一种超临界二氧化碳充装防护装置

1.本技术涉及超临界二氧化碳充装技术领域，具体公开了一种超临界二氧化碳充装防护装置。


背景技术：

2.超临界二氧化碳是二氧化碳的超临界状态，也就是二氧化碳随着温度和压力的变化，超出了二氧化碳气液的临界温度，临界压力，临界容积状态的二氧化碳。当温度高于31.1摄氏度，压力高于7.38mpa时，二氧化碳便进入到了超临界状态。
3.超临界二氧化碳有很强的溶剂化能力，具有常规液态溶剂的强度，而超临界二氧化碳的密度随着压力升高而增大，随着温度升高而减小，在临界点附近，密度对于压力和温度十分的敏感，很小的温压变化就会导致密度的急剧变化。
4.在研究超临界二氧化碳的各种数据时，一是由于临界二氧化碳的压力数据可能需要远远大于其临界压力，测试研究数据，二是由于传统的临界二氧化碳充装压力保护装置结构比较庞大，不便于在实验室进行安装调试。因此，发明人有鉴于此，提供了一种超临界二氧化碳充装防护装置，以便解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决传统的超临界二氧化碳充装防护设备在进行实验时，压力超过其设定阈值，造成防护设备失效的问题。
6.为了达到上述目的，本发明的基础方案提供一种超临界二氧化碳充装防护装置，包括次连通的二氧化碳供气组件、压力伺服组件，其特征在于：还包括与压力伺服组件连通的储气组件以及防护组件，防护组件包括与储气组件连通的缓冲罐，储气组件与缓冲罐上均连通有泄压组件，泄压组件包括并列设置的安全阀、爆破片以及压力传感器，储气组件与缓冲罐之间以及缓冲罐上均连通有背压阀；压力伺服组件、背压阀与泄压组件上电连接有电控系统，压力伺服组件与储气组件之间设有与电控系统电连接的压力表。
7.本基础方案的原理及效果在于：
8.1、二氧化碳供气组件给压力伺服组件提供二氧化碳，进入压力伺服组件的二氧化碳完成不断的加压后提供给储气组件，从而使得二氧化碳在储气组件内完成不断的加压过程，直到达到指定的压力完成二氧化碳到超临界二氧化碳状态的转换。
9.2、在充装超临界二氧化碳过程中，当压力超过实验者理想压力值时，操作者首先可通过储气组件与缓冲罐之间以及缓冲罐之间的背压阀调节储气组件内气体的压力，防止压力持续升高，出现危险；多余气体会进入缓冲罐内，当缓冲罐内压力超过理想值时，操作者可通过缓冲罐上连通背压阀将已泄出暂存的气体放入空气当中，从而保证缓冲罐的压力持续升高，出现危险。
10.3、当操作者发现压力过高无法使用背压阀降低至安全压力后，此时在压力不断升高的同时，便可自动触发泄压组件完成泄压过程。具体的，在操作者操作背压阀后，压力伺
服组件与储气组件之间的压力表数值仍然在不断的升高，此时电控系统可控制压力伺服组件停止工作，从而防止压力伺服组件入仍然在进行加压工作；当储气组件充装完毕后，在背压阀失去泄压能力后，此时与储气组件连通的安全阀接管工作，安全阀通过预紧弹簧调节压力，若压力过大，弹簧会被顶开从而释放多余气体，压力恢复正常后阀门会重新关闭；若安全阀失效，则与储气组件连通的爆破片接管工作：反应段爆破片在安全阀失效后，气体达到泄爆膜片压力安全上限后，爆破片破裂，气体大量泄出，直到压力与大气压相等。完成逐步泄压工作，从而保证实验人员的安全。在整个过程中，压力传感器可监控由致裂管内流出气体压力值，提醒操作者通过背压阀操作调节管内压力。
11.4、同理，若缓冲罐段的背压阀失去功能能力时，与缓冲罐连通的泄压组件也可重复上述泄压过程，完成泄压工作。
12.与现有技术相比，本发明在使用过程中，由于超临界二氧化碳相关实验需将二氧化碳加压至数十兆帕的压力，因此试验具有较大的危险性，而本技术同时设置多重安全保障系统，可以有效保障操作者的人身安全结构问题，因此具有较大的可行性，便于在本领域中推广使用。
13.进一步，所述爆破片的出气端设有用于减少气流流速的缓冲组件，缓冲组件包括与爆破片连通的动力腔以及设置在动力腔下方的阻力腔，动力腔以及阻力腔之间贯穿设有传动轴，传动轴位于动力腔内的一端圆周均布固接有若干受力板，传动轴位于阻力腔内的一端圆周均布固接有若干阻力板，阻力腔内设有为阻力提高阻力的清水。由于爆破片启动后是突然性的，因此会在短时间产生大量的高速气流从爆破片处泄出，从而存在较强的冲击力，此时为了保证实验人员的安全，因此气流在从爆破片处泄出后，冲击受力板，从而带动与受力板连接的传动轴快速转动，传动轴再带动阻力板在清水中转动，通过清水产生的阻力，最终完成与气流的对抗力，完成减少气流冲击力；而且还可以通过调节清水量，从而调整阻力大小，便于在给传动轴提供冲击力的同时防止阻力过大，造成传动轴失效，动力腔排气量极具降低的情况出现。
