大型熱交換器清潔度試驗雜質(zhì)萃取方法的研究

尉武杰 蔣平灶 陳渭偉

關(guān)鍵詞：清潔度試驗;熱交換器;萃取;測量

0 前言

清潔度檢測是1個原理簡單而操作復(fù)雜的試驗方法。原理簡單是因為只要測出雜質(zhì)的質(zhì)量，依據(jù)一定要求進(jìn)行百分比計算即可;操作復(fù)雜是因為試驗一方面會受到樣件本身結(jié)構(gòu)的受限，另一方面會受限于測試環(huán)境，很難得到準(zhǔn)確的雜質(zhì)污染物數(shù)值。

關(guān)于清潔度檢測的國際標(biāo)準(zhǔn)有《Roadvehicles—Cleanliness ofcomponents offluid circuits》（ISO16232-2018）[1]和《InspectionofTechnicalCleanliness》（VDA19.1—2015）[2]，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)有《中小功率內(nèi)燃機(jī)清潔度限值和測定方法》（GB/T3821—2015）[3]等。

1 試驗方法

1.1 清潔度試驗過程

清潔度試驗的常規(guī)流程為：樣件及濾紙預(yù)處理—沖洗試樣—過濾雜質(zhì)—烘干濾紙—干燥濾紙—稱重及尺寸分析。對于大型或者內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的試樣，沖洗過程的有效性最難以控制。

1.2 常規(guī)清洗方法

1.2.1 高壓沖洗法

噴洗主要是通過自由射流到試樣上的清洗液來實(shí)現(xiàn)的。清潔效果主要受到射流的動量傳遞影響。一般最后還有1個清洗液流凈后的沖洗過程。該方法適用于試樣外部和可接觸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的清潔。

1.2.2 超聲波清洗法

經(jīng)由液體介質(zhì)傳導(dǎo)的超聲波在20～400kHz的范圍內(nèi)，通過機(jī)械振動作用到測試對象的表面上。清潔過程需要將試樣浸入清洗液，并在配有超聲振動設(shè)備的清洗設(shè)備內(nèi)進(jìn)行。超聲波的清洗方式特別適用于難以被單獨(dú)處理的散裝小零件。

1.2.3 灌洗法

灌洗法可對試樣進(jìn)行貫通沖洗內(nèi)表面的清洗。為了保證雜質(zhì)顆粒的有效分離，測樣內(nèi)部的清洗液流動應(yīng)該是湍流而不是分層流動，亦可通過有目的的脈沖流動來實(shí)現(xiàn)。該方法適用于管道、軟管、過濾器或者熱交換器。

1.2.4 晃動法

檢測樣件按比例加注檢測液并密閉開口。通過晃動提供輔助，顆粒從內(nèi)部檢測表面上剝離并進(jìn)入到液體中。另外，晃動還會從各個方向?qū)Ω街念w粒產(chǎn)生液體作用力。

2 試驗過程

2.1 試驗方案

以某水箱為例，研究人員采用常規(guī)清洗方法進(jìn)行逐一論證，并觀察其對大型熱交換器清潔度測試的適用性。

首先，研究人員選取了同一批次的3 個水箱。按照歷史檢測結(jié)果，其質(zhì)量水平大概在3～4mg之間。為了盡可能減少試驗偏差，研究人員使用清潔溶劑分別對其內(nèi)部進(jìn)行1次沖洗，然后分別往每個水箱內(nèi)部加入50mg的鋁屑，并分別選用高壓沖洗法、灌洗法、晃動法對其進(jìn)行清洗，然后按照流程對清洗雜質(zhì)進(jìn)行稱重。清潔度測試結(jié)果及過程參數(shù)如表1所示。

2.2 結(jié)果分析

測試結(jié)果表明，3類測試結(jié)果都不太理想，雜質(zhì)沖洗物與初始值偏差較大。具體原因分析如下。

（1）高壓沖洗。由于水箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，翅片較密，只在入口處有壓力。清洗液無法對其內(nèi)部雜質(zhì)進(jìn)行有效沖刷，導(dǎo)致雜質(zhì)顆粒粘附在試件內(nèi)壁無法流出。測試結(jié)果的可控性較差。

（2）灌洗。為了保證水箱內(nèi)部清洗液為湍流狀態(tài)，測試需要采用高流速、大流量的沖洗方式。實(shí)際溶液沖洗量高達(dá)150L。在雜質(zhì)過濾過程中，由于誤差過多，導(dǎo)致測試結(jié)果失真。該方法的可操作性較差。

（3）晃動清洗。水箱內(nèi)大部分的雜質(zhì)能夠被過濾出來，但是與高壓沖洗法類似，也出現(xiàn)了無法避免殘留雜質(zhì)的現(xiàn)象。另外，在傾倒過程中，由于出水口略高于下水室內(nèi)壁，導(dǎo)致部分顆粒物無法傾倒出來，造成測試結(jié)果的偏差。該方法可操作性較強(qiáng)，但須優(yōu)化實(shí)施方案。

