第5章 沖擊干冰噴射應(yīng)用 5.1介紹 正如第四章所討論的那樣，干冰噴射已經(jīng)顯示出良好的性能去除單體化微粒。干冰影響的影響相對較大比去除過程中的空氣動力阻力要大。根據(jù)實驗結(jié)果，在噴射干冰的早期階段，可以去除較大的顆粒溫度仍然在-10°C左右。這表明具有小粘合劑的細(xì)顆粒力量將主要通過空氣動力或沖擊力去除小慣性的干冰粒子。換句話說，干冰造成的沖擊力大慣性的顆粒對于去除其粘合劑的細(xì)顆粒是必需的力量很大。這兩種粒子去除現(xiàn)象將以真實的方式發(fā)生因為細(xì)顆粒的粘合力通常不同，即顆粒的粘附力分布。接近真實干冰噴射的應(yīng)用，具有尺寸的細(xì)顆粒的去除過程分發(fā)是值得調(diào)查的。本章研究的目的是澄清顆粒去除過程通過施加沖擊干冰噴射來分散多分散粉末顆粒。 覆蓋基材用粉末顆粒進(jìn)行研究，以及顆粒的時間進(jìn)程考慮去除效率。 分析實驗結(jié)果用理論模型。 另外，根據(jù)噴射溫度的結(jié)果影響干冰顆粒的狀態(tài)，在第4章中提到，之間的關(guān)系應(yīng)該討論顆粒去除效率和噴射溫度。 此外，由干冰沖擊和去除頻率引起的顆粒去除區(qū)域是通過原位觀察去除過程評估。 基于實驗結(jié)果，提出了一個系統(tǒng)參數(shù)來確定最佳射流有效去除顆粒的速率。 5.2材料和方法 作為用于可視化表面清潔的初步實驗，黑色樹脂（合成丙烯酸樹脂）溶解在有機液體中，垂直噴灑在測試板上（76×26mm; 1mm厚的透明玻璃）。 干冰噴射實驗之前進(jìn)行到測試板上，將樹脂在室溫下干燥1500秒直到它形成一個固體電影。 該膜的平均厚度為45μm。為了去除顆粒，將粉末顆粒分散并沉積在測試上盤子; 隨后，進(jìn)行了實驗以從顆粒中去除顆粒通過干冰噴射表面。 為了觀察去除過程，蓋上測試板具有大量的粉末顆粒。 5.2.1顆粒污染物的沉積 圖5.1顯示了實驗裝置的沉積原理圖粉末顆粒。 將測試板放置在圓柱形容器中的金屬網(wǎng)上。質(zhì)量中值直徑為3μm的球形氧化鋁顆粒和幾何形狀1.4的標(biāo)準(zhǔn)偏差使用噴射器分散1秒。 控制氣流在容器中引入二次空氣。 沉積在顆粒上的顆粒量測試板由氣流條件控制。 5.2.2去除顆粒污染物 圖5.2顯示了實驗裝置去除的示意圖通過干冰噴射從試驗板表面產(chǎn)生粉末顆粒。干冰噴射是通過擴大高純度液態(tài)二氧化碳產(chǎn)生。一種柔軟的軟管不銹鋼 - 長2米，內(nèi)徑15毫米 - 連接到a高壓二氧化碳?xì)馄�。在軟管的末端，有一個針閥以便調(diào)整干冰噴射的流量。壓力表也是安裝在針型閥的入口處，以測量內(nèi)部壓力液態(tài)二氧化碳。實驗中測得的壓力約為5.5兆帕。為了減少環(huán)境和設(shè)備之間的熱量傳遞，柔性軟管和針形閥是絕熱的。此外，為了產(chǎn)生凝聚的干冰顆粒，將內(nèi)徑為6mm的50mm長的丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯（ABS）管直徑安裝在針閥的末端。凝聚的干冰顆粒用二氧化碳?xì)怏w從管中排出，被導(dǎo)向測試板。干冰射流相對于表面的入射角為π/ 4弧度，從管的前端到測試板的距離在軸向上為20mm。 
圖5.1測試板的制備。 
