二氧化碳和磨料空化射流结合的硬质海床冲蚀系统及方法

技术特征：
1.一种二氧化碳和磨料空化射流结合的硬质海床冲蚀系统，其包括气源提供系统和运输系统，其特征在于：还包括位于深海的行走器和位于行走器上的中继装置、加压射流流体制备装置、冷却流体制备装置以及喷嘴射流装置；所述的气源提供系统通过运输系统与所述的中继装置连接，所述的气源提供系统用于将气态二氧化碳通过运输系统输送至中继装置；所述的中继装置用于临时储存运输系统提供的二氧化碳，并对其进行降压，使得液态二氧化碳的压力降至0.52mpa～3.8mpa；所述的加压射流流体制备装置、冷却流体制备装置分别与所述的中继装置连接；所述的加压射流流体制备装置用于将中继装置提供的二氧化碳依次经降温、增压步骤，得到压力在6mpa以上的饱和二氧化碳溶液；所述的冷却流体制备装置用于将中继装置提供的二氧化碳进行降温，然后与高硬度砂混合后，经过冷凝至-56.6℃以下制成掺有高硬度砂的固态干冰，之后将其破碎成颗粒；所述的喷嘴射流装置用于将冷却流体制备装置得到的掺有高硬度砂的干冰碎屑与加压射流流体制备装置得到的饱和二氧化碳溶液混合，并进行喷射，饱和二氧化碳溶液的压强大于深海环境压强，喷射出的液体发生空化作用产生空化泡，空化泡在环境压强的作用下发生溃灭，产生空爆效应并对硬质海床进行冲蚀。2.根据权利要求1所述的一种二氧化碳和磨料空化射流结合的硬质海床冲蚀系统，其特征在于：所述的中继装置包括中继存储罐和降压机构，所述的降压机构用于将液态二氧化碳的压力降至0.52mpa～3.8mpa，并使液态二氧化碳转化为气态二氧化碳；所述的降温是指将气态二氧化碳溶液进行降温，并且所述的降温幅度不低于相应临界压强液态二氧化碳转化为气态二氧化碳对应的温度。3.根据权利要求2所述的一种二氧化碳和磨料空化射流结合的硬质海床冲蚀系统，其特征在于：所述的加压射流流体制备装置包括输送管道一、单向控制阀一、制冷器、单向控制阀二、气液混合室、单向控制阀三、增压装置以及单向控制阀六，单向控制阀一在靠近中继存储罐的一端，制冷器位于单向控制阀一和单向控制阀二之间，所述的制冷器使得气态二氧化碳温度降低来增大其在水中的溶解度；所述的气液混合室位于单向控制阀二和单向控制阀三之间，所述的气液混合室用于对气态二氧化碳与水充分混合，所述的增压装置用于对气液混合室形成的饱和二氧化碳溶液进行加压使其压力达到6mpa以上。4.根据权利要求2所述的一种二氧化碳和磨料空化射流结合的硬质海床冲蚀系统，其特征在于：所述的冷却流体制备装置包括输送管道二、单向控制阀四、混合室、凝固室、破碎室以及单向控制阀五，所述的输送管道二的一端连接在所述的中继存储罐的出口二，另一端连接在所述的喷嘴射流装置，单向控制阀四在靠近中继存储罐的一端，所述的混合室、凝固室和破碎室依次连接，凝固室用于制作掺有高硬度砂的干冰，所述的破碎室用于将掺有高硬度砂的干冰破碎成细颗粒。5.根据权利要求1所述的一种二氧化碳和磨料空化射流结合的硬质海床冲蚀系统，其特征在于：所述的行走器为海底矿车，所述的中继装置安装在海底矿车的尾部。6.根据权利要求1所述的一种二氧化碳和磨料空化射流结合的硬质海床冲蚀系统，其特征在于：所述的喷嘴射流装置包括腔室、混合腔和腔口，进入喷嘴射流装置的掺有干冰碎
屑的饱和二氧化碳溶液依次经腔室、混合腔混合均匀后，从腔口的喷嘴喷射出，喷射速度v按照式(1)计算得到：式(1)中，v为喷射速度、p为液体压强压力、ρ为液体密度，c为常量。7.根据权利要求1所述的一种二氧化碳和磨料空化射流结合的硬质海床冲蚀系统，其特征在于：所述的高硬度砂的莫氏硬度大于7，所述的高硬度砂选用粒度为60～150目的二氧化硅、氧化铝或石榴石。8.根据权利要求6所述的一种二氧化碳和磨料空化射流结合的硬质海床冲蚀系统，其特征在于：自腔室的进口端到混合腔其横截面积依次减小。9.一种二氧化碳和磨料空化射流结合的硬质海床冲蚀方法，其特征在于，其采用权利要求1～8任一项所述的一种二氧化碳和磨料空化射流结合的硬质海床冲蚀系统，所述的冲蚀方法包括以下步骤：a、气源提供系统通过所述的运输系统向中继装置提供二氧化碳，当气源提供系统提供的气态二氧化碳到达位于深海的中继装置时，其转变为液态二氧化碳，对其进行降压后进行临时储存；b、中继装置中储存的二氧化碳进入加压射流流体制备装置中，依次经过降温、增压后得到压力为6mpa以上的饱和二氧化碳溶液；c、中继装置中储存的二氧化碳进入冷却流体制备装置中，与高硬度砂在混合室中混合均匀，然后进入凝固室冷凝至-56.6℃以下制成掺有高硬度砂的固态干冰，之后将其破碎成颗粒；d、步骤b得到的饱和二氧化碳溶液和步骤c得到的干冰磨料进入喷嘴射流装置中，充分混合后，经过喷嘴射流装置的喷嘴快速喷射出，喷射出的液体发生空化作用产生空化泡，空化泡由于环境压强大于饱和蒸汽压发生溃灭，产生高压冲击波达到高效冲蚀的效果，完成硬质海床的冲蚀。10.根据权利要求9所述的一种二氧化碳和磨料空化射流结合的硬质海床冲蚀方法，其特征在于：步骤d中，喷射出的多余的二氧化碳在海底附近沉积，并包裹海床，其通过与水的界面张力来有效捕捉悬浮在水中的微颗粒。

技术总结
本发明公开了一种二氧化碳和磨料空化射流结合的硬质海床冲蚀系统及方法，涉及深海海底硬质海床冲蚀技术领域。其包括气源提供系统、运输系统、位于深海的行走器和位于行走器上的中继装置、加压射流流体制备装置、冷却流体制备装置以及喷嘴射流装置；饱和二氧化碳溶液和干冰磨料混合后，在喷嘴射流装置的喷嘴处喷出，饱和二氧化碳溶液的压强大于深海环境压强，喷射出的液体发生空化作用产生空化泡，空化泡在海底环境压强大于相应温度的二氧化碳饱和蒸汽压条件下发生溃灭，产生空爆效应，实现对硬质海床高效冲蚀的目的；并且部分二氧化碳在海底会形成稳定的水合物等形态，实现二氧化碳的封存。化碳的封存。化碳的封存。


技术研发人员：陈旭光 关锦洋 刘学麟 张弦 张凤鹏
受保护的技术使用者：中国海洋大学
技术研发日：2022.11.21
技术公布日：2023/3/3