DE102022127900A1

DE102022127900A1 - Selbstreinigende Druckbeladungsanlage

Info

Publication number: DE102022127900A1
Application number: DE102022127900.6A
Authority: DE
Inventors: Lars Spristersbach
Original assignee: ERLENBACH GmbH
Current assignee: ERLENBACH GmbH
Priority date: 2022-10-21
Filing date: 2022-10-21
Publication date: 2024-05-02
Also published as: WO2024083614A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Druckbeladungsanlage (1) mit einem eine Längsachse (A) aufweisenden Druckbeladungstank (20), der eine Druckbehälterwand (22) mit einer einen Hohlraum (26) umschreibenden Innenoberfläche (24) aufweist und der entlang der Längsachse (A) einen Einlassabschnitt (12), einen Zentrumsabschnitt (14) und einen Auslassabschnitt (16) aufweist, mit einem Partikeleinlass (10), der eine Einlassöffnung (28) im Einlassabschnitt (12) definiert, und einem Partikelauslass (18), der eine Auslassöffnung (30) im Auslassabschnitt (16) definiert, und mit einer im Einlassabschnitt (12) in den Hohlraum (26) mündenden Gaszuführung (44), die eingerichtet ist, einen Gasstrom (2) der Gestalt in den Hohlraum (26) einzuleiten, dass der Gasstrom (2) in dem Hohlraum (26) in eine Rotation um die Längsachse (A) versetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckbeladungsanlage mit einem eine Längsachse aufweisenden Druckbeladungstank, der eine Druckbehälterwand mit einer einen Hohlraum umschreibenden Innenoberfläche aufweist und der entlang der Längsachse einen Einlassabschnitt, einen Zentrumsabschnitt und einen Auslassabschnitt aufweist, mit einem Partikeleinlass, der eine Einlassöffnung im Einlassabschnitt definiert, und einem Partikelauslass, der eine Auslassöffnung im Auslassabschnitt definiert. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Reinigung eines eine Längsachse aufweisenden Druckbeladungstanks, der eine Druckbehälterwand mit einer einen Hohlraum umschreibenden Innenoberfläche aufweist und der entlang der Längsachse einen Einlassabschnitt, einen Zentrumsabschnitt und einen Auslassabschnitt aufweist.
Hintergrund der vorliegenden Erfindung ist das Vorschäumen von expandierbaren Partikeln mittels Infrarot-Strahlung. Diese sogenannte Trockenexpansion bietet im Gegensatz zu Dampf-Vorschäumen die Möglichkeit einer schnellen Materialumstellung, da sich die Anlage relativ schnell reinigen lässt. Interessant ist diese Art des Vorschäumens für Partikel, die selbst kein Treibmittel beinhalten, wie z.B. EPP. Um bei solchen Partikeln ein Vorschäumen zu ermöglichen, benötigt man anstelle des Treibmittels einen erhöhten Innendruck der Partikel. Zu diesem Zweck werden die Partikel mit einem unter Druck stehenden Gas in der Druckbeladungsanlage beladen. Dies geschieht in einem Prozess- oder Druckbeladungstank, in welchem nach Einbringen der Partikel langsam der Gasdruck erhöht wird. Dies kann unter gleichzeitiger Erwärmung des Tankinnenraums erfolgen oder ohne Erwärmung. Abhängig von weiteren Faktoren benötigt der Prozess ohne Erwärmung in der Größenordnung von Tagen. Führt man Wärme hinzu, kann der Prozess innerhalb von wenigen Stunden vonstattengehen. Anschließend werden die beladenen Partikel entweder in einen Lagertank überführt oder in dem Prozesstank gelagert, in dem dann jeweils ein konstanter, erhöhter Druck herrscht, sodass die Partikel darin über längere Zeit aufbewahrt werden können. Zur Weiterverarbeitung werden die Partikel zu einem Vorschäumer transportiert. Der Transport sollte relativ schnell erfolgen, damit sich der Druck in den Partikeln nicht abbaut. Der Transport kann zu diesem Zweck auch unmittelbar bis zur Vorschäumanlage in einer Transportleitung unter erhöhtem Druck durchgeführt werden. In dem Trockenvorschäumer, werden die Partikel durch Infrarot-Strahlung erwärmt und dehnen sich aufgrund des erhöhten Innendrucks auf ein vorbestimmtes Maß aus.
Ein Problem solcher expandierbarer Partikel ist es, dass diese zu Anhaftung an der Innenoberfläche der Druckbehälterwand neigen. Dadurch können nach dem Entleeren Partikel in dem Druckbeladungstank zurückbleiben. Dies stellt insbesondere vor jedem Materialwechsel ein Problem dar. Die zurückgebliebenen Partikel können beispielsweise im Falle einer Materialumstellung mit Farbwechsel oder bei Wechsel zu Partikeln mit anderem Abmessungen oder Eigenschaften als Fremdkörper in dem fertig aufgeschäumten Produkt deutlich sichtbar in Erscheinung treten. Aus diesem Grund muss der Druckbeladungstank vor jedem Materialwechsel gereinigt werden.
