一種利用飽和溶液結晶的新型高壓磨料水射流裝置及方法
【專利摘要】本發明涉及一種利用飽和溶液結晶的新型高壓磨料水射流裝置及方法，包括射流發生系統和冷卻系統兩部分；所述射流發生系統包括溶液池、溶液囊、噴嘴、高壓罐、溢流閥、水池、高壓泵；所述冷卻系統包括冷卻機，冷卻液輸送管，冷卻管，保溫外殼，高壓鋼管；所述高壓鋼管與冷卻管處于保溫外殼內部，且冷卻管緊密纏繞在高壓鋼管上，冷卻液在冷卻管中的流動方向與高壓鋼管中飽和溶液的流動方向相反。其優點是：本發明兼具前混合與后混合磨料水射流的優點，并有效回避了前混合與后混合磨料水射流的不足，且裝置設備成本低廉，使用安全可靠，操作方便，對磨料水射流的進一步發展及應用具有重要意義。
【專利說明】一種利用飽和溶液結晶的新型高壓磨料水射流裝置及方法
[0001]
【技術領域】
[0002]本發明涉及一種利用飽和溶液結晶的新型高壓磨料水射流裝置及方法，尤其是一種將飽和溶液冷卻后析出的微小晶體顆粒作為磨料粒子的新型磨料射流，屬于水射流【技術領域】。
【背景技術】
[0003]磨料水射流是在純水射流中混入一定數量的磨料微粒，從而大大提高射流的沖擊能力的一種高效射流。磨料水射流的沖擊能力遠遠大于純水射流，一定條件下的磨料射流，能有效的切割鋼筋混凝土和鋼板。近些年，磨料水射流作為一項新技術得到了迅速發展，在清洗、切割、石油鉆井等領域得到了廣泛的應用，超高壓水刀就是基于磨料水射流技術發展起來的一類特種加工機床。
[0004]磨料水射流根據磨料粒子進入水流的方式不同，可分為前混合磨料水射流與后混合磨料水射流。前混合磨料水射流工作原理為:先將磨料與水在磨料罐內進行初步混合，使磨料處于似液體的流化狀態，然后經混合腔將流態磨料與高壓水混合，最后由噴嘴高速射出。前混合磨料射流優點是磨料粒子加速時間長，獲得能量大，因而在較低的壓力下具有較強的沖擊能力；但前混合磨料水射流對管道和設備的磨損很大，磨料的濃度不易控制，且磨料粒子在磨料罐內容易沉淀而堵塞管道。目前使用的磨料水射流大多是后混合磨料水射流，其工作原理為:水流通過水噴嘴時形成高速射流并產生一定的真空度，從而將磨料粒子吸入混合腔，之后高速水流攜帶著磨料粒子從磨料噴嘴噴出，形成磨料水射流。后混合磨料水射流雖然使用廣泛，但其磨料粒子是在接近射流出口處引入，磨料粒子加速時間短，獲得能量少，因而使用時需要比前混合磨料水射流更高的壓力，導致設備成本大大增加。此外，由于后混合磨料水射流引入的磨料粒子處于射流束的外圍，對噴嘴的磨損很嚴重。因此，盡管后混合磨料水射流應用廣泛，但仍存在著較大的不足。
[0005]由上述可知，前混合磨料水射流與后混合磨料水射流各自的工作原理決定了其在技術上難以解決的不足，發明新型的磨料水射流對水射流技術的發展應用具有重要意義。
【發明內容】
[0006]本發明主要是解決現有技術所存在的技術問題；提供了一種通過用溶解度隨溫度降低而快速減小的物質如硫酸鈉的飽和溶液作為射流的介質，在噴嘴出口處用冷卻機對飽和溶液進行快速冷卻，部分溶質將因溶液溫度降低而以晶體顆粒析出并隨溶液從噴嘴出口高速射流，形成磨料射流，且磨料粒子即晶體顆粒的大小與數量可以通過冷卻管道的長度以及冷卻溫度來控制。本發明兼具前混合與后混合磨料水射流的優點，并有效回避了前混合與后混合磨料水射流的不足，且裝置設備成本低廉，使用安全可靠，操作方便的一種利用飽和溶液結晶的新型高壓磨料水射流裝置及方法。
[0007]本發明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的:
一種利用飽和溶液結晶的新型高壓磨料水射流裝置，其特征在于，包括射流發生系統和冷卻系統；
