酒精蒸气/烟草粉尘两相混合体系最小点火能试验研究

在烟草加工的加香工序,挥发的酒精和搅拌混料产生的烟草粉尘形成气粉混合体系,其燃爆特性相较于单相烟草粉尘有较大变化。对20 L爆炸球进行了部分改造,可完成20℃~80℃环境温度、100%LEL以下酒精蒸气浓度、最大2 J电火花能量组合的气粉混合物的最小点火能测试。选用烘丝和加香烟草粉尘做对比,探究了环境温度和酒精蒸气浓度对酒精蒸气/烟草粉尘两相混合体系点火能的影响规律。结果表明:相同环境温度下,加香烟草粉尘的最小点火能比烘丝烟草粉尘低;加香粉尘、烘丝粉尘及混合体系的最小点火能随环境温度变化的趋势一致,均随温度的升高而降低;加入10%LEL的酒精蒸气后,相同温度下气粉混合体系的最小点火能低于单相烟草粉尘。随着环境温度的升高,二者的差值逐渐减小,酒精蒸气诱导烟草粉尘最小点火能降低的能力逐步减小甚至消失;在电点火条件下,当酒精蒸气浓度低于50%LEL时,气粉混合体系较难被点燃,当酒精蒸气浓度高于75%LEL时,混合体系较易被点燃。

酒精蒸气-烟草粉尘耦合体系燃爆猛度特性研究

基于改进的20 L球粉尘爆炸试验装置,探究了酒精蒸气体积分数、烟草粉尘质量浓度及环境温度对酒精蒸气-烟草粉尘耦合体系燃爆猛度的影响规律。结果表明:加香烟草粉尘相较于烘丝烟草粉尘的爆炸压力与爆炸压力上升速率更高;酒精蒸气不仅会增强加香烟草粉尘的可燃性,而且会使其爆炸上限升高;耦合体系的酒精蒸气体积分数低于50%酒精爆炸下限(LEL)时,其爆炸压力与爆炸压力上升速率增幅较缓,而高于50%LEL时,增幅迅速攀升;升高环境温度对耦合体系燃爆猛度有明显的促进作用,在低温阶段(30~40℃)尤为显著。

环境温度对烟草粉尘-酒精蒸气两相体系爆炸特性的影响

通过改造升级20 L球粉尘爆炸测试装置实现加热与电点火功能,试验研究了环境温度对单相烟草粉尘及烟草粉尘-酒精蒸气两相体系爆炸特性的影响规律。结果表明:单相烟草粉尘最大爆炸压力受环境温度的影响较小,最大压力上升速率随温度的升高几乎呈线性增长趋势;最小点燃能量对环境温度的变化相对敏感,随环境温度的升高而降低。烟草粉尘-酒精蒸气两相体系的最大爆炸压力与最大压力上升速率均随环境温度的升高而增大,低温阶段增幅尤为明显;最小点燃能量随环境温度的升高而降低,下降幅度相对较小,但均低于单相烟草粉尘。研究结论对烟草加工行业烟草粉尘的爆炸防控具有重要的指导意义。

水-酒精混合蒸气在竖直管外凝结特性的研究

在低于大气压下,通过实验研究了水蒸气和不同酒精含量的水-酒精混合蒸气在竖直铜管外的凝结换热特性,同时记录了凝结状态.实验结果显示:在不同的酒精含量下,随着过冷度的变化,凝结换热系数均呈现出具有峰值的非线性变化特征;随着酒精含量的减少,凝结换热系数显著增大;当酒精的质量分数为1%时,凝结换热系数的峰值是相同条件下水蒸气凝结换热系数的9倍;当酒精的质量分数为50%时,凝结换热系数与相同条件下的水蒸气凝结换热系数相当.分析表明,凝结换热系数的非线性特征是由于凝结液热阻以及扩散热阻的复杂变化所引起的.