Das Reinigen erfolgt bislang bekanntermaßen mittels Reinigungslanzen, welche durch eine Reinigungsöffnung in dem Druckbeladungstank eingeführt werden. Durch die Lanzen wird Gas unter hohem Druck in den Tank eingeblasen, wobei die Lanzen händisch geführt werden, um möglichst alle Bereiche der Innenoberfläche von Partikeln zu befreien.
Hinzugefügt sei, dass die Erfindung nicht auf Anwendungen beschränkt ist, bei denen das Vorschäumen von expandierbaren Partikeln mittels Infrarot-Strahlung erfolgt. Diese Technologie wurde eingangs erwähnt, weil sie den Anstoß für die vorliegende Erfindung gab. Aber die Erfindung kann beispielsweise auch mit anschließendem Dampf-Vorschäumen kombiniert werden. Aufgabe vor diesem Hintergrund ist es, den Prozess der Reinigung generell weitgehend zu automatisieren.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Druckbeladungsanlage gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 16.
Die Erfindung sieht vor, dass bei einer Druckbeladungsanlage der eingangs genannten Art eine im Einlassabschnitt in den Hohlraum mündende Gaszuführung vorgesehen ist, die eingerichtet ist, einen Gasstrom, vorzugsweise Luftsstrom, dergestalt in den Hohlraum einzuleiten, dass der Gasstrom in dem Hohlraum in eine Rotation um die Längsachse versetzt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dementsprechend den Schritt des Einleitens eines Gasstroms in den Hohlraum im Einlassabschnitt, wobei der Gasstrom in dem Hohlraum in eine Rotation um die Längsachse versetzt wird.
Die Erfindung macht sich dabei die Geometrie des Druckbeladungstanks zunutze, indem sie eine Gaszuführung vorsieht, die relativ zur Druckbehälterwand, vorzugsweise ortsfest, so angeordnet und ausgestaltet ist, dass der Gasstrom sich entlang der Innenoberfläche um die Längsachse rotierend von dem Einlassabschnitt zum Auslassabschnitt bewegt und dabei mit hoher Relativgeschwindigtkeit entlang eines größtmöglichen Flächenanteils der Innenoberfläche vorbeistreicht.
Vorzugsweise weist der Druckbeladungstank im Zentrumsabschnitt senkrecht zur Längsachse eine maximale Innenquerschnittsfläche auf. Mit anderen Worten ist der Druckbeladungstank im Zentrumsabschnitt am dicksten.
Weiterhin bevorzugt ist der Zentrumsabschnitt zylinderförmig ausgebildet. Herstellungstechnisch ganz besonders bevorzugt ist dabei eine Kreiszylinderform.
Der Einlassabschnitt weist vorteilhafterweise senkrecht zur Längsachse eine Innenquerschnittsfläche auf, die sich entlang der Längsachse von der Einlassöffnung zum Zentrumsabschnitt stetig vergrößert. Anders ausgedrückt erweitert sich der Einlassabschnitt vorteilhafterweise entlang der Längsachse von der Einlassöffnung zum Zentrumsabschnitt trichterförmig. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des sich trichterförmig erweiternden Einlassabschnitts sieht eine kegelförmige Erweiterung vor.
Dementsprechend bevorzugt weist der Auslassabschnitt senkrecht zur Längsachse eine Innenquerschnittsfläche auf, die sich entlang der Längsachse vom Zentrumsabschnitt zu der Auslassöffnung stetig verkleinert. Mit anderen Worten verjüngt sich der Auslassabschnitt vorzugsweise entlang der Längsachse vom Zentrumsabschnitt zu der Auslassöffnung trichterförmig oder auch wieder in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kegelförmig.
Ein zylinderförmiger Zentrumsabschnitt ebenso wie ein kegelförmig sich erweiternder Einlassabschnitt und ein sich kegelförmig verjüngender Auslassabschnitt sind aus fertigungstechnischen Gründen bevorzugt, da sich diese einfachen Geometrien mit einfachen Werkzeugen und Zuschnitten aus Blechmaterial herstellen lassen.