14.进一步，所述传动轴上同轴连接有惯性盘，惯性盘的一侧转动设有惯性支架，惯性支架与惯性盘之间设有牵引弹簧，惯性支架的自由端上设有摩擦轮，摩擦轮外缘设有用于给摩擦轮提高摩擦力的阻力环。若清水阻力在传动轴快速转动时，阻力不够，此时传动轴转速可能越来越快，此时通过离心力的出现，使得摩擦轮远离传动轴并贴在阻力环上，通过摩擦轮与阻力环的摩擦力从而完成传动轴的降速，保证高速气流在安全范围内从动力腔内排出。
15.进一步，所述传动轴上同轴连接有若干拨杆，拨杆外缘设有若干由拨杆敲击的响铃。在传动轴转动时，通过拨杆敲击响铃，从而通过物理手段发出警报声音，提醒实验中注意安全。
16.进一步，所述二氧化碳供气组件包括依次连通的气瓶以及冷凝器。完成二氧化碳的供气以及冷却。
17.进一步，所述气瓶与冷凝器之间设有与电控系统电连接的电磁阀。电磁阀可提供一重安全保障，在气瓶受热导致瓶内气体压力超过供气端管道或阀门安全阈值时，电磁阀将通电关闭防止阀门或管道压力过大出现安全隐患。
18.进一步，所述压力伺服组件包括与冷凝器连通的过滤器、与过滤器的增压泵，增压
泵的出气端与储气组件连通，且压力表设置在增压泵与储气组件之间；储气组件为致裂管。完成增压，并由致裂管储存超临界二氧化碳。
19.进一步，所述增压泵的出气端连通有排污阀。正常情况下关闭，可将加压后的二氧化碳中杂质排出，可实现由大到小调节。
20.进一步，所述冷凝器与增压泵上之间循环连通有冷凝水箱，冷凝水箱与电控系统电连接。为冷凝器与增压泵降温。
21.进一步，所述致裂管与缓冲罐内均设有与电控系统电连接的测温电阻。在致裂管和缓冲罐都安装了测温电阻，可监测气体温度。
附图说明
22.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中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技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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。
23.图1示出了本技术实施例提出的一种超临界二氧化碳充装防护装置充装示意图；
24.图2示出了本技术实施例提出的一种超临界二氧化碳充装防护装置中缓冲组件的结构示意图；
25.图3示出了本技术实施例提出的一种超临界二氧化碳充装防护装置中缓冲组件的内部结构示意图。
具体实施方式
26.为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
27.说明书附图中的附图标记包括：气瓶1、电磁阀2、冷凝器3、过滤器4、增压泵5、压力表6、四通阀门7、冷凝水箱8、三通阀门9、排污阀10、球阀11、致裂管12、气体采集罐13、安全阀14、爆破片15、压力传感器16、缓冲罐17、电控系统18、缓冲组件19、安装管20、动力腔21、排气管22、阻力腔23、传动轴24、拨杆25、响铃26、受力板27、阻力环28、阻力板29、惯性支架30、牵引弹簧31、摩擦轮32。
28.实施例如图1所示，包括一个气瓶1，气瓶1的出气口上依次连通了一个电磁阀2、一个冷凝器3、一个过滤器4以及一个增压泵5，增压泵5具有两个泵头，两个泵头交替工作，增压泵5输出加压后的二氧化碳进入四通阀门7，四通阀门7的另外两路，一路与压力表6连接指示压力，一路接通一个三通阀门9，三通阀门9的另外两路，一路与排污阀10连通，另一路与致裂管12连通，致裂管12与三通阀门9之间设置了一个球阀11。
29.如图1所示，致裂管12上设置了一个气体采集罐13，致裂管12上还连通了一个三通阀门9，三通阀门9的另外两路中，一路与缓冲罐17连通，一路与泄压组件连通，致裂管12与缓冲罐17之间设有第一背压阀，缓冲罐17上还连通了一个第二背压阀以及一个泄压组件，泄压组件包括并列设置的安全阀14、爆破片15以及压力传感器16。
30.如图1所示，还包括一个冷凝水箱8，冷凝水箱8内的水流从冷凝水箱8进入冷凝器3，再从冷凝器3进入增压泵5，最后从增压泵5回到冷凝水箱8；还包括电控系统18，电控系统
18分别与电磁阀2、冷凝水箱8、冷凝器3、增压泵5、压力表6背压阀、两个压力传感器16电连接，致裂管12与缓冲罐17内均设有与电控系统18电连接的测温电阻。
