DE102019109860A1 - Method and device for the cryogenic production of water ice particles for abrasive surface treatment and / or for cleaning surfaces - Google Patents

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Holger Pustal
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kryogenen Herstellung von Wassereis-Partikeln zur abrasiven Oberflächenbearbeitung mit den Verfahrensschritten: Zuführen von Wasser unter Druck durch mindestens eine Mikroblende in den Innenraum eines Reaktionsbehälters mit einem durch die Mikroblende erfolgenden Erzeugen von Mikrotropfen, Auftreffen der Mikrotropfen auf einen Kaltgas-Gegenstrom mit einem Vereisen der Mikrotropfen zu Wassereis-Partikeln, wobei der Kaltgas-Gegenstrom durch das Einleiten von Warmgas in einen innerhalb des Reaktionsbehälters befindlichen See aus einem Tieftemperatur-Flüssiggas erzeugt wird, Auffangen der Wassereis-Partikel in einer Auffangvorrichtung zur Weiterleitung in eine Strahlvorrichtung zur abrasiven Oberflächenbearbeitung. Es wird eine hierfür vorgesehene Vorrichtung beschrieben.The invention relates to a method for the cryogenic production of water ice particles for abrasive surface treatment with the following process steps: supplying water under pressure through at least one micro-diaphragm into the interior of a reaction container with the micro-diaphragm generating microdroplets, impact of the microdroplets on a cold gas Countercurrent with freezing of the microdrops to form water ice particles, the cold gas countercurrent being generated by introducing warm gas into a lake from a low-temperature liquid gas located inside the reaction vessel, collecting the water ice particles in a collecting device for forwarding to a jet device for abrasive surface treatment. A device provided for this purpose is described.

Description

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.The invention relates to a method for the cryogenic production of water ice particles for abrasive surface treatment and / or for cleaning surfaces according to claim 1 and a device for the cryogenic production of water ice particles for abrasive surface treatment and / or for cleaning surfaces according to claim 6.

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.A tried and tested method for abrasive surface treatment is the so-called blasting technique, which is usually also referred to as "blasting" for short. A blasting agent is aimed at the surface to be processed at high speed and / or high pressure. Blasting is used e.g. B. for descaling, rust removal, paint stripping, stripping, deburring, cleaning, roughening, etc. of surfaces. Depending on the task, different materials, such as B. sand, water or other solid or liquid abrasives can be used.

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.The disadvantage of blasting with solid blasting media is that the blasting debris that arises as a disposable blasting media either has to be disposed of at great expense or reprocessed as reusable blasting media in a corresponding cycle.

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.Therefore, blasting methods have been developed in which such disposal or reprocessing can be dispensed with. An example of this is dry ice blasting or snow blasting, in which the blasting agent itself does not cause blasting debris. However, this process is considered non-abrasive and is therefore only suitable for cleaning purposes or is used when a gentle surface treatment is important.

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.For residue-free abrasive surface treatment, such as B. descaling, rust removal, paint stripping, stripping, deburring and cleaning are therefore also used, among other things, water ice particles. The water ice particles can have different hardnesses depending on their history of formation, their storage conditions and depending on the mechanical stress to which they can be subjected.

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.During the production of water ice particles by crushing hard and transparent raw materials, such as larger ice sheets, predominantly milky ice particles are produced. These lose their hardness when crushed and are therefore only suitable to a very limited extent for abrasive surface treatments.

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.It is known to produce water ice particles as blasting media with a Mohs hardness of more than 4 in a mixing section device. The water ice particles are generated in a cold gas stream. They guarantee a higher removal rate than with dry ice blasting. Blasting with water ice particles has a removal rate that is comparable to that of sand as a blasting agent.

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.Cold nitrogen gas (N 2 ) is ideally used as the propellant for operating the mixing section device. The use of nitrogen has the advantage that, in addition to transporting the ice crystals produced, the surface to be cleaned is also cooled at the same time, which leads to embrittlement of the layers to be ablated and facilitates their abrasive removal.

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.However, the processes mentioned have the disadvantage that the water ice particles produced often have a very different quality. For an abrasive surface treatment, the hardest possible particles are required. Although these can be generated by the mixing section device mentioned, this device is technically complex and expensive and does not always deliver water ice particles of the required quality.

