DE102010064406A1 - Apparatus and method for particle blasting using frozen gas particles - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Bei einem Verfahren zum Erzeugen eines Gemischstrahls aus gefrorenen Partikeln, insbesondere CO2 Partikeln, und einem Trägergas mit den Verfahrensschritten: – Einleiten eines verflüssigten Gases in einen Entspannungsraum zum Erzeugen eines Stromes agglomerierter gefrorener Partikel aus dem verflüssigten Gas und – Zuführen des Stromes agglomerierter Partikel sowie eines Trägergasstromes zu einer Beschleunigungsdüse zum Erzeugen und Beschleunigen eines Gemischstrahls aus den gefrorenen Partikeln und dem Trägergas. Es werden folgende Verfahrensalternativen zum Verhindern von Partikelanlagerungen vorgeschlagen: – Absenken des Drucktaupunktes, – Beheizen einer Wandung des Entspannungsraums und/oder der Beschleunigungsdüse und/oder – Einleiten eines Zusatzgasstroms in Form zusätzlichen Gases windigkeit im Inneren des Entspannungsraumes.The invention relates to a method for generating a mixed jet of frozen particles, in particular CO2 particles, and a carrier gas, comprising the steps of: introducing a liquefied gas into a relaxation space to generate a stream of agglomerated frozen particles from the liquefied gas and supplying the stream of agglomerated Particles and a carrier gas stream to an acceleration nozzle for generating and accelerating a mixture jet from the frozen particles and the carrier gas. The following alternative methods for preventing particle deposits are proposed: - lowering the pressure dew point, - heating a wall of the relaxation space and / or the acceleration nozzle and / or - introducing an additional gas flow in the form of additional gas wind in the interior of the relaxation space.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Druckstrahlen mittels eines Gemischstrahls aus gefrorenen Gaspartikeln und einem Trägergas. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum CO2-Schneestrahlen mittels eines Gemischstrahls aus gefrorenen CO2-Gaspartikeln und einem Trägergas.The invention relates to an apparatus and a method for pressure blasting by means of a mixture jet of frozen gas particles and a carrier gas. In particular, the invention relates to an apparatus and a method for CO 2 snow jetting by means of a mixture jet of frozen CO 2 gas particles and a carrier gas.
Gefrorene Gaspartikel sind Partikel eines Stoffes, der bei gewöhnlicher Umgebungstemperatur und gewöhnlichem Umgebungsdruck gasförmig ist.Frozen gas particles are particles of a substance that is gaseous at ordinary ambient temperature and pressure.
Das Strahlen mit festem Kohlendioxid konnte sich in den letzten Jahren in den unterschiedlichsten Anwendungsfeldern etablieren. Sobald sensible Oberflächen entschichtet bzw. gereinigt werden müssen oder eine Sekundärverunreinigung durch Strahlmittel unerwünscht ist, kann diese Technologie ihre Vorteile zur Geltung bringen.The blasting with solid carbon dioxide has been able to establish itself in the most diverse fields of application in recent years. As soon as sensitive surfaces have to be stripped or cleaned or secondary contamination by blasting media is undesirable, this technology can bring its advantages to advantage.
Die niedrige Härte von festem Kohlendioxid ermöglicht die beschädigungsfreie Bearbeitung eines großen Werkstoffspektrums und durch die Sublimation des Strahlmittels muss lediglich die entfernte, sortenreine Beschichtung oder Verschmutzung entsorgt werden.The low hardness of solid carbon dioxide makes it possible to process a wide range of materials without damage, and the sublimation of the blasting medium requires only disposal of the removed, unmixed coating or contamination.
