超声波碳氢清洗主要问题与设备设计
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1 概述
在工业清洗中大量应用的清洗方式包括水基清洗和容积清洗。传统的水基清洗设备需配备纯水设备、蒸汽设备、污水处理设备及沉淀池、废气处理设备，配备高容量电源等; 传统的溶剂清洗多为卤素类溶剂清洗，均存在污染。按照《中国清洗行业 ODS整体淘汰计划》，卤素类溶剂将逐渐被淘汰，取而代之的将是无毒的碳氢类清洗溶剂。
碳氢清洗相比水基清洗具有相当大的优势，碳氢清洗设备无需纯水、排污等昂贵的配套设备，无需高容量电源等，对厂房没有太高的需求。随着加工制造的精度及质量提高，特别是环保要求的提高，迫使生产厂家采用更高精度要求更环保的清洗设备，环保清洗时代已经到来。
2 碳氢清洗的优缺点
碳氢清洗是利用相似相容原理将零件表面的油脂溶解来达到清洗目的。
主要优点：
1) 清洗性能好。碳氢溶剂与大多数防锈油、机加油同为非极性石油馏分，对这些矿物油的清洗效果远好于水剂清洗剂。
2) 干燥后没有残迹。溶剂干燥时可完全挥发，无任何残留，水剂清洗若漂洗不干净则存在残留物。
3) 节能。碳氢溶剂可通过蒸馏回收重复利用，消耗极低; 设备基本无排污，无需排污处理。
4) 材料相容性好。溶剂中不含水分、氯、硫等腐蚀物，对各种金属非金属材料不产生腐蚀，是清洗轴承、液晶屏、精密器件的理想清洗剂。
5) 无毒。经毒理试验，其吸入毒性、经口毒性及皮肤接触均为低毒，且不属于致癌物质，与化学清洗剂及卤代烃等相比更安全。
6) 环保。碳氢溶剂可自然降解，可回收利用也可焚烧，焚烧物主要为二氧化碳和水，对空气没有污染，对臭氧破坏系数为零。
7) 沸点( 150 ~ 190) ℃ ,存储简单。
主要缺点：
1) 闪点低[( 50 ~ 75) ℃ ],属于易燃易爆物品;2) 沸点高，液体加热非常耗能，且不容易干燥，因此需要采用真空清洗、真空干燥。
3 碳氢清洗主要问题分析
3. 1 真空清洗及真空干燥
浸渍清洗时，清洗剂中残存的气体较多，影响了超声波空化效应，因此一般进行超声波清洗时尽可能配置真空脱气装置。在真空状态下可以将待清洗产品的狭小缝隙内气体及含在清洗剂中的气体抽出，使清洗剂可以充分进行清洗。
碳氢溶剂沸点高，常温常压下很难干燥，多是采用比真空清洗更高的真空度，使溶剂沸点迅速降低，附着在零件上的碳氢溶剂在真空条件下迅速形成碳氢蒸汽挥发，被真空泵抽走后在冷却箱内再形成液体进行循环使用。
3. 2 溶剂回收
碳氢溶剂经过一段时间的使用后，清洗力下降，此时可以对清洗液进行蒸馏回收重复利用，回收能力称为溶剂回收率。例如清洗槽液体的总量为360 L,工作时间为每天 8 h,若此时蒸馏机的回收率为 95%,则 30 L/h 的蒸馏机每天排出的废液量为12 L,若每月工作 25 日，则需补充 300 L 的清洗液;而回收率为 98%时为，同样的工作条件下只需补充120 L,因此提高溶剂回收率可大幅度降低溶剂使用费用。
3. 3 安全性
碳氢溶剂有闪点，设备安全需要考虑如何避免燃烧以及燃烧后如何应对。主要从降低可燃蒸汽蒸汽浓度、隔绝点火源、降低氧气浓度三各方面进行考虑。降低可燃蒸汽浓度需要在适当位置配置气体浓度监测装置，浓度接近爆炸下限时停机报警并启动强排。隔离点火源需要在选用器件时尽量选用气动元件，使用电动元件时必须选用防爆器件; 为防止静电蓄积，设备各部件良好接地。降低氧气浓度需要在设备中采用真空清洗及真空干燥方式，最大限度降低氧气浓度。
4 碳氢清洗工艺及设备组成
4. 1 碳氢清洗工艺
碳氢清洗过程一般为： 真空清洗 1-真空清洗 2-蒸汽漂洗( 或浸渍漂洗) -真空干燥，每个工序的工艺时间依据零件的.污迹类型、污染程度而定。
一般工艺见表 1.
4. 2 设备组成与工作流程
设备组成原理见图 1.常规的工作流程( 初始时所有气动阀均为关闭状态) 如下。
1) 工件装入工件篮，从密封门放入到旋转滚筒上，关闭密封门。
2) 打开气动阀 5、10,启动真空泵 5,直到压力到( 5 ~8) kPa,停止真空泵，关闭阀 5、10.
