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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kryogenen Herstellung von Wassereis-Partikeln zur abrasiven Oberflächenbearbeitung und/oder zur Reinigung von Oberflächen nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung zur kryogenen Herstellung von Wassereis-Partikeln zur abrasiven Oberflächenbearbeitung und/oder zur Reinigung von Oberflächen nach Anspruch 6.
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Ein bewährtes Verfahren zur abrasiven Oberflächenbearbeitung ist die so genannte Strahltechnik, die für gewöhnlich auch kurz als „Strahlen“ bezeichnet wird. Dabei wird ein Strahlmittel mit hoher Geschwindigkeit und/oder hohem Druck auf die zu bearbeitende Oberfläche gerichtet. Eingesetzt wird das Strahlen z. B. zum Entzundern, Entrosten, Entlacken, Entschichten, Entgraten, Reinigen, Aufrauen etc. von Oberflächen. Je nach Aufgabenstellung können unterschiedliche Materialien, wie z. B. Sand, Wasser oder andere feste oder flüssige Strahlmittel verwendet werden.
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Nachteilig beim Strahlen mit festen Strahlmitteln ist, dass der dabei anfallende Strahlschutt als ein Einwegstrahlmittel entweder teuer entsorgt oder als Mehrwegstrahlmittel in einem entsprechenden Kreislauf wiederaufbereitet werden muss.
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Daher wurden Strahlverfahren entwickelt, bei denen ein derartiges Entsorgen oder Wiederaufbereiten entfallen kann. Ein Beispiel hierfür bildet das Trockeneisstrahlen oder Schneestrahlen, bei dem das Strahlmittel selbst keinen Strahlschutt verursacht. Allerdings gilt dieses Verfahren als nicht abrasiv und ist deshalb nur für Reinigungszwecke geeignet oder wird dann angewendet, wenn es auf eine schonende Oberflächenbearbeitung ankommt.
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Zur rückstandslosen abrasiven Oberflächenbearbeitung, wie z. B. einem Entzundern, Entrosten, Entlacken, Entschichten, Entgraten und einem Reinigen werden deshalb auch unter anderem Wassereis-Partikel benutzt. Die Wassereis-Partikel können in Abhängigkeit von ihrer Entstehungsgeschichte, ihren Lagerbedingungen und in Abhängigkeit der mechanischen Belastung, denen sie unterliegen können, unterschiedliche Härten aufweisen.
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Bei der Herstellung der Wassereis-Partikel durch ein Zerkleinern von harten und durchsichtigen Ausgangsmaterialien, wie zum Beispiel größeren Eisplatten, entstehen vorwiegend milchige Eisteilchen. Diese verlieren beim Zerkleinern ihre Härte und sind damit für abrasive Oberflächenbehandlungen nur sehr eingeschränkt geeignet.
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Bekannt ist eine Erzeugung von Wassereis-Partikeln als Strahlmittel mit einer Mohs-Härte von mehr als 4 in einer Mischstreckenvorrichtung. Dabei werden die Wassereis-Partikel in einem kalten Gasstrom erzeugt. Sie garantieren eine höhere Abtragungsrate als beim Trockeneisstrahlen. Das Strahlen mit Wassereis-Partikeln hat eine Abtragungsrate, die der von Sand als Strahlmittel vergleichbar ist.
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Als Treibmittel zum Betrieb der Mischstreckenvorrichtung wird idealerweise kaltes Stickstoffgas (N2) verwendet. Der Einsatz von Stickstoff hat den Vorteil, dass neben dem Transport der erzeugten Eiskristalle auch gleichzeitig die zu reinigende Oberfläche gekühlt wird, was zu einer Versprödung der abzutragenden Schichten führt und deren abrasive Entfernung erleichtert.
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Die genannten Verfahren weisen allerdings den Nachteil auf, dass die erzeugten Wassereis-Partikel eine oftmals sehr unterschiedliche Qualität aufweisen. Für eine abrasive Oberflächenbearbeitung werden möglichst harte Partikel benötigt. Diese lassen sich zwar durch die erwähnte Mischstreckenvorrichtung erzeugen, jedoch ist diese Vorrichtung technisch aufwändig und kostspielig und liefert nicht immer Wassereis-Partikel der geforderten Qualität.
