乾冰清洗機原理應用詳細分析

開篇

乾冰噴射可以安全地清除表面的塗層和汙染物，而無需進行二次化學處理和其他清潔方法通常需要的二次廢物處理和處置。結果，與其他清潔方法相比，它具有諸如降低成本，延長設備使用壽命，最小化基材損壞以及提高環境安全性等優點。

乾冰噴射前後

乾冰清洗的發展

在1930年代初期，製造固相二氧化碳（CO 2）成為可能。在這段時間裡，「乾冰」的產生不過是一項實驗室實驗。隨著製造乾冰的程序變得容易獲得，這種創新物質的應用也在增長。最初的用途是製冷，乾冰在食品工業中仍被廣泛用於包裝和保護易腐食品。1945年，看到了美國海軍將乾冰作為爆炸介質用於各種脫脂應用的故事。1972年11月，埃德溫·賴斯（Edwin Rice）獲得了一項專利，因為他的「通過噴塗高速乾冰顆粒去除物品中不需要的部分的方法。」類似地，1977年8月，加爾文·方（Calvin Fong）獲得了一項專利，內容為「用材料能夠升華。」乾冰造粒機和乾冰噴砂機進入工業市場在80年代末期。當時，噴砂機體積龐大，價格昂貴，並且操作時需要較高的氣壓（壓力大於200 psi或13.8 bar）。作為CO 2/乾冰噴射技術先進，乾冰噴射機的尺寸和成本下降。如今，最新的噴嘴技術已使噴砂在車間空氣壓力（80 psi或5.5 bar）下有效。

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什麼是乾冰？

乾冰是CO 2的固體形式，是一種自然存在於大氣中的無色，無味，無味的氣體。儘管它的存在量相對較小（約佔體積的0.03％），但它是存在的最重要的氣體之一。在-109°F（-78°C）的低溫下，乾冰具有固有的熱能，隨時可以利用。在大氣壓下，乾冰不經過液相就直接升華成蒸氣。這種獨特的性能意味著爆炸介質會簡單消失，僅留下原始汙染物進行處理。另外，使用乾冰可以在水敏感區域進行噴砂清理。乾冰噴射中使用的二氧化碳等級與食品和飲料行業中使用的等級相同，並已獲得美國食品藥品管理局（FDA），環境保護署（EPA）和美國食品和藥物管理局的特別批准。農業（USDA）。二氧化碳是一種無毒的液化氣，既便宜又易於儲存在工作場所。同樣重要的是它的不導電和不易燃的性質。CO 2是幾種工業製造過程的天然副產品，例如發酵和石油化學精製。通過上述生產過程釋放出的CO 2被捕獲並存儲，沒有損失，直到需要為止。當CO 2在噴砂過程中返回到大氣中，不會產生新的CO 2。相反，僅釋放原始的CO 2副產物。表1列出了各種形式的CO 2的物理性質和轉化因子。

乾冰的製作

在乾冰噴射中，使用幾種方法來製造噴射介質。一種技術是在噴砂機上從固體CO 2（乾冰）塊中刮除乾冰顆粒。這種方法通常生產糖晶體大小的乾冰顆粒，由於快速升華（顆粒的高表面積體積比），必須立即使用。另一種技術是在制粒機中製造乾冰的硬顆粒，然後立即將其炸丸或將顆粒存儲在隔熱容器中，直到需要它們為止。這些乾冰粒的直徑通常為0.08至0.12英寸（0.2至0.3釐米），長度為0.1至0.4英寸（0.25至1釐米）。粒狀乾冰通過閃蒸加壓液體CO 2製成變成雪，然後將雪壓縮成固體形式。將雪直接壓成小球（機械壓縮），或者在液壓壓力下通過衝模將其擠壓成固體小球形式。後一種方法允許從液相到固相的更有效轉化。通常，期望具有良好壓實的乾冰顆粒，以最小化可能影響產品質量的氣態CO 2和/或空氣的截留。如表1所示，當液態二氧化碳噴入雪中時，隨著液態CO 2的溫度降低，所獲得的產量增加，因此，重要的是通過熱交換器將進入的液態CO 2與流出的CO 2蒸氣一起預冷。幾家製造商製造乾冰制粒機，對於有高顆粒需求的公司而言，現場生產可能證明是有益的。這種布置所需的設備通常包括冷藏的液態CO 2罐，造粒機和液態CO 2管線以到達設備。一些製造商製造乾冰造粒機/吹丸機的組合，先製造乾冰，然後在一次操作中將其全部吹散。對於這種類型的布置所需的設施包括一個空氣壓縮機（通常為120磅，在250任一標準立方英尺/ 8.3巴7.1米3 /分鐘，或在7.1米3 /分鐘250標準立方英尺/ 24.1巴350磅），液體CO 2罐，造粒/鼓風機，壓縮空氣軟管和液態CO 2管線到達設備，從機器到噴砂操作的噴砂軟管，以及適合應用的噴嘴。該設備最適合大批量連續乾冰噴射應用，在這些應用中，現場製造顆粒的成本節省證明了該系統的資本支出是合理的。

