本發(fā)明屬于冰粒氣體射流技術領域，尤其涉及一種冰粒氣體射流快速制備裝置及方法。

背景技術：

磨料射流技術最早出現(xiàn)在上世紀的60年代，具體分為磨料水射流和磨料氣體射流技術。該技術能以較小的動力獲得較好的清潔、沖蝕效果，被廣泛應用于切割、特殊加工、鉆孔、除銹及水力沖孔等作業(yè)中。

隨著磨料射流技術的發(fā)展，傳統(tǒng)磨料射流應用過程中的缺點也日漸突顯出來。由于工作量的提高，磨料消耗量加大，但是傳統(tǒng)磨料不便于回收和處理；其次，磨料射流會在作業(yè)表面殘存大量的微細磨粒，不適應表面清潔度要求高的場合；另外，磨料射流進行除銹、切割作業(yè)時其工作條件較差。為此，國內外專家都在積極尋求更加經濟，實用的磨料，積極開發(fā)新型磨料射流，冰粒射流正是在這一背景下產生的，冰粒在低溫下具有一定的強度和硬度，可以達到磨料射流的效果。

目前，冰粒制備的方法主要有:（1）碎冰法，如波蘭Galeck和加拿大Vickers通過破冰器將冰塊破碎成直徑為3mm的冰粒進行冰粒磨料射流試驗，使用該方法制備冰粒工藝簡單、易操作，但通過碎冰法不能夠實現(xiàn)冰粒的連續(xù)制備，且破碎過程中冰粒易融化。（2）制冷劑法，如中國礦業(yè)大學李德玉提出的依靠液氮與經過預冷處理的霧化水直接接觸的方式制備小冰粒，使用該方法制備冰粒可實現(xiàn)冰粒的低溫和粒徑要求，但其技術過程復雜且成本較高。

目前，對于冰粒射流的方法主要有：（1）利用高壓水法，如原淮南工業(yè)學院高壓水射流實驗室采用高壓水引射冰粒而形成的冰粒高壓水射流，以高壓水引射冰粒能提供較大的能量，避免冰粒在噴嘴處發(fā)生粘結、堵塞等現(xiàn)象。但該方法不能使冰粒持續(xù)處在低溫場中，會降低作業(yè)效率。（2）利用壓縮空氣法，如原淮南礦業(yè)學院張東速提出的利用兩套動力系統(tǒng)分別實現(xiàn)冰粒制備和氣體射流，采用氣體射流技術，能滿足冰粒射流過程中的低溫場要求，但其兩套動力系統(tǒng)，會造成能源浪費。

上述冰粒制備及射流技術都是預先制備好冰粒，以冰粒作為磨料加入射流系統(tǒng)中，實現(xiàn)冰粒射流，其裝置復雜，無法實現(xiàn)冰粒制備及射流的一體化。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種結構簡單、使用效果好的冰粒氣體射流快速制備裝置及方法。

為解決上述技術問題，本發(fā)明提供了如下的技術方案：一種冰粒氣體射流快速制備裝置，包括高壓氣體部、儲水罐、液氮罐、射流噴嘴和射流管道；高壓氣體部的出氣口上連接有閥門；儲水罐和液氮罐上均設置有帶有閥門的氣體入口和出口；儲水罐的氣體入口、液氮罐的氣體入口和射流管道均連接高壓氣體部的出氣口；儲水罐的出口和液氮罐的出口均與射流管道連接，射流噴嘴設置于射流管道的末端；射流噴嘴前端的內徑逐漸變小，射流噴嘴末端的內徑逐漸變大。

高壓氣體部包括空壓機、氣體輸入管道和至少1個氣瓶，氣瓶上設置有均連接有閥門的入氣口和出氣口，各個氣瓶的出氣口上均連接有流量計；空壓機連接各個氣瓶的入氣口，各個氣瓶的出氣口均連接氣體輸入管道，氣體輸入管道的末端連接儲水罐的氣體入口、液氮罐的氣體入口和射流管道。

儲水罐和液氮罐的氣體入口分別設置于儲水罐的頂端和液氮罐的頂端。

儲水罐和液氮罐的出口上均連接有流量計；儲水罐的出口上還連接有霧化噴嘴，霧化噴嘴連接射流管道。

氣體輸入管道上設置有壓力檢測部，射流管道上設置有溫度檢測部。

壓力檢測部為壓力計；溫度檢測部為處理單元、顯示單元和設置于射流管道內壁上的溫度傳感器，溫度傳感器采集溫度信息，并將采集到的溫度信息傳輸?shù)教幚韱卧?，處理單元將溫度信息傳輸?shù)斤@示單元進行顯示。