Beim Strahlen mittels gefrorener Gaspartikel wird das Strahlmittel pneumatisch beschleunigt und auf die zu bearbeitende Oberfläche aufgebracht. Im Gegensatz zur rein mechanischen Wirkung anderer Strahlmittel beruht das Strahlen mit gefrorenen Gaspartikeln auf drei unterschiedlichen Wirkmechanismen. Durch die geringe Temperatur des Strahlmittels kommt es zur thermischen Spannung zwischen Beschichtung und Verunreinigung des Substrats. Des Weiteren führt die kinetische Energie der gefrorenen Gaspartikel zu einer mechanischen Abtrennung, die durch den dritten Effekt, den Druckstoß aufgrund der schlagartigen Sublimation der gefrorenen Gaspartikel, unterstützt wird.When blasting by means of frozen gas particles, the blasting agent is pneumatically accelerated and applied to the surface to be processed. In contrast to the purely mechanical effect of other blasting agents, blasting with frozen gas particles is based on three different mechanisms of action. The low temperature of the blasting medium causes the thermal stress between coating and contamination of the substrate. Furthermore, the kinetic energy of the frozen gas particles leads to a mechanical separation, which is supported by the third effect, the pressure surge due to the sudden sublimation of the frozen gas particles.
Derartige Vorrichtungen und Verfahren sind grundsätzlich bekannt und es existieren eine Vielzahl von unterschiedlichen Bauarten, welche dem Gemischstrahl aus gefrorenen Gaspartikeln und dem Trägergas unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf zum Beispiel Geschwindigkeit, Volumenstrom, Größe, Anzahl und Ausprägung der gefrorenen Gaspartikel verleihen, so dass während des Betriebs eine gewünschte Wirkung auf dem Werkstück bzw. der Oberfläche erzielt werden kann.Such devices and methods are basically known and there are a variety of different types, which give the mixed jet of frozen gas particles and the carrier gas different properties in relation to, for example, speed, volume flow, size, number and expression of the frozen gas particles, so that during the Operation, a desired effect on the workpiece or the surface can be achieved.
Dabei unterscheidet man vor allem zwei unterschiedliche Grundprinzipien in der Bauart. Die erste Bauart auch als Trockeneisstrahler bezeichnet wird, unterscheidet sich von der zweiten Bauart, welche auch als Schneestrahler bezeichnet wird, dadurch, dass erste aus der festen Phase und zweite aus der flüssigen Phase die Gemischstrahlen erzeugen. Für das Trockeneisstrahlen wird das Strahlmittel in einem separaten Prozess in Form von Pellets oder Blöcken hergestellt und anschließend in einer Strahlanlage dem Druckluftstrom zudosiert.In particular, two different basic principles are distinguished in design. The first type, also referred to as a dry ice blaster, differs from the second type, which is also referred to as a snow blaster, in that first of the solid phase and second of the liquid phase produce the mixture blasts. For dry ice blasting, the blasting agent is produced in a separate process in the form of pellets or blocks and then added to the compressed air stream in a blasting system.
Da ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin besteht, eine Vorrichtung zum Druckstrahlen mit gefrorenen Gaspartikeln bereitzustellen, welche eine geringe Baugröße aufweist und dadurch leicht in Maschinen und Anlagen integriert werden kann, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zum Druckstrahlen mittels eines Gemischstrahls aus gefrorenen Gaspartikeln und einem Trägergas gemäß der zweiten Bauart. Dementsprechend wird bei den hier beschriebenen Vorrichtungen das Strahlmittel, insbesondere CO2, in flüssiger Form unter Druck vorgehalten.Since an object of the present invention is to provide a frozen gas particle pressure jetting apparatus which is small in size and thereby easy to integrate into machines and equipment, the present invention relates to an apparatus for pressure jetting by means of a mixed jet of frozen gas particles and a carrier gas according to the second type. Accordingly, in the devices described here, the blasting agent, in particular CO 2 , held in liquid form under pressure.
Auch bei dieser, auch als Schneestrahler bezeichneten Bauart, unterscheidet man wiederum zwei Bauvarianten: die Zweistoffringdüse und die Strahldüse mit Agglomerationskammer.Also in this type of construction, also referred to as a snow blaster, a distinction is again made between two construction variants: the two-part ring nozzle and the blasting nozzle with agglomeration chamber.
