DE102007052390A1

DE102007052390A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung von Oberflächen

Info

Publication number: DE102007052390A1
Application number: DE102007052390A
Authority: DE
Inventors: Manfred Stahl; Harald Winter; Marc Sporing
Original assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Current assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2007-10-31
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2027-11-01
Also published as: DE102007052390B4; WO2009056466A1

Abstract

Verfahren zur Reinigung einer Oberfläche mit einem festes Kohlendioxid umfassenden Strahl, bei dem flüssiges Kohlendioxid (CO2) zu Trockeneisschnee entspannt wird, wobei das flüssige Kohlendioxid vor der Entspannung unterkühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Kohlendioxid durch Wärmeübertragung von einem bei Normalbedingungen flüssigen Kältemedium unterkühlt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung (1) erlaubt es in vorteilhafter Weise, die Effizienz der Konversion von flüssigem Kohlendioxid in festes Kohlendioxid mit geringem apparativen Aufwand deutlich zu erhöhen. Dadurch kann die Strahlung von Oberflächen mit Kohlendioxidpartikeln zur Reinigung ressourcenschonend erfolgen. Bei gleicher Reinigungsleistung muss so weniger flüssiges Kohlendioxid eingesetzt werden oder die Reinigungsleistung kann bei gleichem Kohlendioxidverbrauch gesteigert werden.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung von Oberflächen mit einem Strahl umfassend feste Kohldioxidpartikel, insbesondere in Form von Schnee. Haupteinsatzgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Reinigung von beispielsweise metallischen Oberflächen, insbesondere bei hochwertigen Applikationen, wie beispielsweise dem Automobilbau.
Es ist bekannt, Kohlendioxid zur Reinigung von Oberflächen zu verwenden. Aufgrund des Phasendiagramms von Kohlendioxid kann festes Kohlendioxid durch Entspannung von flüssigem Kohlendioxid erzeugt werden. Dieses feste Kohlendioxid, beispielsweise in Form von Kohlendioxidschnee oder größeren Kohlendioxidkristallen, die gegebenenfalls zu Kohlendioxidpartikeln oder -pellets geformt werden können, kann durch einen Gasstrom beschleunigt auf die zu reinigende Oberfläche geführt werden. Die Reinigung der Oberfläche beruht insbesondere auf der mechanischen Einwirkung der Kohlendioxidpartikel und auf der lokalen Abkühlung, die insbesondere auch aufgrund des Freiwerdens der Sublimationsenthalpie lokal stark inhomogen im Auftrittsbereich erfolgt.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Ausbeute an festem Kohlendioxid durch eine Unterkühlung des Kohlendioxids vor der Entspannung zu erreichen. So ist aus der DE 10 2005 054 246 A1 eine Unterkühlung mittels einem durch Stickstoff gekühlten Wärmetauschers bei gleichzeitiger Komprimierung des flüssigen Kohlendioxids bekannt. Aus der DE 10 2004 018 133 B3 ist es ferner bekannt, bei der Entspannung von flüssigem Kohlendioxid entstehendes gasförmiges Kohlendioxid rückzuführen und zu einer weiteren Kühlung des flüssigen Kohlendioxids zu nutzen.
Beide bekannten Verfahren haben sich als nachteilig erwiesen. Gerade bei der Unterkühlung mit einem Stickstoffkühler und gleichzeitiger Komprimierung des flüssigen Kohlendioxids ist ein hoher apparativer Aufwand zu treiben. Neben der Ausbildung einer Hochdruckpumpe zur Erhöhung des Drucks des flüssigen Kohlendioxids muss der Wärmetauscher mit flüssigem Stickstoff betrieben werden, welcher zusätzlich vorgehalten werden muss. Weiterhin wird die bei der Komprimierung entstehende Kompressionswärme zusätzlich in das flüssige Kohlendioxid eingetragen, so dass der entsprechende Wärmetauscher größer ausgelegt oder ein weiterer Wärmetauscher ausgebildet werden muss. Weiterhin bedingt diese Ausführung die Notwendigkeit einer Ringleitung mit Druckhalteventil zur Rückführung des nicht gebrauchten komprimierten flüssigen Kohlendioxids in den entsprechenden Lagertank.
