DE102006002653B4

DE102006002653B4 - Trockeneisstrahlverfahren

Info

Publication number: DE102006002653B4
Application number: DE102006002653A
Authority: DE
Inventors: Werner Luderer; Wolfgang Dr. Scheibner
Original assignee: Textilforschungsinstitut Thueringen-Vogtland E V; Luderer Schweißtechnik GmbH; LUDERER SCHWEISTECHNIK GmbH; Linde GmbH; Textilforschungsinstitut Thueringen Vogtland TITV eV
Current assignee: Luderer Schweisstechnik De GmbH
Priority date: 2005-01-27
Filing date: 2006-01-19
Publication date: 2009-10-08
Anticipated expiration: 2026-01-20
Also published as: DE102006002653A1

Abstract

Trockeneisstrahlverfahren unter Nutzung eines Trockeneisteilchen mitführenden Fördergasstromes oder unter Nutzung von durch mechanisch bewegte Bauteile beschleunigten Trockeneisteilchen, dadurch gekennzeichnet, dass dem die Trockeneisteilchen enthaltenden Strahl Wasser beigemischt wird und Menge und Zerstäubungsgrad des beigemischten Wassers so eingestellt werden, dass die Trockeneisteilchen zumindest teilweise mit einer Wassereisschicht überzogen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Trockeneisstrahlverfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Hauptanwendungsgebiete der Erfindung sind die Reinigung und die Bearbeitung von Oberflächen.
Aus den DE 42 12 615 C1 und DE 40 12 435 A1 sind Verfahren sowie Geräte zum Feuchtsandstrahlen bekannt. Diese bekannten Feuchtsandstrahler benutzen im Unterschied zum Trockensandstrahlen ein Sand/Wasser-Gemisch, welches einer Strahldüse zugeführt, mit Hilfe von Druckluft aus der Strahldüse befördert und auf eine zu bearbeitende Oberfläche geschleudert wird. Hierdurch werden Oberflächen unterschiedlichster Art bearbeitet, z. B. angeraut, oder gereinigt. Das Befeuchten des als Strahlmittel eingesetzten Sandes dient vornehmlich der Vermeidung von Staubentwicklung aber auch der Verminderung der abrasiven Wirkung des Strahlmittels und damit einer im Vergleich zum Trockensandstrahlen materialschonenderen Bearbeitung der Oberfläche sowie der Bindung von Strahlmittelrückständen und von der Oberfläche abgetragenen Substanzen. Der zuletzt genannte Effekt ist der entscheidende Nachteil des Feuchtsandstrahlens, da die verunreinigten festen Rückstände zwecks Wiederverwendung aufbereitet oder aber entsorgt werden müssen.
Nach WO 2003 10 1667 A1 wird ein Granulat aus festem Kohlendioxid (Trockeneis) als Strahlmittel zur Reinigung von Oberflächen eingesetzt. Die Trockeneisteilchen wirken als weiches, nicht oder nur schwach abrasives Strahlmittel, wodurch Beschädigungen der zu reinigenden Oberflächen vermieden werden. Hinzu kommen durch das ca. –78°C kalte Trockeneis hervorgerufene kryogene Effekte in Form von Kaltsprödigkeit und mechanischen Spannungen zwischen Verunreinigung und Substrat durch unterschiedliche thermische Ausdehnung der Materialien. Die kryogenen Effekte ermöglichen Reinigungsprozesse, die ohne Kälte nicht oder nur mit deutlich erhöhtem Aufwand durchführbar wären. Das Trockeneisstrahlen hinterlässt keine Strahlmittelrückstände, so dass keine Kosten für Strahlmittelrecycling bzw. -entsorgung anfallen. Nachteilig wirkt sich die beim Trockeneisstrahlen nicht zu vermeidende Staubentwicklung aus, die bei der Bearbeitung schadstoffhaltiger Materialien, beispielsweise Asbest, zu einem Problem wird. Der Reinigungseffekt von Partikelstrahltechniken kann über die Härte des verwendeten Strahlmittels wesentlich beeinflusst werden. Dieser Parameter ist beim Trockeneisstrahlen durch die Härte der als Strahlmittel eingesetzten Trockeneisteilchen, die in etwa der Härte von Gips entsprechen soll (”Strahlreinigung mit Trockeneis” in Aluminium-Kurier-Neves, Ausgabe 1/01), innerhalb enger Grenzen festgelegt. Gemäß der JP 601 45 905 A ist ein Verfahren zur Herstellung von Trockeneis mit einer härteren Oberflächenschicht durch Zusatz geringer Wassermengen bekannt. Eine praktische Nutzung dieses Effektes ist nicht bekannt worden.
Gemäß den US 6 536 220 B2 und EP 0 902 870 B1 gehört der Einsatz von Eis als Strahlmittel zum Stand der Technik. Hierzu wird aus Wasser mit Hilfe von Kältemaschinen Eis erzeugt, zerkleinert und zusammen mit Druckluft in einem kontinuierlichen Strahl aus der Strahldüse geblasen. Das Eisstrahlgerät nach US 5 785 581 nutzt kryogene Flüssigkeiten, vorzugsweise flüssigen Stickstoff, als Kühlmittel zur Erzeugung von Eispartikeln. Hierbei werden Wassertröpfchen in einen abgekühlten Druckluftstrom eingebracht, in Eis verwandelt und unter Nutzung des Druckgefälles aus der Strahldüse befördert. Der Reinigungsmechanismus beim Eisstrahlen setzt sich aus den Phasen Strahlen, Schrubben und Spülen zusammen, wobei die Änderung des Aggregatzustandes des Wassers beim Spülen für den Transport abgetragener Verunreinigungen genutzt wird. Beim Eisstrahlen fehlen allerdings die weiter oben bereits beschriebenen erwünschten kryogenen Effekte des Trockeneisstrahlens.
