一种热液羽流模拟发生装置的制作方法

本发明涉及海洋能源探究技术领域，具体地说，涉及一种热液羽流模拟发生装置。

背景技术：

近年来科学家发现深海热液蕴含着巨大的化学能、热能和机械能，目前我国的海洋事业发展迅速，对深海热液也有了初步的探测和研究。研究发现高温热液和低温海水之间发生混合后会生成大量颗粒物，它们会在作用于热液的深海设备上粘附堆积，影响设备的正常使用。其次，颗粒物的成分探究也成为深海热液研究中的重要问题。对于热液和海洋溶液反应的研究，大多局限于生长出沉淀物“黑烟囱”，如公布号为cn106706263a的中国专利文献公开的一种带有观测功能的海底热液喷发模拟装置，包括立式高压注射泵、温控系统、调压阀、透明压力容器、高速摄像机、水冷系统、压力表、硫化物收集装置、泄压阀以及截止阀；该装置可模拟海底热液喷发，可根据需求的差异，调节热液喷口不同的温度、速度、化学成分等，并可利用高速摄像机进行观测。

以上专利基于海底真实喷口环境，根据相似原理在实验室环境下，采用独特的结构设计实现了海底热液模拟喷发观测，基本还原了热液从高温高压环境喷射到相对低温低压环境，并与海水混合反应这一高度复杂的物理化学过程，为进行相关热液活动的研究提供了单纯靠理论分析和数值仿真难以获得的条件和数据。

现有技术中，对于羽流往往是从流体入手，很少有研究是对反应生成的颗粒进行动力学和运动学研究，从而得到羽流上升的规律和设备上粘附去除的机理。由于对热液的研究仍处于起步阶段，所以在深海热液颗粒生成模拟方面的研究甚少。

技术实现要素：

本发明的目的为提供一种热液羽流模拟发生装置，可模拟出真实情况下金属硫化物颗粒的生成和热液的喷发过程，为其他关于热液的研究和作用于热液区的设备的设计打下基础。

为了实现上述目的，本发明提供的热液羽流模拟发生装置包括：

海洋溶液配液单元，设有第一配液缸，用于配制海洋溶液，并将海洋热液通入颗粒生成单元；

热液配液单元，设有第二配液缸，用于配制海洋热液，并将海洋热液通入颗粒生成单元；

温度调节单元，包括调节海洋溶液温度的水冷模块和调节海洋热液温度的加热模块；

颗粒生成单元，先后接收海洋溶液和海洋热液，并生成颗粒。

上述技术方案中，通过模拟海底热液口处海洋溶液和热液混合瞬间的反应过程，方便对反应生成的颗粒运动状态进行动力学和运动学研究，从而得到羽流上升的规律和设备上粘附去除的机理。

作为优选，第一配液缸内设有第一搅拌器和用于检测第一配液缸内液体酸碱度的第一酸碱指示计，第一配液缸的顶部设有用于添加nacl、fecl2和al2(so4)³的第一进料漏斗。通过nacl、fecl2和al2(so4)³反应生成海洋溶液，通过第一酸碱指示计检测生成的海洋溶液的酸碱度，并通过naoh溶液和hcl溶液滴定至所需的ph值。

作为优选，第二配液缸内设有第二搅拌器和用于检测所述第二配液缸内液体酸碱度的第二酸碱指示计，第二配液缸的顶部设有用于添加nacl、na2sio3和na2s的第二进料漏斗。通过nacl、na2sio3和na2s反应生成海洋热液，通过第二酸碱指示计检测生成的海洋热液的酸碱度，并通过naoh溶液和hcl溶液滴定至所需的ph值。

作为优选，第一配液缸和第二配液缸连接至氮气发生单元，氮气发生单元将氮气通入第一配液缸和第二配液缸内将其内的氧气排尽。

作为优选，颗粒生成单元包括反应缸和设置在反应缸底部的挡板，用于承接反应产生的颗粒。

作为优选，反应缸的底部设有用于喷射海洋热液的喷头，该喷头通过输液管连通至第二配液缸，输液管上设有输液泵。利用喷头模拟海洋热液口的热液的喷发，可在挡板上设置供喷发液体通过的通孔，挡板可通过支撑架固定于反应缸的底部。喷头设置成可更换的，通过更换不同口径的喷口，研究不同喷射口径下颗粒在海洋溶液中的分布情况。

作为优选，加热模块包括设置在输液管上的加热腔、设置在加热腔的外壁上的加热片和用于测量加热腔内海洋热液温度的热电偶，该热电偶将温度信息传递给控制器，控制加热片的加热情况。

