一种低温深海模拟装置

1.本实用新型涉及海洋工程技术领域，尤其涉及一种低温深海模拟装置。


背景技术：

2.海斗深渊具有超高压(最深处约110mpa)、低温(2℃-4℃)等特点。目前我国传统的深海压力测试装置已能够满足模拟深渊110mpa的环境压力需求，但基本不具备温度控制功能，无法直接实现类深渊低温环境，这大大限制了深海压力测试装置应用范畴和深渊科学研究工作。深海水温一般为2-4℃，远低于陆地常温。对于深海模拟装置，深海压力可以通过增压装置和耐压筒实现陆地模拟。但对于深海压力的温度模拟较为困难，根本原因是在模拟装置中增压到10mpa-200mpa后压力桶内水几乎不流动，换热主要依靠水的导热实现，而水的导热系数小，单位厚度导热热阻大；模拟装置增压时引起水内能增加，温度上升，为了实现增压后温度控制在2-4℃，需将热量尽快带走。按照传热规律，为了减少降温时间，提升模拟实验效率，可通过增大换热温差和减小换热路径实现。
3.对于微小型的深海高压模拟装置，现有技术一般都是通过在筒体外壁设置一个冷却夹套，再往冷却夹套注入冷却介质；由于尺寸小，导热路径短，冷却介质通过筒壁热传导将筒内环境热量带走达到冷却的效果。而大容积深海高压模拟装置作为该领域未来主要发展趋势。由于尺寸大，水的导热系数远低于钢的导热系数，增压后高压静止水的热阻是主要导热热阻。为达到深海高压低温模拟目的，目前只通过采用在增压筒壁中间或外层水套或盘管通冷却介质的措施较难实现；且冷却介质温度不能过低，需要考虑筒壁耐压钢的低温性能和高压水壁面结冰的危害。因此，采用传统的技术路线，已经无法实现深海高压模拟装置筒内低温快速、有效控制。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型提出了一种低温深海模拟装置，解决或至少部分解决现有技术中存在的技术缺陷。
5.为实现上述目的，本实用新型提供了一种低温深海模拟装置，包括：
6.第一耐压筒，其外周设有冷却通道；或，所述第一耐压筒侧壁中空，所述第一耐压筒侧壁内设有冷却通道；
7.多个导热翅片，其安装于所述第一耐压筒内壁上；
8.第一制冷机，其一端通过第一管道与所述冷却通道一端连通、另一端通过第二管道与所述冷却通道另一端连通；
9.增压水箱，其通过第三管道与所述第一耐压筒连通，所述第三管道上设有增压泵。
10.优选的是，所述的低温深海模拟装置，所述导热翅片为弹性导热材料制成的弹性导热翅片。
11.优选的是，所述的低温深海模拟装置，还包括：
12.换热器，其包括冷侧进液管、冷侧出液管、热侧进液管和热侧出液管；
13.所述换热器的冷侧进液管与所述第一管道连通，所述换热器的冷侧出液管与所述第二管道连通，所述换热器的热侧进液管与所述增压水箱一侧连通，所述换热器的热侧出液管与所述增压水箱另一侧连通。
14.优选的是，所述的低温深海模拟装置，还包括：
15.换热器，其包括冷侧进液管、冷侧出液管、热侧进液管和热侧出液管；
16.第二制冷机，所述换热器的冷侧进液管与所述第二制冷机一端连通，所述
17.换热器的冷侧出液管与所述第二制冷机另一端连通，所述换热器的热侧进液管与所述增压水箱一侧连通，所述换热器的热侧出液管与所述增压水箱另一侧连通。
18.优选的是，所述的低温深海模拟装置，所述换热器的热侧出液管和/或所述换热器的热侧进液管上设有循环泵。
19.优选的是，所述的低温深海模拟装置，所述第一管道、所述第二管道、所述第三管道、所述换热器的冷侧进液管、所述换热器的热侧进液管上均设有阀门。
20.优选的是，所述的低温深海模拟装置，还包括第二耐压筒，所述第二耐压筒套设在所述第一耐压筒外周，所述冷却通道位于所述第一耐压筒和所述第二耐压筒之间且套设在所述第一耐压筒外周。
21.优选的是，所述的低温深海模拟装置，所述第二耐压筒包括两端开口的第二筒体，所述第一耐压筒包括两端开口的第一筒体，所述第一筒体两端均设有法兰，所述法兰分别盖设于所述第一筒体、所述第二筒体两端的开口。
