兼具二氧化碳制冷、碳封存的深海履带除黏系统及方法

本发明涉及深海采矿装备，具体涉及一种兼具二氧化碳制冷、碳封存的深海履带除黏系统及方法。

背景技术：

1、深海采矿车是工作在海深5000米左右的海底采矿作业装备，通过车身的脐带缆与水面支持母船相连，深海采矿车通过其底部两侧的履带行走单元实现在海床的行走，行走过程中采矿车的采集头收集多金属结核。海床表面通常覆盖有较厚的沉积物，因深海稀软沉积物本身较软，履带行走过程中对稀软沉积物压实，沉积物极易黏附于深海采矿车履带的外表面，并填充于履带外部的履齿之间，履齿之间的土体黏附会越来越严重，最后导致履齿之间全部黏附上稀软沉积物。土体黏附会影响采矿车履齿的有效高度，造成履齿有效高度减小，仅靠履带行走过程中的机械振动和海水扰流难以使淤泥从履带表面脱落，履带上的淤泥到达一定厚度后，会导致深海采矿车发生打滑以及沉陷在淤泥中无法行走，深海环境中难以对采矿车实施救援。因此，现有技术亟待进一步提升。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明的一个目的在于提出一种兼具二氧化碳制冷、碳封存的深海履带除黏系统，解决深海采矿车行进过程中履带黏附淤泥并累积到一定厚度，会导致深海采矿车发生打滑，以及沉陷在淤泥中无法行走，深海环境中难以对采矿车实施救援的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种兼具二氧化碳制冷、碳封存的深海履带除黏系统，包括气源供应设备、中继存储罐、压力调节单元、制冷循环单元、无线温度传感器、超临界二氧化碳制备单元、射流装置及控制单元，所述气源供应设备设置在水面支持母船上，中继存储罐安装在采矿车的后部，通过气源运输管道与气源供应设备相连。

4、压力调节单元包括第一管道、降压装置和二氧化碳暂存罐，二氧化碳暂存罐的入口通过所述第一管道与中继存储罐的出口相连，降压装置设置在第一管道上且与控制单元通讯相连，中继存储罐经过降压后进入二氧化碳暂存罐。

5、制冷循环单元包括第二管道及依次设在第二管道上的膨胀阀、蒸发器、压缩机、冷凝器，第二管道的一端与二氧化碳暂存罐的出口相连，蒸发器设置在采矿车的底架上，采矿车的传动轴穿过蒸发器的外壳，蒸发器的盘管沿传动轴的外围布置，冷凝器位于采矿车的顶部，第二管道还设有回流管。

6、无线温度传感器有多个，以内嵌的方式依次设置在采矿车履带的各履带板上，各无线温度传感器均与所述控制单元通讯相连。

7、超临界二氧化碳制备单元包括第三管道，第三管道一端与第二管道另一端相连，另一端与所述射流装置相连，第三管道上依次设置有温度控制装置、第五单向控制阀和增压装置，进入第三管道内的低温液态二氧化碳经过升温和加压后成为超临界二氧化碳。

8、射流装置包括一个射流主管和四个射流支管，各射流支管的一端通过射流主管与第三管道的另一端相连，另一端均配置有高压喷头，四个高压喷头分别朝向采矿车履带上层部分的表面，并向采矿车履带表面冲射超临界二氧化碳。

9、进一步地，降压装置包括依次串联在第一管道上的降压泵和第一压力传感器，降压泵位于第一压力传感器和中继存储罐的出口之间，第一压力传感器及降压泵的信号端分别与控制单元通讯相连。

10、第一管道上还设有第一单向控制阀，所述第一单向控制阀位于第一压力传感器和二氧化碳暂存罐的入口之间。

11、进一步地，所述第二管道上还设有第二单向控制阀，第二单向控制阀位于膨胀阀和二氧化碳暂存罐的出口之间。

12、所述回流管的两端均与第二管道相连，回流管的一端位于冷凝器和超临界二氧化碳制备单元之间，其另一端位于膨胀阀和第二单向控制阀之间，所述回流管上设有第三单向控制阀，工作状态下，第三单向控制阀与膨胀阀、蒸发器、压缩机、冷凝器形成单向循环回路。

