超臨界CO2清洗釜結(jié)構(gòu)優(yōu)化及流場(chǎng)模擬

宋天舒 胡德棟

（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）

清洗零部件的方法通常有有機(jī)溶劑清洗、化學(xué)清洗、噴射清洗、高溫清洗和超聲波清洗［1］，目前超臨界CO2清洗技術(shù)在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。 Aslanidou D等對(duì)利用了超臨界CO2的紡織品清洗進(jìn)行了優(yōu)化，壓力15MPa、溫度40℃時(shí)其清洗效率可達(dá)99%［2］；Li M Z等使用超臨界CO2與熱清洗作為預(yù)處理來清除廢棄發(fā)動(dòng)機(jī)部件上的油污，然后進(jìn)行高壓水清洗和超聲波清洗去除預(yù)處理殘留物，結(jié)果表明此方法為再造低熔點(diǎn)鋁零件的理想選擇［3］；Li M Z等進(jìn)行了超臨界CO2去除廢舊金屬零件的表面污染物實(shí)驗(yàn)研究， 溫度75℃和壓力25.0MPa時(shí)其清洗效率為89.3%，在清理柴油機(jī)表面積碳時(shí)，清洗效果良好且不會(huì)影響表面特性［4，5］； Aslanidou D等以超臨界CO2配以氫氧化鈣懸濁液為助溶劑對(duì)紡織品進(jìn)行清洗，該方法最大程度地減少了CO2和能耗［6］；Ventosa C等研究了基于SiOC的多孔材料蝕刻和光致抗蝕劑等離子體灰化工藝的超臨界CO2清洗效率， 結(jié)果表明可以有效去除氧化銅和殘留物，從而避免銅點(diǎn)腐蝕［7］；Porta G D等開發(fā)了一種基于超臨界混合物 （CO2和有機(jī)溶劑） 清潔雕刻輥的新技術(shù)， 在15MPa和40℃下清洗40～60min效果最好［8］；Ito T等利用超臨界CO2取出空氣過濾器中的鄰苯二甲酸二辛酯， 得出最佳工藝條件為在20MPa和40℃下清潔120min［9］；黃洛俊等采用了一種噴嘴式超臨界CO2清洗方法來清洗CMOS圖像傳感器， 結(jié)果顯示直徑大于300nm的顆粒污染物可被有效清除［10］；張廣豐等利用超臨界CO2結(jié)合超聲波對(duì)鈾機(jī)加工后切屑上殘留的冷卻液進(jìn)行清洗，冷卻液的最大去除率可達(dá)到99.7%［11］；董亞洲提出一種超臨界CO2預(yù)處理+濕噴丸清洗的復(fù)合清洗方法， 介紹了超臨界CO2預(yù)處理的機(jī)理及其影響因素［12］；陳海焱等介紹了核設(shè)施退役設(shè)備表面放射性污染去污的需求和超臨界流體的特性，從原理上說明超臨界流體可能是極具開發(fā)潛力的放射性去污新技術(shù)［13］；高超群等提出了一種綠色CO2超流體半導(dǎo)體清洗設(shè)備,它能實(shí)現(xiàn)超流體清洗和超臨界干燥,而且CO2可循環(huán)使用,屬于新型高效的下一代綠色半導(dǎo)體清洗設(shè)備［14］。

目前，超臨界CO2清洗技術(shù)應(yīng)用廣泛，但對(duì)其清洗設(shè)備的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，盡管清洗釜結(jié)構(gòu)大多與萃取釜結(jié)構(gòu)類似，卻未能充分利用釜內(nèi)流場(chǎng)來提高清洗效果。 為此，筆者設(shè)計(jì)了一種新式超臨界CO2清洗釜，并利用UG對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行建模，利用ICEM CFD定義邊界條件和劃分網(wǎng)格， 最后利用FLUENT進(jìn)行流場(chǎng)模擬， 根據(jù)模擬結(jié)果評(píng)價(jià)該結(jié)構(gòu)是否有利于超臨界CO2清洗， 同時(shí)分別建立不同的超臨界CO2進(jìn)口直徑和進(jìn)口到清洗對(duì)象距離的模型，模擬、觀察這兩個(gè)參數(shù)對(duì)清洗釜內(nèi)部流場(chǎng)的影響。

