气泡细化过程中气含率的实验研究

应用压差法测定局部气含率,用膨胀法测定平均气含率.分别讨论了中心和偏心搅拌模式下气体流量、搅拌转速等因素对局部气含率和平均气含率的影响,以及局部气含率沿径向的变化规律.结果表明,中心双向搅拌和偏心单向搅拌均可显著提高气含率,且后者更有效;在筒内壁附近的气含率无论何种搅拌方式均随着气体流量的增大而增大;中心搅拌下的气含率随着径向距离的增大而下降,但偏心搅拌则在不同的位置气含率沿径向的变化表现出不同的变化趋势;平均气含率无论中心和偏心搅拌均随流量增加,但随转速的增加中心搅拌模式下气含率变小而偏心搅拌模式下的则增大.

下沉加热面上气泡微细化沸腾实验研究

为分析加热面相对位置对气泡微细化沸腾(MEB)的影响,对下沉加热面上的过冷沸腾进行了实验研究,并与齐平加热面实验结果进行了对比。25~50K过冷度范围内,在下沉3mm加热面上观察到了MEB现象。在50 K过冷度下,MEB时的热流密度可达5.55 MW/m2。可视化结果表明:在MEB区域,下沉加热面上形成的蒸汽气膜会频繁地膨胀收缩;随过冷度的升高,膨胀收缩的周期增加,而幅值变化较小。此外,相比于齐平加热面条件,下沉加热面周围的壁面可显著限制蒸汽气膜的横向膨胀。

喷嘴结构对铁水脱硫气泡微细化的影响

针对铁水预处理镁蒸气脱硫的气泡微细化问题,本文通过水模型实验,研究了喷嘴结构对气泡在熔池中的分散、CO_2吸收速率和利用率以及均混时间的影响规律.结果表明:使用SSB-D桨,搅拌转速200 r/min,通气流量为1.0 m^3/h,偏心度0.4,浸入深度250 mm时,透气砖结构的喷嘴可以使熔池内的气泡分布"死区"减小,同时缩短了均混时间,提高了镁蒸气的容积传质系数和利用率.

搅拌条件对气泡微细化影响研究

采用水型实验和Image-Pro-Plus6.0专业图像处理系统,研究了搅拌转速、偏心度、气体流量和搅拌桨浸入深度对气泡微细化的影响规律.结果表明:增大搅拌桨浸入深度、加大偏心度和增加搅拌速度对气泡微细化有利;而在搅拌速度增加的同时,减小气体流量,也有利于气泡微细化.

气泡微细化沸腾过程中气泡冷凝破裂现象

为了研究气泡微细化沸腾（MEB）时的气泡动力学行为，利用高速摄像仪（Fastcam SA5）观察15～60 K过冷度范围内，直径10 mm加热面上的沸腾过程。通过引入等效半径，分析核态沸腾、膜态沸腾和MEB区域的气泡行为特征。结果表明：MEB发生时的气泡行为，既不同于核态沸腾，也与膜态沸腾明显不同。在MEB区域，加热面上通常会形成一个大的、不规则气泡，但并不会脱离加热面，而是迅速破碎凝结；而且气泡生命周期相对较小，体积变化速率更快。量纲1分析发现，在MEB区域，随着壁面过热度和热通量的升高，气泡凝缩破裂过程受惯性控制影响程度逐渐增加。

气泡微细化沸腾的沸腾现象与沸腾音特性

发生在过渡沸腾区的微细化沸腾(MEB)以其极高的换热能力日益受到学者们的关注。本文通过傅里叶变换得到了MEB沸腾音的幅度谱,结合MEB实验中获得的壁温和相应的视频数据,对幅度谱进行了分析。结果表明:通过幅度谱上的特征,可以判别加热面上的沸腾模式。在核态沸腾阶段,沸腾现象较微弱,幅度谱波动不明显。在MEB发展阶段,加热面上存在两类沸腾现象,幅度谱以多峰谱为主要特征。当MEB现象显著发生时,幅度谱300–400 Hz范围内会出现一个MEB特征谱峰。该谱峰的形成与气膜生成和破裂周期存在一定关系,过冷度对气膜变化的周期并没有影响。

气泡微细化沸腾传热特性

气泡微细化沸腾(Micro-bubble Emission Boiling,MEB)是一种特殊的过冷沸腾现象,当其发生时加热面的热流密度会远高于临界热流密度(Critical Heat Flux,CHF)。根据采集到的可视化沸腾资料,对MEB的传热机理进行了分析。结果表明,MEB发生时,加热面上不稳定气膜的周期性破裂,破坏了过热液层,导致了良好的气液置换对流换热。考虑MEB的特殊传热过程,对Rohsenow关系式中部分项进行修正,并根据最小二乘法对实验数据进行拟合,得到了适用于10 mm铜加热面上的MEB沸腾关系式,误差不超过±15%,可满足一般的工程计算要求。

