高压冰粒发生系统的制作方法

1.本实用新型涉及一种高压冰粒发生系统。


背景技术：

2.磨料水射流工艺是在纯水射流中添加石榴石、金刚砂等磨料物质，其冲击力相较于高压纯水射流有了较大提升，被广泛应用于清洗、切割、机械加工、套管开窗等领域。近年来，高压磨料水射流在破岩领域发展迅速，特别是在隧道掘进方面，高压磨料水射流联合tbm滚刀的破岩技术打破了传统tbm破岩的效率瓶颈，改进了工艺方法，大幅提高了隧道掘进的破岩效率。然而，高压磨料水射流切割岩石的时候，参与破岩的磨料颗粒虽然有利于破岩深度的提高，但是磨料切割岩体后无法回收，而且高压磨料水射流中过多的水量对于干旱缺水地区的适用度较差；与此同时，虽然磨料射流过程中水可以带走大部分热量，但是射流的锤击作用在岩石表面所产生热量引起的温度提高，依然不能做到有效的降低；随着绿色施工和安全施工要求的日益提高，亟需研究出更加绿色的磨料和更加少量用水的射流工艺。
3.冰粒射流工艺的提出，一定程度上可以替代传统的磨料射流，但是由于冰粒的莫氏硬度较低，只有2
‑
4之间，和传统石榴石磨料莫氏硬度6
‑
8相差较远，其在破岩效果上大打折扣。
4.因此，现亟需开发一种冰粒硬度高的冰粒发生系统。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是为了提供一种高压冰粒发生系统，形成冰粒并输送冰粒，且尺寸及硬度不达标的冰粒进行筛分，保证通过冰粒管道输出的冰粒尺寸、硬度的一致性，保证输出的冰粒尺寸、硬度均满足使用要求。
6.为了实现上述目的，本实用新型的技术方案为：高压冰粒发生系统，包括喷射装置和腔体结构，其特征在于：还包括筛分装置；
7.所述腔体结构从左到右包括旋转加速混合装置、输送管、冷凝加固腔、离心装置和冰粒管道；所述旋转加速混合装置、输送管、冷凝加固腔、离心装置和冰粒管道依次连通；
8.所述喷射装置从左到右包括所述冷水雾化装置、气流喷射装置、液氮喷射装置和所述冷旋流喷射装置；
9.所述冷水雾化装置和气流喷射装置均设置在所述旋转加速混合装置的入口端；
10.液氮喷射装置设置在所述旋转加速混合装置的侧壁上；
11.所述冷旋流喷射装置设置在所述冷凝加固腔的入口端；
12.所述筛分装置设置在所述离心装置的出口端；所述筛分装置与所述离心装置相连通。
13.在上述技术方案中，所述旋转加速混合装置、输送管、冷凝加固腔、离心装置和冰粒管道的中线共线。
14.在上述技术方案中，所述筛分装置包括粗冰粒排放管和莫氏硬度传感显示装置；
15.所述粗冰粒排放管设置于所述离心装置的出口端外周；
16.所述莫氏硬度传感显示装置设置在所述粗冰粒排放管上。
17.在上述技术方案中，所述粗冰粒排放管呈折弯结构；
18.所述莫氏硬度传感显示装置设置在粗冰粒排放管的折弯处。
19.在上述技术方案中，所述旋转加速混合装置包括制冰腔、混合结构内壁和混合结构外壁；
20.所述混合结构内壁与混合结构外壁旋转连接；
21.所述制冰腔包裹在所述混合结构内壁内。
22.在上述技术方案中，所述输送管为中空管道；
23.所述冰粒管道为中空管道。
24.所述冷凝加固腔入口端尺寸大于出口端尺寸。
25.在上述技术方案中，所述冷凝加固腔和离心装置组成模块化组件。
26.所述冰粒管道上设置模块预留安装接口；所述模块化组件与模块预留安装接口相连接。
27.在上述技术方案中，所述冷水雾化装置包括冷水雾化喷嘴和冷水管道；
28.所述冷水雾化喷嘴设置在制冰腔的入口端；所述冷水管道与冷水雾化喷嘴连接；
29.所述气流喷射装置包括气流喷嘴和气流管道；所述气流喷嘴设置在制冰腔的入口端、且位于所述冷水雾化喷嘴的外周；气流管道与气流喷嘴连接；
30.所述液氮喷射装置包括液氮喷嘴和液氮管道；所述液氮喷嘴设置在制冰腔的侧壁上、且位于气流喷嘴的外侧；所述液氮管道与液氮喷嘴连接。