Die Kühlung des Flüssigkohlendioxids mit rückgeführtem gasförmigem Kohlendioxid hat sich weiterhin ebenfalls als nachteilig erwiesen, da nur geringe Kühlleistungen erreichbar sind. Dies führt zu einem höchstens minimal erhöhten Anstieg der Umwandlungseffizienz von flüssigem Kohlendioxid in festes Kohlendioxid bei gleichzeitig hohem apparativem Aufwand, die die Absaugung des gasförmigen Kohlendioxid im Austrittsbereich der Strahldüse bedingt, durch die ein Strahl aus festem und gasförmigem Kohlendioxid mit hoher Geschwindigkeit tritt.
Basierend hierauf liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung von Oberflächen mit festen Kohlendioxidpartikeln anzugeben, bei dem die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest gelindert werden und insbesondere eine höhere Effizienz der Umwandlung von flüssigem Kohlendioxid in festes Kohlendioxid bei geringem apparativen Aufwand erreicht wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die unabhängigen Ansprüche. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen gerichtet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Reinigung von Oberflächen mit einem festes Kohlendioxid umfassenden Strahl beruht darauf, dass flüssiges Kohlendioxid (CO₂) zu Trockeneisschnee entspannt wird. Hierbei wird das flüssige Kohlendioxid vor der Entspannung unterkühlt. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das flüssige Kohlendioxid durch Wärmeübertragung von einem bei Normalbedingungen flüssigen Kältemedium unterkühlt wird.
Das Kältemedium ist bei Normalbedingungen, das heißt bei einer Temperatur von 273,15 K und einem Druck von 1013,25 mbar, flüssig. Insbesondere kann der Trockeneisschnee verdichtet werden, bevor der Strahl auf die entsprechende zu reinigende Oberfläche gerichtet wird. Unter Unterkühlung wird die Abkühlung des Kohlendioxids unter den druckabhängigen Siedepunktverstanden, wobei das Kohlendioxid flüssig bleibt.
Bevorzugt ist hierbei die Wärmeübertragung von dem Kältemedium zum Kohlendioxid indirekt, das heißt durch eine wärmeleitende Oberfläche vermittelt. Insbesondere kann hierbei das flüssige Kohlendioxid durch ein durch entsprechende Wände als Wärmetauscherfläche begrenztes Volumen geführt werden, welches außen vom Kältemedium umspült ist. Die Kühlung des Kältemediums erfolgt bevorzugt durch mehrstufige Kältemaschinen.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass es im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren apparativ einfach durchführbar ist, eine gute Kühlleistung bei der Kühlung des flüssigen Kohlendioxids und damit auch hohe Entnahmeraten ermöglicht und gleichzeitig auch einfach betreibbar ist. Es muss kein weiterer Kälteträger, wie beispielsweise flüssiger Stickstoff oder ähnliches vorgehalten werden. Das Kältemedium wird insbesondere im Kreislauf geführt, so dass dieses im Wesentlichen nicht ersetzt werden muss.
Das Kältemedium ist bevorzugt so ausgebildet, dass es bis zu Temperaturen von –60°C oder auch bis zu –100°C flüssig ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Kältemedium auf mindestens eine der folgenden Arten gekühlt:

a) mit einer Kältemaschine und
b) mittels Trockeneis.

Unter einer Kältemaschine wird ein Gerät zur Kälteerzeugung verstanden. Kältemaschinen weisen den Vorteil auf, dass hier die Regelung auf eine Solltemperatur einfach möglich ist und zudem apparativ einfach eine Kühlung erfolgen kann, ohne dass weitere Kälteträger einzusetzen sind. Die Kühlung mittels Trockeneis kann apparativ einfach erfolgen. Die Kombination beider Kühlverfahren kann insbesondere beim Kühlungsbeginn vorteilhaft sein, wenn große Kältemengen benötigt werden.
Das Kältemedium umfasst bevorzugt mindestens einen der folgenden Stoffe:

a) einen Alkohol;
b) Methanol;
c) Ethanol;
d) Propanol;
e) Toluol;
f) mindestens ein Glykol;
g) Hexan und
h) Methylcyclopentan.

Unter dem Begriff Glykol werden hier die Diole des Ethylenglykols verstanden. Als besonders vorteilhaft einsetzbar hat sich hierbei eine Mischung mindestens eines Glykols, insbesondere von Diethylenglykol, mit Wasser erwiesen. Insbesondere der Einsatz eines Alkohols, von Hexan und/oder Methylcylopentan erlaubt den Einsatz eines Kältemediums mit einem Schmelzpunkt von bis zu –110°C einsetzbar. Diese Kältemedien lassen sich vorteilhaft zur Unterkühlung des flüssigen Kohlendioxids einsetzen, da sie eine Abkühlung des flüssigen Kohlendioxids bis in die Nähe der Tripelpunktstemperatur ermöglichen. Als Alkohol wird bevorzugt Propanol, insbesondere Iso-Propanol als Kältemedium eingesetzt, da es einfach verfügbar, leicht zu handhaben, preiswert und ungiftig ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das flüssige Kohlendioxid vor der Entspannung auf eine Temperatur von –56,6°C und mehr gekühlt.
Dies bedeutet, dass die Temperatur vor der Entspannung bei –56,6°C und höher liegt. Bevorzugt ist hierbei eine Temperatur zwischen –50 und –55°C. Insbesondere dieser letzte Temperaturbereich ermöglicht eine einfache Regelung der Temperatur, ohne dass es zu einer Bildung von festem Kohlendioxid in der Leitung für das flüssige Kohlendioxid kommt. Diese Temperaturbereiche ermöglichen eine Vergrößerung der Ausbeute an festem Kohlendioxid im Vergleich zu einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, bei dem keine Unterkühlung stattfindet, von bis zu 100%. Dies wird bei relativ geringem zusätzlichem apparativem Aufwand erreicht. Insbesondere wird das Kältemedium bei einer Kreisführung selbst nicht verbraucht.
Bevorzugt erfolgt die Trockeneiskühlung zumindest zum Teil durch die Sublimation von Trockeneis.
Weiterhin bevorzugt ist es, dass die Trockeneiskühlung des Kältemediums direkt erfolgt.
Darunter wird insbesondere verstanden, dass Trockeneis dem Kältemedium zugegeben wird. Durch die Sublimation des Trockeneises im Kältemedium kommt es zu einer besonders guten Kälteausbeute und somit zu einer effektiven Kühlung des Kältemediums. Die Sublimation führt ferner zur Bildung von Gasblasen, die das Kältemedium durchmischen, ohne dass weitere Maßnahmen zur Mischung, wie beispielsweise eine Pumpe oder ähnliches, ausgebildet werden müssen. Dies kann insbesondere dadurch weiter befördert werden, dass das Trockeneis unterhalb des Kältemediums, das heißt insbesondere unterhalb der jeweiligen Wärmetauscherflächen, zugegeben und/oder bevorratet wird. Erfolgt die Sublimation des Trockeneises unterhalb der Wärmetauscherflächen, so wandern die erzeugten Kohlendioxidblasen nach oben und umspülen die Wärmetauscherflächen, so dass es insbesondere dort zu einer guten Durchmischung des Kältemediums und damit zu einer effektiven Kühlung kommt. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das flüssige Kohlendioxid in einen Trägergasstrahl entspannt.
Insbesondere umfasst der Trägergasstrahl komprimierte Luft, bevorzugt bei einem Druck von 3 bis 15 bar. Alternativ kann der entsprechende Trägergasstrahl durch die Entspannung des Kohlendioxides selber gebildet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kühlt die Kältemaschine das Kältemedium indirekt.
Dies bedeutet, dass die Kältemaschine ein weiteres Kältemittel aufweist, welches das Kältemedium kühlt. Das Kältemittel der Kältemaschine wird hierbei je nach Art der Kältemaschine aufgrund unterschiedlicher physikalischer Effekte gekühlt.
Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der die Kältemaschine mindestens eine der folgenden Kälteanlagen umfasst:

i) eine Adsorptionskälteanlage;
ii) eine Absorptionskälteanlage; und
iii) eine Kompressionskälteanlage.