圖5.2實驗裝置。 為了測量沖擊干冰噴射的溫度，溫度傳感器是安裝在停滯點附近。 從中觀察到顆粒去除過程使用高速顯微鏡照相機（Fastcam-Max，Photron有限公司）。 實驗中的幀頻是250或500 fps。 所有的實驗都是在20±2oC下進(jìn)行，相對濕度控制在20-40％以避免 由液橋力引起的干擾。 5.2.3分析方法 為了定量分析顆粒去除過程，顆粒去除效率，去除面積和去除頻率從圖像獲取的圖像獲得高速顯微鏡相機。 顆粒去除效率由兩個確定方法 - 數(shù)字計算殘留在表面上的顆粒數(shù)量測量圖像亮度。 后一種方法用于數(shù)字的情況例如，當(dāng)表面完全覆蓋時，計數(shù)很困難粉末顆粒。 由干冰影響造成的清除面積是由干冰決定的當(dāng)量圓直徑。 去除頻率由變化確定在2ms的間隔內(nèi)的去除效率。 5.3結(jié)果和討論 5.3.1可視化干冰噴射引起的顆粒沖擊 正如第4章所提到的，干冰粒子的沖擊效應(yīng)主導(dǎo)著冰粒去除效率。因此，直接觀察粒子對粒子的影響是有意義的表面清潔。為了使表面清潔可視化，在測試上涂布黑色樹脂膜 通過噴霧并干燥該溶液進(jìn)行板式;然后進(jìn)行表面清潔實驗。入射角為π/ 4弧度，并且距離頂點的距離管向板的軸向方向為20mm。要去除黑色樹脂薄膜，a需要更高的流速;因此，內(nèi)徑為4mm的窄的ABS管是用過的。雖然空氣噴射不能去除樹脂膜，干冰噴射完成了刪除。圖5.3顯示了一系列顯微圖像間隔40毫秒。觀測點距離大約1毫米沿流動方向的沖擊點。由于樹脂膜冷卻的緣故干冰噴射，薄膜中發(fā)生脆性斷裂。樹脂膜破裂成小通過干冰顆粒的影響將碎片和每個碎片從中除去碟子。這種顆粒沖擊現(xiàn)象也會發(fā)生在顆粒去除方面盡管去除機制不同于薄膜污染物。 5.3.2顆粒去除效率 圖5.4顯示了干冰期間測試板上的顆粒的顯微照片爆破。 當(dāng)射流流量為1.4 g / s時，大部分顆粒仍留在噴嘴上表面約8秒后，實驗開始，然后幾乎在0.2秒內(nèi)完全去除（圖5.4a）。 當(dāng)流量為4.92克/秒時，20％在前3秒中除去顆粒，并除去剩余的顆粒在0.05s內(nèi)（圖5.4b）。 這些微觀觀察表明快速顆粒去除開始時延隨著流速增加而減小。 干冰大約8秒和3秒后，可以肉眼觀察從管中噴出的顆粒對于1.4g / s和4.92g / s的射流流速。 快速的顆粒去除是可能是由可見的干冰顆粒引起的。 圖5.5顯示了顆粒去除效率的時間過程作為參數(shù)射流流量。 這些結(jié)果是在對數(shù)字進(jìn)行數(shù)字計數(shù)后獲得的顆粒留在表面上。 當(dāng)射流流量超過2.2 g / s時，去除效率隨著時間的推移逐漸增加，并在一段時間后迅速增加超過一定的時間。 此外，最大的去除效率增加，而達(dá)到最大去除效率所需的時間隨著射流流量增加而減小; 這是因為分離力作用于附著在顆粒上的顆粒測試板隨質(zhì)量流量增加。 圖5.5也顯示了刪除過程包括兩個階段 - 階段I用于緩慢顆粒去除和階段II用于快速顆粒去除。 
圖5.3干冰噴射沖擊效應(yīng)的可視化。 
圖5.4干冰噴射顆粒去除的顯微照片（幀速率：250fps）。 
