CN102548711A - 借助低温流体射流进行工作的设备的管道的隔热 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种借助处于低温高压的流体射流进行工作的设备，所述设备包括一个或多个管道(6、7、8)以便将低温流体输运至包括一个或多个流体分配喷嘴(11)的运动工具(4)，从而向所述运动工具(4)的至少一个喷嘴(11)供应高压低温流体，且流体管道(6、7、8)的至少一部分包括隔热装置(20、22、22’)，所述隔热装置使得所述管道部分(6、7、8)能够被隔热。隔热装置(20)包括围绕所述至少一个待隔热的管道或管道部分(6、7、8)的全部或部分布置的腔室(20)、至少一个隔热气体源(5)、以及将隔热气体源(5)流体连通至腔室(20)内部的隔热气体供应装置，从而向腔室内部供应来自隔热气体源(5)的隔热气体并在腔室(20)的内部(21)形成隔热的气态环境。

Description

借助低温流体射流进行工作的设备的管道的隔热
技术领域
本发明涉及一种借助处于非常高的压力的低温流体射流对有涂层和无涂层材料(例如金属、混凝土、木材、聚合物、塑料或任何其它类型的材料)进行剥离、除锈和表面处理的设备和方法。
背景技术
目前，有涂层或无涂层材料的表面处理，特别是对混凝土、涂料表面等的剥离、除锈或类似处理基本上是通过喷砂、超高压(UHP)水射流、或砂磨、或通过气锤或针枪处理、或通过化学装置而实现的。
但是，例如由于苛刻的环境限制必须不能存在任何水时(例如在核环境中或化学产品的情况下)，被称为“干式”的工作方法是可被采用的唯一方法。
但是在某些情况下，这些“干式”方法难以执行、非常费力或难以操作、或产生额外的污染，例如由于使用了必须随后除去的沙粒或砂子。
这些技术的一种替代方案是如在US-A-7,310,955和US-A-7,316,363中所提出的方案，该方案依赖于采用处于非常高的压力的低温射流。在此例中，利用了处于1000至4000bar压力并处于低温(例如-100℃至-200℃之间，通常约-140℃至-160℃之间)的液氮的一股或多股射流，所述射流由喷嘴保持工具分配，所述喷嘴保持工具通常做旋转或摆动运动。
在下文中详述并在图1中示出了一种工作设备，例如一种利用处于非常高的压力的低温射流对有涂层或无涂层材料(例如金属、混凝土、木材、聚合物、塑料或任何其它种类的材料)进行剥离、除锈或表面处理的设备。
在这种类型的设备中，液氮流动通过低温流体供应管道或导管，在所述管道或导管内氮随着相关的管道而处于不同压力和温度，并尤其处于非常低的温度，换句话说处于可低至约-180℃的低温。
显然，为了保持液氮处于低温，管道必须被隔热以防止液氮在设备的各个元件之间输送期间被加热。
这是因为这些管道的某些会非常长，因此形成了与环境大气热交换的大的表面积。例如，将氮从贮存器输送至设备的管道很少具有少于几米的长度、且有可能具有几十米的长度。通常，管道的长度在从约10m至400m的范围内，并通常从约50m至250m。
为了这些管道的隔热，可通过以下方法进行隔热：
通过利用绕管道布置的隔热材料以形成机械的热屏障。鉴于所涉及的非常低的温度，这种解决方案并不非常有效，且其局限性很快就会变得很明显。
通过在某些或所有的管道周围形成真空。该解决方案远非理想，除了其它方面的考虑之外，该方案费力而复杂且需要利用真空装置(例如真空泵)，所述真空装置必须集成到设备中并占据一定量的空间、需要定期维护、并消耗能量。
因此所出现的问题是：对于在利用非常高压力的低温射流的设备中输送低温流体的一个、某些或所有管道有效地隔热，而不会导致安装或维护的可观成本，并且不会使设备的整体架构过度复杂化。
发明内容
由本发明提出的解决方案是一种利用处于低温高压的流体的至少一股射流进行工作的设备，所述设备包括：