Weiterhin vorteilhaft ist es, dass die Innenoberfläche im Einlassabschnitt einen maximalen Trichteröffnungswinkel β_e ≤ 45°, bevorzugt β_e ≤ 35°, aufgetragen gegenüber der Längsachse, aufweist. Größere Trichteröffnungswinkel bedeuten, dass sich der Hohlraum im Einlassabschnitt zu schnell aufweitet. Der in den Hohlraum eingeleitete Gasstrom wird dadurch nicht genügend in eine tangentiale Richtung, bezogen auf die Längsachse umgelenkt, was sich ungünstig auf die Ausbildung einer rotatorischen Strömung auswirkt. Weiterhin bevorzugt weist die Innenoberfläche im Einlassabschnitt einen minimalen Trichteröffnungswinkel β_e ≥ 20°, bevorzugt β_e ≥ 25°, aufgetragen gegenüber der Längsachse, auf. Ein kleiner Trichteröffnungswinkel limitiert das Volumen des Druckbeladungstanks bei vorgegebener Baulänge zu stark.
Ebenfalls bevorzugt weist die Innenoberfläche im Auslassabschnitt einen maximalen Trichteröffnungswinkel β_a ≤ 45°, bevorzugt β_a ≤ 25°, aufgetragen gegenüber der Längsachse, auf. Hier gelten ähnliche Überlegungen wie für den Einlassabschnitt, wobei der maximalen Trichteröffnungswinkel im Auslassabschnitt vorzugsweise etwas spitzer ausgestaltet sein kann, womit einer durch die Wandreibung in Richtung zum Auslassabschnitt verursachte Abschwächung des Gasstroms Rechnung getragen wird.
Als maximaler Trichteröffnungswinkel wird jeweils der größte Winkel verstanden, den eine in einer Radialebene liegende Tangente an die Innenoberfläche im Einlassabschnitt bzw. im Auslassabschnitt, aufgetragen zwischen der Behälterinnenwand und der Längsachse, einnimmt. Im Falle einer kegelförmigen Verjüngung bzw. Aufweitung entspricht der maximaler Trichteröffnungswinkel dem konstanten Trichteröffnungswinkel in der Radialebene.
Hierbei ist es bevorzugt, dass sich der Auslassabschnitt entlang der Längsachse spitzer verjüngt als sich der Einlassabschnitt entlang der Längsachse aufweitet. Mit anderen Worten ist es bevorzugt, wenn der maximale Trichteröffnungswinkel β_a im Auslassabschnitt und der maximale Trichteröffnungswinkel β_e im Einlassabschnitt die folgende Relation aufweisen β_a ≤ β_e. Besonders bevorzugt ist β_a < β_e und ganz besonders bevorzugt gilt β_a < β_e -3°.
Eine Abschwächung der Lustströmung vom Einlassabschnitt zum Auslassabschnitt kann so relativ gut kompensiert werden.
Es hat sich herausgestellt, dass sich die besten Reinigungsergebnisse erzielen lassen, wenn die Gaszuführung durch die Einlassöffnung in den Einlassabschnitt mündet. Alternativ hierzu, kann die Gaszuführung auch tangential in Richtung vom Einlassabschnitt fort zum Auslassabschnitt unterhalb der Einlassöffnung in Bezug auf die Längsachse in den Einlassabschnitt münden. Hierbei ist es bevorzugt, wenn die Gaszuführung wenigstens zwei oder mehr Mündungsöffnungen in den Einlassabschnitt aufweist. Die Gaszufuhr durch die Einlassöffnung des Partikeleinlasses hat indes den Vorteil, dass der Gasstrom bereits den Partikeleinlass auf dem gleichen Weg durchströmt wie die einzufüllenden Partikel, sodass auch in diesem Bereich etwaige Rückstände vom Gasstrom erfasst und mitgerissen werden können.
Diese Ausführungsform lässt sich besonders bevorzugt dadurch realisieren, dass die Gaszuführung ein zumindest teilweise in dem Partikeleinlass angeordnetes Gasleitelement aufweist. Mittels des Gasleitelements wird der Gasstrom in Rotation versetzt.
Das Gasleitelement weist hierzu vorteilhafterweise wenigstens zwei symmetrisch um die Längsachse angeordnete Gasleitschaufeln auf.
Bevorzugt ist der Partikeleinlass als ein zur Längsachse koaxialer Stutzen ausgebildet. In diesem Fall erstrecken sich vorteilhafter Weise die Gasleitschaufeln in radialer Richtung von der Längsachse bis zu einer Innenoberfläche des Partikeleinlasses, wobei sie entlang der Innenoberfläche des Partikeleinlasses eine Schaufelaußenkante ausbilden, die gegenüber der Richtung der Längsachse zumindest abschnittsweise geneigt ist. Durch diese Geometrie ergibt sich eine Schaufelform, welche dem einströmenden Gas eine tangentiale Bewegungskomponente aufzwingt.
Besonders bevorzugt bildet die Schaufelaußenkante eine gekrümmte Kurve mit in Richtung von der Einlassöffnung zur Auslassöffnung zunehmendem Neigungswinkel gegenüber der Richtung der Längsachse. Ein Gasleitelement mit derart ausgestalteten Gasleitschaufeln hat sich gegenüber Gasleitschaufeln mit gerader Schaufelaußenkante im Hinblick auf eine verbesserte Umlenkung des Gasstroms in Umfangsrichtung als vorteilhaft erwiesen.