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.The object is therefore to provide a method and a device for producing water ice particles for abrasive surface treatment, with which water ice particles can be produced in the simplest possible manner, with a constant quality and in a sufficiently large quantity. The method and the device should be able to be used as mobile as possible and should also allow the water ice particles to be stored without the effectiveness of the water ice particles produced deteriorating.

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.The object is achieved with a method for the cryogenic production of water ice particles for abrasive surface treatment and / or for cleaning surfaces according to claim 1 and with a device for the cryogenic production of water ice particles for abrasive surface treatment and / or for cleaning surfaces according to claim 6 solved. The subclaims contain advantageous and / or expedient configurations and embodiments of the method and the device.

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.
The process for the cryogenic production of water ice particles for abrasive surface treatment and / or for cleaning surfaces is carried out with the following process steps:
  • Water is supplied under pressure through a micro diaphragm into the interior of a reaction container. In the process, microdrops are generated by the micro-aperture. The microdrops then hit a cold gas countercurrent. This causes the Microdrops to water ice particles. The cold gas countercurrent is generated from a low-temperature liquefied gas by introducing warm gas into a lake located inside the reaction vessel. The water ice particles are then collected in a collecting device and then passed on to a blasting device for abrasive surface treatment.

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.The basic idea of the method according to the invention is to generate the water ice particles in a countercurrent process and to use the evaporation behavior of low-temperature liquid gas in order to generate the cold gas that causes the microdroplets to freeze. The countercurrent process in connection with the atomization of the water to form microdrops ensures that the microdroplets freeze through quickly when they hit the cold gas countercurrent in connection with the achievement of a sufficiently low temperature. As a result, water ice particles with a sufficient degree of hardness are reliably and continuously generated in large quantities.

Der Kaltgas-Gegenstrom wird aus einem See aus einem Tieftemperatur-Flüssiggas heraus erzeugt. Hierzu wird trockenes Warmgas in das Tieftemperatur-Flüssiggas eingeleitet.The cold gas countercurrent is generated from a lake from a low-temperature liquid gas. For this purpose, dry warm gas is introduced into the low-temperature liquid gas.

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.The term “dry warm gas” here refers to gas in a temperature range in which the gaseous state of aggregation is present. The dry hot gas is in particular a gas that is free of water and steam. The term “warm gas” serves to clearly distinguish between the low-temperature liquid gas on the one hand and the icing cold gas counterflow on the other.

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.The hot gas introduced causes the low-temperature liquefied gas to evaporate, and in addition to the natural evaporation process, a cold gas countercurrent is generated through the introduction of heat. The water ice particles formed collect in the collecting device, in which they can be stored until they are passed on to the jet device.

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.In an expedient embodiment of the method, when the microdrops are frozen in the cold gas countercurrent, the water ice particles formed are cooled to a temperature of less than 200 Kelvin, the water ice particles having a Mohs hardness between 3.5 and 4 when freezing. 5 accept.

Bei einer zweckmäßigen Ausführung ist das Tieftemperatur-Flüssiggas flüssiger Stickstoff und das Warmgas weist einen Anteil von mehr als 50% Stickstoff auf. In an expedient embodiment, the low-temperature liquefied gas is liquid nitrogen and the hot gas has a proportion of more than 50% nitrogen.

Bei dieser Ausführungsform kann beispielsweise Luft oder auch gasförmiger Stickstoff in das Tieftemperatur-Flüssiggas eingeleitet werden.In this embodiment, for example, air or even gaseous nitrogen can be introduced into the low-temperature liquid gas.

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.The hot gas can advantageously be used at the same time as compressed gas for the blasting device. Because the hot gas is sufficiently cold, it practically does not melt the particles in the only brief contact with the water ice particles in the jet device. At the same time, the required device components are reduced by using the hot gas twice.

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.In an advantageous embodiment of the method, the propellant causes the water ice particles to be driven out according to the jet pump principle. The propellant is the hot gas, while the suction medium is the water ice particles.

