DE10224778A1 - Trockeneisstrahlanlage - Google Patents

Trockeneisstrahlanlage

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von festen CO¶2¶-Teilchen (13). Flüssiges CO¶2¶ wird entspannt, um ein Gemisch aus CO¶2¶-Schnee und gasförmigem CO¶2¶ zu erzeugen. Der CO¶2¶-Schnee wird dann in einer Schneekammer (5) zu einem Trockeneisblock verdichtet und durch eine mit Öffnungen (10) versehene Matrize (6) gepresst. Die entstehenden CO¶2¶-Teilchen (13) werden einem Druckgasstrom zugeführt, der an der Matrize (6) vorbeigeführt wird. Der Trockeneisblock (4) schirmt die Schneekammer (5) druckdicht von dem Druckgasstrom ab.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von festen CO2-Teilchen mit einer Schneekammer, die einen Einlass für CO2 und einen Verdichter zum Verdichten von in der Schneekammer befindlichem CO2-Schnee aufweist, und wobei die Schneekammer auf einer Seite durch eine mit Öffnungen versehene Matrize abgeschlossen wird. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Erzeugung von festen CO2-Teilchen, wobei flüssiges CO2 entspannt und ein Gemisch aus CO2-Schnee und gasförmigem CO2 erzeugt wird, der CO2-Schnee in einer Schneekammer zu einem Trockeneisblock verdichtet und durch eine mit Öffnungen versehene Matrize gepresst wird und die aus der Matrize austretenden CO2-Teilchen einem Druckgasstrom zugeführt werden.
  • Beim Strahlreinigen mit Trockeneis werden granulatartige Trockeneispartikel in Reiskorngröße, sogenannte CO2-Pellets, aus dem Vorratsbehälter einer Strahlanlage über Schlauchleitungen zu einer Strahldüse gefördert, beschleunigt und auf das zu reinigende Objekt gestrahlt.
  • Die Erzeugung der CO2-Pellets erfolgt nach dem Stand der Technik auf folgende Art und Weise: Flüssiges Kohlendioxid wird aus einem isolierten Tank, in dem das Kohlendioxid bei einem Druck zwischen üblicherweise 12 und 22 bar gelagert wird, entnommen und über Düsen in eine Schneekammer auf Atmosphärendruck entspannt. Bei der Entspannung des flüssigen Kohlendioxids entsteht ein Gemisch aus CO2- Schnee und kaltem CO2-Gas. Die Gasphase wird von dem CO2-Schnee abgetrennt und der CO2-Schnee mittels eines Verdichters verdichtet. Hierzu wird beispielsweise ein Kolbenverdichter eingesetzt. Der entstehende Trockeneisblock wird anschließend durch eine Matrize gepresst, um feste CO2-Stränge zu erzeugen, die dann mit einem geeigneten Brechwerkzeug zu Pellets von etwa Reiskorngröße gekürzt werden.
  • Bei den sogenannten Druckstrahlanlagen werden die CO2-Pellets in einen Druckluftstrom eindosiert und mit diesem zur Strahldüse gefördert. Der Druckluftstrom besitzt meist einen Druck zwischen 5 und 20 bar, während die CO2-Pellets bei Atmosphärendruck vorliegen. Zum Eindosieren der CO2-Pellets in den Druckluftstrom ist daher eine Druckschleuse notwendig. Alle herkömmlichen Druckschleusen besitzen bewegte Teile, die bei den vorherrschenden Temperaturen von bis zu -78°C und Drücken bis zu 20 bar eine mechanische Schwachstelle darstellen.
  • Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von CO2-Pellets zu entwickeln, welche die oben genannten Nachteile vermeidet.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gelöst, die eine Schneekammer umfasst, die einen Einlass für CO2 und einen Verdichter zum Verdichten von in der Schneekammer befindlichem CO2-Schnee aufweist, und wobei die Schneekammer auf einer Seite durch eine mit Öffnungen versehene Matrize abgeschlossen wird, wobei erfindungsgemäß zumindest in einem Teilbereich der Schneekammer der Querschnitt der Schneekammer in Richtung der Matrize zunimmt.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass der Druckgasstrom an der Matrize vorbeigeführt wird und dass der Trockeneisblock die Schneekammer druckdicht von dem Druckgasstrom abschirmt.
