一种跨临界过程能量高速转化利用装置

技术领域

本发明属于流体增压及高速能量转化应用技术领域，涉及一种跨临界过程能量高速转化利用装置，利用工质状态变化急速增压来加以实现能量高速转化应用，具体地说，是利用工质吸收能量后能从亚临界状态迅速达到临界或超临界状态从而急剧升压升温，然后可以通过减压急速气化在有限容积通道内发生爆速冲击过程，并可通过重新灌装工质而再次使用，可广泛应用于增压、冲击、投掷、爆轰等等能量高速转化应急应用场合。

背景技术

在一些应用场景，比如增压、冲击、投掷、能量高速转化、爆轰、截断等等，往往对于时间有特殊的要求，特别是应急场合，需要非常快的响应速度和非常快的执行过程。而且，冲击、投掷、能量高速转化、爆轰、截断等等应用场景在很多情况下是以高速增压为基础的。如果以增压泵等等的方式来对流体进行增压，时间上来不及。如果以传统火药爆炸一样的方式来增压，则虽然时间上来得及，但容易造成过大的破坏，同时还很危险。

物质一般都存在气相、液相、固相三种状态。三相平衡共存状态的点叫三相点。液、气两相平衡共存状态的点叫临界点。临界点的温度和压力称为临界温度和临界压力。高于临界温度和临界压力的状态称为超临界状态，此时气液两相性质非常接近。不同的物质要达到临界点所需要的压力和温度各不相同。在由液态吸收能量快速变成高压临界或超临界状态所使用的常用工质方面，有水、二氧化碳、氮气、其他常见物质或者其混配物可供不同的应用场合进行选择。

其他典型的增压技术途径有：传统火药爆炸增压方式、增压泵增压方式。传统火药爆炸增压方式不安全，全部采用化学药，也难以达到环保要求。增压泵增压方式一般采用各种型式的增压泵，比如齿轮泵、容积泵、柱塞泵等等，如果需要在一秒时间以内甚至十毫秒左右完成增压和应用过程，这些各种型类的泵是难以做到的。而如果利用工质从亚临界跨入临界或超临界状态的变化过程，则可以在一秒时间内完成增压和应用过程。且通过控制工质的能量吸收量，可以控制所需达到的压力和温度值。

另外，专利CN111256531B、专利CN111288842A不能实现快速地更换膜片，其结构使得更换膜片的过程繁琐而占据时间(需要拆解管身结构和重新安装)，使得其系统不能灵活的、高频率的工作。专利CN113883958A则不能实现精确的工质填充量控制。

发明内容

(一)发明目的

针对现有快速增压和冲击等应用过程所存在的安全性或增压能力上的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种跨临界过程能量高速转化利用装置，利用流体工质在吸收能量后能较容易进入临界或超临界状态的方式从而实现快速增压升温，可在短时间内完成增压和应用过程，且通过控制工质的能量吸收量，可控制所需达到的压力和温度值，克服了现有技术中所存在的安全性、增压能力、响应速度或环保性能等方面存在的缺陷和不足，并可通过重新灌装工质而再次使用，可广泛应用于冲击、投掷、能量高速转化、爆轰、截断等场景。

(二)技术方案

本发明为实现其技术目的采用如下技术方案：

一种跨临界过程能量高速转化利用装置，包括起动器、闩体、药室外筒、工质药室、中部过渡段、出口段，其特征在于:

所述药室外筒、中部过渡段、出口段均为两端开口的中空柱状筒体结构，所述药室外筒、中部过渡段、出口段依次同轴固定连接；

所述工质药室整体呈中空柱状筒体结构，并同轴布置在所述药室外筒内，且所述工质药室外周面的形状和尺寸与所述药室外筒的内周面相适配；所述工质药室的顶部通过一膜片封闭，底部通过一药室底座封闭，腔体中充填有流体工质，且所述工质药室的药室底座上设置有延伸至腔体中的柱状发热体；工质药室在工质使用完后能重新灌装工质，工质药室能反复使用；

所述闩体固定设置在所述药室外筒的底部开口处，用以封闭所述药室外筒的底部开口，且其顶面与所述工质药室的药室底座相抵接；所述闩体上固定设置有接线柱，所述接线柱的一端通过起动器缆线与所述起动器相连接，另一端与所述药室底座上的柱状发热体相连接。

本发明的跨临界过程能量高速转化利用装置中，所述起动器通过起动器缆线提供初始能量启动工质药室内的发热体，发热体释放热量可急速加热并激发充填在工质药室内的流体工质，使得工质药室内的压力在短时间内急剧升高而达到临界或超临界状态。如果使得该压力达到工质药室顶部膜片所能承受的极限压力值时，膜片将急速破裂，工质药室内的流体工质则可从临界或超临界状态直接急速气化，依次通过药室外筒、中部过渡段后，可在出口段形成爆轰来进行冲击或投掷等能量高速转化应用。