Die Kälteanlagen werden mit Kühlmitteln betrieben. Die Kühlwirkung einer Absorptionskälteanlage beruht auf einer temperaturabhängigen Lösung des Kühlmittels der Absorptionskälteanlage in einem Lösungsmittel. Bevorzugt ist hierbei eine Ausgestaltung, bei der Ammoniak (NH₃) als Kühlmittel und Wasser als Lösungsmittel in der Absorptionskälteanlage eingesetzt werden. Weiterhin wird unter einer Absorptionskälteanlage auch eine Diffusionsabsorptionskälteanlage verstanden, bei der zusätzlich die Partialdruckänderung eines Hilfsgases genutzt wird.
Bei einer Adsorptionskälteanlage wird die Kälteleistung durch Desorption eines Kühlmittels von einem Adsorber erzeugt. Als Adsorber sind Aktivkohle, Zeolithe und/oder Silikagel bevorzugt, während als Kühlmittel bevorzugt Wasser einsetzbar ist. Unter einer Kompressionskälteanlage wird eine Kälteanlage verstanden, bei der die zyklische Kompression, Kondensation, Expansion und Verdampfung eines Kühlmittels zur Bereitstellung der Kälteleistung erfolgt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird weiterhin eine Vorrichtung zur Reinigung von Oberflächen vorgeschlagen, die umfasst:

– mindestens ein Strahlmittel mit jeweils mindestens einer Expansionsdüse und mindestens einer Strahldüse,
– mindestens eine Zuleitung, mittels derer die mindestens ein Strahlmittel mit mindestens einem Reservoir Kohlendioxid verbindbar ist,
– mindestens einen Wärmetauscher zur Kühlung zumindest eines Teils der Zuleitung,
– wobei mindestens ein Wärmetauscher zur indirekten Kühlung des flüssigen Kohlendioxids mit einem bei Normalbedingungen flüssigen Kältemedium geeignet ist, wobei Mittel zur Kühlung des Kältemediums ausgebildet sind.

