DE102019133827A1 - Device and method for switching a high pressure suspension - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schalten einer Hochdruck-Suspension, insbesondere zum An- und Abschalten einer unter hohem Druck stehenden, mit Feststoffpartikeln versetzten Fluidströmung, aufweisend einen Fluidspeicher (1), eine Hochdruckerzeugung (2) und eine Düse (11), wobei die Vorrichtung einen Hauptströmungsweg, eine Suspensionserzeugung und einen Nebenströmungsweg aufweist derart, dass- ein Gegendruck über den Nebenströmungsweg (13), welcher in Hauptströmungsrichtung hinter der Suspensionserzeugung (5) in den Hauptströmungsweg (12) mündet, erzeugbar ist, der eine Druckdifferenz zum An- oder Abschalten der Hochdruck-Suspension über ein erstes Ventil (6) verringert oder vollständig aufhebt und dass- der Hauptströmungsweg (12) über das erste Ventil (6), welches sich im Hauptströmungsweg (12) in Strömungsrichtung hinter der Suspensionserzeugung (5) und vor der Einmündung des Nebenströmungsweges (13) befindet sowie über ein zweites Ventil (8), welches sich im Hauptströmungsweg (12) in Strömungsrichtung vor der Suspensionserzeugung (5) befindet, geöffnet oder geschlossen werden kann und dass- der Gegendruck über das Trennen des Nebenströmungsweges (13) von der Hochdruckerzeugung über ein Schaltventil (7) abbaubar ist.Des Weiteren betrifft die Erfindung ein zugehöriges Verfahren zum An- und Abschalten einer, unter hohem Druck stehenden, mit Feststoffpartikeln versetzten Fluidströmung.The invention relates to a device for switching a high-pressure suspension, in particular for switching a high-pressure fluid flow mixed with solid particles on and off, comprising a fluid reservoir (1), a high-pressure generator (2) and a nozzle (11), the The device has a main flow path, a suspension generation and a secondary flow path in such a way that a counterpressure can be generated via the secondary flow path (13), which opens into the main flow path (12) behind the suspension generation (5) in the main flow direction, which has a pressure difference to the start or Switching off the high-pressure suspension via a first valve (6) reduces or completely eliminates it and that - the main flow path (12) via the first valve (6), which is located in the main flow path (12) in the flow direction behind the suspension generation (5) and before Confluence of the secondary flow path (13) and a second valve (8), which is in the main flow gsweg (12) in the flow direction in front of the suspension generation (5), can be opened or closed and that - the back pressure can be reduced by separating the bypass flow path (13) from the high pressure generation via a switching valve (7). The invention also relates to a Associated method for switching on and off a high-pressure fluid flow mixed with solid particles.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schalten einer Hochdruck-Suspension, insbesondere zum vollständigen An- und Abschalten einer unter hohem Druck stehenden, mit Feststoffpartikeln versetzten Fluidströmung.The present invention relates to a device and a method for switching a high-pressure suspension, in particular for completely switching on and off a high-pressure fluid flow mixed with solid particles.
Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlen mit Beimengung von Festkörperpartikeln werden nach dem allgemeinen und aktuellen Stand der Technik zum Reinigen, Aufrauen, Abtragen oder Schneiden eingesetzt (Awiszus, Birgit; Bast, Jürgen; Dürr, Holger (2016): Grundlagen der Fertigungstechnik. 6., aktualisierte Auflage.). Als Fluidmedium wird häufig Wasser genutzt. Je nach Anwendungsfall können dem Fluid unterschiedlichste Feststoffpartikel beigemengt werden. Gängiges Verfahren zur Beimengung dieser Festkörperpartikel stellt das Injektionsverfahren dar. Hierbei wird ein Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahl ausgebildet, der über die Erzeugung von Unterdruck in einem Mischbereich bereitgestellte feinkörnige Feststoffpartikel und ein umgebendes Gas, zumeist Umgebungsluft, beschleunigt. Noch vor der Beimengung der Feststoffpartikel kann die unter hohem Druck stehende Flüssigkeit leicht mit Hilfe eines Nadelventils an- und abgeschaltet werden. Hierdurch wird der Bearbeitungsprozess innerhalb kürzester Zeit unterbrochen.High-pressure liquid jets with the addition of solid particles are used according to the general and current state of the art for cleaning, roughening, removing or cutting (Awiszus, Birgit; Bast, Jürgen; Dürr, Holger (2016): Fundamentals of manufacturing technology. 6th, updated edition .). Water is often used as the fluid medium. Depending on the application, a wide variety of solid particles can be added to the fluid. A common method for admixing these solid particles is the injection method. Here, a high-speed liquid jet is formed, which accelerates fine-grained solid particles and a surrounding gas, mostly ambient air, provided by the generation of negative pressure in a mixing area. Before the solid particles are added, the liquid under high pressure can easily be switched on and off with the aid of a needle valve. As a result, the machining process is interrupted within a very short time.
