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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestrahlen einer Oberfläche mit
Trockeneisteilchen, mit einer an einer Kohlendioxidquelle angeschlossenen
Zuleitung für
flüssiges
Kohlendioxid, die an einer Entspannungsdüse zur Erzeugung von festen
Kohlendioxidpartikeln ausmündet,
mit einer Druckgaszuleitung zur Erzeugung eines Druckgasstroms und
mit einer Strahldüse
zum Austragen der erzeugten Kohlendioxidpartikel im Druckgasstrom
in Richtung der zu behandelnden Oberfläche, wobei der Zuleitung eine
Kühleinrichtung
zum Unterkühlen
von flüssigem Kohlendioxid
zugeordnet ist.
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Bekannt
sind Oberflächenbearbeitungsverfahren
wie Sandstrahlen, Kugelstrahlen, Vibrationsnadeln oder Trockeneisstrahlen,
deren Zweckbestimmung darin liegt, eine Beschichtung von einem Substrat
zu lösen.
Zur Behandlung leicht ablösbarer Schichten
wird heute in großem
Umfange das Trockeneisstrahlverfahren eingesetzt, das seine beste Wirkung
bei mittelharten und leicht versprödbaren Oberflächen erzielt,
die auf einem relativ festen und harten Untergrund aufgetragen sind.
Dieses Verfahren, das beispielsweise in dem Artikel von S. Donath und
F. Lürken: "Cold Jet-umweltfreundliches
Reinigen mit Trockeneispellets" gas
aktuell 41, S. 4 (1991) beschrieben ist, findet beispielsweise Anwendung bei
der Entrostung von Schiffskörpern.
Hier kommt es nicht darauf an, metallisch blanke Oberflächen zu schaffen,
sondern lediglich die schlecht haftenden Röstpartikel zu entfernen, da
festhaftende, passivierte Bestandteile des Oxidbelages bereits einen
gewissen Rostschutz für
das darunterliegende Metall darstellen. Wegen der relativ geringen
Härte der
Trockeneispartikel von 2 Mohs eignen sich Trockeneisstrahlverfahren
auch zum Reinigen empfindlicher Oberflächen.
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In
der
US 5 445 553 A wird
ein Verfahren zum Entfernen von Oberflächenbeschichtungen beschrieben,
bei dem aus gepresstem Kohlendioxidschnee erzeugte Trockeneispellets
als Strahlteilchen zum Einsatz kommen. Bei diesem Verfahren werden die
erzeugten und in einem Vorratsbehälter zwischengelagerten Trockeneispellets
einer Austrageinrichtung zugeführt,
aus der sie mittels Druckluft auf die zu behandelnde Oberfläche ausgestoßen werden.
Die räumliche
Trennung von Erzeugung der Trockeneispellets und Strahlapparatur
führt jedoch
zu einem hohen apparativem Aufwand und einen hohen Verbrauch an
Kohlendioxid. Zudem besteht die Gefahr, dass die Trockeneispellets
miteinander verkleben und dadurch das Strahlergebnis beeinträchtigen.
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In
der
DE 199 26 119
A1 ist ein Strahlwerkzeug zur Behandlung einer Oberfläche mit
Trockeneisteilchen beschrieben, das mit Kohlendioxidschnee als Strahlteilchen
arbeitet. Dieses Strahlwerkzeug umfasst eine erste Düse zur Erzeugung
von Kohlendioxidschnee durch Entspannung von flüssigem Kohlendioxid und eine
zweite Düse
zur Erzeugung eines Stütz-
bzw. Druckstrahles aus einem Druckgas, beispielsweise Druckluft.
Bevorzugt ist dabei die Kohlendioxiddüse konzentrisch von der Treibmitteldüse umgeben.
Der aus der Druckgasdüse
hervortretende Gasstrahl treibt die Schneeteilchen mit hoher Geschwindigkeit,
bevorzugt mit Überschallgeschwindigkeit,
in Richtung auf die zu bearbeitende Oberfläche, wodurch ein guter Reinigungseffekt
erzielt wird. Eine Verpressung des Schnees zu Pellets ist dabei
nicht erforderlich. Nachteilig bei diesem Gegenstand ist jedoch
der hohe Gasanteil von ca. 65%, der bei der Entspannung in der Strahldüse entsteht
und der zum einen zu einer energiezehrenden Abkühlung des Gasstromes und zum
andern zu einer geringen Effizienz der Apparatur im Vergleich zu
den oben beschriebenen, mit Trockeneispellets arbeitenden Anlagen
führt.
