清洗过程中的基本物理作用

一、吸附作用

利用污垢对不同的物质表面亲和力的差别，在气体或流体介质中将污垢从原来附着的物体表面转移到另一物质表面，达到去除污垢的目的，这种清洗过程叫做吸附清洗。适合这种目的而使用的物质叫吸附剂，被吸附的物质（去除的污垢）叫吸附物。

1.固体表面的吸附特性

能够吸附气体或溶液中的溶质是固体表面的一种特征性质。一种物质以原子或分子形式附着在另一种物质表面上的现象称为吸附。吸附在工业生产和日常生活中都有着许多应用。例如工业上利用吸附作用精炼石油和植物油，干燥、脱水、分离回收气体和液体，使糖或其他带色物质脱色，滤除空气中有害的毒气等，都是吸附特性的应用。

固体能将气体分子或液体分子吸附到自己表面上，这是与固体表面具有过剩的能量（表面能）有关。固体表面的质点与液体表面的质点一样处于受力不平衡状态。固体内部的每个微粒（原子、分子和离子）在各个方向上都被相同的微粒包围着，它们之间作用力相等，处于平衡状态。但固体表面上的各个粒子与气相或溶液接触的向外一方的吸引力并没有被平衡，存在剩余的力场。这种不平衡的力场，可以通过吸附别的分子而得到某种程度的补偿，从而使固体表面能降低。因此固体表面都具有自动吸附那些能够降低它表面能量的物质。固体表面积越大，表面能量越高，吸附的趋势也越强。由于气体（或溶质）被吸附可看作是一个液化过程，所以吸附过程都是放热的过程。

2.物理吸附和化学吸附的特点

吸附按作用力的性质分可为物理吸附与化学吸附两类。

（1）物理吸附

如果固体表面的质点所有的化学结合力已被相邻质点所饱和，这时固体表面的质点和吸附物之间只能靠分子间作用力（范德华力）相互吸引。这类吸附称为物理吸附。分子间引力是普遍存在于物质之间的一种作用力，根据性质的不同可分为取向力、极化力及色散力三种。

分子中的原子是由带正电的原子核和核外带负电的电子组成的。如果带正电荷的中

心与带负电荷的中心恰好重合，则这种分子叫做非极性分子，如氢气、氯气及二氧化碳分子。如正电中心与负电中心不相重合，则这种分子叫极性分子，如二氧化硫、氨和水分子等。分子中正负电荷中心相距越远，分子的极性越强。

在非极性分子之间只存在色散力，极性分子和非极性分子之间存在色散力和诱导力，在极性分子间存在色散力、诱导力和取向力。这些分子间作用力的总称为分子间力，又称范德华力，其中色散力是所有分子之间都存在的，一般也是最主要的分子间作用力。

分子间力的强度一般是化学键力的几十到几百分之一，随分子间距离的加大而迅速减小。分子间力普遍存在于各种分子之间，对物质的性质特别是熔点、沸点、溶解性等物理性质有很大影响。

靠分子间作用力产生的物理吸附有以下特点。

①无选择性由于分子间力是普遍存在于吸附剂与吸附物之间的，所以吸附剂可以对多种不同吸附物同时进行吸附而无法选择。

②越易液化的气体越易被吸附虽然物理吸附对吸附物无选择性，但吸附剂与不同吸附物之间分子间引力大小也不同，因此被同种吸附剂吸附的不同吸附物的数量却不同，一般说来其规律是越易液化的气体（即沸点较高的液体）越易被吸附。

③吸附热小由于物理吸附类似于气态分子的液化凝聚，所放的热相当于气体液化热，所以吸附热数值较小。

④吸附物可形成单分子层或多分子层在吸附剂表面靠分子间作用力形成一层吸附物后，由于分子间作用力起作用的距离范围小，所以吸附剂只对第一层吸附物有较强的吸引作用，而形成的第一层吸附物成为吸附第二层吸附物分子的障碍。一般第二层被吸附分子与吸附剂的结合力要比第一层结合力弱，因此吸附物往往只形成单分子吸附层。有时也可以形成多分子吸附层，则外层的形成主要是靠被吸附物质之间的分子间作用力相结合的。

⑤物理吸附是一个可逆过程把吸附物分子从固体表面解离下来重新回到气相或溶液的吸附逆过程叫解吸。解吸过程是一吸热过程。当吸附到一定时间以后，吸附和解吸的速度相同，在吸附剂的表面上被吸附物的数量不再变化，这种状态称为吸附平衡。