本发明的跨临界过程能量高速转化利用装置中，所述闩体上固定有接线柱，接线柱的一端通过起动器缆线与起动器相连接，另一端与工质药室的药室底座相连接；所述药室外筒的一端由闩体紧塞，另一端连接中部过渡段，工质药室置于药室外筒之内，其端面与闩体相接触；中部过渡段的另一端连接出口段。

本发明的跨临界过程能量高速转化利用装置中，所述起动器通过起动器缆线提供的初始能量是电能，起动器中存储有电能，电能可以是通过电容、电感、电池的方式或其组合形式储存在起动器中。起动器可以根据需要控制和调节所提供能量的多少。

优选地，所述柱状发热体为金属丝、金属杆或化学药柱。所述工质药室内的发热体，包括而不限于两类。一类发热体是金属丝或金属杆(也即发热体B)，其释放的能量全部来自起动器，当应用目的是增压、冲击、爆轰等时可采用此种方式。另一类发热体是化学药柱(也即发热体B)，其接收的来自起动器的能量是为了启动化学药柱的燃烧，其释放的能量主要来自自身燃烧，当应用目的是投掷、冲击、爆轰等时可采用此种方式。

优选地，所述中部过渡段的内通道为收扩型面通道或直通型面通道。所述中部过渡段的内通道可以是各种型面，包括而不限于收扩型面通道、直通型面通道等等。

优选地，所述药室底座上开有充填孔道和排出孔道，所述充填孔道、排出孔道的顶端均与所述药室底座的腔体连通，底端处分别对应设置有可旋至通道顶部的充填密封螺栓和排出密封螺栓，所述充填孔道、排出孔道的中部分别设有与外部充填管线、排出管线可拆卸连接的旁通管道，且所述充填管线、排出管线上分别设有充填阀、排出阀。

进一步地，所述工质药室在置入所述药室外筒前，把所述充填密封螺栓拧出一定长度，使所述充填管线与充填孔道连通，之后打开所述充填阀，液态流体工质经所述充填管线、充填孔道进入工质药室，并根据液态流体工质与增压程度的对应关系来控制充填量。

进一步地，当所述工质药室内液态流体工质的充填量超过设定量时，把所述排出密封螺栓拧出来一定长度，使所述排出管线与排出孔道连通，之后打开所述排出阀，多余液态流体工质经所述排出孔道、排出管线流出所述工质药室。

本发明的跨临界过程能量高速转化利用装置中，所述工质药室在放入药室外筒里面之前，应该把工质药室内的工质通过充填阀、排出阀等装置灌装到工质药室内并密封好。工质药室内的工质可以是水、二氧化碳、氮，可以是其他常见物质，或者各种常见物质的混合物。

进一步地，通过用质量称量仪器称量加注流体工质前后的工质药室重量差别来精确控制和保障工质的加注量。

优选地，所述工质药室的壁面材料为高强度结构钢，满足高压容器设计准则，可耐受不超过0.4秒钟的400MPa压力级别的工质药室内工质压力的动态加载。

优选地，所述药室外筒的壁面材料为高强度结构钢，满足高压容器设计准则，可耐受不超过0.5秒钟的300MPa压力级别的动态压力加载。

优选地，所述工质药室内的流体工质在包括而不限于水、氮、二氧化碳等等常用物质中选择，兼具环保性和经济性。

优选地，所述药室外筒靠近中部过渡段一端的内壁上安装药室外筒压力传感器，所述出口段靠近中部过渡段一端的内壁上安装出口段起始位置压力传感器，二者的工作频率至少应在1000Hz以上。在中部过渡段的前后，分别布置药室外筒压力传感器、出口段起始位置压力传感器，其目的是用来监测中部过渡段的压降，以供发热体的选用和其他重要结构尺寸参数的优化。

(三)技术效果

同现有技术相比，本发明的跨临界过程能量高速转化利用装置具有以下显著的技术优点：(1)在对液体、气体类的工质进行压缩增压而后加以利用方面，与现有技术相比，本发明比传统火药爆炸增压然后加以冲击/投掷等利用的方式更安全，比传统增压泵增压然后加以利用的方式更快速。(2)本发明利用工质的临界或超临界状态变化过程，可以在短时间内完成增压和应用过程。且通过控制工质的能量吸收量，可以控制所需达到的压力和温度值。(3)可预先加注工质，多个工质药室备用，实现高频使用。(4)工质药室可反复使用。(5)工质质量可精准加注。

附图说明

图1为本发明的跨临界过程能量高速转化利用装置组件图；

图2为本发明的工质药室结构图；

图3为本发明的中部过渡段内部型面图；

附图标记说明：

1、接线柱；2、闩体；3、药室外筒；4、工质药室；5、中部过渡段；6、出口段；7、出口段起始位置压力传感器；8、药室外筒压力传感器；9、起动器缆线；10、起动器；

401、充填阀；402、充填密封螺栓；403、充填管线；404、充填孔道；405、发热体A；406、膜片；407、膜片压紧螺塞；408、膜片支座；409、工质药室内的工质；410、发热体B；411、排出孔道；412、排出管线；413、排出密封螺栓；414、排出阀；415、药室底座；

