一种深海矿石输送系统实验装置的制作方法

本实用新型涉及深海采矿，具体涉及对深海采矿中扬矿管内矿石颗粒运动特性研究的实验装置。研究扬矿管内矿石颗粒的运动特性，为扬矿管道水力输送系统的设计和分析提供基础数据。

背景技术：

随着世界工业的高速发展，陆地资源日益枯竭，而深海蕴藏着丰富的矿产资源，如锰结核、富钴结壳、以及多金属硫化物等，其一般赋存于水下3000m-6000m的淤泥上；深海矿产资源的开发必须依赖良好的采矿设备，西方各国从上个世纪50年代就开始了对深海矿产资源的商业开采活动，并且已经形成了多金属结合物等矿产资源开采前的技术储备。随着科技的不断进步，人类所能达到的开采深度已经突破了3000m，深海各项技术也得到了一定完善和改进，但同时也面临着新的挑战和难题。

在矿石颗粒提升管道水力输送中，若管道断面流速不均匀，则颗粒将沿颗粒运动方向产生旋转，由此产生 Magnus 作用力；颗粒旋转不仅影响自身的运动状态，而且干扰周围水流连续相流场，使颗粒与颗粒、颗粒与管壁之间产生碰撞，增大水力输送能耗，降低了矿石颗粒提升管道水力输送的效率。

在深海采矿系统扬矿工艺参数设计中，如何确定矿石颗粒在提升管中的安全速度是关键问题之一，不同类别的矿石由于密度和形状有差异，其安全速度不同，作为安全速度的下限，需要研究矿石颗粒的浮游速度变化规律。

技术实现要素：

本实用新型的目的是：提供一种深海矿石输送系统实验装置，该实验装置通过研究矿石颗粒的浮游速度、旋转特性等，为扬矿管道水力输送系统的设计和分析提供基础数据。

为了解决以上问题，本实用新型采用的技术方案是：一种深海矿石输送系统实验装置，包括扬矿管路、稳压管路、颗粒回收管路以及信息采集系统。所述扬矿管路由清水泵1、第一水阀2、扬矿管3、第一刀闸阀4、三通管5、储料罐9和有机玻璃管12组成，三通管5右端接有清水泵1，其上端与储料罐9连接，其左端串联有扬矿管3、电磁流量计6和有机玻璃管12；所述稳压管路主要由稳压水箱15、第二水阀17、提升管18、稳压管19、溢流管20和提升泵22组成，稳压水箱15由提升泵22供水，其内安装有溢流管20；倾斜安装的U形滤管16依次与回收罐13、回流管14连接，组成所述颗粒回收管路；所述信息采集系统由电磁流量计6、数据线7、计算机8和高速摄像机10等组成，高速摄像机10对有机玻璃管12内运动的矿石颗粒连续拍照，电磁流量计6测量管路流量后，由计算机8对其进行信息处理。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述稳压管路由稳压水箱15、第二水阀17、提升管18、稳压管19、溢流管20和提升泵22组成，稳压水箱15由提升泵22持续供水，其内安装有溢流管20，以保证水箱压力稳定，稳压水箱15通过稳压管19与储料罐9连通，从而保证储料罐9压力恒定。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述颗粒回收管路由U形滤管16、回流管14、回收罐13，第二刀闸阀11组成。该U形滤管上开设有众多直径小于矿石颗粒的过滤小孔，U形滤管16在稳压水箱15内以一定角度倾斜安装，从而达到固液分离的效果，回收矿石颗粒。

本实用新型的有益效果是：颗粒的旋转不仅影响自身运动，而且干扰周围水流连续相流场，使颗粒与颗粒、颗粒与管壁之间产生碰撞，会增大输送能耗，降低输送效率；在深海采矿系统扬矿工艺参数设计中，如何确定矿石颗粒在提升管中的安全速度是关键问题之一，不同类别的矿石由于密度和形状均有差异，其安全速度不同，作为安全速度的下限，首先需要研究颗粒浮游速度的变化规律；为解决以上技术难题，本实验装置通过实时监控输送管道内矿石颗粒的输送速度和旋转特性，为扬矿管道水力输送系统的设计和分析提供基础数据。