Bei der Zweistoffringdüse wird das flüssige Gas am Düsenaustritt auf Umgebungsdruck entspannt. Die entstehenden Schneepartikel werden durch einen Mantelstrahl aus überschallschneller Druckluft gebündelt und beschleunigt.In the Zweistoffringdüse the liquid gas is released at the nozzle outlet to ambient pressure. The resulting snow particles are bundled and accelerated by a sheath jet of super-fast compressed air.
Die in der Zweistoffringdüse gebildeten gefrorenen Gaspartikel haben im Vergleich zu der Strahldüse mit Agglomerationskammer einen geringeren Durchmesser und damit eine geringe kinetische Energie bei gleicher Geschwindigkeit. Daher wirken die Partikel, die gemäß dieser Bauvariante erzeugt werden, wenig abrasiv und derartige Vorrichtungen werden daher vor allem für die Reinigung von feinstrukturierten, hochempfindlichen Bauteilen eingesetzt. Eine solche Vorrichtung wird in der
In einer Vorrichtung vom Typ der zweiten Bauvariante wird das verflüssigte Gas zusammen mit dem Trägergasstrom in eine Agglomerationskammer eingeleitet und entspannt. Im Vergleich zu der Zweistoffringdüse entstehen dabei größere Schneepartikel, die mit der Druckluft in einer nachfolgenden Düse beschleunigt, zu einer deutlich höheren Abrasivität führen. Solch ein Verfahren und eine derartige Vorrichtung werden in der
Während die erste Bauvariante mit Zweistoffringdüse den Nachteil aufweist, eine geringe Abrasivität zu besitzen, weist die zweite Bauvariante der Druckstrahlvorrichtung mit Agglomerationskammer die Nachteile auf, dass im Betriebsfall ein hoher Druckverbrauch zu verzeichnen ist. Darüber hinaus lagern sich im Inneren der Agglomerationskammer gefrorene Gaspartikel an den Außenwänden ab und lösen sich in unregelmäßigen Abständen und in undefinierter Größe von den Außenwänden ab. Dadurch kommt es zu impulsartigen höheren Abtragsleistungen und somit zu einem inhomogenen Strahlbild.While the first construction variant with two-nozzle nozzle has the disadvantage of having a low abrasiveness, the second design variant of the pressure-jet apparatus with agglomeration chamber has the disadvantages that a high pressure consumption can be recorded during operation. About that In addition, inside the agglomeration chamber, frozen gas particles deposit on the outer walls and detach from the outer walls at irregular intervals and in an indefinite size. This results in impulsive higher removal rates and thus in an inhomogeneous spray pattern.
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Während der Strömung des Gemisches aus gefrorenen Gaspartikeln und Gas durch den Entspannungsraum agglomerieren einzelne Partikel miteinander, so dass es stromabwärts im Entspannungs- oder auch Agglomerationsraum zu einer Vergrößerung der Partikel kommt. Der Durchmesser des Entspannungsraumes ist so gestaltet, dass sich der Querschnitt des Entspannungsraumes stromabwärts stetig vergrößert. Diese Querschnittserweiterung des Entspannungsraumes in Richtung Düsenaustritt sorgt für eine kontinuierliche Strömung und somit für einen sicheren Abtransport der entstehenden Schneepartikel. Bei einem gleichbleibenden Querschnitt kommt es unmittelbar nach der Eindüsung des verflüssigten Gases aufgrund von strömungstechnischen ”Toträumen” zu Anlagerungen und Ansammlungen von festen Gaspartikeln in den „Toträumen”. Diese Anlagerungen lösen sich in unregelmäßigen Abständen, so dass es zu einem inhomogenen und pulsierenden Strahlbild der Düse kommt, welches man in der Praxis auch als ”Husten” bezeichnet. Die vergleichsweise großen Partikelagglomerationen haben eine höhere kinetische Energie und wirken dementsprechend stärker auf die bestrahlte Oberfläche ein. Für den reproduzierbaren Einsatz der Schneestrahltechnik ist dieser Effekt negativ zu bewerten. Weiterhin kann die Ansammlung gefrorener Gaspartikel zu einer Verstopfung der Strahldüse führen.During the flow of the mixture of frozen gas particles and gas through