第5章

冲击干冰喷射应用

5.1介绍

正如第四章所讨论的那样，干冰喷射已经显示出良好的性能去除单体化微粒。干冰影响的影响相对较大比去除过程中的空气动力阻力要大。根据实验结果，在喷射干冰的早期阶段，可以去除较大的颗粒温度仍然在-10°C左右。这表明具有小粘合剂的细颗粒力量将主要通过空气动力或冲击力去除小惯性的干冰粒子。换句话说，干冰造成的冲击力大惯性的颗粒对于去除其粘合剂的细颗粒是必需的力量很大。这两种粒子去除现象将以真实的方式发生因为细颗粒的粘合力通常不同，即颗粒的粘附力分布。接近真实干冰喷射的应用，具有尺寸的细颗粒的去除过程分发是值得调查的。本章研究的目的是澄清颗粒去除过程通过施加冲击干冰喷射来分散多分散粉末颗粒。 覆盖基材用粉末颗粒进行研究，以及颗粒的时间进程考虑去除效率。 分析实验结果用理论模型。 另外，根据喷射温度的结果影响干冰颗粒的状态，在第4章中提到，之间的关系应该讨论颗粒去除效率和喷射温度。 此外，由干冰冲击和去除频率引起的颗粒去除区域是通过原位观察去除过程评估。 基于实验结果，提出了一个系统参数来确定最佳射流有效去除颗粒的速率。

5.2材料和方法

作为用于可视化表面清洁的初步实验，黑色树脂（合成丙烯酸树脂）溶解在有机液体中，垂直喷洒在测试板上（76×26mm; 1mm厚的透明玻璃）。 干冰喷射实验之前进行到测试板上，将树脂在室温下干燥1500秒直到它形成一个固体电影。 该膜的平均厚度为45μm。为了去除颗粒，将粉末颗粒分散并沉积在测试上盘子; 随后，进行了实验以从颗粒中去除颗粒通过干冰喷射表面。 为了观察去除过程，盖上测试板具有大量的粉末颗粒。

5.2.1颗粒污染物的沉积

图5.1显示了实验装置的沉积原理图粉末颗粒。 将测试板放置在圆柱形容器中的金属网上。质量中值直径为3μm的球形氧化铝颗粒和几何形状1.4的标准偏差使用喷射器分散1秒。 控制气流在容器中引入二次空气。 沉积在颗粒上的颗粒量测试板由气流条件控制。

5.2.2去除颗粒污染物

图5.2显示了实验装置去除的示意图通过干冰喷射从试验板表面产生粉末颗粒。干冰喷射是通过扩大高纯度液态二氧化碳产生。一种柔软的软管不锈钢 - 长2米，内径15毫米 - 连接到a高压二氧化碳气瓶。在软管的末端，有一个针阀以便调整干冰喷射的流量。压力表也是安装在针型阀的入口处，以测量内部压力液态二氧化碳。实验中测得的压力约为5.5兆帕。为了减少环境和设备之间的热量传递，柔性软管和针形阀是绝热的。此外，为了产生凝聚的干冰颗粒，将内径为6mm的50mm长的丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯（ABS）管直径安装在针阀的末端。凝聚的干冰颗粒用二氧化碳气体从管中排出，被导向测试板。干冰射流相对于表面的入射角为π/ 4弧度，从管的前端到测试板的距离在轴向上为20mm。

图5.1测试板的制备。

图5.2实验装置。

为了测量冲击干冰喷射的温度，温度传感器是安装在停滞点附近。 从中观察到颗粒去除过程使用高速显微镜照相机（Fastcam-Max，Photron有限公司）。 实验中的帧频是250或500 fps。 所有的实验都是在20±2oC下进行，相对湿度控制在20-40％以避免

由液桥力引起的干扰。

5.2.3分析方法

为了定量分析颗粒去除过程，颗粒去除效率，去除面积和去除频率从图像获取的图像获得高速显微镜相机。 颗粒去除效率由两个确定方法 - 数字计算残留在表面上的颗粒数量测量图像亮度。 后一种方法用于数字的情况例如，当表面完全覆盖时，计数很困难粉末颗粒。 由干冰影响造成的清除面积是由干冰决定的当量圆直径。 去除频率由变化确定在2ms的间隔内的去除效率。