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.The device according to the invention for generating water ice particles for abrasive surface treatment consists of a reaction container with a water supply arranged on the top of the reaction container and opening into at least one micro-screen and a collecting means for iced water-ice particles with a removal line for the Water ice particles. In the bottom area of the reaction container there is a cold gas generator in the form of an upwardly open reservoir for receiving a low-temperature liquid gas lake. A gas supply line for hot gas opens into the area of the low-temperature liquid gas lake to generate a cold gas countercurrent which is used to freeze the microdroplets emerging from the micro-aperture.

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.In one embodiment, the collecting means is located in the region of the reservoir for the cryogenic liquid gas. As a result, the low-temperature liquefied gas lake can be used to cool the water ice particles in the collecting means. This allows the water ice particles to be temporarily stored at very low temperatures.

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.In an expedient further development, the extraction line for the collected water ice particles is led into a mixing section for generating a jet mixture of a propellant gas and water ice particles.

Die Mischstrecke ist bei einer Ausführungsform als eine Injektoranordnung ausgebildet.In one embodiment, the mixing section is designed as an injector arrangement.

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.It is advantageous that, in one embodiment, the injector arrangement has a compressed gas connection which additionally opens into the gas supply line for the hot gas. This allows with a pressure device both the injector arrangement operated and the hot gas introduced.

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.In one embodiment, the reaction container of the device for producing the water ice particles is a reaction container with an overpressure existing within the reaction container. The overpressure causes the amount of water ice particles collected in the collecting means to be expelled through the extraction line.

Zweckmäßigerweise ist der Reaktionsbehälter mindestens abschnittsweise thermisch isoliert.The reaction vessel is expediently thermally insulated at least in sections.

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.The method and the device are to be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments. The serve for clarification 1 to 4th . The same reference symbols are used for identical and / or identical method steps and components.

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.
It shows:
  • 1 a representation of the basic principle of the method according to the invention,
  • 2a exemplary representations of embodiments of the micro diaphragm in a plan view,
  • 2 B the embodiments 2a in a sectional view,
  • 3 a representation of a device for performing the method in a first exemplary embodiment,
  • 4th an illustration of a device for carrying out the method in a second exemplary embodiment.

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. 1 shows the basic principle of the method according to the invention. The water ice particles are produced inside a reaction vessel 1 . Via an arrangement with at least one micro-aperture 2 water is pressed into the reaction space and turns into microdrops 3 atomized. These microdrops meet a cold gas counterflow 4th . The microdrops freeze to form water ice particles 5 and fall into a catcher 6th . From there these are passed on to a blasting device for abrasive surface treatment. This is in 1 by the reference number 8th clarified.

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.In the method according to the invention, the cold gas countercurrent is generated in such a way that the reaction vessel 1 is partially filled with a low-temperature liquid gas, in particular liquid nitrogen. This filling forms a lake 7th and is open at the top. The lake of the low-temperature liquefied gas expediently flows around at least part of the collecting device 6th in direct thermal contact and thereby subcooled the water ice particles in it, so that they are kept at the lowest possible temperature and thus retain their required hardness.

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.It is also possible to position the collecting device at a certain distance above the area of the lake, provided that this ensures that the undercooling of the water ice particles in the collecting device is guaranteed.

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.Warm gas is used to generate the countercurrent of cold gas 9 into the lake 7th of the cryogenic liquefied gas. The term "warm gas" is used here to clarify the feature that it is a gas in the gaseous state of aggregation and thus has a higher temperature than the low-temperature liquid gas in the lake.

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.As a result of the supply of heat from the warm gas, the low-temperature liquefied petroleum gas evaporates in the lake, with the resulting cold gas having a lower temperature than the warm gas introduced 9 having. The countercurrent of cold gas creates a temperature gradient in the reaction chamber, which can be regulated by the amount of hot gas introduced and must be adjusted to the amount of water introduced. The temperature gradient is necessary to ensure the corresponding hardness of the ice particles. Then the water ice particles are subcooled to the boiling point of the liquid gas in the collecting device.

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.Basically, two operating modes are possible for the method shown here: operation under normal pressure and operation under overpressure. The devices provided for carrying out the method are constructed accordingly differently.