31.在上述技术方案中，所述冷旋流喷射装置包括冷旋流喷嘴结构和冷旋流管道；
32.所述冷旋流喷嘴结构设置在所述冷凝加固腔的入口端、且位于输送管与冷凝加固腔的连接处；
33.所述冷旋流喷嘴结构包括冷旋流喷嘴、冷旋流喷嘴外管和冷旋流喷嘴输送管；所述冷旋流喷嘴位于冷旋流喷嘴外管与冷旋流喷嘴输送管之间；
34.所述冷旋流喷嘴和冷旋流喷嘴外管均与冷旋流喷嘴输送管旋转连接；
35.所述冷旋流管道与冷旋流喷嘴连接。
36.本实用新型具有如下优点：
37.(1)本实用新型能形成冰粒并输送冰粒，且尺寸及硬度不达标的冰粒进行筛分，保证通过冰粒管道输出的冰粒尺寸、硬度的一致性，保证输出的冰粒尺寸、硬度均满足使用要求；
38.(2)本实用新型中的粗冰粒排放管与所述冷凝加固腔连接，粗冰粒排放管中有所述莫氏硬度传感显示装置，粒径过大的粗冰粒被离心装置排放到粗冰粒排放管时，冰粒撞击到排放管中的莫氏硬度传感显示装置，可以检测读取到当前位置所制造冰粒的莫氏硬度，当冰粒的莫氏硬度为6
‑
8时，为合格硬度，否则需要安装模块化组件对冰粒进一步降温加固；实现本实用新型的检测及筛分功能，保证破岩效果；
39.(3)本实用新型中的模块预留安装接口设置在冰粒管道上，模块化组件与所述冰粒管道上的模块预留安装接口相连接后可以加长冰粒发生装置的长度，并为冰粒制造创造
更低的温度和冷凝加固环境，并检测读取直到获得符合硬度、刚度和强度条件的冰粒，使用便捷。
40.本实用新型可应用于破岩系统中；本实用新型制备的冰粒为超高硬度、刚度和强度的冰粒，在应用于破岩系统中时，可作为射流的磨料切割破碎岩体，在岩体表面形成低温冲击应力区，冲击做工和低温应力场会增加岩体的脆性，有利于岩体的破碎。同时冰粒在融化时可以带走磨料冲击所产生的热量，极大的改善了隧道掘进施工作业的工况环境，并减少用水量。
附图说明
41.图1为本实用新型的结构示意图。
42.图2为图1的v
‑
v向剖视图。
43.图3为本实用新型中的旋转加速混合装置剖视图。
44.图4为图1的工作结构示意图。
45.图5为本实用新型中的模块化组件有二组的结构示意图。
46.图6为图5的工作结构示意图。
47.图4中的i表示冰粒。
48.图6中的i表示冰粒。
49.图中1
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喷射装置，1.1
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冷水雾化装置，1.1a
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冷水雾化喷嘴，1.1b
‑ꢀ
冷水管道，1.2
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气流喷射装置，1.2a
‑
气流喷嘴，1.2b
‑
气流管道，1.3
‑ꢀ
液氮喷射装置，1.3a
‑
液氮喷嘴，1.3b
‑
液氮管道，1.4
‑
冷旋流喷射装置， 1.4a
‑
冷旋流喷嘴结构，1.41
‑
冷旋流喷嘴，1.42
‑
冷旋流喷嘴外管，1.43
‑ꢀ
冷旋流喷嘴输送管，1.4b
‑
冷旋流管道，2
‑
腔体结构，2.1
‑
旋转加速混合装置，2.1a
‑
制冰腔，2.1b
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混合结构内壁，2.1c
‑
混合结构外壁，2.2
‑ꢀ
输送管，2.3
‑
冷凝加固腔，2.4
‑
离心装置，2.5
‑
冰粒管道，3
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筛分装置， 3.1