5.3结果和讨论

5.3.1可视化干冰喷射引起的颗粒冲击

正如第4章所提到的，干冰粒子的冲击效应主导着冰粒去除效率。因此，直接观察粒子对粒子的影响是有意义的表面清洁。为了使表面清洁可视化，在测试上涂布黑色树脂膜

通过喷雾并干燥该溶液进行板式;然后进行表面清洁实验。入射角为π/ 4弧度，并且距离顶点的距离管向板的轴向方向为20mm。要去除黑色树脂薄膜，a需要更高的流速;因此，内径为4mm的窄的ABS管是用过的。虽然空气喷射不能去除树脂膜，干冰喷射完成了删除。图5.3显示了一系列显微图像间隔40毫秒。观测点距离大约1毫米沿流动方向的冲击点。由于树脂膜冷却的缘故干冰喷射，薄膜中发生脆性断裂。树脂膜破裂成小通过干冰颗粒的影响将碎片和每个碎片从中除去碟子。这种颗粒冲击现象也会发生在颗粒去除方面尽管去除机制不同于薄膜污染物。

5.3.2颗粒去除效率

图5.4显示了干冰期间测试板上的颗粒的显微照片爆破。 当射流流量为1.4 g / s时，大部分颗粒仍留在喷嘴上表面约8秒后，实验开始，然后几乎在0.2秒内完全去除（图5.4a）。 当流量为4.92克/秒时，20％在前3秒中除去颗粒，并除去剩余的颗粒在0.05s内（图5.4b）。 这些微观观察表明快速颗粒去除开始时延随着流速增加而减小。 干冰大约8秒和3秒后，可以肉眼观察从管中喷出的颗粒对于1.4g / s和4.92g / s的射流流速。 快速的颗粒去除是可能是由可见的干冰颗粒引起的。

图5.5显示了颗粒去除效率的时间过程作为参数射流流量。 这些结果是在对数字进行数字计数后获得的颗粒留在表面上。 当射流流量超过2.2 g / s时，去除效率随着时间的推移逐渐增加，并在一段时间后迅速增加超过一定的时间。 此外，最大的去除效率增加，而达到最大去除效率所需的时间随着射流流量增加而减小; 这是因为分离力作用于附着在颗粒上的颗粒测试板随质量流量增加。 图5.5也显示了删除过程包括两个阶段 - 阶段I用于缓慢颗粒去除和阶段II用于快速颗粒去除。

图5.3干冰喷射冲击效应的可视化。

图5.4干冰喷射颗粒去除的显微照片（帧速率：250fps）。

图5.5颗粒去除效率的时间过程。

5.3.3慢速清除阶段的理论分析

当分离力克服颗粒之间的粘附力时，表面，颗粒将从表面移除。 事实上，它的粘附力每个颗粒不是恒定的，因此，颗粒去除效率取决于粘附力分布。 值得注意的是由干燥引起的分离力冰喷射具有时间和特殊的变化。 此外，颗粒去除通量与可去除颗粒的数密度成正比; 因此，粒子

去除通量可以表示如下（等式5.1）：其中N是粘附到表面的颗粒的总数密度; Nu，号码粘附力大于分离的不可移动颗粒的密度力; 吨，经过的时间; τ是时间常数。 方程的解析解（5.1）在t = 0时的初始条件N = N0由下式给出

颗粒去除效率R =（N0-N）/ N0表示为其中Rmax（I）=（N0-Nu）/ N0，即在慢速除去时的最大去除效率阶段。图5.6显示了使用公式计算的实验和理论结果。（5.3）对于对应条件下的慢速除去阶段的去除效率N0> Nu。 由于实验结果与理论结果一致，去除效率可以通过两个参数 - 最大去除来表征效率Rmax（I）和时间常数τ--随射流流量而变化。图5.7显示了两个参数与射流流量的函数关系。 估计Rmax（I）随射流流量增加而增加，而τ减小。 这些变化可以通过分离强度随射流流量增加而解释。