3) 储液槽加热到工艺温度。
4) 打开气动阀 2、3、9,启动喷淋泵 11 到一定液位，启动循环泵 12,开启旋转电机，开始第一道喷淋工序。
5) 喷淋时间到，停止循环泵 12,喷淋泵加液到一定液位，停止喷淋泵11,启动加热膜加热到工艺温度，启动超声波，开始第二道工序超声波清洗。
6) 工艺时间到，停止超声波，启动循环泵 12 到低液位，开启喷淋泵 11 注液到高位，加热膜加热到一定温度，开启超声波。开始第三道工序超声波漂洗。
7) 工艺时间到，停止超声波，停止电机，关闭阀 9,开启阀 10,启动循环泵 12,直到筒体内没有槽液，关闭阀 2、3.
8) 打开气动阀 5,启动真空泵 15,保持压力到( 0. 1 ~0. 2) kPa,保持温度( 40 ~ 60) ℃，进行第四道工序真空干燥。
9) 干燥时间到，停止真空泵，关闭阀 5,开启真空放气阀 16.
10) 待压力平衡，开启密封门，取出工件篮。
溶剂使用一段时间后，由于所溶解的杂质增多，清洗力下降，此时需要将储液槽内的溶剂进行蒸馏提纯，一般的流程为：
1) 蒸馏釜加热到一定温度。
2) 打开气动阀 4、6、7,启动真空泵 15,储液槽内部分溶剂进入蒸馏釜，开始蒸馏。
3) 碳氢蒸汽进入多级冷凝塔 14,空气被释放掉，产生的冷凝液体进入到液水分离装置，水被排放掉，溶剂在负压作用下回流到储液槽。
5 碳氢清洗设备设计难点
5. 1 真空动密封
在进行喷淋清洗或超声波浸渍清洗时，工件篮在电机带动下旋转，此时腔体内真空度为 ( 5 ~8) kPa,为防止外部空气进入真空腔，需要在电机轴与腔体连接处进行动密封，一般是采用机械密封装置，并在机械密封与旋转轴之间、机械密封本体内均注入润滑油达到动密封效果。
与常规动密封不一样，碳氢设备动密封面临一个难题： 隔离对象是空气及碳氢溶剂。碳氢溶剂本身是可以溶解润滑油的，而且碳氢溶剂表面张力小，渗透力强，特别在超声波作用下，对油脂的溶解效果更加明显，长时间的运转，是否会将润滑油脂溶解掉而造成泄漏及旋转干磨。因此，如何做好碳氢溶剂的真空动密封是碳氢设备研发的一个难点。
5. 2 溶剂回收
在进行溶剂真空蒸馏回收时，蒸馏釜加热产生的蒸汽中包括空气、溶剂蒸汽、水蒸气，溶剂中含水会造成清洗零件的氧化，因此需要最大限度的降低水含量。碳氢溶剂与水的分离一般有两种方式( 假定在真空压力 p、温度 t1处进行蒸馏) .
1) 保持压力，降低冷凝区温度至 t2,碳氢蒸汽先开始液化，保持 t2一段时间，直到碳氢蒸汽完全液化，剩余气体为水气及空气。
2) 保持温度不变，降低真空度，增加冷凝区压力，水蒸气先开始液化，保持该真空度一定时间直到水气完全液化，剩余气体为碳氢蒸汽及空气。
5. 3 安全性设计
1) 防止泄漏。为防止泄漏( 或在泄漏时尽量减少泄漏量) ,需要从多方进行考虑。一是在各腔体、各管系的适当位置均设置压力检测，所有的检测值均引入 PLC,并与 PLC 内事先存储的设定值进行比较，若与设定值差异很大，则关断工作电源并报警;二是管系上各主要器件之间均设置气控阀，当其中一段发生泄漏时，可将该段两端的气控阀关闭，将泄漏量降到最低，三是气控阀及控制气阀的电磁阀均采常闭阀，确保断电即断气，确保管系能分段隔离。
2) 蒸汽浓度监测。在设备内部高位、中位、低位设置多处碳氢蒸汽浓度检测，并设置合理的爆炸安全下限，达到下限时，设备断开工作电源，并启动报警。
3) 杜绝明火。一是在设备内部的电机，如旋转1制阀均为气动阀，控制气动阀的电磁阀均安装在单独的电控箱内; 电控箱与设备完全隔离，对电控箱与设备之间的穿线孔全部进行密封; 电机、腔体、管系及机架等均良好接地，避免静电产生。
4) 自动灭火。在设备内部高位、中位、低位设置多处烟气检测点，并设置自动二氧化碳灭火器。在检测到燃烧时，切断工作电源，启动二氧化碳灭火并报警。当灭火完全后，启动强排装置，将碳氢蒸汽及二氧化碳排出设备。
6 结论
通过对碳氢清洗原理及实现的分析和探讨，从客观上了解了超声波碳氢清洗原理及设备实现方式，可以肯定，因碳氢清洗使用的低成本、环保等优点，超声波碳氢清洗将在工业生产中发挥巨大作用。
参 考 文 献
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