[发明专利]一种双涡流式高温差射流破岩装置及方法

说明书

本发明属于射流破岩节能设备技术领域，涉及一种双涡流式高温差射流破岩装置及方法，包括一级涡流管、二级涡流管、一级高温流体通道、二级高温流体出口、喷射钻头、低温流体出口和壳体；壳体的前部设置一级涡流管，一级涡流管低温流体输出端与二级涡流管连通，一级涡流管还与一级高温流体通道连通，二级涡流管的输出端设置二级高温流体出口和低温流体出口，一级高温流体通道与二级高温流体出口连通，二级高温流体出口和低温流体出口与喷射钻头连通；该装置通过两级涡流管的高低温分流作用的叠加，使超临界二氧化碳射流的温差同压力下达5倍以上，利用交变温度应力和冲击压力的耦合作用，实现了高效的破岩效果，节能环保。

技术领域：

本发明属于射流破岩节能设备技术领域，涉及一种利用超临界二氧化碳等流体通过涡流管的高低温分流特性来进行热力射流破岩的设备和方法，特别是一种双涡流式高温差射流破岩装置及方法，能够产生高温差两股流体，流体不需要额外耗能降温或者升温，绿色低碳，环保节能。

背景技术：

射流是一种应用在采矿、油气开采等领域的高效破岩技术。当前，提高射流压力是增加破岩能力的主要方法，但该方法会极大地增加能量消耗、设备成本和施工风险。尤其在深井循环压耗高、地面泵压有限的情况下，射流压力受限，如何增加射流破岩能力成为一个关键的卡脖子问题。热力破岩方法主要受材料的热力学性质影响，而与材料的力学性质相关性不强，并且热冲击能弱化材料的强度，从而展现了很高的破碎效率。然而，激光、电子束、微波、热熔和等离子的冲蚀比能高，发电机的功率及可靠性、电缆的传输效率、电子设备的抗电磁干扰能力限制了这些技术的推广应用。液氮和高温蒸汽射流也展示了较高的破岩效率，但改变流体温度会额外地增加能量消耗、设备复杂性和施工成本。

超临界二氧化碳射流中温度和压力变化同时产生(压差20MPa下约30℃温差)，热力耦合下同压力下其破岩比能分别是水射流的50％和30％；但工程应用中超临界二氧化碳射流门限压力仍然在60MPa以上，现场增压泵增压上限大部分小于30MPa，从而限制了该技术的推广应用，通过进一步增大温差来降低射流破岩门限压力是解决上述问题的有效手段。

在现有专利技术中，公开号为CN114810194A的中国专利，公开了一种冷热空气循环致裂煤体抽采瓦斯的方法，属于煤矿安全领域，本发明通过将涡流管与空气加压装置相配合，使得高压空气进行冷、热分离，依据现场煤层的情况，往相邻的钻孔内注入分离后的高压冷、热空气，进而使得注入的空气与煤层间的温度形成极大的温差，从而使得煤体的抗压强度降低，力学性能变差，进而产生大量的裂隙，拓展或增加瓦斯气体在煤层内流动的路径，提高瓦斯的流动性。公开号为CN112393462A的中国专利，公开了一种涡流管升温带双蒸发吸热器的高温热泵系统，包括集热器、涡流管、压缩机、气液分离器、节流阀、空气源蒸发器、废热源蒸发器、蒸发压力调节阀、喷射器和换热器。

涡流管是一种产生温差的装置，它可将0.5MPa左右的压缩空气就可瞬间分流成温差100℃以上的冷热两股气流，相比同压差射流下温度变化，涡流管产生的温差增加了20倍以上。因此，通过涡流管的高低温分流作用进一步降低超临界二氧化碳射流破岩门限压力是该射流破岩技术发展的关键。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，针对现有射流破岩设备抗电磁干扰能力弱、液氮和高温蒸汽射流能量消耗多、设备复杂和施工成本高等问题；利用超临界二氧化碳等可压缩流体在涡流管中高低温分流特性，设计一种双涡流式高温差射流破岩装置及方法，能耗少，破岩效果显著。

为了实现上述目的，本发明涉及的一种双涡流式高温差射流破岩装置，其主体结构包括一级涡流管、二级涡流管、一级高温流体通道、二级高温流体出口、喷射钻头、低温流体出口和壳体；壳体的前部设置一级涡流管，一级涡流管低温流体输出端与二级涡流管的输入端连通，一级涡流管还与一级高温流体通道连通，二级涡流管的输出端设置二级高温流体出口和低温流体出口，一级高温流体通道的输出端与二级高温流体出口连通，二级高温流体出口和低温流体出口分别与喷射钻头连通。