至少一个运动工具，所述运动工具具有一个或多个喷嘴以便分配低温流体，以及
一个或多个流体管道，所述流体管道适用于和设计成输送处于低温的流体至所述运动工具，从而向所述运动工具的至少一个流体分配喷嘴供应处于低温高压的流体，以及
设置在流体管道的至少一部分上的隔热装置以便管道的所述至少一部分的隔热，
其特征在于，隔热装置包括：
围绕所述至少一个待隔热的管道或管道部分的全部或部分布置的至少一个腔室，
至少一个隔热气体源，以及
隔热气体供应装置，所述装置在所述至少一个隔热气体源和所述至少一个腔室内部之间建立流体连通，从而向所述至少一个腔室供应来自所述至少一个隔热气体源的隔热气体，由此在所述至少一个腔室内形成隔热的气态环境。
根据情况，根据本发明的设备可包括以下特征的一个或多个：
该设备还具有至少一个低温流体源，所述流体源容纳有待输送至工具的处于低温的流体。流体管道适用于和设计成将处于低温的流体从至少一个低温流体源输送至流体分配工具。
至少一个腔室包括与气体供应装置流体连通的气体入口和与大气流体连通的气体出口，由此在所述至少一个腔室内形成气体吹扫过程。
至少一个隔热气体源是氮源。
该设备包括低温流体源和至少一个热交换器，所述热交换器包括排气装置(特别是排气口)并且布置在低温流体源和工具之间，且至少一个隔热气体源包括至少一个热交换器的排气装置。
隔热气体源包括至少一个热交换器的排气装置，且隔热气体供应装置与所述排气装置以这种方式流体连通：使通过所述排气装置逸出的气体的至少一部分可被回收、输运并继而被引导进入至少一个腔室，所述至少一个腔室布置成围绕所述至少一个待隔热的管道或管道部分的部分或全部。
隔热气体供应装置包括至少一个气体供给管道，优选为装备有用于控制和/或调节气体流率的装置的至少一个气体供给管道。
至少一个腔室包括管状结构，所述管状结构形成了围绕所述至少一个待隔热的管道或管道部分的部分或全部的套筒。
至少一个腔室包括第一和第二同轴管状结构，所述同轴管状结构形成了围绕所述至少一个待隔热的管道或管道部分的部分或全部的双重套筒。
至少一层的隔热材料布置成围绕腔室的外围的至少一部分，且优选地，隔热材料是隔热泡沫材料、特别是聚氨酯泡沫材料。
工具的运动可以是旋转或摆动。
本发明还涉及一种将工作设备、尤其是根据本发明的设备的至少一个流体管道的部分或全部进行隔热的方法，所述设备利用至少一个工具，所述工具具有一个或多个喷嘴以便分配低温流体，借助至少一个流体管道向工具直接或间接地供应处于低温的流体，其特征在于：
a)至少一个腔室布置成围绕所述至少一个待隔热的管道或管道部分的全部或部分，并且
b)来自至少一个隔热气体源的隔热气体被引入所述腔室，从而在所述至少一个腔室内以及围绕所述至少一个待隔热的管道或管道部分的部分或全部形成隔热的气态环境。
根据情况，根据本发明的方法可包括以下特征的一个或多个：
处于低温的流体取自至少一个低温流体源，例如蓄存器等。
隔热气体是氮。
隔热气体是取自设备的热交换器的排气装置的氮。
由工具的喷嘴分配的低温流体是液氮，所述液氮处于至少100bar、优选至少300bar、或更优选1000至5000bar之间的压力下，并处于低于-140℃、或优选约-140℃至-180℃之间的温度下。
隔热气体的流量率在从1,000至20,000l/min、或优选从5,000至15,000l/min的范围内。
至少一层的隔热材料布置成围绕腔室的外围的至少一部分。
在隔热腔室的入口处，隔热气体具有的压力适于补偿由腔室形成的气体的压降，换句话说具有大于1bar、或优选大于2bar的绝对压力。
隔热气体以平行流或对流的方式相对于待冷却的低温液体而流动。
本发明还涉及一种借助高压低温流体进行材料的表面处理、剥离或除锈的方法，其中利用了根据本发明的设备或方法。
附图说明
参考附图将更完整地描述本发明，其中：
图1是利用处于非常高的压力的低温射流的工作设备的运行示意图；