Mischt man die Feststoffpartikel bereits vor der Erzeugung des Hochgeschwindigkeits-Strahles in das Fluid, so wird dem Feststoff-Flüssigkeitsgemisch vorteilhafter Weise kein umgebendes Gas beigemengt und es kommt zu deutlich geringeren energetischen Verlusten bei der Beschleunigung der Feststoffpartikel. Man spricht hierbei vom Suspensionsstrahl-Verfahren. Besonders problematisch bei der Handhabung einer Hochdruck-Feststoff-Flüssigkeits-Suspension ist der Umstand, dass die festen Partikel im Gemisch zu einer Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit von Ventilkomponenten führen können. Handelt es sich um besonders harte Partikel, so können diese Verschleißerscheinungen an Ventilen und Strömungswegen verursachen, die zum Ausfall der Funktionsfähigkeit der einzelnen Komponente führen. Auch können diese Partikel Blockierungen von Ventilen und somit Hemmungen von Schaltvorgängen hervorrufen. Beide Mechanismen gefährden die sichere Handhabung des Gesamtsystems.If the solid particles are mixed into the fluid before the high-speed jet is generated, then no surrounding gas is advantageously added to the solid-liquid mixture and there are significantly lower energy losses when the solid particles are accelerated. This is called the suspension jet process. The fact that the solid particles in the mixture can impair the functionality of valve components is particularly problematic when handling a high-pressure solid-liquid suspension. If the particles are particularly hard, they can cause wear and tear on valves and flow paths, leading to the failure of the individual components to function properly. These particles can also block valves and thus inhibit switching operations. Both mechanisms endanger the safe handling of the overall system.
In der Druckschrift
Die Druckschrift
Eine Möglichkeit zum Erzeugen einer Hochdruck-Suspension mit Ventiltechnik im Hochdruckbereich wird in der Druckschrift
Die Übersetzung der europäischen Patentschrift
Die Druckschrift
Die Offenlegungsschrift
In der Offenlegungsschrift
Die Druckschrift
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schalten einer Hochdruck-Suspension zu entwickeln, mittels derer unter hohem Druck stehende Suspensionen, bestehend aus einem Fluid und einer Feststoffpartikel-Phase innerhalb kürzester Zeit an- und abschaltbar sind, ohne, dass dabei die im System vorhandene Suspensionserzeugung eine Druckentlastung oder aber signifikante Druckreduzierung erfährt.The object of the invention is to develop a device and a method for switching a high-pressure suspension, by means of which suspensions under high pressure, consisting of a fluid and a solid particle phase, can be switched on and off within a very short time, without this the suspension generation in the system is relieved of pressure or significantly reduced.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten und siebten Patentanspruchs gelöst.This object is achieved with the characterizing features of the first and seventh claims.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous refinements result from the subclaims.
Die Vorrichtung betrifft eine Vorrichtung zum Schalten einer Hochdruck-Suspension, insbesondere zum An- und Abschalten einer unter hohem Druck stehenden, mit Feststoffpartikeln versetzten Fluidströmung, aufweisend einen Fluidspeicher, eine Hochdruckerzeugung und eine Düse. Die Vorrichtung weist einen Hauptströmungsweg, eine Suspensionserzeugung und einen Nebenströmungsweg auf derart, dass
- - ein Gegendruck über den Nebenströmungsweg, welcher in Hauptströmungsrichtung hinter der Suspensionserzeugung in den Hauptströmungsweg mündet, erzeugbar ist, der eine Druckdifferenz zum An- oder Abschalten der Hochdruck-Suspension über ein erstes Ventil verringert oder vollständig aufhebt und dass
- - der Hauptströmungsweg über das erste Ventil, welches sich im Hauptströmungsweg in Strömungsrichtung hinter der Suspensionserzeugung und vor der Einmündung des Nebenströmungsweges befindet sowie über ein zweites Ventil, welches sich im Hauptströmungsweg in Strömungsrichtung vor der Suspensionserzeugung befindet, geöffnet oder geschlossen werden kann und dass
- - der Gegendruck über das Trennen des Nebenströmungsweges von der Hochdruckerzeugung über ein Schaltventil abbaubar ist.
