(中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院 天津 300300)

助航燈光干冰清洗技術(shù)研究

程彬彬

(中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院天津300300)

針對現(xiàn)行助航燈清洗方法存在的問題，本文基于干冰清洗技術(shù)在清洗行業(yè)的廣泛應(yīng)用，提出干冰噴射法清洗助航燈技術(shù)。在文中說明了傳統(tǒng)的助航燈清洗方法，通過分析干冰清洗機(jī)理、干冰清洗助航燈的優(yōu)勢，得出可以把干冰清洗技術(shù)應(yīng)用到機(jī)場助航燈清洗行業(yè)中的結(jié)論。

干冰清洗；噴射；助航燈；除污；機(jī)理

引言

附著在助航燈上的污染物嚴(yán)重影響透鏡的透光率，破壞了助航燈光的宏觀亮度，嚴(yán)重影響飛行安全。因而快速高效的助航燈清洗技術(shù)逐漸成為清洗領(lǐng)域的研究主題。

根據(jù)國內(nèi)外助航燈光清洗調(diào)查發(fā)現(xiàn)，常用的除污方法有：高壓水噴射技術(shù)、超高壓水噴射技術(shù)、化學(xué)方法、機(jī)械方法。本文基于干冰清洗技術(shù)在清洗行業(yè)的快速發(fā)展和廣闊前景，在其他領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)成熟，但國內(nèi)外很少有人注意到其在助航燈清洗方面的應(yīng)用，現(xiàn)提出干冰噴射法清洗助航燈技術(shù)。

一、干冰清洗系統(tǒng)簡介

如圖1是一個(gè)典型干冰清洗系統(tǒng)，它可分為兩個(gè)部分，干冰制備系統(tǒng)和干冰噴射系統(tǒng)。第一部分作用將液態(tài)的二氧化碳降溫并制作成規(guī)格一定的干冰顆粒；第二部分干冰噴射設(shè)備，利用高壓氣體將密度高溫度低的干冰顆粒通過噴嘴噴射到污垢的表面，以達(dá)到清洗作用。

制成的干冰顆粒通過人工或自動方式投入干冰噴射設(shè)備中使用，與空氣混合并加速通過管道從噴嘴噴射出來，噴射的速度、噴射角度、噴射距離、干冰流量、清洗部位等技術(shù)指標(biāo)根據(jù)實(shí)際工作場景由多方面因素確定。

圖1 干冰清洗系統(tǒng)

二、干冰清洗機(jī)理

(一)二氧化碳性質(zhì)。CO2是一種無色，無味，無臭在大氣層中自然存在的氣體。干冰是氣態(tài)二氧化碳在-78℃低溫下存在的固體形式。在常溫常壓下，干冰直接升華，無液化過程。固體二氧化碳的密度受壓力影響甚微，受溫度的影響也不大。干冰顆粒硬度為1.5Mohs[1]。

(二)干冰清洗機(jī)理。干冰清洗是一種利用高速氣流使固體二氧化碳顆粒噴射到待清潔表面，從而去除表面污染物的過程。這個(gè)過程是熱沖擊、碰撞、溶解三者的共同作用。Toscano C和Ahmadi G[2]提出的滾動和滑動模型受到越來越多的重視，這一理論的計(jì)算結(jié)果表明干冰微粒的碰撞作用和流體動力對顆粒沾污去除具有關(guān)鍵作用。當(dāng)干冰顆粒在待清洗表面液化時(shí)，它相當(dāng)于常規(guī)化學(xué)試劑，能溶解非極性烴類物質(zhì)。它的這種去污能力取決于污染物溶解于液體二氧化碳的能力，有較低溶解度的官能團(tuán)的烴類污染物較不容易清洗。因此，干冰噴射清洗以干冰微粒的碰撞作用為代表的動力學(xué)過程，以熱沖擊為代表的熱力學(xué)過程，以及以瞬態(tài)二氧化碳的溶解作用為代表的化學(xué)過程，在不同類型沾污去除過程中各自所占的比例不同。具體的清洗過程有以下分析(如圖2)：

