一种前、后混合式冰粒气体射流装置的制作方法

本实用新型属于冰粒气体射流技术领域，尤其涉及一种前、后混合式冰粒气体射流装置。

背景技术：

传统磨料射流技术主要包括磨料水射流和气动喷砂技术，由于其相对于高压水水射流有更好的冲蚀效果，自从上世纪80年代就开始被应用于切割，除锈，特殊材加工等作业中。但近年来，随着我国工业的快速发展，国内环境和资源问题日益严峻，磨料的回收及处理的问题日益凸显，传统磨料射流技术已经不能满足绿色可持续发展的要求。经过研究发现，冰粒在低温条件下莫式硬度为2～4，满足磨料要求，从而提出了以冰粒代替传统磨料进行射流作业，其能够真正实现绿色，经济的要求。

目前，冰粒射流技术主要是以压缩空气或高压水作为动力，均为后混合式冰粒射流。（1）以压缩空气为动力的后混合式。如原淮南矿业学院张东速设计的压缩空气引射冰粒装置；其方法是采用两套动力系统，一套动力系统用以制备冰粒磨料，一套动力系统用以压缩空气引射冰粒。通过该套装置可以实现常压下制备冰粒和冰粒气体射流。但由于其两套动力系统是独立存在的，不能实现冰粒即时制取与冰射流作业同步进行，存在能源浪费，工作效率低，作业条件要求高等问题。（2）以高压水为动力的后混合式。如原淮南工业学院高压水射流实验室进行的采用高压水引射冰粒而形成冰粒高压水射流，其方法是利用高压水流卷吸已粉碎的冰粒形成后混合式冰粒射流技术。利用高压水引射冰粒能提供较大的能量，避免冰粒在混合腔内发生粘结、堵塞现象。但由于冰水混合物温度在零摄氏度附近，高压水引射冰粒在喷嘴出口处会出现冰粒部分融化或硬度降低等现象，从而导致射流工作时有效靶距小，冲蚀率低和工作效率低等问题，另外，采用高压水引射冰粒时，还会造成大量水资源的浪费。

现有的冰粒射流技术主要是采用压缩空气或高压水的后混合射流技术，以水作为介质，不仅会造成水资源浪费，而且不能够提供满足冰粒长时间存在的低温度场。同时，现有的后混合式的射流方式，冰粒获得的冲蚀力较小，冰粒射流的使用范围受限。

技术实现要素：

本实用新型旨在提供一种使用方便、使用效果好的前、后混合式冰粒气体射流装置。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了如下的技术方案：一种前、后混合式冰粒气体射流装置，包括高压气体部、储水罐、液氮罐、冰粒喷嘴和射流管道；冰粒喷嘴包括沿气体传输方向依次设置的引射喷嘴、混合腔和射流喷嘴，在混合腔的侧壁上贯穿设置有进料口，引射喷嘴的内径沿气体传输方向逐渐变小；射流喷嘴前端的内径逐渐变小，射流喷嘴末端的内径逐渐变大；引射喷嘴通过混合腔与射流喷嘴连通；储水罐和液氮罐上均设置有气体入口和出口，储水罐和液氮罐的气体入口以及射流管道均连接高压气体部的出气口；储水罐和液氮罐的出口均连接进料口；射流管道的末端与引射喷嘴连通。

储水罐和液氮罐的出口分别连接三通阀的进口，每个三通阀的两个出口，其中一个连接进料口，另外一个连接射流管道。

高压气体部包括空压机、气体输入管道和至少1个气瓶，空压机连接各个气瓶的入气口，各个气瓶的入气口和出气口上均设置有阀门，各个气瓶的出气口处均设有流量计；各个气瓶的出气口均连接气体输入管道，气体输入管道的末端连接储水罐的气体入口、液氮罐的气体入口和射流管道。