- - A back pressure can be generated via the secondary flow path, which opens into the main flow path in the main flow direction behind the suspension generation, which reduces or completely eliminates a pressure difference for switching the high-pressure suspension on or off via a first valve and that
- - The main flow path via the first valve, which is located in the main flow path in the flow direction behind the suspension generation and before the confluence of the secondary flow path, and via a second valve, which is located in the main flow path in the flow direction before the suspension generation, and that
- - The back pressure can be reduced by separating the secondary flow path from the high pressure generation via a switching valve.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das erste verschleißfeste Ventil in Form eines Scheibenschieberventils ausgebildet, wobei das Scheibenschieberventil wenigstens drei Scheiben aufweist derart, dass das Scheibenschieberventil mittels Vertikalbewegung mindestens einer darin angeordneten verschleißfesten Scheibe, die zwischen den mindestens zwei weiteren, feststehenden, verschleißfesten Scheiben gegeneinander dichtendend angeordnet ist, verschließbar ist.
Vorteilhafter Weise weisen die verschleißfesten Scheiben dem Strömungsweg angepasste Durchgangslöcher auf.
In einer alternativen Ausgestaltung ist das erste verschleißfeste Ventil in Form eines Kugelventils ausgebildet.In an advantageous embodiment, the first wear-resistant valve is designed in the form of a disk slide valve, the disk slide valve having at least three disks such that the disk slide valve by means of vertical movement of at least one wear-resistant disk arranged therein, sealingly arranged between the at least two further, fixed, wear-resistant disks is closable.
The wear-resistant disks advantageously have through holes adapted to the flow path.
In an alternative embodiment, the first wear-resistant valve is designed in the form of a ball valve.
Vorzugsweise weist der Nebenströmungsweg ein Rückschlagventil auf derart, dass das Eindringen von Feststoffpartikeln in den Nebenströmungsweg aus dem Hauptströmungsweg verhinderbar ist und/oder dass der Hauptströmungsweg ein Rückschlagventil aufweist, wobei das Rückschlagventil sicherstellt, dass Feststoffpartikel der Suspension nicht die Hochdruckerzeugung und das Hydraulikventil erreichen können.The secondary flow path preferably has a non-return valve such that the entry of solid particles into the secondary flow path from the main flow path can be prevented and / or that the main flow path has a non-return valve, the non-return valve ensuring that solid particles of the suspension cannot reach the high-pressure generation and the hydraulic valve.
Gemäß der Vorrichtung ist nach der Einmündung des Nebenströmungsweges in den Hauptströmungsweg eine Düse zum Reinigen, Aufrauen, Abtragen oder Schneiden unbestimmter geometrischer Ausführung angeordnet.According to the device, after the confluence of the secondary flow path and the main flow path, a nozzle for cleaning, roughening, removing or cutting an undefined geometric design is arranged.
Das Verfahren zum Schalten einer Hochdruck-Suspension, insbesondere zum An- und Abschalten einer unter hohem Druck stehenden, mit Feststoffpartikeln versetzten Fluidströmung, weist einen Fluidspeicher, eine Hochdruckerzeugung und eine Düse auf. Kennzeichnend ist, dass zum Anschalten der Hochdruck-Suspension
- - in einem ersten Schritt ein Gegendruck über einen Nebenströmungsweg, welcher in Hauptströmungsrichtung hinter einer Suspensionserzeugung in einen Hauptströmungsweg mündet, erzeugt wird, der die Druckdifferenz zum Anschalten der Hochdruck-Suspension über ein erstes Ventil verringert oder vollständig aufhebt und dass
- - in einem zweiten Schritt der Hauptströmungsweg über das erste Ventil, welches sich im Hauptströmungsweg in Strömungsrichtung hinter der Suspensionserzeugung und vor der Einmündung des Nebenströmungsweges befindet sowie zeitgleich oder mit geringem zeitlichen Versatz ein zweites Ventil, welches im Hauptströmungsweg in Strömungsrichtung vor der Suspensionserzeugung angeordnet ist, geöffnet wird und dass
- - in einem dritten Schritt der Gegendruck über das Trennen des Nebenströmungsweges von der Hochdruckerzeugung über ein Schaltventil abgebaut wird
- - in einem ersten Schritt mittels Öffnens des Schaltventils in dem Nebenströmungsweg ein Gegendruck über den Nebenströmungsweg erzeugt wird, der die Druckdifferenz zum Abschalten der Hochdruck-Suspension über das erste Ventil verringert oder vollständig aufhebt und
- - in einem zweiten Schritt der Hauptströmungsweg über das erste Ventil, sowie zeitgleich oder mit geringem zeitlichem Versatz über das zweite Ventil, geschlossen wird und
- - in einem dritten Schritt das Schaltventil in dem Nebenströmungsweg geschlossen wird derart, dass kein Austrag aus der Düse erfolgt.
