一种二氧化碳致裂器相变原理观察装置的制作方法

1.本发明属于二氧化碳致裂器技术领域，特别是涉及一种二氧化碳致裂器相变原理观察装置。


背景技术：

2.上世纪英国的cardox公司提出了液态co2相变爆破技术，称为cardoxtube system。到目前为止该技术已经广泛应用于大规模的矿石采挖，快速安全爆破，岩层致裂、储罐罐壁的清淤等领域。液态co2相变致裂技术主要原理是通过加热储液管内的液态co2，使其转变为超临界co2,当相变管内压力达到破裂片破坏强度，爆破片破裂，高压超临界co2瞬间转变为气态 co2冲出储液管，气态co2体积是同质量液态co2体积的500～600倍，co2体积瞬间膨胀将近600倍，co2气体不断膨胀过程中产生的高压，co2气体以极高的速度向周围扩散，从而对周围介质产生破坏。
3.储液管内的co2由液态受热变为超临界态，再到破裂片破裂时由超临界态转变为气态的过程是涉及多元介质混合问题，测量困难，多元系的高压相平衡数据十分稀缺；同时对于多元流体混合物的相变过程研究，由于测量难度大，成本高，往往是依靠理论模型模拟来理解高压下的多元相平衡，再通过少量实验验证模型的可靠性。由于研究的迫切需要，需要一种可视装置，可以观测co2全相变过程以及整个过程储液管内流场以及温度场变化，从而为理论模型提供验证；
4.此外，为储液管内的co2相变提供热量的是一种发热剂，该发热剂在常压下不能够燃烧，所以运用一般的测速方法难以测试出其燃烧速度，这对co2致裂器使用尤其是爆破使用时激发时序的控制带来很大困扰，也需要一种可视装置，通过高速摄影的方式来计算发热剂燃速，为co2致裂器更好的应用在爆破领域提供指导。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种二氧化碳致裂器相变原理观察装置，通过测得co2全相变过程以及整个过程储液管内流场以及温度场变化并计算发热剂燃速，为co2致裂器更好的应用在爆破领域提供指导。
6.为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
7.本发明为一种二氧化碳致裂器相变原理观察装置，包括红外高速实时热像仪和高速摄影仪，可视组件，可视组件包括耐高压玻璃管：
8.点火组件：点火组件包括发热剂管、发热剂管堵头和联通注液头；
9.发热剂管的端口安装上发热剂管堵头，上发热剂管堵头通过连接头联通注液头，发热管位于耐高压玻璃管中，连接头上设置有点火线；
10.发热剂管上具有沿其轴向设置的至少三圈散热孔。
11.进一步地，上发热剂管堵头上具有导孔，发热剂管两端开口，另一端安装有下发热剂管堵头，发热剂管的表面缠绕有密封胶带。
12.进一步地，注液头上开设有线柱安装孔，线柱安装孔内安装接线柱，接线柱连接激发电源，注液头上具有传感器安装孔，注液头上具有安装槽，注液头上具有注液孔，注液孔内安装注液双向阀。
13.进一步地，连接头为堵头连接部和环形连接部构成的阶梯筒，其中堵头连接部上具有进液孔，堵头连接部的端口套设在上发热剂管堵头上，环形连接部配合在安装槽内。
14.进一步地，接线柱连接点火线，点火线经过进液孔、导孔穿入至发热剂管，点火线的端部设有激发药头。
15.进一步地，还包括上盖和上压环，上盖具有注液头座，注液头座上具有第一密封圈凹槽，第一密封圈凹槽内配合有第一密封圈，注液头安装在注液头座内，上盖中具有第一玻璃管卡口，耐高压玻璃管的端口套设有u 型密封圈31后配合在第一玻璃管卡口中，上压环通过上盖压紧注液头。
16.进一步地，还包括下盖，下盖具有破裂座，破裂座内安装破裂组件，破裂座具有第二密封圈凹槽，第二密封圈凹槽内配合有第二密封圈，破裂组件的端部抵于下发热剂管堵头，下盖上具有第二玻璃管卡口，耐高压玻璃管的端部套设有下u型密封圈33后配合在第二玻璃管卡口上。
17.进一步地，破裂组件包括下压环、破裂片、第二密封圈，下压环配合在破裂座中，破裂片的一表面抵于下压环，另一表面低于第二密封圈。
18.进一步地，下盖和上盖之间通过支撑组件连接，下盖上具有第二螺栓通孔，上盖上具有第一螺栓通孔，支撑组件包括支撑杆、下压紧螺母、上压紧螺母和间距调节螺母，支撑杆的两端分别配合在第二螺栓通孔和第一螺栓通孔上，第二螺栓通孔的两端口的支撑杆上分别配合有下压紧螺母、间距调节螺母，第一螺栓通孔的两端口的支撑杆上分别配合有上压紧螺母、间距调节螺母。
19.进一步地，耐高压玻璃管的两端分别套设有u型密封圈。
20.本发明具有以下有益效果：
