CN102841182A - 干冰清洗试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种干冰清洗试验机，包括液态二氧化碳供给设备、压缩空气供给设备、干冰生成管、压缩空气管和清洗喷嘴管；所述干冰生成管的进口端与液态二氧化碳供给设备相连通，干冰生成管的出口端与压缩空气管相连通；所述压缩空气管的进口端与压缩空气供给设备相连通，干冰生成管的出口端与压缩空气管内通道相连通、且干冰生成管与压缩空气管之间的夹角为45度，压缩空气管的出口端与清洗喷嘴管相连通；本发明是根据二氧化碳物化性质，热力学原理以及干冰清洗特点研制出一种适用于隧道干冰清洗试验的清洗设备，运用该设备可对隧道干冰清洗的可行性、清洗效果和混凝土表面损伤进行试验，对干冰清洗隧道的机理进行研究。

Description

干冰清洗试验机

技术领域

本发明涉及一种清洗隧道的试验方法，尤其涉及一种利用干冰清洗隧道的试验方法。

  

背景技术

近年来，随着我国交通基础设施建设规模的逐步扩大，公路建设迅猛发展，隧道里程占路线总里程的比例也越来越大。截至2008年底我国高速公路通车总里程已经达到6万公里，隧道里程接近3000公里。重庆市近几年来高速公路建设飞速发展，到2009年底高速公路通车里程以突破1500公里，由于地处西南山区，重庆高速公路隧道比例更大，并且很多隧道均为长大隧道。

隧道特别是长大隧道，汽车运行排放的尾气不易扩散，扬尘、油污会越积越多，致使隧道产生严重污染，隧道土建结构表面、机电设备及装饰等会覆盖一层灰尘和油污。如果不及时清洁，随着时间的推移，隧道的照明、交通信号灯等会变暗；隧道空气质量会恶化，产生各种臭气及有毒气体；隧道机电设备易老化而发生故障；隧道土建结构内管缺陷不易探测和维护，影响隧道使用寿命。所有这些都会给隧道行车带来极大的安全隐患。

隧道是高速公路的咽喉，隧道的通行效率严重制约着高速公路的使用效率。通常隧道的清洗会暂时关闭单洞的通行，导致另一洞通行压力增大，严重影响隧道的通行效率。目前国内一些长大隧道定期开展清洗工作，主要清洗方法有：人工清洗法、滚刷式化学药剂清洗法、高压水射流清洗法等。人工清洗法由清洗人员用化学药剂对隧道土建结构、机电设备及装饰等进行清洗。这种清洗方法不仅劳动强度大、清洗效率很低、清洗质量差、环境污染大，而且化学药剂对清洗人员的身体健康有较大的危害。滚刷式清洗方法主要是用机器代替人工采用化学药剂对隧道进行清洁。这种方法有效提高了清洗效率，但是由于清洗死角的存在，清洗质量较差，同时化学清洗剂清洗排污废水会对环境造成污染。高压水射流清洗技术是通过高压水发生装置将水加压至数十个到上千个大气压，然后通过具有细小孔径的喷射装置将水转换为高速的微细水射流。这种水射流的速度一般都在一倍马赫数以上，这种具有高能量、高速度的水流正向或切向冲击物体表面，可以完成隧道的清洁维护工作。但是水射流具有较大的能量，清洗过程中易对清洗对象产生破坏。清洗以水为介质，隧道湿度增大，对机电设备危害很大。

高效、安全、环保、无水的隧道清洗技术是隧道清洗技术的发展方向。因此，为了确保隧道“安全、舒适、畅通”，造就优美的通行环境，有必要采取高效、安全、环保的隧道清洗技术对隧道土建结构及机电设备进行按需清洗，保障隧道行车安全及延长隧道使用寿命。

干冰清洗技术是一种高效、低耗、环保、无二次污染的清洗技术。干冰清洗技术是将具有一定压力的压缩空气和干冰颗粒混合后喷射到被清洗物表面，利用干冰颗粒本身具有的低温和高速运动产生的冲量使得污秽物龟裂，干冰颗粒快速升华产生的体积膨胀使污秽物剥离被清洗物表面。但是，对干冰清洗时混凝土表面空隙、表面温度、混凝土单轴抗压强度及清洗效果等没有相应的试验研究，干冰是否可用于对隧道混凝土进行清洗尚无相应的理论数据支持。

 