圖5.5顆粒去除效率的時間過程。 5.3.3慢速清除階段的理論分析 當(dāng)分離力克服顆粒之間的粘附力時，表面，顆粒將從表面移除。 事實上，它的粘附力每個顆粒不是恒定的，因此，顆粒去除效率取決于粘附力分布。 值得注意的是由干燥引起的分離力冰噴射具有時間和特殊的變化。 此外，顆粒去除通量與可去除顆粒的數(shù)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是粘附到表面的顆粒的總數(shù)密度; Nu，號碼粘附力大于分離的不可移動顆粒的密度力; 噸，經(jīng)過的時間; τ是時間常數(shù)。 方程的解析解（5.1）在t = 0時的初始條件N = N0由下式給出 顆粒去除效率R =（N0-N）/ N0表示為 其中Rmax（I）=（N0-Nu）/ N0，即在慢速除去時的最大去除效率階段。圖5.6顯示了使用公式計算的實驗和理論結(jié)果。（5.3）對于對應(yīng)條件下的慢速除去階段的去除效率N0> Nu。 由于實驗結(jié)果與理論結(jié)果一致，去除效率可以通過兩個參數(shù) - 最大去除來表征效率Rmax（I）和時間常數(shù)τ--隨射流流量而變化。圖5.7顯示了兩個參數(shù)與射流流量的函數(shù)關(guān)系。 估計Rmax（I）隨射流流量增加而增加，而τ減小。 這些變化可以通過分離強度隨射流流量增加而解釋。 5.3.4干冰噴射的溫度依賴性 圖5.8顯示了干冰噴射溫度的時間曲線作為參數(shù)射流流量。有兩個不同的溫度降低階段 - 緩慢從室溫到-10℃的低溫還原階段和快速溫度減少階段從-10到-70°C。第二次干冰噴射變白降溫階段;這表明許多凝聚的干冰顆粒是產(chǎn)生并排出。第4章已經(jīng)提到了類似的現(xiàn)象。此外，在更高的流量下，由于大量的液體，溫度迅速下降二氧化碳膨脹，并且射流在ABS管中被有效地冷卻。因此，干冰顆粒在更高的流速下更快地生成，隨后顆粒的聚集增強。溫度的影響干冰噴射對顆粒去除效率的影響見圖5.9。 
圖5.6顆粒去除效率的理論估算。 當(dāng)飛機溫度在從室溫到-70℃的范圍內(nèi)，去除顆粒效率約為20％或更低。此外，當(dāng)溫度達(dá)到時大約-70°C，顆粒去除效率迅速增加。即使溫度不會達(dá)到大約-70 oC，小的一級干冰顆�？梢援a(chǎn)生的。但是，強烈粘附在表面的污染顆粒不能被小的一級干冰顆粒的沖擊所去除。當(dāng)射流溫度達(dá)到約-70°C時，會產(chǎn)生許多干冰粒子聚集體它們可以與污染物顆粒碰撞;因此，大部分的粒子由于干冰附聚物的沖擊，附著在表面上的物質(zhì)被除去粒子。以這種方式，顆粒去除過程的兩個階段 - 緩慢和迅速顆粒去除階段 - 可以通過噴射溫度的變化很好地解釋。 
圖5.7擬合參數(shù)Rmax（I）和τ的公式（5.3）。 
圖5.8干冰噴射的溫度時間過程。 
圖5.9顆粒去除效率和射流溫度。 5.3.5快速清除階段的拆除面積和頻率 大多數(shù)污染物顆粒在快速移除階段被除去，因此，團聚物的影響對于顆粒去除非常重要。在這個小節(jié)中，由干冰顆粒團聚體撞擊造成的清除區(qū)域去除頻率進(jìn)行了詳細(xì)討論。圖5.10顯示了覆蓋的測試板的一系列顯微圖像粉末顆粒在快速移除階段。三個典型的圖像拍攝于使用高速顯微鏡相機2毫秒的間隔。在這些圖像中，干冰射流從左到右以π/ 4弧度的角度流向表面。粉末測試板上的顆粒顯示為白色，而測試板表面具有黑色出現(xiàn)。此外，從顆粒中除去顆粒后出現(xiàn)黑點表面受干冰顆粒團聚的影響。圖像顯示的是隨著時間的推移，黑點的數(shù)量增加。由于干冰團聚顆粒以一定的角度與表面相碰撞，黑點的形狀趨于傾斜是橢圓形的。在快速移除階段，大部分的等效圓直徑黑點小于幾百微米。此外，質(zhì)量中位數(shù)污染物顆粒的直徑為3μm;因此，許多顆�？梢员蝗コ谟绊�。圖5.11顯示了去除的當(dāng)量圓直徑的分布區(qū)。 這些結(jié)果是從在低射流流量下進(jìn)行的實驗獲得的，例如1.4和2.2 g / s，其中每個清除區(qū)域可以被區(qū)分。 中位數(shù)在1.4和2.2g / s的射流流速下分布的值為40和25μm，或者換句話說，隨著射流流量增加，去除面積減小。 