22.优选的是，所述的低温深海模拟装置，若所述第一耐压筒外周设有冷却通道，所述冷却通道还设有保温层；
23.若所述第一耐压筒侧壁内设有冷却通道，所述第一耐压筒外周设有保温层。
24.本实用新型的一种低温深海模拟装置相对于现有技术具有以下有益效果：
25.(1)本实用新型的低温深海模拟装置，包括多个导热翅片、第一制冷机、增压水箱，通过在第一耐压筒内壁上设置多个导热翅片提升第一耐压筒内高压水的传热系数，增加水的降温速率；第一制冷机中的冷却介质在流动过程中对第一耐压筒进行降温；而增压水箱中的水在增压泵的作用下对第一耐压筒进行增压；本实用新型通过在第一耐压筒内壁安装导热翅片，在第一耐压筒内水压增至预定压力后，确保压缩热能快速通过导热翅片传导至第一耐压筒，并通过循环冷却介质带到外部冷源，维持第一耐压筒内温度为指定温度，相比传统技术中仅通过冷却介质降温，本实用新型的低温深海模拟装置降温速率更高，试验效率更高；
26.(2)本实用新型的低温深海模拟装置，还包括换热器，通过第一制冷机或第二制冷机和换热器将增压水箱中的水降低至预定温度，然后再将增压箱中的水泵入第一耐压筒中进行增压，确保进进入第一耐压筒中的水均为低温水，由于换热器的换热效率要远高于第一耐压筒内导热翅片的换热效率，可减少增压后第一制冷机的热负荷和降温时间，增加试验效率。
附图说明
27.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅
是本实用新型的一些实施例，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。
28.图1为本实用新型其中一个实施例中低温深海模拟装置的结构示意图；
29.图2为本实用新型其中一个实施例中低温深海模拟装置的结构示意图；
30.图3为本实用新型其中一个实施例中低温深海模拟装置的结构示意图。
具体实施方式
31.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
32.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，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他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
33.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
34.在本实用新型的描述中，需要理解的是，如“上”等指示方位或位置的关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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实用新型的限制。
35.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
36.下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。
37.如图1所示，本技术实施例提供了一种低温深海模拟装置，包括：
38.第一耐压筒1，其外周设有冷却通道2；或，第一耐压筒1侧壁中空，第一耐压筒1侧壁内设有冷却通道2；
39.多个导热翅片3，其安装于第一耐压筒1内壁上；
40.第一制冷机4，其一端通过第一管道41与冷却通道2一端连通、另一端通过第二管道42与冷却通道2另一端连通；
41.增压水箱5，其通过第三管道51与第一耐压筒1连通，第三管道51上设有增压泵52。