（2）化学吸附

如果固体表面的原子的化学结合力未完全被相邻原子所饱和，还有剩余的形成化学键的能力，则在吸附剂与吸附物之间可以发生电子转移，形成化学键。这种靠化学键结合的吸附称为化学吸附，化学吸附有以下特点。

①选择性由于吸附剂只与某些特定的吸附物发生化学键结合，所以化学吸附不能在所有物质间普遍发生，而是有选择性的。如氢气会被钩或镰的金属表面化学吸附，但它在铝和铜的表面则不发生化学吸附。

②吸附热大由于化学吸附相当于形成化学键的化学反应，因此化学吸附放的热与化学反应放的热相接近，而大于物理吸附热。

③只形成单分子层化学吸附的结合力是吸附剂与吸附物间的化学键，它只存在于吸附剂表面，因此只能在吸附剂表面形成吸附物的单分子层。

④难以形成吸附平衡当吸附剂与吸附物靠化学键结合后就难以解离，所以吸附和解吸都比物理吸附慢，达到吸附平衡也慢。

⑤物理吸附与化学吸附不是不相容的，而是随着外界条件变化相伴发生的，有的吸附在某种条件下是物理吸附，当条件改变时有可能转变成化学吸附，情况比较复杂。工业清洗中利用的吸附多是物理吸附。

3.清洗用吸附剂的基本条件

作为吸附剂，要求其具备的基本特性是与污垢有很强的亲和力而且本身有很大的吸附表面积。

（1）对污垢有很强的亲和力

吸附剂的表面与污垢之间可能存在物理和化学亲和力，这种亲和力包括分子间作用力、氢键力、静电引力以及化学键力。通常吸附剂表面分子与被吸附物之间是借分子作用力而吸附的，因为分子之间的作用力是普遍存在于物质之间的。但根据吸附剂与吸附物的种类不同，它们之间的分子间作用力的大小也不同。因此，同种吸附剂对不同物质的吸附能力的差别很大。在另一些情况下，当污垢粒子与吸附剂表面带有相反电荷时，也可靠静电引力结合而吸附。因此在选择吸附剂时要作具体分析，尽量选择与被吸附物之间亲和力大的吸附剂。例如擦拭物体表面的泥土和黑板上的粉笔灰，使用湿棉布效果较好，而擦拭去除工厂内机器表面上的油性污垢或其他加工产生的废屑，使用化纤干布反而效果好。由于棉布是亲水纤维织成，而合成纤维织成的布憎水性（亲油性）更好些。

判断物质表面的亲水性及亲油性的大小，通常采用测定接触角的方法。接触角示意图见图4-1。接触角的大小是由物质表面的物理性质决定的。如果说水滴在某一物质表面的接触角较大，而油滴在它的表面的接触角小，说明这种物质的亲油性大。因此在选择吸附剂时可根据污垢的亲水性、亲油性选择合适的吸附剂，如亲水性强的污垢应选择与它结合力大的亲水性吸附剂。

图4-1接触角示意图

图片P170页

（2）有较大的吸附表面积

在单位面积上吸附的污垢量总是有限的，只有吸附的总面积越大，吸附量才会增加，吸附效率才能提高。在体积一定的情况下，具有最大表面的物质，才适合作吸附剂。如纤维状物质，海绵状多孔性物质以及胶体粒子等都适合于这种应用。

工业上对吸附剂的要求是：单位表面积要大，吸附活性大。

单位表面积常以m²/g表示。吸附活性则用单位重量或单位体积的吸附剂所吸附的物质数量来表示，即g/g或g/cm³表示。常分为静活性和动活性两种指标。在一定温度下，当气相中吸附物的浓度保持一定的条件下达到的最大吸附量叫静平衡活性（静活性），而把达到吸附平衡时的最大吸附量叫动活性。活性值越高，说明吸附性能越好。

除以上条件以外，还要求吸附剂对吸附物有较高的吸附能力，有较高的吸附选择性，化学性质稳定等。

4.常用的污垢吸附剂

常用的吸附剂可分为纤维状吸附剂和多孔型吸附剂以及胶体粒子。纤维状吸附剂是天然或合成的细纤维，织成布状或毡状的物质。用聚乙烯纤维制成的毡布，可以吸附其本身质量的20〜25倍的重油或机器油，可以有效去除漂浮在水面的油膜。在清洗领域中使用的多孔性吸附剂有活性炭、沸石、膨润土、硅藻土、酸性白土、活性白土等。