气泡微细化沸腾触发温度数值模拟研究

气泡微细化沸腾(MEB)现象具有极高的换热能力,成功工程化应用后将极大提升核电厂中高热负荷设备的安全裕量。本文参照以往研究获得的可视化研究结果,采用Fluent建立相关模型,综合考虑气膜附近Marangoni对流、蒸发冷凝作用以及温度对物性参数的影响,结合数值模拟手段和沸腾不稳定性分析对MEB现象的发生机理进行了研究。结果表明,在不同过冷度下,汽液界面处的蒸汽平均流速随着壁温升高而增大。蒸汽平均流速达到该过冷度下Helmholtz失稳极限速度时对应的壁温与在实验获得的MEB触发壁温十分接近,说明Helmholtz失稳可能是导致MEB现象中气膜发生破裂的原因。

CO_2微细气泡在NaOH溶液中吸收速率研究

以喷气机械搅拌精炼过程为背景,研究了搅拌方式、喷气流量、搅拌转速等因素对气体吸收速率的影响,通过测定NaOH吸收CO2的速率研究气泡微细化过程,探讨了各种因素对容积传质系数和CO2利用率的影响规律.结果表明,中心搅拌情况下传质系数和气体利用率按单向、间歇和双向模式增加;容积传质系数无论在何种搅拌模式下均随着气体流量的增加而增加,但气体利用率则随着气体流量的增加而呈现先减小后增大的趋势;中心单向搅拌模式下容积传质系数和气体利用率均随着搅拌速率的增加而变小.在实验基础上,应用因次分析原理关联了容积传质系数与相关数群的准数方程,为高温实验的气泡微细化了提供科学和实验依据.

氧气底吹造锍过程中气泡行为的水模实验

通过底吹炼铜转炉水模型实验,研究底吹造锍转炉中喷嘴数量、喷嘴角度、喷嘴直径、气流速度等因素对转炉熔池气泡大小、气含率及液面喷溅的影响规律.结果表明:喷嘴直径的增大不利于气泡微细化,且加剧了液面喷溅现象;喷嘴角度的增大有利于减小喷溅,但气含率下降;气流速度的增大有利于气泡微细化,显著提高气含率,但喷溅比较剧烈.与单喷嘴喷吹相比,在总喷气量相同的条件下,双喷嘴喷吹具有明显的优势,两种方法的气泡微细化程度差别不大,但是双喷嘴的喷溅情况明显减弱;双喷嘴夹角44°时能获得最大的气含率,约为9%.

过冷度对蒸汽气泡破碎及微气泡喷射过程的影响

为研究过冷度对蒸汽气泡破碎及微气泡喷射过程的影响,利用高速摄像机记录不同过冷度下过冷池中蒸汽气泡凝结过程。实验结果表明:在低过冷度(ΔTsub=17K)下,蒸汽气泡界面波动发展缓慢,气泡不会破碎,而是逐渐分裂凝结;在高过冷度(40K<ΔTsub<75K)下,蒸汽气泡表面上的波动剧烈发展,随后气泡会突然破碎,并形成大量微气泡;在ΔTsub=30K时,气泡突然破碎前会有小气泡分裂现象发生。40K<ΔTsub<75K时气泡破碎形成的微气泡的直径和速度在量级上与气泡微细化沸腾区域的微气泡接近。随过冷度的升高,微气泡的直径减小,速度增加,且蒸汽气泡破碎前其表面上波动的波数迅速增加,波动的最大幅值先增加后减少。

含不凝性气体的蒸汽气泡凝结过程研究

利用高速摄像仪对高过冷度下含不凝性气体的蒸汽气泡冷凝及破裂过程进行可视化研究，以分析不凝性气体对气泡微细化沸腾（MEB）过程的影响。实验结果表明：初始不凝性气体体积份额 x0小于2.5％时，气泡突然破碎成大量微小气泡；x0在2.5％～7.5％之间时，较大气泡只会分裂成数个小气泡；x0大于7.5％时，气泡界面非常稳定，不会发生破碎和分裂现象。此外，当蒸汽气泡中含有较多不凝性气体时，气泡凝结过程减弱，液体对气泡的惯性冲击减小，气泡不易破裂。由此可表明，在气泡微细化沸腾发生时，不凝性气体的存在会阻碍加热面上气泡的破碎，从而降低传热能力。

微细化沸腾传热实验研究

气泡微细化沸腾是沸腾到达某个临界热负荷后,加热面温度升高不大,与该临界热负荷相比,热流密度大幅提高的沸腾现象。本文在设计完成一可视化实验装置的基础上,通过高速摄影仪观察并结合采集的壁温数据,对常压下直径为10mm铜加热面上的池式气泡微细化沸腾现象进行了研究,并讨论了液体过冷度对其的影响。实验发现,气泡微细化沸腾状态下,加热面上生成1层极其不稳定的气膜,气液交界面上不停地有大量微小气泡生成并以极高速度射入过冷液体中。随加热面热流密度的增大,气膜厚度波动周期缩短,气膜最大厚度减小,所生成微小气泡的直径也明显减小。实验中获得的最高热流密度达9MW/m2。