21.本发明通过设置可视组件、耐高压玻璃管，采用红外高速实时热像仪、高速摄影仪实时记录所观测的热成像视频、相变流场图像，通过分析热成像视频、相变流场图像获得二氧化碳相变温度场、相变流场变化规律。
22.通过点火组件中设置的发热剂管，在发热剂管上布置散热孔，结合高速摄影仪所拍摄的图像计算分析，可以得到发热剂燃速，为二氧化碳致裂器更好的应用在爆破领域提供指导。
23.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明总体结构示意图；
26.图2为本发明结构展开示意图；
27.图3为本发明可视组件结构示意图；
28.图4为本发明点火组件结构展开示意图；
29.图5为本发明上盖结构剖视图；
30.图6为本发明下盖结构剖视图；
31.图7为本发明注液头局部剖面示意图；
32.图8为本发明连接头局部剖面示意图；
33.图9为本发明点火组件局部剖面示意图
34.图10为本发明破裂组件结构示意图；
35.图11为本发明观测试验示意图；
36.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
37.10、上盖；20、点火组件；30、可视组件；40、下盖；50、破裂组件；60、支撑组件；101、第一螺纹孔；102、注液头座；103、第一密封圈凹槽；104、第一玻璃管卡口；105、第一螺栓通孔；21、上压环；22、注液头；221、注液孔；2221、第一线柱安装孔；2222、第二线柱安装孔；224、传感器安装孔；225、安装槽；23、第一密封圈；24、连接头；241、环形连接部； 242、堵头连接部；243、进液孔；25、上发热剂管堵头；251、上端头；252、导孔；26、发热剂管；261、散热孔组；262、散热孔；27、下发热剂管堵头；31、u型密封圈；32、耐高压玻璃管；33、下u型密封圈；401、第二螺纹孔；402、破裂座；403、第二密封圈凹槽；404、第二玻璃管卡口；405、第二螺栓通孔；201、第一点火线；202、第二点火线；203、激发药头；204、发热剂；205、密封胶带；51、下压环；52、破裂片；53、第二密封圈；100、多功能装置；200、实验平台；300、红外高速实时热像仪；400、高速摄影仪；500、激发电源。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
39.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
40.请参阅图1
‑
10所示，本发明为一种二氧化碳致裂器相变原理观察装置，包括上盖10、点火组件20、可视组件30、下盖40、破裂组件50、支撑组件60，使用红外高速实时热像仪300、高速摄影仪400进行观察记录。
41.液态co2贮存在可视组件30，用于观察液态co2超临界相变。
42.具体的，可视组件30包括耐高压玻璃管32以及套设在耐高压玻璃管 32两端的u型密封圈，u型密封圈包括下u型密封圈33和上u型密封圈 31。
43.耐高压玻璃管32上部设置有上u型密封圈31，耐高压玻璃管32下部设置有下u型密封圈33；可视组件30通过支撑组件60密封固定于上盖10、下盖40之间，耐高压玻璃管32采用蓝宝石材料制作。
44.点火组件20包括上压环21、注液头22、第一密封圈23、连接头24、上发热剂管堵头25、发热剂管26、下发热剂管堵头27；
45.点火组件20通过上盖10伸入至可视组件30内的液态co2中，点火组件20产生瞬时高温及热量加热液态co2并使液态co2发生超临界相变。
46.破裂组件50包括下压环51、破裂片52、第二密封圈53，破裂组件50 设置于下盖40内且连通至可视组件30，可视组件30内液态co2发生超临界相变，可视组件30内压力达到破裂组件50中破裂片52的破坏强度，破裂片52破裂，高压超临界co2由破裂组件50冲出至外界。
47.具体的。
48.注液头22上开设有线柱安装孔，线柱安装孔内安装接线柱，接线柱连接激发电源500，注液头22上具有传感器安装孔224，注液头22上具有安装槽225，注液头22上具有注液孔221，注液孔221内安装注液双向阀206。
49.接线柱连接点火线，点火线经过进液孔243、导孔252穿入至发热剂管 26，点火线的端部设有激发药头203。
50.发热剂管26的端口安装上发热剂管堵头25，上发热剂管堵头25通过连接头24联通注液头22，发热管26位于耐高压玻璃管32中，连接头24 上设置有点火线，注液头22安装在耐高压玻璃管32的端口内。