Ganz besonders bevorzugt beträgt der Neigungswinkel der Schaufelaußenkante an ihrem in axialer Richtung auslassseitigen Ende gegenüber der Richtung der Längsachse 30° oder mehr, besonders bevorzugt 40° oder mehr und ganz besonders bevorzugt 45° oder mehr.
In Kombination mit einem oder mehreren der vorstehend genannten Merkmale ist die Druckbeladungsanlage dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass das Verhältnis aus der Querschnittsfläche der Einlassöffnung und der maximalen Innenquerschnittsfläche ≥ 1,5:100 ist.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Geometrie des Druckbeladungstanks dahin gehend weitergebildet, dass das Verhältnis aus der Quadratwurzel der maximalen Innenquerschnittsfläche zu einer Länge des Druckbeladungstanks entlang der Längsachse von der Einlassöffnung zu der Auslassöffnung $0,2 \leq \sqrt{F_{m a x}} / L \leq 0,8$
beträgt.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Druckbeladungsanlage sieht vor, dass mittels des rotierenden Gasstromes über einen Flächenanteil von mindestens 80%, vorzugsweise mindestens 85%, besonders bevorzugt mindestens 90% der Innenoberfläche und in einem Abstand von 1 mm zur Innenoberfläche eine Schubspannung von mindestens 1 Pa, bevorzugt mindestens 5 Pa und besonders bevorzugt mindestens 10 Pa, erzeugbar ist.
Dementsprechend ist das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafter Weise dahingehend weitergebildet, dass mittels des rotierenden Gasstroms über einen Flächenanteil von mindestens 80%, vorzugsweise mindestens 85%, besonders bevorzugt mindestens 90% der Innenoberfläche und einem Abstand von 1 mm zur Innenoberfläche eine Schubspannung von mindestens 1 Pa, bevorzugt mindestens 5 Pa und besonders bevorzugt mindestens 10 Pa, erzeugt wird.
Das Verfahren ist ferner vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass der Hohlraum ein Volumen V und die Innenoberfläche eine Abmessung F aufweisen, wobei der Gasstrom, bevorzugt ein Luftstrom, unter einem Eingangsdruck P von 3 bis 12 bar, bevorzugt 6 bis 10 bar, und einem Massenstrom S von 20 bis 100 kg/s eingeleitet wird.
Weiterhin bevorzugt sieht das Verfahren vor, dass der Gasbeladungstank geerdet ist. Dementsprechend weist der Gasbeladungstank einen elektrischen Erdungsanschluss auf. Hierdurch kann die Anzahl anhaftender Partikel und damit der Reinigungsbedarf von vorne herein reduziert werden.
Das Verfahren ist vorteilhafterweise dadurch weitergebildet, dass das Einleiten eines Gasstroms in den Hohlraum das Einleiten eines ionisierten Gases, insbesondere ionisierter Luft umfasst. Dementsprechend weist die Druckbeladungsanlage vorteilhafter Weise einen mit der Gaszuführung verbundenen Gas- oder Luftionisierer auf.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand von in den Figuren gezeigten Beispielen erläutert. Es zeigen:

1 Die erfindungsgemäße Druckbeladungsanlage gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in der Schnittdarstellung von der Seite;
2 ein Gasleitelement in perspektivischer Darstellung, wie in der Druckbeladungsanlage gemäß 1 verbaut;
3 das Gasleitelement in der Seitenansicht;
4 die Druckbeladungsanlage gemäß 1 in schematischer Darstellung mit eingezeichnetem Strömungsverlauf eines eingeleiteten Gasstroms;
5 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckbeladungsanlage in geschnittener Seitenansicht;
6 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckbeladungsanlage in geschnittener Seitenansicht;
7 eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckbeladungsanlage in der Seitenansicht mit veränderter Gaszuführung und
8 eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckbeladungsanlage in der Seitenansicht mit verändertem Partikeleinlass.