圖5.10干冰沖擊下微粒去除顆粒圖快速移除階段（幀速率：500 fps）。 
圖5.11去除面積的累計分布快速清除階段。 這些結(jié)果與較小的團聚體碰撞的事實是一致的表面流速更高。定量分析干冰的粒徑以較低的射流流速測量顆粒，以1.4g / s觀察干冰噴射由高速顯微鏡相機也是如此。顆粒的直徑發(fā)現(xiàn)凝聚干冰的當(dāng)量圓直徑約為15μm，其中a從壓焓獲得的固體與氣體質(zhì)量流量比為0.43液態(tài)二氧化碳絕熱膨脹過程下二氧化碳排放圖。根據(jù)結(jié)果，團聚干冰的粒徑小于等量觀察到除去區(qū)域的圓直徑，表明團塊變形并在沖擊角度撞擊表面時移動。高速攝像機的顯微鏡觀察也可以清除頻率。當(dāng)射流流量為1.4和2.2 g / s時，清除頻率為940和6780 Hz / mm2。去除頻率可以通過增加增加干冰顆粒附聚物的濃度和速度;該因此去除頻率隨射流流量而增加。由于顆粒去除效率取決于去除面積和頻率，這些因素的產(chǎn)品應(yīng)考慮用于評估顆粒去除。 在噴射流速為2.2時，除去面積比為0.39（=（25/40）2）到1.4g / s，而在相同條件下頻率比為7.2（= 6780/940）。因此，射流流量對去除區(qū)域的影響與之相反去除頻率。 以這種方式，實驗結(jié)果表明，自從去除頻率對顆粒去除的影響更顯著，噴流更高速率對于去除顆粒更有效。 5.3.6干冰噴射顆粒去除的評估 條件下快速除去階段的顆粒去除頻率更高的射流流量太高，無法分析每個顆粒的去除，即使使用a高速微型攝像頭。 因此，我們測量了圖像和亮度在每個快速移除階段分析歸一化顆粒去除效率RII從0到1。圖5.12顯示了歸一化顆粒去除效率RII的時間過程在快速移除階段作為射流流量的參數(shù)。 RII隨之增加經(jīng)過的時間，而達(dá)到RII = 1所需的去除時間隨射流而減小利率上漲。 當(dāng)射流流量高于3.3 g / s時，去除時間較短超過0.02秒。為了定量評估使用干冰噴射器的顆粒去除系統(tǒng)，我們提議 系統(tǒng)參數(shù)η定義如下： 其中R'II50是RII相對于中值的時間的導(dǎo)數(shù)，w是噴射流量。 該參數(shù)表示考慮去除率的影響的二氧化碳消耗量。 因此，高值是優(yōu)選的，因為大量的附著在表面上的顆粒可以用較少的二氧化碳消耗來去除。圖5.13顯示了這個系統(tǒng)參數(shù)η和射流之間的關(guān)系率。 η隨噴流量而變化，噴射后其值急劇增大流量超過; 然而，在較高的射流流量下，增加是有限的。 因此，過度增加射流流量是無效的。 此外，這種關(guān)系可以用于確定干冰噴射的最佳射流流量。 
