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方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术涉及深海海底硬质海床冲蚀
，尤其涉及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。

技术介绍

[0002]海底资源矿产丰富，对于海底资源的采集，目前常利用海底挖沟机本身的深水喷射系统，对海底的土质进行分解，吸收来采集矿产资源，但这只适用于软粘土，但对硬质海床资源则需要进行冲蚀，由于现有冲蚀硬质海床技术不够成熟，亟待需要一个高效、绿色的冲蚀技术。
[0003]空化是由于液流系统中的局部低压(低于相应温度下该液体的饱和蒸气压)使液体蒸发而引起的微气泡(或称为气核)爆发性生长现象也就是空化现象；当环境压强高于相应温度下的饱和蒸气压强时，空化泡会发生溃灭，并且在溃灭的瞬间会产生高温高压和微射流冲击波，冲击波具有强大的破坏作用，可以大大提高冲蚀效率。
[0004]目前有关空化水射流的应用主要有：
[0005]CN114670982B公开了一种基于空化水射流的船体清洗装置，其主要是利用空化原理，通过改变水流流速，在射流中产生大量空泡，利用空泡溃灭形成的冲击波达到清理船体的目的，同时空泡溃灭能够减轻射流对船体的损伤，清理效果好。
[0006]CN113857122A公开了一种围压空化水射流清洗装置，包括清洗单元；清洗单元包括清洗臂和多个喷嘴；清洗臂一侧设置进水端，清洗臂另一侧与多个所述喷嘴连接；多个喷嘴呈弧线间距排布；清洗臂内部具有空腔，进水端通过空腔与喷嘴连通。通过设置多个喷嘴，扩大了清洗范围，提高了清洗效率；多个喷嘴呈弧线间距排布在清洗架上，能够使每个喷嘴到导管架的距离保持一致，减少了清洗死角，提高了导管架的有效清洗面积。
[0007]上述现有技术均利用了空化水射流对装置进行高效清洗，但空化水射流析出的气体较少，空化核的数目的较少，影响冲蚀效率。
[0008]针对硬质海床冲蚀方面，目前现有技术均是利用水射流进行冲蚀，但水射流击范围大，对海底环境扰动大，会造成海底的生物窒息，影响海洋生物平衡。此外，水的粘性高在喷射过程中能量消散较快且水流射出时需要的能量大，具有耗能大等问题。
[0009]由此可见，针对硬质海床的冲蚀技术还有待于进一步改进。

技术实现思路

[0010]为了解决水射流耗能大以及空化水射流的冲蚀效率低的技术问题，本专利技术的目的之一在于提供一种二氧化碳和磨料空化射流结合的硬质海床冲蚀系统，其利用饱和二氧化碳溶液析出二氧化碳气体形成空化泡溃灭产生的空爆效应对硬质海床冲蚀原理以及利用磨料颗粒增加空化核的数目和降低空化初生难度，从而加强空化的射流强度，实现对硬质海床的高效冲蚀，并且部分的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。
[0011]为了实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：
[0012]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，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；
[0013]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；
[0014]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；
[0015]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；
[0016]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；
[0017]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。
[0018]上述技术方案直接带来的有益技术效果为：
[0019]上述技术方案中，提供了一种利用掺有磨料的饱和二氧化碳溶液发生空化析出二氧化碳气体进行空爆的冲蚀方法，通过喷嘴射流装置喷出带有高硬度砂与干冰碎屑的饱和二氧化碳溶液；这时的饱和二氧化碳溶液的压强大于6MPa，在水深500米～600米时，深海环境压强为5MPa～6MPa(饱和二氧化碳溶液压强大于环境压强更容易射出)，环境温度为5℃～10℃，而二氧化碳在5℃～10℃的饱和蒸汽压为3.96MPa～4.51MPa；根据伯努利方程(C为常量)可知液体流速越大，压强越小，因此从喷嘴处以(其中P为液体压强)的速度射出，使饱和二氧化碳溶液压强比在海底500米～600米左右时的二氧化碳饱和蒸汽压低，从而发生空化，二氧化碳气体析出，而在深海中的环境压强大于液体相应温度的饱和蒸汽压，则会发生空化泡溃灭，从而产生冲击波对硬质海床进行冲蚀，同时饱和二氧化碳溶液射出会引起高温高压，干冰颗粒发生热交换，二氧化碳固体迅速升华为气体，从而增加了空化核的数目进一步加强了空化射流强度；而且磨料颗粒表面裂隙中含有气体，提供了额外的空化核，还增加了射流中的空化核数目以及降低空化初生所需的压力，进一步提高射流空化强度。
[0020]上述技术方案利用了二氧化碳的腐蚀性和可溶于水的特性，其中空化主要是利用空化泡的溃灭产生的冲击波对硬质海床进行冲蚀，以及二氧化碳溶液比水能够更好的析出气体，再辅以磨料，磨料颗粒表面不仅能析出气体，还能增加空化强度，能够更好的冲蚀硬质海床，适用于深海环境。
[0021]作为本专利技术的一个优选方案，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。
[0022]作为本专利技术的另一个优选方案，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。
[0023]进一步的，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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈旭光，关锦洋，刘学麟，张弦，张凤鹏，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：