图2a(侧视图)和图2b(仰视图)是图1的设备所装备的喷嘴保持工具的示意图；
图3是根据本发明的隔热腔室的第一实施例的示意图；
图4是根据本发明的隔热腔室的第二实施例的示意图；以及
图5是根据本发明的工作设备的示意图。
具体实施方式
图1是常规的借助低温液体射流进行剥离、表面处理或类似工作的设备的示意图，所述设备通常包括液氮(下文标记为LN2)的蓄存器1，例如罐箱，所述蓄存器通过供给线路6向压缩装置2供应处于低压(换句话说处于约3bar至6bar)并处于约-180℃的温度的液氮，所述压缩装置2具有压缩机和内部逆流热交换器以便将液氮加压至超高压(UHP)。因此，压缩装置2可压缩从蓄存器1接收的LN2。
处于第一压力(UHP)的LN2随后沿输运线(7)被输送至外部顺流热交换器3，在顺流热交换器3内UHP LN2被处于大气压力的液氮(在9中)冷却，由此典型地产生UHP液氮。
所产生的LN2处于某一压力(UHP)，该压力一般大于300bar，通常在从2000bar至5000bar的范围内，有利地在从约3000至4000bar的范围内，且处于低于-140℃的温度、通常在-140℃至-180℃之间，例如约-150℃至-160℃，该LN2通过供应线8被送至剥离工具4或类似工具，该工具射出一股或多股UHP液氮的射流，通常为多股射流。
大容量的蓄存器1，例如容纳几千升液氮的罐式卡车或蓄存器，通常位于任何建筑的外面，换句话说在户外。它可以是固定的或移动的，并以常规的方式连接至设备，换句话说借助包括一个或多个控制阀的一个或多个隔热管线6。LN2借助隔热管道7、8而在系统的各个元件之间输送。
一般说来，压缩装置2、外部换热器3以及尤其是工具4通常位于一个或多个建筑内。
在热处理或类似的过程期间，从两个换热器、换句话说从压缩装置2的逆流换热器和从顺流换热器3有气态氮持续逸出，该气态氮处于大气压力(约1bar)并处于约-196℃。气态氮的这种逸出是通过布置在每个热交换器2、3上的排气装置(例如排气口或类似装置)而发生的。
在现有技术的设备中，释放出的氮没有重新利用，而通常是被收集并通过排气口5排出建筑，以防止任何人员缺氧的危险；换句话说释放出的氮形成了排放至大气的废气。
如图2a(侧视图)和图2b(仰视图)所示，为了增加所处理的、换句话说被剥离或类似处理的表面的大小，通常利用具有喷嘴11的工具4，该工具4是用在UHP水射流方法中使用的类型的工具，但在本例中向该工具4供应的是UHP LN2(在8处)，使工具4旋转或摆动以提供旋转或摆动的UHP LN2的射流12，该射流12用于剥离(或以等价方式处理)待处理的表面。在已知的方式中，通常通过一组小齿轮使喷嘴保持工具4旋转，该组小齿轮具有或不具有传动带，并由电动或气动马达驱动，该驱动是借助了连接至马达的第一旋转传动轴或杆、传动箱、外罩或外壳、以及第二传动轴或杆实现的，所述外罩或外壳包括具有一组内部小齿轮的传动机构，所述第二传动轴或杆连接至装配有喷嘴的运动工具4。
如前文所述以及如在图1中可见，液氮因此在管线、导管或类似物6、7、8中流动通过设备，所述管线通常由不锈钢制成，显然位于：
-液氮罐1和压缩机之间，该压缩机之后是压缩装置2的外部换热器，显然沿线路6输送处于低压(约5至6bar)并处于-180℃的氮，
-压缩装置2和前部换热器3之间，沿线路7输送处于超高压(3000至4000bar之间)并处于约-40℃的温度的氮，以及
-前部换热器3和工具4之间，沿供应线8输送处于超高压(3000至4000bar之间)并处于约-150℃的液氮。
导管或线路6和7必需例如由隔热材料来隔热，换句话说来保护，以减少可能发生的热损(或在本例中为冷损)，因为这些线路可能会非常长，通常具有几米或可能几十米的尺寸，例如5至300m，或典型地约10至250m。将位于压缩装置2和外部换热器3之间的管线隔热也是可取的。