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.In a first operating mode, the interior of the reaction container is 1 operated at normal pressure. In this mode of operation, the pressure inside the reaction vessel corresponds to the pressure of the surrounding air on the outside of the reaction vessel. In this operating mode, pressure equalization between the interior of the reaction container and the environment is ensured at all times. This can be realized through openings (not shown here) in the wall of the reaction container or a hood attached there.

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.When operating under normal pressure, the cold gas countercurrent flows into the upper part of the reaction vessel, icing up the microdrops and then leaving the reaction vessel to the outside with practically no hindrance. In this mode of operation, in the collecting device 6th Any water ice particles located there are passed on to the outside through active conveyance. This is usually done either by a feed pump or the water ice particles are sucked in by an external mixing section and driven on to the nozzle of a jet device.

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.However, it is also possible to operate the reaction vessel at excess pressure. This overpressure is inevitably established in the interior of the reaction vessel by the evaporation of the low-temperature liquid gas and is kept at a preset constant level by a valve device or, if necessary, temporarily set to a higher level by partially shutting off the valve device. By increasing the pressure it is possible to remove the inside of the collecting device 6th actively expel collected water ice particles from the reaction vessel by means of the overpressure.

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.The 2a and 2 B show exemplary embodiments of a micro-aperture. In contrast to nozzle devices, in which an essentially conical water jet is emitted, which disintegrates into individual droplets with a very wide size distribution, the micro-diaphragm causes individual microdroplets to be emitted with a well-defined, narrow size distribution. This enables a higher process stability to be achieved.

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. 2a shows on the left a plan view of a simplest embodiment of the micro-aperture 2 , 2 B the corresponding sectional view on the left. This embodiment of the micro diaphragm consists of a plate 2a into which a through hole 2 B is introduced. This arrangement is made with a stream of water 2c applied under pressure. The result is a linear sequence of microdroplets 3 the hole 2 B .

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.A design of the micro diaphragm is also possible 2 , at the inside of the plate 2a several holes 2 B are provided. Such embodiments are in 2a and 2 B each shown on the right. It can in the plate 2a practically any number of holes 2 B be introduced, provided that the distance between them on the plate is chosen to be sufficiently large so that the microdroplets produced do not unite with one another and adequate cooling is ensured by the cold gas countercurrent.

Zur Ausführung des Verfahrens können beide Arten der Mikroblende verwendet werden, wobei die jeweiligen Ausführungsformen mehrfach im Reaktionsbehälter angeordnet sein können.Both types of micro diaphragm can be used to carry out the method, it being possible for the respective embodiments to be arranged several times in the reaction container.

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.The pressure of the water to act on the micro-aperture is expediently below 5 bar and thus essentially corresponds to the usual water pressure in the relevant supply networks. However, it can also be chosen higher or lower. The diameter of the individual hole must be adjusted accordingly 2 B as well as the thickness of the plate 2a . With increasing water pressure, a smaller hole diameter tends to be used. The diameter of the single hole 2 B is 100 µm to 500 µm. The thickness of the plate is about 0.1 mm to a few millimeters.

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. 3 shows a first exemplary device for carrying out the method. In the 3 The device shown is intended for operation at normal pressure in the interior of the reaction vessel. The device consists of the reaction vessel 1 , the top with a lid insert 10 is locked. In the lid insert 10 open to a number of water supplies 11 one that has micro-apertures 12 into the interior of the reaction vessel 1 are performed and the atomization of the supplied water in microdrops 3 serve. In this example there are three micro-apertures 12 provided, each of several spray jets consisting of the microdroplets 13 submit. The elements referred to here as micro-diaphragms each have several micro-holes through which the water is sprayed.

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.The reaction vessel 1 is in the embodiment in 3 a reaction vessel without excess pressure. It has an open bottom and is in a thermally insulated over-vessel 14th put in. The thermally insulated outer vessel 14th is filled with low-temperature liquid gas, especially liquid nitrogen. It becomes the lake 7th realized. The fill level of the lake 7th from the low-temperature liquid gas is adjusted during operation of the device so that the low-temperature liquid gas is inside the reaction vessel 1 located catching device 6th cools for the frozen water ice particles.