5.3.4干冰喷射的温度依赖性

图5.8显示了干冰喷射温度的时间曲线作为参数射流流量。有两个不同的温度降低阶段 - 缓慢从室温到-10℃的低温还原阶段和快速温度减少阶段从-10到-70°C。第二次干冰喷射变白降温阶段;这表明许多凝聚的干冰颗粒是产生并排出。第4章已经提到了类似的现象。此外，在更高的流量下，由于大量的液体，温度迅速下降二氧化碳膨胀，并且射流在ABS管中被有效地冷却。因此，干冰颗粒在更高的流速下更快地生成，随后颗粒的聚集增强。温度的影响干冰喷射对颗粒去除效率的影响见图5.9。

图5.6颗粒去除效率的理论估算。

当飞机温度在从室温到-70℃的范围内，去除颗粒效率约为20％或更低。此外，当温度达到时大约-70°C，颗粒去除效率迅速增加。即使温度不会达到大约-70 oC，小的一级干冰颗粒可以产生的。但是，强烈粘附在表面的污染颗粒不能被小的一级干冰颗粒的冲击所去除。当射流温度达到约-70°C时，会产生许多干冰粒子聚集体它们可以与污染物颗粒碰撞;因此，大部分的粒子由于干冰附聚物的冲击，附着在表面上的物质被除去粒子。以这种方式，颗粒去除过程的两个阶段 - 缓慢和迅速颗粒去除阶段 - 可以通过喷射温度的变化很好地解释。

图5.7拟合参数Rmax（I）和τ的公式（5.3）。

图5.8干冰喷射的温度时间过程。

图5.9颗粒去除效率和射流温度。

5.3.5快速清除阶段的拆除面积和频率

大多数污染物颗粒在快速移除阶段被除去，因此，团聚物的影响对于颗粒去除非常重要。在这个小节中，由干冰颗粒团聚体撞击造成的清除区域去除频率进行了详细讨论。图5.10显示了覆盖的测试板的一系列显微图像粉末颗粒在快速移除阶段。三个典型的图像拍摄于使用高速显微镜相机2毫秒的间隔。在这些图像中，干冰射流从左到右以π/ 4弧度的角度流向表面。粉末测试板上的颗粒显示为白色，而测试板表面具有黑色出现。此外，从颗粒中除去颗粒后出现黑点表面受干冰颗粒团聚的影响。图像显示的是随着时间的推移，黑点的数量增加。由于干冰团聚颗粒以一定的角度与表面相碰撞，黑点的形状趋于倾斜是椭圆形的。在快速移除阶段，大部分的等效圆直径黑点小于几百微米。此外，质量中位数污染物颗粒的直径为3μm;因此，许多颗粒可以被去除在影响。图5.11显示了去除的当量圆直径的分布区。 这些结果是从在低射流流量下进行的实验获得的，例如1.4和2.2 g / s，其中每个清除区域可以被区分。 中位数在1.4和2.2g / s的射流流速下分布的值为40和25μm，或者换句话说，随着射流流量增加，去除面积减小。

图5.10干冰冲击下微粒去除颗粒图快速移除阶段（帧速率：500 fps）。

图5.11去除面积的累计分布快速清除阶段。

这些结果与较小的团聚体碰撞的事实是一致的表面流速更高。定量分析干冰的粒径以较低的射流流速测量颗粒，以1.4g / s观察干冰喷射由高速显微镜相机也是如此。颗粒的直径发现凝聚干冰的当量圆直径约为15μm，其中a从压焓获得的固体与气体质量流量比为0.43液态二氧化碳绝热膨胀过程下二氧化碳排放图。根据结果，团聚干冰的粒径小于等量观察到除去区域的圆直径，表明团块变形并在冲击角度撞击表面时移动。高速摄像机的显微镜观察也可以清除频率。当射流流量为1.4和2.2 g / s时，清除频率为940和6780 Hz / mm2。去除频率可以通过增加增加干冰颗粒附聚物的浓度和速度;该因此去除频率随射流流量而增加。由于颗粒去除效率取决于去除面积和频率，这些因素的产品应考虑用于评估颗粒去除。 在喷射流速为2.2时，除去面积比为0.39（=（25/40）2）到1.4g / s，而在相同条件下频率比为7.2（= 6780/940）。因此，射流流量对去除区域的影响与之相反去除频率。 以这种方式，实验结果表明，自从去除频率对颗粒去除的影响更显着，喷流更高速率对于去除颗粒更有效。