这是由于优选要防止任何附加的热交换将在设备的管道线路中流动的液氮加热，因为这会引起液氮蒸发以及不期望的过早形成气态氮的风险。
鉴于上述考虑而发明的、并构成本发明基础的想法是将通常通过装配在热交换器2和3上的排气口排放的气态氮回收，并利用该气体作为隔热气体，该隔热气体散布在待隔热的管道6、7、8周围，以保持在这些管道6、7、8中流动的液氮处于低温，换句话说在-140℃至-180℃之间，而不会形成不期望的气态氮，且成本较低。用作隔热气体并取自外部换热器3和/或取自压缩装置2的内部换热器的气态氮因此被回收利用而不是通过排气口5直接排至大气。
但是，也可全部或部分地从另一气体源提取隔热气体(例如气态氮)，特别是利用来自气瓶、容器或贮存器、气体供应管道或管道网路等的气态氮。但是，优选利用通常通过装配在热交换器2和3上的排气口排放的气态氮，或来自罐箱或贮存器的气态蒸气的气体。
用作隔热气体的气态氮散布在绕待保护的管道6、7、8布置的一个或多个腔室中，以形成气体吹扫过程，该气体吹扫过程发生在每一腔室内并因此与待保护的线路接触。
由于来自换热器2、3的排气口的气态氮是冷态氮，换句话说处于约-185℃至196℃的典型温度，因此它可用来限制对在管道6、7、8中流动的氮的加热，并因此防止或尽可能减少该氮的过早蒸发。
用于将罐箱和压缩装置2之间的管道6隔热的氮在其从装配在供应线6上的腔室抽取或释放之后被排放至户外，换句话说排放至环境大气中。优选地，在罐箱1附近进行至大气的排放。
在压缩装置2和外部换热器3之间的管道7上、以及在将外部换热器3连接至工具4的线路8上设置了隔热，氮例如通过房间的抽取系统或通过专用的排气系统而被排放至顺流热交换器3所在的房间之外的环境大气。
如图3所示，该图示出根据本发明的隔热腔室20的第一实施例(以剖面图示出)，可利用管子或套筒作为隔热腔室20，该管子或套筒具有比待隔热的、液氮(L)在其中流动的导管6的直径更大的直径，处于低压(约5至6bar)的气态氮(G)被引至该隔热腔室20内。在本例中，两个管子20和6是理论上同轴的或实际上同轴的。该隔热腔室20还可装配在线路7、8上，该线路7、8输送处于高压(约3000至4000bar)的气态氮(L)。
图4示出根据本发明的隔热腔室20的第二实施例(以剖面图示出)，在本例中，该隔热腔室由两个管子或套筒22、22’构成，该两个管子或套筒的直径大于待隔热的、液氮(L)在其中流动的导管6的直径。在本例中，三个管子22、22’和6是理论上同轴的或实际上同轴的。
这两个管子或套筒22、22’构成了双路隔热气体系统，尤其使得可防止或尽可能减少气态氮排放至建筑中，这种排放会引起人员缺氧的危险。在本例中，气态氮被引至例如第一隔热管22中，流动通过该管的内部21，由此吹扫了容纳有高压液氮的中央导管7的外表面，随后进入第二隔热管22’的内部21’，流动通过该管的内部21’，由此在相反方向上吹扫了隔热管22的外表面，并随后如前文所述地排放至大气。
因此，这两个容纳有取自热交换器2、3的排气口5的低温气态氮(G)的管子22、22’充当了热屏障，该热屏障限制了环境大气和中央导管7、8之间的热交换，换句话说限制了冷损失和对由中央导管7、8输送的液氮的加热。
应注意，出于热力原因，也为了保护操作者免受可能的低温灼伤，还优选在待隔热的管道的外表面周围设置几厘米(例如1cm至6cm)的隔热材料，例如橡胶或三元乙丙橡胶(EPDM)。
还可利用聚异氰脲酸酯、聚氨酯、玻璃棉、石棉或任何其它类型的常规隔热材料作为补充隔热材料。
图5是根据本发明的利用低温液体射流进行除锈、表面处理或类似工作的设备的示意图。如图中可见，该设备类似于图1所示的设备，除了每一个氮供给线路6、7、8装配有根据本发明的隔热腔室20，例如根据图3或图4的原理的同轴管20、22、22’，向所述同轴管供应来自设备的热交换器2、3的排气口5的氮。隔热氮在排气口5的出口处被回收并随后沿气态氮供给线路25被输运至腔室20。