51.发热剂管26上具有沿其轴向设置的至少三圈散热孔262，具体的一圈散热孔262组成一散热孔组261，一散热孔组261由4个散热孔组成。
52.上发热剂管堵头25上具有导孔252，发热剂管26两端开口，另一端安装有下发热剂管堵头27，发热剂管26的表面缠绕有密封胶带205。
53.具体的，连接头24为堵头连接部242和环形连接部241构成的阶梯筒，其中堵头连接部242上具有进液孔243，堵头连接部242的端口套设在上发热剂管堵头25上，环形连接部241配合在安装槽225内，其中，堵头连接部242内设置有内螺纹，上发热剂管堵头25的上端头251以螺纹连接方式密封固定于堵头连接部242内，堵头连接部242设置有由内向外连通的进液孔243。
54.注液孔221内设置有注液双向阀206，液态二氧化碳通过注液双向阀 206、连接头24的环形连接部241、连接头24的堵头连接部242由进液孔 243进入耐高压玻璃管32内；注液头22一侧设置有传感器安装孔224，传感器安装孔224连通至可视组件30的耐高压玻璃管32，传感器安装孔224 内设置有压力传感器实时监测耐高压玻璃管32内液态二氧化碳的压力状态。
55.其中，接线柱安装孔包括第一线柱安装孔2221、第二线柱安装孔2222，
56.注液头22另一侧设置有第一线柱安装孔2221、第二线柱安装孔2222，第一线柱安装孔2221内设置有第一接线柱2011，第二线柱安装孔2222内设置有第二接线柱2012；第一接线柱2011、第二接线柱2012顶部连接外部激发电源，第一接线柱2011底部连接有第一点火线2021，第二接线柱 2012底部连接有第二点火线2022，第一点火线2021、第二点火线2022穿过连接头24的堵头连接部242上的进液孔243进入连接头24的堵头连接部242内，之后穿过上发热剂管堵头25的导孔伸入堵头至发热剂管26顶部，并连接有激发药头203，激发药头203设置在紧密压实的发热剂204的顶部位置，第一点火线2021、第二点火线2022接受
来自外部激发电源提供的瞬时电流引燃激发药头203，使发热剂管26内的发热剂204燃烧。
57.点火组件20的注液头22通过第一密封圈23压紧密封在上盖10内，上压环21通过上盖10压紧注液头22；连接头24固定连通至注液头22底部；发热剂管26密封固定设置有上发热剂管堵头25、下发热剂管堵头27，上发热剂管堵头25设置有上端头251、导孔252，上发热剂管堵头25与连接头24通过螺纹连接，下发热剂管堵头27设置在发热剂管26底部；发热剂管26上沿轴线方向按每15mm的距离布置有6组散热孔组261，每组散热孔组261布置有4个散热孔262，4个散热孔262沿发热剂管26同一横截面的周向均匀布置，至少布置3组，散热孔262连通发热剂管26、可视组件30。
58.上盖10具有注液头座102，注液头座102上具有第一密封圈凹槽103，第一密封圈凹槽103内配合有第一密封圈23，注液头22安装在注液头座 102内，上盖10中具有第一玻璃管卡口104，耐高压玻璃管32的端口套设有u型密封圈31后配合在第一玻璃管卡口104中。
59.下盖40具有破裂座402，破裂座402内安装破裂组件50，破裂座402 具有第二密封圈凹槽403，第二密封圈凹槽403内配合有第二密封圈53，破裂组件50的端部抵于下发热剂管堵头27，下盖40上具有第二玻璃管卡口404，耐高压玻璃管32的端部套设有下u型密封圈33后配合在第二玻璃管卡口404上。
60.另外的，下压环51配合在破裂座402中，破裂片52的一表面抵于下压环51，另一表面低于第二密封圈53。
61.具体的如图1
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2中所示，上盖10中部设置有第一螺纹孔101，第一螺纹孔101底部设置有注液头座102，注液头座102上设置有第一密封圈凹槽 103，第一密封圈凹槽103内设置有第一密封圈23，注液头座102两侧设置有第一玻璃管卡口104，上盖10沿轴向均匀设置有4个第一螺栓通孔105。下盖40中部设置有第二螺纹孔401，第二螺纹孔401底部设置有破裂座402，破裂座402上设置有第二密封圈凹槽403，第二密封圈凹槽403内设置有第二密封圈53，破裂座402两侧设置有第二玻璃管卡口404，下盖40沿轴向均匀设置有4个第二螺栓通孔405。