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Es besteht somit die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Wassereis-Partikeln zur abrasiven Oberflächenbehandlung anzugeben, mit denen Wassereis-Partikel in möglichst einfacher Weise, mit einer gleichbleibenden Qualität und in einer hinreichend großen Menge erzeugt werden können. Das Verfahren und die Vorrichtung sollen möglichst mobil einsetzbar sein und auch eine Bevorratung der Wassereis-Partikel ermöglichen, ohne dass dabei die Wirksamkeit der erzeugten Wassereispartikel nachlässt.
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Die Aufgabe wird mit einem Verfahren zur kryogenen Herstellung von Wassereis-Partikeln zur abrasiven Oberflächenbearbeitung und/oder zur Reinigung von Oberflächen nach Anspruch 1 und mit einer Vorrichtung zur kryogenen Herstellung von Wassereis-Partikeln zur abrasiven Oberflächenbearbeitung und/oder zur Reinigung von Oberflächen nach Anspruch 6 gelöst. Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte und/oder zweckmäßige Ausgestaltungen und Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung.
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Das Verfahren zur kryogenen Herstellung von Wassereis-Partikeln zur abrasiven Oberflächenbearbeitung und/oder zur Reinigung von Oberflächen erfolgt mit folgenden Verfahrensschritten:
- Es erfolgt ein Zuführen von Wasser unter Druck durch eine Mikroblende in den Innenraum eines Reaktionsbehälters. Dabei werden durch die Mikroblende Mikrotropfen erzeugt. Die Mikrotropfen treffen nachfolgend auf einen Kaltgas-Gegenstrom. Dabei erfolgt ein Vereisen der Mikrotropfen zu Wassereis-Partikeln. Der Kaltgas-Gegenstrom wird durch das Einleiten von Warmgas in einen innerhalb des Reaktionsbehälters befindlichen See aus einem Tieftemperatur-Flüssiggas erzeugt. Es erfolgt nachfolgend ein Auffangen der Wassereis-Partikel in einer Auffangvorrichtung und anschließend deren Weiterleitung in eine Strahlvorrichtung zur abrasiven Oberflächenbearbeitung.
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Grundgedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, die Wassereis-Partikel im Gegenstromverfahren zu erzeugen und dabei das Verdampfungsverhalten von Tieftemperatur-Flüssiggas zu nutzen, um hierdurch das Kaltgas zu erzeugen, das das Vereisen der Mikrotropfen bewirkt. Das Gegenstromverfahren im Zusammenhang mit der Zerstäubung des Wassers zu Mikrotropfen gewährleistet ein schnelles Durchfrieren der Mikrotropfen beim Auftreffen auf den Kaltgas-Gegenstrom in Verbindung mit dem Erreichen einer hinreichend tiefen Temperatur. Es werden hierdurch Wassereis-Partikel mit einem ausreichenden Härtegrad zuverlässig und in einer großen Menge kontinuierlich erzeugt.
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Der Kaltgas-Gegenstrom wird aus einem See aus einem Tieftemperatur-Flüssiggas heraus erzeugt. Hierzu wird trockenes Warmgas in das Tieftemperatur-Flüssiggas eingeleitet.
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Der Begriff „trockenes Warmgas“ bezeichnet hierbei Gas in einem Temperaturbereich, in welchem der gasförmige Aggregatzustand vorliegt. Das trockene Warmgas ist insbesondere ein wasser- und wasserdampffreies Gas. Der Begriff „Warmgas“ dient der klaren begrifflichen Unterscheidung zum Tieftemperatur-Flüssiggas einerseits und dem vereisenden Kaltgas-Gegenstrom andererseits.
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Das eingeleitete Warmgas bewirkt ein Verdampfen des Tieftemperatur-Flüssiggases, wobei hierdurch zusätzlich zum natürlichen Verdampfungsprozess durch Wärmeeintrag ein Kaltgas-Gegenstrom erzeugt wird. Die gebildeten Wassereis-Partikel sammeln sich in der Auffangvorrichtung, in der sie bevorratet werden können, bis diese an die Strahleinrichtung weitergeleitet werden.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform des Verfahrens erfolgt bei dem Vereisen der Mikrotropfen im Kaltgas-Gegenstrom ein Abkühlen der entstehenden Wassereis-Partikel auf eine Temperatur von weniger als 200 Kelvin, wobei die Wassereis-Partikel beim Vereisen eine Mohs-Härte zwischen 3,5 bis 4,5 annehmen.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführung ist das Tieftemperatur-Flüssiggas flüssiger Stickstoff und das Warmgas weist einen Anteil von mehr als 50% Stickstoff auf.
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Bei dieser Ausführungsform kann beispielsweise Luft oder auch gasförmiger Stickstoff in das Tieftemperatur-Flüssiggas eingeleitet werden.