  • Trockeneis entsteht beim Entspannen von flüssigem CO2 auf atmosphärischen Druck. Die Schneekammer, in die der CO2-Schnee eingebracht wird oder in die das flüssige CO2 direkt entspannt wird, befindet sich daher etwa auf Atmosphärendruck. Der CO2- Schnee wird dann mittels eines Verdichter zu einem Trockeneisblock verdichtet und durch eine Matrize gepresst, um längliche CO2-Teilchen zu erzeugen. Eventuell vorhandenes gasförmiges CO2 wird vorzugsweise vor oder während des Verdichtens aus der Schneekammer abgezogen.
  • Erfindungsgemäß ist die Schneekammer zumindest in einem Teilbereich so ausgebildet, dass deren Querschnitt in Richtung der Matrize zunimmt. Durch den Verdichter wird der CO2-Schnee in diesem Bereich verdichtet und es entsteht ein Trockeneisblock, dessen Querschnitt zumindest in diesem Teilbereich ebenfalls in Richtung der Matrize zunimmt.
  • Wird nun die Matrize auf der der Schneekammer abgewandten Seite einem den Atmosphärendruck übersteigenden Druck ausgesetzt, so pflanzt sich dieser Druck durch die Öffnungen in der Matrize bis zu dem Trockeneisblock fort. Die auf den Trockeneisblock einwirkende Kraft versucht diesen von der Matrize weg zu bewegen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Schneekammer wird dabei der Trockeneisblock gegen die Innenwand der Schneekammer gepresst und bildet einen druckdichten Verschluss zwischen dem Bereich vor und hinter dem Trockeneisblock.
  • Auf der einen Seite des Trockeneisblocks herrscht somit ein erhöhter Druck, während auf der anderen Seite, auf der sich der Einlass für CO2 in die Schneekammer befindet, weiterhin Atmosphärendruck vorliegt. Die Schneekammer kann also erfindungsgemäß mit CO2-Schnee nachgefüllt werden, während durch die Matrize feste CO2-Teilchen in eine Atmosphäre mit erhöhtem Druck, insbesondere in einen Druckgasstrom, abgegeben werden können.
  • Die Erfindung erlaubt somit die Erzeugung von festen CO2-Teilchen durch Entspannung von flüssigem CO2 gegen Atmosphärendruck oder gegen nur geringfügig erhöhten Druck und die Einspeisung der erzeugten CO2-Teilchen in einen Gasstrom unter deutlich höherem Druck, ohne dass eine Druckschleuse erforderlich ist.
  • Vorzugsweise ist die Schneekammer zumindest in einem Teilbereich in Richtung der Matrize konisch erweitert. Beim Verdichten des CO2-Schnees entsteht so ein entsprechend konisch geformter Trockeneisblock, der bei Vorherrschen eines erhöhten Drucks vor der Matrize passgenau in die Schneekammer gepresst wird und diese abdichtet.
  • Es hat sich als günstig erwiesen, die Schneekammer in einem anderen Teilbereich so auszubilden, dass deren Querschnitt in Richtung der Matrize abnimmt. Durch die Querschnittsverengung, vorzugsweise eine gleichmäßige, stetige Querschnittsverengung, wird die Verdichtung des CO2-Schnees unterstützt. Eine weitere Verbesserung der Dichte und Härte der CO2-Teilchen wird dadurch erzielt, dass sich die Öffnungen in der Matrize konisch verjüngen, so dass das durch die Matrize gepresste Trockeneis nochmal verdichtet wird.