一種利用上述裝置進行冰粒氣體射流快速制備的方法，依次包括如下步驟：

1)制備高壓氣體；

2)高壓氣體分為兩路，一路分別進入到儲水罐和液氮罐中；另外一路進入到射流管道；

3)液氮在射流管道中形成低溫場，水進入射流管道中在低溫場作用下形成冰粒；進入到射流管道中的液氮和水的流量比為0.1~0.4；

4)高壓氣體帶動冰粒到達射流噴嘴處；

5)冰粒從射流噴嘴中噴出；冰粒在射流噴嘴中的路徑先逐漸變窄，然后逐漸變寬；

6)工作結束；首先，停止向儲水罐和液氮罐中充入高壓氣體，停止儲水罐的出水和液氮從液氮罐的流出；然后，停止高壓氣體的制備，排完管路內的氣體。

步驟3）中，儲水罐中的水被霧化后進入到射流管道；同時，射流管道內的溫度為-65℃~-100℃。

步驟2）中進入到射流管道的高壓氣體的流量和壓力分別為0.02～0.58kg/s 、0.5～15Mpa。

步驟5）中從射流管道中噴出的冰粒粒徑為0.053～0.25mm；冰粒的速度為300～500m/s。

通過以上技術方案，本發(fā)明的有益效果為：1、本發(fā)明所述的裝置實現(xiàn)了冰粒簡單快速的制備以及冰粒氣體射流的一體化，該裝置利用水和液氮在管路內快速結冰，實現(xiàn)了冰粒的即時制備，冰粒在管路內混合均勻，避免了水資源的浪費；同時，設置的射流噴嘴可以使冰粒獲得更高的速度，避免了冰粒在射流區(qū)融化、硬度降低等缺點，保證了射流效果。2、高壓氣體部包括空壓機、氣體輸入管道和至少1個氣瓶，從而實現(xiàn)方便，易于控制。3、儲水罐和液氮罐的氣體入口分別設置于儲水罐的頂端和液氮罐的頂端，從而方便了氣體的進入，方便了氣體對儲水罐和液氮罐的作用過程。4、儲水罐的出口上還連接有霧化噴嘴，霧化噴嘴和液氮罐的出口連接射流管道，通過霧化水滴與液氮的直接接觸實現(xiàn)管路中冰粒的快速制備。5、壓力檢測部為壓力計；溫度檢測部為溫度傳感器、處理單元和顯示單元，通過壓力計和溫度傳感器實現(xiàn)了工作過程中參數(shù)的監(jiān)測，從而便于工作過程的控制。6、本發(fā)明所述的方法實現(xiàn)了冰粒的快速制備和冰粒氣體的射流，制備方法簡便，實現(xiàn)快速，工作過程連續(xù)，同時易于控制；水流量和液氮流量比最佳為0.1~0.4，在此種條件下，氣體和冰?；旌虾蠊苈分凶罴训臏囟葹?100℃，可以保證管路內和射流區(qū)冰粒硬度最大，獲得較好的射流效果。7、步驟3）中，儲水罐中的水被霧化后進入到射流管道，從而提供冰粒的形成效果；射流管道內的溫度小于-100℃，從而保證形成的冰粒的硬度。8、步驟2）中進入到射流管道的高壓氣體的流量和壓力分別為0.02～0.58kg/s 、0.5～15Mpa，從而使得氣體可以以較高的速度帶動冰粒射流。9、步驟5）中從射流管道中噴出的的冰粒粒徑為0.053～0.25mm；冰粒的速度為300～500m/s，從而使得冰粒獲得較好的作用效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結構示意圖；

圖2為射流噴嘴結構示意圖；

圖3為本發(fā)明所述方法流程圖。

具體實施方式

一種冰粒氣體射流快速制備裝置，如圖1所示，包括高壓氣體部，高壓氣體部用于制備具有壓力的氣體，高壓氣體部包括空壓機1、氣體輸入管道11和至少1個氣瓶2，本實施例中氣瓶2的數(shù)量為3個。為了便于氣體的控制，在氣瓶2的入氣口和出氣口上均設置有閥門3，通過閥門3的開啟或關閉方便氣體傳輸?shù)目刂七^程。同時，在氣瓶2的出氣口上設置有流量計4，通過流量計4可以得知從各個氣瓶中出來的氣體的流量，通過對氣體參數(shù)的監(jiān)測，可以及時對整個冰粒氣體射流的過程做出調整，保證其高效的工作狀態(tài)?？諌簷C1通過管道連接各個氣瓶2的入氣口，各個氣瓶2的出氣口均通過管道連接氣體輸入管道11。

在氣體輸入管道11上設置有壓力檢測部，其中壓力檢測部為壓力表，通過壓力表可以實時得知流經氣體輸入管道11的氣體的壓力，其也有益于對整個工作過程的監(jiān)測。