the expansion space, individual particles agglomerate with one another, so that an increase in the size of the particles occurs downstream in the expansion or agglomeration space. The diameter of the expansion space is designed so that the cross-section of the expansion space increases steadily downstream. This cross-sectional widening of the expansion space in the direction of the nozzle outlet ensures a continuous flow and thus a safe removal of the resulting snow particles. With a constant cross section, immediately after the injection of the liquefied gas due to fluidic "dead spaces" deposits and accumulations of solid gas particles in the "dead spaces". These deposits dissolve at irregular intervals, so that it comes to an inhomogeneous and pulsating jet pattern of the nozzle, which is referred to in practice as "coughing". The comparatively large particle agglomerations have a higher kinetic energy and accordingly act more strongly on the irradiated surface. For the reproducible use of snow blasting technology, this effect is to be evaluated negatively. Furthermore, the accumulation of frozen gas particles can lead to a blockage of the jet nozzle.
Die Erfinder haben nun erkannt, dass es trotz der beschriebenen bekannten Gestaltung noch zu unerwünschten Anlagerungen kommen kann.The inventors have now recognized that, despite the known design described, undesired deposits may still occur.
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, eine Gemischstrahltechnologie zur Verfügung zu stellen, welche das Problem möglicher Anlagerungen weiter verringert.The object of the present invention is therefore to provide a mixture jet technology which further reduces the problem of possible deposits.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden folgende Lösungsansätze vorgeschlagen:
- – Reduzierung des Drucktaupunktes des Trägergases
- – Beheizung des Trägergases
- – Aufbringen einer Antihaftbeschichtung auf die Innenwand des Entspannungsraumes
- – Aufbringen einer Antihaftbeschichtung auf die Außenwand des Entspannungsraumes
- – Aufbringen einer Antihaftbeschichtung auf die Innenwand der Beschleunigungsdüse
- – geregelte Beheizung der Wandung des Entspannungsraumes beispielsweise über integrierte Widerstandsheizdrähte
- – geregelte Beheizung der Wandung der Beschleunigungsdüse beispielsweise über integrierte Widerstandsheizdrähte
- – Einleiten eines zusätzlichen Gases zur Erhöhung bzw. Kontrolle der Strömungsgeschwindigkeit im Inneren des Entspannungsraumes. Hierzu kann unter Umständen gasförmiges CO2 genutzt werden das aus dem gleichen Lagerbehälter entnommen wird wie das CO2 zur Erzeugung der Schneepartikel. Dieser Zusatzgasstrom kann ebenfalls zum Spülen des Entspannungsraumes nach Abschaltung der Düse genutzt werden. Hierdurch kann das Schalverhalten des Gerätes verbessert werden.
- - Reduction of the pressure dew point of the carrier gas
- - Heating the carrier gas
- - Applying a non-stick coating on the inner wall of the relaxation room
- - Applying a non-stick coating on the outer wall of the relaxation room
- - Applying a non-stick coating on the inner wall of the acceleration nozzle
- - Controlled heating of the wall of the relaxation room, for example via integrated resistance heating wires
- Controlled heating of the wall of the acceleration nozzle, for example via integrated resistance heating wires
- - Introducing an additional gas to increase or control the flow velocity in the interior of the expansion space. This may be gaseous CO 2 be used that is taken from the same storage container as the CO 2 to produce the snow particles. This additional gas flow can also be used to flush the expansion chamber after switching off the nozzle. As a result, the switching behavior of the device can be improved.
Die Lösungsansätze können alternativ oder kumulativ verwirklicht sein.The solution approaches can be realized alternatively or cumulatively.
