第2章 干冰粒子的團(tuán)聚過(guò)程 2.1簡(jiǎn)介 干冰噴射可以通過(guò)基于液體CO2的膨脹產(chǎn)生 焦耳 - 湯姆遜效應(yīng)，如第1章所述。干冰噴射可以作為一種應(yīng)用干洗方法去除表面污染物;這個(gè)概念首先被提出Hoenig [1986]。在干冰噴射系統(tǒng)中，生產(chǎn)的干冰顆�？梢源┩高吔鐚拥竭_(dá)污染物及其機(jī)械沖擊可以除去強(qiáng)烈粘附在表面上的細(xì)小顆粒。傳統(tǒng)的空氣噴氣式飛機(jī)使用空氣動(dòng)力阻力來(lái)去除污染物，而干冰噴射則使用兩者干冰顆粒的機(jī)械沖擊和空氣動(dòng)力阻力去除污染物兩種機(jī)制的組合大大提高了去除效率。該干冰粒徑是影響污染物的重要因素 去除效率。具有強(qiáng)大慣性和動(dòng)能的大型干冰粒子因此有利于以強(qiáng)粘附力除去細(xì)顆粒。此外， 大型干冰顆粒不像小顆粒那樣迅速升華;從而大顆�？梢猿掷m(xù)更長(zhǎng)時(shí)間并影響更多污染物。然而，大的干冰顆粒可能由于幾何限制而被限制去除細(xì)顆粒[Toscano和Ahmadi，2003]。除了清潔應(yīng)用以外，干冰的顆粒大小也很大影響其制冷效果或藥物造粒效果。小干冰直徑幾微米以下的顆粒通常稱為干冰雪可以凝聚成大顆粒，稱為干冰顆�；蚋杀鶋K。一個(gè)包含兩個(gè)聚結(jié)室的噴嘴被設(shè)計(jì)成有效地產(chǎn)生干燥的用于除去細(xì)顆粒的冰顆粒[Whitlock等。 1989]。此外，Swain等人[1992]在膨脹噴嘴的末端安裝了隔熱室產(chǎn)生附聚物，提高干冰顆粒的生產(chǎn)效率。然而，干冰顆粒的產(chǎn)量，大小和狀態(tài)以及結(jié)塊過(guò)程沒(méi)有被詳細(xì)研究過(guò)。在本章中，通過(guò)膨脹液態(tài)CO2產(chǎn)生干冰顆粒，并且它們?cè)诠苁抑械膱F(tuán)聚過(guò)程已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究。 噴氣機(jī)研究了對(duì)干冰狀態(tài)影響較大的溫度。 至確認(rèn)干冰產(chǎn)生的狀態(tài)，通過(guò)分析其粒子速度和大小在不同實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行顯微觀察。 集聚干冰顆粒的過(guò)程通過(guò)顆粒沉積來(lái)討論再夾帶理論，即初級(jí)顆粒沉積在管壁上以形成一個(gè)沉積層; 然后，團(tuán)塊重新從該層進(jìn)入射流中，如 以及粒子間碰撞理論。 2.2實(shí)驗(yàn)裝置和程序 干冰顆粒由純度為99.5％的液態(tài)二氧化碳產(chǎn)生。一個(gè)連接了2米長(zhǎng)，15毫米內(nèi)徑的柔性隔熱軟管在一個(gè)二氧化碳?xì)馄亢鸵粋�(gè)膨脹噴嘴的末端安裝軟管，如圖2.1所示。為了改變擴(kuò)大流量的條件，a玻璃管放置在膨脹噴嘴的出口處。的主要壓力在膨脹噴嘴的入口處測(cè)量二氧化碳。圖2.2顯示了測(cè)試部分的細(xì)節(jié)，其中包括擴(kuò)展噴嘴和玻璃管。膨脹噴嘴的內(nèi)徑為0.2毫米，長(zhǎng)度為6毫米，而玻璃管的內(nèi)徑為2,4或6毫米，而內(nèi)徑為50毫米長(zhǎng)度（L），并安裝到噴嘴出口處。干燥的溫度通過(guò)a測(cè)量從膨脹噴嘴和玻璃管壁噴射的冰噴射K型熱電偶連接到溫度記錄儀（NR-1000，KEYENCE公司）。