一种利用饱和溶液结晶的新型高压磨料水射流装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种利用饱和溶液结晶的新型高压磨料水射流装置及方法，包括射流发生系统和冷却系统两部分；所述射流发生系统包括溶液池、溶液囊、喷嘴、高压罐、溢流阀、水池、高压泵；所述冷却系统包括冷却机，冷却液输送管，冷却管，保温外壳，高压钢管；所述高压钢管与冷却管处于保温外壳内部，且冷却管紧密缠绕在高压钢管上，冷却液在冷却管中的流动方向与高压钢管中饱和溶液的流动方向相反。其优点是：本发明兼具前混合与后混合磨料水射流的优点，并有效回避了前混合与后混合磨料水射流的不足，且装置设备成本低廉，使用安全可靠，操作方便，对磨料水射流的进一步发展及应用具有重要意义。
【专利说明】一种利用饱和溶液结晶的新型高压磨料水射流装置及方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及一种利用饱和溶液结晶的新型高压磨料水射流装置及方法，尤其是一种将饱和溶液冷却后析出的微小晶体颗粒作为磨料粒子的新型磨料射流，属于水射流【技术领域】。
【背景技术】
[0003]磨料水射流是在纯水射流中混入一定数量的磨料微粒，从而大大提高射流的冲击能力的一种高效射流。磨料水射流的冲击能力远远大于纯水射流，一定条件下的磨料射流，能有效的切割钢筋混凝土和钢板。近些年，磨料水射流作为一项新技术得到了迅速发展，在清洗、切割、石油钻井等领域得到了广泛的应用，超高压水刀就是基于磨料水射流技术发展起来的一类特种加工机床。
[0004]磨料水射流根据磨料粒子进入水流的方式不同，可分为前混合磨料水射流与后混合磨料水射流。前混合磨料水射流工作原理为:先将磨料与水在磨料罐内进行初步混合，使磨料处于似液体的流化状态，然后经混合腔将流态磨料与高压水混合，最后由喷嘴高速射出。前混合磨料射流优点是磨料粒子加速时间长，获得能量大，因而在较低的压力下具有较强的冲击能力；但前混合磨料水射流对管道和设备的磨损很大，磨料的浓度不易控制，且磨料粒子在磨料罐内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，其工作原理为:水流通过水喷嘴时形成高速射流并产生一定的真空度，从而将磨料粒子吸入混合腔，之后高速水流携带着磨料粒子从磨料喷嘴喷出，形成磨料水射流。后混合磨料水射流虽然使用广泛，但其磨料粒子是在接近射流出口处引入，磨料粒子加速时间短，获得能量少，因而使用时需要比前混合磨料水射流更高的压力，导致设备成本大大增加。此外，由于后混合磨料水射流引入的磨料粒子处于射流束的外围，对喷嘴的磨损很严重。因此，尽管后混合磨料水射流应用广泛，但仍存在着较大的不足。
[0005]由上述可知，前混合磨料水射流与后混合磨料水射流各自的工作原理决定了其在技术上难以解决的不足，发明新型的磨料水射流对水射流技术的发展应用具有重要意义。
【发明内容】
[0006]本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种通过用溶解度随温度降低而快速减小的物质如硫酸钠的饱和溶液作为射流的介质，在喷嘴出口处用冷却机对饱和溶液进行快速冷却，部分溶质将因溶液温度降低而以晶体颗粒析出并随溶液从喷嘴出口高速射流，形成磨料射流，且磨料粒子即晶体颗粒的大小与数量可以通过冷却管道的长度以及冷却温度来控制。本发明兼具前混合与后混合磨料水射流的优点，并有效回避了前混合与后混合磨料水射流的不足，且装置设备成本低廉，使用安全可靠，操作方便的一种利用饱和溶液结晶的新型高压磨料水射流装置及方法。