42.需要说明的是，本技术实施例提供的低温深海模拟装置，第一耐压筒1由耐压材料制成，比如耐压不锈钢制成；在第一耐压筒1外周或者在第一耐压筒1侧壁内设置冷却通道2；在第一耐压筒1内壁上设置多个导热翅片3，导热翅片3由导热率高的耐高压的金属材料、复合材料、热管结构材料制成，导热翅片3可为铜片，通过在第一耐压筒1内壁上设置多个导热翅片3提升第一耐压筒1内高压水的传热系数，增加水的降温速率；第一制冷机4中的冷却介质经第一管道41流入冷却通道2，然后通过第二管道42返回至第一制冷机4，冷却介质在流动过程中对第一耐压筒1进行降温；而增压水箱5中的水在增压泵52的作用下通过第三管
道51泵入至第一耐压筒1中从而对第一耐压筒1进行增压。鉴于深海模拟装置本征特点：高压下水导热为主，由于水的导热系数远小于承压外壳耐压钢的导热系数，因此深海模拟装置换热降温的热阻主要高压水的导热热阻。为了减少降温时间，提升模拟实验效率，满足深海模拟装置增压后温度控制在低温的要求，本实用新型通过在第一耐压筒1内壁安装导热翅片3，导热翅片3充分延展到第一耐压筒1中心，在增压至20-200mpa的实验压力后，确保压缩热能快速通过导热翅片3到第一耐压筒1，并通过循环冷却介质带到外部冷源，维持第一耐压筒1内温度为指定温度(如深海温度2-4℃)。
43.具体的，增压水箱5用于存储增压过程中所需的水，可以是海水、盐水或可以满足增压实验的液体；增压泵52用于实现水的增压并注入第一耐压筒1内，使第一耐压筒1内水压达到设定值(如20-200mpa)；实际中除了采用增压水箱5和增压泵52对第一耐压筒1中的水进行增压，还可以采用其它承压装置对第一耐压筒1中的水进行增压，例如可以采用高压气体对第一耐压筒1中的水进行增压。
44.第一制冷机4，是整个系统冷量的来源；第一制冷机4可以为一台制冷机满足系统冷量要求，也可为多台制冷机，在满足系统冷量要求的基础上，互为备份，提升系统的可靠性，具体的，第一制冷机4可采用压缩式制冷机、吸收式制冷机和蒸汽喷射式制冷机。
45.在一些实施例中，导热翅片3为弹性导热材料制成的弹性导热翅片。具体的，导热翅片3由弹性好、导热率高的耐高压的金属材料、复合材料、热管结构材料制成，比如可采用石墨烯交联碳纳米管网络/聚酰亚胺复合材料。导热翅片3的弹性特性使得第一耐压筒1内放置待测样品时，导热翅片3会发生弹性变形，确保待测样品可以顺利放入。
46.在一些实施例中，如图2所示，还包括：
47.换热器6，其包括冷侧进液管61、冷侧出液管62、热侧进液管63和热侧出液管64；
48.换热器6的冷侧进液管61与第一管道41连通，换热器6的冷侧出液管62与第二管道42连通，换热器6的热侧进液管63与增压水箱5一侧连通，换热器6的热侧出液管64与增压水箱5另一侧连通。
49.在上述实施例中，换热器6为常规的换热器，换热器6包括壳体以及设置在壳体上的冷侧进液管61、冷侧出液管62、热侧进液管63和热侧出液管64；在工作时，第一管道41中部分冷却介质经过冷侧进液管61进入换热器并通过冷侧出液管62返回至第二管道42后再次进入第一制冷机4降温；而增压水箱5中的部分水经过热侧进液管63进入换热器6再经过热侧出液管64返回至增压水箱5中，在此过程中，水与冷却介质在换热器6中换热，经过多次循环后增压水箱5降至指定温度；开始对第一耐压筒1增压之前利用第一制冷机4对增压水箱5中的水进行降温，确保进进入第一耐压筒1中的水均为低温水，由于换热器6的换热效率要远高于第一耐压筒1内导热翅片3的换热效率；可减少增压后第一制冷机4的热负荷和降温时间，增加试验效率。
50.在一些实施例中，如图3所示，还包括：
51.换热器6，其包括冷侧进液管61、冷侧出液管62、热侧进液管63和热侧出液管64；
52.第二制冷机7，换热器6的冷侧进液管61与第二制冷机7一端连通，换热器6的冷侧出液管62与第二制冷机7另一端连通，换热器6的热侧进液管63与增压水箱5一侧连通，换热器6的热侧出液管64与增压水箱5另一侧连通。
53.在上述实施例中，利用第二制冷机7对增压水箱5中的水进行降温，具体的，第二制