氣體輸入管道11的末端分成第一路和第二路，其中第一路連接有儲水罐6和液氮罐8。在儲水罐和液氮罐的頂端均設置有氣體入口，通過將氣體入口設置于頂端，方便氣體對儲水罐和液氮罐中的壓力的作用過程。同時，在儲水罐和液氮罐的氣體入口上均連接有閥門3，從而便于氣體進入到儲水罐和液氮罐中的控制過程。氣體輸入管道的第一路通過管道分別連接儲水罐和液氮罐的氣體入口，通過將氣體輸入到儲水罐和液氮罐中可以平衡儲水罐和液氮罐中的壓力，進而方便水從儲水罐中流出和液氮從液氮罐中流出。

氣體輸入管道11的第二路連接有射流管道12，同時氣體輸入管道的第二路連接射流管道12的初始端。

射流管道12的中部連接儲水罐6和液氮罐8的出口，儲水罐和液氮罐的出口上也設置有閥門；儲水罐出口的閥門，可以調節(jié)水的流量，從而控制冰粒射流的質量和流量，以滿足不同工作條件下的冰粒射流；通過控制液氮罐出口的閥門可以控制流出的液氮量；當水的流量改變時，可以調節(jié)液氮的量使水滴在管路中充分凝結成冰粒；同時，儲水罐和液氮罐的出口上也設置有流量計，通過流量計便于工作過程中參數(shù)的監(jiān)測。

為了提高冰粒的效果在儲水罐6的出口上連接有霧化噴嘴7，霧化噴嘴7的出口連接射流管道12的中部，從儲水罐6中出來的水被霧化后進入到射流管道中，在射流管道中在液氮作用下形成冰粒，通過霧化水滴與液氮的直接接觸實現(xiàn)管路中冰粒的快速制備。其中，霧化噴嘴為市售產品。

在射流管道12上設置有溫度檢測部，其中溫度檢測部為處理單元、顯示單元和設置于射流管道內壁上的溫度傳感器、，通過溫度傳感器可以將檢測到的溫度傳輸?shù)教幚韱卧?，處理單元將接受到的溫度信息在顯示單元上顯示即可。

其中，溫度傳感器的型號為DS18B20，處理單元2選用單片機即可；而顯示單元包括與處理單元的信號輸出端連接的顯示芯片，顯示芯片的型號為LCD1602。通過溫度檢測部可以實時監(jiān)測射流管道中的溫度。

在射流管道12的末端設置有射流噴嘴10，射流噴嘴10如圖2所示，包括噴嘴殼體101，噴嘴殼體101內部設置有冰粒腔體102，冰粒腔體102前端的內徑自內向外逐漸變小，冰粒腔體末端的內徑自內向外逐漸變大，從而氣體可以獲得更高的速度，冰粒也可以加速至較高速度，而且射流噴嘴及射流噴嘴出口的一段區(qū)域可以維持較低的溫度場，該溫度場可以保證冰粒射流過程中，冰粒不會融化，進而保證冰粒射流效果。

儲水罐中存儲的水，通過霧化噴嘴霧化成小液滴進入射流管道內；同時，將液氮通入射流管道，創(chuàng)造低溫環(huán)境，使小液滴在射流管道中凝結成小冰粒，通過射流噴嘴形成冰粒氣體實現(xiàn)射流。

當水或者液氮用完時，可以關閉氣瓶出氣口的閥門，實現(xiàn)水或液氮的快速添加。

本發(fā)明公開的裝置實現(xiàn)了冰粒簡單快速的制備以及冰粒氣體射流的一體化，該裝置利用水和液氮在管路內快速結冰，實現(xiàn)了冰粒的即時制備，冰粒在管路內混合均勻，避免了水資源的浪費；同時，設置的射流噴嘴可以使冰粒獲得更高的速度，避免了冰粒在射流區(qū)融化、硬度降低等缺點，保證了射流效果；另外，整個裝置結構簡單，操作方便，不受場地限制，能有效的提高工作效率。

一種利用上述裝置進行冰粒氣體射流快速制備的方法，如圖2所示依次包括如下步驟：

（1）制備高壓氣體，空壓機生成高壓氣體，同時高壓氣體進入到氣瓶中實現(xiàn)存儲；使用時可以利用氣瓶的入氣口和出氣口的閥門實現(xiàn)高壓氣體進入或出來氣瓶的控制。

工作前，首先打開氣瓶進口處的閥門，關閉其余閥門，儲水罐和液氮罐內分別加好水和液氮，啟動空壓機；氣瓶壓力達到設置值時，打開其余閥門，同時保證空壓機繼續(xù)工作，其中氣瓶壓力的設定值為0.5～15Mpa，從而使得進入到射流管道的高壓氣體的壓力可以使得冰粒獲得足夠的速度；設置的氣瓶可以保證高壓氣體的穩(wěn)定性。