501、收扩型面通道；502、直通型面通道。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明的内容不局限于下面的实施例。实际上，在未背离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化，这对本领域技术人员来说将是显而易见的。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用来产生又一个实施例。因此，意图是本发明将这样的修改和变化包括在所附的权利要求书和它们的等同物的范围内。

本发明的跨临界过程能量高速转化利用装置，如图1所示，主要由起动器10、闩体2、药室外筒3、工质药室4、中部过渡段5、出口段6等部件构成。药室外筒3、中部过渡段5、出口段6均为两端开口的中空柱状筒体结构，药室外筒3、中部过渡段5、出口段6依次同轴固定连接且三者的内径依次减小。工质药室4，如图1、2所示，整体呈中空柱状筒体结构，并同轴布置在药室外筒3内，且工质药室4外周面的形状和尺寸与药室外筒3的内周面相适配；工质药室4的顶部通过一膜片406封闭，底部通过一药室底座415封闭，腔体中充填有流体工质，且工质药室4的药室底座415上设置有延伸至腔体中的柱状发热体；闩体2固定设置在药室外筒3的底部开口处，用以封闭药室外筒3的底部开口，且其顶面与工质药室4的药室底座415相抵接；闩体2上固定设置有接线柱1，接线柱1的一端通过起动器缆线9与起动器10相连接，另一端与药室底座415上的柱状发热体相连接。

更加具体地，本发明的跨临界过程能量高速转化利用装置中，闩体2上固定有接线柱1，接线柱1的一端通过起动器缆线9与起动器10相连接，另一端与工质药室4的药室底座415相连接；所述药室外筒3的一端由闩体2紧塞，另一端连接中部过渡段5，工质药室4置于药室外筒3之内，其端面与闩体2相接触；中部过渡段5的另一端连接出口段6。考虑到二氧化碳比较容易压缩成液态以及较容易进入临界和超临界状态，因此本例选用的工质是二氧化碳。同时，本例应用于爆轰，工质药室4的药室底座415上可以采用安装化学药柱的方式，也即安装发热体B410，此例中发热体A405可以不用安装。

工质药室4在放入药室外筒3里面之前，先行把工质二氧化碳通过充填阀401灌装到工质药室4内部并密封好，保持亚临界状态。下面结合图2说明工质充填的过程。如图2所示，先把膜片406置于工质药室4内的膜片支座408上，然后用膜片压紧螺塞407压紧膜片406。药室底座415上开有充填孔道404，把充填密封螺栓402拧出来一定长度，则充填管线403能够连通充填孔道404，打开充填阀401，液态二氧化碳则可流经此阀后依次经过充填管线403、连通充填孔道404进入工质药室4，工质二氧化碳的充填量可以根据其与增压程度的对应关系来进行控制。同时，可以把排出密封螺栓413拧出来一定长度，则排出管线412能够连通药室底座415上的排出孔道411，当工质药室4内的工质充填过多时，打开排出阀414，则工质可以依次通过排出孔道411、排出管线412、排出阀414而流出工质药室4。当工质药室内的工质409满足充填要求后，先拧紧充填密封螺栓402、排出密封螺栓413，把这两个螺栓拧进药室底座415，再把充填管线403、排出管线412从药室底座415上拧出来。这样就完成了工质充填过程。通过使用高精度电子秤称量加注工质前后的工质药室重量精确控制和保障工质的加注量，所称量重量之差就是所加注的工质质量。

因此，工质药室4外形就成了一个圆柱形物体，其底座和圆筒形壁面没有凸起，就可以整体放入药室外筒3里面，药室底座415与闩体2的一个端面接触。另外，中部过渡段5的内通道可以是各种型面，如图3所示，考虑到本例对爆轰速度的控制，以尽量在更短的距离内达到更合适的速度，本例选用的是图3中的收扩型面通道501，且是光滑过渡的弧形面，也即拉瓦尔Laval通道型面。在收扩型面通道501的前后，分别布置药室外筒压力传感器8和出口段起始位置压力传感器7用来监测收扩型面通道501的压降，以供化学药柱选用时的参考。出口段6选用两米长的圆管，材质为高强度结构钢。药室外筒3和工质药室4的材质也都是选用高强度结构钢。

然后，就可以实施增压和爆轰这种能量高速转化应用过程：

起动器10通过其自身内部的电池给其内部的电容器充电，在一分钟之内充满电，然后，起动器10通过起动器缆线9把电容器所充电能在0.1秒的时间内输送给工质药室4内的化学药柱发热体B410，发热体B被迅速触发燃烧，燃烧不断加速，释放的热量急速加热并激发充填在工质药室内的工质409，本例中也即二氧化碳，使得工质药室4内的压力在短时间内急剧升高，迅速跨越临界状态，达到超临界状态。当压力达到膜片406所能承受的极限压力300MPa时，膜片破裂，工质药室内的工质409从超临界状态直接急速气化，经过中部过渡段5光滑收扩型通道，在出口段6形成爆轰，出口处冲击速度可达500米/秒(若需继续提高出口速度，可换用发热能力更强的发热体B)。从而实现了本发明装置的功能。

通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。凡依本发明发明构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。