冷机7中冷却介质经过冷侧进液管61进入换热器并通过冷侧出液管62返回至第二制冷机7后再次降温；而增压水箱5中的部分水经过热侧进液管63进入换热器6再经过热侧出液管64返回至增压水箱5中，在此过程中，水与冷却介质在换热器6中换热，经过多次循环后增压水箱5降至指定温度。在上述实施例中，第一制冷机4仅用于冷却通道2中提供冷却介质，第二制冷机7对增压水箱5中的水进行降温，第一制冷机4和第二制冷机7可选取不同制冷温度工作。
54.在一些实施例中，换热器6的热侧出液管64和/或换热器6的热侧进液管63上设有循环泵65。通过设置循环泵65更容易驱动增压水箱5中的水进入换热器中。
55.在一些实施例中，第一管道41、第二管道42、第三管道51、换热器6的冷侧进液管61、换热器6的热侧进液管63上均设有阀门。
56.具体的，第一管道41上设有第一阀门43、第二管道42上设有第二阀门44、第三管道51上设有第三阀门53、冷侧进液管61上设有第四阀门66、热侧进液管63上设有第五阀门67。
57.在一些实施例中，第二耐压筒，第二耐压筒套设在第一耐压筒外周，冷却通道2位于第一耐压筒1和第二耐压筒之间且套设在第一耐压筒1外周。
58.在一些实施例中，第二耐压筒包括两端开口的第二筒体10，第一耐压筒1包括两端开口的第一筒体11，第一筒体两端均设有法兰12，法兰12分别盖设于第一筒体11、第二筒体10两端的开口。
59.在上述实施例中，位于第一筒体11下端的法兰12盖设于第一筒体11、第二筒体10下端并与第一筒体11、第二筒体10固定，具体的，可为焊接固定连接，而位于第一筒体11上端的法兰12盖设于第一筒体11、第二筒体10上端并与第一筒体11、第二筒体10之间可拆卸固定，例如法兰12与第一筒体11、第二筒体10上端之间通过螺栓固定，或法兰与第一筒体11上端之间螺纹连接，在实际中，法兰12与第一筒体11、第二筒体10上端接触面之间通过密封结构密封实现承压密封能力，具体的，可在法兰与第一筒体11、第二筒体10上端接触面处设置密封圈；第一筒体两端均设有法兰12起到类似封盖的作用，通过位于第一筒体11两端的法兰12以及第一筒体11之间围合形成密封腔室。显然，位于第一筒体11上端的法兰12与第一筒体11、第二筒体10直接可拆卸固定，这样在进行压力实验时，可将第一筒体11上端的法兰12拆卸，然后将待测样品或装置放入第一筒体11，再固定好法兰12。
60.在一些实施例中，第二耐压筒内壁面或第一耐压筒1外壁面开设有水槽，开设的水槽即形成冷却通道2。
61.在一些实施例中，若第一耐压筒1外周设有冷却通道2，冷却通道外周还设有保温层；
62.若第一耐压筒1侧壁内设有冷却通道2，第一耐压筒1外周设有保温层8；
63.若冷却通道2位于第一耐压筒1和第二耐压筒之间且套设在第一耐压筒1外周，第二耐压筒外周设有保温层8。
64.通过设置保温层8可以减少周围环境向第一耐压筒1的导热，降低第一制冷机4热负荷，节约能量。保温层8，具体可以采用保温棉，也可以采用采用发泡材料等其他具有同等绝热保温效果的材料代替。
65.本技术中所有的管道以及阀门均包裹有保温层，减少漏热；具体的，第一管道41、第二管道42、第三管道51、冷侧进液管61、冷侧出液管62、热侧进液管63、热侧出液管64上均
包裹有保温层；第一阀门43、第二阀门44、第三阀门53、第四阀门66、第五阀门67上均包裹有保温层。
66.在一些实施例中，冷却通道2呈螺旋状弯曲。
67.在上述实施例中，由于冷却通道2呈螺旋状弯曲，这大大增加了冷却通道2与第一耐压筒1之间的换热面积，大大提高了换热效果。
68.本技术实施例一种深海低温环境模拟装置的模拟方法，包括以下步骤：
69.s1、提供上述的低温深海模拟装置；
70.s2、启动第一制冷机，第一制冷机中的冷却介质经第一管道进入冷却通道再经过第二管道返回至第一制冷机，冷却通道中的冷却介质对第一耐压筒进行降温并达到预定温度；
71.s3、将待测样品放置在第一耐压筒内，启动增压泵将增压水箱中的水泵入第一耐压筒内使第一耐压筒内的压力达到预定值；
72.若低温深海模拟装置还包括换热器，深海低温环境模拟方法还包括以下步骤：