圖2 干冰清洗機(jī)理示意圖

(1)低溫皺縮脫離：如圖2(b)所示，被加速的干冰顆粒撞擊到待清洗表面，低溫的干冰與接觸對象發(fā)生熱交換。查資料得橡膠的膨脹系數(shù)約為200×10-6mm，鋼化玻璃的膨脹系數(shù)為3.3×10-6mm，金屬模型膨脹系數(shù)約為11×10-6mm。由此可以得到：橡膠與鋼材的低溫收縮比是18倍，與鋼化玻璃的低溫收縮比更是高達(dá)60倍。材料性能的差異使得粘附在助航燈上的橡膠發(fā)生皺縮、皸裂，材料脆性增加，吸附力減小，部分橡膠脫離粘附表面。

(2)沖擊與吹掃作用：干冰顆粒在壓縮空氣動力推動下產(chǎn)生動能(E)和沖擊力(F)[11]：

(2—1)

F·t=m·Δv

(2—2)

Δv=v1-v2

(2—3)

在干冰顆粒的沖擊和壓縮空氣的吹掃作用下，發(fā)生動量轉(zhuǎn)移，橡膠經(jīng)過被磨削、剪切等機(jī)械作用，發(fā)生斷裂和破碎。

(3)升華階段：如圖3(b)二氧化碳固體變?yōu)闅怏w，體積急劇增大800倍左右，進(jìn)入污染物間隙的干冰小顆粒，體積膨脹之迅速，如同微型爆炸。被分離的污染物在CO2氣流的帶動下脫離跑道燈表面。

三、干冰清洗優(yōu)勢分析

干冰清洗已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了多個(gè)領(lǐng)域，它不僅對環(huán)保產(chǎn)業(yè)做出了貢獻(xiàn)還使得清洗的經(jīng)濟(jì)效益得到了大幅改善。干冰作為新型清洗技術(shù)的清洗介質(zhì)，它獨(dú)特的物理特性決定了它的優(yōu)越性，對比其他助航燈除污方法，從以下幾個(gè)方面對采用干冰噴射清洗技術(shù)清洗助航燈進(jìn)行優(yōu)勢分析。

(1)環(huán)保。干冰清洗完成后，只留下被清除的污染物，干冰已經(jīng)升華為氣體二氧化碳，沒有其他化學(xué)殘留，而且符合USDA、FDA、EPA的安全環(huán)保要求。生產(chǎn)干冰顆粒所需的二氧化碳一部分是天然的，絕大部分是工業(yè)副產(chǎn)品，這意味著因采用干冰噴射法排放到大氣中的CO2也不會增加全球的溫室效應(yīng)。而傳統(tǒng)的高壓水方法和化學(xué)方法除污，會對水體和環(huán)境造成二次污染，甚至?xí)黾映鞘械挠盟?fù)擔(dān)。

(2)高效。干冰清洗比普通的清洗方法快十倍以上。一般情況下，噴嘴經(jīng)過待清洗目標(biāo)，噴射5—8秒鐘，即可完成一次的清洗。干冰清洗不受天氣環(huán)境限制，而在寒冷的北方，冬季嚴(yán)寒天氣時(shí)，采用高壓水清洗，還需要進(jìn)行道面的烘干等附加措施。使用化學(xué)試劑清洗時(shí)，也無法立即去除污染物。

(3)損傷小。在對燈具進(jìn)行清洗時(shí)，由于干冰硬度較小，用于清洗時(shí)處理時(shí)間較短(數(shù)秒)，光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡觀察均表明對材料表面進(jìn)行清洗時(shí)不會造成明顯損傷。據(jù)資料表明，采用高壓水噴射清洗跑道，對道面造成嚴(yán)重?fù)p傷。

四、結(jié)論與展望

通過對干冰噴射法清洗助航燈光的研究分析，認(rèn)為可以把干冰清洗技術(shù)應(yīng)用到機(jī)場助航燈光清洗行業(yè)中。

[1]張美華等編.二氧化碳生產(chǎn)及應(yīng)用[M].西北大學(xué)出版社,1989.

[2]UhlmannE,KretzschmarM,ElbingF,etal.DeburringwithCO2,SnowBlasting[M]//Burrs-Analysis,ControlandRemoval.SpringerBerlinHeidelberg,2010:181-187.

[3]ShermanR(2007)Carbondioxidesnowcleaning.PartSciTechnol25:37-57.

程彬彬(1989-)，男，漢族，河南人，在讀碩士，中國民航大學(xué)，研究方向：助航燈光清洗技術(shù)。