水-酒精混合蒸气的管外凝结

在不同蒸气压力,相同蒸气流速条件下,完成了不同酒精浓度的混合蒸气在不同管径的竖直管外凝结换热实验。凝结换热特性曲线显示了相似的特性:随着酒精浓度的增加,凝结传热系数显著下降;随着表面过冷度的增加,凝结传热系数显示出有峰值的非线性特点。在相同条件下,半径为5mm管外的凝结传热系数峰值出现在较大过冷度范围内,且峰值高于在半径为10mm管外的凝结传热系数峰值。当蒸气压力为84.52kPa,流速为2m.s-1时,酒精浓度为1%的混合蒸气在半径为5mm竖直管外凝结传热系数最高达150kW.m-2.K-1,约为水蒸气的8倍。此外,根据记录的凝结形态,珠状凝结出现在很广的浓度以及过冷度范围内。

凝结表面温差对水-酒精混合蒸气换热特性的影响

本文研究了温度梯度对不同浓度水.酒精混合蒸气的Marangoni凝结的影响。搭建了具有高气密性的实验台,设计了凝结表面存在温差的实验块。在低于大气压力(31.2 kPa,47.4 kPa,84.5 kPa)的条件下,对8个浓度(0%～50%)混合蒸气进行了实验研究并实现可视化。实验结果表明温度梯度在低过冷度(<10K)下,提高了低浓度(0.5%,1%)的水-酒精混合蒸气的换热系数。分析认为是因为表面温差带来了表面张力的差异,促使液膜内扰动增大,减少了凝结液膜热阻的缘故。

板式换热器中水酒精混合蒸气凝结换热特性的实验研究

通过设计搭建板式换热器凝结换热实验台,研究了不同酒精浓度(0%、1%、10%、50%)、不同蒸气压力(70、80、90k Pa)和不同蒸气流速(15m/s,25m/s)下,酒精–水混合蒸气在板式换热器中凝结换热系数随出口蒸气干度的变化特性。实验结果表明:在压力流速相同的工况下,随着蒸气干度的增大,换热系数随之增大;在90k Pa时,浓度为1%时换热系数增大明显,与纯水蒸气相比,增大约25%,而在中浓度和高浓度时换热系数减小;换热系数随着蒸气流速和压力的增加而增大。在实验数据的基础上,通过引入Jockob准则数,对混合工质凝结换热模型进行了研究,实验值和计算值对比误差在-35%~35%之间。

水-酒精混合蒸气在水平圆管横截面换热特性的研究

本文搭建了水平圆管管外凝结传热实验台,以水-酒精混合蒸气为工质,在不同蒸气压力和不同酒精浓度的条件下对水平圆管外凝结换热特性进行了研究,并实现了实验的可视化,分析了不同酒精浓度下造成凝结换热特性差异的原因.实验结果表明:凝结表面不同位置的传热系数不同,表面张力梯度大的位置凝结传热系数较大.在相同流速和浓度条件下,酒精浓度较低时凝结传热系数随蒸气压力的升高而升高,但在高酒精浓度下,凝结液表面张力梯度减小、扩散热阻的影晌增大,蒸气压力对于凝结传热系数的影响并不明显.酒精浓度对凝结传热系数的影响因不同横截面测温点有明显差异,在浓度为2%和5%时传热系数差异较大,而在其他浓度时横截面不同测点的凝结换热效果差异较小.

不同蒸气压力下的Marangoni凝结换热特性

在蒸气流速4m·s-1的条件下,通过实验研究了不同蒸气压力下纯水、纯酒精和不同酒精浓度水-酒精混合蒸气沿重力方向流过竖直铜平板表面上的凝结换热特性,并实现了实验的可视化,同时从理论上初步分析了混合蒸气压力对Marangoni凝结换热特性的影响.实验及理论分析结果表明,在相同蒸气浓度、蒸气流速和表面过冷度条件下,高压下的凝结换热强度比低压的大.且蒸气压力对凝结换热的影响因混合蒸气酒精浓度的不同而不同,在低浓度1%、2·28%和高浓度22%、51%时压力的增加对凝结换热特性的影响较小,而在中间浓度5·1%和9·8%时凝结换热系数随压力的增加明显.