（1）活性炭

活性炭是碳素的一种形态，是具有多孔结构的碳的综合名称，表面积为500-1000m²/g。外观为黑色无定形粉末或颗粒。相对密度约1.9〜2.1。表观密度因原料和制造方法之不同而异。

活性炭的孔结构非常复杂，形状各异，可将其分为微孔、过渡孔和大孔三类。有效半径低于1.8-2.0nm的视为微孔，在这些孔中不发生毛细凝聚。微孔体积大约为0.15〜0.50mL/g，其表面积占总表面积的95%。有效半径在2-100nm范围内的孔视为过渡孔，能发生毛细凝聚。过渡孔的体积约为0.02-0.10mL/g，其表面积占总表面积的5%。有效半径大于100nm的视为大孔活性炭。

所有的活性炭都具有多孔结构。大量的微小孔隙具有极大的内表面积，使活性炭具有良好的吸附性能，对异种物质的分子具有极强的吸着力。其吸附力的大小与异种物质的分子大小、化学性质以及活性炭的微孔容积、孔径分布和表面上的功能团（由氢、氧与碳结合而成的氧化物或含氧基团）的种类有关。

活性炭无臭、无味，与碱类、酸类均不起化学反应，不溶于水和普通溶剂。活性炭的表面是疏水性的，适合吸附各种非极性气体、色素、碳氢化合物以及多种有机化合物分子。特别是椰子壳制成的活性炭，孔隙度大。在理想情况下，1g这样的活性炭具有1000〜2500m²的表面积。

在活性炭的三类孔中，每一类都有其特殊的功能。对吸附来说微孔是最重要的，因为它具有很大的比表面积。过渡孔的功用是作为被吸附物质到微孔的通道。大孔的重要性主要是能使被吸附物的分子迅速地进入位于活性炭粒子更深处的内层细孔。

活性炭因制备工艺不同，其表面带有酸性基团或碱性基团，因而具有一定的吸附特性。其吸附特性表现在：容易吸附临界温度及沸点较高的物质；容易吸附分子链较长的物质；低温下有利于吸附。

在工业清洗工艺中，活性炭常用作有机溶剂的清洗回收，气体排放中杂质的吸收，液体的脱色与净化等工艺。

（2）沸石

沸石的组成可近似表达为：Na₂O•Al₂O₃•nSiO₂或xM₂O•Al₂O₃•ySiO₂•zH₂O。

天然沸石是铝硅酸盐类矿物。其晶体结构中含有多组通过氧原子连接起来的SiO₄。（见图4-2）和AlO₄两种四面体，形成一种多微孔的、孔结构十分精确的多孔固体。在微孔的孔道含有水分子和金属离子。沸石晶格上有一部分Si⁴+被Al³+所代替，所缺少的正电荷由Na+、Ca²+补足，从而成为可交换的离子。天然沸石的晶格结构牢固，溶胀度小，而不能吸附较大的离子，正因为如此，它对不同大小的分子有良好的选择性。但是天然沸石化学稳定性不好，且应用的pH值范围较小。即使要使用，也要根据需要进行改性。

图4-2相互连接的硅氧四面体

图片P172页

合成沸石是用碳酸钠、苛性钾、长石、高岭石以及其他原料混合熔融制成。其溶胀系数大于天然沸石，参与离子交换的基团数增多，因而交换容量大于天然沸石，可达到300〜500[H+]mol/L。在合成沸石中，可根据用途导入不同的活性元素。

天然沸石和人工沸石的结构特征，使之具有吸附、分子筛、离子交换、催化四大功能。沸石又名分子筛，其作为吸附剂的特点，一是可根据分子的大小和形状的不同进行选择性的吸附，只吸附直径小于其孔径的分子。二是根据分子的极性、不饱和度和极化率的不同选择性吸附。沸石是极性吸附剂，极性越大，不饱和度越高，极化率越大的分子越易被吸附。

沸石在工业清洗中可用于吸附处理清洗废液。

（3）硅藻土

硅藻土一般是由统称为硅藻的单细胞藻类死亡以后的硅酸盐遗骸形成的。硅藻土由无定形的SiO₂组成，并含有少量的Fe₂O₃、CaO、MgO，Al₂O₃及有机杂质。硅藻土呈浅黄色或浅灰色，质轻而软，易研成粉末。多孔，孔隙率达90%左右。