5.3.6干冰喷射颗粒去除的评估

条件下快速除去阶段的颗粒去除频率更高的射流流量太高，无法分析每个颗粒的去除，即使使用a高速微型摄像头。 因此，我们测量了图像和亮度在每个快速移除阶段分析归一化颗粒去除效率RII从0到1。图5.12显示了归一化颗粒去除效率RII的时间过程在快速移除阶段作为射流流量的参数。 RII随之增加经过的时间，而达到RII = 1所需的去除时间随射流而减小利率上涨。 当射流流量高于3.3 g / s时，去除时间较短超过0.02秒。为了定量评估使用干冰喷射器的颗粒去除系统，我们提议

系统参数η定义如下：

其中R'II50是RII相对于中值的时间的导数，w是喷射流量。 该参数表示考虑去除率的影响的二氧化碳消耗量。 因此，高值是优选的，因为大量的附着在表面上的颗粒可以用较少的二氧化碳消耗来去除。图5.13显示了这个系统参数η和射流之间的关系率。 η随喷流量而变化，喷射后其值急剧增大流量超过; 然而，在较高的射流流量下，增加是有限的。 因此，过度增加射流流量是无效的。 此外，这种关系可以用于确定干冰喷射的最佳射流流量。

图5.12快速清除阶段的标准化颗粒去除效率。

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图5.13去除过程的影响效率。

5.4结论

在这项研究中，我们已经研究了粘附细颗粒的去除过程测试板使用冲击干冰喷射器。此外，通过进行定量分析作为时间的函数的颗粒去除效率的变化以及颗粒的变化干冰射流的温度，颗粒去除过程的关键因素分析。该研究的结论可概括如下：

（1）干冰喷射的冲击效应可以通过去除a覆盖表面的树脂膜。树脂膜破碎成小碎片并且是然后删除。这种现象也会在颗粒去除过程中发生，即使颗粒去除机制与薄膜不同污染物。

（2）颗粒去除过程由两个阶段组成 - 慢速去除阶段和快速阶段清除阶段 - 这与干冰喷射的温度变化有关。

（3）缓慢移除阶段发生在室温至-70℃，而迅速去除阶段发生在大约-70℃;在这个温度下，很多产生干冰颗粒附聚物并与污染物碰撞粒子。

（4）慢速除去阶段的颗粒去除效率可以用a来解释具有两个参数的理论方程。

（5）快速去除表面上的大部分污染物颗粒阶段; 这里，关键因素是由于团聚物的影响而产生的去除区域的干冰颗粒和去除频率。 而且，作为喷射流量增加，去除面积减小，但去除频率增加。 为了去除颗粒，去除频率比去除区域更重要。因此，较高的射流流量对去除颗粒更有效。