1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckbeladungsanlage 1. Diese weist eine Längsachse A auf. Alle im folgenden beschriebenen Komponenten sind im wesentlichen rotations- oder drehsymmetrisch um diese Achse herum ausgebildet. Diese sind in Strömungsrichtung des Gasstroms, gekennzeichnet durch den Pfeil 2, ein Partikeleinlass 10, ein Einlassabschnitt 12, ein Zentrumsabschnitt 14, ein Auslassabschnitt 16 und ein Partikelauslass 18. Nicht gezeigt sind beispielsweise Inspektionsfenster oder Durchführungsfenster für etwaige Sonden zur Prozessüberwachung und dergleichen, welche auch seitlich an einem der genannten Abschnitte, Ein- oder Auslässe angeordnet sein und somit die Dreh- bzw. Rotationssymmetrie aufheben können. „Im wesentlichen“ ist hier als so zu verstehen, dass sich die Ausführungsbeispiele im Speziellen wie auch die Erfindung im allgemeinen in diesem Sinne auch auf Druckbeladungsanlagen erstreckt, deren Druckbeladungstank eine rotations- oder drehsymmetrische Grundform aufweist, die aber aufgrund von Anschlüssen und funktionalen An- oder Einbauten nicht vollständig rotations- oder drehsymmetrisch ausgebildet ist.
Der Einlassabschnitt 12, der Zentrumsabschnitt 14 und der Auslassabschnitt 16 bilden zusammen einen Druckbeladungstank 20 mit einer gemeinsamen Druckbehälterwand 22, deren Innenoberfläche 24 einen Hohlraum 26 umschreibt. Der Partikeleinlass 10 wie auch der Partikelauslass 18 sind jeweils als zur Längsachse A koaxialer Stutzen ausgebildet. Der Partikeleinlass 10 definiert eine Einlassöffnung 28 im Einlassabschnitt 12. Analog definiert der Partikelauslass 18 eine Auslassöffnung 30 im Auslassabschnitt 16. Durch den Partikeleinlass werden die mit Druck zu beladenden Partikel in den Druckbeladungstank 22 eingebracht und durch den Partikelauslass werden die druckbeladenen Partikel aus dem Druckbeladungstank 22 abgezogen.
Der Druckbeladungstank 20 weist im Zentrumsabschnitt 14 senkrecht zu Längsachse A eine maximale Innenquerschnittsfläche 32 auf. Da in diesem Ausführungsbeispiel der Zentrumsabschnitt 14 über seine gesamte Länge eine kreiszylindrische Geometrie aufweist, ist die Querschnittsfläche 32 über dessen gesamte Länge konstant. Der Einlassabschnitt 12 weist senkrecht zu Längsachse A eine Innenquerschnittsfläche auf, die sich entlang der Längsachse A von der Einlassöffnung 28 zum Zentrumsabschnitt 14 stetig vergrößert. Im vorliegenden Fall erweitert sich der Einlassabschnitt 12 entlang der Längsachse A von der Einlassöffnung 28 zum Zentrumsabschnitt konkret kegelförmig. Spiegelbildlich hierzu weist der Auslassabschnitt 16 senkrecht zur Längsachse A eine Innenquerschnittsfläche auf, die sich entlang der Längsachse A vom Zentrumsabschnitt 14 zu der Auslassöffnung 30 stetig verkleinert. Konkret verjüngt sich der Auslassabschnitt 16 im gezeigten Ausgangsbeispiel entlang der Längsachse A vom Zentrumsabschnitt 14 zur Auslassöffnung 30 ebenfalls kegelförmig. Dementsprechend kann die Innenoberfläche 24 im Einlassabschnitt 12 durch einen konstanten Trichteröffnungswinkel β_e parametrisiert werden, der sich zwischen der Längsachse A und der Innenoberfläche 24 aufspannt. Das gleiche gilt für den Auslassabschnitt 16, dessen Innenoberfläche 24, aufgetragen gegenüber der Längsachse A, einen konstanten Trichteröffnungswinkel β_a aufweist. Im vorliegenden gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 sind der Trichteröffnungswinkel β_e des Einlassabschnitts 12 und der Trichteröffnungswinkel β_a des Auslassabschnitts 16 gleich.
Im Partikeleinlass 10 ist ein Gasleitelement 34 angeordnet, welches nachfolgend anhand der 2 und 3 näher erläutert werden wird. Das Gasleitelement 34 ist Teil einer Gaszuführung, welche neben dem Gasleitelement beispielsweise noch eine Gasdurchführung, einen Gasanschluss für eine Gasleitung und oder ein Ventil zur Begrenzung des Drucks und oder des Volumenstroms des Gasstroms aufweisen kann (nicht gezeigt). Die Gaszuführung mündet in dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch die Einlassöffnung 28 im Einlassabschnitt 12 in den Hohlraum 26 des Druckbeladungstanks 20. Die durch den Partikeleinlass in den Druckbeladungstank 22 einzubringenden Partikel werden durch das Gasleitelement hindurch transportiert. Dies stellt sicher, dass das Gas bei der anschließenden Reinigung bereits vor dem Erreichen des Hohlraumes 26 denselben Weg zurücklegt wie die Partikel, sodass die Reinigung auch schon deren Transportweg in Teilen erfasst.
