第2章

干冰粒子的团聚过程

2.1简介

干冰喷射可以通过基于液体CO2的膨胀产生

焦耳 - 汤姆逊效应，如第1章所述。干冰喷射可以作为一种应用干洗方法去除表面污染物;这个概念首先被提出Hoenig [1986]。在干冰喷射系统中，生产的干冰颗粒可以穿透边界层到达污染物及其机械冲击可以除去强烈粘附在表面上的细小颗粒。传统的空气喷气式飞机使用空气动力阻力来去除污染物，而干冰喷射则使用两者干冰颗粒的机械冲击和空气动力阻力去除污染物两种机制的组合大大提高了去除效率。该干冰粒径是影响污染物的重要因素

去除效率。具有强大惯性和动能的大型干冰粒子因此有利于以强粘附力除去细颗粒。此外，

大型干冰颗粒不像小颗粒那样迅速升华;从而大颗粒可以持续更长时间并影响更多污染物。然而，大的干冰颗粒可能由于几何限制而被限制去除细颗粒[Toscano和Ahmadi，2003]。除了清洁应用以外，干冰的颗粒大小也很大影响其制冷效果或药物造粒效果。小干冰直径几微米以下的颗粒通常称为干冰雪可以凝聚成大颗粒，称为干冰颗粒或干冰块。一个包含两个聚结室的喷嘴被设计成有效地产生干燥的用于除去细颗粒的冰颗粒[Whitlock等。 1989]。此外，Swain等人[1992]在膨胀喷嘴的末端安装了隔热室产生附聚物，提高干冰颗粒的生产效率。然而，干冰颗粒的产量，大小和状态以及结块过程没有被详细研究过。在本章中，通过膨胀液态CO2产生干冰颗粒，并且它们在管室中的团聚过程已经通过实验进行了研究。 喷气机研究了对干冰状态影响较大的温度。 至确认干冰产生的状态，通过分析其粒子速度和大小在不同实验条件下进行显微观察。 集聚干冰颗粒的过程通过颗粒沉积来讨论再夹带理论，即初级颗粒沉积在管壁上以形成一个沉积层; 然后，团块重新从该层进入射流中，如

以及粒子间碰撞理论。

2.2实验装置和程序

干冰颗粒由纯度为99.5％的液态二氧化碳产生。一个连接了2米长，15毫米内径的柔性隔热软管在一个二氧化碳气瓶和一个膨胀喷嘴的末端安装软管，如图2.1所示。为了改变扩大流量的条件，a玻璃管放置在膨胀喷嘴的出口处。的主要压力在膨胀喷嘴的入口处测量二氧化碳。图2.2显示了测试部分的细节，其中包括扩展喷嘴和玻璃管。膨胀喷嘴的内径为0.2毫米，长度为6毫米，而玻璃管的内径为2,4或6毫米，而内径为50毫米长度（L），并安装到喷嘴出口处。干燥的温度通过a测量从膨胀喷嘴和玻璃管壁喷射的冰喷射K型热电偶连接到温度记录仪（NR-1000，KEYENCE公司）。使用带有变焦镜头的高速相机（Fastcam-Max，Photron Ltd.）观察射流中凝聚的干冰颗粒的状态。研究干冰颗粒沉积层的形成，玻璃板代替玻璃管放置在膨胀喷嘴的出口处。 结构通过光学显微镜观察沉积在板上的干冰颗粒（DS-3040L，奥林巴斯公司）。 所有实验均在室温和压力下进行（25±2oC; 1个大气压）。

图2.1实验仪器示意图。

图2.2测试部分。

2.3结果和讨论

2.3.1射流温度对产生干冰颗粒的影响

2.3.1.1使用膨胀喷嘴的实验

二氧化碳在6.5±0.2的初始压力下从喷嘴中膨胀MPa到大气压力。 膨胀的气流通过快速膨胀而冷却。图2.3显示了在沿膨胀流动中心测量的温度

流轴。 测量位置x是距喷嘴出口的距离。在x = 1mm处测得的温度约为-80℃; 然而，它增加到了-10在x = 50mm处的温度并且在x> 100mm处接近室温。 从膨胀喷嘴喷射后流量急剧增加。 据一个阶段二氧化碳图，可以在-78.5°C和1个大气压下形成干冰表明大部分由膨胀喷嘴产生的干冰升华为由于温度升高导致的大气。 因此，干冰颗粒不是目视观察。

2.3.1.2使用带玻璃管的膨胀喷嘴进行实验

为了避免膨胀流和周围空气直接接触，a将玻璃管安装在喷嘴的出口处，并进行实验在与上述相同的条件下。目视观察干冰颗粒射流从玻璃管流出。图2.4显示了外部的温度变化管壁随着时间的流逝而变化。室温是25℃。对于x = 5毫米（图2.4a），温度下降并在300s后接近-30°C过去。至于x = 48mm（图2.4b），温度的降低相对较高缓慢，300s后的稳定温度略高于x = 5mm时的稳定温度，由于射流与通过管壁的周围空气之间的热传递。值得注意的是，x = 48mm处的温度仍然保持在零度以下温度，即管壁的隔热是有效的;就这样