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粗冰粒排放管，3.2
‑
莫氏硬度传感显示装置，4
‑
模块预留安装接口， 5
‑
模块化组件。
具体实施方式
50.下面结合附图详细说明本实用新型的实施情况，但它们并不构成对本实用新型的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本实用新型的优点更加清楚和容易理解。
51.参阅附图可知：高压冰粒发生系统，包括喷射装置1和腔体结构 2，还包括筛分装置3；
52.所述腔体结构2从左到右包括旋转加速混合装置2.1、输送管2.2、冷凝加固腔2.3、离心装置2.4和冰粒管道2.5；所述旋转加速混合装置2.1、输送管2.2、冷凝加固腔2.3、离心装置2.4和冰粒管道2.5依次连通；在旋转加速混合装置2.1形成冰粒，冰粒输通过输送管2.2 输送至冷凝加固腔2.3进行加固后、进入离心装置2.4离心分离，粗冰粒通过筛分装置3筛分分离，尺寸合格的冰粒被继续输送到下一阶段的冰粒管道；
53.所述喷射装置1从左到右包括所述冷水雾化装置1.1、气流喷射装置1.2、液氮喷射装置1.3和所述冷旋流喷射装置1.4；
54.所述冷水雾化装置1.1和气流喷射装置1.2均设置在所述旋转加速混合装置2.1的入口端；过冷水经过冷水雾化装置1.1在所述制冰腔内形成大小均匀的雾化水滴；气流喷射
装置1.2在制冰腔中喷射气体，促进雾化水滴分散均匀；
55.液氮喷射装置1.3设置在所述旋转加速混合装置2.1邻近入口端的侧壁上；液氮从液氮喷射装置1.3中喷出、且在制冰腔内与雾化水滴结合；
56.所述冷旋流喷射装置1.4设置在所述冷凝加固腔2.3的入口端、且位于输送管2.2与冷凝加固腔2.3的连接处；冷旋流喷射装置1.4 在所述冷凝加固腔体中喷射回旋气流，促进冷凝加固腔体中的冰粒分散，防止冰粒粘结；
57.所述筛分装置3设置在所述离心装置2.4的出口端；所述筛分装置3与所述冷凝加固腔2.3和离心装置2.4相连通；从离心装置2.4 中分离出的粗冰粒通过筛分装置3排放。
58.进一步地，所述旋转加速混合装置2.1、输送管2.2、冷凝加固腔 2.3、离心装置2.4和冰粒管道2.5的中线在同一条直线上；保证结构的稳定性。
59.进一步地，所述筛分装置3包括粗冰粒排放管3.1和莫氏硬度传感显示装置3.2；
60.所述粗冰粒排放管3.1设置于所述离心装置2.4的出口端外周；
61.所述莫氏硬度传感显示装置3.2设置在所述粗冰粒排放管3.1上；所述粗冰粒排放管与所述冷凝加固腔连接，所述粗冰粒排放管中有所述莫氏硬度传感显示装置，粒径过大的粗冰粒被离心装置排放到粗冰粒排放管时，冰粒撞击到排放管中的莫氏硬度传感显示装置，可以检测读取到当前位置所制造冰粒的莫氏硬度，当冰粒的莫氏硬度为6
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8 时，为合格硬度，否则需要安装模块化组件对冰粒进一步降温加固。
62.所述莫氏硬度传感显示装置3.2为现有技术。粗冰粒排放管中的冰粒和冰粒管道中的冰粒在同一管道输送截面上硬度相等。冰粒管道 2.5上也设莫氏硬度传感显示装置3.2，用于检测冰粒硬度。
63.本发实用新型中的每一个模块(即旋转加速混合装置2.1、输送管2.2、冷凝加固腔2.3、离心装置2.4、冰粒管道2.5、粗冰粒排放管 3.1和模块化组件5等)都有一个对应的硬度检测机构(可为莫氏硬度传感显示装置3.2，也可以为其它硬度检测机构)，用于检测冰粒处于该模块时的硬度，为下一步的运行提供依据。
64.进一步地，所述粗冰粒排放管3.1呈折弯结构；防止经粗冰粒排放管3.1排放的粗冰粒返回至离心装置2.4中；