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.In the present example is the catching device 6th as a collecting funnel 15th formed, which is located directly under the irradiation area of the spray jets 13 is located. Thus, in the area of the spray jets 13 Water ice particles formed by the cold gas countercurrent flow directly into the collecting funnel 15th fall into it, which is then collected there and kept at low temperatures by the surrounding low-temperature liquid gas. This ensures that they are sufficiently hard.

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.The sea 7th is supplied from the outside via a low-temperature liquid gas feed line 16 charged with a replenishment of low-temperature liquefied petroleum gas, so that this is essentially at a constant level.

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.Via a hot gas supply line 17th becomes hot gas 9 into the lake 7th of the cryogenic liquefied gas. The mouth of the hot gas supply line 17th inside the lake 7th is located in the lower area of the reaction vessel 1 . The hot gas has a sufficiently low temperature to prevent the frozen water ice particles from thawing, but on the other hand causes the low-temperature liquefied gas to evaporate in the lake 7th and thus the icing cold gas counterflow.

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.In the present exemplary embodiment, the hot gas is supplied via a distributor 18th to a jet gun 19th and serves as a propellant for the water ice particles to be blasted there. The water ice particles are removed from the collecting device according to the injector principle, for example 6th , ie in particular the collecting funnel 15th , sucked in and as an abrasive particle jet 20th released onto the surface to be processed. A removal line is used to feed the water ice particles to the jet gun 21st that came with the catcher 6th , ie in particular the collecting funnel 15th , is coupled. The jet gun 19th contains a mixing section in which the water ice particles are mixed with the propellant gas.

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. 4th shows a further exemplary embodiment of a device for carrying out the method. In the 4th The embodiment shown can be operated as a reaction vessel with an increased internal pressure. The reaction vessel 1 is closed on all sides here and in particular has a closed bottom area 22nd on. The reaction vessel can be equipped with a safety valve device for pressure regulation 23 be provided, via which the pressure in the reaction vessel can be measured and adjusted.

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.The reaction vessel 1 is filled in the lower part with the low-temperature liquefied petroleum gas, which, as in the previous embodiment, is the open sea 7th trains. This lake at least partially surrounds the collecting device 6th for the water ice particles 5 . The catching device 6th is also used here as a collecting funnel 15th formed and is produced by the cryogenic liquefied gas in the lake 7th chilled.

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.The device is also a hot gas supply line 17th assigned to the hot gas 9 the interior of the reaction vessel 1 can be fed. The hot gas supply line 17th opens in the bottom area 22nd of the reaction vessel 1 into a series of injection nozzles 24 one. The hot gas is thus distributed over the bottom area into the lake 7th of the cryogenic liquefied gas. As a result, the low-temperature liquid gas is flooded with the warm gas, at least in sections, whereby the cold gas counterflow 4th is produced.

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.In the upper part of the reaction vessel 1 there is a reaction vessel lid 25th , in the case of a pressurized reaction vessel, on the reaction vessel 1 locked, for example screwed to this, fastened by means of a flange connection or firmly connected to the reaction container in a comparable manner. In the reaction vessel cover there is also an arrangement with at least one micro-aperture 12 provided via a water supply 11 is acted upon with water.

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.The catcher 6th , ie the collecting funnel 15th , is also here a sampling line 21st assigned over which the water ice particles 5 let it drain to the outside.

Der Reaktionsbehälter ist mindestens im Bereich des darin enthaltenen Sees aus dem Tieftemperatur-Flüssiggas mit einer äußeren thermischen Isolierung 26 umgeben.The reaction container is at least in the area of the lake contained therein from the low-temperature liquid gas with an external thermal insulation 26th surround.

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.The operation of the in 4th The device shown is carried out in such a way that the supply of the hot gas results in evaporation of the low-temperature liquid gas in the closed reaction container 1 is effected. This under pressure into the reaction vessel via the water supply 11 and the micro-apertures 12 Water introduced and atomized to form microdrops meets the cold gas countercurrent, as already described above 4th and thereby freezes to the water ice particles 5 . These are in the collecting funnel 15th collected. As a result of the evaporation process in the lake of the low-temperature liquid gas, the pressure inside the reaction container increases and is released by the safety valve device 23 kept at a predetermined level. As soon as the sampling line 21st is opened, the can in the collecting funnel 15th collected supply of water ice particles are expelled by the overpressure in the reaction vessel. In this way, at least part of the pressure to be applied in the jet nozzle can already be generated by the overpressure in the reaction container.