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Vorteilhafterweise kann das Warmgas gleichzeitig auch als Druckgas für die Strahlvorrichtung eingesetzt werden. Weil das Warmgas hinreichend kalt ist, schmilzt es bei dem nur kurzen Kontakt mit den Wassereis-Partikeln in der Strahlvorrichtung die Partikel praktisch nicht an. Gleichzeitig werden durch die doppelte Nutzung des Warmgases die erforderlichen Gerätekomponenten reduziert.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird durch das Treibmittel das Austreiben der Wassereis-Partikel nach dem Strahlpumpenprinzip bewirkt. Das Treibmittel ist dabei das Warmgas, während das Saugmedium die Wassereis-Partikel sind.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen von Wassereis-Partikeln zur abrasiven Oberflächenbearbeitung besteht aus einem Reaktionsbehälter mit einer auf der Oberseite des Reaktionsbehälters angeordneten, in mindestens eine Mikroblende mündenden Wasserzuführung und einem unter der mindestens einen Mikroblende angeordneten Auffangmittel für vereiste Wassereis-Partikel mit einer Entnahmeleitung für die Wassereis-Partikel. Im Bodenbereich des Reaktionsbehälters befindet sich ein Kaltgaserzeuger in Form eines nach oben offenen Reservoirs zur Aufnahme eines Tieftemperatur-Flüssiggas-Sees. In den Bereich des Tieftemperatur-Flüssiggas-Sees mündet eine Gas-Zuführleitung für Warmgas zum Erzeugen eines Kaltgas-Gegenstroms ein, der zum Vereisen der aus der Mikroblende austretenden Mikrotropfen dient.
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Bei einer Ausführungsform befindet sich das Auffangmittel im Bereich des Reservoirs des Tieftemperatur-Flüssiggases. Dadurch ist durch den Tieftemperatur-Flüssiggas-See eine Kühlung für die im Auffangmittel befindlichen Wassereis-Partikel bewirkbar. Die Wassereis-Partikel können hierdurch bei sehr niedrigen Temperaturen zwischengelagert werden.
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Bei einer zweckmäßigen Fortbildung ist die Entnahmeleitung für die gesammelten Wassereis-Partikel in eine Mischstrecke zum Erzeugen eines Strahlgemischs aus einem Treibgas und Wassereis-Partikeln geführt.
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Die Mischstrecke ist bei einer Ausführungsform als eine Injektoranordnung ausgebildet.
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Vorteilhaft ist es, dass bei einer Ausführungsform die Injektoranordnung einen Druckgasanschluss aufweist, der zusätzlich in die Gas-Zuführleitung für das Warmgas mündet. Hierdurch kann mit einer Druckeinrichtung sowohl die Injektoranordnung betrieben als auch das Warmgas eingeleitet werden.
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Bei einer Ausführungsform ist der Reaktionsbehälter der Vorrichtung zur Herstellung der Wassereis-Partikel ein Reaktionsbehälter mit einem innerhalb des Reaktionsbehälters bestehenden Überdruck. Dabei bewirkt der Überdruck ein Austreiben der in dem Auffangmittel gesammelten Menge der Wassereis-Partikel durch die Entnahmeleitung.
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Zweckmäßigerweise ist der Reaktionsbehälter mindestens abschnittsweise thermisch isoliert.
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Das Verfahren und die Vorrichtung sollen nachfolgend anhand beispielhafter Ausführungsformen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die 1 bis 4. Es werden für gleich und/oder gleichlautende Verfahrensschritte und Komponenten dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Es zeigt:
- 1 eine Darstellung des Grundprinzips des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2a beispielhafte Darstellungen von Ausführungsformen der Mikroblende in einer Draufsicht,
- 2b die Ausführungsformen aus 2a in einer Schnittdarstellung,
- 3 eine Darstellung einer Vorrichtung zum Ausführen des Verfahren in einer ersten beispielhaften Ausführungsform,
- 4 eine Darstellung einer Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens in einer zweiten beispielhaften Ausführungsform.
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1 zeigt das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Erzeugung der Wassereis-Partikel erfolgt im Innern eines Reaktionsbehälters 1. Über eine Anordnung mit mindestens einer Mikroblende 2 wird Wasser in den Reaktionsraum gedrückt und dabei zu Mikrotropfen 3 zerstäubt. Diese Mikrotropfen treffen auf einen Kaltgas-Gegenstrom 4. Dabei vereisen die Mikrotropfen zu Wassereis-Partikeln 5 und fallen in eine Auffangvorrichtung 6. Von dort werden diese an eine Strahlvorrichtung zur abrasiven Oberflächenbearbeitung weitergeleitet. Dies ist in 1 durch das Bezugszeichen 8 verdeutlicht.
