[发明专利]机械-水力混合式颗粒体垂直提升实验平台及其实验方法

说明书

本发明公开了一种机械‑水力混合式颗粒体垂直提升实验平台，包括主体管道、循环水力动力系统、机械提升系统、测量监视系统、控制系统、数据处理系统；主体管道包括垂直管体；循环水力系统至少包括循环管道、水箱、水泵和阀门；机械提升系统至少包括运载体、牵引绳、卷扬机、电机；测量监视系统至少包括拉力计、流量计、高速摄像机和转速传感器；控制系统用于实现电机开关控制、电机转速控制、水泵开关控制、水泵转速控制；数据处理系统至少包括数据处理分析软件和计算机硬件。该实验平台可以模拟机械‑水力混合式颗粒体垂直提升系统的颗粒相‑流体相‑机械相三相间相互作用，分析不同输送参数对颗粒、流体、机械三相间相互作用机理的影响规律。

技术领域

本发明涉及颗粒体垂直提升输送领域，具体为一种充满流体的管道内机械-水力混合式颗粒垂直提升实验平台及其实验方法。

背景技术

海洋矿产资源十分丰富，包含大量我国稀缺的金属资源。随着人类对资源的需求的增加，陆上资源逐渐枯竭，而海底的大量可再生的矿产资源必将成为未来解决世界资源的关键。对于国际海底区域的矿产资源，更要求我们尽快完成对深海矿产资源开采的研究。

海洋的矿产资源包括多金属结核、富钴结壳、热液硫化物等，其多存在于1500-6000米的海底表层，欲将其开发利用需要高效可靠、绿色环保并且可长期运行的采矿系统。目前国内外学者已经提出的采矿垂直提升系统有：拖网采矿系统、连续链斗系统、穿梭潜水器系统、水力式矿浆垂直提升系统、水下矿浆气力垂直提升等。其中水力式矿浆垂直提升系统因为其可靠度高，环保性强被认为是实现深海开采作业的方案，并且国内外大量学者都在对其开展研究。但其存在输送矿石浓度低、输运速度小、允许通过矿石粒径小、能量利用率低等局限性。为此，新提出的机械-水力混合式矿石垂直提升系统通过机械提供主要动力以固液段塞流流态垂直提升多金属结核，水力提供辅助动力垂直提升矿浆，从而克服矿石粒径限制并显著提高能量利用效率。

由于固液段塞流中颗粒、流体、机械三相间相互作用机理对于机械-水力混合式垂直提升输送系统的输送性能有着十分显著的影响，为了进一步研究段塞流中颗粒、流体和机械三相间相互作用机理，及其对于机械-水力混合式颗粒垂直提升系统的输送效率影响显著。本申请建立了一个研究颗粒、流体和机械三相间相互作用机理的实验平台以及采用该平台进行实验的方法。该实验平台可以模拟机械-水力混合式颗粒垂直提升系统的三相间相互作用，分析不同输送参数如：颗粒浓度，矿浆粘度，段塞流高度，输送速度，水流与机械功率分配等对颗粒、流体、机械三相间相互作用机理的影响规律。通过开展实验分析进一步完善机械-水力混合式颗粒垂直提升系统的设计，以解决现有颗粒垂直提升系统所存在的局限性，促进深海采矿工程装备的发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种机械-水力混合式颗粒体垂直提升实验平台，该实验平台用机械运载体和流体共同实现管道内颗粒体的垂直提升运动变化，用于对机械-水力混合式矿石垂直提升系统的垂直提升部分进行模拟，包括由机械动力系统在无流体、有流体、流体提供动力的工况下垂直提升颗粒，循环水力动力系统在有无机械垂直提升动力情况下对颗粒体进行垂直提升，测量不同垂直提升速度，不同浆体粘度/密度、不同流速、不同颗粒堆积方式/高度对颗粒体、流体、机械三相间相互作用影响，机械-水力耦合工作时对比机械结构垂直提升和水力式垂直提升分别单独工作时能量效率的垂直提升。

对比公开号为CN 111322253 A的专利中发明的深海采矿陆上浆料提升实验平台，在实验模拟对象方面本发明的机械-水力混合式粗颗粒垂直提升实验装置所模拟的对象并非传统的水力粗颗粒矿石提升系统；在实验模拟工况方面本发明的机械-水力混合式粗颗粒垂直提升实验装置的的实验模拟工况更加丰富，可以从更多角度去分析粗颗粒矿石在提升过程中的阻力所受的影响因素。此外上述已公开的专利发明的实验平台的实验目的在于通过分析不同颗粒浓度、颗粒粒径、颗粒形态、速运速度对输送管道中流体形态及离心泵工作状态的影响来解决水力垂直提升系统可靠性、稳定性、效率底下的问题。而本发明的实验平台的实验目的使用机械-水力混合式颗粒体垂直提升的技术方案，在水力提升的基础上解决水力垂直提升系统存在的输送矿石浓度低、输运速度小、允许通过矿石粒径小、能量利用率低等局限性。