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种用于隧道干冰清洗实验研究的清洗试验设备，运用该设备可对隧道干冰清洗的可行性、清洗效果和混凝土表面损伤进行试验，对干冰清洗隧道的机理进行研究，对干冰应用于隧道清洗提供更为真实的理论支持和技术指导。

本发明采用的技术方案如下：

干冰清洗试验机，包括液态二氧化碳供给设备、压缩空气供给设备、干冰生成管、压缩空气管和清洗喷嘴管；

所述干冰生成管的进口端与液态二氧化碳供给设备相连通，干冰生成管的出口端与压缩空气管相连通；干冰生成管为两端大、中间小的结构，干冰生成管的进口端的管径为4.25~5.75mm，干冰生成管的出口端的管径为8.5~11.5mm，干冰生成管中间位置的管径逐渐减小至1.7~2.3mm后，再逐渐增大；

所述压缩空气管的进口端与压缩空气供给设备相连通，干冰生成管的出口端与压缩空气管内通道相连通、且干冰生成管与压缩空气管之间的夹角为45度，压缩空气管的出口端与清洗喷嘴管相连通；压缩空气管的进口端与出口端的管径均为8.5~11.5mm，在靠近压缩空气管与干冰生成管相连通的位置、压缩空气管的管径逐渐减小至4.25~5.75mm，然后再逐渐增大，压缩空气管收缩段的长度为42.5~57.5mm。

所述清洗喷嘴管与压缩空气管相连通的一端的管径为8.5~11.5mm，清洗喷嘴管的另一端的管径逐渐减小至2.55~3.45mm，然后再逐渐增大至4.25~5.75mm。

进一步，所述压缩空气管包括压缩空气管a和压缩空气管b，压缩空气管a和压缩空气管b的进口端均与压缩空气供给设备相连通，压缩空气管a的出口端与压缩空气管b内通道相连通、且压缩空气管a与压缩空气管b之间的夹角为45度；所述干冰生成管包括干冰生成管a和干冰生成管b，干冰生成管a和干冰生成管b平行设置，干冰生成管a和干冰生成管b的进口端均设有与液态二氧化碳供给设备相连通，干冰生成管a的出口端与压缩空气管b内通道相连通、且干冰生成管a与压缩空气管b之间的夹角呈45度，干冰生成管b的出口端与压缩空气管b内通道相连通、且干冰生成管b与压缩空气管b之间的夹角呈45度。

更进一步，在靠近压缩空气管a与压缩空气管b相连通的位置、压缩空气管a的管径逐渐减小至4.25~5.75mm，然后再逐渐增大，压缩空气管收缩段的长度为42.5~57.5mm。

更进一步，所述液态二氧化碳供给设备为液体二氧化碳常温钢瓶或液体二氧化碳低温绝热钢瓶。

更进一步，所述压缩空气供给设备为空气压缩机。

更进一步，在压缩空气管的进口端设有压力表和调节器；在干冰生成管的进口端设有流量控制装置。

更进一步，在压缩空气管、干冰生成管和清洗喷嘴管的外周均包裹有隔热层，该隔热层为隔热材料制成。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明是根据二氧化碳物化性质，热力学原理以及干冰清洗特点研制出的一种适用于隧道的干冰清洗试验的试验设备，运用该设备可对隧道干冰清洗的可行性、清洗效果和混凝土表面损伤进行研究，对干冰清洗隧道的机理进行研究，本发明喷出的干冰为质地较软，粒径较小，密度低的干冰沙，有利于清洗混凝土表面，且不损伤混凝土，降低干冰微爆对混凝土表面空隙、裂隙的影响。

2、本发明干冰生成管为两头大中间小的结构，可直接将液态二氧化碳通过节流膨胀原理，使高压过冷的液态二氧化碳通过节流膨胀元件（节流膨胀元件为小孔节流元件）喷出，急速膨胀降压，一部分液态二氧化碳吸收热量气化，使得一部分液态二氧化碳快速冷凝为固体的干冰微粒，在出口处形成气固两相流。

3、清洗喷嘴管采用拉伐尔喷管原理，压缩空气与干冰的混合气固两相流在该管加速至超音速，并对混凝土表面进行清洗。

4、本发明试验机为达到清洗对干冰更大的用量要求，采用两次干冰生成并同时导入清洗流路中。

 

附图说明

图1为本发明隧道干冰清洗试验机结构示意图；

图2为压缩空气管结构示意图；

图3为干冰生成管结构示意图；

图4为清洗喷嘴管结构示意图；

图5为采用两次干冰生成的结构示意图。

  