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Der Kaltgas-Gegenstrom wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in der Weise erzeugt, dass der Reaktionsbehälter 1 teilweise mit einem Tieftemperatur-Flüssiggas, insbesondere flüssigem Stickstoff, gefüllt ist. Diese Füllung bildet einen See 7 aus und ist nach oben hin offen. Zweckmäßigerweise umspült der See des Tieftemperatur-Flüssiggases zumindest einen Teil der Auffangvorrichtung 6 im direkten thermischen Kontakt und unterkühlt dadurch die darin befindlichen Wassereis-Partikel, sodass diese auf einer möglichst niedrigen Temperatur gehalten werden und dadurch ihre erforderliche Härte beibehalten.
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Es ist ebenso möglich, die Auffangvorrichtung auch in einem gewissen Abstand über dem Bereich des Sees zu positionieren, sofern hierdurch sichergestellt ist, dass die Unterkühlung der Wassereis-Partikel in der Auffangvorrichtung gewährleistet ist.
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Zum Erzeugen des Kaltgas-Gegenstroms wird Warmgas 9 in den See 7 des Tieftemperatur-Flüssiggases eingeleitet. Der Begriff „Warmgas“ wird hier zur Verdeutlichung des Merkmals verwendet, dass es sich hier um Gas im gasförmigen Aggregatzustand handelt und somit eine höhere Temperatur als das Tieftemperatur-Flüssiggas im See aufweist.
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Durch die Wärmezufuhr des Warmgases verdampft das Tieftemperatur-Flüssiggas im See, wobei das dabei entstehende Kaltgas eine niedrigere Temperatur als das eingeleitete Warmgas 9 aufweist. Durch den Kaltgasgegenstrom entsteht im Reaktionsraum ein Temperaturgefälle, welches durch die Menge des eingeleiteten Warmgases reguliert werden kann und auf die Menge des eingeleiteten Wassers abgestimmt werden muss. Das Temperaturgefälle ist notwendig, um die entsprechende Härte der Eispartikel zu gewährleisten. Anschließend erfolgt eine Unterkühlung der Wassereis-Partikel bis auf die Siedetemperatur des Flüssiggases in der Auffangvorrichtung.
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Grundsätzlich sind für das hier gezeigte Verfahren zwei Betriebsmodi möglich: ein Betrieb unter Normaldruck und ein Betrieb unter Überdruck. Entsprechend unterschiedlich sind die für die Ausführung des Verfahrens vorgesehenen Vorrichtungen aufgebaut.
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Bei einem ersten Betriebsmodus wird der Innenraum des Reaktionsbehälters 1 bei Normaldruck betrieben. Bei dieser Betriebsweise entspricht der Druck im Inneren des Reaktionsbehälters dem Druck der umgebenden Luft auf der Außenseite des Reaktionsbehälters. Bei dieser Betriebsart ist jederzeit ein Druckausgleich zwischen dem Innenraum des Reaktionsbehälters und der Umgebung sichergestellt. Dies kann durch hier nicht gezeigte Öffnungen in der Wand des Reaktionsbehälters oder einen dort angebrachten Abzug realisiert sein.
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Bei der Betriebsweise unter Normaldruck strömt der Kaltgas-Gegenstrom in den oberen Teil des Reaktionsbehälters, vereist dabei die Mikrotropfen und verlässt danach den Reaktionsbehälter praktisch ungehindert nach außen. Bei dieser Betriebsweise können die in der Auffangvorrichtung 6 befindlichen Wassereis-Partikel durch eine aktive Förderung nach außen weitergeleitet werden. In der Regel erfolgt dies entweder durch eine Förderpumpe oder die Wassereis-Partikel werden durch eine externe Mischstrecke angesaugt und zur Düse einer Strahleinrichtung weitergetrieben.
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Möglich ist aber auch ein Betrieb des Reaktionsbehälters bei Überdruck. Dieser Überdruck stellt sich durch das Verdampfen des Tieftemperatur-Flüssiggases zwangsläufig im Innenraum des Reaktionsbehälters ein und wird durch eine Ventileinrichtung auf einem voreingestellten konstanten Niveau gehalten, oder gegebenenfalls durch ein teilweises Absperren der Ventileinrichtung vorübergehend auf ein höheres Niveau eingestellt. Durch das Erhöhen des Drucks ist es möglich, die innerhalb der Auffangvorrichtung 6 gesammelten Wassereis-Partikel aktiv aus dem Reaktionsbehälter mittels des Überdrucks auszutreiben.