Der Wärmetauscher zur indirekten Kühlung des flüssigen Kohlendioxids bewirkt eine Unterkühlung des flüssigen Kohlendioxids. Er ist bevorzugt so ausgebildet, dass die Zuleitung für das flüssige Kohlendioxid durch den Wärmetauscher führt, so dass im Betrieb das flüssige Kohlendioxid im indirekten Wärmeaustausch mit dem Kältemedium steht. Die Zuleitung ist hierbei insbesondere aus Kupfer ausgebildet, da sich dieses Material aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit und des guten Wärmeübergangs als vorteilhaft erwiesen hat. Der Einsatz eines Kältemediums, welches bei Normalbedingungen flüssig ist, hat weiterhin grundsätzlich den Vorteil, dass das Kältemedium mittels Pumpe leicht umgewälzt werden kann, um einen effizienten Wärmetausch mit dem flüssigen Kohlendioxid zu gewährleisten. Besonders bevorzugt ist hierbei, dass mindestens ein Wärmetauscher als Röhrenwärmetauscher ausgebildet ist.
Hierunter wird insbesondere verstanden, dass die Zuleitung durch ein Reservoir mit dem Kältemedium geführt wird. Hierbei kann eine Zuleitung oder es können mehrere Zuleitungen ausgebildet sein. Insbesondere ist im Betrieb die Zuleitung im Wärmetauscher vollständig vom Kältemedium umgeben.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind ein erster Wärmetauscher als Unterkühler zur Unterkühlung des flüssigen Kohlendioxids und ein zweiter Wärmetauscher als Sammler zur bedarfsweisen Kalthaltung des flüssigen Kohlendioxids ausgebildet. Erster und zweiter Wärmetauscher sind in Bezug auf die Zuleitung hintereinander ausgebildet, wobei der zweite Wärmetauscher bevorzugt stromabwärts des ersten Wärmetauschers ausgebildet ist.
Dies bedeutet insbesondere, dass im Betrieb zunächst der erste Wärmetauscher vom flüssigen Kohlendioxid und dann der zweite Wärmetauscher vom flüssigen Kohlendioxid durchströmt werden.
Insbesondere wird der erste Wärmetauscher so betrieben, dass im Betrieb eine Unterkühlung des flüssigen Kohlendioxids erfolgt. Der zweite Wärmetauscher kann in vorteilhafter Weise dazu eingesetzt werden, im Bedarfsfall weitere Kälteenergie zur Verfügung zu stellen. Dies kann insbesondere dann von Nöten sein, wenn nach längrem Stillstand die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erneut in Betrieb genommen wird. In einem solchen Falle kann es vorkommen, dass in der Zuleitung kein flüssiges Kohlendioxid, sondern gasförmiges Kohlendioxid oder kein Kohlendioxid vorliegt. Wenn kein Kohlendioxid vorliegt, führt die Zuführung von flüssigem Kohlendioxid bei warmer Zuleitung dazu, dass dieses sublimiert und/oder verdampft. Hierbei kann der zweite Wärmetauscher dazu dienen, die hier zum Abkühlen des Kohlendioxids zusätzlich zur Kondensation des Kohlendioxids notwendige Kälteenergie zur Verfügung zu stellen. Liegt gasförmiges Kohlendioxid in der Leitung vor, so kann die zusätzliche, im zweiten Wärmetauscher bereitgestellte Kälteenergie dazu dienen, dieses gasförmige Kohlendioxid in den flüssigen Aggregatszustand zurückzuführen. Bevorzugt wird also der zweite Wärmetauscher als Sammler für gasförmiges Kohlendioxid betrieben. Dieser Betrieb erfolgt insbesondere nur bedarfsweise in Phasen wo erwartungsgemäß mehr Kälteenergie benötigt wird. Ansonsten wird der zweite Wärmetauscher bevorzugt so betrieben, dass hier keine zusätzliche Kälteenergie aufgewendet wird, sondern vielmehr das flüssige Kohlendioxid lediglich auf Temperatur gehalten wird. Dies gestattet es, den ersten Wärmetauscher entsprechend kleiner auszubilden, da hier nur die Kälteenergie übertragen werden muss, die im normalen Dauerbetrieb notwendig ist. In Anfahrphasen kann dann der zweite Wärmetauscher zugeschaltet bzw. mit erhöhtem Kältemediumdurchsatz betrieben werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassen die Mittel zur Kühlung des Kältemediums mindestens eine der folgenden Kältemaschinen:

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in vorteilhafter Weise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren offenbarten Details und Vorteile lassen sich auf die erfindungsgemäße Vorrichtung übertragen und umgekehrt. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der einzigen beigefügten Figur näher erläutert werden, ohne auf das dort gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt zu sein. Die einzige Figur zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Reinigung von Oberflächen. Diese umfasst ein erstes Strahlmittel 2. Das Strahlmittel 2 umfasst eine Expansionsdüse 3 und eine Strahldüse 4. In der Expansionsdüse 3 wird flüssiges Kohlendioxid im Betrieb entspannt, wodurch aufgrund eines Phasenübergangs Kohlendioxidschnee und ein Anteil Kohlendioxidgas entsteht. Dieser wird durch die Strahldüse 4 ausgetragen und auf die zu reinigende Oberfläche befördert. Hierzu weist das Strahlmittel 3 eine Druckluftzuleitung 5 auf. Durch diese Druckluftzuleitung 5 kann im Betrieb Druckluft in komprimierter Form der Expansionsdüse 3 zugeführt werden. In diesem Falle wird das flüssige Kohlendioxid direkt in die Druckluft entspannt. Alternativ kann die Druckluftzuleitung 5 auch mit der Strahldüse 4 und insbesondere an der Grenze zwischen Expansionsdüse 3 und Strahldüse 4 ausgebildet sein. Die Zufuhr von Druckluft zu dem ersten Strahlmittel 2 ist im Vergleich zur Nutzung des entstehenden Kohlendioxidgases als Treibgas vorteilhaft, da die Druckluftzufuhr leichter regelbar ist und zudem aufgrund der hohen Umwandlungseffektivität je nach Anwendung und Betriebspunkt nicht genügend Kohlendioxidgas erzeugt wird.
Das erste Strahlmittel 2 ist über eine Zuleitung 6 mit einem Reservoir 7 für Kohlendioxid verbindbar. Bevorzugt ist hierbei ein Reservoir 7, welches einen Niederdruckkohlendioxidlagertank umfasst. Diese weisen üblicherweise einen Betriebsdruck bis zu etwa 22 bar auf. Insbesondere werden solche Niederdruckkohlendioxidlagertanksysteme bei einem Druck von etwa 20 bar bei –20°C Lagertemperatur betrieben. Diese Niederdruckkohlendioxidlagersysteme weisen üblicherweise eine thermische Isolierung auf, so dass Schwankungen der Umgebungstemperatur keine signifikante Änderung des Drucks im Lagertank bewirken. Alternativ kann als Reservoir auch ein Mitteldrucklagertank 8 eingesetzt werden. Dieser wird üblicherweise mit Drücken bis zu 80 bar betrieben, insbesondere mit einem Druck von etwa 60 bar bei 22°C. Bei einem Mitteldrucklagertank 8 ist der Betriebsdruck abhängig von der Außentemperatur, da üblicherweise keine thermische Isolierung vorliegt. Weitere alternative Reservoire sind Kohlendioxidflaschenbündel 9 mit Steigrohr und Steigrohrflaschen 10. In der Zuleitung 6 sind ein erster Wärmetauscher 11 und ein zweiter Wärmetauscher 12 ausgebildet. Erster Wärmetauscher 11 und zweiter Wärmetauscher 12 sind in Reihe hintereinander in der Zuleitung 6 ausgebildet, der zweite Wärmetauscher 12 ist fakultativ. Das Teilstück der Zuleitung 6 zwischen dem zweiten Wärmetauscher 12 und dem ersten Strahlmittel 2 ist bevorzugt flexibel ausgestaltet, um eine Bewegung des Strahl mittels 2 in Bezug auf die zu bestrahlende hier nicht gezeigte Oberfläche zu ermöglichen. Der zweite Wärmetauscher 2 ist fakultativ, gegebenenfalls kann die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 auch lediglich mit dem ersten Wärmetauscher 11 betrieben werden.
Der erste Wärmetauscher 11 fungiert als Unterkühler. Im Betrieb wird das flüssige Kohlendioxid in der Zuleitung 6 im ersten Wärmetauscher 11 weiter abgekühlt und damit unterkühlt. Hierzu weist der erste Wärmetauscher 11 ein Kältemedium auf, welches durch erste Mittel 13 zur Kühlung des Kältemediums gekühlt wird. Diese ersten Mittel 13 zur Kühlung des Kältemediums umfassen eine Kältemaschine. Diese Kältemaschine ist eine Kompressionskälteanlage, die bevorzugt mit synthetischen Kühlmitteln betrieben wird. Als vorteilhafte Kühlmittel der Kompressionskälteanlage haben sich Fluorkohlenwasserstoffe, teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe, beispielsweise Tetrafluorethan, deren Gemische, Ammoniak, Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Propylen oder Isobutan herausgestellt. Auch im zweiten Wärmetauscher 12 sind zweite Mittel 14 zur Kühlung des Kältemediums vorgesehen. Diese können entsprechend zu den ersten Mitteln 13 zur Kühlung des Kältemediums ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich umfassen die Mittel 13, 14 ein Volumen, welches mit dem Kältemedium gefüllt ist und in welches