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Aus
der
DE 10 2004
018 133 B3 ist eine Anordnung zur Erzeugung eines Trockeneispartikel-Strahls
bekannt, bei gleichfalls Trockeneisteilchen aus der Entspannung
von flüssigem
Kohlendioxid erzeugt werden. Um die Ausbeute an Trockeneisteilchen
gegenüber
gasförmigem
Kohlendioxid zu erhöhen,
wird das das bei der Entspannung des flüssigem Kohlendioxids entstehende
kalte Kohlendioxidgas dazu genutzt, das zugeführte flüssige Kohlendioxid vorzukühlen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, bei der Erzeugung von Trockeneisstrahlen
aus der Entspannung von flüssigem
Kohlendioxid den Gehalt an Trockeneisschnee gegenüber Kohlendioxidgas weiter
zu erhöhen
und so die Effizienz von auf der Basis von Kohlendioxidschnee arbeitenden
Trockeneis-Strahlapparaturen
zu verbessern.
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Gelöst ist diese
Aufgabe durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art und Zweckbestimmung
dadurch, dass der Zuleitung für
flüssiges
Kohlendioxid eine Druckerhöhungseinrichtung
zum Verdichten des flüssigen
Kohlendioxids und eine Einrichtung zum Abführen der Kompressionswärme zugeordnet
ist.
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Mit
der erfindungsgemäßen Anordnung
wird der Anteil an festem Kohlendioxid nach der Entspannung deutlich
erhöht.
Zugleich weisen die erzeugten Kohlendioxidteilchen eine größere Festigkeit
auf als Kohlendioxidteilchen, die ohne Vorkühlung erzeugt werden. Die Leistung
der Strahlapparatur wird damit erheblich gesteigert. Die Erfindung
sieht weiter vor, der Zuleitung für flüssiges Kohlendioxid eine Druckerhöhungseinrichtung
zuzuordnen. Dadurch erhöht
sich der Anteil des festen Kohlendioxids nach der Entspannung weiter.
Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das
flüssige
Kohlendioxid aus einem Tank mit nur geringem Druck entnommen wird.
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Vorteilhafterweise
ist der Druckerhöhungseinrichtung
eine mit der Kohlendioxidquelle strömungsverbundene Rückführleitung
und eine weitere Kühleinrichtung
zum Abführen
der Kompressionswärme
zugeordnet. Dadurch ist es möglich,
den Druck und die Temperatur in der Kohlendioxidquelle bei der laufenden
Entnahme von flüssigem
Kohlendioxid konstant zu halten. Wird das Kohlendioxid bereits in
einem Hochdruckbehälter
mit entsprechend hohen Drücken
von beispielsweise 100 bar oder mehr bereitgehalten, erübrigt sich
freilich sich die Anordnung einer Druckerhöhungseinrichtung und einer Rückführleitung.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass der Strahleinrichtung eine Entspannungskammer
zugeordnet ist, in welche die Zuleitung und die Druckluftzuleitung
einmünden.
Die Kohlendioxid-Schneepartikel werden also innerhalb der Strahleinrichtung
erzeugt und mit dem Druckluftstrom ausgetragen.
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In
einer abermals vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind in
der Strahleinrichtung zusätzliche
Mittel zur Härtung
der Schneeteilchen vorgesehen werden. Bei diesen Mitteln handelt
es sich beispielsweise um eine Anordnung von Prallwänden, wie
sie beispielsweise in der
DE
199 50 016 A1 beschrieben sind.
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Bei
der Kohlendioxidquelle handelt es sich bevorzugt um eine Steigrohr-Flasche,
eine Mitteldruck- oder eine Niederdruck-Tankanlage.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird auch durch ein Verfahren zum Erzeugen von Kohlendioxidpartikeln
in einer Strahleinrichtung gelöst,
bei dem flüssiges
Kohlendioxid an einer Entspannungsdüse unter Erzeugung von Kohlendioxidpartikeln
entspannt und die erzeugten Kohlendioxidpartikel mittels eines Druckgases
an einer Strahldüse
ausgetragen werden und das dadurch gekennzeichnet ist, dass das
flüssige
Kohlendioxid vor seiner Zuführung an
die Strahldüse
verdichtet, die bei der Verdichtung entstehende Kompressionswärme entzogen
und das flüssige
Kohlendioxid anschließend
unterkühlt
wird.