在本例中，压缩装置2的逆流换热器的排气口5为装配在线路6和7上的隔热腔室20提供供给，同时向线路8的腔室20供应取自顺流换热器3的排气口5的氮。但是，该实施例并非排它性的或限制性的；也就是说，任何排气口5可供应线路6、7、8中任一的任何腔室20。
作为对装配在线路6上的腔室20的详述，由管道回线路25输运的气态氮通过入口26被引入腔室20从而在腔室20中形成气体吹扫过程，如上文所述，并随后从腔室通过出口27被抽取，之后经输运并排放至大气28。各个腔室20可基于同样的原理运行。
应注意，可将离开第一腔室的出口27的氮回收并将其送向第二腔室20的入口26而不是将其排放，诸如此类，由此形成一种吹扫气体回路。还可在单个腔室20中设置多个入口26和/或多个出口。
气态氮可以以平行流或对流方式吹扫线路6、7、8的在腔室20中的表面。
范例：利用处于-196℃温度的气态氮的隔热效果
为了向UHP管线提供根据本发明的有效隔热，该管线由不锈钢(304或316)制成，具有150m的长度，并在图5的顺流换热器3和喷嘴保持工具4之间输送处于约-150℃至-160℃的温度的UHP氮(处于3000至4000bar之间)，利用了如图3所示的单个套筒腔室20，在该腔室内气态氮仅在一个方向上行进并随后排放至大气，可采用以下参数，：
管子：外径14.8mm，管长150m；
液氮(LN2)：在管子入口处的液氮的温度：-155℃，液氮流率：5l/min；
气态氮：
在管子入口处的气态氮的温度：-196℃；
气态氮从换热器逸出的流率：10m3/min；
气态氮在待隔热的四个管子之一中的流率：2.5m3/min；
隔热氮气的厚度：10mm；
隔热/保护：围绕两个同轴管的EPDM(三元乙丙橡胶)泡沫材料的平均导热系数：0.025W/(m·K)；围绕处于低温的两个同轴管的聚氨酯泡沫材料的平均导热系数：0.019W/(m·K)；
其它参数：持续运行；在温度范围内的流体的热物理特性恒定；温度仅在流出方向上变化；压降可忽略。
下表中给出了结果。
表格
Figure BDA0000139740380000101
＊为了补偿由于管道系统而导致的氮气中的压降，在范例中氮气必须加压至5bar。
显然，冷态氮气隔热(该氮气在携带液氮的管道的周围进行吹扫)的设置使得不仅可比没有氮隔热时采用了更小的隔热物厚度，还可实现比仅有隔热材料时所获得的温度更低的液氮出口温度，这导致更大的射流连贯长度以及因而更高的效率。优选地，通过采用氮与固体隔热材料来设置双重隔热，该固体隔热材料的形式为隔热泡沫材料，优选为聚氨酯。

Claims (15)

1.一种设备，所述设备利用至少一股处于低温高压的流体的射流进行工作，所述设备包括：
至少一个运动工具(4)，所述运动工具具有一个或多个喷嘴(11)以便分配低温流体，以及
一个或多个流体管道(6、7、8)，所述流体管道适用于和设计成将处于低温的流体输送至所述运动工具(4)从而向所述运动工具的至少一个流体分配喷嘴(11)供应处于低温高压的流体，流体管道(6、7、8)的至少一部分包括隔热装置(20、22、22’)以便管道(6、7、8)的所述至少一部分的隔热，
其特征在于，所述隔热装置(20)包括：
围绕所述至少一个待隔热的管道或管道部分(6、7、8)的全部或部分布置的至少一个腔室(20)，
至少一个隔热气体源(5)，以及
隔热气体供应装置，所述装置在所述至少一个隔热气体源(5)和所述至少一个腔室(20)内部之间建立流体连通，从而向所述至少一个腔室(20)供应来自所述至少一个隔热气体源(5)的隔热气体，由此在所述至少一个腔室(20)内形成隔热的气态环境(21)。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，至少一个腔室(20)包括与气体供应装置流体连通的气体入口，以及与大气流体连通的气体出口，由此在所述至少一个腔室(20)的内部(21、21’)形成隔热气体吹扫过程。