31.如图2所示，缓冲组件19包括与爆破片15连通的动力腔21以及设置在动力腔21下方的阻力腔23，动力腔21一侧连通有与爆破片15连通的安装管20，动力腔21另一侧连通有排气管22，动力腔21以及阻力腔23之间贯穿设有传动轴24，如图2和图3所示，动轴位于动力腔21内的一端圆周均布焊接了若干受力板27，传动轴24位于阻力腔23内的一端圆周均布焊接了若干阻力板29，阻力腔23内设有为阻力提高阻力的清水，阻力腔23上设置有注水口以及排水口，注水口以及排水口上均螺纹连接了一个密封盖。
32.如图2所示，传动轴24位于阻力腔23内的一端上同轴连接了一个惯性盘，惯性盘的侧壁通过一个转轴转动安装了一个惯性支架30，惯性支架30与惯性盘之间设有将惯性支架30牵引会惯性盘的牵引弹簧31，惯性支架30的自由端上转动安装了一个摩擦轮32，摩擦轮32外缘设有用于给摩擦轮32提高摩擦力的阻力环28。如图2所示，传动轴24上同轴连接有若干拨杆25，在动力腔21的上表面圆周转动设置了若干由拨杆25敲击的响铃26。
33.使用过程：
34.二氧化碳由气瓶1出发，先经过电磁阀2，由电磁阀2进入冷凝器3，冷凝器3会将二氧化碳冷却，经冷却后的二氧化碳进入增压泵5，增压泵5的两个泵头交替工作，双泵头输出加压后的二氧化碳进入四通阀门7，后分为两路，一路输出到前端压力表6位置指示压力，另外一路进入对应的三通阀门9，三通阀门9连接致裂管12前的球阀11和排污阀10；
35.球阀11打开后，气体可经球阀11进入之致裂管12。在钢瓶中的二氧化碳为气态和液态两相，致裂管12中的二氧化碳为超临界态，缓冲罐17中的二氧化碳为气态；
36.在整个反应过程中，只需将排污阀10关闭，其他阀门全部开启。由致裂管12出来的二氧化碳进入三通阀门9，一路进入背压阀，另外一路进入泄压组件，由背压阀出的气体进入缓冲罐17。
37.缓冲罐17后是第二个背压阀和三通阀门9。三通阀门9连接进入另外一套泄压组件，同时由第二个背压阀控制泄出的多余气体直接进入空气中。
38.电控系统18全程监测致裂管12内的气体温度和压力，当压力超过实验者理想压力值时，操作者首先可通过缓冲罐17与致裂管12之间的背压阀调节致裂管12内气体压力，防止压力持续升高，多余气体会进入缓冲罐17内，当缓冲罐17内压力超过理想值时，操作者可通过缓冲罐17上单独连通的背压阀将已泄出暂存的气体放入空气当中。
39.同时在充装时，多重防护组件在时刻监测充装是否出现充装危险，具体的：
40.1、电磁阀2是第一道保障，如果气瓶1受热导致瓶内气体压力超过管道或阀门安全阈值，电磁阀2将通电关闭防止阀门或管道压力过大出现安全隐患；
41.2、压力表6是第二道安全保障，实验设计者可根据实验需求自行在数控系统上设置压力表6的试验安全值。经过增压泵5后增压的二氧化碳除了直接进入致裂管12外，还会通过压力表6进行测压，如果压力超过试验设计者在电控系统18上设置的安全值，电控系统18会报警提示；
42.3、反应段传感器可监控由致裂管12内流出气体压力值，提醒操作者通过背压阀操作调节管内压力，当操作者发现压力过高无法使用背压阀降低至安全压力后，泄压组件会自动启用。具体的，
①
充装前，需要根据实验需要，给安全阀14通过预紧弹簧调节压力，若压
力过大，弹簧会被顶开从而释放多余气体，压力恢复正常后阀门会重新关闭，过程可逆；
②
若安全阀14失效，则启用第二道保险：爆破片15启动，在第一道保险失效后，气体达到泄爆膜片压力安全上限后，爆破片15破裂，气体大量泄出，直到压力与大气压相等，该过程不可逆。
43.4、缓冲罐17单独连通的背压阀无法使用后，同样的可自动启用泄压组件。
44.5、为了避免爆破片15高速气流影响实验者，气流在从爆破片15处泄出后，冲击受力板27，从而带动与受力板27连接的传动轴24快速转动，传动轴24再带动阻力板29在清水中转动，通过清水产生的阻力，最终完成与气流的对抗力，完成减少气流冲击力；若清水阻力在传动轴24快速转动时，阻力不够，此时传动轴24转速可能越来越快，此时通过离心力的出现，使得摩擦轮32远离传动轴24并贴在阻力环28上，通过摩擦轮32与阻力环28的摩擦力从而完成传动轴24的降速，保证高速气流在安全范围内从动力腔21内排出。同时在传动轴24转动时，通过拨杆25敲击响铃26，从而通过物理手段发出警报声音，提醒实验中注意安全。
45.本发明在使用过程中，由于超临界二氧化碳相关实验需将二氧化碳加压至数十兆帕的压力，因此试验具有较大的危险性，而本技术同时设置多重安全保障系统，可以有效保障操作者的人身安全结构问题，因此具有较大的可行性，便于在本领域中推广使用。
46.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。