硅藻土吸附能力很强，能吸附自身重量1.5〜4.0倍的水，是良好的吸附剂。硅藻土常用于液体过滤去杂、澄清脱色。在一些固体清洗中作为吸附剂和研磨剂。例如汽车擦洗光亮剂配方：三乙醇胺240g，油酸600g，硅藻土450g，白油6.51g，水22.51g。

先将三乙醇胺溶于水中，将白油和油酸的混合物加入水中，搅拌，加入硅藻土，完全混匀，使用时用棉布蘸取此液，涂于车体表面，待其干燥后，擦拭，即能将车体表面的油污清除。

（4）膨润土

膨润土又名斑脱岩，是一种可塑性很强的粘土，主要矿物成分是蒙脱石，少量为常石英、云母晶屑及中酸性火山角砾岩屑。呈白色至橄榄绿色。相对密度2.4〜2.8。

蒙脱石是由两层硅氧四面体中间夹着一层铝氧八面体形成晶层单元，其结构示意图见图4-3。蒙脱石中的同晶置换极为普遍，如铝可以取代四面体中的Si、Mg、Fe、Zn等，也可以取代八面体中的铝。所以膨润土有很高的离子交换容量。膨润土的结构决定了它有特大的比表面积，一般在250-500m²/g，因而有较高的吸附能力。膨润土吸附水、膨胀、收缩等性能均比一般粘土大。有的在吸附水时，体积同时增大，并形成凝胶状态。有的能吸附5倍于本身重量的水。

工业清洗中常用作清洗剂的添加剂。例如黑色金属去锈清洗剂配方：氨基磺酸40%；重铬酸钾5%；硫脲0.03%；OP-10乳化剂0.2%；膨润土5%；其余为水。膨润土还可作为广谱脱漆剂中的添加剂。

图4-3蒙脱石结构示意

其他的多孔性吸附剂还有酸性白土、活性白土、活性氧化铝、轻质氧化镁等。如5%活性白土，3%二氧化硅与异丙醇、煤油混合，可制成研磨吸附型玻璃清洗剂。

除纤维状吸附剂、多孔性吸附剂以外，有些胶体粒子也是良好的吸附剂。胶体离子的直径为0.1~1nm，胶体离子与相同质量的粗大固体粒子相比，其表面积就大得多，因此胶体离子具有巨大的表面能，这就使得胶体离子有自己独特的性质。胶体离子有强烈的吸附能力，能够吸附各种物质的分子，因此可用作吸附剂。

常用的胶体吸附剂有火山灰和一些人工制备的胶体溶液，例如无机聚合状态的偏硅酸（硅酸钠等）和有一定水溶性的有机高分子化合物（羧甲基纤维素等），在水中都能形成胶体。由于硅酸盐在水中水解后形成的胶体对油脂有很强的吸附力，因此硅酸盐胶体常被用于脱脂清洗工艺，在广谱脱漆剂中作为吸附剂。

二、热能作用

热能在清洗中被广泛地应用。热能的受体有清洗液、被清洗基体和污垢本身，其清洗作用机理主要表现在以下几个方面。

1.对清洗过程有促进作用

促进作用主要包括两个方面：一是促进化学反应；二是提高污垢在清洗液中的溶解分散性。

所有的化学反应都是在一定温度下进行的，对绝大部分化学反应而言，升高温度都有利于反应的进行。温度每升高10°C，反应速度几乎能提高1倍，有的甚至更多。在用硫酸对钢铁除锈中，加热至40〜50°C的除锈时间比常温除锈快4〜5倍。在用碱液脱脂中，一般温度都在70〜80°C，以加快碱液对油脂的皂化和乳化过程。当然，不是温度越高，越利于清洗。一方面升温要消耗大量的能源，增加清洗成本；另一方面温度过高可能造成清洗液对被清洗基体的腐蚀，如在酸洗过程中。所以，对不同情况的清洗都应确定一个最佳的温度范围。

清洗液对污垢的溶解速度和溶解量也是随温度升高而成比例提高的。所以，升温有利于洗涤过程。在某些高压水射流的管道清洗设备中，备有加热设备，用于那些水溶性不太好的污垢清洗。热水增加污垢的溶解性，防止不溶污垢堵塞管道，影响清洗效果。又如在所有表面处理中，除油以后都需用热水漂洗或冲洗，有利于把吸附在清洗对象表面的碱和表面活性剂溶解清除。

