碳供气装置，往水箱内的水中通入二氧化碳，直至压力检测装置检测的压力等于步骤1中二氧化碳分压；

步骤4、启动水射流装置，溶解有固定含量二氧化碳气体的水通过水射流装置形成溶气式水射流，此时通过加热装置维持水箱内温度恒定，同时启动二氧化碳供气装置和空气供气装置，按照步骤1中计算的气相中二氧化碳与空气的比例进气，对水箱顶部补压维持水箱顶部气压恒定。

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