  • Erfindungsgemäß ist es möglich, auf eine Druckschleuse zwischen der Matrize und dem Druckgasstrom, in den die festen CO2-Teilchen eingebracht werden sollen, zu verzichten. Vorzugsweise münden daher die Öffnungen der Matrize in eine Strömungskammer, durch die ein Druckgasstrom strömt und die aus der Matrize austretenden CO2-Teilchen mitreißt.
  • Von Vorteil werden die aus der Matrize austretenden CO2-Teilchen einem bei einem Druck zwischen 2 und 20 bar, vorzugsweise zwischen 5 und 10 bar, vorliegenden Luftstrom zugeführt.
  • Bevorzugt wird der CO2-Schnee in der Schneekammer mehr als 20-mal pro Minute, besonders bevorzugt mehr als 40-mal pro Minute, ganz besonders bevorzugt mehr als 60-mal pro Minute verdichtet und durch die Matrize gepresst. Auf diese Weise treten die CO2-Teilchen quasi-kontinuierlich aus der Matrize aus und können quasi- kontinuierlich in den Druckgasstrom eingespeist werden. Der so erzeugte kontinuierliche Reinigungsstrahl ermöglicht eine hohe Reinigungsgeschwindigkeit, d. h. er kann mit relativ hoher Geschwindigkeit über das zu reinigende Objekt bewegt werden. Die Reinigungsleistung wird gegenüber gepulsten Reinigungsstrahlen deutlich erhöht.
  • Zur Erzeugung des CO2-Schnees wird flüssiges CO2 gegen Atmosphärendruck entspannt, wodurch ein Gemisch aus etwa gleichen Teilen CO2-Schnee und CO2-Gas entsteht. Vorzugsweise wird das bei der Entspannung entstehende Gemisch in CO2- Schnee und gasförmiges CO2 getrennt. Besonders bevorzugt erfolgt dies dadurch, dass das Gemisch einer kreisförmig verlaufenden Leitung zugeführt wird, in der unter Ausnutzung der Fliehkraft eine Trennung von Gas und Schnee erreicht wird. Diese Leitung wird mit mit einer Art Weiche so an den Einlass für CO2 in die Schneekammer angeschlossen, so dass im wesentlichen nur CO2-Schnee in die Schneekammer eingeleitet wird. Es ist aber ebenso möglich, das flüssige CO2 direkt in die Schneekammer zu entspannen. Das dabei entstehende CO2-Gas wird dann in geeigneter Weise aus der Schneekammer abgezogen, bevor der CO2-Schnee verdichtet wird. Es hat sich auch als günstig erwiesen, das CO2-Gas- Schnee-Gemisch über eine Leitung, die im Inneren eine Rippenstruktur aufweist, beispielsweise einen Schlauch mit innenliegender Stützspirale, der Schneekammer zuzuführen. Dadurch werden die losen Schneeteilchen bereits vorkompaktiert.
  • Vorzugsweise werden CO2-Gas und CO2-Schnee möglichst gut getrennt, d. h. der Schnee wird möglichst vollständig entgast. Beim nachfolgenden Verdichtungsprozess wird dadurch eine hohe Dichte und Härte der erzeugten CO2-Teilchen erreicht, die sich wiederum günstig auf die Reinigungsleistung auswirken.
  • Die Erfindung hat gegenüber den bekannten Vorrichtungen und Verfahren zur Erzeugung von festen CO2-Teilchen wesentliche Vorteile. Durch die besondere Gestaltung der Schneekammer wird eine Druckschleuse überflüssig. Die Fertigungskosten können dadurch gesenkt werden und eine potentielle Fehlerquelle wird eliminiert.