2.使污垢的物理化学状态发生变化

温度的变化常会引起污垢的物理化学状态发生变化，使它变得容易被去除。污垢物理状态的改变指固体污垢被熔化、溶化或汽化；化学状态的变化是指固体污垢被热能裂解和分解，污垢改变了原有的分子结构。

在油田中，经常要做的工作是清洗被石蜡堵塞的输油管线，这是件非常麻烦的工作。尤其在冬天，疏通管线更加困难。采用加热的办法使石蜡液化，变成液态油垢，就比较容易被表面活性剂水溶液乳化分散了。

用加热或燃烧的方法去除工件表面有机物的污垢，使它分解成二氧化碳等气体，这是一种简单的方法。缺点是易留下灰分残留物，易造成金属的氧化。所以，这种方法适合于去除玻璃和陶瓷表面上的微量顽固有机物污垢。

此外，某些物理强化清洗方法如激光清洗，其清洗机理在本质上也是热能作用的结果。当高能激光照射在污垢上时，它可在10-¹¹s内将光能转变为超高热能，使表面污垢熔化、汽化而被除去，可在不熔化金属的前提下，把金属表面的氧化物锈垢除去。

3.使清洗对象的物理性质发生变化

当温度变化时，清洗对象的物理性质也会变化，有时有利于清洗的进行。例如，人们在洗衣服时，用温水就比较容易洗净。其原因除了提高清洗剂的效能外，另一个原因是布料中的纤维在较高的温度下浸泡，容易吸水膨胀，使污垢对纤维的吸附力下降，从而变得容易被清洗。

三、液体在界面上的流动作用

把清洗对象浸泡在液体中去除污垢时，如果使用的洗液有良好的洗涤能力，那么只要把清洗对象放在洗液中静置一定时间，污垢就会解离分散而有效地被去除。比如金属浸酸去锈就可以用这种方法处理。这种方法被称为静态处理。但常常为了提高污垢被解离、乳化、分散的效率，让洗液在清洗对象表面发生流动，这种动态的清洗方法称为界面流动。

1.界面流动的方向

洗液在附着有污垢的清洗对象表面的流动有三种方向，如图4-4所示。

图4-4洗液在清洗对象表面上

由图4-4可见，洗液在清洗对象表面流动的三个方向为：（1）沿着与清洗对象表面平行的方向流动；（2）与清洗对象表面垂直的方向流动；（3）与清洗对象表面成一定角度的流动。

根据实践经验，人们发现第三种情况下污垢被解离的效果最好。因此在喷射清洗时常采用这种角度。但是在浸泡清洗情况中，如果清洗对象是多面体等复杂形状时，要形成第三种方式的特定方向的界面流动实际上是不可能的。在这种情况下洗液在清洗对象表面不是以固定角度流动，而是希望能在液体中形成紊流以达到较好的清洗效果，这就需要搅拌。

2.搅拌

在清洗槽中要造成清洗表面与洗液间的相对流动状态以促使污垢解离，最常用的手段是使用搅拌的方法。

搅拌容易得到使洗液均匀有效地流动的效果，常用的搅拌方法有以下三种。

①让洗液流动：这是最简单的方法。图4-5介绍了几种装置的构造。

图4-5洗液流动的搅拌方式之一：有轴搅拌

在图4-5的①图中，是用搅拌轴带动旋转叶片搅拌的模型。搅拌轴是与液槽底面成垂直方向的，搅拌的结果使洗液沿着与轴垂直方向、平行方向和旋转叶片组成的圆周的切线方向的流动。但这种方式的搅拌很难在洗槽的各个表面形成均匀有效的紊流效果。

在②图中，在洗槽的槽壁放置了挡板，使搅拌的液体发生折流运动提高其紊流效果。

在③图中，让搅拌轴与洗槽底面成一倾斜角度，这时利用搅拌在槽壁形成的反射流可获得复杂的紊流效果。

但是搅拌轴伸入洗槽内部，有时会造成清洗操作不方便。这时采用无轴的搅拌方式效果更好。图4-6介绍了几种无轴搅拌的装置构造。

图4-6洗液流动的搅拌方式之二：无轴搅拌

图4-6中的①图是一种把旋转叶片安装在洗槽侧壁的装置。

②图是不使用旋转叶片，而外接循环泵组成液体循环的流动装置。

③图是利用鼓入气泡的方式推动洗液流动。此时用压缩空气泵把压缩的清洁空气在高压条件下通过洗槽下部的排气管排向洗槽，生成的气泡在洗槽中迅速上升同时造成洗液的流动。如果在洗槽中的清洗对象放置的位置合适，气泡可以在清洗对象的隙缝间上升，这时可获得柔和和高效的界面流动效果。