65.所述莫氏硬度传感显示装置3.2设置在粗冰粒排放管3.1的折弯处；所述粗冰粒排放管3.1的入口端与冰粒管道2.5平行、出口端呈倾斜结构；
66.所述莫氏硬度传感显示装置3.2设置于粗冰粒排放管3.1的出口端、且位于入口端与出口端的连接处。
67.进一步地，所述旋转加速混合装置2.1包括制冰腔2.1a、混合结构内壁2.1b和混合结构外壁2.1c；混合结构内壁2.1b位于混合结构外壁2.1c内侧；
68.所述混合结构内壁2.1b与混合结构外壁2.1c旋转连接；
69.所述制冰腔2.1a包裹在所述混合结构内壁2.1b内；混合结构内壁可以相对混合结构外壁旋转、且旋转的速度可以调节，在混合结构内壁包裹的制冰腔体中形成离心力，将位于其中的液氮、雾化水体和气流充分混合，形成大小质地均匀的小冰粒，并且随着气流输送到下一阶段的输送管。
70.进一步地，所述输送管2.2为中空管道；将制冰腔中由气流携带输送而来的小冰粒输送到冷凝加固腔中。
71.所述冰粒管道2.5为中空管道；冰粒管道2.5与喷射装置连接，冰粒管道输送制造的冰粒，并将冰粒输送到混合射流喷射装置的混合腔。
72.所述冷凝加固腔2.3入口端尺寸大于出口端尺寸；所述冷凝加固腔内连接有所述冷旋转喷嘴，所述冷旋流喷嘴可以在冷凝加固腔中喷射旋转的冷气流，进一步提高冰粒的硬度、强度和刚度，旋转的气流可以使冰粒分散不凝固在一起，后方喷射的气流保证冰粒的高速运动，整个冰粒制造过程的管道不会冻结；同时经过冷凝加固腔的小冰粒被输送到下一阶段的离心装置中。
73.进一步地，离心装置与所述旋转混合加速装置结构相似，不同之处在于所述离心装置的转速固定，可以向粒径过大的冰粒在离心装置的作用下推送至粗冰粒排放管，同时剩余尺寸合格的冰粒被继续输送到下一阶段的冰粒管道；所述离心装置2.4包括离心腔、离心装置内壁和离心装置外壁；离心装置内壁位于离心装置外壁内侧；
74.所述离心装置内壁与离心装置外壁旋转连接；
75.所述离心腔包裹在所述离心装置内壁内。进一步地，所述冷凝加固腔2.3和离心装置2.4组成模块化组件5。
76.所述冰粒管道2.5上设置模块预留安装接口4；所述模块化组件 5与模块预留安装接口4相连接；模块化组件5的数量根据实际冰粒制备情况确定；模块化组件5与所述冰粒管道上的模块预留安装接口相连接后可以加长冰粒发生装置的长度，并为冰粒制造创造更低的温度和冷凝加固环境、并检测读取，直到获得符合硬度、刚度和强度条件的冰粒。
77.进一步地，所述冷水雾化装置1.1包括冷水雾化喷嘴1.1a和冷水管道1.1b；
78.所述冷水雾化喷嘴1.1a设置在制冰腔2.1a的入口端；所述冷水管道1.1b与冷水雾化喷嘴1.1a连接；所述冷水管道中留有携带 0
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10mpa压力的冷水，在压力作用下，水流低于零度可以不结冰，零度以下不结冰的水称为过冷水；所述过冷水经过所述雾化喷嘴在出口处的所述制冰腔内形成大小均匀的雾化水滴；
79.所述气流喷射装置1.2包括气流喷嘴1.2a和气流管道1.2b；所述气流喷嘴1.2a设置在制冰腔2.1a的入口端、且位于所述冷水雾化喷嘴1.1a的外周；气流管道1.2b与气流喷嘴1.2a连接；所述气流喷嘴内可以喷射由气流管道输送而来的气体，促进制冰腔内的液氮和雾化水滴分散均匀，利用液氮和雾化水滴的结合；
80.所述液氮喷射装置1.3包括液氮喷嘴1.3a和液氮管道1.3b；所述液氮喷嘴1.3a设置在制冰腔2.1a邻近入口端的侧壁上、且位于气流喷嘴1.2a的外侧；所述液氮管道1.3b与液氮喷嘴1.3a连接；液氮从液氮喷嘴中喷出在制冰腔内和雾化水滴结合。