其中射流發生系統包括:
一個高壓罐:所述高壓罐開有四個與高壓罐體內相通的孔，分別是孔A、孔B、孔C、孔
D ；
一個設置在高壓罐內的溶液囊:所述溶液囊設有進口與出口，其中進口與孔B連通，出口與孔D連通；
一個用于存放飽和溶液的溶液池:所述溶液池底端開口并通過高壓軟管與孔B連通；所述溶液池與孔B連通的高壓軟管上設有高壓閥門；
一個水蓄能裝置:該水蓄能裝置包括與孔A連通的進口、以及與孔C連通的出口 ；用于將高壓罐充入高壓水從而擠壓溶液囊使溶液囊內的飽和溶液從孔D 口流出；
冷卻系統包括:
一個高壓鋼管；所述高壓鋼管進口通過高壓軟管與高壓罐的孔D連通，所述高壓鋼管進口與高壓罐的孔D連通的高壓軟管上設有高壓閥門；高壓鋼管出口與高壓噴槍連接；高壓鋼管上設有用于將高壓鋼管冷卻至設定溫度的冷卻組件；所述冷卻組件包括螺旋纏繞在高壓鋼管上的冷卻管、保溫外殼以及冷卻機；高壓鋼管與冷卻管均設置在保溫外殼內；冷卻管的進口段伸出保溫外殼通過冷卻液輸送管與冷卻機的輸出端連接，冷卻管的出口段伸出保溫外殼通過冷卻液輸送管與冷卻機的輸入端連接；冷卻液在冷卻管內的軸向流動方向與飽和溶液在高壓鋼管流動方向相反。
[0008]在上述的一種利用飽和溶液結晶的新型高壓磨料水射流裝置，所述水蓄能裝置包括一個用于儲水的水池；高壓泵通過高壓軟管將水池抽出經孔A注入高壓罐內；高壓罐的孔C通過高壓軟管與水池連通；所述高壓罐的孔C與水池連通的高壓軟管上還設有溢流閥；高壓泵與孔A連通的高壓軟管上還設有高壓閥門。
[0009]在上述的一種利用飽和溶液結晶的新型高壓磨料水射流裝置，所述高壓罐上的孔A、孔B、孔C、孔D分別位于高壓罐的頂端、底端以及側面；其中，孔AjL B并排設置在高壓罐頂端；孔D位于高壓罐的底端；孔C設置在高壓罐側面并靠近高壓罐底端處。
[0010]一種利用飽和溶液結晶的新型高壓磨料水射流裝置的射流方法，其特征在于，包括以下步驟:
步驟1，先將溢流閥壓力調為零，打開與孔B連接的高壓閥門向溶液囊中充滿飽和溶液；
步驟2，打開冷卻機并將冷卻溫度調到所需值，使冷卻液在冷卻管I中循環并將高壓鋼管冷卻到所需溫度；
步驟3，將溢流閥壓力調到所需工作壓力，打開與孔A連接的高壓閥門，啟動高壓泵并緩慢調節到所需工作壓力，待溢流閥中開始有水流出時，打開與孔D連接的高壓閥門，由孔A進入的高壓水便擠壓溶液囊，使得飽和溶液由高壓罐的孔D流出，再經高壓軟管進入高壓鋼管；由于高壓鋼管內的溫度低，飽和溶液會在高壓鋼管內析出微小晶體顆粒；析出的微小晶體顆粒隨溶液經高壓軟管從高壓噴槍的噴嘴高速射出，形成高壓磨料水射流。
[0011]因此，本發明具有如下優點:以溶解度隨溫度降低而急劇減小的溶質的飽和溶液為射流介質，通過在射流出口附近降低溶液溫度使得部分溶質以微小晶體顆粒析出并隨溶液由噴嘴高速射出，形成磨料水射流。由于微小晶體顆粒是在噴嘴出口處從溶液中析出，因而對管道及設備的磨損大大小于前混合磨料水射流，且微小晶體顆粒與溶液的速度幾乎一樣，晶體顆粒獲得的速度高、動能大，從而在相同泵壓下的打擊力遠遠強與后混合磨料水射流。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為本發明的一種主視結構示意圖。
【具體實施方式】
[0013]下面通過實施例，并結合附圖，對本發明的技術方案作進一步具體的說明。
[0014]實施例:
如附圖1所示，利用飽和溶液結晶的新型高壓磨料水射流裝置及方法，包括射流發生系統和冷卻系統兩部分；
射流發生系統包括:
一個高壓罐17:高壓罐17開有四個與高壓罐17體內相通的孔，分別是孔A、孔B、孔C、孔D;