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Die 2a und 2b zeigen beispielhafte Ausführungsformen einer Mikroblende. Im Unterschied zu Düsenvorrichtungen, bei denen ein im Wesentlichen kegelförmiger Wasserstrahl abgegeben wird, der zu Einzeltropfen mit einer sehr breiten Größenverteilung zerfällt, bewirkt die Mikroblende eine Abgabe einzelner Mikrotropfen mit wohl definierter, schmaler Größenverteilung. Dadurch wird eine höhere Prozessstabilität erreichbar.
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2a zeigt links in der Draufsicht eine einfachste Ausführungsform der Mikroblende 2, 2b links die dazu entsprechende Schnittdarstellung. Diese Ausführungsform der Mikroblende besteht aus einer Platte 2a, in welche ein durchgehendes Loch 2b eingebracht ist. Diese Anordnung wird mit einem Wasserstrom 2c unter Druck beaufschlagt. Als Resultat verlässt eine linienförmige Folge aus Mikrotropfen 3 das Loch 2b.
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Möglich ist auch eine Gestaltung der Mikroblende 2, bei der innerhalb der Platte 2a mehrere Löcher 2b vorgesehen sind. Derartige Ausführungsformen sind in den 2a und 2b jeweils rechts dargestellt. Es können in die Platte 2a praktisch beliebig viele Löcher 2b eingebracht sein, sofern der Abstand zwischen diesen auf der Platte hinreichend so groß gewählt ist, sodass sich die erzeugten Mikrotropfen danach nicht miteinander vereinigen und eine ausreichende Kühlung durch den Kaltgas-Gegenstrom gewährleistet wird.
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Zur Ausführung des Verfahrens können beide Arten der Mikroblende verwendet werden, wobei die jeweiligen Ausführungsformen mehrfach im Reaktionsbehälter angeordnet sein können.
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Der Druck des Wassers zur Beaufschlagung der Mikroblende liegt zweckmäßigerweise unter 5 bar und entspricht damit im Wesentlichen dem üblichen Wasserdruck in den einschlägigen Versorgungsnetzen. Er kann jedoch auch höher oder niedriger gewählt werden. Entsprechend anzupassen sind hierbei der Durchmesser des einzelnen Loches 2b sowie die Dicke der Platte 2a. Mit steigendem Wasserdruck wird dazu tendenziell ein niedrigerer Lochdurchmesser verwendet. Der Durchmesser des einzelnen Loches 2b beträgt 100 µm bis 500 µm. Die Dicke der Platte beträgt etwa 0,1 mm bis einige Millimeter.
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3 zeigt eine erste beispielhafte Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens. Die in 3 gezeigte Vorrichtung ist für einen Betrieb bei Normaldruck im Innenbereich des Reaktionsbehälters vorgesehen. Die Vorrichtung besteht aus dem Reaktionsbehälter 1, der auf dessen Oberseite mit einem Deckeleinsatz 10 verschlossen ist. In den Deckeleinsatz 10 münden einer Reihe von Wasserzuführungen 11 ein, die über Mikroblenden 12 in den Innenbereich des Reaktionsbehälters 1 geführt sind und der Zerstäubung des zugeführten Wassers in Mikrotropfen 3 dienen. Im hier vorliegenden Beispiel sind drei Mikroblenden 12 vorgesehen, die jeweils mehrere aus den Mikrotropfen bestehende Sprühstrahlen 13 abgeben. Die hier als Mikroblenden bezeichneten Elemente verfügen jeweils über mehrere Mikrobohrungen, durch die das Wasser eingesprüht wird.
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Der Reaktionsbehälter 1 ist in dem Ausführungsbeispiel in 3 ein Reaktionsbehälter ohne Überdruck. Er weist einen offenen Boden auf und ist in ein thermisch isoliertes Übergefäß 14 hineingestellt. Das thermisch isolierte Übergefäß 14 ist mit Tieftemperatur-Flüssiggas, insbesondere flüssigem Stickstoff, gefüllt. Es wird hierdurch der See 7 realisiert. Die Füllhöhe des Sees 7 aus dem Tieftemperatur-Flüssiggas wird während des Betriebs der Vorrichtung so eingestellt, dass das Tieftemperatur-Flüssiggas die im Innenbereich des Reaktionsbehälters 1 befindliche Auffangvorrichtung 6 für die vereisten Wassereis-Partikel kühlt.