Trockeneis eingebracht werden kann In diesem Zusammenhang ist eine Ausgestaltung bevorzugt, bei der die Wärmeaustauscherfläche nicht direkt in diesem Mittel 13, 14 ausgebildet ist, sondern bevorzugt oberhalb derselben. Bevorzugt sind der erste Wärmetauscher 11 und der zweite Wärmetauscher 12 Röhrenwärmetauscher oder auch Rohrbündelwärmetauscher. Diese Ausbildung des Wärmetauschers weist eine große Kontaktfläche auf, die eine gute Abkühlung des flüssigen Kohlendioxids ermöglicht. Bevorzugt ist hierbei eine Verfahrensführung, bei der die Kühlung des flüssigen Kohlendioxids bis möglichst nahe oberhalb des Tripelpunkts erfolgt. Bei einer solchen Ausgestaltung ist eine besonders hohe Effektivitätssteigerung der Umwandlungseffektivität von flüssigem Kohlendioxid zu festem Kohlendioxid feststellbar.
Der zweite Wärmetauscher 12 dient dabei bevorzugt als ein sogenannter Sammler, der insbesondere beim Anfahren der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Reinigung einer Oberfläche mit festem Kohlendioxid dazu dient, gasförmiges Kohlendioxid zu kondensieren, um eine konstant hohe Effizienz der Umwandlung von flüssigem Kohlendioxid in festes Kohlendioxid zu ermöglichen.
In der Zuleitung 6 bzw. mit dieser verbunden sind mehrere Sicherheitsventile 15, die bei Überschreiten eines vorgebbaren Grenzdrucks öffnen und so eine Entspannung des Drucks in der Zuleitung 6 ermöglichen. Dies ist vor allem dann relevant, wenn es zur Bildung von Trockeneis innerhalb der Zuleitung 6 und damit zu einer Verstopfung derselben kommt. Diese bewirkt einen starken Druckanstieg, der im Zweifelsfall zu einer Zerstörung der Zuleitung 6 führen kann. Hier schaffen die Sicherheitsventile 15 Abhilfe. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 Steuerventile 16, mittels derer der Fluss des flüssigen Kohlendioxids durch die Zuleitung 16 und die erste Strahlenlage 2 gesteuert werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 hat den Vorteil, dass keine weiteren Mittel zur Druckerhöhung des flüssigen Kohlendioxids wie beispielsweise Pumpen notwendig sind, da das gesamte System mit dem Druck des entsprechenden Reservoirs 7 oder der alternativen Reservoire 8, 9, 10 betrieben wird. Weiterhin ist keine Ringleitung notwendig, die beim Druckaufbau mit einem Druckerhöhungsmittel notwendig ist, um die Sicherheit des Systems auch zu gewährleisten, wenn kein flüssiges Kohlendioxid entnommen wird. Die Ringleitung führt in einem solchen Fall zur Rückführung des entsprechenden Kohlendioxids in den Tank. Zudem kann hier auch ein im Falle eines Druckerhöhungsmittels notwendiges Druckhalteventil entfallen.
Der erste Wärmetauscher 13 ist bevorzugt möglichst nahe an dem ersten Strahlmittel 2 ausgebildet, um zu gewährleisten, dass möglichst unterkühltes Kohlendioxid die Expansionsdüse 3 des ersten Strahlmittels 2 erreicht. Zusätzlich kann stromabwärts des ersten Wärmetauschers 11 und/oder des zweiten Wärmetauschers 12 eine Stichleitung 17 abzweigen, die ein zweites Strahlmittel 18 mit Expansionsdüse 3, Strahldüse 4 und Druckluftleitung 5 mit unterkühltem flüssigem Kohlendioxid versorgt.
Alternativ oder zusätzlich kann eine zweite Zuleitung 19 ausgebildet sein, die flüssiges Kohlendioxid aus dem Reservoir 7 bzw. den alternativen Reservoiren 8, 9, 10 zu einem weiteren ersten Wärmetauscher 11 und gegebenenfalls einem weiteren zweiten Wärmetauscher 12 führt. Diese dienen der Versorgung einer dritten Stahlanlage 20, umfassend eine Expansionsdüse 3 und eine Strahldüse 4 mit flüssigem unterkühltem Kohlendioxid. Das dritte Strahlmittel 20 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel keine Druckluftzuleitung 5 auf, die entstehenden Kohlendioxidpartikel werden durch den Gasdruck des entstehenden Kohlendioxidgases auf Oberfläche beschleunigt. Hierbei kann eine entsprechende Ausgestaltung der Strahldüse 4 helfen. So können mit einem Lagersystem mehrere Strahlmittel 2, 18, 20 parallel betrieben werden. Verschiedene Strahlmittel 2, 18 können an einem gemeinsamen ersten Wärmetauscher 11 angeschlossen sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 erlaubt es in vorteilhafter Weise, die Effizienz der Konversion von flüssigem Kohlendioxid in festes Kohlendioxid mit geringem apparativen Aufwand deutlich zu erhöhen. Dadurch kann die Strahlung von Oberflächen mit Kohlendioxidpartikeln zur Reinigung ressourcenschonend erfolgen. Bei gleicher Reinigungsleistung muss so weniger flüssiges Kohlendioxid eingesetzt werden oder bei gleichem Kohlendioxidverbrauch die Reinigungsleistung gesteigert werden.