Bei einem Verfahren zum Erzeugen eines Gemischstrahls aus gefrorenen Partikeln, insbesondere CO2 Partikeln, und einem Trägergas mit den Verfahrensschritten:
- – Einleiten eines verflüssigten Gases in einen Entspannungsraum zum Erzeugen eines Stromes agglomerierter, gefrorener Partikel aus dem verflüssigten Gas und
- – Zuführen des Stromes agglomerierter Partikel sowie eines Trägergasstromes zu einer Beschleunigungsdüse zum Erzeugen und Beschleunigen eines Gemischstrahls aus den gefrorenen Partikeln und dem Trägergas
- – Absenken des Drucktaupunktes derart, dass es zu keinen Partikelanlagerungen in dem Entspannungsraum und/oder der Beschleunigungsdüse kommt,
- – Beheizen einer Wandung des Entspannungsraums und/oder der Beschleunigungsdüse und/oder
- – Einleiten eines Zusatzgasstroms in Form zusätzlichen Gases zur Erhöhung und/oder Kontrolle der Strömungsgeschwindigkeit im Inneren des Entspannungsraumes.
- - Introducing a liquefied gas in a flash room for generating a stream of agglomerated, frozen particles from the liquefied gas and
- - Supplying the flow of agglomerated particles and a carrier gas stream to an accelerating nozzle for generating and accelerating a mixture jet of the frozen particles and the carrier gas
- Lowering the pressure dew point in such a way that there are no particle deposits in the expansion space and / or the acceleration nozzle,
- - Heating a wall of the expansion space and / or the acceleration nozzle and / or
- - Introducing an additional gas flow in the form of additional gas to increase and / or control the flow rate in the interior of the expansion space.
Im letztgenannten Fall ist das verflüssigte Gas vorzugsweise CO2 und als zusätzliches Gas zur Erhöhung und/oder Kontrolle der Strömungsgeschwindigkeit im Inneren des Entspannungsraumes wird vorzugsweise gasförmiges CO2 genutzt.In the latter case, the liquefied gas is preferably CO 2 and as an additional gas for increasing and / or controlling the flow rate in the interior of the expansion space, preferably gaseous CO 2 is used.
Gemäß einer weiteren, bevorzugten Variante des letztgenannten Verfahrens wird der Zusatzgasstrom zum Spülen des Entspannungsraumes nach Abschaltung der Düse genutzt.According to a further preferred variant of the latter method, the additional gas stream is used for rinsing the expansion space after switching off the nozzle.
Bei allen Verfahrensvarianten wird das Trägergas vorzugsweise beheizt.In all process variants, the carrier gas is preferably heated.
Für eine Vorrichtung zum Druckstrahlen mittels eines Gemischstrahles aus Partikeln eines gefrorenen Gases und einem Trägergas, mit
- – einem Entspannungsraum, der an seinem stromaufwärts gelegenen Längsende über einen Einlass zum Einleiten eines verflüssigten Gases in den Entspannungsraum sowie eine Mündungsöffnung an seinem stromabwärts gelegenen Längsende verfügt, wobei die Mündungsöffnung einen wesentlich größeren Querschnitt aufweist als der Einlass,
- – wenigstens einer Flüssiggaszuführung, die mit dem Einlass des Entspannungsraums verbunden ist,
- – einer Trägergaszuführung, und
- – einer sich stromabwärts an die Mündungsöffnung des Entspannungsraums anschließenden, sich in Strömungsrichtung zunächst verjüngenden Beschleunigungsdüse, die Mündungsöffnung des Entspannungsraums und der Trägergaszuführung verbunden ist,
- – eine Wandung des Entspannungsraums und/oder eine Wandung der Beschleunigungsdüse ist mit einer Antihaftbeschichtung versehen,
- – eine Wandung des Entspannungsraums und/oder eine Wandung der Beschleunigungsdüse ist mit einer Heizung zum Beheizen der Wandung versehen,
- – die Vorrichtung weist Mittel zum Einstellen und/oder Absenken eines Drucktaupunktes des Trägergases auf und/oder
- – die Vorrichtung weist eine Zusatzgaszuführung auf, die in den Entspannungsraum mündet, um dem Entspannungsraum im Betrieb ein zusätzliches Gas zur Erhöhung bzw. Kontrolle der Strömungsgeschwindigkeit im Inneren des Entspannungsraumes zuführen zu können.