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In dem hier vorliegenden Beispiel ist die Auffangvorrichtung 6 als ein Auffangtrichter 15 ausgebildet, die sich direkt unter dem Einstrahlbereich der Sprühstrahlen 13 befindet. Somit können die in dem Bereich der Sprühstrahlen 13 durch den Kaltgas-Gegenstrom gebildeten Wassereis-Partikel direkt in den Auffangtrichter 15 hineinfallen, wobei diese dann dort gesammelt und durch das umgebende Tieftemperatur-Flüssiggas auf niedrigen Temperaturen gehalten werden. Hierdurch wird deren hinreichende Härte sichergestellt.
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Der See 7 wird von außen über eine Tieftemperatur-Flüssiggas-Zuleitung 16 mit einem Nachschub an Tieftemperatur-Flüssiggas beschickt, sodass sich dieser im Wesentlichen auf einem gleichbleibenden Niveau befindet.
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Über eine Warmgaszuleitung 17 wird Warmgas 9 in den See 7 des Tieftemperatur-Flüssiggases eingeleitet. Die Mündung der Warmgaszuleitung 17 innerhalb des Sees 7 befindet sich im unteren Bereich des Reaktionsbehälters 1. Das Warmgas weist eine hinreichend niedrige Temperatur auf, um ein Auftauen der vereisten Wassereis-Partikel zu vermeiden, aber bewirkt andererseits ein Verdampfen des Tieftemperatur-Flüssiggases im See 7 und somit den vereisenden Kaltgas-Gegenstrom.
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In dem hier vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das Warmgas über einen Verteiler 18 an eine Strahlpistole 19 geleitet und dient dort als Treibgas für die dort abzustrahlenden Wassereis-Partikel. Die Wassereis-Partikel werden beispielsweise nach dem Injektorprinzip aus der Auffangvorrichtung 6, d.h. insbesondere dem Auffangtrichter 15, angesaugt und als abrasiver Partikelstrahl 20 auf die zu bearbeitende Oberfläche abgegeben. Zur Zuleitung der Wassereis-Partikel zur Strahlpistole dient eine Entnahmeleitung 21, die mit der Auffangvorrichtung 6, d.h. insbesondere dem Auffangtrichter 15, gekoppelt ist. Die Strahlpistole 19 enthält hierzu eine Mischstrecke, in welcher die Wassereis-Partikel mit dem Treibgas gemischt werden.
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4 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens. Die in 4 gezeigte Ausführungsform kann als Reaktionsbehälter mit einem erhöhten Innendruck betrieben werden. Der Reaktionsbehälter 1 ist hier allseitig geschlossen und weist insbesondere einen geschlossenen Bodenbereich 22 auf. Zur Druckregulation kann der Reaktionsbehälter mit einer Sicherheitsventileinrichtung 23 versehen sein, über die sich der Druck im Reaktionsbehälter messen und einstellen lässt.
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Der Reaktionsbehälter 1 ist im unteren Teil mit dem Tieftemperatur-Flüssiggas befüllt, das wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel den nach oben offenen See 7 ausbildet. Dieser See umgibt mindestens teilweise die Auffangvorrichtung 6 für die Wassereis-Partikel 5. Die Auffangvorrichtung 6 ist hier ebenfalls als Auffangtrichter 15 ausgebildet und wird durch das Tieftemperatur-Flüssiggas im See 7 gekühlt.
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Der Vorrichtung ist ebenfalls eine Warmgaszuleitung 17 zugeordnet, über die Warmgas 9 dem Innenraum des Reaktionsbehälters 1 zugeführt werden kann. Die Warmgaszuleitung 17 mündet im Bodenbereich 22 des Reaktionsbehälters 1 in eine Reihe von Einleitungsdüsen 24 ein. Das Warmgas wird somit über den Bodenbereich verteilt in den See 7 des Tieftemperatur-Flüssiggases eingeleitet. Das Tieftemperatur-Flüssiggas wird hierdurch zumindest abschnittsweise mit dem Warmgas durchflutet, wodurch der Kaltgas-Gegenstrom 4 erzeugt wird.