使用帶有變焦鏡頭的高速相機(jī)（Fastcam-Max，Photron Ltd.）觀察射流中凝聚的干冰顆粒的狀態(tài)。研究干冰顆粒沉積層的形成，玻璃板代替玻璃管放置在膨脹噴嘴的出口處。 結(jié)構(gòu)通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察沉積在板上的干冰顆粒（DS-3040L，奧林巴斯公司）。 所有實(shí)驗(yàn)均在室溫和壓力下進(jìn)行（25±2oC; 1個(gè)大氣壓）。  圖2.1實(shí)驗(yàn)儀器示意圖。
圖2.2測(cè)試部分。 2.3結(jié)果和討論 2.3.1射流溫度對(duì)產(chǎn)生干冰顆粒的影響 2.3.1.1使用膨脹噴嘴的實(shí)驗(yàn) 二氧化碳在6.5±0.2的初始?jí)毫ο聫膰娮熘信蛎汳Pa到大氣壓力。 膨脹的氣流通過(guò)快速膨脹而冷卻。圖2.3顯示了在沿膨脹流動(dòng)中心測(cè)量的溫度 流軸。 測(cè)量位置x是距噴嘴出口的距離。在x = 1mm處測(cè)得的溫度約為-80℃; 然而，它增加到了-10在x = 50mm處的溫度并且在x> 100mm處接近室溫。 從膨脹噴嘴噴射后流量急劇增加。 據(jù)一個(gè)階段二氧化碳圖，可以在-78.5°C和1個(gè)大氣壓下形成干冰表明大部分由膨脹噴嘴產(chǎn)生的干冰升華為由于溫度升高導(dǎo)致的大氣。 因此，干冰顆粒不是目視觀察。 2.3.1.2使用帶玻璃管的膨脹噴嘴進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 為了避免膨脹流和周圍空氣直接接觸，a將玻璃管安裝在噴嘴的出口處，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)在與上述相同的條件下。目視觀察干冰顆粒射流從玻璃管流出。圖2.4顯示了外部的溫度變化管壁隨著時(shí)間的流逝而變化。室溫是25℃。對(duì)于x = 5毫米（圖2.4a），溫度下降并在300s后接近-30°C過(guò)去。至于x = 48mm（圖2.4b），溫度的降低相對(duì)較高緩慢，300s后的穩(wěn)定溫度略高于x = 5mm時(shí)的穩(wěn)定溫度，由于射流與通過(guò)管壁的周圍空氣之間的熱傳遞。值得注意的是，x = 48mm處的溫度仍然保持在零度以下溫度，即管壁的隔熱是有效的;就這樣 通過(guò)膨脹液態(tài)二氧化碳產(chǎn)生的干冰顆粒升華降低。結(jié)果，干冰顆粒通過(guò)目視觀察來(lái)自干冰的噴流玻璃管。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，也使用了不同直徑的玻璃管。雖然結(jié)果有小的差異，但溫度變化是幾乎相同。其次，射流中的溫度的時(shí)間過(guò)程被測(cè)量。如圖2.5所示，溫度從室溫下降隨著時(shí)間的推移和接近-55±5℃的穩(wěn)定溫度，然后開始進(jìn)一步下降。二次穩(wěn)定溫度是-65℃，即有二個(gè)射流中的溫度降低階段。二次降溫后，目視觀察從玻璃管流出的干冰顆粒，如圖所示圖像（c）。因此，二次溫度下降在這個(gè)過(guò)程中非常重要發(fā)生這種現(xiàn)象。認(rèn)為從噴嘴噴出的干冰顆粒升華最初冷卻管。隨著管的溫度降低，熱交換率降低，射流溫度接近穩(wěn)定。一旦可見的干冰粒子出現(xiàn)并與熱電偶，射流接觸溫帶再次下降。 