1: Vorrichtung zur Reinigung von Oberflächen
2: erstes Strahlmittel
3: Expansionsdüse
4: Strahldüse
5: Druckluftzuleitung
6: Zuleitung
7: Reservoir
8: Mitteldrucklagertank
9: Kohlendioxidflaschenbündel
10: Steigrohrflasche
11: erster Wärmetauscher
12: zweiter Wärmetauscher
13: erstes Mittel zur Kühlung des Kältemediums
14: zweites Mittel zur Kühlung des Kältemediums
15: Sicherheitsventil
16: Steuerventil
17: Stichleitung
18: zweites Strahlmittel
19: zweite Zuleitung
20: drittes Strahlmittel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005054246 A1 [0003]
- DE 102004018133 B3 [0003]

Claims

Verfahren zur Reinigung einer Oberfläche mit einem festes Kohlendioxid umfassenden Strahl, bei dem flüssiges Kohlendioxid (CO₂) zu Trockeneisschnee entspannt wird, wobei das flüssige Kohlendioxid vor der Entspannung unterkühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Kohlendioxid durch Wärmeübertragung von einem bei Normalbedingungen flüssigen Kältemedium unterkühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Kältemedium auf mindestens eine der folgenden Arten gekühlt wird: a) mit einer Kältemaschine und b) mittels Trockeneis.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Kältemedium mindestens einen der folgenden Stoffe umfasst: a) einen Alkohol; b) Methanol; c) Ethanol; d) Propanol; e) Toluol; f) mindestens ein Glykol; g) Hexan; und h) Methylcyclopentan.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das flüssige Kohlendioxid vor der Entspannung auf eine Temperatur von –56,6°C und mehr gekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die Trockeneiskühlung des Kältemediums direkt erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem die Kältemaschine das Kältemedium indirekt kühlt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem die Kältemaschine mindestens eine der folgenden Kälteanlagen umfasst: i) eine Adsorptionskälteanlage; ii) eine Absorptionskälteanlage; und iii) eine Kompressionskälteanlage.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das flüssige Kohlendioxid in einen Trägergasstrahl entspannt wird.
Vorrichtung (1) zur Reinigung von Oberflächen umfassend – mindestens ein Strahlmittel (2, 18, 20) mit jeweils mindestens einer Expansionsdüse (3) und mindestens einer Strahldüse (4), – mindestens eine Zuleitung (6), mittels derer das mindestens eine Strahlmittel (2, 18, 20) mit mindestens einem Reservoir (7, 8, 9, 10) für Kohlendioxid verbindbar ist, – mindestens einen Wärmetauscher (11, 12) zur Kühlung zumindest eines Teils der Zuleitung (6), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wärmetauscher (11, 12) zur indirekten Kühlung des flüssigen Kohlendioxids mit einem bei Normalbedingungen flüssigen Kältemedium geeignet ist, wobei Mittel (13, 14) zur Kühlung des Kältemediums ausgebildet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, bei der mindestens ein Wärmetauscher (11, 12) als Röhrenwärmetauscher ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 9 oder 10, bei der – ein erster Wärmetauscher (11) als Unterkühler zur Unterkühlung des flüssigen Kohlendioxids und – ein zweiter Wärmetauscher (12) als Sammler zur bedarfsweisen Kühlung der Zuleitung (6) ausgebildet sind, wobei erster Wärmetauscher (11) und zweiter Wärmetauscher (12) in Bezug auf die Zuleitung (6) hintereinander ausgebildet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der die Mittel (13, 14) zur Kühlung des Kältemediums mindestens eine der folgenden Kältemaschinen umfassen: i) eine Adsorptionskälteanlage; ii) eine Absorptionskälteanlage; und iii) eine Kompressionskälteanlage.