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冰射流中的冰粒制备技术

文章编号:0253-9993(2009)01-0129-04冰射流中的冰粒制备技术李德玉,段雄(中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221008)摘要:在对冰的物理属性及其力学特性进行完整探讨的基础上,对冰射流中所使用冰粒的温度提出维持在-30℃以下的要求.通过球状液滴冻结过程的传热分析,得出影响结冰时间的主要因素有低温环境温度、液滴表面对流换热系数及液滴直径.依据热量传递的守恒性获得液滴结冰时间的理论计算表达式,该式表明,结冰时间与液滴粒径的平方成正比.基于以上理论分析所得结论,设计出合理的冰粒制备装置以制取冰射流中所需要的冰粒.实验表明,常温水在预冷器中被预冷至0℃,通过该实验装置可以连续稳定的制取出-71℃以下、平均粒径为100μm的低温微细冰粒.关键词:冰射流;冰粒制备;液滴;结冰时间;低温;预冷中图分类号:TD421159文献标识码:AStudyonthetechnologyoficeparticlemakingforicejetLIDe2yu,DUANXiong(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221008,China)Abstract:Basedonthein2depthanalysisofthephysicalpropertiesandmechanicalperformanceoficeparticle,thepropertemperatureoficeparticlesforicejetprocessshouldmaintainbelow-30℃.Accordingtotheheattransferanalysisofthesolidificationofasphericaldroplet,thekeyfactorsinfluencingfreezingtimeincludedcryo2genictemperature,convectiveheattransfercoefficientanddiameterofthedroplet.Consideringtheconservationofheattransfer,theexpressionforfreezingtimewasobtained.Itshowsthatthefreezingtimeisdirectlyproportionaltothesquareofthedropletdiameter.Byreferencetotheanalyticalresults,areasonablelaboratory2scaleapparatuscanbedesignedtoproduceiceparticlesneededinicejet.Experimentresultsshowthat-71℃cryogenicfineiceparticlesof100μmdiametercanbemadefromthe0℃pre2cooledwaterdropletscontinuouslyandsteadilybyuseofthisapparatus.Keywords:icejet;iceparticlemaking;waterdroplets;freezingtime;cryogenictemperature;pre2cooled冰射流技术的研究早在20世纪80年代就已开始,相比于传统的磨料水射流,该技术所具有的“三无”(无磨料废弃物、无加工残留物及对清洗基体表面无力学损伤[1])特点,使其被誉为环境友好的“绿色”加工方法.在半导体感光材料的表面清洗、核反应废料的处理和表面脱漆、除锈以及生物医药等行业中,都有着广泛的应用.然而,由于冰粒不同于普通的磨料颗粒,即冰粒只能在特定的温度条件下稳定存在,所以,冰粒的快速、稳定和连续的制取就构成了冰射流技术的关键.冰粒的制取主要有3种方法:①大冰块物理破碎法,如Galecki和Vickers通过冰块破碎的方法制取收稿日期:2008-02-16责任编辑:许书阁基金项目:教育部科学技术研究重点资助项目(03026)作者简介:李德玉(1976—),男,江苏徐州人,讲师,博士研究生.Tel:0516E-mail:lideyu1979@1631com煤炭学报1302009年第34卷出直径为3mm的冰粒,E.Geskin借助麻花钻的机械结构稳定连续地制取出直径小于3mm的冰粒;②真空速冷法,如YoonPyoLee使用真空速冷的原理制取出直径小于500μm的小冰粒[2];③制冷剂直接接触冷冻法,如MasuoTadaYao依靠液氮与雾化后的水滴直接接触冷却方式制取微小冰粒[3].以上制取实例中,主

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