储水罐和液氮罐的出口上均连接有流量计。

储水罐的出口上还连接有雾化喷嘴，储水罐的出口通过雾化喷嘴与三通阀的一个出口连通。

高压气体部的出气口以及储水罐和液氮罐的出口上连接有阀门。

储水罐和液氮罐的气体入口上均连接有减压阀门。

气体输入管道上设置有压力检测部，射流管道上设置有温度检测部。

压力检测部为压力计。

温度检测部为处理单元、显示单元和设置于射流管道内壁上的温度传感器，温度传感器采集温度信息，并将采集到的温度信息传输到处理单元，处理单元将温度信息传输到显示单元，显示单元显示温度。

通过以上技术方案，本实用新型的有益效果为：1、本实用新型所述的装置可以实现前、后混合式冰粒气体射流的随时切换；使用者可以根据情况选择合适的混合方法；前、后混合式冰粒气体射流在进行加工处理的过程中，都不损伤作业表面，冰粒气体射流只引入少量的水，加工以后，冰粒直接融化为水，不需对磨料进行处理；作业环境更好。2、设置的三通阀可以方便的进行前、后混合式冰粒气体射流的随时切换。3、高压气体部包括空压机、气体输入管道和至少1个气瓶，从而实现方便，易于控制。4、储水罐的出口上还连接有雾化喷嘴，通过雾化喷嘴实现了水的雾化，进而使得进入到射流管道中的为小水滴，提高冰粒的形成效果。5、压力检测部为压力计；温度检测部为温度传感器、处理单元和显示单元，通过压力计和温度传感器实现了工作过程中参数的监测，从而便于工作过程的控制。

附图说明

图1为本实用新型所述装置结构示意图；

图2为冰粒喷嘴结构示意图。

具体实施方式

一种前、后混合式冰粒气体射流装置，如图1所示，包括高压气体部，高压气体部用于制备具有压力的气体，高压气体部包括空压机1、气体输入管道11和至少1个气瓶2，本实施例中气瓶2的数量为3个。为了便于气体的控制，在气瓶2的入气口和出气口上均设置有阀门3，通过阀门3的开启或关闭方便气体传输的控制过程。同时，在气瓶2的出气口上设置有流量计4，通过流量计4可以得知从各个气瓶中出来的气体的流量，通过对气体参数的监测，可以及时对整个冰粒气体射流的过程做出调整，保证其高效的工作状态。空压机1通过管道连接各个气瓶2的入气口，各个气瓶2的出气口均通过管道连接气体输入管道11。

在气体输入管道11上设置有压力检测部，其中压力检测部为压力表，通过压力表可以实时得知流经气体输入管道11的气体的压力，其也有益于对整个工作过程的监测。

气体输入管道11的末端分成第一路和第二路，其中第一路连接有储水罐6和液氮罐8。在储水罐和液氮罐的顶端均设置有气体入口，通过将气体入口设置于顶端，方便气体对储水罐和液氮罐中的压力的作用过程。同时，在储水罐和液氮罐的气体入口上均连接有减压阀门31，从而便于气体进入到储水罐和液氮罐中的控制过程，通过将气体输入到储水罐和液氮罐中可以平衡储水罐和液氮罐中的压力，进而方便水从储水罐中流出和液氮从液氮罐中流出。减压阀31可以实现前混合式和后混合式的调整，当从前混合式改变成后混合式时，可以通过减压阀降低进入到储水罐和液氮罐中的气体压力，从而保证后混合式时高压气体的引流效果。

气体输入管道11的第二路连接有射流管道12，且气体输入管道的第二路连接射流管道12的初始端。

储水罐6的出口上连接有雾化喷嘴7，其中，雾化喷嘴为市售产品。雾化喷嘴7的出口以及液氮罐8的出口上分别连接有三通阀13，且连接三通阀13的入口。

每个三通阀13的两个出口，其中一个出口连接射流管道12的中部，从液氮罐8出来的液氮进入到射流管道中形成低温场，从储水罐6中出来的水被雾化后进入到射流管道中，在射流管道中低温场的作用下下形成冰粒。