In den 2 und 3 ist das Gasleitelement 34 in vergrößerter Darstellung gezeigt. Es ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 vollständig in dem Partikeleinlass 10 angeordnet. Es kann jedoch auch in Richtung des Gasstroms 2, d.h. nach unten, versetzt in den Einlassabschnitt 12 hineinragend angeordnet werden. Lokale Präpositionen wie „unten“, „unter“, oben oder „über“ beziehen sich hierin auf die Schwerkraftrichtung, die in den hier gezeigten Ausführungsbeispielen mit der Strömungsrichtung des Gasstroms 2 zufällt. Das Gasleitelement 34 weist insgesamt sechs dreh- oder achssymmetrisch um die Längsachse A angeordnete Gasleitschaufeln 36 auf. Die Gasleitschaufeln 36 erstrecken sich in radialer Richtung R von der Längsachse A bis zu der Innenoberfläche des Partikeleinlasses 10, wobei sie entlang dieser Innenoberfläche des Partikeleinlasses 10 eine Schaufelaußenkante 38 ausbilden, die gegenüber der Richtung A zumindest abschnittsweise geneigt ist. Genauer bildet die Schaufelaußenkante 38 in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel des Gasleitelements 34 eine gekrümmte Kurve mit in Richtung von der Einlassöffnung 28 zu Auslassöffnung 30 zunehmendem Neigungswinkel α gegenüber der Richtung der Längsachse A, wobei der Winkel α den gegenüber der Längsachse A aufgetragenen spitzen Winkel zur Tangente an die gekrümmte Kurve der Schaufelaußenkante 38 definiert. An ihrem in axialer Richtung auslassseitigen Ende 40 beträgt der maximale Neigungswinkel α_max gegenüber der Richtung der Längsachse A in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel 50°. Das auslassseitige oder untere Ende 40 der Schaufelaußenkante 38 ist in dem Ausgangsbeispiel der 1 in der Ebene der Einlassöffnung 28 angeordnet.
In 4 ist das Ergebnis einer mathematischen Simulation der Druckbeladungsanlage 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 dargestellt. Ein durch die im Einlassabschnitt 12 in den Hohlraum 26 mündende Gaszuführung eingeleiteter Gasstrom 2 wird mittels des im Partikeleinlass 10 angeordnete Gasleitelement 34 in dem Hohlraum 26 in eine Rotation um die Längsachse A versetzt. Dies ist in der Simulation anhand spiralförmiger Strömungslinien 42 kenntlich gemacht. Die Simulation ergab, dass bei diesem Ausführungsbeispiel mittels des rotierenden Gasstroms über ein Flächenanteil von > 80% der Innenoberfläche 24, in einem Abstand von 1 mm zur Innenoberfläche 24 eine Schubspannung von mindestens 10 Pa erzeugt werden kann.
In 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Druckbeladungsanlage gezeigt, welches sich von dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass der Einlassabschnitt 12 und der Auslassabschnitt 16 jeweils eine andere Geometrie aufweisen, womit sich auch insgesamt die Geometrie der Druckbehälterwand 22, des Hohlraums 26 und der Innenoberfläche 24 verändern. Im Einzelnen sind der Einlassabschnitt 12 und der Auslassabschnitt 16 jeweils noch immer Kegelstümpfe, wobei in diesem Fall die maximalen Trichteröffnungswinkel der Ein- und Auslassabschnitte 12, 16 β_e = 30° und β_a = 20° bzw. β_a = β_e-10° betragen.
Eine Simulation des Strömungsverlaufs innerhalb des Hohlraums 26 ergab in diesem Beispiel, dass sich durch die optimierte Geometrie im Abstand von 1 mm zur Innenoberfläche 24 mittels des ansonsten in gleicher Weise in Rotation versetzten Gasstroms über ein Flächenanteil von > 90% der Innenoberfläche 24 eine Schubspannung von mindestens 10 Pa erzeugen lässt.
6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Druckbeladungsanlage 1, welche sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel der 5 im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass der Einlassabschnitt 12, der Zentrumsabschnitt 14 und der Auslassabschnitt 16 nicht mehr durch einfache geradlinige Konturen, also Kegel- und Zylinderformen, beschrieben werden, sondern durch komplexere kurvenförmige Verläufe. Im Einzelnen vergrößert sich die Innenquerschnittsfläche des Einlassabschnitt 12 weiterhin entlang der Längsachse A von der Einlassöffnung 28 zum Zentrumsabschnitt 14 stetig, jetzt jedoch in allgemeiner Weise, hierin als „trichterförmig“ bezeichnet. Ebenso verjüngt sich die Innenquerschnittsfläche des Auslassabschnitt 16 weiterhin entlang der Längsachse A von Zentrumsabschnitt 14 zur der Auslassöffnung 30 stetig und allgemeine trichterförmig. Dabei weist auch hier die Innenoberfläche 24 im Einlassabschnitt 12 einen maximalen Trichteröffnungswinkel β_e ≤ 30°, aufgetragen gegenüber der Längsachse (A), auf und die Innenoberfläche 24 im Auslassabschnitt 16 einen maximalen Trichteröffnungswinkel β_a ≤ 20°. Die maximalen Trichteröffnungswinkel β_e und β_a werden jeweils durch die Winkel zwischen der Tangente in einer Radialebene an die Kontur der Innenquerschnittsfläche im Punkt der größten Querschnittszu- bzw. -abnahme (oder mathematisch der größten bzw, kleinsten Ableitung der Kurve) und der Längssachse A gebildet.