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乾冰噴射如何工作？

乾冰噴砂類似於噴砂，塑料珠噴砂或蘇打噴砂，其中介質在加壓氣流（或其他惰性氣體）中加速以衝擊要清潔或準備的表面。通過乾冰噴射，介質為固體CO 2顆粒。使用乾冰顆粒作為爆炸介質的一個獨特方面是，顆粒在與表面碰撞時會升華（蒸發）。衝擊能量的耗散以及乾冰顆粒與表面之間極快速的熱傳遞相結合，導致固體CO 2 /乾冰瞬間升華為氣體。然後，氣體在幾毫秒內膨脹到乾冰粒體積的近800倍，這在撞擊點處實際上是「微爆炸」。由於固體CO 2汽化後，乾冰噴射過程不會產生任何二次廢物。剩下要收集的就是清除汙染物。與其他爆炸介質一樣，與乾冰噴射相關的動能是顆粒的質量密度和撞擊速度的函數。由於CO 2 /乾冰顆粒具有相對較低的硬度，因此該過程依賴於高顆粒速度來獲得所需的衝擊能。高粒子速度是超音速推進劑或氣流速度的結果。與其他爆炸性介質不同，CO 2/乾冰顆粒的溫度非常低，為-109°F（-78.3°C）。這種固有的低溫為乾冰噴射過程提供了獨特的熱力學誘導的表面機制，這些機制可根據塗層的類型或多或少地影響塗層或受到汙染。由於乾冰顆粒和被處理表面之間存在溫差，因此可能會發生稱為「破裂」或熱衝擊的現象。隨著材料溫度的降低，材料會變脆，使顆粒受到撞擊而破壞塗層。

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具有不同熱膨脹係數的兩種不同材料之間的熱梯度或差異也可以用來破壞兩種材料之間的結合。當噴砂非金屬塗層或粘結在金屬基材上的汙染物時，這種熱衝擊最為明顯。經常，檢查乾冰噴射過程的公司擔心熱衝擊會對母體金屬產生影響。研究表明，溫度降低僅發生在表面上，因此在基板金屬中不會發生熱應力。為了說明這一原理，進行了一個實驗，其中將熱電偶以不同的深度（表面齊平至2 mm深）嵌入到鋼基板中。一氧化碳2/乾冰噴射流不斷掃過試樣30秒鐘（此過程的停留時間相對較長），並且熱電偶記錄了不同深度處的溫度變化。每次噴射氣流直接通過表面安裝的熱電偶時，溫度都會下降（50攝氏度，大約5秒鐘）。相反，嵌入在基板中不同深度的熱電偶記錄到緩慢的溫度逐漸下降，這與整個測試板的溫度下降相對應。2毫米深的熱電偶在30秒後僅下降10°C。該實驗表明，熱衝擊僅在塗層或汙染物粘結到基材的表面上發生，並且對基材沒有有害影響。1個與其他介質（砂礫，沙子，PMB等）相比，即使在高衝擊速度和直接「正面」衝擊角的情況下，固體CO 2 /乾冰顆粒的動力學效應也很小。這是由於乾冰顆粒的硬度相對不足，並且在撞擊時幾乎立即轉變成氣體，這有效地在撞擊方程式中提供了幾乎不存在的恢復係數。由於乾冰噴射被認為是非研磨性的，並且依賴於上面討論的熱效應，因此該工藝可以應用於多種材料而不會造成損壞。可以將軟金屬（例如黃銅和鋁覆蓋層）進行乾冰噴射，以去除塗層或汙染物，而不會產生表面應力（震蕩），點蝕或粗糙度。