圖2.3溫度隨膨脹噴嘴距離的變化 對(duì)于較大尺寸的玻璃管，第一階段溫度較高，內(nèi)徑2〜6mm的穩(wěn)定溫度的差異為約10°C。 由于較大的玻璃管具有較大的表面積， 因此，傳熱通過(guò)管壁增強(qiáng)。 因此，第一階段的穩(wěn)溫度更高。 第2.3.4節(jié)中提到了進(jìn)一步的討論。  圖2.4外管壁的溫度變化
2.3.2玻璃管尺寸的影響 由于溫度測(cè)量意味著玻璃管尺寸會(huì)影響狀態(tài)我們研究了干冰顆粒的形成和行為在使用帶變焦鏡頭的高速相機(jī)的流程中。 圖2.6顯示了一些典型的從玻璃管射流中產(chǎn)生的干冰顆粒圖像。 由于這些圖像曝光時(shí)間已知（1/6000秒），可以計(jì)算出粒子速度從干冰顆粒的軌跡的長(zhǎng)度。 干冰的速度隨著管直徑的增加，顆粒減小并且尺寸增大。 對(duì)于較大的干燥 冰粒子（圖2.6c），粒子形狀更加不規(guī)則，似乎是 團(tuán)聚。 圖2.5干冰噴射的溫度變化 質(zhì)點(diǎn)速度分布如圖2.7a所示。 數(shù)據(jù)似乎是對(duì)稱分布; 作為一個(gè)試驗(yàn)，他們被繪制在一個(gè)正常的圖表上。 如圖所示。2.7 b。 每個(gè)分配都在一條線上; 因此它們表示為正態(tài)分布。該 Di = 2,4和6mm的中值分別為13.8,6.9和3.4m / s。該每個(gè)管子直徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差（從小到大）分別為1.8,1.7和1.4 m / s，和變異系數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)偏差/平均值）分別為0.13,0.25，和 0.41。如果二氧化碳的質(zhì)量流量是恒定的，則流速比可以是與玻璃管橫截面積的反比例成正比。由于內(nèi)管直徑比為1：2：3，流速比為9：2.25：1。速度實(shí)驗(yàn)獲得的比例是9：4.5：2.2。雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致大致與理論值一樣，較大管直徑的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是相對(duì)較大。這可能是因?yàn)楦杀w粒由于其高度升華所致傳熱和氣體量增加。顆粒大小和形狀難以從側(cè)面圖像確定 因?yàn)榱Ｗ右愿咚僖苿?dòng)并且有很多粒子出來(lái)的焦點(diǎn)。圖像應(yīng)該從飛機(jī)前面的玻璃板后面拍攝 流。流動(dòng)的干冰顆粒被困在玻璃板的表面上非常短的時(shí)間，因此可以很容易地觀察焦點(diǎn)深度處的顆粒。圖2.8顯示了從該玻璃板后取得的干冰顆粒圖像。大小和形狀可以從圖像中估算出來(lái)。 干冰的大小隨著管徑的增加，顆粒增加，圖2.8c中的許多團(tuán)塊出現(xiàn)基于投影面積的當(dāng)量圓直徑數(shù)百微米。可見顆粒聚結(jié)，形狀不規(guī)則。 大型集聚體似乎具有松散堆積的結(jié)構(gòu)。 
圖2.6干冰顆粒從管中流出 （L：50mm，曝光時(shí)間：1/6000秒）。 
圖2.7粒子速度分布：（a）平面圖; （b）正常圖。 