不同压力下混合蒸气在板式换热器凝结特性

为了研究不同压力下具有Marangoni效应的混合蒸气在可拆板式换热器中的凝结换热特性,设计并搭建了具有高气密性的板式换热器实验台。通过实验方法,在混合蒸气流速25 m/s的条件下,研究了不同气相酒精质量浓度(0%,1%,10%,50%)在不同蒸气压力(70,80,90 k Pa)下,饱和混合蒸气在可拆板式换热器中的凝结换热和蒸气侧压降随冷却水进口温度变化的特性。板式换热器由三块人字波纹板片组成,换热方式为逆流换热。实验结果表明,在相同蒸气浓度、蒸气流速和冷却水进口温度条件下,高压下的平均换热系数比低压大,而压降相反。蒸气压力对平均换热和压降的影响因混合蒸气酒精浓度的不同而不同,与纯水相比,在低浓度(1%)时,压降几乎相同,而传热系数增大约6%;在中浓度(10%)和高浓度(50%)时,压降明显增大,同时传热系数也有显著降低。

混合蒸气在板式换热器中凝结换热研究

在设计和搭建板式换热器实验台的基础上,选取具有Marangoni效应的混合蒸气,研究了人字形板式换热器(PHE)单流程不同流道、不同浓度凝结换热系数及流量和压降之间的关系.实验结果表明随着流道数量增加,流量分配不均匀现象越来越明显.在浓度为1%时,与纯水蒸气相比,其换热系数能提高25%.但随着浓度的增大,换热系数在一定的流量下,其换热系数甚至比纯水蒸气凝结时的换热系数要低.在压降方面,水侧的压降远大于气侧的压降,并且随着板片数的增多,对应的压降有所减小.

混合蒸气浓度对板式换热器换热系数的影响

为研究水-酒精混合蒸气浓度对板式换热器换热器换热系数的影响,自行搭建高气密性实验台,在压力30 k Pa,混合蒸气流量6 kg/h实验工况下,获得了局部凝结换热系数随蒸气干度、流道长度、混合蒸气浓度的变化关系。实验过程中,采用了在板片焊接热电偶的测温方法,实现了气侧板片壁面温度的直接测量。结果表明,凝结换热系数随着蒸气干度增加而增加;换热系数随板长方向上无量纲长度增加而减小;与纯水蒸气比较,1%、2%浓度混合蒸气的传热系数值较高,且浓度为1%时的传热系数高于浓度为2%时的传热系数;5%、10%、20%浓度混合蒸气的传热系数均低于纯水蒸气传热系数,且传热系数随混合蒸气浓度增加而减小。

Marangoni凝结液珠脱离半径分析

为研究宏观温度梯度对Marangoni凝结的影响,设计了一个截面为梯形的试验块。在大范围的酒精气相浓度条件下(0%～50%),用实验的方法研究了宏观温度梯度对Marangoni凝结的影响。对于每个浓度都在不同蒸汽流速和压力下进行了实验并拍摄凝结图片。以凝结实验中所拍摄的实验图片为分析对象,分析不同质量分数、过冷度和流速下的凝结液珠脱离半径。凝结液珠的脱离半径与表面过冷度、凝结表面的横向温差、酒精质量分数、蒸汽流速等因素有关。以纯水的脱离半径公式为基础,考虑温差带来的Marangoni效应和蒸气流速后,拟合出Marangoni凝结凝结液珠的最大脱离半径公式,在大部分过冷度的情况下,计算值与实验数据一致性较好,最大误差为23%。