1 超臨界CO2清洗釜結(jié)構(gòu)優(yōu)化

傳統(tǒng)超臨界CO2清洗釜與超臨界CO2萃取釜結(jié)構(gòu)相同，清洗對(duì)象所處的區(qū)域往往位于低速區(qū)域，不利于清洗。 余躍等對(duì)傳統(tǒng)超臨界CO2清洗釜進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化， 采用隔板結(jié)構(gòu)改變流場(chǎng)分布，提高了清洗對(duì)象附近的速度， 但效果不明顯［15］；靳光亞等將清洗釜進(jìn)口設(shè)計(jì)成微小噴嘴通道，并進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明清洗對(duì)象表面會(huì)受到超臨界CO2流體一定的沖刷，流動(dòng)狀態(tài)良好，但該設(shè)備只能清洗硅晶片且無法實(shí)現(xiàn)360°清洗［16］。

筆者設(shè)計(jì)了一種新式超臨界CO2清洗釜 （圖1）， 它的結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要體現(xiàn)于將超臨界CO2進(jìn)口上移并靠近清洗對(duì)象。 該清洗釜直徑320mm、高度600mm，料框直徑120mm、高度130mm，進(jìn)口直徑D=10mm， 進(jìn)口到清洗對(duì)象之間的距離d=65mm。 磁力攪拌器通過法蘭盤和螺栓固定在上封頭上，料框通過傳動(dòng)軸連接于上封頭，磁力攪拌器通過傳動(dòng)軸可使料框旋轉(zhuǎn)，上封頭、筒體通過卡箍連接，方便拆卸，利于簡(jiǎn)化清洗對(duì)象放入/取出的過程， 下封頭與筒體以焊接的方式連接；料框主要由上方2塊移動(dòng)板、 下方1塊固定板和4根立柱組成，上方的2塊移動(dòng)板通過螺母與4根立柱連接，螺母擰松后可根據(jù)夾持清洗對(duì)象的大小將移動(dòng)板沿立柱上下調(diào)整， 下方固定板與4根立柱焊接固定； 超臨界CO2進(jìn)口從外界伸入清洗釜內(nèi)部并分為4個(gè)進(jìn)口，與料框位置對(duì)應(yīng)，噴出的超臨界CO2可將清洗對(duì)象正對(duì)進(jìn)口的一面完全覆蓋，再配合磁力攪拌器帶動(dòng)清洗對(duì)象轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)360°清洗，而超臨界CO2出口位于筒體上部；溫度表與壓力表安裝在上封頭上，可實(shí)時(shí)測(cè)量釜內(nèi)溫度和壓力。

2 超臨界CO2清洗釜流場(chǎng)模擬

2.1 幾何模型及邊界條件

圖1 超臨界CO2清洗釜結(jié)構(gòu)示意圖

利用UG建立超臨界CO2清洗釜內(nèi)部流場(chǎng)幾何模型（圖2），將攪拌槳部分設(shè)置為區(qū)域一，剩余區(qū)域設(shè)置為區(qū)域二，再設(shè)置一個(gè)圓柱面將攪拌槳包裹，被包裹的區(qū)域?yàn)閰^(qū)域三。 利用布爾運(yùn)算，將區(qū)域二減去區(qū)域三且保留區(qū)域三——定義為靜區(qū)域，將區(qū)域三減去區(qū)域一且不保留區(qū)域一——定義為動(dòng)區(qū)域； 將靜區(qū)域減去攪拌軸并保留攪拌軸、將動(dòng)區(qū)域減去攪拌軸且不保留攪拌軸。 利用ICEM CFD定義邊界條件：動(dòng)區(qū)域定義為fluid1，靜區(qū)域定義為fluid2；超臨界CO2進(jìn)口定義為in，超臨界CO2出口定義為out；動(dòng)、靜區(qū)域交換面分別定義為interface1、interface2，其余邊界定義為wall。