圖2.8管直徑對(duì)凝聚物形成的影響 （從后面看，L：50毫米，曝光時(shí)間：1/6000秒）。圖2.9顯示了不同干冰粒子的粒度分布 玻璃管尺寸。 數(shù)據(jù)顯示不對(duì)稱的分布，這意味著一個(gè)小的產(chǎn)生更多的團(tuán)聚體。 數(shù)據(jù)繪制在對(duì)數(shù)正態(tài)分布上圖，如圖2.9b所示。 盡管它們不一定表示為對(duì)數(shù)正態(tài)分布分布，幾何平均直徑，Dag50和表觀幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差σag（=（Dag84.1 / Dag15.9）0.5）可以被確定，即對(duì)于Di = 2,4和6mm，Dag50 = 55,85和183μm，σag分別為1.2,1.5和1.5μm。2.3.3玻璃中干冰粒子聚集的粒子間碰撞管，干冰顆粒會(huì)在流動(dòng)中相互碰撞，并產(chǎn)生結(jié)塊顆粒，這取決于實(shí)驗(yàn)條件，如停留時(shí)間干冰顆粒在玻璃管中。 停留時(shí)間可以通過(guò)除以管長(zhǎng)度由每個(gè)平均粒子速度（見圖2.7）。 Di =的停留時(shí)間2,4和6毫米分別為3.6,7.2和14.7毫秒。 由于平均粒徑范圍從55到183微米（見圖2.9），大量的主要碰撞需要顆粒來(lái)產(chǎn)生這樣的大團(tuán)聚體。 但是，粒子在有限的停留時(shí)間內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)碰撞。圖2.10顯示了從管中流出的干冰顆粒的典型圖像長(zhǎng)度為（a）50和（b）150 mm。 從長(zhǎng)度和方向來(lái)看干冰顆粒的軌跡，已知圖2.10a中的顆粒速度與圖2.10b相比，速度較慢，速度矢量更加隨機(jī)。當(dāng)使用長(zhǎng)管時(shí)，由于更多的熱量，更多的干冰顆粒會(huì)升華與大氣交換。 結(jié)果，氣固比增加并且顆粒速度增加。 不管怎樣，粒徑幾乎相同盡管在該實(shí)驗(yàn)條件下停留時(shí)間增加了，因此，在干燥的附聚過(guò)程中可能存在另一個(gè)重要因素。 玻璃管對(duì)顆粒團(tuán)聚影響很大，管壁可能影響團(tuán)聚過(guò)程。 進(jìn)一步的討論被呈現(xiàn)在下一節(jié)。 
圖2.9累積粒度分布： （a） 平面圖; （b）對(duì)數(shù)正態(tài)圖 
圖2.10管長(zhǎng)度對(duì)團(tuán)塊形成的影響 （Di：4mm，曝光時(shí)間：1/6000s）。 2.3.4顆粒沉積和再夾帶對(duì)干結(jié)塊的影響 玻璃管中的冰粒通常，氣固管流中的細(xì)小顆粒沉積在壁面上并形成一個(gè)粒子層。作用在層上的拖曳力隨著沉積物的質(zhì)量而增加顆粒和團(tuán)聚顆粒容易從層中再次進(jìn)入[Adhiwidjaja等人，2000]。而且，流動(dòng)顆粒與沉積層的碰撞增強(qiáng)reentrainment。最后，顆粒沉積和再夾帶進(jìn)入平衡[Theerachaisupakij等，2003]。調(diào)查的形成干冰顆粒沉積層，進(jìn)行了另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。一塊玻璃板被放置在平行于膨脹流動(dòng)的軸線以觀察其形成從側(cè)面沉積層。從板表面到擴(kuò)展的距離d流動(dòng)軸被改變以模擬不同直徑的玻璃管中的流動(dòng)。高使用帶變焦鏡頭的高速相機(jī)觀察沉積物的形成層。從噴嘴噴出的干冰顆粒開始沉積在玻璃板上當(dāng)表面溫度足夠低時(shí)。干冰沉積層隨著時(shí)間的推移逐漸形成并且厚度增加。圖2.11顯示了玻璃上形成的干冰顆粒的沉積層盤子放置在不同的距離。對(duì)于d = 1mm，干冰顆粒沉積層密集堆積，表面光滑。