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Im oberen Teil des Reaktionsbehälters 1 befindet sich ein Reaktionsbehälterdeckel 25, der im Falle eines unter Druck stehenden Reaktionsbehälters auf dem Reaktionsbehälter 1 arretiert, beispielsweise mit diesem verschraubt, mittels einer Flanschverbindung befestigt oder in vergleichbarer Weise fest mit dem Reaktionsbehälter verbunden ist. Im Reaktionsbehälterdeckel ist ebenfalls eine Anordnung mit mindestens einer Mikroblende 12 vorgesehen, die über eine Wasserzuführung 11 mit Wasser beaufschlagt wird.
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Der Auffangvorrichtung 6, d.h. dem Auffangtrichter 15, ist auch hier eine Entnahmeleitung 21 zugeordnet, über die sich die Wassereis-Partikel 5 nach außen abführen lassen.
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Der Reaktionsbehälter ist mindestens im Bereich des darin enthaltenen Sees aus dem Tieftemperatur-Flüssiggas mit einer äußeren thermischen Isolierung 26 umgeben.
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Der Betrieb der in 4 gezeigten Vorrichtung erfolgt so, dass durch das Zuführen des Warmgases eine Verdampfung des Tieftemperatur-Flüssiggases im geschlossenen Reaktionsbehälter 1 bewirkt wird. Das unter Druck in den Reaktionsbehälter über die Wasserzuführung 11 und die Mikroblenden 12 eingebrachte und zu Mikrotropfen zerstäubte Wasser trifft wie bereits vorhergehend beschrieben auf den Kaltgas-Gegenstrom 4 und vereist dadurch zu den Wassereis-Partikeln 5. Diese werden im Auffangtrichter 15 gesammelt. Infolge des Verdampfungsvorgangs im See des Tieftemperatur-Flüssiggases nimmt der Druck im Inneren des Reaktionsbehälters zu und wird durch die Sicherheitsventileinrichtung 23 auf einem vorbestimmten Niveau gehalten. Sobald die Entnahmeleitung 21 geöffnet wird, kann der in dem Auffangtrichter 15 gesammelte Vorrat an Wassereis-Partikein durch den im Reaktionsbehälter vorhandenen Überdruck ausgetrieben werden. Hierdurch kann zumindest ein Teil des in der Strahldüse aufzubringenden Drucks bereits durch den Überdruck im Reaktionsbehälter erzeugt werden.
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Es ist dadurch auch möglich, die Strahlvorrichtung teilweise autark und mobil zu betreiben. Hierbei wird zunächst an einer Befüllstation die eigentliche Herstellung der Wassereis-Partikel im Inneren des Reaktionsbehälters ausgeführt. Die Vorrichtung wird dabei zunächst mit dem Tieftemperatur-Flüssiggas befüllt und anschließend mit Wasser und Warmgas beschickt. Dabei erfolgt die Erzeugung der Wassereis-Partikel.
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Im Zuge der Erzeugung der Wassereis-Partikel baut sich der Überdruck im Reaktionsbehälter auf. Der Reaktionsbehälter kann dann von der Wasser-Befüllstation entnommen, von der Warmgaszuleitung abgekoppelt und zu einem vorgesehenen Einsatzort transportiert werden. Beim Öffnen der Entnahmeleitung 21 werden durch den im Reaktionsbehälter herrschenden Überdruck und/oder durch eine Gaszuleitung nach dem Injektorprinzip die gespeicherten Wassereis-Partikel ausgetrieben, womit sich für eine begrenzte Zeit eine gegebene kleinere Oberfläche abrasiv mit Wassereis-Partikeln bestrahlen lässt.
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Das Ausströmen des Kaltgases am oberen Ende der Anlage hat sich als prozessnotwendig herausgestellt, da die Strömungsgeschwindigkeit des Kaltgases relativ zu den Mikrotropfen den Gefrierprozess begünstigt. Es liegt hierdurch ein erhöhter Wärmeübergangskoeffizient vor. Über eine mobile Druckgasversorgung und eine mobile Wasserversorgung vor Ort kann allerdings auch eine mobile Erzeugung der Wassereis-Partikel realisiert werden.
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Das Grundprinzip des Wasser-Eis-Abstrahlens besteht also zusammengefasst darin, dass Wassereis (Strahlmittel) mit Druckgas (Treibmittel) gemischt wird. Dazu wird in einem Vorrats- und Reaktionsbehälter aus Wasser mittels Flüssigstickstoff (77 K) Eis hergestellt. Es wird einer Sprühpistole zugeführt und kann auch durch Druckgas auf die zu bearbeitende Fläche „geschossen“ werden.
