一种非预制式冰颗粒磨料射流破冰装置

本发明属于极地破冰，具体涉及一种非预制式冰颗粒磨料射流破冰装置。

背景技术：

1、近年来，随着全球气候不断变暖，北极海冰覆盖面积和厚度持续缩减，北极地区丰富的资源价值、航运价值、科考价值日益凸显，这对极地船舶的安全性提出了更高的要求。掌握有效的破冰技术是保障极地航行船舶安全的关键，传统的破冰方法依靠船体与海冰直接接触进行破冰，对船体强度要求高并且及易对船舶造成损伤。目前出现了高压气泡破冰、水射流破冰等新型破冰技术可以弥补传统破冰方法的不足。

2、冰颗粒磨料射流破冰利用水和冰颗粒两相混合物高速冲击冰层来破冰，具有成本低、效率高、环保等优点，目前学界还未进行过相关的研究。因此，通过机理实验对冰颗粒磨料射流破冰的流固耦合问题进行研究，对于提高极地船舶的设计水平和航行安全性，具有重要的工程应用意义和科学理论价值。

3、在现有的相关研究中，尚未出现采用冰颗粒作为磨料的射流破冰实验装置。以往关于射流破冰的实验装置，以申请号为cn201910870465.5的专利为例，采用纯水射流冲击冰的方式进行破冰，高速水射流产生瞬间形成的冲击波作用于冰面可以引起冰板的变形和破坏，并且水射流可以直接冲击冰面造成弯曲破坏。如图1所示，纯水射流从喷嘴喷出后，压力逐渐减小，会经历核心段、破裂段到水滴段三个阶段，射流核心段压力缓慢减小，射流破裂段压力急剧减小。磨料射流相较于纯水射流，具有有效核心段更长，且有效核心段压力更高的优点。磨料射流砰击壁面的压力，如图2所示，由冲击波引起的可压缩阶段压力峰值与纯水射流几乎一致，不可压缩阶段的压力平均值大于纯水射流，这是由于磨料冲击壁面导致的。因此，相较于纯水射流，磨料射流的破冰效率更高。

4、以往关于磨料射流的专利设计中，以申请号为cn202311645790.4和cn201810966834.6的专利为例，大都以矿石颗粒作为磨料，用以切割金属、混凝土、陶瓷，岩石等材料。但是以矿石颗粒作为磨料的射流不适用于极地破冰，一方面，极地船舶若携带额外的矿石材料会降低船舶航行的经济效益；另一方面，磨料射流破冰后，矿石磨料将不可避免地排入海水中，可能会对极地生态环境造成影响。而本装置采用冰颗粒磨料射流，极地低温环境为获取低温水资源提供了天然的自然环境，有利于生成高强度冰颗粒磨料，无需极地船舶携带额外的磨料，且冰颗粒排入海水不会影响生态环境，具有成本低、效率高、环保等优点，因此更适用于极地破冰。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种非预制式冰颗粒磨料射流破冰装置。

2、一种非预制式冰颗粒磨料射流破冰装置，包括高压水冷系统、水喷嘴、混合缸和混合喷嘴；所述混合缸内部设有水通道和氮通道；所述水喷嘴的入口与高压水冷系统连接，水喷嘴的出口与水通道的入口连通，水通道的出口与混合喷嘴的入口连通；所述氮通道包裹在水通道外侧，氮通道一端与液氮入口连通，另一端与氮气出口连通。

3、进一步地，高压水冷系统内存储的高压过冷水由水喷嘴喷入混合缸内侧的水通道中，同时液氮从液氮入口进入氮通道，水通道内的部分高压过冷水与液氮发生热交换凝固成冰颗粒，冰颗粒被高压过冷水裹挟从混合喷嘴的出口喷出，形成冰颗粒磨料射流；液氮汽化成的氮气从氮气出口排出。

4、进一步地，所述高压水冷系统包括高压泵、高压管路和热交换器；所述高压泵用于给高压管路的水流增压；所述热交换器中设有制冷剂；所述高压管路主体弯曲成盘管布置在热交换器内，浸泡在制冷剂中，高压管路的出口通过绝热管道与水喷嘴的入口连接。

5、进一步地，所述绝热管道使用绝缘泡沫隔热，用于保证流入水喷嘴的水流具有足够的压力和较低的温度。

6、进一步地，混合缸外侧缸体一端开设有水喷嘴安装口，水喷嘴安装口通过入射管道与混合缸内侧的水通道连通，水喷嘴的喷射口与入射管道的入口连接，入射管道的出口与水通道的入口连接；所述混合喷嘴插入混合缸外侧缸体的另一端并直接与混合缸内侧的水通道的出口端部连接；所述液氮入口和氮气出口分别开设在混合缸外侧缸体的左右两侧。