三通阀的另外一个出口上连接有冰粒喷嘴121，其中，冰粒喷嘴121如图2所示，包括壳体，壳体内设置有沿气体传输方向依次设置的引射喷嘴、混合腔17和射流喷嘴。在混合腔17的侧壁上贯穿设置有进料口15，三通阀的一个出口通过进料口与雾化喷嘴和液氮罐的出口连接，从而通过进料口15可以使得液氮和雾化水进入到混合腔17中，在进料口15上也设置有阀门3，从而通过进料口15上的阀门3控制液氮和雾化水进入混合腔的过程。引射喷嘴16的首端设置有连接管14，连接管14与射流管道的末端连接，从而便于气体或冰粒进入到引射喷嘴16中；引射喷嘴16的内径沿气体传输方法逐渐变小，从而增大进入到引射喷嘴中的高压气体的风速。射流喷嘴18射流喷嘴前端的内径逐渐变小，射流喷嘴18末端的内径逐渐变大，此处，前后的定义方式为：沿高压气体传输方向为从前到后；其中，引射喷嘴16通过混合腔17与射流喷嘴18连通，从而便于高压气体和冰粒在冰粒喷嘴中的传输。进行后混合时，高压气体通过连接管14进入到引射喷嘴16中，液氮在高压气体的引流下进入到混合腔，在混合腔产生低温场，雾化水在高压气体的引流下也进入到混合腔，在低温场作用下形成冰粒，高压气体带动冰粒从射流喷嘴中喷出。

使用的时候，使用者通过本装置可以实现前混合式和后混合式冰粒气体射流，使用者可以根据需要进行选择，当处理较硬材料，需要能量较高时，选择前混合式冰粒气体射流，以获得较好的加工效果；当需要冲蚀能量较低时，可以选择后混合式冰粒气体射流；工作时，使用者可以调整三通阀在前混合式冰粒气体射流和后混合式冰粒气体射流之间快速切换，以满足不同的工况条件。

一种利用上述装置进行的前、后混合式冰粒气体射流方法，包括如下步骤：

1)制备高压气体；空压机生成高压气体，同时高压气体进入到气瓶中实现存储；使用时可以利用气瓶的入气口和出气口的阀门实现高压气体进入或出来气瓶的控制。

2)判断是否进行前混合式冰粒气体射流，如果是进行步骤3），否则进行步骤7）；判断的依据为：当处理较硬材料，需要能量较高时，选择前混合式冰粒气体射流，以获得较好的加工效果；当需要冲蚀能量较低时，可以选择后混合式冰粒气体射流。

3)调节三通阀使得雾化喷嘴和液氮罐的出口均与射流管道连通，其中，储水罐的出口连接雾化喷嘴，从而使得进入到射流管道的为雾化后的水滴，增大冰粒与低温场的作用下效果。

4)高压气体、液氮和雾化水进入射流管道；

高压气体进入到储水罐、液氮罐和射流管道，进入到射流管道的高压气体的压力为0.5～15Mpa，优选为10Mpa；流量范围为0.02～0.38kg/s，优选为0.2 kg/s，从而提高引流效果，保证冰粒气体的射流效果；液氮从液氮罐中出来，进入到射流管道；液氮在射流管道中形成低温场，水从储水罐中出来，通过雾化喷嘴变成雾化水，雾化水在低温场作用下形成冰粒；进入到射流管道中的液氮和雾化水的流量比为0.1~0.5优选为0.3，可以选择0.1、0.2或0.4，从而保证雾化水充分接触低温环境，保证冰粒的作用效果，避免冰粒出现粘连以及融化的现象；同时，在此种条件下，气体和冰粒混合后管路中最佳的温度为-100℃，可以保证管路内和射流区冰粒硬度最大，获得较好的射流效果。