[0007]本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的:
一种利用饱和溶液结晶的新型高压磨料水射流装置，其特征在于，包括射流发生系统和冷却系统；
其中射流发生系统包括:
一个高压罐:所述高压罐开有四个与高压罐体内相通的孔，分别是孔A、孔B、孔C、孔
D ；
一个设置在高压罐内的溶液囊:所述溶液囊设有进口与出口，其中进口与孔B连通，出口与孔D连通；
一个用于存放饱和溶液的溶液池:所述溶液池底端开口并通过高压软管与孔B连通；所述溶液池与孔B连通的高压软管上设有高压阀门；
一个水蓄能装置:该水蓄能装置包括与孔A连通的进口、以及与孔C连通的出口 ；用于将高压罐充入高压水从而挤压溶液囊使溶液囊内的饱和溶液从孔D 口流出；
冷却系统包括:
一个高压钢管；所述高压钢管进口通过高压软管与高压罐的孔D连通，所述高压钢管进口与高压罐的孔D连通的高压软管上设有高压阀门；高压钢管出口与高压喷枪连接；高压钢管上设有用于将高压钢管冷却至设定温度的冷却组件；所述冷却组件包括螺旋缠绕在高压钢管上的冷却管、保温外壳以及冷却机；高压钢管与冷却管均设置在保温外壳内；冷却管的进口段伸出保温外壳通过冷却液输送管与冷却机的输出端连接，冷却管的出口段伸出保温外壳通过冷却液输送管与冷却机的输入端连接；冷却液在冷却管内的轴向流动方向与饱和溶液在高压钢管流动方向相反。
[0008]在上述的一种利用饱和溶液结晶的新型高压磨料水射流装置，所述水蓄能装置包括一个用于储水的水池；高压泵通过高压软管将水池抽出经孔A注入高压罐内；高压罐的孔C通过高压软管与水池连通；所述高压罐的孔C与水池连通的高压软管上还设有溢流阀；高压泵与孔A连通的高压软管上还设有高压阀门。
[0009]在上述的一种利用饱和溶液结晶的新型高压磨料水射流装置，所述高压罐上的孔A、孔B、孔C、孔D分别位于高压罐的顶端、底端以及侧面；其中，孔AjL B并排设置在高压罐顶端；孔D位于高压罐的底端；孔C设置在高压罐侧面并靠近高压罐底端处。
[0010]一种利用饱和溶液结晶的新型高压磨料水射流装置的射流方法，其特征在于，包括以下步骤:
步骤1，先将溢流阀压力调为零，打开与孔B连接的高压阀门向溶液囊中充满饱和溶液；
步骤2，打开冷却机并将冷却温度调到所需值，使冷却液在冷却管I中循环并将高压钢管冷却到所需温度；
步骤3，将溢流阀压力调到所需工作压力，打开与孔A连接的高压阀门，启动高压泵并缓慢调节到所需工作压力，待溢流阀中开始有水流出时，打开与孔D连接的高压阀门，由孔A进入的高压水便挤压溶液囊，使得饱和溶液由高压罐的孔D流出，再经高压软管进入高压钢管；由于高压钢管内的温度低，饱和溶液会在高压钢管内析出微小晶体颗粒；析出的微小晶体颗粒随溶液经高压软管从高压喷枪的喷嘴高速射出，形成高压磨料水射流。
[0011]因此，本发明具有如下优点:以溶解度随温度降低而急剧减小的溶质的饱和溶液为射流介质，通过在射流出口附近降低溶液温度使得部分溶质以微小晶体颗粒析出并随溶液由喷嘴高速射出，形成磨料水射流。由于微小晶体颗粒是在喷嘴出口处从溶液中析出，因而对管道及设备的磨损大大小于前混合磨料水射流，且微小晶体颗粒与溶液的速度几乎一样，晶体颗粒获得的速度高、动能大，从而在相同泵压下的打击力远远强与后混合磨料水射流。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明的一种主视结构示意图。
【具体实施方式】
[0013]下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0014]实施例:
如附图1所示，利用饱和溶液结晶的新型高压磨料水射流装置及方法，包括射流发生系统和冷却系统两部分；