7、进一步地，所述混合喷嘴未插入混合缸部分的外侧包覆有隔热层，用于保证混合喷嘴喷出的射流包括水和冰颗粒两相。

8、进一步地，所述水通道采用渐扩型水道，水通道的入口端半径较小，水通道的出口端半径与混合喷嘴内部流道半径相同。

9、本发明的有益效果在于：

10、本发明采用冰颗粒磨料射流破冰技术，采用超低温液氮冷却高压过冷水，形成冰颗粒，从而在喷嘴处形成包含水和冰颗粒的两相混合磨料射流。本发明利用水、冰颗粒两相混合物高速冲击冰层来破冰，且冰颗粒磨料无需预制，具有成本低、效率高、环保等优点，可应用于极地船舶破冰，一方面可以保障极地船舶安全运行，另一方面极地低温环境下方便获取低温水资源，有利于生成高强度冰颗粒磨料。

技术特征：

1.一种非预制式冰颗粒磨料射流破冰装置，其特征在于：包括高压水冷系统(1)、水喷嘴(3-1)、混合缸(3-3)和混合喷嘴(3-4)；所述混合缸(3-3)内部设有水通道(3-3-1)和氮通道(3-3-2)；所述水喷嘴(3-1)的入口与高压水冷系统(1)连接，水喷嘴(3-1)的出口与水通道(3-3-1)的入口连通，水通道(3-3-1)的出口与混合喷嘴(3-4)的入口连通；所述氮通道(3-3-2)包裹在水通道(3-3-1)外侧，氮通道(3-3-2)一端与液氮入口连通，另一端与氮气出口连通。

2.根据权利要求1所述的一种非预制式冰颗粒磨料射流破冰装置，其特征在于：高压水冷系统(1)内存储的高压过冷水由水喷嘴(3-1)喷入混合缸(3-3)内侧的水通道(3-3-1)中，同时液氮从液氮入口进入氮通道(3-3-2)，水通道(3-3-1)内的部分高压过冷水与液氮发生热交换凝固成冰颗粒，冰颗粒被高压过冷水裹挟从混合喷嘴(3-4)的出口喷出，形成冰颗粒磨料射流；液氮汽化成的氮气从氮气出口排出。

3.根据权利要求1所述的一种非预制式冰颗粒磨料射流破冰装置，其特征在于：所述高压水冷系统(1)包括高压泵(1-1)、高压管路(1-2)和热交换器(1-3)；所述高压泵(1-1)用于给高压管路(1-2)的水流增压；所述热交换器(1-3)中设有制冷剂；所述高压管路(1-2)主体弯曲成盘管布置在热交换器(1-3)内，浸泡在制冷剂中，高压管路(1-2)的出口通过绝热管道(2)与水喷嘴(3-1)的入口连接。

4.根据权利要求3所述的一种非预制式冰颗粒磨料射流破冰装置，其特征在于：所述绝热管道(2)使用绝缘泡沫隔热，用于保证流入水喷嘴(3-1)的水流具有足够的压力和较低的温度。

5.根据权利要求1所述的一种非预制式冰颗粒磨料射流破冰装置，其特征在于：混合缸(3-3)外侧缸体一端开设有水喷嘴安装口，水喷嘴安装口通过入射管道与混合缸(3-3)内侧的水通道(3-3-1)连通，水喷嘴(3-1)的喷射口与入射管道的入口连接，入射管道的出口与水通道(3-3-1)的入口连接；所述混合喷嘴(3-4)插入混合缸(3-3)外侧缸体的另一端并直接与混合缸(3-3)内侧的水通道(3-3-1)的出口端部连接；所述液氮入口和氮气出口分别开设在混合缸(3-3)外侧缸体的左右两侧。

6.根据权利要求5所述的一种非预制式冰颗粒磨料射流破冰装置，其特征在于：所述混合喷嘴(3-4)未插入混合缸(3-3)部分的外侧包覆有隔热层(3-5)，用于保证混合喷嘴(3-4)喷出的射流包括水和冰颗粒两相。

7.根据权利要求5所述的一种非预制式冰颗粒磨料射流破冰装置，其特征在于：所述水通道(3-3-1)采用渐扩型水道，水通道(3-3-1)的入口端半径较小，水通道(3-3-1)的出口端半径与混合喷嘴(3-4)内部流道半径相同。

技术总结
本发明属于极地破冰技术领域，具体涉及一种非预制式冰颗粒磨料射流破冰装置。本发明采用冰颗粒磨料射流破冰技术，高压水冷系统内存储的高压过冷水由水喷嘴喷入混合缸内侧的水通道中，同时液氮从液氮入口进入氮通道，水通道内的部分高压过冷水与液氮发生热交换凝固成冰颗粒，冰颗粒被高压过冷水裹挟从混合喷嘴的出口喷出，形成冰颗粒磨料射流。本发明利用水、冰颗粒两相混合物高速冲击冰层来破冰，且冰颗粒磨料无需预制，具有成本低、效率高、环保等优点，可应用于极地船舶破冰。

技术研发人员：袁广宇,倪宝玉,张晨曦,王鑫,王作程,宋佳蕊,刘鹏,武奇刚,鲁阳,薛彦卓
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/5