作为优选，水冷模块包括冷水机、通入反应缸内的冷凝管和用于测量反应缸内海洋溶液温度的热电偶，该热电偶将温度信息传递给控制器，控制冷水机的工作情况。

作为优选，反应缸的顶部设有用于保持缸内气压的保压气囊。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的热液羽流模拟发生装置，既包含颗粒生成的反应过程模拟又包括热液喷发的现象模拟，方便研究真实反应中颗粒的动力学和运动学。装置结构简单，实用性强且自动化程度高，操作方便，节省人力物力，效率高。

附图说明

图1为本发明实施例中热液羽流模拟发生装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中海洋溶液配液单元的结构示意图；

图3为本发明实施例中加热模块的结构示意图；

图4为本发明实施例中颗粒生成单元的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

实施例

参见图1至图4，本实施例的热液羽流模拟发生装置包括海洋溶液配液单元、热液配液单元、温度调节单元、颗粒生成单元、氮气发生单元和控制器9。

海洋溶液配液单元包括步进电机1-1、梅花联轴器1-2、溶液搅拌棒1-3、端盖1-4、第一进料漏斗1-5、密封圈1-6、酸碱度指示计1-7、配液缸1-8、排液口管接头1-9和进气口管接头1-10。

热液配液单元包括步进电机2-1、梅花联轴器2-2、溶液搅拌棒2-3、端盖2-4、第二进料漏斗2-5、密封圈2-6、酸碱度指示计2-7、配液缸2-8、排液口管接头2-9和进气口管接头2-10。

温度调节单元包括调节海洋溶液温度的水冷模块和调节海洋热液的加热模块。其中，水冷模块包括冷水机6-1、铠装热电偶6-2和冷凝管6-3。加热模块包括温控箱4-1、铠装热电偶4-2、环形陶瓷加热片4-3、和加热腔4-4。

颗粒生成单元包括端盖5-1、保压气囊5-2、密封圈5-3、反应缸5-4、颗粒挡板5-5、支撑架5-6、排液阀5-7、可换热液喷口5-8、热液进液管接头5-9、进气管接头5-10和海洋溶液进液管接头5-11。

氮气发生单元包括连通至配液缸1-8和配液缸2-8的氮气瓶7-4。

以上装置的配液过程如下：

一、准备工作：在海洋溶液配液缸1-8和热液配液缸2-8中分别加入一定量的纯净水(纯净水液面需高于酸碱度指示计1-7和2-7的感应触头)，打开反应缸端盖上的气孔，打开进气阀7-1、7-2和7-3向两个配液缸和反应缸中通氮气，制造缸内的无氧环境；

二、准备工作完成后，通过第一进料漏斗1-5向海洋溶液配液缸中添加一定量的nacl、fecl2和al2(so4)³，通过第二进料漏斗2-5向热液配液缸中添加一定量的nacl、na2sio3和na2s，启动步进电机1-1和2-1，带动搅拌棒1-3和2-3搅动溶液使溶质充分溶解。观察酸碱度指示计1-7和2-7的示数，用naoh溶液和hcl溶液滴定至所需的ph值，进气阀7-1、7-2和7-3始终处于打开状态。

颗粒生成实验过程如下：

一、准备工作：关闭进气阀7-1、7-2和7-3，打开排液阀1-11，利用液体的自重将配制好的海洋溶液注入反应缸5-4内，启动冷水机6-1制冷海洋溶液，利用铠装热电偶6-2反馈将海洋溶液的温度保持在2～5摄氏度，同时打开排液阀2-11，并启动输液泵3，使模拟热液充满加热腔4-4，启动温控箱4-1，使环形陶瓷加热片4-3加热模拟热液，利用铠装热电偶4-2和温控箱4-1将热液温度调节至80摄氏度左右；

二、准备工作完成后，关闭排液阀1-11，堵住反应缸端盖上的气孔，打开排液阀4-5，使模拟热液经过可换热液喷口5-8缓缓注入反应缸5-5的海洋溶液中，即可以看到由于海洋溶液中的铁离子和热液中的硫离子反应生成的金属硫化物颗粒，在浮力作用下颗粒分布呈羽流状，最终落到颗粒挡板5-5上。更换不同口径的可换热液喷口5-8，颗粒在海洋溶液中的分布情况不同，反应缸呈密闭状态，靠保压气囊5-2保持缸内气压；

三、实验结束后关闭排液阀4-5，打开排液阀5-6将反应缸中的废液排出，排净后关闭排液阀5-6，取出颗粒挡板5-5，清洗各个实验装置。