（2）高壓氣體分為兩路，一路分別進入儲水罐中和液氮罐中，用以平衡儲水罐和液氮罐中的壓力；另外一路進入到射流管道，進入到射流管道中的高壓氣體的流量和壓力分別為0.02～0.58kg/s； 0.5～15Mpa，從而使得冰粒有足夠的射流速度。

具體為：高壓氣體從氣瓶出來后進入到氣體輸入管道內，氣體輸入管道分成兩路，氣體輸入管道的第一路通過儲水罐和液氮罐的氣體入口進入到儲水罐和液氮罐中，實現(xiàn)儲水罐和液氮罐壓力的平衡，從而使得水可以順利從儲水罐中流出；液氮可以順利從液氮罐中流出。

（3）液氮在射流管道中形成低溫場，霧化水進入射流管道中在低溫場作用下形成冰粒；

具體為：液氮從液氮罐的出口出來后進入到射流管道中，在射流管道中形成低溫場；儲水罐中的水從儲水罐的出口出來后進入到霧化噴嘴中，水在霧化噴嘴中被霧化后進入到射流管道中；被霧化的水在射流管道中在低溫場的作用下形成冰粒。

此處，進入到射流管道中的水和進入到射流管道中的液氮的流量比為0.1~0.4，優(yōu)選為0.3，在此種條件下，氣體和冰?；旌虾蠊苈分凶罴训臏囟葹?100℃，可以保證管路內和射流區(qū)冰粒硬度最大，獲得較好的射流效果，從而提高液氮對水的作用效果，防止液氮的浪費。

通過將水霧化再使得水進入到射流管道，可以提高冰粒的效果，使得射流管道中生成合適大小的冰粒，防止水在射流管道中大面積凍結。

通過溫度傳感器的監(jiān)測到的射流管道中的溫度數(shù)據(jù)，以及觀察到的射流噴嘴出來的冰粒氣體射流狀態(tài)，來調節(jié)儲水罐和液氮罐出口處的閥門，其中，要保證射流管道內的溫度在-65℃和-100℃，優(yōu)選-100℃，從而使得冰粒的莫氏硬度達到最大。

（4）高壓氣體帶動冰粒到達射流噴嘴處；

射流管道中的高壓氣體帶動冰?？焖偾斑M，最終達到射流噴嘴處。

（5）冰粒從射流噴嘴中噴出。

冰粒進入射流噴嘴的冰粒腔體中，冰粒氣體在冰粒腔體中的路徑首先逐漸變小，然后，逐漸變大，從而使得冰?？梢垣@得較大的動能，避免冰粒在射流區(qū)融化、硬度降低等缺點；最終冰粒以速度從射流噴嘴中噴出，噴出的冰粒的尺寸為，噴出的冰粒作用在需要作用的表面上。

此處，冰粒的噴出速度為300～500m/s，優(yōu)選為400m/s，噴出的冰粒的粒徑在0.053～0.25mm之間，可以在節(jié)約能量的情況下，滿足冰粒的作用效果。

（6）工作結束；冰粒氣體射流工作完成以后，首先，依次關閉儲水罐和液氮罐氣體入口和出口處的閥門；5s后，關閉空壓機，排完管路內的氣體；再5s后，關閉氣瓶進氣口的閥門，間隔5s關閉氣瓶出氣口的閥門，整個工作過程結束。此處，閥門關閉的先后順序關系到裝置的穩(wěn)定性，先對儲水罐和液氮罐上的閥門進行操作，可以保證管道壓力的平衡；最終間隔5s依次關閉氣瓶進氣口的閥門和出氣口的閥門，可以保證氣瓶中的壓力平衡，保證工作過程。

在步驟（1）、（2）、（3）、（4）、（5）的過程中，需要時刻觀察儲水罐和液氮罐中的水和液氮，當水或液氮快用完后，關閉氣瓶出氣口的閥門，向儲水罐或液氮罐中加水或液氮；完成后，打開氣瓶出氣口的閥門，使得整個工作過程繼續(xù)進行。

本發(fā)明所述的方法實現(xiàn)了冰粒射流簡單快速的制備以及冰粒氣體射流的一體化，利用水和液氮在管路內快速結冰，實現(xiàn)了冰粒即時制備，避免了傳統(tǒng)方法的過程復雜，成本高，不連續(xù)等缺點；同時，本方法制備出的冰?？梢垣@得更高的動量，可以避免冰粒在射流區(qū)融化、硬度降低，保證了射流效果。