Aus der DE 102 333 04 A1 ist ein Verfahren zum Entfernen von Dünnfilm-Verschmutzungen auf festen Oberflächen mit Hilfe eines Trockeneis-Luftstrahls bekannt. Dem Trockeneis-Luftstrahl wird hierbei flüssiges Reinigungsmittel so zugesetzt, dass es zeitgleich mit dem Trockeneis-Luftstrahl und in dessen Strahlbild auf der zu reinigenden Oberfläche auftrifft.
Aus dem Vorgenannten folgt, dass die bekannten Partikelstrahlverfahren eine Reihe verfahrensbedingter Nachteile aufweisen, die durch Veränderung von einem oder mehreren Verfahrensparametern nicht beseitigt werden können und durch die die Einsatzmöglichkeiten bei der Reinigung von Oberflächen eingeschränkt sind. Diese Feststellung trifft im Speziellen auch auf das Trockeneisstrahlverfahren zu.
Aufgabenstellung
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes Trockeneisstrahlverfahren, welches die Nachteile der bekannten Lösungen weitgehend vermeiden. Insbesondere stellt sich die Erfindung die Aufgabe, die Anwendungsbreite des Trockeneisstrahlverfahrens durch Verbesserung der Reinigungseffekte, Vermeidung der Staubentwicklung und Einstellung der abrasiven Oberflächeneigenschaften des als Strahlmittel verwendeten Trockeneises während des Prozessablaufes zu erweitern.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einer Lehre gemäß Definition des Patentanspruches 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
Erfindungsgemäß wird ein Trockeneisstrahlverfahren eingesetzt, bei dem als Strahlmittel ein Gemisch aus Trockeneis und Wasser Verwendung findet. Bei der Erfindung handelt es sich also um ein Trockeneis-Wasser-Mischstrahlverfahren, bei dem Wasser in einstellbarer Menge in den aus Trockeneis und strömendem Fördergas gebildeten Strahl unmittelbar vor dessen Austritt aus der Strahldüse zugesetzt wird. Der Zusatz des Wassers erfolgt auf geeignete Weise, vorzugsweise durch Einsprühen aus einer Düse mittels Überdruck, durch Ultraschallzerstäubung oder unter Nutzung des Injektorprinzips. Erfolgt die Beschleunigung der Trockeneispartikel nicht durch strömende Gase sondern durch bewegte Bauteile in Form eines Schleuderstrahlverfahrens, entfällt die Nutzung des Injektorprinzips. Je nach Menge und Zerstäubungsgrad des zugesetzten Wassers werden die Trockeneispartikel ganz oder teilweise mit einer Eisschicht überzogen, wodurch die Oberflächenhärte der Trockeneispartikel, wie bereits weiter oben ausgeführt, ansteigt. Durch gezieltes Zudosieren von Wasser ist somit die abrasive Wirkung des Strahlmittels einstellbar. Das Gemisch aus Trockeneis und Wassereis bzw. das von Wasser umgebene Trockeneis ermöglicht je nach Mischungsverhältnis eine dem Anwendungsfall angepasste Kombination der Vorteile des reinen Trockeneisstrahlens und des reinen Eisstrahlens. Das Mischungsverhältnis von Trockeneis und Wasser kann während des Prozessablaufes über eine Dosiereinrichtung eingestellt werden.
Eine weitere vorteilhafte Wirkung des erfindungsgemäßen Trockeneis-Wasser-Mischstrahlverfahrens ist die Vermeidung der Staubentwicklung, was bei der Bearbeitung schädlicher Substanzen von Wichtigkeit ist. Ferner werden Verunreinigungen durch Schwebeteilchen verhindert. Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt neben der Durchführung konventioneller Trockeneisstrahlarbeiten die Verbesserung der Reinigungseffekte und die Vermeidung der Entwicklung von Staub durch Zumischen von Wasser bis hin zur ausschließlichen Verwendung von Wasser zwecks Bindung und Abtransport abgetragener Substanzen durch einen Spüleffekt. Es liegt im Sinne der Erfindung, dem Wasser weitere lösliche oder dispergierbare Substanzen wie Detergenzien, Desinfektionsmittel, Farbstoffe oder Öle beizumischen bzw. anstelle des Wassers andere Flüssigkeiten einzusetzen.
