大型熱交換器清潔度試驗雜質萃取方法的研究

尉武杰 蔣平灶 陳渭偉

關鍵詞：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雜的試驗方法。原理簡單是因為只要測出雜質的質量，依據一定要求進行百分比計算即可;操作復雜是因為試驗一方面會受到樣件本身結構的受限，另一方面會受限于測試環境，很難得到準確的雜質污染物數值。

關于清潔度檢測的國際標準有《Roadvehicles—Cleanliness ofcomponents offluid circuits》（ISO16232-2018）[1]和《InspectionofTechnicalCleanliness》（VDA19.1—2015）[2]，國內標準有《中小功率內燃機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

清潔度試驗的常規流程為：樣件及濾紙預處理—沖洗試樣—過濾雜質—烘干濾紙—干燥濾紙—稱重及尺寸分析。對于大型或者內部結構復雜的試樣，沖洗過程的有效性最難以控制。

1.2 常規清洗方法

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現的。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部結構的清潔。

1.2.2 超聲波清洗法

經由液體介質傳導的超聲波在20～400kHz的范圍內，通過機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備的清洗設備內進行。超聲波的清洗方式特別適用于難以被單獨處理的散裝小零件。

1.2.3 灌洗法

灌洗法可對試樣進行貫通沖洗內表面的清洗。為了保證雜質顆粒的有效分離，測樣內部的清洗液流動應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現。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，顆粒從內部檢測表面上剝離并進入到液體中。另外，晃動還會從各個方向對附著的顆粒產生液體作用力。

2 試驗過程

2.1 試驗方案

以某水箱為例，研究人員采用常規清洗方法進行逐一論證，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。按照歷史檢測結果，其質量水平大概在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部進行1次沖洗，然后分別往每個水箱內部加入50mg的鋁屑，并分別選用高壓沖洗法、灌洗法、晃動法對其進行清洗，然后按照流程對清洗雜質進行稱重。清潔度測試結果及過程參數如表1所示。

2.2 結果分析

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

（1）高壓沖洗。由于水箱內部結構復雜，翅片較密，只在入口處有壓力。清洗液無法對其內部雜質進行有效沖刷，導致雜質顆粒粘附在試件內壁無法流出。測試結果的可控性較差。

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

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

綜上分析，針對大型熱交換器等這類體積大、內部結構復雜的試樣，晃動萃取法為最切實可行的方案，但需要優化測試方案。

2.3 試驗方案的選擇與優化

2.3.1 雜質提取有效性評價方法

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

2.3.2 試驗操作步驟設計

結合上述試驗結果，研究人員對上述同型號水箱，采用晃動法，對試驗方案進行優化。如圖2所示，第1步，在水箱內倒入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生充分的機械效果，所以無法實現有效的清洗效果。在清洗液加注完后，通過前后、左右、扭轉等幾種方式，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行，或者采用自動化裝置進行輔助。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，沖淋內壁持續約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，研究人員應對同一試件先后進行6次沖洗，分別收集每次的雜質，然后結合國際標準《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）中雜質萃取方法進行有效性評價。如果每次清洗后得到的雜質質量是遞減的，則可認為該沖洗方法有效。

2.3.3 優化后的實測結果

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，雜質的過濾、烘干、干燥、稱重均須按照上述標準要求來進行，在此不再詳細闡述。試驗最后得到的過濾雜質分布如圖4所示。雜質的萃取數值如表2所示。

3 試驗評價

通過表2中的測試數據可以看出，6次雜質萃取的結果呈遞減趨勢，如圖5所示。在完成第4次萃取時，萃取的有效性評價指標已經達到了10%以內，且雜質沖洗完成度達到了94%，該方法被證明實際有效。

4 總結

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

在晃動萃取法的實際操作過程中，對于部分人力無法完成晃動的試件，可以通過旋轉機構、吊機、振動臺等輔助機構完成晃動步驟，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果的偏差。

對于樣件進出口端的多樣性，可適當增加清洗步驟以達到排除雜質的目的。本文選用的試件一方面因為內部結構復雜，存在翅片;另一方面因為出水口低于內壁底面，導致大的雜質容易沉淀而無法流出，所以研究人員額外增加了進水口和出水口加注清洗液的步驟，以達到排出雜質的目的。

該文僅探索大型熱交換器的清洗方法，由于沒有合適的設備來比較超聲波萃取結果，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缺點及適用性進行分析。