乾冰清洗機類型

乾冰噴射機的特徵在於其將顆粒運送到噴嘴的方法。兩個通用類是兩軟管系統和單軟管系統。在這兩種類型的系統中，由於所涉及的低溫以及當乾冰顆粒通過軟管時需要保持顆粒完整性的原因，正確選擇噴砂軟管非常重要。在雙軟管系統中，乾冰顆粒通過各種機械手段被輸送和計量到軟管的入口端，並藉助於噴射器型噴嘴產生的真空通過軟管被抽吸到噴嘴。在噴嘴內部，壓縮空氣流（由第二軟管提供）通過主噴嘴傳輸，並作為限制在混合管內部的高速射流膨脹。當流動區域的大小合適時，這種類型的噴嘴會在主噴嘴周圍的腔體上產生真空，因此可以將顆粒向上吸過冰膠管並進入混合管，在此，當噴嘴與夾帶的空氣/乾冰顆粒混合物。這種噴嘴的排氣馬赫數通常略為超音速。這種系統的優點是相對簡單，材料成本較低，以及整體緊湊的進紙器系統。一個主要的缺點是，相關的噴嘴技術通常不適用於各種條件（即，腔體中的急轉彎，較寬的噴幅等）。同樣，兩管系統的攻擊水平和剝皮率低於單管噴丸機。在單軟管系統中，顆粒通過幾種類型的氣鎖機構之一被送入壓縮空氣管線。往復氣閘和旋轉氣閘都在工業中使用。然後將顆粒和壓縮空氣流直接送入單個軟管，然後再送入噴嘴，在此處空氣和顆粒都加速到高速。這種噴嘴的排氣馬赫數通常在1.7至3.0範圍內，具體取決於設計和噴射壓力。這類系統的優點是噴嘴適應性廣，爆炸衝擊力最高。缺點包括由於複雜的氣閘機構而導致的相對較高的材料成本。乾冰噴射機可以進一步區分為乾冰塊剃鬚刀或乾冰顆粒噴射器乾冰刨冰機

刨冰機使用標準的60磅（27.3千克）乾冰塊，並使用旋轉刀片將薄冰塊刮掉。這塊乾冰薄片在自重作用下破碎成糖粒大小的乾冰顆粒。這些顆粒然後落入漏鬥中進行收集。兩管輸送系統用於將漏鬥底部的顆粒轉移到要清潔的表面。這些顆粒的低質量加上效率低下的兩管系統，限制了剃鬚刀只能進行輕型清潔。由於刨冰機可提供高通量密度的乾冰顆粒爆炸（大量顆粒每秒撞擊表面的平方面積），因此它們可用於薄而中等硬度的塗料，例如風乾油基塗料。乾冰顆粒清洗機

顆粒噴丸機的料鬥裝有預先製造的CO 2/乾冰顆粒。料鬥使用機械攪拌將顆粒移動到料鬥底部並進入進料器系統。如前所述，粒料在很大的壓力下通過模板擠出。這種設計可產生極緻密的顆粒，以提供最大的衝擊能量。這些小丸有幾種尺寸，直徑範圍為0.04至0.12英寸（0.1至0.3釐米）。使用單軟管輸送系統時，最終顆粒尺寸和離開噴嘴的噴丸通量密度取決於噴砂軟管的類型（軟管直徑和內壁粗糙度）和所使用的噴嘴。由於其設計，單軟管幹冰顆粒噴射裝置能夠「插入」各種單獨塗層或汙染物去除要求所需的正確噴射類型。例如，諸如橡膠，矽樹脂，泡沫和蠟的軟塗層以及脫模劑需要具有低通量密度的大乾冰粒，以實現最大的剝離速率和效率。這些塗層需要最大的熱能（即質量較大的乾冰顆粒）和顆粒之間的間距較大（即通量密度較低），以實現最佳清潔性能。相反，諸如塗料，清漆，碳積聚等的硬質塗層需要較小的粒徑，高的通量密度和較高的粒子速度。對乾冰噴射機進行分類的另一種方法是通過其進料機制，通常是全氣動或電動氣動。全氣動機器具有氣動乾冰顆粒進料機構和控制裝置。這可能包括使用氣動馬達。這種機器的優點是在爆炸現場，特別是室外，可獲得壓縮空氣。一個缺點是，由於水分或壓縮空氣供應中的汙染，機器的操作容易受到幹擾。此外，這些機器更容易結冰，更適合輕型斑點清潔應用。另外，如果機器由氣動馬達提供動力，則會連續排放含油空氣。如果空氣系統未充分乾燥，則同一氣動馬達很容易被水淹沒。電動氣動機器真正做到了環保，因為它們不排放油性廢氣，並且更能承受空氣供應中的水分和汙染物。電動氣動機器很少凍結，因此非常適合需要全天候乾冰噴射的自動化生產線應用。而且，這些機器提供無脈衝噴砂，以進行均勻清潔並有效利用乾冰。但是，在每個爆炸位置向機器供應電力和壓縮空氣都會帶來一些不便。與全氣動或電動氣動噴砂機相關的最具挑戰性的技術之一是獲得平穩，連續的顆粒飼料。乾冰的一個令人驚奇的特性是它不像水冰一樣光滑或滑滑，也不像沙子或玻璃珠那樣順暢地流動。相反，它有點耐流動。因此，乾冰噴射機傾向於在料鬥中具有各種攪拌器，螺旋鑽和其他裝置以改善顆粒流動。通常，乾冰的質量較差-例如，如果幹冰包含水冰或大量的CO 2「細雨」或大雪-它的流動越難通過系統。乾冰的另一個特性是它極冷，會以霜的形式從周圍的空氣中吸走水分。因此，機器必須能夠承受反覆的凍融循環以及隨著時間的流逝而產生的水分累積。通常，高質量乾冰噴射機與中等水平的乾冰噴射機之間的區別在於，該裝置能夠快速，經濟高效地進行清潔工作，並且具有在現實條件下平穩連續地運行乾冰顆粒的可靠性。