Mechanical stirring for highly efficient gas injection refining

In gas injection refining processes,wide dispersion of small bubbles in the bath is indispensable for high refining efficiency.Eccentric mechanical stirring with unidirectional impeller rotation was tested using a water model for pursuing better bubble disintegration and dispersion.Effects of various factors on bubble disintegration and dispersion were investigated.These factors were stirring mode,eccentricity and rotation speed,nozzle structure,nozzle immersion depth,and gas flow rate.Gas injection from a nozzle at the end of the impeller shaft and from an immersed lance was studied.Under eccentric stirring,a vortex was formed away from the shaft.Small bubbles were produced in the strong turbulence or high shear stress field near the rotating impeller and moved in the direction to the vortex keeping up with the macroscopic flow induced by the mechanical stirring.Thus small bubbles could disperse widely in the bath under eccentric stirring with unidirectional rotation.

底吹-机械搅拌耦合铁水脱硫的模拟

针对底吹-机械搅拌耦合铁水预处理脱硫的气体与熔体的相互作用过程,利用CFD商业软件Fluent 15.0和物理模拟的方法,针对某钢厂120 t底吹钢包脱硫过程进行实验研究,并从流场、气体体积分布等方面研究了搅拌桨结构、搅拌转速、通气流量、偏心度对铁水包内钢液混合效果的影响.结果表明:使用SSB-D桨,搅拌转速200 r/min,通气流量为1.5 m3/h,偏心度0.4时,熔池内的流场分布得更均匀,镁蒸气气泡在铁水中更加分散和细化,增加了镁蒸气与铁水的气液接触面积,提高了镁蒸气的脱硫效率.

镁蒸气铁水脱硫气液反应过程水模型研究

针对镁蒸气铁水脱硫的气液反应过程,利用物理模拟的方法,通过水模型实验对铁水脱硫气液反应过程进行实验研究.采用高速照相机来获取不同通气模式、通气流量和搅拌桨浸入深度下气泡的分布状态.用NaOH与CO_2的一级反应来模拟镁蒸气脱硫过程中的吸收速率和利用率.结果表明:使用中心底吹模式,通气流量为2. 0 m^3/h,搅拌桨浸入深度为250 mm的条件时,熔池内的气泡细化分散效果很好.气液传质速率和CO_2气泡利用率均有明显提高.

CO_2吸收模型中容积传质系数的确定

气泡微细化是"原位机械搅拌法铁水炉外脱硫技术"的关键.气液传质系数是研究气液吸收过程的基本参数.本文根据相似性原理建立水模型实验装置,并通过测定NaOH吸收CO2的速率来研究气泡微细化过程,同时根据吸收原理定量计算出容积传质系数Ak及CO2气体利用率η.当溶液pH值从12降低到9的过程中,容积传质系数为2.938×10-4 m3/s,本实验所用CO2的利用率的公式可简化为:η=18.98/Qt.本论文的研究结果可为进一步研究吸收速率提供理论依据.

加热面边界条件对MEB形成过程的影响

为研究加热面周围边界条件对气泡微细化沸腾的影响,结合实验与数值模拟对加热面低于水箱底面0.5 mm以及与之齐平两种条件下加热面上气泡行为和气泡周围流场进行对比分析。实验结果表明,50 K过冷度下,加热面齐平时,会发生旺盛的MEB现象,而对于加热面下沉时,微细化沸腾现象不发生。数值分析表明,加热面下沉时,气泡周围Marangoni对流被减弱,且气泡顶部的冷凝被大幅削减。这使得气泡稳定地在加热面上形成并逐渐长大,无法形成微细化沸腾现象。因此,气膜周围的Marangoni对流和气液界面上的冷凝过程可能是导致微细化沸腾发生的主要原因。

加热面边界条件对 MEB 形成过程影响的分析

为研究加热面周围边界条件对气泡微细化沸腾的影响，结合实验与数值模拟对加热面低于水箱底面 0.5 mm 以及与之齐平两种条件下，加热面上气泡行为和气泡周围流场进行对比分析。实验结果表明，50K 过冷度下，加热面齐平时，会发生旺盛的 MEB 现象，而对于加热面下沉时，微细化沸腾现象不发生。数值分析表明，加热面下沉时，气泡周围 Marangoni 对流被减弱，且气泡顶部的冷凝被大幅削减。这使得气泡稳定地在加热面上形成并逐渐长大，无法形成微细化沸腾现象。因此，气膜周围的 Marangoni 对流和气液界面上的冷凝过程可能是导致微细化沸腾发生的主要原因。

超声辐照加速气液反应

为提高气液反应速度,研究了使用超声辐照曝气器细化气泡时反应加速的效果和机理。实验用数码照片观察气泡的细化,以空气-Na2SO3水溶液的反应检验加速效果。结果表明:在声强为1～6W/cm2、气流量为16～80L/h和曝气孔径为0.01～1.00mm的条件下,20kHz超声使气泡明显细化,反应速度提高1～4倍;声强对反应加速具有决定性作用,气流量无明显影响,曝气孔径为0.01mm时有显著的加速效果。说明超声强化微孔曝气法可用作一种新型的复合工艺。