62.下盖40和上盖10之间通过支撑组件60连接，下盖40上具有第二螺栓通孔405，上盖10上具有第一螺栓通孔105，支撑组件60包括支撑杆61、下压紧螺母63、上压紧螺母64和间距调节螺母62，支撑杆61的两端分别配合在第二螺栓通孔405和第一螺栓通孔105上，第二螺栓通孔405的两端口的支撑杆61上分别配合有下压紧螺母63、间距调节螺母62，第一螺栓通孔105的两端口的支撑杆61上分别配合有上压紧螺母64、间距调节螺母62，其中由，上压紧螺母64、间距调节螺母62以及支撑杆61的一端构成上支撑头65约束上盖10，下压紧螺母63、间距调节螺母62以及支撑杆 61的另一端构成下支撑头66约束下盖40。
63.实施例1：在下盖40内的第二密封圈凹槽403内放置第二密封圈53，将破裂片52放置于破裂座402上，下压环51通过第二螺纹孔401压紧破裂片52保证气密性；将4根支撑杆61放入下盖40的第二螺栓通孔405内，将下压紧螺母63拧入支撑杆61上，使下盖40紧紧固定在下压紧螺母63 与支撑杆61的下支撑头66之间。
64.将下u型密封圈33放置于下盖40的第二玻璃管卡口404内，将耐高压玻璃管32放入下u型密封圈33中，将上u型密封圈31套在耐高压玻璃管32上。
65.采用密封胶带205将发热剂管26上的散热孔262封堵，在发热剂管26 内注满发热剂204，将激发药头203放置于发热剂管26顶部的发热剂204 内，将第一点火线2021、第二点
火线2022由上发热剂管堵头25上的导孔 252引出，由连接头24上进液孔243穿出；将上发热剂管堵头25的上端头 251拧入连接头24中的堵头连接部242，将连接头24拧入至注液头22上的上连接头安装槽225，将第一点火线2021连接至第一接线柱2011，第二点火线2022连接至第二接线柱2012。
66.将第一密封圈23放入上盖10的第一密封圈凹槽103，将注液头22放置于注液头座102上，采用上压环21通过第一螺纹孔101压紧注液头22 保证气密性；
67.将上盖10套入至带上u型密封圈31的耐高压玻璃管32上，确保支撑杆61穿过上盖10的第一螺栓通孔105，将上压紧螺母64拧到支撑杆61上，使上盖10紧紧固定在上压紧螺母64与支撑杆61的上支撑头65之间，组装完毕。
68.实施例2：co2相变温度场分布、相变流场变化的观测。
69.将组装好的co2致裂器相变原理观察多功能装置100固定在试验平台 200上，在安全距离放置并开启红外高速实时热像仪300、高速摄影仪400，将注液头22上的第一点火线2021、第二点火线2022连接至激发电源500，激发电源400发送激发电流至连接于第一点火线2021、第二点火线2022末端的激发药头203，激发药头203瞬时释放极高热量将发热剂管26中的发热剂204点燃，发热剂204在发热剂管26燃烧并将热量从散热孔262中导出传递至耐高压玻璃管32内的液态co2中，液态co2受热致使其温度和压力上升向超临界态转变，当耐高压玻璃管32内压力达到破裂片52破坏强度，破裂片52破裂，高压超临界co2瞬间由耐高压玻璃管32冲出，耐高压玻璃管32采用蓝宝石材料制成，红外高速实时热像仪300、高速摄影仪400 透过耐高压玻璃管32实时记录所观测的热成像视频，通过分析热成像视频获得co2相变温度场、相变流场变化观测。
70.实施例3：发热剂燃速计算。
71.将组装好的co2致裂器相变原理观察多功能装置100在试验平台200 上，在距离1米处放置并开启高速摄影仪400，将注液头22上的第一点火线2021、第二点火线2022连接至激发电源400，激发电源400发送激发电流至连接于第一点火线2021、第二点火线2022末端的激发药头203，激发药头203瞬时释放极高热量将发热剂管26中的发热剂204点燃，发热剂204 在发热剂管26燃烧稳定后以燃烧面的形式向前推进，当燃烧面在发热剂管 26中推进至发热剂管26最顶层散热孔2621时火光从发热剂管26的最顶层散热孔262喷出，高速摄影仪400拍摄并记录该时刻时间t1，燃烧面继续推进到下一层散热孔2622时火光会从下一层散热孔2622喷出，高速摄影仪记录该时刻时间t2，计算得出两个时刻的时间差t1
‑
t2，散热孔2621与散热孔2622之间的距离为s0，即可计算出发热剂燃速v0：v0＝s0/(t1
‑
t2)。
72.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
73.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅
受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。