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Das vorhergehend erläuterte Verfahren kann dazu verwendet werden, um herkömmliche Sandstrahlverfahren sowie andere für das Entschichten von Oberflächen verwendete Methoden zu ersetzen. Die Verwendung von Wassereis-Partikeln bildet einen Lückenschluss zwischen dem reinen Fluidstrahlen und dem Feststoffstrahlen und erfüllt folgende grundsätzliche Anforderungen:
- Es wird erstens auf herkömmliche feste Strahlmittel, wie z. B. Sand, Glasperlen, Korund etc. verzichtet. Hierdurch wird insbesondere der anfallende Strahlschutt minimiert und die ökologische Verträglichkeit des Strahlverfahrens wesentlich verbessert.
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Das Strahlen unter Verwendung von Wassereis-Partikeln ist großflächig, reproduzierbar und industriell anwendbar. Mit den erzeugten Wassereis-Partikeln sind Reinigungen mit einer Flächenrate von mehr als 10 m2/ Tag möglich.
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Durch die Verwendung von flüssigem Stickstoff zur Erzeugung der Wassereis-Partikel fällt im Kaltgas-Gegenstrom eine große Menge an kaltem Stickstoffgas an. Dieses kalte Stickstoffgas kann als Treibmittel fungieren. Die Verwendung als Treibmittel erfordert eine Wiederaufbereitung des Gegenstromgases, insbesondere ein Nachverdichten und ein Trocknen zur Abscheidung von Feuchte. In jedem Fall ist allerdings eine Nutzung des überschüssigen Kaltgases zur Vorkühlung des Treibgases denkbar.
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Mit dem erläuterten Verfahren und der dazu verwendeten Vorrichtung ist es möglich, Wassereis-Partikel mit einer Mohshärte in einem Bereich von 3,5 bis 4,5 und einer Temperatur von weniger als 193 K (d.h. von weniger als -80°C) zu erzeugen.
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Vorteilhaft ist es, dass das als Ausgangsmaterial verwendete Wasser einen hohen Reinheitsgrad aufweist. Dabei ist insbesondere eine Reinheit des zugeführten Wassers in Bezug auf Schwebstoffe relevant, um ein Verstopfen der Mikroblenden zu vermeiden. Eine mechanische Filterung des zugeführten Wassers ist daher zweckmäßig. Zur Sicherung des Reinheitsgrades kommt aus diesem Grund auch bevorzugt Flüssigstickstoff als Tieftemperatur-Flüssiggas zur Anwendung.
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Als zweiter Schritt werden die Wassereis-Partikel mit einer Sprühpistole (Injektor Prinzip) aus dem Reservoir gefördert und auf die zu reinigende Fläche gebracht.
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Das hier beschriebene Verfahren nutzt die Temperaturabhängigkeit der Härte des Wassereises aus. Durch die hier beschriebene Art der Eisherstellung weisen die erfindungsgemäß erzeugten Wassereis-Partikel eine Temperatur von weniger als 193K (-80°C) auf. In diesem Temperaturbereich besitzt Eis eine Mohs-Härte, die größer als 4 ist.
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Das Verfahren und die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens wurden anhand beispielhafter Ausführungsformen erläutert. Im Rahmen fachmännischen Handelns sind weitere Ausgestaltungen möglich. Diese ergeben sich auch aus den Unteransprüchen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Reaktionsbehälter
- 2
- Mikroblende
- 2a
- Platte
- 2b
- Loch
- 2c
- Wasserstrom
- 3
- Mikrotropfen
- 4
- Kaltgas-Gegenstrom
- 5
- Wassereis-Partikel
- 6
- Auffangvorrichtung
- 7
- See aus Tieftemperatur-Flüssiggas
- 8
- Abführen der Wassereis-Partikel
- 9
- Zufuhr von Warmgas
- 10
- Deckeleinsatz
- 11
- Wasserzuführung
- 12
- Mikroblenden
- 13
- Sprühstrahl
- 14
- Übergefäß, thermisch isoliert
- 15
- Auffangtrichter
- 16
- Tieftemperatur-Flüssiggas-Zuleitung
- 17
- Warmgaszuleitung
- 18
- Verteiler
- 19
- Strahlpistole
- 20
- abrasiver Partikelstrahl
- 21
- Entnahmeleitung
- 22
- Bodenbereich
- 23
- Sicherheitsventileinrichtung
- 24
- Einleitungsdüse für Warmgas
- 25
- Reaktionsbehälterdeckel
- 26
- Thermische Isolierung