81.进一步地，所述冷旋流喷射装置1.4包括冷旋流喷嘴结构1.4a 和冷旋流管道1.4b；
82.所述冷旋流喷嘴结构1.4a设置在所述冷凝加固腔2.3的入口端、且位于输送管2.2与冷凝加固腔2.3的连接处；
83.所述冷旋流喷嘴结构1.4a包括冷旋流喷嘴1.41、冷旋流喷嘴外管1.42和冷旋流喷嘴输送管1.43；所述冷旋流喷嘴1.41位于冷旋流喷嘴外管1.42与冷旋流喷嘴输送管1.43之间；
84.所述冷旋流喷嘴1.41和冷旋流喷嘴外管1.42均与冷旋流喷嘴输送管1.43旋转连接；
85.所述冷旋流管道1.4b与冷旋流喷嘴1.41连接；所述冷旋流喷嘴1.41和冷旋流喷嘴外管1.42可以相对所述冷旋流喷嘴输送管1.43转动，所述冷旋流喷嘴1.41在所述冷凝加固腔2.3腔体中喷射回旋气流。
86.本实用新型所述的高压冰粒发生系统的工作过程如下：冷水雾化装置1.1中的冷水管道中留有携带0
‑
10mpa压力的冷水，在压力作用下形成过冷水；所述过冷水经过所述雾化喷嘴在所述制冰腔内的入口处形成大小均匀的雾化水滴；
87.液氮从液氮喷嘴中喷出、且在制冰腔内和雾化水滴结合；
88.气流喷嘴向制冰腔内喷射由气流管道输送而来的气体；
89.旋转加速混合装置2.1的混合结构内壁相对混合结构外壁旋转、根据冰粒形成情况调节旋转速度，在混合结构内壁包裹的制冰腔体中形成离心力，将位于制冰腔体中的液氮、雾化水体和气流充分混合，形成大小质地均匀的小冰粒，小冰粒随着气流喷嘴喷出的气流输送到下一阶段的输送管；
90.小冰粒经输送管输送至冷凝加固腔2.3中加固，
91.冷旋流喷嘴可以在冷凝加固腔中喷射旋转的冷气流，进一步提高冰粒的硬度、强度和刚度；
92.冷旋流喷嘴在冷凝加固腔中喷射旋转的冷气流，旋转的冷气流使冷凝加固腔中的冰粒分散、不凝固在一起，气流喷嘴持续喷射的气流保证冷凝加固腔的冰粒的高速运动、且保证整个冰粒制造过程的管道不会冻结；同时经过冷凝加固腔加固后的小冰粒被输送到下一阶段的离心装置中；
93.离心装置以固定转速旋转，粒径过大的粗冰粒被离心装置排放到粗冰粒排放管、冰粒撞击到排放管中的莫氏硬度传感显示装置，莫氏硬度传感显示装置检测读取当前位置所制造冰粒的莫氏硬度；
94.当检测的冰粒的莫氏硬度为6
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8时，冰粒的硬度合格，离心装置中剩余的尺寸合格的冰粒被继续输送到下一阶段的冰粒管道；冰粒管道输送经本实用新型所述的高压冰粒发生系统的冰粒，并将冰粒输送到下一阶段的喷射装置中混合喷射；
95.当检测的冰粒的莫氏硬度不在6
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8时，冰粒的硬度不合格，安装模块化组件加长冰粒发生装置的长度，并为冰粒制造创造更低的温度和冷凝加固环境、并检测读取冰粒的硬度，直到获得符合硬度、刚度和强度条件的冰粒，合格的冰粒被继续输送到下一阶段的冰粒管道；冰粒管道输送经本实用新型所述的高压冰粒发生系统的冰粒，并将冰粒输送到下一阶段的喷射装置中混合喷射。
96.本实用新型所述的高压冰粒发生系统能与混合射流喷射装置连接后形成高压冰粒喷射系统，用于破岩；其中，所述混合射流喷射装置为现有技术。
97.为了能够更加清楚的说明本实用新型所述的高压冰粒发生系统与现有技术相比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表：
[0098][0099]
由上表可知，本实用新型所述的高压冰粒发生系统与现有技术相比，输出至喷射装置中的冰粒的莫氏硬度稳定(莫氏硬度均为6
‑
8)、输出的冰粒的尺寸稳定、冰粒制造效率高、冰粒合格率高。
[0100]
其它未说明的部分均属于现有技术。