3.根据前述权利要求的任一项所述的设备，其特征在于，至少一个隔热气体源是氮源。
4.根据前述权利要求的任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括低温流体源(1)和至少一个热交换器(2、3)，所述热交换器包括布置在低温流体源(1)和工具(4)之间的排气装置(5)，特别是排气口，且至少一个隔热气体源包括至少一个热交换器(2、3)的排气装置(5)。
5.根据前述权利要求的任一项所述的设备，其特征在于，隔热气体源包括至少一个热交换器(2、3)的排气装置(5)，隔热气体供应装置(25)与所述排气装置(5)以这种方式流体连通：使得通过所述排气装置(5)逸出的气体的至少一部分可被回收、输运并继而被引导进入至少一个腔室(20)，所述腔室布置成围绕所述至少一个待隔热的管道或管道部分(6、7、8)的部分或全部。
6.根据前述权利要求的任一项所述的设备，其特征在于，隔热气体供应装置(25)包括至少一个气体供给管道，优选为装备有用于控制和/或调节气体流率的装置的至少一个气体供给管道(25)。
7.根据前述权利要求的任一项所述的设备，其特征在于，至少一个腔室(20)包括管状结构(20、22、22’)，所述管状结构形成了围绕所述至少一个待隔热的管道或管道部分(6、7、8)的部分或全部的套筒。
8.根据前述权利要求的任一项所述的设备，其特征在于，至少一个腔室(20)包括第一和第二同轴管状结构(22、22’)，所述同轴管状结构形成了围绕所述至少一个待隔热的管道或管道部分(6、7、8)的部分或全部的双重套筒。
9.根据前述权利要求的任一项所述的设备，其特征在于，围绕腔室(20)的外围的至少一部分布置有至少一层隔热材料。
10.一种将工作设备、尤其是根据权利要求1至9中任一项所述的设备的至少一个流体管道的部分或全部进行隔热的方法，所述设备利用至少一个工具(4)，所述工具具有一个或多个喷嘴(11)以便分配低温流体，借助所述至少一个流体管道(6、7、8)向所述工具直接或间接地供应处于低温的流体，其特征在于：
a)至少一个腔室(20、22、22’)布置成围绕所述至少一个待隔热的管道或管道部分(6、7、8)的全部或部分，并且
b)来自至少一个隔热气体源(5)的隔热气体被引入所述腔室(20、22、22’)，从而在所述至少一个腔室(20、22、22’)内以及围绕所述至少一个待隔热的管道或管道部分(6、7、8)的部分或全部形成隔热的气态环境。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，隔热气体是在隔热腔室的入口处具有大于1bar、优选大于2bar的压力的氮。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，隔热气体是取自设备的热交换器(2、3)的排气装置(5)的氮。
13.根据权利要求10至12的任一项所述的方法，其特征在于，由工具(4)的喷嘴分配的低温流体是液氮，所述液氮处于至少100bar、优选在1000bar至5000bar之间的压力下，并处于低于-140℃、优选在约-140℃至-180℃之间的温度下。
14.根据权利要求10至13的任一项所述的方法，其特征在于，围绕腔室(20)的外围的至少一部分布置有至少一层隔热材料。
15.一种借助处于高压的低温流体对材料进行表面处理、剥离或除锈的方法，其中利用了根据权利要求1至8的任一项所述的设备或根据权利要求10至14的任一项所述的方法。
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