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.It is thereby also possible to operate the blasting device partially self-sufficient and mobile. Here, the actual production of the water ice particles inside the reaction container is first carried out at a filling station. The device is first filled with the low-temperature liquid gas and then charged with water and hot gas. The water ice particles are thereby generated.

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.As the water ice particles are generated, the overpressure builds up in the reaction vessel. The reaction container can then be removed from the water filling station, decoupled from the hot gas supply line and transferred to a designated one To be transported to the place of use. When opening the sampling line 21st the stored water ice particles are driven out by the overpressure prevailing in the reaction vessel and / or by a gas feed line based on the injector principle, whereby a given smaller surface can be abrasively irradiated with water ice particles for a limited time.

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.The outflow of the cold gas at the upper end of the system has proven to be necessary for the process, since the flow rate of the cold gas relative to the microdrops favors the freezing process. This results in an increased heat transfer coefficient. However, mobile generation of the water ice particles can also be implemented via a mobile compressed gas supply and a mobile water supply on site.

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.The basic principle of water-ice blasting is summarized in that water ice (blasting agent) is mixed with compressed gas (propellant). For this purpose, ice is produced from water using liquid nitrogen (77 K) in a storage and reaction container. It is fed to a spray gun and can also be "shot" at the surface to be treated with compressed gas.

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.
The method outlined above can be used to replace traditional sandblasting methods as well as other methods used for stripping surfaces. The use of water ice particles closes the gap between pure fluid jets and solid jets and fulfills the following basic requirements:
  • Firstly, conventional solid abrasives such as B. sand, glass beads, corundum, etc. waived. In particular, this minimizes the blasting debris and significantly improves the ecological compatibility of the blasting process.

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.Blasting using water ice particles is large-area, reproducible and can be used industrially. With the water ice particles produced, cleaning with an area rate of more than 10 m 2 / day is possible.

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.By using liquid nitrogen to generate the water ice particles, a large amount of cold nitrogen gas is produced in the cold gas counterflow. This cold nitrogen gas can act as a propellant. The use as a propellant requires a reprocessing of the countercurrent gas, in particular a recompression and a drying for the separation of moisture. In any case, however, it is conceivable to use the excess cold gas to pre-cool the propellant gas.

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.With the explained method and the device used for it, it is possible to produce water ice particles with a Mohs hardness in a range from 3.5 to 4.5 and a temperature of less than 193 K (ie less than -80 ° C.) .

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.It is advantageous that the water used as the starting material has a high degree of purity. In particular, the purity of the water supplied is relevant with regard to suspended matter in order to avoid clogging of the micro-diaphragms. Mechanical filtering of the water supplied is therefore advisable. For this reason, liquid nitrogen is preferably used as a low-temperature liquid gas to ensure the degree of purity.

Als zweiter Schritt werden die Wassereis-Partikel mit einer Sprühpistole (Injektor Prinzip) aus dem Reservoir gefördert und auf die zu reinigende Fläche gebracht.As a second step, the water ice particles are pumped out of the reservoir with a spray gun (injector principle) and brought onto the surface to be cleaned.

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.The method described here uses the temperature dependence of the hardness of the water ice. As a result of the type of ice production described here, the water ice particles produced according to the invention have a temperature of less than 193 K (-80 ° C.). In this temperature range, ice has a Mohs hardness that is greater than 4.