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

参见图1和图3，隧道干冰清洗试验机包括液态二氧化碳供给设备4、压缩空气供给设备5、干冰生成管1、压缩空气管2和清洗喷嘴管3。

干冰生成管1的进口端设有与液态二氧化碳供给设备4相连通的接口，该接口通过金属软管与液态二氧化碳供给设备4连接，液态二氧化碳供给设备4为液体二氧化碳常温钢瓶或液体二氧化碳低温绝热钢瓶，液态二氧化碳供给设备4的出口压力为2.5MPa。干冰生成管1的出口端与压缩空气管2相连通。干冰生成管1为两端大、中间小的结构，干冰生成管1的进口端的管径为4.25~5.75mm，干冰生成管1的出口端的管径为8.5~11.5mm，干冰生成管1中间位置的管径逐渐减小至1.7~2.3mm后，再逐渐增大。采用该结构可直接将液态二氧化碳通过节流膨胀原理，使高压过冷的液态二氧化碳通过节流膨胀元件（节流膨胀元件为小孔节流元件）喷出，急速膨胀降压，一部分液态二氧化碳吸收热量气化，使得一部分液态二氧化碳快速冷凝为固体的干冰微粒或干冰沙，在干冰生成管1的出口端处形成气固两相流。

参见图2，压缩空气管2的进口端设有与压缩空气供给设备5相连通的接口，该接口为插入式接口，压缩空气供给设备5为空气压缩机，本实施例中，空气压缩机的功率为1.5KW、容积流量0.1m³/min、排气压力0.7MPa。压缩空气管2采用标准的空气压缩机气管连接方式与空气压缩机连接。干冰生成管1的出口端与压缩空气管2内通道相连通、且干冰生成管1与压缩空气管2之间的夹角为45度，压缩空气管2的出口端与清洗喷嘴管3相连通。压缩空气管2的进口端与出口端的管径均为8.5~11.5mm，在压缩空气管2上，靠近压缩空气管2与干冰生成管1相连通的位置，压缩空气管2的管径逐渐减小至4.25~5.75mm，然后再逐渐增大，压缩空气管2收缩段的长度为42.5~57.5mm。利用文丘里管负压原理，将干冰生成管产生的干冰导入压缩空气流路中，并充分混合，以利于清洗作业。压缩空气由空气连接管进入压缩空气管2，高速流动的压缩空气在压缩空气管2中、压缩空气管2与干冰生成管1的连接处产生负压，将干冰生成管产生的干冰吸入清洗流路（即清洗喷嘴管3）中，充分混合后经过清洗喷嘴喷出。

参见图4：清洗喷嘴管3与压缩空气管2相连通的一端的管径为8.5~11.5mm，清洗喷嘴管的另一端的管径逐渐减小至2.55~3.45mm，然后再逐渐增大至4.25~5.75mm。清洗喷嘴管3采用拉伐尔喷管原理，压缩空气与干冰的混合气固两相流在该管加速至超音速，并对混凝土表面进行清洗。

参见图5：为了满足清洗对干冰更大的用量要求，本发明更优选的一种技术方案为：压缩空气管2设置为两根，包括压缩空气管a21和压缩空气管b22，压缩空气管a21和压缩空气管b22的进口端均与压缩空气供给设备5相连通，压缩空气管a21的出口端与压缩空气管b22内通道相连通、且压缩空气管a21与压缩空气管b22之间的夹角为45度。干冰生成管1包括干冰生成管a11和干冰生成管b12，干冰生成管a11和干冰生成管b12平行设置，干冰生成管a11和干冰生成管b12的进口端均设有与液态二氧化碳供给设备4相连通的接口，干冰生成管a11的出口端与压缩空气管b22的内通道相连通、且干冰生成管a11与压缩空气管b22之间的夹角呈45度，干冰生成管b12的出口端与压缩空气管b22的内通道相连通、且干冰生成管b12与压缩空气管b22之间的夹角呈45度。在靠近压缩空气管a与压缩空气管b相连通的位置、压缩空气管a的管径逐渐减小至4.25~5.75mm，然后再逐渐增大，压缩空气管a收缩段的长度为42.5~57.5mm。该结构采用两次干冰生成并同时导入压缩空气管b22中的清洗流路中，压缩空气管b22中的压缩空气通入流路后，在干冰生成管（干冰生成管a和干冰生成管b）与压缩空气管b22的连通处产生负压，将干冰生成管1生成的干冰微粒以及二氧化碳气体导入流路中（即压缩空气管b中）。压缩空气管a21中的压缩空气空气与压缩空气管b中的混合气体混合后，通过文丘里管加速，再通过清洗喷嘴管的加速达到1.7-3.0马赫的清洗速度，喷出喷嘴清洗混凝土表面。

