超臨界CO2清洗釜結構優(yōu)化及流場模擬

宋天舒 胡德棟

（青島科技大學機電工程學院）

清洗零部件的方法通常有有機溶劑清洗、化學清洗、噴射清洗、高溫清洗和超聲波清洗［1］，目前超臨界CO2清洗技術在國內外得到了廣泛應用。 Aslanidou D等對利用了超臨界CO2的紡織品清洗進行了優(yōu)化，壓力15MPa、溫度40℃時其清洗效率可達99%［2］；Li M Z等使用超臨界CO2與熱清洗作為預處理來清除廢棄發(fā)動機部件上的油污，然后進行高壓水清洗和超聲波清洗去除預處理殘留物，結果表明此方法為再造低熔點鋁零件的理想選擇［3］；Li M Z等進行了超臨界CO2去除廢舊金屬零件的表面污染物實驗研究， 溫度75℃和壓力25.0MPa時其清洗效率為89.3%，在清理柴油機表面積碳時，清洗效果良好且不會影響表面特性［4，5］； Aslanidou D等以超臨界CO2配以氫氧化鈣懸濁液為助溶劑對紡織品進行清洗，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， 結果表明可以有效去除氧化銅和殘留物，從而避免銅點腐蝕［7］；Porta G D等開發(fā)了一種基于超臨界混合物 （CO2和有機溶劑） 清潔雕刻輥的新技術， 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結合超聲波對鈾機加工后切屑上殘留的冷卻液進行清洗，冷卻液的最大去除率可達到99.7%［11］；董亞洲提出一種超臨界CO2預處理+濕噴丸清洗的復合清洗方法， 介紹了超臨界CO2預處理的機理及其影響因素［12］；陳海焱等介紹了核設施退役設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［13］；高超群等提出了一種綠色CO2超流體半導體清洗設備,它能實現(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體清洗設備［14］。

目前，超臨界CO2清洗技術應用廣泛，但對其清洗設備的研究還遠遠不夠，盡管清洗釜結構大多與萃取釜結構類似，卻未能充分利用釜內流場來提高清洗效果。 為此，筆者設計了一種新式超臨界CO2清洗釜，并利用UG對內部流場進行建模，利用ICEM CFD定義邊界條件和劃分網格， 最后利用FLUENT進行流場模擬， 根據(jù)模擬結果評價該結構是否有利于超臨界CO2清洗， 同時分別建立不同的超臨界CO2進口直徑和進口到清洗對象距離的模型，模擬、觀察這兩個參數(shù)對清洗釜內部流場的影響。

1 超臨界CO2清洗釜結構優(yōu)化

傳統(tǒng)超臨界CO2清洗釜與超臨界CO2萃取釜結構相同，清洗對象所處的區(qū)域往往位于低速區(qū)域，不利于清洗。 余躍等對傳統(tǒng)超臨界CO2清洗釜進行了結構優(yōu)化， 采用隔板結構改變流場分布，提高了清洗對象附近的速度， 但效果不明顯［15］；靳光亞等將清洗釜進口設計成微小噴嘴通道，并進行了數(shù)值模擬，結果表明清洗對象表面會受到超臨界CO2流體一定的沖刷，流動狀態(tài)良好，但該設備只能清洗硅晶片且無法實現(xiàn)360°清洗［16］。

筆者設計了一種新式超臨界CO2清洗釜 （圖1）， 它的結構優(yōu)化主要體現(xiàn)于將超臨界CO2進口上移并靠近清洗對象。 該清洗釜直徑320mm、高度600mm，料框直徑120mm、高度130mm，進口直徑D=10mm， 進口到清洗對象之間的距離d=65mm。 磁力攪拌器通過法蘭盤和螺栓固定在上封頭上，料框通過傳動軸連接于上封頭，磁力攪拌器通過傳動軸可使料框旋轉，上封頭、筒體通過卡箍連接，方便拆卸，利于簡化清洗對象放入/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塊移動板、 下方1塊固定板和4根立柱組成，上方的2塊移動板通過螺母與4根立柱連接，螺母擰松后可根據(jù)夾持清洗對象的大小將移動板沿立柱上下調整， 下方固定板與4根立柱焊接固定； 超臨界CO2進口從外界伸入清洗釜內部并分為4個進口，與料框位置對應，噴出的超臨界CO2可將清洗對象正對進口的一面完全覆蓋，再配合磁力攪拌器帶動清洗對象轉動，實現(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，可實時測量釜內溫度和壓力。

2 超臨界CO2清洗釜流場模擬

2.1 幾何模型及邊界條件

圖1 超臨界CO2清洗釜結構示意圖

利用UG建立超臨界CO2清洗釜內部流場幾何模型（圖2），將攪拌槳部分設置為區(qū)域一，剩余區(qū)域設置為區(qū)域二，再設置一個圓柱面將攪拌槳包裹，被包裹的區(qū)域為區(qū)域三。 利用布爾運算，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——定義為動區(qū)域； 將靜區(qū)域減去攪拌軸并保留攪拌軸、將動區(qū)域減去攪拌軸且不保留攪拌軸。 利用ICEM CFD定義邊界條件：動區(qū)域定義為fluid1，靜區(qū)域定義為fluid2；超臨界CO2進口定義為in，超臨界CO2出口定義為out；動、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清洗釜內部流場幾何模型

2.2 網格劃分及湍流模型

采用六面體網格對清洗釜幾何模型進行網格劃分，對動網格區(qū)域進行加密，靜網格數(shù)量與動 網 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 入FLUENT進行模擬對比（圖3），結果發(fā)現(xiàn)第2組和第3組的流場模擬幾乎相同，故最終采用第2組數(shù)據(jù)劃分動、靜區(qū)域網格（圖4）。選用標準k-ε模型進行求解，因清洗釜內部溫度、壓力較穩(wěn)定，故可將超臨界CO2視為不可壓縮流體以簡化計算模型，設置傳動軸轉速為1r/s， 超臨界CO2出口速度為10m/s，出口設置為自由出口。

圖3 清洗釜速度云圖網格模擬對比

圖4 清洗釜動、靜區(qū)域網格劃分

3 模擬結果分析

由圖5可以看出，將超臨界CO2進口調整到與清洗對象對應的位置后， 從4個進口噴出的超臨界CO2在清洗對象附近的速度可達4m/s， 明顯高于流場其他位置， 并且清洗對象由料框帶動旋轉，其側面也能被清洗。 另外，料框轉動的速度較小，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軸在清洗對象靠近出口面和背面各建立一條參考線，對兩條參考線上的速度v、湍動能k（下角1、2分別代表出口面和背面）進行對比。 由圖6可以看出，v1整體比v2大， 說明受超臨界CO2進口速度的影響，靠近出口面的流動情況優(yōu)于背面，有利于提高清洗效果； 超臨界CO2進口速度對湍動能（k1、k2）的影響比對速度（v1、v2）的影響大，且4個k1峰值均出現(xiàn)在4個出口軸心上。 綜上，優(yōu)化的清洗釜中流場改善效果明顯。

圖6 清洗釜內流場速度、湍動能分布一

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

圖7 清洗釜內流場速度、湍動能分布二

4 結論

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

4.2 不同的超臨界CO2進口到清洗對象之間的距離d和進口直徑D會影響清洗對象附近的流場，當d=55mm、D=10mm時， 流場分布最利于提升清洗效果。