- - In a first step, a back pressure is generated via a secondary flow path, which opens into a main flow path behind a suspension generation in the main flow direction, which reduces or completely eliminates the pressure difference for switching on the high-pressure suspension via a first valve and that
- in a second step the main flow path via the first valve, which is located in the main flow path in the flow direction behind the suspension generation and before the confluence of the secondary flow path, and at the same time or with a slight time offset, a second valve which is arranged in the main flow path in the flow direction before the suspension generation, is opened and that
- - In a third step, the back pressure is reduced by separating the secondary flow path from the high pressure generation via a switching valve
- - In a first step, by opening the switching valve in the secondary flow path, a counter pressure is generated via the secondary flow path, which reduces or completely eliminates the pressure difference for switching off the high-pressure suspension via the first valve and
- - In a second step, the main flow path is closed via the first valve, and at the same time or with a slight time offset via the second valve, and
- - In a third step, the switching valve in the secondary flow path is closed in such a way that there is no discharge from the nozzle.
Das Hochdrucksystem des Hauptströmungsweges wird verfahrensgemäß kontinuierlich unter Betriebsdruck gehalten.The high pressure system of the main flow path is kept continuously under operating pressure according to the method.
Der Fluiddruck im Haupt- und Nebenströmungsweg liegt zwischen 1 MPa und 600 MPa.The fluid pressure in the main and secondary flow path is between 1 MPa and 600 MPa.
Vorteilhafter Weise können neben Hochdruck-Suspensionen auch reine Fluidströmungen bei diskontinuierlicher Suspensionsförderung an- beziehungsweise abgeschaltet werden.In addition to high-pressure suspensions, pure fluid flows can also advantageously be switched on or off with discontinuous suspension conveyance.
Als Fluidmedium finden insbesondere Wasser, verflüssigtes technisches Gas, Öl, Lösungen oder Emulsionen Anwendung.In particular, water, liquefied technical gas, oil, solutions or emulsions are used as the fluid medium.
Es wird festgestellt, dass ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitgestellt werden, mit denen unter hohem Druck stehende Suspensionen, bestehend aus einem Fluid und einer Feststoffpartikel-Phase innerhalb kürzester Zeit vollständig an- und abschaltbar sind, ohne, dass dabei die im System vorhandene Suspensionserzeugung eine Druckentlastung oder aber signifikante Druckreduzierung erfährt.It is found that a method and a device are provided with which suspensions under high pressure, consisting of a fluid and a solid particle phase, can be completely switched on and off within a very short time, without the suspension production present in the system being affected Relief of pressure or significant pressure reduction.
Dem Verschleiß und der Gefahr einer Beeinträchtigung des prozesssicheren Schaltens von Ventiltechnik infolge des Vorbeiströmens von zum Teil sehr harten Festkörperpartikeln innerhalb der Suspension wird durch die vorliegende Vorrichtung entgegengewirkt.The present device counteracts the wear and the risk of impairing the reliable switching of valve technology as a result of the flow of sometimes very hard solid particles within the suspension.
Es wird eine Vorrichtung mit Ventilen bereitgestellt, die Folgendes umfasst:
- Einen Hochdruck-Hauptströmungsweg, in dem sich in Strömungsrichtung vor der Suspensionserzeugung ein Hydraulikventil sowie in Strömungsrichtung hinter der Suspensionserzeugung ein hoch verschleißfestes Scheibenschieberventil oder Kugelventil sowie ein in Hauptströmungsrichtung nachfolgendes Verbindungsglied befinden, einen Hochdruck- Nebenströmungsweg, der durch das genannte Verbindungsglied mit dem Hauptströmungsweg verbunden ist, ein Schaltventil, welches sich in Strömungsrichtung vor einem optionalen Rückschlagventil im Nebenströmungsweg befindet sowie eine Düse, welche als Auslass der Hochdruck-Suspension fungiert und nach dem Verbindungsglied zwischen Hauptströmungsweg und Nebenströmungsweg angeordnet ist.
- A high-pressure main flow path, in which there is a hydraulic valve in the flow direction before the suspension generation and in the flow direction behind the suspension generation a highly wear-resistant disc slide valve or ball valve and a connecting element following in the main flow direction, a high-pressure secondary flow path which is connected to the main flow path by the said connecting element , a switching valve, which is located in the direction of flow upstream of an optional check valve in the secondary flow path, and a nozzle, which functions as an outlet of the high-pressure suspension and is arranged after the connecting member between the main flow path and the secondary flow path.