圖2 超臨界CO2清洗釜內(nèi)部流場(chǎng)幾何模型

2.2 網(wǎng)格劃分及湍流模型

采用六面體網(wǎng)格對(duì)清洗釜幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域進(jìn)行加密，靜網(wǎng)格數(shù)量與動(dòng) 網(wǎng) 格 數(shù) 量 分 別 為187 634、323 423，221 956、374 926，263 833、401 872， 將 這3 組 數(shù) 據(jù) 導(dǎo) 入FLUENT進(jìn)行模擬對(duì)比（圖3），結(jié)果發(fā)現(xiàn)第2組和第3組的流場(chǎng)模擬幾乎相同，故最終采用第2組數(shù)據(jù)劃分動(dòng)、靜區(qū)域網(wǎng)格（圖4）。選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行求解，因清洗釜內(nèi)部溫度、壓力較穩(wěn)定，故可將超臨界CO2視為不可壓縮流體以簡(jiǎn)化計(jì)算模型，設(shè)置傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為1r/s， 超臨界CO2出口速度為10m/s，出口設(shè)置為自由出口。

圖3 清洗釜速度云圖網(wǎng)格模擬對(duì)比

圖4 清洗釜?jiǎng)印㈧o區(qū)域網(wǎng)格劃分

3 模擬結(jié)果分析

由圖5可以看出，將超臨界CO2進(jìn)口調(diào)整到與清洗對(duì)象對(duì)應(yīng)的位置后， 從4個(gè)進(jìn)口噴出的超臨界CO2在清洗對(duì)象附近的速度可達(dá)4m/s， 明顯高于流場(chǎng)其他位置， 并且清洗對(duì)象由料框帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，其側(cè)面也能被清洗。 另外，料框轉(zhuǎn)動(dòng)的速度較小，基本不影響超臨界CO2的沖刷清洗過程。

圖5 清洗釜兩個(gè)截面的速度云圖與矢量圖

為了具體分析清洗釜的優(yōu)化作用， 分別沿z軸在清洗對(duì)象靠近出口面和背面各建立一條參考線，對(duì)兩條參考線上的速度v、湍動(dòng)能k（下角1、2分別代表出口面和背面）進(jìn)行對(duì)比。 由圖6可以看出，v1整體比v2大， 說明受超臨界CO2進(jìn)口速度的影響，靠近出口面的流動(dòng)情況優(yōu)于背面，有利于提高清洗效果； 超臨界CO2進(jìn)口速度對(duì)湍動(dòng)能（k1、k2）的影響比對(duì)速度（v1、v2）的影響大，且4個(gè)k1峰值均出現(xiàn)在4個(gè)出口軸心上。 綜上，優(yōu)化的清洗釜中流場(chǎng)改善效果明顯。

圖6 清洗釜內(nèi)流場(chǎng)速度、湍動(dòng)能分布一

為了考察超臨界CO2進(jìn)口到清洗對(duì)象之間的距離d、 進(jìn)口直徑D對(duì)清洗釜內(nèi)部流場(chǎng)的影響，對(duì)不同超臨界CO2進(jìn)口到清洗對(duì)象之間的距離d（55、65、75mm）、進(jìn)口直徑D（5、10、15mm）進(jìn)行模擬，并取沿z軸在清洗對(duì)象靠近出口面的參考線進(jìn)行流場(chǎng)速度v、湍動(dòng)能k比較。 由圖7a、b可看出，距離d越小清洗對(duì)象附近的速度越大，但不同距離d下的速度分布規(guī)律幾乎相同； 距離d會(huì)改變湍動(dòng)能分布規(guī)律，距離d越小湍動(dòng)能分布越均勻（利于清洗）；d=55mm時(shí)的流場(chǎng)分布最利于清洗。 由圖7c、d可看出，進(jìn)口直徑D越大，清洗對(duì)象附近的速度越大，但分布越不均勻（不利于清洗）；湍動(dòng)能的分布規(guī)律與速度的相同；D=10mm時(shí)的流場(chǎng)分布最利于清洗。

圖7 清洗釜內(nèi)流場(chǎng)速度、湍動(dòng)能分布二

4 結(jié)論

4.1 優(yōu)化后的清洗釜清洗效果提升明顯，受超臨界CO2進(jìn)口速度的影響， 在靠近出口面的流動(dòng)情況優(yōu)于背面的，有利于提高清洗效果。

4.2 不同的超臨界CO2進(jìn)口到清洗對(duì)象之間的距離d和進(jìn)口直徑D會(huì)影響清洗對(duì)象附近的流場(chǎng)，當(dāng)d=55mm、D=10mm時(shí)， 流場(chǎng)分布最利于提升清洗效果。