- A relaxation space having at its upstream longitudinal end an inlet for introducing a liquefied gas into the expansion space and an orifice at its downstream longitudinal end, the orifice having a substantially larger cross section than the inlet,
- At least one LPG feed connected to the inlet of the flash room,
- A carrier gas supply, and
- A downstream of the mouth of the relaxation space subsequent, in the flow direction initially tapered acceleration nozzle, the mouth opening of the expansion space and the carrier gas supply is connected
- A wall of the expansion space and / or a wall of the acceleration nozzle is provided with a non-stick coating,
- A wall of the expansion space and / or a wall of the acceleration nozzle is provided with a heater for heating the wall,
- - The device has means for adjusting and / or lowering a pressure dew point of the carrier gas and / or
- - The device has an additional gas supply, which opens into the relaxation space to the expansion room during operation to be able to perform an additional gas to increase or control the flow rate in the interior of the relaxation space.
Ein geeignetes oder daher bevorzugtes Mittel zum Einstellen und/oder Absenken eines Drucktaupunktes des Trägergases ist eine Trägergasheizung.A suitable or therefore preferred means for adjusting and / or lowering a pressure dew point of the carrier gas is a carrier gas heater.
Bevorzugte Varianten aller Vorrichtungen zeichnen sich durch die folgenden Merkmale aus:
- – ein Düsengehäuse, das einen äußeren Hohlraum und einen inneren Hohlraum einschließt,
- – von denen der innere Hohlraum den Entspannungsraum bildet, und
- – von denen der äußere Hohlraum den inneren Hohlraum wenigstens im Bereich der Mündungsöffnung wenigstens teilweise umgibt,
- – wobei die Trägergaszuführung mit dem äußeren Hohlraum verbunden ist und
- – die Beschleunigungsdüse einen seitlich der Mündungsöffnung befindlichen Trägergaseinlass als Auslass des äußeren Hohlraums aufweist, dessen Querschnitt einstellbar veränderlich ist.
- A nozzle housing including an outer cavity and an inner cavity,
- - Of which the inner cavity forms the relaxation space, and
- - Of which the outer cavity at least partially surrounds the inner cavity at least in the region of the mouth opening,
- - Wherein the carrier gas supply is connected to the outer cavity and
- - The accelerating nozzle has a carrier gas inlet located laterally of the mouth opening as an outlet of the outer cavity, the cross-section of which is adjustably variable.
Der Trägergaseinlass ist vorzugsweise ringförmig zwischen der Mündungsöffnung des Entspannungsraums und einer sich in Strömungsrichtung verjüngenden Wandung der Beschleunigungsdüse angeordnet.The carrier gas inlet is preferably arranged annularly between the outlet opening of the expansion space and a wall of the acceleration nozzle that tapers in the direction of flow.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben. Further features and advantages of the present invention are described below with reference to the accompanying drawings.
Deren
Die in
Der innere Hohlraum
Der innere Hohlraum
Der innere Hohlraum
Unmittelbar an die Mündungsöffnung
Der innere Hohlraum
Zum Verhindern von Partikelanlagerungen ist eine innere Wandung des Entspannungsraums
Auch auf die Innenwand der Beschleunigungsdüse
Die Trägergaszuführung
Außerdem weist der Entspannungsraum
Mit (A) ist exemplarisch eine Anlagerung aus festem CO2 an der Innenwand des Entspannungsraumes
By (A) is an example of an addition of solid CO 2 on the inner wall of the
Mit (B) ist eine Anlagerung an der Außenwand des Entspannungsraumes
Mit (C) ist eine Anlagerung an der Innenwand der Beschleunigungsdüse
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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