  • Die Erfindung erlaubt ferner die Erzeugung eines quasi-kontinuierlichen CO2- Pelletstrahls. Der Pelletstrahl kann dadurch mit relativ hohen Geschwindigkeiten über das zu reinigende Objekt gefahren werden. Die Reinigungsleistung kann folglich wesentlich gesteigert werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann sehr schnell, innerhalb von von wenigen Sekunden, angefahren werden. Es ist beispielsweise möglich, innerhalb von 2 bis 4 Sekunden einen Reinigungsstrahl mit CO2-Pellets zu erzeugen. Die Erfindung lässt sich daher mit Vorteil in Prozessabläufe integrieren, so dass im Falle von Reinigungsbedarf sehr schnell ein entsprechender Reinigungsstrahl zur Verfügung steht. Dies bringt insbesondere bei Prozessen Vorteile, bei denen der Reinigungsbedarf sehr unregelmäßig und schwer planbar anfällt. Die Erfindung wird bevorzugt so in die Prozessabläufe integriert, dass die Reinigung automatisch gestartet wird.
  • Durch die Integration von CO2-Teilchen-Erzeugung und Einspeisung in den Druckgasstrom ist eine separate Bevorratung von CO2-Teilchen, insbesondere CO2- Pellets, nicht notwendig, so dass Probleme in der Distribution der CO2-Teilchen überhaupt nicht auftreten können. Auch die mit der Lagerung der CO2-Teilchen verbundenen Schwierigkeiten, beispielsweise Verklumpungen, werden vermieden. Die Bevorratung von flüssigem CO2 ist wesentlich einfacher als die Handhabung von festen CO2-Teilchen.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Hierbei zeigt
  • die Figur eine Vorrichtung zur Erzeugung von CO2-Pellets für eine Druckstrahlanlage.
  • In der Figur ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von CO2-Pellets für eine Druckstrahlanlage dargestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt eine Schneekammer 5 mit einer Zuführung 1, über die CO2-Schnee in die Schneekammer 5 eingebracht werden kann. Der CO2-Schnee wird durch Entspannung von flüssigem CO2 gegen Atmosphärendruck erzeugt und anschließend von dem bei der Entspannung ebenfalls entstehenden CO2-Gas getrennt. Hierzu ist zwischen der Schneedüse, in der die Entspannung des flüssigen CO2 erfolgt, und dem Eintritt 1 in die Schneekammer 5 eine in der Zeichnung nicht dargestellte kreisförmig verlaufende Leitung vorgesehen, in der aufgrund der Fliehkraft eine Trennung von Gas und Schnee erzielt wird.
  • In der Schneekammer 5 liegt etwa Atmosphärendruck vor. Die Schneekammer 5 ist auf der einen Stirnseite durch den Verdichtungskolben 2 eines Verdichters und auf der gegenüberliegenden Seite durch eine Matrize 6 abgeschlossen. Die Matrize 6 weist mehrere nebeneinander angeordnete Öffnungen 10 auf, die jeweils einen sich konisch verjüngenden Querschnitt besitzen. Andere Ausführungen mit verjüngendem Querschnitt, wie zum Beispiel hyperbolisch verjüngende Querschnitte, sind ebenso günstig.
  • Die Schneekammer 5 ist in dem an die Matrize 6 angrenzenden Bereich 5a, 5b doppelkonisch ausgebildet. Von der Matrize 6 aus betrachtet nimmt der Querschnitt der Schneekammer 5 in dem Teilbereich 5a gleichmäßig zu und in dem Teilbereich 5b wieder ab.
  • Die Öffnungen 10 der Matrize 6 münden in eine Strömungskammer 11, die eine Eintrittsöffnung 7 für einen Druckluftstrom und eine Austrittsöffnung 9 für den mit CO2- Pellets beladenen Druckluftstrom aufweist. An der den Öffnungen 10 der Matrize 6 gegenüberliegenden Seite der Strömungskammer 11 ist ein keilförmiger Vorsprung 8 vorgesehen.
  • Die Erzeugung von CO2-Pellets erfolgt erfindungsgemäß folgendermaßen: Flüssiges CO2 wird in einer Schneedüse gegen Atmosphärendruck entspannt, wobei sich ein Gemisch aus CO2-Schnee und gasförmigem CO2 bildet. Das Gas-Schnee-Gemisch wird getrennt und der CO2-Schnee über die Zuführung 1 in die Schneekammer 5 eingebracht.