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.The method and the device for carrying out the method have been explained using exemplary embodiments. Further configurations are possible within the framework of professional action. These also result from the subclaims.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
ReaktionsbehälterReaction vessel
22
MikroblendeMicro-aperture
2a2a
Platteplate
2b2 B
Lochhole
2c2c
WasserstromWater flow
33
MikrotropfenMicrodrops
44th
Kaltgas-GegenstromCold gas counterflow
55
Wassereis-PartikelWater ice particles
66th
AuffangvorrichtungCatching device
77th
See aus Tieftemperatur-FlüssiggasLake of cryogenic liquefied petroleum gas
88th
Abführen der Wassereis-PartikelRemoving the water ice particles
99
Zufuhr von WarmgasSupply of hot gas
1010
DeckeleinsatzLid insert
1111
WasserzuführungWater supply
1212
MikroblendenMicro-apertures
1313
SprühstrahlSpray jet
1414th
Übergefäß, thermisch isoliertOver vessel, thermally insulated
1515th
AuffangtrichterCollecting funnel
1616
Tieftemperatur-Flüssiggas-ZuleitungLow-temperature liquid gas feed line
1717th
WarmgaszuleitungHot gas supply
1818th
VerteilerDistributor
1919th
StrahlpistoleJet gun
2020th
abrasiver Partikelstrahlabrasive particle beam
2121st
EntnahmeleitungSampling line
2222nd
BodenbereichFloor area
2323
SicherheitsventileinrichtungSafety valve device
2424
Einleitungsdüse für WarmgasInlet nozzle for hot gas
2525th
ReaktionsbehälterdeckelReaction vessel lid
2626th
Thermische IsolierungThermal insulation

Claims (12)