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Bevorzugt
wird dabei das flüssige
Kohlendioxid vor seiner Zuführung
an die Strahldüse
um 2 K bis 50 K, besonders bevorzugt 5 K bis 20 K, unterkühlt und/oder
bevorzugt auf einen Druck von mindestens 100 bar verdichtet.
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Anhand
der Zeichnung soll nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
näher erläutert werden.
Die einzige Zeichnung (1) zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Die
Vorrichtung
1 umfasst eine Strahleinrichtung
3 zur
Bestrahlung einer zu reinigenden Oberfläche
4 mit Trockeneisteilchen.
Bei dieser Strahleinrichtung
3 handelt es sich um eine
Vorrichtung, bei der aus einer oder mehreren Strahldüsen
6 festes Kohlendioxid
in Form von Kohlendioxidschnee auf eine zu behandelnde Oberfläche
4 gestrahlt
wird, wodurch die Oberfläche
4 zumindest
lokal stark abgekühlt
wird. Wegen der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Materials
der Oberfläche
4 und
einer auf der Oberfläche
4 aufliegenden
Beschichtung kommt es zu einer Versprödung der Beschichtung. Aufgrund
der abrasiven Wirkung der festen, von der Strahleinrichtung
3 auf
die Oberfläche
4 geschleuderten
Trockeneisteilchen kommt es schließlich zu einer Ablösung der
Beschichtung von der Oberfläche
4.
Eine derartige Strahldüse
ist beispielsweise in der
DE
199 26 119 A1 beschrieben, auf die hier Bezug genommen
wird. Ihre Wirkungsweise wird daher im Folgenden nur kurz skizziert.
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Das
zur Bestrahlung eingesetzte Kohlendioxid wird bei der Strahleinrichtung 3 in
flüssiger
oder überkritischer
Form durch eine CO2-Zuleitung 5 herangeführt und
in der Strahleinrichtung 3 unter Entstehung von Kohlendioxidschnee
und Kohlendioxidgas entspannt. Die Entspannung des flüssigen Kohlendioxids
erfolgt dabei entweder unmittelbar an der Strahldüse 6 oder
in eine im Innern der Strahleinrich tung 3 angeordneten
Entspannungskammer, an die sich gegebenenfalls Mittel zur weiteren
Verfestigung der Schneeteilchen, wie beispielsweise Prallwände, strömungstechnisch
anschließen. Über eine
Druckgaszuführung 8,
die in hier nicht gezeigter Weise mit einer Druckgasquelle verbunden
ist, wird ein Druckgas, beispielsweise Druckluft, in die Strahleinrichtung 3 geführt. Beim
Betrieb der Strahleinrichtung 3 werden die Trockeneisteilchen
im Druckgasstrom durch eine Strahldüse 6 mit hoher Geschwindigkeit
in Richtung auf die Oberfläche 4 geschleudert.
Anstelle von Druckluft kann auch ein anders gasförmiges Druckmedium, beispielsweise
Stickstoff, zum Einsatz kommen.
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Die
Strahleinrichtung 3 ist über die Kohlendioxid-Zuleitung 5 mit
einer Kohlendioxidquelle 10 verbunden. Als Kohlendioxid-Quelle 10 dient
beispielsweise ein Niederdrucktank, in welchem das Kohlendioxid
bei einem Druck von üblicherweise
20 bar und einer Temperatur von –20°C vorliegt, oder ein Mitteldrucktank,
in dem das Kohlendioxid üblicherweise bei
einem Druck von 60 bar und einer Temperatur von +20°C gelagert
wird.