13、进一步地，温度控制装置包括依次设置在第三管道上的加热器和第一温度传感器，加热器采用管式电加热器，固定套设在第三管道外部且对其内部经过的液体二氧化碳加热。

14、第三管道上还设置有第四单向控制阀，所述第四单向控制阀位于加热器和制冷循环单元之间，加热器位于第四单向控制阀和第一温度传感器之间，所述加热器和第一温度传感器的信号端分别与控制单元通讯相连。

15、进一步地，增压装置包括依次设置在第三管道上的增压泵和第二压力传感器，所述增压泵位于第二压力传感器和第五单向控制阀之间，增压泵和第二压力传感器的信号端分别与控制单元通讯相连。

16、进一步地，第三管道上设有三通管，三通管的入口与第三管道的另一端相连，三通管的其中一个出口与采矿车的采集头相连，另一个出口与射流主管的一端相连。

17、所述射流主管的另一端通过分流器与四个射流支管的一端相连相通，每个射流支管上均设有一个压力调节阀，各压力调节阀的信号端均与控制单元通讯相连。

18、进一步地，四个射流支管及高压喷头均位于采矿车的两个履带之间，其中两个射流支管布置在采矿车底架左侧的前后两端，另外两个射流支管布置在采矿车底架的右侧的前后两端。

19、高压喷头的出口分别朝向采矿车同侧履带上层部分的外表面，将黏附于履带表面的沉积物冲射掉。

20、本发明的另一个目的在于提出一种采矿车履带除黏方法。

21、一种采矿车履带除黏方法，采用上述的兼具二氧化碳制冷、碳封存的深海履带除黏系统，该方法包括如下步骤：

22、s1、水面支持母船上制备气态二氧化碳，制备好的气态二氧化碳通过气源运输管道泵送至中继存储罐内储存，气态二氧化碳到达深海底部后在压力作用下成为液压二氧化碳，中继存储罐内储存高压液压二氧化碳。

23、s2、高压液压二氧化碳由中继存储罐进入第二管道，高压液压二氧化碳经过降压装置后压力降压至3.8mpa-7.38mpa之间，之后进入二氧化碳暂存罐，液态二氧化碳在二氧化碳暂存罐内储存。

24、s3、二氧化碳暂存罐内的液态二氧化碳进入第二管道，通过膨胀阀进入蒸发器，膨胀阀控制液态二氧化碳进入蒸发器的流量，液态二氧化碳在蒸发器的内部转变为低压气态二氧化碳，吸收热量，蒸发器对采矿车的底架及传动轴降温并传导至履带，履带的温度降低并保持在-2℃以下，履带的表面受冷形成一层薄冰面。

25、低压气态二氧化碳经过压缩机压压缩后成为高压气态二氧化碳，高压气态二氧化碳经过冷凝器放热后成为液态二氧化碳，液态二氧化碳进入第三管道内。

26、s4、第三管道内的液态二氧化碳依次经过加热、增压后成为超临界二氧化碳，超临界二氧化碳进入射流主管内，再分别进入四个射流主管，并通过射流主管端部的高压喷头向外喷射超临界二氧化碳。

27、后侧的两个高压喷头对履带后端表面进行冲刷，淤泥被冲掉或者出现松动，履带由后往前运动过程中，黏附的淤泥进一步松动，前侧的两个高压喷头再次对履带表面进行冲刷，去除履带上剩余的淤泥。

28、进一步地，s3中，经过压缩机压缩后的高压气态二氧化碳的压力值≤7.38mpa，无线温度传感器实时监测履带的温度，并将数据发送至控制单元。

29、s4中，经过加热后的液态二氧化碳温度≥31.1℃，温度传感器实时监测加热后液态二氧化碳温度的温度，加热后的液态二氧化碳经过增压后其压力值≥7.5mpa。

30、通过采用上述技术方案，本发明的有益技术效果是：本发明将二氧化碳输送至海底采矿车，并作为冷媒介质进行换热，对深海采矿车履带降温并使其保持低温状态，履带表面形成光滑冰面，光滑冰面能够减少沉积物与履带的粘附力，降低对履带的阻力，提高采矿车的行走性能。超临界二氧化碳对履带上的淤泥冲射，并结合采矿车行走时履带振动及海水扰流，使履带表面的淤泥脱落，低温状态的超临界二氧化碳利于履带表面保持低温状态，保持矿车行进中的机动性，避免打滑或沉陷。