对于小型清洗槽，可通过装在外部的电磁搅拌器驱动旋转磁体运动产生搅拌效果。

当把高压气泡强烈地喷入洗液时，有时能造成空穴效果，在洗液中产生强烈的振动波加强清洗效果。这种搅拌装置也曾在设计中采用过。

②让清洗对象运动：对比较轻巧的小型清洗对象适合采用这种方式。把许多小型部件装在一个笼子里放在洗液当中，让笼子沿着垂直和水平方向激烈运动，也可以釆取旋转方式运动，当然在清洗对象运动时会引起洗液跟着流动。设计这种装置要考虑到清洗对象的差别以及放置安排的方法的不同，才能产生良好的界面流动效果。

③让清洗对象和洗液都运动：相对密度和洗液相近的小型物品适合用这种方法。当洗液激烈流动时，清洗对象在洗液中漂浮运动而被洗净。流动床就是这种方法的具体运用。比如家庭用的洗衣机，食品工业中豆类、谷物的清洗都广泛釆用这种清洗方法。

但使用这种方法要得到均匀和强烈的紊流效果所消耗的能量是比较大的。

3.管道的清洗

在清洗长管道的内表面时，为提高流动洗液的清洗能力，在管道中产生紊流很重要。而洗液在管道中流动的状态与洗液的流动速度有很大关系。图4-7描述了流体在管道中运动的状态。

当管道中流体流动速度由低到高逐渐变化时，流动状态也发生相应变化。

图4-7中的图①显示的运动状态叫层流。在这种运动状态下，流体中每条流线彼此平行，直线前进，保持线流状态。流体中的各个质点不做与流动方向垂直的横向运动，流线不相互混杂。

图②显示的运动状态表示当流速逐渐增高时，流线的直线状态受到破坏，不再保持完整的直线形状，质点沿着曲线轨迹向前运动，这实际是一种过渡状态，为临界速度的液流。

图③显示的运动状态叫紊流，当流速提高到一定值之后，流体形成了紊流，此时质点间互相剧烈混杂，在做向前运动的同时作横向不规则运动。

图4-7流体在管道中的运动状态

图片P177页

雷诺（Reynolds）研究发现，管道中流体运动的状态与流速、管道直径及流体的粘度系数等因素有关。并找到用雷诺数（Re）表示的定量关系：

公式P175页

式中：u一流体的平均线速度，m•s-¹，常用cm•s-¹；

υ—流体的运动粘度，m²•s-¹，常用cm²•s-¹；

ρ一流体的密度，kg•m-³，常用g•cm-³；

d一管道的直径，m，常用cm；

µ—流体的动力粘度，kg•m-¹•s-¹，常用g•cm-¹•s-¹。

通常洗液有相同的运动粘度（υ），只是在温度升高时运动粘度才降低。

把流体的流速与管道直径的乘积与流体运动粘度的比值叫雷诺数（Re）°

雷诺数决定流体在管道中的运动状态。当雷诺数较低时，流体处于层流状态，当雷诺数超过2320，流体的运动状态就会由层流转变成紊流，因此把Re=2320叫做临界雷诺数。在不同情况下，液体的流速，管道的直径以及不同液体的运动粘度会变，但在形成紊流时，三者之间所形成的雷诺数关系不变，必须在雷诺数大于2320时才能由层流变为紊流。

杰宁（Jernning）在研究管道清洗实验结果时发现，当雷诺数由2320（临界雷诺数）逐渐增加到25500附近时，清洗效率发生突变。图4-8显示出雷诺数与清洗效率的关系。

图4-8雷诺数与清洗效率的关系

由图可知，要取得管道清洗的良好效果，不仅流体要在管道中形成紊流，而且其雷诺数要达到一个较高数值（例如25500）。因此可以根据雷诺数关系式求出在不同直径的管道中，要取得好的去污效果时需要保持洗液的流速以及洗液流量的数值。

为了应用上的方便，在许多参考书中已把有关液体的流量与雷诺数关系制成一系列图表供人们使用时参考。图4-9即是不同管径的不锈钢管中清洗液流量与雷诺数关系。

例如在图4-9的图中，温度为60°C，直径为3.81cm的管道中，当洗液以600kg•h-¹（即0.12m•s-¹的流速）流动时，它的雷诺数为11900，当流量增加10倍达6000kg・h-¹，雷诺数也扩大10倍。