Der Zentrumsabschnitt 14 ist weiterhin zwischen dem Einlassabschnitt 12 und dem Auslassabschnitt 16 angeordnet, wobei die Grenze zwischen dem Einlassabschnitt 12 und dem Zentrumsabschnitt 14 einerseits und dem Zentrumsabschnitt 14 und dem Auslassabschnitt 16 andererseits beide in einem Bereich zwischen den Punkten der größten Querschnittszunahme und Querschnittsabnahme liegen. Auch in diesem Beispiel weist der Druckbeladungstank 20 im Zentrumsabschnitt 14 senkrecht zur Längsachse A seine maximale Innenquerschnittsfläche 32 auf.
Anders als in vorher gezeigten Ausführungsbeispielen ragt das Gasleitelement 34 hier ein wenig nach unten über die Einlassöffnung 28 hinaus in den Einlassabschnitt hinein, befindet sich aber dennoch zumindest teilweise und sogar überwiegend im Partikeleinlass 10.
7 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Druckbeladungsanlage 1, welche sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel der 5 nur durch eine geänderten Gaszuführung 44 unterscheidet. Diese mündet im Einlassabschnitt 12 tangential zur hier trichterförmigen Druckbehälterwand 22 in den Hohlraum 26. Die Mündung ist fast unmittelbar unterhalb der Einlassöffnung angeordnet, um auch hier sicherzustellen, dass der in Rotation versetzte Gasstrom den Hohlraum 26 des Druckbeladungstanks 20 nahezu vollständig durchspült. Die Rotation kommt in diesem Fall durch die tangentiale Einleitung und die interne Umleitung des Gasstromes entlang des kreiskegelförmigen Einlassabschnittes 12 zustande.
8 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Druckbeladungsanlage 1, welche sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel der 5 durch einen geänderten Partikeleinlass 50 unterscheidet. Dieser mündet im Einlassabschnitt 12 nicht axial, sondern mit radialer Richtungskomponente senkrecht zur hier trichterförmigen Druckbehälterwand 22 in den Hohlraum 26. Die Gaszuführung erfolgt, wie in den Ausführungsbeispielen 1 bis 3 wieder axial und die Rotation wird wieder durch das Gasleitelement 34 bewirkt.
Es versteht sich, dass die Erfindung auch weitere Kombinationen und Varianten veränderter Partikeleinlässe und Gaszuführungen umfasst.
Bezugszeichen

1: Druckbeladungsanlage
2: Gasstrom, Pfeil
10: Partikeleinlass
12: Einlassabschnitt
14: Zentrumsabschnitt
16: Auslassabschnitt
18: Partikelauslass
20: Druckbeladungstank
22: Druckbehälterwand
24: Innenoberfläche
26: Hohlraum
28: Einlassöffnung
30: Auslassöffnung
32: maximale Innenquerschnittsfläche
34: Gasleitelement
36: Gasleitschaufeln
38: Schaufelaußenkante
40: auslassseitiges Ende (der Gasleitschaufel)
42: Gasstrom/Pfeil
44: Gaszuführung
50: Partikeleinlass
A: Längsachse
R: radiale Richtung
αmax: maximaler Neigungswinkel
βa: Trichteröffnungswinkel des Auslassabschnitts
βe: Trichteröffnungswinkel des Einlassabschnitts

Claims

Druckbeladungsanlage (1) mit einem eine Längsachse (A) aufweisenden Druckbeladungstank (20), der eine Druckbehälterwand (22) mit einer einen Hohlraum (26) umschreibenden Innenoberfläche (24) aufweist und der entlang der Längsachse (A) einen Einlassabschnitt (12), einen Zentrumsabschnitt (14) und einen Auslassabschnitt (16) aufweist, mit einem Partikeleinlass (10), der eine Einlassöffnung (28) im Einlassabschnitt (12) definiert, und einem Partikelauslass (18), der eine Auslassöffnung (30) im Auslassabschnitt (16) definiert, gekennzeichnet durch eine im Einlassabschnitt (12) in den Hohlraum (26) mündenden Gaszuführung (44), die eingerichtet ist, einen Gasstrom (2) der Gestalt in den Hohlraum (26) einzuleiten, dass der Gasstrom (2) in dem Hohlraum (26) in eine Rotation um die Längsachse (A) versetzt wird.