Verfahren zur kryogenen Herstellung von Wassereis-Partikeln zur abrasiven Oberflächenbearbeitung und/oder zur Reinigung von Oberflächen mit den Verfahrensschritten: - Zuführen von Wasser unter Druck durch mindestens eine Mikroblende (2) in den Innenraum eines Reaktionsbehälters (1) mit einem durch die Mikroblende (2) erfolgenden Erzeugen von Mikrotropfen (3), - Auftreffen der Mikrotropfen (3) auf einen Kaltgas-Gegenstrom (4) mit einem Vereisen der Mikrotropfen (3) zu Wassereis-Partikeln (5), wobei der Kaltgas-Gegenstrom (4) durch das Einleiten von Warmgas (9) in einen innerhalb des Reaktionsbehälters befindlichen See (7) aus einem Tieftemperatur-Flüssiggas erzeugt wird, - Auffangen der Wassereis-Partikel (5) in einer Auffangvorrichtung (6) zur Weiterleitung (8) in eine Strahlvorrichtung (19) zur abrasiven Oberflächenbea rbeitung.Process for the cryogenic production of water ice particles for abrasive surface treatment and / or for cleaning surfaces with the process steps: - Supply of water under pressure through at least one micro-diaphragm (2) into the interior of a reaction container (1) with the micro-diaphragm (2) generating microdroplets (3), - Impingement of the microdrops (3) on a cold gas countercurrent (4) with an icing of the microdrops (3) to water ice particles (5), the cold gas countercurrent (4) by the introduction of hot gas (9) into an inside the lake (7) located in the reaction container is generated from a low-temperature liquid gas, - Collecting the water ice particles (5) in a collecting device (6) for forwarding (8) to a blasting device (19) for abrasive surface treatment. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Vereisen der Mikrotropfen (3) im Kaltgas-Gegenstrom (4) ein Abkühlen der entstehenden Wassereis-Partikel (5) auf eine Temperatur von weniger als 200 Kelvin erfolgt, wobei die Wassereis-Partikel beim Vereisen eine Mohs-Härte von mindestens 4 annehmen.Procedure according to Claim 1 , characterized in that when the microdrops (3) freeze in the cold gas countercurrent (4), the water ice particles (5) formed are cooled to a temperature of less than 200 Kelvin, the water ice particles having a Mohs Assume a hardness of at least 4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Tieftemperatur-Flüssiggas des Sees (7) flüssiger Stickstoff ist und dass das Warmgas (9) einen Anteil von mehr als 50% Stickstoff aufweist.Procedure according to Claim 1 and 2 , characterized in that the low-temperature liquefied gas of the lake (7) is liquid nitrogen and that the hot gas (9) has a proportion of more than 50% nitrogen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmgas (9) gleichzeitig als Druckgas für die Strahlvorrichtung eingesetzt wird.Method according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the hot gas (9) is used at the same time as compressed gas for the blasting device. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das von dem Warmgas (9) bewirkte Verdampfen des Tieftemperatur-Flüssiggases ein Überdruck im Reaktionsbehälter (1) erzeugt wird, wobei ein Austreiben der aufgefangenen Wassereis-Partikel durch eine Entnahmeleitung durch den sich im Reaktionsbehälter einstellenden Überdruck unterstützt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the evaporation of the low-temperature liquefied gas caused by the hot gas (9) generates an overpressure in the reaction container (1), whereby the captured water ice particles are expelled through a removal line through the Reaction vessel adjusting overpressure is supported. Vorrichtung zum Erzeugen von Wassereis-Partikeln zur abrasiven Oberflächenbearbeitung und/oder zur Reinigung von Oberflächen, bestehend aus einem Behälter (1) mit einer auf der Oberseite des Behälters angeordneten, in mindestens eine Mikroblende (2) mündenden Wasserzuführung (11) und einem unter der mindestens einen Mikroblende angeordneten Auffangmittel (6) für vereiste Wassereis-Partikel (5) mit einer Entnahmeleitung (21) für die Wassereis-Partikel (5) sowie einem im Bodenbereich des Behälters gelegenen Kaltgaserzeuger in Form eines nach oben offenen Reservoirs zur Aufnahme eines Tieftemperatur-Flüssiggas-Sees (7) mit einer in den Bereich des Tieftemperatur-Flüssiggas-Sees mündenden Gas-Zuführleitung (17) für Warmgas (9) zum Erzeugen eines Kaltgas-Gegenstrom (4) zum Vereisen der aus der Mikroblende austretenden Mikrotropfen (3).Device for generating water ice particles for abrasive surface treatment and / or for cleaning surfaces, consisting of a container (1) with a water supply (11) arranged on the top of the container and opening into at least one micro-aperture (2) and a water supply (11) below at least one micro-diaphragm arranged collecting means (6) for iced water ice particles (5) with a removal line (21) for the water ice particles (5) and a cold gas generator located in the bottom area of the container in the form of an upwardly open reservoir for receiving a low temperature Liquid gas lake (7) with a gas supply line (17) for hot gas (9) opening into the area of the low-temperature liquid gas lake for generating a cold gas countercurrent (4) to freeze the microdrops (3) emerging from the micro-aperture. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Auffangmittel (6) sich im Bereich des Reservoirs des Sees (7) des Tieftemperatur-Flüssiggases befindet, wobei durch den Tieftemperatur-Flüssiggas-See eine Kühlung für die im Auffangmittel befindlichen Wassereis-Partikel (5) bewirkbar ist.Device according to Claim 6 , characterized in that the collecting means (6) is located in the area of the reservoir of the lake (7) of the low-temperature liquefied gas, the water-ice particles (5) in the collecting means being able to be cooled by the low-temperature liquefied gas lake. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmeleitung (21) für die gesammelten Wassereis-Partikel (5) in eine Mischstrecke zum Erzeugen eines Strahlgemischs aus einem Treibgas und Wassereis-Partikeln (5) geführt ist.Device according to one of the Claims 6 or 7th , characterized in that the removal line (21) for the collected water ice particles (5) is led into a mixing section for generating a jet mixture of a propellant gas and water ice particles (5). Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischstrecke als eine Injektoranordnung ausgebildet ist.Device according to Claim 8 , characterized in that the mixing section is designed as an injector arrangement. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Injektoranordnung einen Druckgasanschluss aufweist, der zusätzlich in die Gas-Zuführleitung (17) für das Warmgas mündet.Device according to Claim 9 , characterized in that the injector arrangement has a compressed gas connection which additionally opens into the gas supply line (17) for the hot gas. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (1) ein Druckbehälter mit einem innerhalb des Behälters bestehenden Überdruck ist, wobei der Überdruck ein Austreiben der in dem Auffangmittel gesammelte Menge der Wassereis-Partikel durch die Entnahmeleitung bewirkt.Device according to one of the Claims 6 to 9 , characterized in that the container (1) is a pressure vessel with a within the Is the container existing overpressure, the overpressure causing the amount of water ice particles collected in the collecting means to be expelled through the extraction line. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (1) mindestens abschnittsweise thermisch isoliert ist.Device according to one of the Claims 6 to 10 , characterized in that the container (1) is thermally insulated at least in sections.
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