73.s4、通过第一制冷机或第二制冷机和换热器将增压水箱中的水降低至预定温度，再将待测样品放置在第一耐压筒内，启动增压泵将增压水箱中的水泵入第一耐压筒内使第一耐压筒内的压力达到预定值。
74.具体的，若低温深海模拟装置采用如图1所示的装置，则本技术的深海低温环境模拟方法，包括以下步骤：
75.s1、初始阶段第一耐压筒内无水，开启第一制冷机，第一制冷机中的低温冷却介质经第一管道流入冷却通道，然后通过第二管道返回至第一制冷机，冷却介质在流动过程中对第一耐压筒进行降温，将第一耐压筒的热容热传递给第一制冷机，经过多次循环后，从第二管道中流出的冷却介质的温度降低到低于实验所需温度的指定温度；
76.s2、打开第一耐压筒上端的法兰，放置待测样品置于第一耐压筒内再密封第一耐压筒上端的法兰，开启增压泵，将第一耐压筒内压力增压到指定压力(如20mpa～200mpa)；增压过程中第一制冷机持续工作；增压到指定压力后，等待第一制冷机继续循环降温，将增压的压缩热逐步带走；导热翅片可以增加降温速率，经过一段时间循环后，第一耐压筒中的高压水温度降到指定温度(如2-4℃)。
77.若低温深海模拟装置采用如图2所示的装置，则本技术的深海低温环境模拟方法，包括以下步骤：
78.s1、初始阶段第一耐压筒内无水，开启第一制冷机，第一制冷机中的低温冷却介质经第一管道流入冷却通道，然后通过第二管道返回至第一制冷机，冷却介质在流动过程中对第一耐压筒进行降温，将第一耐压筒的热容热传递给第一制冷机，经过多次循环后，从第二管道中流出的冷却介质的温度降低到低于实验所需温度的指定温度；
79.s2、打开冷侧进液管、热侧进液管上的阀门，启动循环泵，第一制冷机中部分低温冷却介质经过冷侧进液管进入换热器，而增压水箱中的部分水经过循环泵驱动进入换热器，换热器中的低温冷却介质与水进行换热，换热后的低温冷却介质再次进入第一制冷机降温；而换热后的水再回到增压水箱中与增压水箱中剩余的高温水进行混合，经过数次循环，增压水箱中的水降至指定温度；
80.s3、打开第一耐压筒上端的法兰，放置待测样品置于第一耐压筒内再密封第一耐
压筒上端的法兰，开启增压泵，将第一耐压筒内压力增压到指定压力(如20mpa～200mpa)；增压过程中第一制冷机持续工作；增压到指定压力后，等待第一制冷机继续循环降温，将增压的压缩热逐步带走；导热翅片可以增加降温速率，经过一段时间循环后，第一耐压筒中的高压水温度降到指定温度(如2-4℃)。
81.若低温深海模拟装置采用如图3所示的装置，则本技术的深海低温环境模拟方法，包括以下步骤：
82.s1、初始阶段第一耐压筒内无水，开启第一制冷机，第一制冷机中的低温冷却介质经第一管道流入冷却通道，然后通过第二管道返回至第一制冷机，冷却介质在流动过程中对第一耐压筒进行降温，将第一耐压筒的热容热传递给第一制冷机，经过多次循环后，从第二管道中流出的冷却介质的温度降低到低于实验所需温度的指定温度；
83.s2、打开冷侧进液管、热侧进液管上的阀门，启动循环泵，第二制冷机中低温冷却介质经过冷侧进液管进入换热器，而增压水箱中的部分水经过循环泵驱动进入换热器，换热器中的低温冷却介质与水进行换热，换热后的低温冷却介质再次进入第二制冷机降温；而换热后的水再回到增压水箱中与增压水箱中剩余的高温水进行混合，经过数次循环，增压水箱中的水降至指定温度；
84.s3、打开第一耐压筒上端的法兰，放置待测样品置于第一耐压筒内再密封第一耐压筒上端的法兰，开启增压泵，将第一耐压筒内压力增压到指定压力(如20mpa～200mpa)；增压过程中第一制冷机持续工作；增压到指定压力后，等待第一制冷机继续循环降温，将增压的压缩热逐步带走；导热翅片可以增加降温速率，经过一段时间循环后，第一耐压筒中的高压水温度降到指定温度(如2-4℃)。
85.以上所述仅是本技术的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本技术的保护范围。