綜上分析，針對大型熱交換器等這類體積大、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的試樣，晃動萃取法為最切實(shí)可行的方案，但需要優(yōu)化測試方案。

2.3 試驗方案的選擇與優(yōu)化

2.3.1 雜質(zhì)提取有效性評價方法

研究人員使用同一方法，先后對同一試樣進(jìn)行多]次萃取。如圖1所示，采用方法為：后一次萃取結(jié)果除以前幾次萃取結(jié)果的總和，如果該數(shù)值小于或等于10%，則該數(shù)值即為最后一次，同時也表示萃取完成。試驗以所有萃取雜質(zhì)的總和來計算部件的清潔度等級。

2.3.2 試驗操作步驟設(shè)計

結(jié)合上述試驗結(jié)果，研究人員對上述同型號水箱，采用晃動法，對試驗方案進(jìn)行優(yōu)化。如圖2所示，第1步，在水箱內(nèi)倒入30%～40%水箱容積的清洗液。由于過高或過低的填充度均不會產(chǎn)生充分的機(jī)械效果，所以無法實(shí)現(xiàn)有效的清洗效果。在清洗液加注完后，通過前后、左右、扭轉(zhuǎn)等幾種方式，開始晃動水箱，晃動幅度約30cm，頻率約1Hz，時間約15s。晃動可采用手動方式進(jìn)行，或者采用自動化裝置進(jìn)行輔助。第2步，豎直試件傾倒清洗液，同時通過軟管向試件中注入清洗液，沖淋內(nèi)壁持續(xù)約15s。第3步，將軟管插入出水口沖入清洗液，使下水室中的大部分較大顆粒能隨水流翻動而流出。在整個試驗過程中，應(yīng)避免由于部分出水口不在最低位無法將清潔液傾倒完全的情況。

以上3個步驟為1次有效沖洗。在試驗過程中，研究人員應(yīng)對同一試件先后進(jìn)行6次沖洗，分別收集每次的雜質(zhì)，然后結(jié)合國際標(biāo)準(zhǔn)《道路車輛液壓管路部件清潔度第2部分：攪拌萃取污染物的方法》（ISO16232-2-2007）中雜質(zhì)萃取方法進(jìn)行有效性評價。如果每次清洗后得到的雜質(zhì)質(zhì)量是遞減的，則可認(rèn)為該沖洗方法有效。

2.3.3 優(yōu)化后的實(shí)測結(jié)果

如圖3所示，為了驗證該方法的有效性，研究人員同樣在試件中加入50mg鋁屑，作為雜質(zhì)的初始值。然后按照段落2.3.2中的試驗操作步驟，逐步完成驗證清洗。

在試驗過程中，雜質(zhì)的過濾、烘干、干燥、稱重均須按照上述標(biāo)準(zhǔn)要求來進(jìn)行，在此不再詳細(xì)闡述。試驗最后得到的過濾雜質(zhì)分布如圖4所示。雜質(zhì)的萃取數(shù)值如表2所示。

3 試驗評價

通過表2中的測試數(shù)據(jù)可以看出，6次雜質(zhì)萃取的結(jié)果呈遞減趨勢，如圖5所示。在完成第4次萃取時，萃取的有效性評價指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了10%以內(nèi)，且雜質(zhì)沖洗完成度達(dá)到了94%，該方法被證明實(shí)際有效。

4 總結(jié)

通過上述試驗測試，研究人員得到相關(guān)測試結(jié)果如下：針對大型換熱器，高壓沖洗法無法得到準(zhǔn)確結(jié)果，不建議使用;灌流法沖洗效果較為明顯，如果能克服后續(xù)的過濾效率問題，基本適用;優(yōu)化后的多次晃動法具備較強(qiáng)的可操作性，過濾結(jié)果誤差較小，可推薦使用。

在晃動萃取法的實(shí)際操作過程中，對于部分人力無法完成晃動的試件，可以通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、吊機(jī)、振動臺等輔助機(jī)構(gòu)完成晃動步驟，但必須確保每次振幅的一致性，以避免晃動方式的改變引起測試結(jié)果的偏差。

對于樣件進(jìn)出口端的多樣性，可適當(dāng)增加清洗步驟以達(dá)到排除雜質(zhì)的目的。本文選用的試件一方面因為內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在翅片;另一方面因為出水口低于內(nèi)壁底面，導(dǎo)致大的雜質(zhì)容易沉淀而無法流出，所以研究人員額外增加了進(jìn)水口和出水口加注清洗液的步驟，以達(dá)到排出雜質(zhì)的目的。

該文僅探索大型熱交換器的清洗方法，由于沒有合適的設(shè)備來比較超聲波萃取結(jié)果，下一步研究人員】將針對小型板換油冷器，對各類萃取方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性進(jìn)行分析。