Druckbeladungsanlage (1) nach Anspruch 1, dass der Druckbeladungstank (20) im Zentrumsabschnitt (14) senkrecht zur Längsachse (A) eine maximale Innenquerschnittsfläche (32) aufweist.
Druckbeladungsanlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dass der Zentrumsabschnitt (14) zylinderförmig ausgebildet ist.
Druckbeladungsanlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassabschnitt (12) senkrecht zur Längsachse (A) eine Innenquerschnittsfläche aufweist, die sich entlang der Längsachse (A) von der Einlassöffnung (28) zum Zentrumsabschnitt (14) stetig vergrößert.
Druckbeladungsanlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassabschnitt (12) sich entlang der Längsachse (A) von der Einlassöffnung (28) zum Zentrumsabschnitt (14) trichterförmig oder kegelförmig erweitert.
Druckbeladungsanlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslassabschnitt (16) senkrecht zur Längsachse (A) eine Innenquerschnittsfläche aufweist, die sich entlang der Längsachse (A) vom Zentrumsabschnitt (14) zu der Auslassöffnung (30) stetig verkleinert.
Druckbeladungsanlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslassabschnitt (16) sich entlang der Längsachse (A) vom Zentrumsabschnitt (14) zu der Auslassöffnung (30) trichterförmig oder kegelförmig verjüngt.
Druckbeladungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 4 oder 5 und nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Auslassabschnitt (16) entlang der Längsachse (A) spitzer verjüngt als sich der Einlassabschnitt (12) entlang der Längsachse (A) aufweitet.
Druckbeladungsanlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszuführung (44) durch die Einlassöffnung (28) im Einlassabschnitt (12) in den Hohlraum (26) mündet und dass die Gaszuführung (44) ein zumindest teilweise in dem Partikeleinlass (10) angeordnetes Gasleitelement (34) aufweist.
Druckbeladungsanlage (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasleitelement (34) wenigstens zwei achssymmetrisch um die Längsachse (A) angeordnete Gasleitschaufeln (36) aufweist.
Druckbeladungsanlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikeleinlass (10) als ein zur Längsachse (A) koaxialer Stutzen ausgebildet ist.
Druckbeladungsanlage (1) nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitschaufeln (36) sich in radialer Richtung (R) von der Längsachse (A) bis zu einer Innenoberfläche des Partikeleinlasses (10) erstrecken, wobei sie entlang der Innenoberfläche des Partikeleinlasses (10) eine Schaufelaußenkante (38) ausbilden, die gegenüber der Richtung der Längsachse (A) zumindest abschnittsweise geneigt ist.
Druckbeladungsanlage (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelaußenkante (38) eine gekrümmte Kurve mit in Richtung von der Einlassöffnung (28) zur Auslassöffnung (30) zunehmendem Neigungswinkel gegenüber der Richtung der Längsachse (A) bildet.
Druckbeladungsanlage (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (α_max) der Schaufelaußenkante (38) an ihrem in axialer Richtung auslassseitigen Ende (40) gegenüber der Richtung der Längsachse (A) ≥ 30°, vorzugsweise ≥ 40°, besonders bevorzugt ≥ 45° beträgt.
Druckbeladungsanlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dass mittels des rotierenden Gasstroms über einen Flächenanteil von mindestens 80%, vorzugsweise mindestens 85%, besonders bevorzugt mindesten 90% der Innenoberfläche (24) und in einem Abstand von 1 mm zur Innenoberfläche (24) eine Schubspannung von mindestens 1 Pa, bevorzugt mindestens 5 Pa, besonders bevorzugt mindestens 10 Pa erzeugbar ist.
Verfahren zur Reinigung eines eine Längsachse (A) aufweisenden Druckbeladungstanks (20), der eine Druckbehälterwand (22) mit einer einen Hohlraum (26) umschreibenden Innenoberfläche (24) aufweist und der entlang der Längsachse (A) einen Einlassabschnitt (12), einen Zentrumsabschnitt (14) und einen Auslassabschnitt (16) aufweist, umfassend das Einleiten eines Gasstroms (2) in den Hohlraum (26) im Einlassabschnitt (12), wobei der Gasstrom (2) in dem Hohlraum (26) in eine Rotation um die Längsachse (A) versetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dass mittels des rotierenden Gasstroms über einen Flächenanteil von mindestens 80%, vorzugsweise mindestens 85%, besonders bevorzugt mindesten 90% der Innenoberfläche (24) und in einem Abstand von 1 mm zur Innenoberfläche (24) eine Schubspannung von mindestens 1 Pa, bevorzugt mindestens 5 Pa, besonders bevorzugt mindestens 10 Pa erzeugt wird.