通过膨胀液态二氧化碳产生的干冰颗粒升华降低。结果，干冰颗粒通过目视观察来自干冰的喷流玻璃管。在这个实验中，也使用了不同直径的玻璃管。虽然结果有小的差异，但温度变化是几乎相同。其次，射流中的温度的时间过程被测量。如图2.5所示，温度从室温下降随着时间的推移和接近-55±5℃的稳定温度，然后开始进一步下降。二次稳定温度是-65℃，即有二个射流中的温度降低阶段。二次降温后，目视观察从玻璃管流出的干冰颗粒，如图所示图像（c）。因此，二次温度下降在这个过程中非常重要发生这种现象。认为从喷嘴喷出的干冰颗粒升华最初冷却管。随着管的温度降低，热交换率降低，射流温度接近稳定。一旦可见的干冰粒子出现并与热电偶，射流接触温带再次下降。

图2.3温度随膨胀喷嘴距离的变化

对于较大尺寸的玻璃管，第一阶段温度较高，内径2〜6mm的稳定温度的差异为约10°C。 由于较大的玻璃管具有较大的表面积， 因此，传热通过管壁增强。 因此，第一阶段的稳温度更高。 第2.3.4节中提到了进一步的讨论。

图2.4外管壁的温度变化

2.3.2玻璃管尺寸的影响

  由于温度测量意味着玻璃管尺寸会影响状态我们研究了干冰颗粒的形成和行为在使用带变焦镜头的高速相机的流程中。 图2.6显示了一些典型的从玻璃管射流中产生的干冰颗粒图像。 由于这些图像曝光时间已知（1/6000秒），可以计算出粒子速度从干冰颗粒的轨迹的长度。 干冰的速度随着管直径的增加，颗粒减小并且尺寸增大。 对于较大的干燥

冰粒子（图2.6c），粒子形状更加不规则，似乎是

团聚。

图2.5干冰喷射的温度变化

质点速度分布如图2.7a所示。 数据似乎是对称分布; 作为一个试验，他们被绘制在一个正常的图表上。 如图所示。2.7 b。 每个分配都在一条线上; 因此它们表示为正态分布。该

Di = 2,4和6mm的中值分别为13.8,6.9和3.4m / s。该每个管子直径的标准偏差（从小到大）分别为1.8,1.7和1.4 m / s，和变异系数（标准偏差/平均值）分别为0.13,0.25，和

0.41。如果二氧化碳的质量流量是恒定的，则流速比可以是与玻璃管横截面积的反比例成正比。由于内管直径比为1：2：3，流速比为9：2.25：1。速度实验获得的比例是9：4.5：2.2。虽然实验结果一致大致与理论值一样，较大管直径的实验结果是相对较大。这可能是因为干冰颗粒由于其高度升华所致传热和气体量增加。颗粒大小和形状难以从侧面图像确定

因为粒子以高速移动并且有很多粒子出来的焦点。图像应该从飞机前面的玻璃板后面拍摄

流。流动的干冰颗粒被困在玻璃板的表面上非常短的时间，因此可以很容易地观察焦点深度处的颗粒。图2.8显示了从该玻璃板后取得的干冰颗粒图像。大小和形状可以从图像中估算出来。 干冰的大小随着管径的增加，颗粒增加，图2.8c中的许多团块出现基于投影面积的当量圆直径数百微米。可见颗粒聚结，形状不规则。 大型集聚体似乎具有松散堆积的结构。

图2.6干冰颗粒从管中流出

（L：50mm，曝光时间：1/6000秒）。

图2.7粒子速度分布：（a）平面图; （b）正常图。

图2.8管直径对凝聚物形成的影响

（从后面看，L：50毫米，曝光时间：1/6000秒）。图2.9显示了不同干冰粒子的粒度分布

玻璃管尺寸。 数据显示不对称的分布，这意味着一个小的产生更多的团聚体。 数据绘制在对数正态分布上图，如图2.9b所示。 尽管它们不一定表示为对数正态分布分布，几何平均直径，Dag50和表观几何标准偏差σag（=（Dag84.1 / Dag15.9）0.5）可以被确定，即对于Di = 2,4和6mm，Dag50 = 55,85和183μm，σag分别为1.2,1.5和1.5μm。2.3.3玻璃中干冰粒子聚集的粒子间碰撞管，干冰颗粒会在流动中相互碰撞，并产生结块颗粒，这取决于实验条件，如停留时间干冰颗粒在玻璃管中。 停留时间可以通过除以管长度由每个平均粒子速度（见图2.7）。 Di =的停留时间2,4和6毫米分别为3.6,7.2和14.7毫秒。 由于平均粒径范围从55到183微米（见图2.9），大量的主要碰撞需要颗粒来产生这样的大团聚体。 但是，粒子在有限的停留时间内难以实现碰撞。图2.10显示了从管中流出的干冰颗粒的典型图像长度为（a）50和（b）150 mm。 从长度和方向来看干冰颗粒的轨迹，已知图2.10a中的颗粒速度与图2.10b相比，速度较慢，速度矢量更加随机。当使用长管时，由于更多的热量，更多的干冰颗粒会升华与大气交换。 结果，气固比增加并且颗粒速度增加。 不管怎样，粒径几乎相同尽管在该实验条件下停留时间增加了，因此，在干燥的附聚过程中可能存在另一个重要因素。 玻璃管对颗粒团聚影响很大，管壁可能影响团聚过程。 进一步的讨论被呈现在下一节。

