干冰冷喷射清洗技术及其应用
摘要:介绍了干冰喷射清洗的机理、国内外现状、对金属与橡胶工业模具的清洗实验结果及其应用领城与特点.进行了相关技术参数的推算.并对其喷射清洗系统进行了工频耐压及泄露电流的浏试，结论是该系统可以实现输变电设备、线路的在线清洗，是一种真正的绿色清洗技术，对于保护环境、实现清洁生产具有广泛和深远的意义.
关键词:干冰;冷喷射;绿色清洗;清洁生产;环境保护
目前，在我国清洗行业中主要采用的仍然是传统的物理和化学清洗方法，由于传统的物理清洗方法常常伤及清洗物体表面，而化学清洗会带来令人头痛的二次污染问题.尽管近年来又相继出现了超声波和高压水射流等清洗技术，但都由于存在一定的局限性而未被推广干冰冷喷射清洗技术克服了传统清洗技术的不足，是一种真正的绿色清洗技术.作为清洗介质的二氧化碳(干冰)容易获得，除石油、合成氨、列解工业产生的二氧化碳以外，还有大量的天然二氧化碳气井，特别是我国目前正在推广使用乙醇汽油，作为乙醇的副产物，二氧化碳常常被白白排放掉，因此，该技术的推广不仅保护了环境，同时也利用了企业废气、变废为宝，能够取得巨大的的经济和社会效益，
1干冰冷喷射清洗原理
作为冷喷射清洗介质的二氧化碳(干冰颗粒)是一种普通无机化合物，其特性是无毒、无味.同时由于它还具有超低温、绝缘、易升华等特性，干冰颗粒以压缩空气为载体作用于污物表面，利用其超低温，使处理物表面的污垢在极短的时间内冻到脆化及爆裂，形成一种微型“爆炸”，当干冰颗粒进人污垢的裂缝后，立即气化其体积在瞬间内膨胀近800倍，从而把污物带离物体表面.根据要清洗的对象性质和污染程度，可相应调节压缩空气的压力和选择不同的粒径，从而达到最佳的清洗效果[1,2].干冰冷喷射清洗过程见图1.
2国内外发展趋势
早在1945年，美国就着手研究CO2的综合利用.主要应用于饮料防腐、冷冻、焊接业以及农业温室种植业.随着科技的发展，将二氧化碳经过还原制成高纯碳粉用于激光打印系统.20世纪80年代初，美国针对军事领域卫星导航系统、核发电系统及设备清洗维护的特殊需求，对二氧花碳的性能进行大量的研究工作，最终将二氧化碳制成干冰颗粒，利用喷射弹道轨迹和低温龟裂原理解决了上述问题，使二氧化碳的利用有了进一步的发展，但由于当时技术水平的限制冰机设计粗糙，体积庞大(重量>60 t)，不方便运输，效率也很低;同时干冰颗粒的硬度也不高，规格尺寸单一，使其利用受到很大限制.20世纪80年代末，由于加工精度的和集成电路的不断发展，美国对干冰制造机和喷射机进行了较大的改进，体积大大缩小，重量达到2 t,并且利用微循环深冷技术，使二氧化碳的利用率提高了2倍，制造出不同硬度和尺寸的干冰颗粒，降低了成本，也使得该技术由军事转向民用工业领域，并取得了飞速的发展[3,4].
近10年来，一些发达国家(包括许多欠发达国家)才逐渐对该技术进行研究于开发.我国从20世纪90年代开始，在一些专业性书籍和杂志中的海外高新技术里有些简单介绍，对二氧化碳的综合利用尚停留在传统状态.二氧化碳干冰颗粒的制造及其清洗技术的研究与开发工作，尚未见报导.
3对金属与橡胶工业模具的清洗实验研究与结果
众所周知，干冰除了具有低温特性以外，还具有升华特性，以Ф=3mm干冰颗粒在不破碎的状态下，由固态变为气态所需时间仅为7s，而一经破碎并在常温(20℃)压缩空气流的作用下，其升华时间仅为1s.其表面温度随时间变化的曲线，见图2.
3.1对金属模具的清洗实验研究与结果
将干冰米在实验物体表面停留30s，(这已是相当长的时间了)为一个清洗周期，在实验
被金属表面、内部各层安装许多热电偶，表面热电偶在每次冲击时都有温度下降，在基质中不同深度的热电偶的温度缓慢降低，其幅度非常小，2mm深处的热电偶仅降低了10℃.因此,通过许多公司检验清洗中出现“热振动”过程.研究表明，温度降低只出现在表面，而金属内部没有出现热应力.实验中将热电偶放人钢质内不同深度测试得出该结论.
3.2对橡胶模具的清洗实验研究与结果
通过在橡胶工业模具中干冰清洗的热应力来研究.在这里热模具为65℃下操作,用-60℃下干冰米清洗，由于极冷的干冰米和热型介质之间温度梯度，却不会引起爆裂.有2种理由解释这种现象:第一，正如实验一出现的温度梯度;第二，热应力比正常的热处理过程中偶然出现小的多.