一個設置在高壓罐17內的溶液囊6:所述溶液囊6設有進口與出口，其中進口與孔B連通，出口與孔D連通；高壓罐17上的孔AjL B、孔C、孔D分別位于高壓罐17的頂端、底端以及側面；其中，孔AjL B并排設置在高壓罐17頂端；孔D位于高壓罐17的底端；孔C設置在高壓罐17側面并靠近高壓罐17底端處；
一個用于存放飽和溶液的溶液池4:溶液池4底端開口并通過高壓軟管2與孔B連通；溶液池4與孔B連通的高壓軟管2上設有高壓閥門I ;
一個水蓄能裝置:該水蓄能裝置包括與孔A連通的進口、以及與孔C連通的出口 ；用于將高壓罐17充入高壓水從而擠壓溶液囊6使溶液囊6內的飽和溶液從孔D 口流出；水蓄能裝置包括一個用于儲水的水池20 ;高壓泵21通過高壓軟管2將水池20抽出經孔A注入高壓罐17內；高壓罐17的孔C通過高壓軟管2與水池20連通；所述高壓罐17的孔C與水池20連通的高壓軟管2上還設有溢流閥18 ;高壓泵21與孔A連通的高壓軟管2上還設有高壓閥門I
冷卻系統包括:
一個高壓鋼管9 ;高壓鋼管9進口通過高壓軟管2與高壓罐17的孔D連通，高壓鋼管9進口與高壓罐17的孔D連通的高壓軟管2上設有高壓閥門I ;高壓鋼管9出口與高壓噴槍10連接；高壓鋼管9上設有用于將高壓鋼管9冷卻至設定溫度的冷卻組件；所述冷卻組件包括螺旋纏繞在高壓鋼管9上的冷卻管12、保溫外殼13以及冷卻機7 ;高壓鋼管9與冷卻管12均設置在保溫外殼13內；冷卻管12的進口段伸出保溫外殼13通過冷卻液輸送管8與冷卻機7的輸出端連接，冷卻管12的出口段伸出保溫外殼13通過冷卻液輸送管8與冷卻機7的輸入端連接；冷卻液在冷卻管12內的軸向流動方向與飽和溶液在高壓鋼管9流動方向相反。
[0015]使用時，具體為以下步驟: 步驟1，先將溢流閥18壓力調為零，打開與孔B連接的高壓閥門I向溶液囊6中充滿飽和溶液；
步驟2，打開冷卻機7并將冷卻溫度調到所需值，使冷卻液在冷卻管12中循環并將高壓鋼管9冷卻到所需溫度；
步驟3，將溢流閥18壓力調到所需工作壓力，打開與孔A連接的高壓閥門1，啟動高壓泵21并緩慢調節到所需工作壓力，待溢流閥18中開始有水流出時，打開與孔D連接的高壓閥門1，由孔A進入的高壓水便擠壓溶液囊6，使得飽和溶液由高壓罐17的孔D流出，再經高壓軟管2進入高壓鋼管9 ;由于高壓鋼管9內的溫度低，飽和溶液會在高壓鋼管9內析出微小晶體顆粒；析出的微小晶體顆粒隨溶液經高壓軟管2從高壓噴槍10的噴嘴高速射出，形成高壓磨料水射流。
[0016]本發明通過對飽和溶液進行快速降溫，使得溶質以微小晶體顆粒析出并隨飽和溶液由噴嘴高速射出，形成磨料水射流。由其工作原理可知:采用此種方法后，磨料粒子對設備及管道的磨損相對于前混合磨料水射流大大減小，且磨料粒子的速度與溶液速度幾乎一樣，磨料粒子動能大，因而在較低泵壓下可獲得較大的打擊力，從而有效回避了后混合磨料水射流需要很高工作壓力這一不足。值得指出的是，飽和溶液所采用的溶質必須是無毒物質，且溶解度能隨溫度降低而迅速減小，析出的晶體顆粒具有較強的硬度，如硫酸鈉等。
[0017]本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬【技術領域】的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。
【權利要求】