層的厚度增加隨著噴嘴出口水平距離的增加，如圖2.11a所示。對(duì)于d = 2和3mm也觀察到更厚的沉積層（圖2.11b和c）。此外，發(fā)現(xiàn)圖2.11c中的沉積層遠(yuǎn)離形成噴嘴出口（x = 25mm）并具有松散的結(jié)構(gòu)。自交互顆粒之間的松散堆積結(jié)構(gòu)很小，可以是團(tuán)聚顆粒即使流速是相對(duì)的，也容易從沉積層重新進(jìn)行低。隨著沉積層的堆積密度降低，團(tuán)聚粒子的尺寸增大。因此，圖1和2所示的附聚干冰顆粒。2.6和2.8被認(rèn)為是由顆粒沉積和再夾帶引起的。接下來(lái)，我們解釋一下從射流出發(fā)的溫度變化的細(xì)節(jié)如圖2.5所示由顆粒沉積和再夾帶。當(dāng)墻壁溫度由膨脹流降低，干冰顆粒從中噴出噴嘴開始沉積在管壁上。干冰沉積層逐漸形成形成。在這種現(xiàn)象中，來(lái)自玻璃管的射流溫度減少并接近穩(wěn)定值。當(dāng)結(jié)塊的粒子開始從沉積層重新回流，此系統(tǒng)的熱平衡不是保持并且流量的溫度再次下降。一旦粒子沉積和再夾帶平衡，再次流動(dòng)溫度穩(wěn)定。 由于沉積層由干冰顆粒組成，所以它是非常有意義的研究沉積層的結(jié)構(gòu)。圖2.12顯示了光學(xué)形成在玻璃板上的干冰顆粒沉積層的顯微照片放置在d = 1和3毫米處。沉積層形成為條狀，朝向流動(dòng)方向。很多干冰顆粒在幾微米的范圍內(nèi)在沉積層中觀察到直徑。發(fā)現(xiàn)干冰的大小無(wú)論如何，沉積層中觀察到的顆粒幾乎相同 包裝結(jié)構(gòu)，如圖2.12所示。細(xì)顆粒被認(rèn)為是主要的通過(guò)膨脹流動(dòng)中的成核和冷凝產(chǎn)生的干冰顆粒。因此，重新凝聚的顆粒也將由細(xì)小的干冰組成粒子。在目前的工作中，討論了干冰粒子的團(tuán)聚過(guò)程實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)。定量分析可以在下一個(gè)階段進(jìn)行步。 
圖2.11在玻璃板上形成的干冰顆粒沉積層 （曝光時(shí)間：1/6000秒）。 
圖2.12通過(guò)觀察到的干冰顆粒的沉積層 一個(gè)光學(xué)顯微鏡（d在圖2.11中描述）。 2.4結(jié)論 通過(guò)測(cè)量干冰顆粒的凝聚過(guò)程進(jìn)行了研究射流和管壁的溫度以及觀察現(xiàn)象，并且 討論了干冰團(tuán)聚機(jī)理。以下結(jié)論是畫： （1）通過(guò)向玻璃管添加玻璃管，可以將干冰射流保持在較低溫度膨脹噴嘴的出口。干冰噴射的溫度降低早期接近穩(wěn)定的溫度;然后移動(dòng)到第二個(gè)穩(wěn)定溫度。之后目測(cè)觀察凝聚的干冰顆粒第二次降低溫度。 （2）通過(guò)拍攝的圖像分析粒子的速度和大小測(cè)速照相機(jī)。管的大小對(duì)顆粒的大小和形狀也有很大的影響速度。由于停留時(shí)間有限，大量的主要沖突微粒難以實(shí)現(xiàn);因此觀察到的團(tuán)塊不可能由流中的粒子間碰撞產(chǎn)生。 （3）產(chǎn)生的干冰顆粒沉積在壁上形成顆粒層后，附聚物從該層再次進(jìn)入射流。結(jié)果，干冰 顆粒可以在射流中目視觀察。 （4）顯微鏡觀察表明，沉積層由細(xì)干冰組成幾微米的顆粒。凝聚的顆粒再次從這里出來(lái) 沉積層也將由細(xì)小的干冰顆粒組成。
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