圖5.12快速清除階段的標(biāo)準(zhǔn)化顆粒去除效率。 v 圖5.13去除過程的影響效率。 5.4結(jié)論 在這項研究中，我們已經(jīng)研究了粘附細(xì)顆粒的去除過程測試板使用沖擊干冰噴射器。此外，通過進(jìn)行定量分析作為時間的函數(shù)的顆粒去除效率的變化以及顆粒的變化干冰射流的溫度，顆粒去除過程的關(guān)鍵因素分析。該研究的結(jié)論可概括如下： （1）干冰噴射的沖擊效應(yīng)可以通過去除a覆蓋表面的樹脂膜。樹脂膜破碎成小碎片并且是然后刪除。這種現(xiàn)象也會在顆粒去除過程中發(fā)生，即使顆粒去除機制與薄膜不同污染物。 （2）顆粒去除過程由兩個階段組成 - 慢速去除階段和快速階段清除階段 - 這與干冰噴射的溫度變化有關(guān)。 （3）緩慢移除階段發(fā)生在室溫至-70℃，而迅速去除階段發(fā)生在大約-70℃;在這個溫度下，很多產(chǎn)生干冰顆粒附聚物并與污染物碰撞粒子。 （4）慢速除去階段的顆粒去除效率可以用a來解釋具有兩個參數(shù)的理論方程。 （5）快速去除表面上的大部分污染物顆粒階段; 這里，關(guān)鍵因素是由于團聚物的影響而產(chǎn)生的去除區(qū)域的干冰顆粒和去除頻率。 而且，作為噴射流量增加，去除面積減小，但去除頻率增加。 為了去除顆粒，去除頻率比去除區(qū)域更重要。因此，較高的射流流量對去除顆粒更有效。 （6）系統(tǒng)參數(shù)，定義為顆粒去除率與噴流的比率率可以用來定量評估顆粒去除和確定干冰噴射的最佳射流流量。 第6章 結(jié)論 本文對擴大液態(tài)CO2產(chǎn)生的干冰射流進(jìn)行了廣泛的研究，通過原位觀察和測量進(jìn)行調(diào)查。 中的干冰顆粒噴流特別集中，研究課題主要分為對粒子生產(chǎn)凝聚和在干冰噴射流中的升華，這些將在本章討論2和3; 和ii）顆粒去除的應(yīng)用，其中顆粒沖擊效應(yīng)，去除機理和最佳流動條件進(jìn)行了詳細(xì)的研究總結(jié)在第四章和第五章中。與其他顆粒不同，干冰顆粒的狀態(tài)，如粒度和濃度，對環(huán)境溫度相當(dāng)敏感;因此，就狀態(tài)而言考慮了射流溫度的影響干冰射流的變化及其相應(yīng)的微粒去除效率堅持表面。在第2章中，干冰粒子流經(jīng)管道的附聚過程通過原位顯微鏡觀察來分析腔室。與之相比從膨脹噴嘴出口噴出的干冰粒不能干冰粒子目視觀察，凝聚后的干冰顆�？梢郧宄赜^察到后初級顆粒通過附加的管室。兩個階段的溫度發(fā)現(xiàn)在射流中發(fā)生的減少對應(yīng)于附聚過程。管的尺寸對顆粒的大小，形狀以及速度都有很大的影響干冰顆粒。為了解釋聚集過程，大量的碰撞由于有限的停留時間，難以獲得一次顆粒。在另一方面，在干冰中觀察到幾微米的初級顆粒沉積層在板的表面上，表明凝聚物觀察到的管出口是從管腔內(nèi)的沉積層重新排出的那些。根據(jù)觀察結(jié)果，顆粒沉積和再夾帶，會主宰干冰顆粒的團聚過程。在第3章中，基于激光衍射方法的原位尺寸測量是用于分析射流中干冰顆粒的尺寸分布和數(shù)量。測量結(jié)果表明，膨脹產(chǎn)生的主要干冰顆粒液態(tài)CO2約為1μm，分布近似對數(shù)正態(tài)分布。配置文件的粒度分布隨著流動距離而變化，這意味著主要的干冰顆粒在噴流中仍然保持生長或凝聚，而其中的一些由于遠(yuǎn)距離流動的升華效應(yīng)而開始收縮，其中a雙峰分布可以得到。 a后粒徑增加至約100μm將管室安裝到膨脹噴嘴，顯示初級顆粒有效地在管腔中聚集。一個簡單的粒子間評估管中的碰撞表明大部分初級顆粒不能因聚集而聚集在管內(nèi)的短滯留時間內(nèi)與碰撞機構(gòu)連接。質(zhì)量中位數(shù)隨著流速的增加，直徑趨于減小，表現(xiàn)出分離作用在沉積層上的力隨著流速增加而減小因此團聚體可以重新訓(xùn)練。