为了满足干冰清洗的要求，在压缩空气管2（包括压缩空气管a和压缩空气管b）的进口端设有压力表和调节器；在干冰生成管1（包括干冰生成管a和干冰生成管b）的进口端设有流量控制装置。

由于环境温度对干冰清洗试验机的清洗效率影响较大，在压缩空气管、干冰生成管和清洗喷嘴管的外周均包裹有隔热层，该隔热层为隔热材料制成。在与液态二氧化碳供给设备4连接的金属软管外也包裹有由隔热材料制成的隔热层，在与压缩空气供给设备5连接的管道外也包裹有由隔热材料制成的隔热层。

利用该隧道干冰清洗试验机进行干冰清洗隧道的试验方法，该方法包括如下步骤：

1）、制作隧道混凝土试件：制作多件100mm×100mm×100mm的正方体隧道混凝土试件，采取隧道现场的污泥、汽油和黄油混合后涂于隧道混凝土试件的被清洗面上，以模拟隧道污秽物。将涂有隧道污秽物的隧道混凝土试件在自然条件下晾干，并将其在现场同等湿度、温度等条件下养护28天。

2）、将在现场同等条件下养护28天后的隧道混凝土试件取回，试验中为保证实验数据的准确性，以3块隧道混凝土试件为一组，同等试验条件下做多组，最后取平均值进行分析计算。试验开始前选定隧道混凝土试件的被清洗面，并在被清洗面中心选定20mm×20mm的方形区域用于实验分析。为研究干冰微爆对混凝土表面损伤影响情况，采用两组试件对比试验：一组试件的被清洗面表面用隧道二衬同等标号水泥浆处理，使表面致密、光滑，无空隙；另一组试件不做处理，被清洗面有明显细微空隙。隧道混凝土试件侧面距被清洗面2mm处留3个深度为30mm、直径为2mm的小孔。

 3）、干冰清洗混凝土效果试验：对涂有污秽物的隧道混凝土试件的混凝土表面进行清洗，待清洗完成后拍照对比。清洗步骤如下：① 确认干冰清洗试验机各管连接完好，打开空气压缩机并充分预热后关闭排气阀，空气压缩机内空气压力达到0.7MPa后开启干冰清洗试验机空气进气阀门。②待空气沿干冰清洗喷嘴喷出并稳定后打开液态二氧化碳气瓶阀门和干冰清洗试验机液态二氧化碳流路阀门。③干冰清洗喷嘴出口处明显看到干冰颗粒喷出后，将喷嘴移到距离试件被清洗面约15mm处，保持角度在75°至85°之间。清洗过程中清洗喷嘴与被清洗面距离保持稳定；喷嘴移动平稳、匀速；被清洗面各点清洗时间均匀。

4）、干冰清洗对混凝土表面损伤试验：干冰清洗时间一般在10s内完成，为了更加准确的分析干冰清洗是否会对混凝土表面造成损伤，本次实验根据步骤3）中的清洗步骤，分别设定清洗时间为0秒、10秒、20秒和30秒四个清洗时间梯度进行对比试验，在清洗过程中用高清摄像机对清洗面拍照，拍照过程中保持亮度一致，并采用MATLAB灰度二值图分析模块对所拍照片进行处理分析；

5）、混凝土单轴抗压强度试验：根据步骤3）中的清洗步骤对相同条件的隧道混凝土试件进行相应时间清洗试验，清洗试验完成后，立即将试件放到MTS815岩石力学实验系统中进行单轴抗压强度试验测试，并记录数据；

6）、混凝土表面温度变化对比试验：根据步骤3）中的清洗步骤对混凝土表面进行连续清洗，在清洗过程中，采用TM330 红外温度计快速测量混凝土同一点温度，并记录；在试验30秒时采用TM330 红外温度计测试距隧道混凝土试件被清洗面2mm处、且位于隧道混凝土试件侧面的小孔底管温度，并记录。