射流发生系统包括:
一个高压罐17:高压罐17开有四个与高压罐17体内相通的孔，分别是孔A、孔B、孔C、孔D;
一个设置在高压罐17内的溶液囊6:所述溶液囊6设有进口与出口，其中进口与孔B连通，出口与孔D连通；高压罐17上的孔AjL B、孔C、孔D分别位于高压罐17的顶端、底端以及侧面；其中，孔AjL B并排设置在高压罐17顶端；孔D位于高压罐17的底端；孔C设置在高压罐17侧面并靠近高压罐17底端处；
一个用于存放饱和溶液的溶液池4:溶液池4底端开口并通过高压软管2与孔B连通；溶液池4与孔B连通的高压软管2上设有高压阀门I ;
一个水蓄能装置:该水蓄能装置包括与孔A连通的进口、以及与孔C连通的出口 ；用于将高压罐17充入高压水从而挤压溶液囊6使溶液囊6内的饱和溶液从孔D 口流出；水蓄能装置包括一个用于储水的水池20 ;高压泵21通过高压软管2将水池20抽出经孔A注入高压罐17内；高压罐17的孔C通过高压软管2与水池20连通；所述高压罐17的孔C与水池20连通的高压软管2上还设有溢流阀18 ;高压泵21与孔A连通的高压软管2上还设有高压阀门I
冷却系统包括:
一个高压钢管9 ;高压钢管9进口通过高压软管2与高压罐17的孔D连通，高压钢管9进口与高压罐17的孔D连通的高压软管2上设有高压阀门I ;高压钢管9出口与高压喷枪10连接；高压钢管9上设有用于将高压钢管9冷却至设定温度的冷却组件；所述冷却组件包括螺旋缠绕在高压钢管9上的冷却管12、保温外壳13以及冷却机7 ;高压钢管9与冷却管12均设置在保温外壳13内；冷却管12的进口段伸出保温外壳13通过冷却液输送管8与冷却机7的输出端连接，冷却管12的出口段伸出保温外壳13通过冷却液输送管8与冷却机7的输入端连接；冷却液在冷却管12内的轴向流动方向与饱和溶液在高压钢管9流动方向相反。
[0015]使用时，具体为以下步骤: 步骤1，先将溢流阀18压力调为零，打开与孔B连接的高压阀门I向溶液囊6中充满饱和溶液；
步骤2，打开冷却机7并将冷却温度调到所需值，使冷却液在冷却管12中循环并将高压钢管9冷却到所需温度；
步骤3，将溢流阀18压力调到所需工作压力，打开与孔A连接的高压阀门1，启动高压泵21并缓慢调节到所需工作压力，待溢流阀18中开始有水流出时，打开与孔D连接的高压阀门1，由孔A进入的高压水便挤压溶液囊6，使得饱和溶液由高压罐17的孔D流出，再经高压软管2进入高压钢管9 ;由于高压钢管9内的温度低，饱和溶液会在高压钢管9内析出微小晶体颗粒；析出的微小晶体颗粒随溶液经高压软管2从高压喷枪10的喷嘴高速射出，形成高压磨料水射流。
[0016]本发明通过对饱和溶液进行快速降温，使得溶质以微小晶体颗粒析出并随饱和溶液由喷嘴高速射出，形成磨料水射流。由其工作原理可知:采用此种方法后，磨料粒子对设备及管道的磨损相对于前混合磨料水射流大大减小，且磨料粒子的速度与溶液速度几乎一样，磨料粒子动能大，因而在较低泵压下可获得较大的打击力，从而有效回避了后混合磨料水射流需要很高工作压力这一不足。值得指出的是，饱和溶液所采用的溶质必须是无毒物质，且溶解度能随温度降低而迅速减小，析出的晶体颗粒具有较强的硬度，如硫酸钠等。
[0017]本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属【技术领域】的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
【权利要求】