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass eine unter hohem Druck stehende Suspension aus Feststoffpartikeln und einem Fluid oder aber eine überwiegend reine Fluid-Strömung in einer diskontinuierlichen Feststoffpartikel- Förderung sicher und innerhalb kürzester Zeit vollständig unterbrochen werden kann. Insbesondere vorteilhaft ist dabei die Erzeugung eines Gegendruckes entgegen der Suspensions- oder Fluidströmung, um ein Schalten des hoch verschleißfesten Scheibenschieberventils oder Kugelventils mit geringer Druckdifferenz oder aber druckdifferenzlos zu realisieren.The advantage of the present invention is that a suspension of solid particles and a fluid under high pressure or a predominantly pure fluid flow can be completely and safely interrupted in a discontinuous solid particle delivery. The generation of a counterpressure against the suspension or fluid flow is particularly advantageous in order to implement a switching of the highly wear-resistant disc slide valve or ball valve with a low pressure difference or without pressure difference.
Durch die vorliegende Erfindung wird das Hochdrucksystem des Hauptströmungsweges vorteilhafter Weise kontinuierlich unter Betriebsdruck gehalten. Durch diesen Umstand reduzieren sich die Wechselbeanspruchungen durch sich ändernde Druckdifferenzen im System in erheblichem Maß. Dadurch bietet sich die Möglichkeit, die Lastwechselzahl bei der Druckgeräteauslegung entscheidend zu reduzieren.The present invention advantageously keeps the high pressure system of the main flow path continuously under operating pressure. This fact significantly reduces the alternating stresses caused by changing pressure differences in the system. This offers the possibility of significantly reducing the number of load changes when designing the pressure equipment.
Unterscheidend zum vorliegenden Stand der Technik wird der Nebenströmungsweg genutzt, um das verschleißfeste Ventil in Form eines Scheibenschieberventils oder Kugelventils druckdifferenzlos zu schalten, das heißt, es wird nichts gespült oder eine Strömung entgegen der Hauptströmungsrichtung aufgebaut. Zudem wird der Systemdruck aufrechterhalten. In contrast to the present state of the art, the bypass flow path is used to switch the wear-resistant valve in the form of a disc slide valve or ball valve without pressure difference, that is, nothing is flushed or a flow is built up against the main flow direction. The system pressure is also maintained.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert, ohne darauf beschränkt zu sein.The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment and associated drawings, without being restricted thereto.
Es zeigen:
-
1 einen Fluidplan der vorliegenden Erfindung, -
2 eine Darstellung der Ventilstellung bei geöffnetem verschleißfestem Ventil im Arbeitszustand, -
3 eine Darstellung der Ventilstellung unmittelbar vor dem Öffnen des verschleißfesten Ventils bei Bearbeitungsbeginn und unmittelbar nach dem Schließen des Ventils bei Bearbeitungsende, -
4 eine Darstellung der Ventilstellung unmittelbar nach dem Öffnen des verschleißfesten Ventils bei Bearbeitungsbeginn und unmittelbar vor dem Schließen des verschleißfesten Ventils bei Bearbeitungsende, -
5 eine Darstellung der Ventilstellung bei geschlossenem System.
-
1 a fluid map of the present invention, -
2nd a representation of the valve position when the wear-resistant valve is open in the working state, -
3rd a representation of the valve position immediately before the wear-resistant valve opens at the start of machining and immediately after the valve closes at the end of machining, -
4th a representation of the valve position immediately after opening the wear-resistant valve at the start of machining and immediately before closing the wear-resistant valve at the end of machining, -
5 a representation of the valve position with the system closed.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das zugehörige Verfahren zum Schalten einer Hochdruck-Suspension finden zum Reinigen, Aufrauen und Abtragen von Oberflächen sowie zum Schneiden von Werkstücken Anwendung.The device according to the invention and the associated method for switching a high-pressure suspension are used for cleaning, roughening and removing surfaces and for cutting workpieces.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- FluidspeicherFluid storage
- 22nd
- HochdruckerzeugungHigh pressure generation
- 33rd
- erstes T-Stückfirst tee
- 44th
- Rückschlagventilcheck valve
- 55
- Suspensions-MischeinheitSuspension mixing unit
- 66
- Verschleißfestes erstes VentilWear-resistant first valve
- 77
- HydraulikventilHydraulic valve
- 88th
- HydraulikventilHydraulic valve
- 99
- Rückschlagventilcheck valve
- 1010th
- zweites T-Stücksecond tee
- 1111
- Düsejet
- 1212
- HauptströmungswegMain flow path
- 1313
- NebenströmungswegSide flow path
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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