這一結(jié)果與主導(dǎo)地位非常吻合的粒子沉積理論和reentrainment在附聚過程。在此外，作為徑向函數(shù)的粒度和量的分布是與流動距離一起獲得，為有效提供信息工作距離。在第四章中，干冰噴射作為一種干洗方法，并且在不斷增加興趣，應(yīng)用于去除附著在表面上的單體化微粒。通過原位顯微鏡研究顆粒沖擊的影響觀察和理論討論。美光或亞微米微粒，其中不能被空氣噴射器除去，幾乎被干冰噴射器除去，表明了這一點通過干冰噴射除去顆粒的有效性歸因于顆粒的碰撞干冰顆粒與污染物。粒子時間過程的概況除去效率在微粒的直徑上不同，主要可以分開通過將這些結(jié)果鏈接到高溫（-10°C）和低溫（-70°C）溫度區(qū)域噴射溫度分布。在低噴射溫度條件下亞微米顆粒的高去除率證實了團聚干冰顆粒的影響。此外，應(yīng)用了基于力矩平衡理論的粒子去除模型對干冰噴射系統(tǒng)和理論計算結(jié)果進(jìn)行了驗證支配干冰顆粒的沖擊效應(yīng)。第5章擴大了干冰噴射對去除單粒子的作用粒子。研究了不同尺寸的微粒的去除過程顆粒去除效率，噴射溫度效應(yīng)，顆粒去除面積和去除頻率。根據(jù)兩個階段 - 緩慢移除階段和快速移除階段增加顆粒去除效率，兩個去除機制可以確保在顆粒去除過程中被發(fā)現(xiàn)與變化有關(guān)噴射溫度。慢速清除階段的現(xiàn)象可以用a來解釋理論方程考慮去除附著力小的微粒在一個分布中，快速移除階段偏離理論。迅速由于射流溫度約為-70°C而發(fā)生的清除階段，凝聚的干冰顆粒的效果影響。在這個去除階段，粒子發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒的清除頻率比清洗顆粒更顯著清除面積由顆粒撞擊引起。另外，考慮一個系統(tǒng)參數(shù)可以應(yīng)用顆粒去除面積，頻率和射流流量來優(yōu)化顆粒去除。這項研究工作提供了對動態(tài)分析的有用見解干冰顆粒在射流中的生產(chǎn)過程和顆粒去除過程通過撞擊干冰噴射。 干冰的顆粒大小和數(shù)量隨射流而變化溫度，流速和流動距離; 因此，一個設(shè)備設(shè)計產(chǎn)生干冰射流，例如膨脹噴嘴和管室，應(yīng)該是關(guān)注上述參數(shù)。 對于從表面去除顆粒，造成的影響與流動阻力相比，由流動的干冰顆粒占優(yōu)勢。 因此，應(yīng)該適當(dāng)控制干冰噴射的條件。 此外，動態(tài)應(yīng)該使用干冰噴射中的表面清潔分析來確定最佳的操作條件。在工業(yè)清洗過程中使用干冰顆粒時，需要進(jìn)行清除效率受環(huán)境條件影響，如溫度和溫度相對濕度。 此外，設(shè)備中使用的墻體材料值得研究;干冰顆粒和墻面之間的相互作用將隨著墻壁而變化材料。工業(yè)過程中二氧化碳的減少和再循環(huán)正在成為一種趨勢防止溫室問題的迫切問題。 由于干冰噴射能夠許多需要高潔凈度的工業(yè)應(yīng)用，以及干燥的有效使用冰噴射被認(rèn)為可以滿足溫室氣體減排日益增長的需求。 在特別是開發(fā)有效的二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)以穩(wěn)定提供干冰噴射是必要的。
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