噴嘴技術

在噴嘴處，乾冰顆粒被加速到可能的最高速度，以產生有效的乾冰噴射流。將兩個軟管的噴射器噴嘴與在相同條件（即空氣量，壓力，溫度，CO 2顆粒質量等）下運行的單個軟管的會聚-發散超音速噴嘴進行比較的測試表明，單噴嘴軟管式噴嘴。這種能力上的差異與兩軟管噴射器噴嘴的總供應能量直接相關，不僅用於加速CO 2/乾冰顆粒，但也會產生真空，從而拉動次級顆粒流通過次級軟管。為了使乾冰顆粒通過兩軟管噴嘴加速，需要消耗更多的能量以將這種低速顆粒流與高速射流混合。簡而言之，對於兩軟管系統，可用於顆粒加速的淨合成能量本質上較低，因為僅將CO 2 /乾冰顆粒流與噴氣流結合在一起，就會損失大量可用能量。由於乾冰顆粒的大小會影響清潔性能，因此乾冰噴射系統應具有「撥號」正確顆粒大小的靈活性。這可以通過幾種不同的方式來完成。首先，可以改變由制粒機生產的乾冰顆粒的尺寸。一旦將顆粒放入乾冰噴射機的料鬥中，到達待清潔表面的顆粒尺寸可以通過多種方式進行更改。使用的噴砂軟管的直徑和類型將使顆粒保持完整或將其破碎成較小的顆粒。另外，噴嘴可能會故意擴管，以在噴嘴內產生部分破壞性的衝擊波。兩種技術可以單獨使用或一起使用，以優化乾冰顆粒大小，噴射流速度和通量密度，以進行任何清潔工作。當使用噴砂或直徑很小的任何類似介質進行噴砂處理時，與噴砂介質相比，噴嘴喉的尺寸非常大。然而，在乾冰噴射中，噴嘴的喉嚨可能僅略大於被加速的乾冰顆粒。表2給出了在200 scfm / 5.7 m3 / min的恆定氣流（四個噴砂作業的典型流量）下，四個不同水平的噴砂壓力下圓形噴嘴喉的大致尺寸。在較高的壓力下，乾冰的粒徑需要較小，以對應較小的喉嚨尺寸。高壓噴射流被描述為具有高通量密度的高速小顆粒。同樣，這種噴砂處理最適合去除硬塗層，例如油漆。表2還顯示了對應於低壓操作的較大的噴嘴喉直徑。如上所述，大顆粒以低通量密度衝擊表面是清潔軟塗層的理想選擇。由於需要將顆粒加速到儘可能高的速度，因此乾冰噴射噴嘴往往較長。因此，具有小喉嚨的非常長的噴嘴往往具有每單位氣流高的擦洗表面積。這種效果說明了低壓乾冰噴嘴比高壓噴嘴具有更高的效率。工業上使用的成本最低的乾冰噴射系統的設計點為80 psi / 5.5 bar，這是工廠空氣系統的典型壓力。

乾冰噴射技術的好處

與其他清潔方法相比，乾冰噴射在塗飾行業中具有許多優勢。這些包括：

降低成本。乾冰顆粒的自然升華消除了收集清潔介質進行處置的成本。還消除了與噴水/噴砂程序相關的圍堵和收集成本。另外，由於CO 2 /乾冰噴射系統為生產設備提供在線維護功能（在線清潔），因此將耗時且昂貴的脫模過程保持在最低限度。不再需要專用的清潔周期；取而代之的是，可以採用預防性維護計劃，以便在生產期間清潔設備。結果，在不增加人工或生產設備的情況下提高了產量。延長設備的使用壽命。與沙子，核桃殼，塑料珠和其他研磨性砂礫介質不同，乾冰顆粒是非研磨性的。用乾冰清潔不會磨損工具，紋理表面，開放公差或損壞軸承或機械。最小化基材損壞。與蒸汽噴射或水噴射不同，CO2 /乾冰噴射是一種乾燥過程，不會損壞電線，控制項或開關。同樣，在乾冰噴射之後，清洗後形成的任何可能的鏽蝕的可能性遠小於蒸汽噴射或水噴射。環境安全。二氧化碳是符合EPA，FDA和USDA行業準則的無毒元素。通過用CO 2 /乾冰噴射系統代替有毒的化學工藝，可以從實質上減少或完全消除因使用危險的化學清潔劑而引起的員工風險和企業責任。由於CO 2氣體比空氣重（CO 2氣體替代氧氣），因此，如果在封閉區域內或地下坑內進行爆破，則必須小心。