因此，人们可根据需要达到的洗净效果，选择合适的雷诺数，并通过控制管道中的洗液流量（即控制流速）而实现洗净的要求。

但是应当注意的是，随着流速的增大，对送液泵的动力要求也增高，所以需要考虑这样做是否经济，因此提高流速的方法并不是不受限制的。由图4-9也可知道，对于越细的管道产生紊流需要的洗液流速也越低，相对地讲越易取得较好的清洗效果。

对于大口径的短管线的管道，通过提高洗液的流速获得良好的紊流效果是很困难的，此时釆用把洗液以涡流状态送入管道，并对管壁造成冲击的方法往往可以获得较好的清洗效果。而对于有竖直的开阔形状的清洗对象表面，让洗液由上向下沿平面以薄膜状态流下的清洗方法，当雷诺数在200以下时也容易产生紊流效果。

图4-9不同管径洗液流量与雷诺数关系图

压力清洗

应用各种方式的压力如高压、中压以至负压、真空都可能产生很好的清洗作用力。因此使用压力是清洗中常用的手段之一。

喷射清洗

通过喷嘴把加有压力的清洗液喷射出来冲击清洗物表面的清洗方法叫喷射清洗。它包括喷射清洗的作用力，喷射所用喷嘴以及喷射清洗液三部分内容。

1.喷射清洗作用力

在湿式喷射清洗过程中（即以水作为媒液的清洗）的清洗作用力包括清洗液本身具有的清洗力、通过喷嘴喷出清洗液的压力、流体的速度动能转换成对清洗对象的冲击力以及流体在清洗对象表面发生界面流动等几种作用力的总和。

其中流体对清洗对象表面形成的冲击力符合下列关系式：

P=ρQV

式中：P——喷射压力，Pa；

ρ——液体密度，kg•m-³；

V——喷射流体的平均速度，m•s-¹；

Q——液体流量，m³•s-¹。

一般情况，当洗液种类固定，温度一定的条件下，液体密度为一定值，当流体流量（Q）越大，喷射流体的平均速度（V）越大，形成的喷射压力也越大。图4-10表示的是喷嘴口径、水流量与喷射压力三者之间的关系。

三种变量中只要知道其中两项就可以根据图线找到另一项的数值。如图4-10所示的直线表明，一个喷嘴口的直径为3mm，液体流量为2.2m³•h-¹的喷射流体产生的压力为50kgf•cm-²，（1kgf•cm-²=9.8×10⁴Pa）。

图4-11表示的为喷嘴到清洗对象表面的喷射距离以及喷射角度与清洗力的关系。

由图4-11可以看出，由喷嘴喷出具有一定动能的洗液，在运动中受到空气阻力的影响，动能逐渐降低，水平方向的运动速度逐渐减少，以至在重力作用下最后下落。

图4-11的①是喷射流体的水平方向运动速度开始降低之前的位置，在这个位置与洗涤对象表面发生作用，洗液展开的面积最大，但此时洗液的有效动能已减少，冲击力造成的清洗效果已不好。

图4-11喷射距离、喷射角度与洗净力关系示意图

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图4-11中②的位置是喷嘴离洗涤对象很近时的情况，此时流体的冲击力大，但洗液展开的面积过小，总的清洗效果不好。而在①②位置之间有一个冲击力保持相对较大，而洗液的展开面积也保持相对较大的位置③存在，在这个位置上放置清洗对象，能取得较好的清洗效果。而图中④是喷嘴以斜方向喷射到清洗对象表面的最佳位置。斜向喷射比垂直喷射使污垢受到更大的解离作用力。

由图4-11可以看出，斜向喷射与垂直方向喷射相比，斜向喷射取得最佳清洗效果的距离要近一些，而去污效果要比垂直喷射更好一些。图4-12为斜向喷射与垂直喷射的比较，从中可以看出不论斜向喷射还是垂直喷射都存在一个最佳清洗效果的位置。

图4-12斜向喷射与垂直喷射的比较

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由图4-12可见，清洗力随着喷嘴到清洗对象之间距离的增加呈现先逐渐增加，而达到最大值后又急剧下降的过程。

