助航灯光干冰清洗技术研究

(中国民航大学航空工程学院 天津 300300)

助航灯光干冰清洗技术研究

程彬彬

(中国民航大学航空工程学院天津300300)

针对现行助航灯清洗方法存在的问题，本文基于干冰清洗技术在清洗行业的广泛应用，提出干冰喷射法清洗助航灯技术。在文中说明了传统的助航灯清洗方法，通过分析干冰清洗机理、干冰清洗助航灯的优势，得出可以把干冰清洗技术应用到机场助航灯清洗行业中的结论。

干冰清洗；喷射；助航灯；除污；机理

引言

附着在助航灯上的污染物严重影响透镜的透光率，破坏了助航灯光的宏观亮度，严重影响飞行安全。因而快速高效的助航灯清洗技术逐渐成为清洗领域的研究主题。

根据国内外助航灯光清洗调查发现，常用的除污方法有：高压水喷射技术、超高压水喷射技术、化学方法、机械方法。本文基于干冰清洗技术在清洗行业的快速发展和广阔前景，在其他领域应用相当成熟，但国内外很少有人注意到其在助航灯清洗方面的应用，现提出干冰喷射法清洗助航灯技术。

一、干冰清洗系统简介

如图1是一个典型干冰清洗系统，它可分为两个部分，干冰制备系统和干冰喷射系统。第一部分作用将液态的二氧化碳降温并制作成规格一定的干冰颗粒；第二部分干冰喷射设备，利用高压气体将密度高温度低的干冰颗粒通过喷嘴喷射到污垢的表面，以达到清洗作用。

制成的干冰颗粒通过人工或自动方式投入干冰喷射设备中使用，与空气混合并加速通过管道从喷嘴喷射出来，喷射的速度、喷射角度、喷射距离、干冰流量、清洗部位等技术指标根据实际工作场景由多方面因素确定。

图1 干冰清洗系统

二、干冰清洗机理

(一)二氧化碳性质。CO2是一种无色，无味，无臭在大气层中自然存在的气体。干冰是气态二氧化碳在-78℃低温下存在的固体形式。在常温常压下，干冰直接升华，无液化过程。固体二氧化碳的密度受压力影响甚微，受温度的影响也不大。干冰颗粒硬度为1.5Mohs[1]。

(二)干冰清洗机理。干冰清洗是一种利用高速气流使固体二氧化碳颗粒喷射到待清洁表面，从而去除表面污染物的过程。这个过程是热冲击、碰撞、溶解三者的共同作用。Toscano C和Ahmadi G[2]提出的滚动和滑动模型受到越来越多的重视，这一理论的计算结果表明干冰微粒的碰撞作用和流体动力对颗粒沾污去除具有关键作用。当干冰颗粒在待清洗表面液化时，它相当于常规化学试剂，能溶解非极性烃类物质。它的这种去污能力取决于污染物溶解于液体二氧化碳的能力，有较低溶解度的官能团的烃类污染物较不容易清洗。因此，干冰喷射清洗以干冰微粒的碰撞作用为代表的动力学过程，以热冲击为代表的热力学过程，以及以瞬态二氧化碳的溶解作用为代表的化学过程，在不同类型沾污去除过程中各自所占的比例不同。具体的清洗过程有以下分析(如图2)：

图2 干冰清洗机理示意图

(1)低温皱缩脱离：如图2(b)所示，被加速的干冰颗粒撞击到待清洗表面，低温的干冰与接触对象发生热交换。查资料得橡胶的膨胀系数约为200×10-6mm，钢化玻璃的膨胀系数为3.3×10-6mm，金属模型膨胀系数约为11×10-6mm。由此可以得到：橡胶与钢材的低温收缩比是18倍，与钢化玻璃的低温收缩比更是高达60倍。材料性能的差异使得粘附在助航灯上的橡胶发生皱缩、皲裂，材料脆性增加，吸附力减小，部分橡胶脱离粘附表面。

(2)冲击与吹扫作用：干冰颗粒在压缩空气动力推动下产生动能(E)和冲击力(F)[11]：

(2—1)

F·t=m·Δv

(2—2)

Δv=v1-v2

(2—3)

在干冰颗粒的冲击和压缩空气的吹扫作用下，发生动量转移，橡胶经过被磨削、剪切等机械作用，发生断裂和破碎。

(3)升华阶段：如图3(b)二氧化碳固体变为气体，体积急剧增大800倍左右，进入污染物间隙的干冰小颗粒，体积膨胀之迅速，如同微型爆炸。被分离的污染物在CO2气流的带动下脱离跑道灯表面。

三、干冰清洗优势分析

干冰清洗已经广泛应用到了多个领域，它不仅对环保产业做出了贡献还使得清洗的经济效益得到了大幅改善。干冰作为新型清洗技术的清洗介质，它独特的物理特性决定了它的优越性，对比其他助航灯除污方法，从以下几个方面对采用干冰喷射清洗技术清洗助航灯进行优势分析。

(1)环保。干冰清洗完成后，只留下被清除的污染物，干冰已经升华为气体二氧化碳，没有其他化学残留，而且符合USDA、FDA、EPA的安全环保要求。生产干冰颗粒所需的二氧化碳一部分是天然的，绝大部分是工业副产品，这意味着因采用干冰喷射法排放到大气中的CO2也不会增加全球的温室效应。而传统的高压水方法和化学方法除污，会对水体和环境造成二次污染，甚至会增加城市的用水负担。

(2)高效。干冰清洗比普通的清洗方法快十倍以上。一般情况下，喷嘴经过待清洗目标，喷射5—8秒钟，即可完成一次的清洗。干冰清洗不受天气环境限制，而在寒冷的北方，冬季严寒天气时，采用高压水清洗，还需要进行道面的烘干等附加措施。使用化学试剂清洗时，也无法立即去除污染物。

(3)损伤小。在对灯具进行清洗时，由于干冰硬度较小，用于清洗时处理时间较短(数秒)，光学显微镜、扫描电镜观察均表明对材料表面进行清洗时不会造成明显损伤。据资料表明，采用高压水喷射清洗跑道，对道面造成严重损伤。

四、结论与展望

通过对干冰喷射法清洗助航灯光的研究分析，认为可以把干冰清洗技术应用到机场助航灯光清洗行业中。

[1]张美华等编.二氧化碳生产及应用[M].西北大学出版社,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，汉族，河南人，在读硕士，中国民航大学，研究方向：助航灯光清洗技术。