1.一種利用飽和溶液結晶的新型高壓磨料水射流裝置，其特征在于，包括射流發生系統和冷卻系統； 其中射流發生系統包括: 一個高壓罐(17):所述高壓罐(17)開有四個與高壓罐(17)體內相通的孔，分別是孔A、孔B、孔C、孔D ; 一個設置在高壓罐(17 )內的溶液囊(6 ):所述溶液囊(6 )設有進口與出口，其中進口與孔B連通，出口與孔D連通； 一個用于存放飽和溶液的溶液池(4):所述溶液池(4)底端開口并通過高壓軟管(2)與孔B連通；所述溶液池(4)與孔B連通的高壓軟管(2)上設有高壓閥門(I)； 一個水蓄能裝置:該水蓄能裝置包括與孔A連通的進口、以及與孔C連通的出口 ；用于將高壓罐(17)充入高壓水從而擠壓溶液囊(6)使溶液囊(6)內的飽和溶液從孔D 口流出； 冷卻系統包括: 一個高壓鋼管(9);所述高壓鋼管(9)進口通過高壓軟管(2)與高壓罐(17)的孔D連通，所述高壓鋼管(9)進口與高壓罐(17)的孔D連通的高壓軟管(2)上設有高壓閥門(I)；高壓鋼管(9)出口與高壓噴槍(10)連接；高壓鋼管(9)上設有用于將高壓鋼管(9)冷卻至設定溫度的冷卻組件；所述冷卻組件包括螺旋纏繞在高壓鋼管(9)上的冷卻管(12)、保溫外殼(13)以及冷卻機(7);高壓鋼管(9)與冷卻管(12)均設置在保溫外殼(13)內；冷卻管(12)的進口段伸出保溫外殼(13)通過冷卻液輸送管(8)與冷卻機(7)的輸出端連接，冷卻管(12)的出口段伸出保溫外殼(13)通過冷卻液輸送管(8)與冷卻機(7)的輸入端連接；冷卻液在冷卻管(12 )內的軸向流動方向與飽和溶液在高壓鋼管(9 )流動方向相反。
2.根據權利要求1所述的一種利用飽和溶液結晶的新型高壓磨料水射流裝置，其特征在于，所述水蓄能裝置包括一個用于儲水的水池(20);高壓泵(21)通過高壓軟管(2)將水池(20)抽出經孔A注入高壓罐(17)內；高壓罐(17)的孔C通過高壓軟管(2)與水池(20)連通；所述高壓罐(17)的孔C與水池(20)連通的高壓軟管(2)上還設有溢流閥(18);高壓泵(21)與孔A連通的高壓軟管(2 )上還設有高壓閥門(I)。
3.根據權利要求1所述的一種利用飽和溶液結晶的新型高壓磨料水射流裝置，其特征在于，所述高壓罐(17)上的孔A、孔B、孔C、孔D分別位于高壓罐(17)的頂端、底端以及側面；其中，孔A、孔B并排設置在高壓罐(17)頂端；孔D位于高壓罐(17)的底端；孔C設置在高壓罐(17)側面并靠近高壓罐(17)底端處。
4.一種使用權利要求2所述的利用飽和溶液結晶的新型高壓磨料水射流裝置的射流方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1，先將溢流閥(18)壓力調為零，打開與孔B連接的高壓閥門(I)向溶液囊(6)中充滿飽和溶液； 步驟2，打開冷卻機(7)并將冷卻溫度調到所需值，使冷卻液在冷卻管(12)中循環并將高壓鋼管(9)冷卻到所需溫度； 步驟3，將溢流閥(18)壓力調到所需工作壓力，打開與孔A連接的高壓閥門(1)，啟動高壓泵(21)并緩慢調節到所需工作壓力，待溢流閥(18)中開始有水流出時，打開與孔D連接的高壓閥門(1)，由孔A進入的高壓水便擠壓溶液囊(6)，使得飽和溶液由高壓罐(17)的孔D流出，再經高壓軟管(2 )進入高壓鋼管(9 );由于高壓鋼管(9 )內的溫度低，飽和溶液會在高壓鋼管(9)內析出微小晶體顆粒；析出的微小晶體顆粒隨溶液經高壓軟管(2)從高壓噴槍(10)的噴嘴高速射出，形成高壓磨料水射流。
【文檔編號】B24C5/00GK104290041SQ201410405513
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年8月18日 優先權日:2014年8月18日
【發明者】康勇, 李登, 王曉川, 方珍龍, 胡毅, 丁小龍 申請人:武漢大學