喷射冲击力（F），喷射水压（P），喷射水流量（Q）和喷射初速度（之间存在以下关系：

υ₀≈14√P；F=0.397Q√P

根据上式可算出当喷射水压为50kgf•cm-²，喷射初速度约为100m•s-¹。在喷射水压增大4倍，而喷射水量减少到原来的1/2时，可以获得同样的冲击力。因此为了节约洗液，为了获得良好的冲洗力，应该加大喷射水压，这就是为什么在喷射冲洗中常应用较高压力的原因。在冲洗用的喷射机中把喷射水压在35kgf•cm-²以上的称为高压喷射机，而把喷射水压在7kgf•cm-²以下的称为低压喷射机，在此两者之间的称为中压喷射机。人们普遍对高压喷射机表现出更大兴趣。

由于高压喷射机有强大的清洗力，可以去除顽固附着在物体表面的污垢。例如极细微的污垢粒子只有在高压甚至在超高压喷射过程中才能被去除。（前面已讲到在减少洗液的情况下，增加压力可以获得同样的清洗效果）。最近已有喷射水压在100kgf・cm-²以上的超高压喷射机投入使用。但是使用时应考虑高压喷射会对清洗对象造成损伤以及如何把清洗对象的位置更好固定的问题。

2.喷射用喷嘴

不同形状的喷嘴适用于不同的清洗场合，图4-13中画有各种形状的喷嘴。

图4-13中的①是应用最广泛的一种喷嘴，洗液从喷嘴中喷出后以圆锥面形式展开，也有的使洗液形成中空的圆锥状展开。

图4-13中的②是喷嘴尖端形成一个窄缝，使洗液呈扇形展开，在清洗平面状的表面时采用这种喷嘴较好。另外，用于喷射气体时也以采用这种方式的喷嘴较好，因为它可以把清洗对象表面的残留液体吹尽，所谓气刀式喷射就是指这种喷嘴。

图中③是使流体呈棒状的喷嘴。这种方式对去除在狭缝间隙中和细孔中的污垢较合适。

图中④的喷嘴为中空球形，在球面上有许多细孔，使洗液呈放射状喷射，又称为喷雾淋洗。大型反应罐的内表面用这种方法清洗较好。

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在需要清洗管道的内表面时，用一种自走式喷射喷嘴比较合适，其工作原理见图4-14。

图4-14自走式喷射喷嘴

当洗液通过喷嘴向斜后方喷射时所产生的压力推动喷嘴自动前进，喷射出的洗液可清洗管道的管壁。

喷嘴根据实际需要可安装成固定式和可移动式两种结构。固定式喷嘴使喷射液体的运动方向固定。但有立体表面的清洗对象希望所有的表面都能接受到喷射液，因此采用可移动式更好。使喷嘴喷射方向改变可釆用以下几种措施：①让清洗对象物旋转；②使用多个喷嘴多方向不同角度同时喷射；③根据对象表面不同而设计成各种运动方向的喷射，带动固定喷嘴向不同空间方向运动的清洗装置。如使喷嘴在固定水平方向作旋转喷射（水平旋转型）；使喷嘴在一个可以上下竖直方向上移动的轴支持下做旋转运动；或在三维空间作圆周运动等。如图4-15所示。

除了可移动喷嘴喷射装置之外，清洗中经常使用可移动的喷射清洗机，由2〜5马力电动泵带动的手推车式喷射机。一个人工控制的手推车式喷射清洗机，有一分钟内喷射20-30dm³洗液的能力。工厂中的固定设备、大型机器的表面清洗经常使用这种灵活方便的设备。

图4-15可移动式喷嘴喷射

3.喷射用洗液

一般喷射用的洗液包括常温的水、热水、酸和碱的水溶液、表面活性剂水溶液。

起泡性太高的表面活性剂洗液对喷射效果有不利影响，因此在使用表面活性剂水溶液作喷射洗液时要注意选用低起泡性的表面活性剂。

用含有水蒸气的高压热水作洗液时叫做蒸气喷射清洗。水蒸气的压力和蒸气液化时放出的大量热能对清洗效果有很大的影响。

用电解得到的含有臭氧的水作洗液时，它的氧化分解能力与含在洗液中的细微臭氧气泡有关。微小气泡对微粒状污垢的去除能力有很大作用。

喷射清洗中存在的问题是，喷射的洗液在清洗对象表面停留的时间短暂，所以洗液的清洗能力不能百分之百发生效用。同时存在废液处理问题。为了提高洗液的利用效率，可以采用循环系统。图4-16是一种喷射清洗的循环系统。冲洗下来的洗液中含有的砂土及金属屑可用适当方法加以分离，使喷射喷嘴减少磨损和被堵塞的可能性。

图4-16使用循环系统的喷射清洗