Bei einer Ausführungsform der Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Trockeneis-Wasser-Mischstrahlverfahrens erfolgt die Zugabe von Wasser aus einer Sprühvorrichtung in den Trockeneis mitführenden Fördergasstrom innerhalb der Strahlvorrichtung, bevorzugt unmittelbar vor der Austrittsöffnung der Strahlvorrichtung. Das zuzumischende Wasser wird dabei aus einem druckbeaufschlagten Vorratsbehälter, der unter einem Druck steht, der höher als der statische Druck in der Strahlvorrichtung ist, über eine separate Leitung zur Strahlvorrichtung geleitet. Das Wasser kann, falls dies zur Verhinderung einer Vereisung notwendig erscheint, über eine Heizeinrichtung erwärmt werden.
Es liegt weiterhin im Sinne der Erfindung, auch aus Kostengründen, die Bauform herkömmlicher Trockeneisstrahlgeräte weitgehend beizubehalten und nur so weit zu verändern, wie es die Zumischung von Wasser zur Erzeugung des Mischstrahles erfordert, so dass noch eine unkomplizierte Nachrüstung vorhandener Technik möglich wird. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung nutzt daher ein Zusatzteil, welches als Vorsatz auf herkömmlichen Strahldüsen angeordnet werden kann.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
1 Eine schematische Darstellung der Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Trockeneis-Wasser-Mischstrahlverfahrens.
2 Die schematische Darstellung einer Ausführungsform der Dosiereinrichtung zur Erzeugung des Trockeneis-Wasser-Mischstrahles im Detail.
3 Die schematische Darstellung eines Vorsatzgerätes zur Durchführung des erfindungsgemäßen Trockeneis-Wasser-Mischstrahlverfahrens unter Benutzung herkömmlicher Trockeneisstrahlvorrichtungen.
Gemäß 1 wird dem in der Trockeneisstrahlvorrichtung 1 gebildeten Trockeneisteilchen mitführenden Fördergasstrom über eine in der Mischkammer 2 angeordnete Wassereinspritzdüse 3 Wasser zugesetzt. Die Menge des zugesetzten Wassers ist mittels einer, auch während des Trockeneisstrahlprozesses zu betätigenden, Dosiereinrichtung 4 einstellbar. Das Wasser wird einem Wasserreservoir 5 entnommen, welches mit einem Wasserstandsregler 6 ausgestattet ist, gelangt von dort über eine Fördereinrichtung 7, beispielsweise eine Pumpe, durch eine Wasserleitung 8, einen Heizer 9 und die Dosiereinrichtung 4 zur Wassereinspritzdüse 6 in der Mischkammer 2. Der Heizer 9 kann in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als Durchlauferhitzer ausgebildet sein, so dass das Wasser bedarfsgerecht vorgewärmt werden kann, um einer Vereisung der Wassereinspritzdüse 3 entgegenzuwirken. Der in der Mischkammer 2 gebildete Trockeneis-Wasser-Mischstrahl verlässt die Trockeneisstrahlvorrichtung 1 über die Strahlaustrittsöffnung 10.
2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des Trockeneis-Wasser-Mischstrahlverfahrens, bei der das Trockeneis/Fördergas-Gemisch durch die Eintrittsöffnung 11 in die Mischkammer 2 geführt wird. Zwischen Eintrittsöffnung 11 und Austrittsöffnung 12 der Mischkammer 2 wird durch einen Kanal für die Wasserzuführung 13 das dem Trockeneis/Fördergas-Gemisch zuzudosierende Wasser an die Austrittsöffnung der Wassereinspritzdüse 14 herangeführt. Die Austrittsöffnung der Wassereinspritzdüse 14 besitzt zum Inneren der Mischkammer 2 hin gerichtet eine sich konisch erweiternde Form. Durch diese Formgebung der Austrittsöffnung der Wassereinspritzdüse 14 wird erreicht, dass sich bildendes Eis unter Einwirkung des im Kanal für die Wasserzuführung 13 unter Überdruck stehenden Wassers aus der Wassereinspritzdüse austreten kann. Der Kanal für die Wasserzuführung 13 sowie die Austrittsöffnung der Wassereinspritzdüse 14 können in einer Vielzahl konzentrisch um die Längsachse der Mischkammer 2 angeordnet sein und auf diese Weise eine Ringdüse ausbilden.
Gemäß 3 kann die gesamte Mischkammer 2 auch als separate Baugruppe ausgeführt sein, die mit der Strahlaustrittsöffnung 10 einer herkömmlichen Trockeneisstrahlvorrichtung in Verbindung gebracht wird. Hierfür besitzt die als separate Baugruppe ausgeführte Mischkammer 2 eine Aufnahme 15 für die Trockeneisstrahlvorrichtung, mit der sie durch die Klemmvorrichtung 16, welche beispielsweise als Schraubvorrichtung ausgeführt sein kann, verbunden ist. Die Dosiereinrichtung 4 und der Kanal für die Wasserzuführung 13 zur Austrittsöffnung der Wassereinspritzdüse 14 stehen mit der Mischkammer 2 in Verbindung. Der Kanal für die Wasserzuführung 13 ist mit einer Wärmeisolierung 17 umhüllt. Die Wärmeisolierung 17 kann aus einem Material bestehen, welches beim Aufprallen der sich in der Mischkammer 2 bewegenden Trockeneisteilchen durch innere Reibung Wärme entwickelt. Diese Wärme wird zur Verhinderung einer Vereisung der Austrittsöffnung der Wassereinspritzdüse 14 genutzt.