图2.9累积粒度分布：

（a）    平面图; （b）对数正态图

图2.10管长度对团块形成的影响

（Di：4mm，曝光时间：1/6000s）。

2.3.4颗粒沉积和再夹带对干结块的影响

玻璃管中的冰粒通常，气固管流中的细小颗粒沉积在壁面上并形成一个粒子层。作用在层上的拖曳力随着沉积物的质量而增加颗粒和团聚颗粒容易从层中再次进入[Adhiwidjaja等人，2000]。而且，流动颗粒与沉积层的碰撞增强reentrainment。最后，颗粒沉积和再夹带进入平衡[Theerachaisupakij等，2003]。调查的形成干冰颗粒沉积层，进行了另一项实验。一块玻璃板被放置在平行于膨胀流动的轴线以观察其形成从侧面沉积层。从板表面到扩展的距离d流动轴被改变以模拟不同直径的玻璃管中的流动。高使用带变焦镜头的高速相机观察沉积物的形成层。从喷嘴喷出的干冰颗粒开始沉积在玻璃板上当表面温度足够低时。干冰沉积层随着时间的推移逐渐形成并且厚度增加。图2.11显示了玻璃上形成的干冰颗粒的沉积层盘子放置在不同的距离。对于d = 1mm，干冰颗粒沉积层密集堆积，表面光滑。层的厚度增加随着喷嘴出口水平距离的增加，如图2.11a所示。对于d = 2和3mm也观察到更厚的沉积层（图2.11b和c）。此外，发现图2.11c中的沉积层远离形成喷嘴出口（x = 25mm）并具有松散的结构。自交互颗粒之间的松散堆积结构很小，可以是团聚颗粒即使流速是相对的，也容易从沉积层重新进行低。随着沉积层的堆积密度降低，团聚粒子的尺寸增大。因此，图1和2所示的附聚干冰颗粒。2.6和2.8被认为是由颗粒沉积和再夹带引起的。接下来，我们解释一下从射流出发的温度变化的细节如图2.5所示由颗粒沉积和再夹带。当墙壁温度由膨胀流降低，干冰颗粒从中喷出喷嘴开始沉积在管壁上。干冰沉积层逐渐形成形成。在这种现象中，来自玻璃管的射流温度减少并接近稳定值。当结块的粒子开始从沉积层重新回流，此系统的热平衡不是保持并且流量的温度再次下降。一旦粒子沉积和再夹带平衡，再次流动温度稳定。

由于沉积层由干冰颗粒组成，所以它是非常有意义的研究沉积层的结构。图2.12显示了光学形成在玻璃板上的干冰颗粒沉积层的显微照片放置在d = 1和3毫米处。沉积层形成为条状，朝向流动方向。很多干冰颗粒在几微米的范围内在沉积层中观察到直径。发现干冰的大小无论如何，沉积层中观察到的颗粒几乎相同

包装结构，如图2.12所示。细颗粒被认为是主要的通过膨胀流动中的成核和冷凝产生的干冰颗粒。因此，重新凝聚的颗粒也将由细小的干冰组成粒子。在目前的工作中，讨论了干冰粒子的团聚过程实验事实的基础。定量分析可以在下一个阶段进行步。

图2.11在玻璃板上形成的干冰颗粒沉积层

（曝光时间：1/6000秒）。

图2.12通过观察到的干冰颗粒的沉积层

一个光学显微镜（d在图2.11中描述）。

2.4结论

通过测量干冰颗粒的凝聚过程进行了研究射流和管壁的温度以及观察现象，并且

讨论了干冰团聚机理。以下结论是画：

（1）通过向玻璃管添加玻璃管，可以将干冰射流保持在较低温度膨胀喷嘴的出口。干冰喷射的温度降低早期接近稳定的温度;然后移动到第二个稳定温度。之后目测观察凝聚的干冰颗粒第二次降低温度。

（2）通过拍摄的图像分析粒子的速度和大小测速照相机。管的大小对颗粒的大小和形状也有很大的影响速度。由于停留时间有限，大量的主要冲突微粒难以实现;因此观察到的团块不可能由流中的粒子间碰撞产生。

（3）产生的干冰颗粒沉积在壁上形成颗粒层后，附聚物从该层再次进入射流。结果，干冰

颗粒可以在射流中目视观察。

（4）显微镜观察表明，沉积层由细干冰组成几微米的颗粒。凝聚的颗粒再次从这里出来

沉积层也将由细小的干冰颗粒组成。