7）清洗试验完成后先关闭液态二氧化碳气瓶阀门，再关闭干冰清洗试验机液态二氧化碳进气阀门，约2分钟后关闭空气压缩机电源，待空压机内气压恢复常压后关闭干冰清洗机进气阀门；打开空压机排水阀门排除水后关闭；试验结束。

本发明采用拭擦法判别试件是否清洗干净，在试件涂污前、清洗后分别用白色湿巾擦拭混凝土表面，来回拭擦5次，若湿巾上无明显污物且前后对比无差异则判定为清洗干净，对湿巾上的污物进行前后对比分析。

由上述实验方法可以得出，干冰清洗隧道包括如下反应步骤：①温差龟裂效应：当干冰颗粒接触隧道表面（混凝土）时吸热升华，使得污秽物温度急剧降低，由于混凝土与污秽物的的热膨胀系数不同，使得污秽物脆化、龟裂，同时降低其机械性能。②能量转移：干冰颗粒高速运动到混凝土表面发生撞击，干冰瞬间升华，吸收大量热量，实现动能和热能的转换。③干冰微爆：干冰碎粒进入污秽物裂隙，迅速升华体积瞬间发生膨胀至800倍左右，造成微型爆炸，污秽物被剥离混凝土表面。干冰清洗的热冲击只发生在污秽物与基体结合的表面，对被清洗物无损伤。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.干冰清洗试验机，其特征在于，包括液态二氧化碳供给设备、压缩空气供给设备、干冰生成管、压缩空气管和清洗喷嘴管；

所述干冰生成管的进口端与液态二氧化碳供给设备相连通，干冰生成管的出口端与压缩空气管相连通；干冰生成管为两端大、中间小的结构，干冰生成管的进口端的管径为4.25~5.75mm，干冰生成管的出口端的管径为8.5~11.5mm，干冰生成管中间位置的管径逐渐减小至1.7~2.3mm后，再逐渐增大；

所述压缩空气管的进口端与压缩空气供给设备相连通，干冰生成管的出口端与压缩空气管内通道相连通、且干冰生成管与压缩空气管之间的夹角为45度，压缩空气管的出口端与清洗喷嘴管相连通；压缩空气管的进口端与出口端的管径均为8.5~11.5mm，在靠近压缩空气管与干冰生成管相连通的位置、压缩空气管的管径逐渐减小至4.25~5.75mm，然后再逐渐增大，压缩空气管收缩段的长度为42.5~57.5mm；

所述清洗喷嘴管与压缩空气管相连通的一端的管径为8.5~11.5mm，清洗喷嘴管的另一端的管径逐渐减小至2.55~3.45mm，然后再逐渐增大至4.25~5.75mm。

2.根据权利要求1所述的干冰清洗试验机，其特征在于，所述压缩空气管包括压缩空气管a和压缩空气管b，压缩空气管a和压缩空气管b的进口端分别与压缩空气供给设备相连通，压缩空气管a的出口端与压缩空气管b内通道相连通、且压缩空气管a与压缩空气管b之间的夹角为45度；所述干冰生成管包括干冰生成管a和干冰生成管b，干冰生成管a和干冰生成管b平行设置，干冰生成管a和干冰生成管b的进口端均与液态二氧化碳供给设备相连通，干冰生成管a的出口端与压缩空气管b内通道相连通、且干冰生成管a与压缩空气管b之间的夹角呈45度，干冰生成管b的出口端与压缩空气管b的内通道相连通、且干冰生成管b与压缩空气管b之间的夹角呈45度。

3.根据权利要求2所述的干冰清洗试验机，其特征在于，在靠近压缩空气管a与压缩空气管b相连通的位置、压缩空气管a的管径逐渐减小至4.25~5.75mm，然后再逐渐增大，压缩空气管收缩段的长度为42.5~57.5mm。

4.根据权利要求1、2或3所述的干冰清洗试验机，其特征在于，所述液态二氧化碳供给设备为液体二氧化碳常温钢瓶或液体二氧化碳低温绝热钢瓶。

5.根据权利要求1、2或3所述的干冰清洗试验机，其特征在于，所述压缩空气供给设备为空气压缩机。

6.根据权利要求1、2或3所述的干冰清洗试验机，其特征在于，在压缩空气管的进口端设有压力表和调节器；在干冰生成管的进口端设有流量控制装置。

7.根据权利要求6所述的干冰清洗试验机，其特征在于，在压缩空气管、干冰生成管和清洗喷嘴管的外周均包裹有隔热层，该隔热层为隔热材料制成。

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