附图说明

图1为深海矿石输送系统实验装置的结构示意图。

图2为稳压水箱局部示意图。

图3为U形滤管的结构示意图。

图中：1、清水泵，2、第一水阀，3扬矿管，4、第一刀闸阀，5、三通管，6、电磁流量计，7、数据线，8、计算机，9、储料罐，10、高速摄像机，11、第二刀闸阀，12、有机玻璃管，13、回收罐，14、回流管，15、稳压水箱，16、U形滤管，17、第二水阀，18、提升管，19、稳压管，20、溢流管，21、水箱，22、提升泵。

具体实施方式

参见图1，本实用新型具体包括扬矿管路、稳压管路、颗粒回收管路以及信息采集系统四部分。

参见图1，所述扬矿管路由清水泵1，第一水阀2，扬矿管3，第一刀闸阀4，三通管5，储料罐9，有机玻璃管12组成；清水泵1通过第一水阀2与水箱21连接，其出水口与三通管5右端接通，三通管5上端通过第一刀闸阀4与储料罐9连接，其左端依次串联有电磁流量6计，有机玻璃管12。当系统工作时，第一水阀2和第一刀闸阀4打开，清水泵1启动，矿石颗粒在自身的重力和海水的冲击作用下通过第一刀闸阀4，同时扬矿管3内流动海水所产生的负压和卷吸力使颗粒流入扬矿管3与海水混合，被扬送到稳压水箱15。

参见图1、2、 3，所述颗粒回收管路由第二刀闸阀11、回收罐13、回流管14、U形滤管16组成。回收罐13出口通过第二刀闸阀11与储料罐9连接，其进口通过回流管14与U形滤管16连通。从扬矿管3流出的矿石颗粒与海水的混合物，流过以一定角度倾斜安装的U形滤管16，该U形滤管16上开设有众多直径小于矿石颗粒的过滤小孔，使矿石颗粒与水分离，矿石颗粒经回流管14流进回收罐13。

参见图1、2、3，所述稳压管路由稳压水箱15、第二水阀17、提升管18、稳压管19、溢流管20和提升泵22组成。稳压水箱15由提升泵22供水，其通过稳压管19与储料罐9连接，稳压水箱15内安装有溢流管20，当液面达到一定高度时水从溢流管20流出，保证储料罐9压力恒定。

参见图1，所述信息采集回路由电磁流量计6、数据线7、计算机8和高速摄像机10等组成。高速摄像机10和电磁流量计6通过数据线7与计算机8连接，高速摄像机10对有机玻璃管12内运动的矿石颗粒连续拍照，电磁流量计6检测固液两相流流量，二者将采集的信息传递到计算机8。

一种深海矿石输送系统实验装置，其工作过程包括以下步骤：步骤（a）,第一水阀2、第二水阀17打开，其它阀门关闭，海水在清水泵1的作用下被吸入泵内加压，通过扬矿管3被扬送到稳压水箱15。

步骤（b）, 继续打开刀闸阀4，矿石颗粒在自身的重力和海水压力作用下通过第一刀闸阀4，同时扬矿管3内流动海水所产生的负压和卷吸力使颗粒流入扬矿管3与海水混合，被扬送到稳压水箱15，整个过程中，提升泵22一直处于工作状态，给稳压水箱15供水，当液面达到一定高度时通过溢流管20溢出，稳压水箱15通过稳压管19与储料罐9连通，保证其内部压力恒定。

步骤（c）, 从扬矿管3流出的矿石颗粒与海水的混合物，流过以一定角度倾斜安装的U形滤管16，该U形滤管16上开设有众多直径小于矿石颗粒的过滤小孔，使矿石颗粒与水分离,颗粒经回流管14流进回收罐13,在进行下一次信息采集时，打开其出口端第二刀闸阀11即可。

整个过程中，高速摄像机10会对有机玻璃管12内运动的矿石颗粒连续拍照，电磁流量计6测量固液混合物流量，将采集到的信息、数据传输到计算机8，供实验人员研究分析。