1.一种利用饱和溶液结晶的新型高压磨料水射流装置，其特征在于，包括射流发生系统和冷却系统； 其中射流发生系统包括: 一个高压罐(17):所述高压罐(17)开有四个与高压罐(17)体内相通的孔，分别是孔A、孔B、孔C、孔D ; 一个设置在高压罐(17 )内的溶液囊(6 ):所述溶液囊(6 )设有进口与出口，其中进口与孔B连通，出口与孔D连通； 一个用于存放饱和溶液的溶液池(4):所述溶液池(4)底端开口并通过高压软管(2)与孔B连通；所述溶液池(4)与孔B连通的高压软管(2)上设有高压阀门(I)； 一个水蓄能装置:该水蓄能装置包括与孔A连通的进口、以及与孔C连通的出口 ；用于将高压罐(17)充入高压水从而挤压溶液囊(6)使溶液囊(6)内的饱和溶液从孔D 口流出； 冷却系统包括: 一个高压钢管(9);所述高压钢管(9)进口通过高压软管(2)与高压罐(17)的孔D连通，所述高压钢管(9)进口与高压罐(17)的孔D连通的高压软管(2)上设有高压阀门(I)；高压钢管(9)出口与高压喷枪(10)连接；高压钢管(9)上设有用于将高压钢管(9)冷却至设定温度的冷却组件；所述冷却组件包括螺旋缠绕在高压钢管(9)上的冷却管(12)、保温外壳(13)以及冷却机(7);高压钢管(9)与冷却管(12)均设置在保温外壳(13)内；冷却管(12)的进口段伸出保温外壳(13)通过冷却液输送管(8)与冷却机(7)的输出端连接，冷却管(12)的出口段伸出保温外壳(13)通过冷却液输送管(8)与冷却机(7)的输入端连接；冷却液在冷却管(12 )内的轴向流动方向与饱和溶液在高压钢管(9 )流动方向相反。
2.根据权利要求1所述的一种利用饱和溶液结晶的新型高压磨料水射流装置，其特征在于，所述水蓄能装置包括一个用于储水的水池(20);高压泵(21)通过高压软管(2)将水池(20)抽出经孔A注入高压罐(17)内；高压罐(17)的孔C通过高压软管(2)与水池(20)连通；所述高压罐(17)的孔C与水池(20)连通的高压软管(2)上还设有溢流阀(18);高压泵(21)与孔A连通的高压软管(2 )上还设有高压阀门(I)。
3.根据权利要求1所述的一种利用饱和溶液结晶的新型高压磨料水射流装置，其特征在于，所述高压罐(17)上的孔A、孔B、孔C、孔D分别位于高压罐(17)的顶端、底端以及侧面；其中，孔A、孔B并排设置在高压罐(17)顶端；孔D位于高压罐(17)的底端；孔C设置在高压罐(17)侧面并靠近高压罐(17)底端处。
4.一种使用权利要求2所述的利用饱和溶液结晶的新型高压磨料水射流装置的射流方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1，先将溢流阀(18)压力调为零，打开与孔B连接的高压阀门(I)向溶液囊(6)中充满饱和溶液； 步骤2，打开冷却机(7)并将冷却温度调到所需值，使冷却液在冷却管(12)中循环并将高压钢管(9)冷却到所需温度； 步骤3，将溢流阀(18)压力调到所需工作压力，打开与孔A连接的高压阀门(1)，启动高压泵(21)并缓慢调节到所需工作压力，待溢流阀(18)中开始有水流出时，打开与孔D连接的高压阀门(1)，由孔A进入的高压水便挤压溶液囊(6)，使得饱和溶液由高压罐(17)的孔D流出，再经高压软管(2 )进入高压钢管(9 );由于高压钢管(9 )内的温度低，饱和溶液会在高压钢管(9)内析出微小晶体颗粒；析出的微小晶体颗粒随溶液经高压软管(2)从高压喷枪(10)的喷嘴高速射出，形成高压磨料水射流。
【文档编号】B24C5/00GK104290041SQ201410405513
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年8月18日 优先权日:2014年8月18日
【发明者】康勇, 李登, 王晓川, 方珍龙, 胡毅, 丁小龙 申请人:武汉大学