5)高压气体带动冰粒依次经过引射喷嘴、混合腔，最终从射流喷嘴中喷出，喷出的冰粒的粒径为0.053～0.25mm，优选为0.1mm，从而使得冰粒可以充分与需要作业的表面接触，同时不损坏作业表面本身；冰粒在引射喷嘴中的路径逐渐变窄；冰粒在射流喷嘴中的路径先逐渐变窄，然后逐渐变宽；高压气体经引射喷嘴和射流喷嘴可以获得较高的速度，从而为冰粒提供更多的能量，进而使得冰粒气体获得更好的冲蚀效果。

6)判断是否需要改变混合方法，如是，则进行步骤2），如否则进行步骤11）；

7)调节三通阀使得雾化喷嘴和液氮罐的出口均与冰粒喷嘴的进料口连通；调节储水罐和液氮罐气体入口的减压阀，使得进入到储水罐和液氮罐中的气体的压力小于进入到射流管道的气体的压力，从而提高气体的引流效果，此处进入储水罐和液氮罐中的气体的压力10～25Mpa，优选20Mpa。

高压气体进入到引射喷嘴，进入到引射喷嘴的高压气体的流量和压力分别为10～25Mpa优选为15Mpa；0.26～0.68kg/s，优先为0.4kg/s；储水罐中的水经过雾化喷嘴被雾化成雾化水，雾化水和液氮在引射喷嘴中高压气体的作用下进入到混合腔；液氮在混合腔中形成低温场，雾化水在低温场作用下形成冰粒，高压气体带动冰粒进入到射流喷嘴；进入到混合腔的液氮和雾化水的流量比为0.1~0.5优选为0.3，可以选择0.1、0.2或0.4，从而保证雾化水充分接触低温环境，保证冰粒的作用效果，避免冰粒出现粘连以及融化的现象；同时，在此种条件下，气体和冰粒混合后管路中最佳的温度为-100℃，可以保证管路内和射流区冰粒硬度最大，获得较好的射流效果；

8)高压气体带动冰粒从射流喷嘴喷出，喷出的冰粒的粒径为0.053～0.25mm；高压气体和冰粒在射流喷嘴中的路径为：先逐渐变窄，然后逐渐变宽，从而使得冰粒气体获得更大的速度，提高冰粒射流效果。

9)判断是否需要改变混合方法，如是，则进行步骤2），如否则进行步骤11）；

10)工作结束；首先，停止向储水罐和液氮罐中充入高压气体，停止储水罐的出水和液氮从液氮罐中流出；停止高压气体的制备，排完管路内的气体。

方法为：首先，依次关闭储水罐和液氮罐气体入口和出口处的阀门；然后，调节三通阀，保证三通阀的出口与射流管道连通；5s后，关闭空压机，排完管路内的气体；再5s后，关闭气瓶进气口的阀门，最后，间隔5s关闭气瓶出气口的阀门，整个工作过程结束。此处，阀门关闭的先后顺序关系到整个装置的稳定性，先对储水罐和液氮罐上的阀门进行操作，可以保证管道压力的平衡；最终间隔5s依次关闭气瓶进气口的阀门和出气口的阀门，可以保证气瓶中的压力平衡，保证整个工作过程。

本实用新型所述的装置可以实现前、后混合式冰粒气体射流的随时切换，前混合式冰粒气体射流动力消耗少，能耗低，冰粒加速充分，冲蚀效果强；后混合式冰粒气体射流，对系统要求低，储水罐、液氮罐不用承受高压，系统可靠，适用于工程应用；同时，前、后混合式冰粒气体射流在进行加工处理的过程中，都不会损伤作业表面，冰粒气体射流只引入的少量的水，加工以后，冰粒直接融化为水，不需对磨料进行处理；作业环境好；此外，该装置结构简单，便于维护，工作效率高，能满足不同的作业要求。