热应力估算可用式(1)来表示∆t
Όy=∆t×E×α
(1-γ）（1）
式中:Όy为热应力，MPa;∆t为温度梯度，℃;α为热膨胀系数;E为弹性模量;( MPa) γ为泊松比.
将α、E和γ带人式(1)有
Όy=（30×106）×（5×10-6）×∆t
（1-0.33）（2）
进一步整理式(2)，可得热应力与温度的关系式如下
Όy=224∆t（3）
这一应力的计算是钢在变硬条件下屈服点以下，而且这种应力将远远小于热处理时遇到的应力在较高的冲击速度和垂直冲击角度与其他介质相比，固态CO2的运动效应最小，这是由于干冰瞬间特性所决定的，这种瞬间特性提供了在冲击等式中一个几乎不存在的恢复系数.因为干式清洗是考虑了没有磨损、考虑了依靠热应力的作用.如上面所讨论的一样.这一过程可用于各种物质表面，如用于软金属，铜、铝、电镀层等也不会引起表面损坏.
在电力应用实验中，于2003年在沈阳电力工业部带电作业工器具质量检测中心通过测试，工频耐压试验和工频泄漏电流试验的结果分别见表1和表2.
4千冰冷喷射清洗技术应用领域及特点
通过对不同行业的各种清洗对象的实验研究表明，干冰冷喷射清洗技术对被清洗物表面没有发生所谓的“冻伤”现象.下面将干冰冷喷射清洗技术的领域及特点分别阐述如下.
1）工业模具
干冰冷喷射清洗对干带有橡胶、聚氨脂及聚乙烯等黏性残留物的去除效果特别好，满足了模具高洁净度的要求，不仅清洗效率高，同时也避免了化学清洗所带来的二次污染问题，相继在哈尔滨橡胶厂和华林轮胎厂做清洗实验，取得了满意的效果.
2)食品、医药工业
冷喷射清洗在食品及医药行业中的应用，充分发挥了干冰的超低温特性，不仅避免了水清洗和化学清洗带来的大量有机废水，同时又消灭了如沙门氏菌、利斯特菌等病源微生物，起到了双重功效.
3)汽车制造业
汽车发动机内部的积碳处理一直是汽车制造业的主要难题之一，如积碳处理不净，是必影响汽车的正常运行，损害发动机寿命、增加油耗.用化学药剂处理时间至少需48 h以上，同时对人体和环境都有损害.冷喷射清洗可以在10 min内解决问题，即节省了时间又降低了成本，除垢率达100 %.
4)石油化工业
干冰清洗技术可广泛应用于石油化工业，如原油运输船、油仓壁以及炼油厂的汽油、柴油、物料等储罐的清洗.目前我国采用的仍然是高压水射流清洗，清洗后须经油水分离处理，分离出来的水呈乳白色，不仅造成水资源的浪费，对环境污染也很大，同时分离出来的油只能作为废油烧掉，造成资源的极大浪费.如采用冷喷射清洗工艺，不仅可以避免产生大量的油水，清洗后的各种油均可作为成品出售，节省了资源.
5)电力工业
干冰清洗技术可广泛用于如变压器、发电机、汽轮机等内外部件的清洗，由于二氧化碳本身的绝缘特性，因此可实现在线清洗，无须停产、停电，从而节省了检修时间，提高了工作效率;此外，该技术可带电清洗超高压输变电线路及设备，最高安全工作电压可达50 x 104V,避免了因电站的设备及线路清洗而给用电企业带来的停电损失.
6)核有害物的设备清洗与维护
对干国内所有核电站、核原料生产基地以及有核物质存在的核发射基地、研究基地、储存基地等设备的清洗与保护，干式清洗是非常有效的方法.同时，可把有害废物的还原和处理看成一种分类，因为CO2净化时(当它被用来清洗那些被分类为处理物的有害材料时)，材料的体积(及有关处理的成本)并不象使用砂子、化学方法时那样增加.这一点对于去除核污染是特别重要的，因为用水或砂子清洗放射性材料时，水或砂子同时也被污染.因此，需花费大量资金去处理二次被污染的水或砂子.用CO2清洗替代有害的化学净化剂时，便不需要清洗后处理这种化学药剂的时间和资金.去除污染物通常在一个封闭的容器内进行.
5结语
干冰冷喷射清洗技术还可广泛应用于其他领域，如飞机制造业的除漆、核废料的清除、电子通信设备及印刷行业等等.通过采用机器人或机械手还可以实现人员无法完成的任务，如具有毒性、腐蚀性及放射性等环境.总之，推广和使用干冰冷喷射清洗技术，附和当今世界的可持续发展战略，对于保护环境、维护生态、推行绿色生产具有深远的历史意义.。