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In
einem vorderen Leitungsabschnitt 11 der Kohlendioxid-Zuleitung 5 ist
eine Pumpe 12 angeordnet, mittels der der Druck des der
Strahleinrichtung 3 zugeführten Kohlendioxids auf einen
Wert von beispielsweise 100 bar gesteigert wird. Dadurch erhöht sich
der Feststoff-Anteil beim Entspannen des Kohlendioxids in der Strahleinrichtung 3 und
damit auch die Reinigungseffizienz der Vorrichtung 1. Stromab zur
Pumpe 12 zweigt an einer Abzweigstelle 13 eine Rückleitung 14 ab,
in der ein Reduzierventil 15 angeordnet ist. Die Rückleitung 14 steht
mit der Flüssigphase
des in der Kohlendioxidquelle 10 gespeicherten Kohlendioxids
in Strömungsverbindung. Über die Rückleitung 14 wird
ein Teil des von der Pumpe 11 geförderten Kohlendioxids in die
Kohlendioxidquelle 10 zurückgeführt, wobei das Reduzierventil 15 dafür sorgt,
dass der Druck des zurückgeführten Kohlendioxids
dem in der Kohlendioxidquelle 10 vorherrschenden Druck
von beispielsweise 20 bar im Falle eines Niederdrucktanks oder 60
bar im Falle eines Mitteldrucktanks entspricht. Auf dieses Weise
bleibt der Druck in der Kohlendioxidquelle 10 trotz der
Entnahme von Kohlendioxid im Wesentlichen konstant.
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Stromab
zur Abzweigstelle 13 ist in der Kohlendioxid-Zuleitung 5 eine
Kühleinrichtung 16 vorgesehen.
Im Ausführungsbeispiel
handelt es sich bei der Kühleinrichtung 16 um
einen beispielsweise mit flüssigem
Stickstoff betriebenen Wärmetauscher, mittels
dessen die Temperatur des in der Kohlendioxid-Zuleitung 5 geförderten
Kohlendioxids deutlich reduziert werden kann. Stromauf zur Pumpe 12 ist
im Leitungsabschnitt 11 eine weitere Kühleinrichtung 18 vorgesehen,
bei dem es sich gleichfalls um einen beispielsweise mit flüssigem Stickstoff
betriebenen Wärmetauscher
handelt. Die Kühleinrichtung 18 ist
bevorzugt stromauf zur Pumpe 12 angeordnet, kann jedoch
auch zwischen Pumpe 12 und Abzweigstelle 13 vorgesehen
sein. Die Kühleinrichtung 18 dient
insbesondere dazu, dem geförderten
Kohlendioxid die durch die Arbeit der Pumpe 12 zugeführte Kompressionswärme zumindest
teilweise wieder zu entziehen.
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Beim
Betrieb der Vorrichtung 1 wird der Kohlendioxidquelle 10 Kohlendioxid
entnommen und mittels der Pumpe 12 auf einen Druck von
ca. 100 bar gebracht. Da die Kompressionswärme dem Kohlendioxid bereits
in der Kühleinrichtung 16 zum
großen Teil
entzogen wird, entspricht die Temperatur des Kohlendioxids an der
Abzweigstelle 13 zumindest annähernd der Temperatur des in
der Kohlendioxidquelle 10 gespeicherten Kohlendioxids,
also etwa –20°C im Falle
eines Niederdrucktranks und +20°C im
Falle eines Mitteldrucktanks. Durch die Kühleinrichtung 16 erfolgt
eine weitere Abkühlung
des der Strahleinrichtung 3 zugeführten Kohlendioxids um beispielsweise
5 bis 20 K. Dadurch verringert sich ebenfalls der Gasanteil des
an der Stahleinrichtung 3 entspannten Kohlendioxids, der
Anteil an Trockeneispartikeln erhöht sich. Gleichzeitig weisen
die Trockeneisteilchen eine erhöhte
Festigkeit auf, wodurch deren abrasive Wirkung beim Strahlen verbessert wird.
Der die Kohlendioxidpartikel zur Oberfläche 4 transportierende
Luftstrom wird dadurch weniger stark abgekühlt. Gleichzeitig wird jedoch
aufgrund des höheren
Feststoffanteils im Kohlendioxid der zu reinigenden Oberfläche 4 eine
größere Menge
Kälteenergie
zugeführt.
Insgesamt ergibt sich damit eine wesentlich höhere Leistung als bei Strahlvorrichtungen
nach dem Stande der Technik.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
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- 3
- Strahleinrichtung
- 4
- Oberfläche
- 5
- Kohlendioxid-Zuleitung
- 6
- Strahldüse
- 7
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- 8
- Druckgaszuleitung
- 9
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- 10
- Kohlendioxidquelle
- 11
- Leitungsabschnitt
(der Kohlendioxid-Zuleitung)
- 12
- Pumpe
- 13
- Abzweigstelle
- 14
- Rückleitung
- 15
- Reduzierventil
- 16
- Kühleinrichtung
- 17
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- 18
- Kühleinrichtung