（6）系统参数，定义为颗粒去除率与喷流的比率率可以用来定量评估颗粒去除和确定干冰喷射的最佳射流流量。

第6章

结论

本文对扩大液态CO2产生的干冰射流进行了广泛的研究，通过原位观察和测量进行调查。 中的干冰颗粒喷流特别集中，研究课题主要分为对粒子生产凝聚和在干冰喷射流中的升华，这些将在本章讨论2和3; 和ii）颗粒去除的应用，其中颗粒冲击效应，去除机理和最佳流动条件进行了详细的研究总结在第四章和第五章中。与其他颗粒不同，干冰颗粒的状态，如粒度和浓度，对环境温度相当敏感;因此，就状态而言考虑了射流温度的影响干冰射流的变化及其相应的微粒去除效率坚持表面。在第2章中，干冰粒子流经管道的附聚过程通过原位显微镜观察来分析腔室。与之相比从膨胀喷嘴出口喷出的干冰粒不能干冰粒子目视观察，凝聚后的干冰颗粒可以清楚地观察到后初级颗粒通过附加的管室。两个阶段的温度发现在射流中发生的减少对应于附聚过程。管的尺寸对颗粒的大小，形状以及速度都有很大的影响干冰颗粒。为了解释聚集过程，大量的碰撞由于有限的停留时间，难以获得一次颗粒。在另一方面，在干冰中观察到几微米的初级颗粒沉积层在板的表面上，表明凝聚物观察到的管出口是从管腔内的沉积层重新排出的那些。根据观察结果，颗粒沉积和再夹带，会主宰干冰颗粒的团聚过程。在第3章中，基于激光衍射方法的原位尺寸测量是用于分析射流中干冰颗粒的尺寸分布和数量。测量结果表明，膨胀产生的主要干冰颗粒液态CO2约为1μm，分布近似对数正态分布。配置文件的粒度分布随着流动距离而变化，这意味着主要的干冰颗粒在喷流中仍然保持生长或凝聚，而其中的一些由于远距离流动的升华效应而开始收缩，其中a双峰分布可以得到。 a后粒径增加至约100μm将管室安装到膨胀喷嘴，显示初级颗粒有效地在管腔中聚集。一个简单的粒子间评估管中的碰撞表明大部分初级颗粒不能因聚集而聚集在管内的短滞留时间内与碰撞机构连接。质量中位数随着流速的增加，直径趋于减小，表现出分离作用在沉积层上的力随着流速增加而减小因此团聚体可以重新训练。这一结果与主导地位非常吻合的粒子沉积理论和reentrainment在附聚过程。在此外，作为径向函数的粒度和量的分布是与流动距离一起获得，为有效提供信息工作距离。在第四章中，干冰喷射作为一种干洗方法，并且在不断增加兴趣，应用于去除附着在表面上的单体化微粒。通过原位显微镜研究颗粒冲击的影响观察和理论讨论。美光或亚微米微粒，其中不能被空气喷射器除去，几乎被干冰喷射器除去，表明了这一点通过干冰喷射除去颗粒的有效性归因于颗粒的碰撞干冰颗粒与污染物。粒子时间过程的概况除去效率在微粒的直径上不同，主要可以分开通过将这些结果链接到高温（-10°C）和低温（-70°C）温度区域喷射温度分布。在低喷射温度条件下亚微米颗粒的高去除率证实了团聚干冰颗粒的影响。此外，应用了基于力矩平衡理论的粒子去除模型对干冰喷射系统和理论计算结果进行了验证支配干冰颗粒的冲击效应。第5章扩大了干冰喷射对去除单粒子的作用粒子。研究了不同尺寸的微粒的去除过程颗粒去除效率，喷射温度效应，颗粒去除面积和去除频率。根据两个阶段 - 缓慢移除阶段和快速移除阶段增加颗粒去除效率，两个去除机制可以确保在颗粒去除过程中被发现与变化有关喷射温度。慢速清除阶段的现象可以用a来解释理论方程考虑去除附着力小的微粒在一个分布中，快速移除阶段偏离理论。迅速由于射流温度约为-70°C而发生的清除阶段，凝聚的干冰颗粒的效果影响。在这个去除阶段，粒子发现细颗粒的清除频率比清洗颗粒更显着清除面积由颗粒撞击引起。另外，考虑一个系统参数可以应用颗粒去除面积，频率和射流流量来优化颗粒去除。这项研究工作提供了对动态分析的有用见解干冰颗粒在射流中的生产过程和颗粒去除过程通过撞击干冰喷射。 干冰的颗粒大小和数量随射流而变化温度，流速和流动距离; 因此，一个设备设计产生干冰射流，例如膨胀喷嘴和管室，应该是关注上述参数。 对于从表面去除颗粒，造成的影响与流动阻力相比，由流动的干冰颗粒占优势。 因此，应该适当控制干冰喷射的条件。 此外，动态应该使用干冰喷射中的表面清洁分析来确定最佳的操作条件。在工业清洗过程中使用干冰颗粒时，需要进行清除效率受环境条件影响，如温度和温度相对湿度。 此外，设备中使用的墙体材料值得研究;干冰颗粒和墙面之间的相互作用将随着墙壁而变化材料。工业过程中二氧化碳的减少和再循环正在成为一种趋势防止温室问题的迫切问题。 由于干冰喷射能够许多需要高洁净度的工业应用，以及干燥的有效使用冰喷射被认为可以满足温室气体减排日益增长的需求。 在特别是开发有效的二氧化碳循环系统以稳定提供干冰喷射是必要的。