1: Trockeneisstrahlvorrichtung
2: Mischkammer
3: Wassereinspritzdüse in der Mischkammer
4: Dosiereinrichtung
5: Wasserreservoir
6: Wasserstandsregler
7: Fördereinrichtung
8: Wasserleitung
9: Heizer
10: Strahlaustrittsöffnung
11: Eintrittsöffnung der Mischkammer
12: Austrittsöffnung der Mischkammer
13: Kanal für die Wasserzuführung
14: Austrittsöffnung der Wassereinspritzdüse
15: Aufnahme für die Trockeneisstrahlvorrichtung
16: Klemmvorrichtung
17: Wärmeisolierung

Claims

Trockeneisstrahlverfahren unter Nutzung eines Trockeneisteilchen mitführenden Fördergasstromes oder unter Nutzung von durch mechanisch bewegte Bauteile beschleunigten Trockeneisteilchen, dadurch gekennzeichnet, dass dem die Trockeneisteilchen enthaltenden Strahl Wasser beigemischt wird und Menge und Zerstäubungsgrad des beigemischten Wassers so eingestellt werden, dass die Trockeneisteilchen zumindest teilweise mit einer Wassereisschicht überzogen werden.
Trockeneisstrahlverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Beimischen von Wasser in einer separaten Baugruppe erfolgt, wobei das Wasser dem in einer herkömmlichen Trockeneisstrahlvorrichtung gebildeten Strahl nachträglich zugesetzt wird.
Trockeneisstrahlverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem die Trockeneisteilchen enthaltenden Strahl zugemischte Wasser vorgewärmt wird.
Trockeneisstrahlverfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Beimischen von Wasser zu dem die Trockeneisteilchen enthaltenden Strahl unter Nutzung des Injektorprinzips erfolgt.
Trockeneisstrahlverfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem beigemischten Wasser Detergenzien, Desinfektionsmittel, Farbstoffe oder Öle gelöst oder dispergiert sind.