Marangoni凝结形态的影响因素

用实验方法研究了宏观温度场对一定浓度范围内的水-酒精蒸气混合物的Marangoni凝结的影响。根据拍摄记录的图片,观察到了膜状、珠状、珠状带块状、波动条纹状、溪状和珠状带溪状6种凝结形态。发现并非所有的凝结形态都出现在每个工况中,而且有些凝结状态之间并没有严格的界限。凝结形态随过冷度、浓度、流速、压力和表面温差的不同会发生变化,尤其是过冷度和浓度对凝结形态的影响最大。凝结形态与其对应的凝结表面传热系数有紧密的联系:在相同的实验条件下,当凝结表面传热系数出现峰值时,其对应的凝结形态均为珠状凝结。当凝结表面传热系数较低时,其对应的凝结形态为膜状凝结或较大液块凝结。最后对平块和斜块的Marangoni凝结形态进行了对比分析:可以看出斜块凝结面上液珠比较混乱,凝结形态不能简单地归结为珠状、条状、环状、平膜状和带起伏的膜状中的一种,一般是各种凝结形态都有一部分,或者说居于各凝结形态的中间过渡态。

非等温表面Marangoni凝结特性的研究

在带有温度梯度的凝结表面上进行了一系列质量分数酒精蒸气的Marangoni凝结试验,研究了酒精蒸气的传热系数.结果表明:与日本学者Utaka的试验数据相比,质量分数为99%的水和1%酒精混合蒸气在同样试验条件下(p=84.5 kPa、v=2 m/s)的传热系数提高了15%;在相似的试验条件下,带温度梯度试验块其传热系数的提升是由于液膜内部存在两种相反的运动,这两种相反运动扰乱了凝结液膜,从而减小了液膜的热阻;对传热系数随过冷度变化的规律进行了定性分析.

正压下酒精水混合蒸气在板式换热器凝结时的压降研究

为研究不同浓度酒精水混合蒸气流经板式换热器时压降的变化,在实验压力为110 kPa时,在板式换热器中进行了酒精和水混合蒸气凝结换热实验,酒精的气相质量浓度分别为0、1%、2%、5%、10%和20%,蒸气的质量流量为6～12 kg/h,在实验中测量了板式换热器进出口的压降,并进行了可视化观察。结果表明:各浓度的混合蒸气压降都随流量的增大而增大,压降与出口蒸气干度几乎呈线性关系,摩擦因子随出口干度增大而呈指数形式的递减;当流量不变时,压降随浓度的增大而增大,浓度越大流量越小,所对应的摩擦因子也越小;纯水蒸汽凝结时依然呈现出膜状凝结,而混合蒸气由于凝结时存在Marangoni效应,出现了非膜状凝结的形态;对实验数据以等效Re和Bo为自变量,以摩擦因子为因变量进行了拟合,拟合公式的平均误差为24.5%。

水-酒精混合蒸气Marangoni凝结液珠移动实验研究

本文进行了不同参数下水平表面上水-酒精混合蒸气Marangoni凝结实验,获得了初始过冷度、酒精蒸气浓度、蒸气流速等因素对凝结液珠移动速度的影响规律,并对液珠移动成因进行了分析。研究发现:在不同条件下,凝结液珠移动速度方向会发生变化;随着初始过冷度的减小,液珠从逆着蒸气来流方向移动逐渐变化为正向移动,逆向移动速度减小到零后反向增加;随着酒精蒸气浓度和蒸气流速的增加,凝结液珠运动方向变化时的初始过冷度逐渐增大;实验中统计得到的液珠移动速度变化范围为-0.05~0.02 m·s^-1。从受力角度对液珠移动成因的分析表明,液珠移动速度的大小与方向由表面张力梯度和蒸气剪切力决定。

基于提高安全性的“探究阳光在植物生长中的作用”实验改进

本文针对初中生物学实验“探究阳光在植物生长中的作用”中的酒精加热安全问题,在仪器和方法方面进行了改进探究,为其他教师的教学实践提供参考。