  • Der Verdichtungskolben 2 des Verdichters 3 wird in die in der Zeichnung gestrichelt dargestellte Position verschoben, wodurch der CO2-Schnee in den doppelkonischen Bereich 5a, 5b gedrückt und verdichtet wird. Nachdem der Verdichtungskolben 2 wieder in seine Ausgangsposition gebracht wurde, kann neuer CO2-Schnee in die Schneekammer 5 nachgefüllt und anschließend ebenfalls komprimiert werden.
  • Bei der Verdichtung des CO2-Schnees entsteht Trockeneis 4. Dieses wird im Verdichtungstakt des Verdichters durch die Öffnungen 10 der Matrize 6 gepresst, wodurch sich CO2-Stränge bilden. Durch die sich verengende Ausführung der Öffnungen 10 werden die CO2-Stränge weiter verdichtet. Die aus den Öffnungen 10 austretenden CO2-Stränge treffen auf den keilförmigen Vorsprung 8 auf und werden beim Auftreffen oder durch den durch die Strömungskammer 11 strömenden Druckgasstrom abgebrochen und mit dem Druckgasstrom mitgerissen. Die Frequenz des Verdichters beträgt 60 Verdichtungstakte pro Minute, d. h. es werden 60-mal pro Minute CO2-Stränge durch die Matrize 6 gepresst. In den Druckluftstrom werden somit quasi-kontinuierlich CO2-Pellets 13 eingespeist.
  • Durch die Strömungskammer 11 strömt ein Druckluftstrom, der einen Druck von 10 bar besitzt. Die erzeugten CO2-Pellets 13 werden von dem Druckluftstrom mitgerissen und über eine Schlauchleitung einer Strahldüse zugeführt, mittels der sie auf das zu reinigende Objekt gestrahlt werden.
  • Bei der Rückbewegung des Verdichtungskolbens 2 in seine Ausgangsposition, d. h. beim Entspannungstakt, bildet sich auf der der Matrize 6 abgewandten Seite des in dem doppelkonischen Bereich 5 befindlichen Trockeneisblocks 4 ein Leerraum 12, der mit der Zuführung 1 verbunden ist und deshalb etwa Atmosphärendruck aufweist.
  • Auf der anderen Seite des Trockeneisblocks 4 in der Strömungskammer 11 herrscht dagegen ein Druck von 10 bar. Aufgrund dieser Druckdifferenz wirkt auf den Trockeneisblock 4 eine Kraft, die ihn in Richtung des Verdichtungskolbens 2 drückt. Durch die konische Ausbildung der Schneekammer 5 in dem Bereich 5b wird der Trockeneisblock 4 an die Außenwände der Schneekammer 5 gepresst und bildet einen druckdichten Abschluss zwischen der Strömungskammer 11 und dem Leerraum 12. Im Leerraum 12 bleibt in dieser Phase daher Atmosphärendruck bestehen, so dass über die CO2-Zuführung 1 weiterer CO2-Schnee zugeführt werden kann. Eine separate Druckschleuse zwischen Schneekammer 5 und Strömungskammer 11 kann daher entfallen.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von festen CO2-Teilchen mit einer Schneekammer, die einen Einlass für CO2 und einen Verdichter zum Verdichten von in der Schneekammer befindlichem CO2-Schnee aufweist, und wobei die Schneekammer auf einer Seite durch eine mit Öffnungen versehene Matrize abgeschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem Teilbereich der Schneekammer (5b) der Querschnitt der Schneekammer (5) in Richtung der Matrize (6) zunimmt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneekammer (5) in Richtung der Matrize (6) konisch erweitert ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Teilbereich (5a) der Schneekammer (5) der Querschnitt der Schneekammer (5) in Richtung der Matrize (6) abnimmt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (10) der Matrize (6) in eine Strömungskammer (11) münden, die einen Ein- (7) und einen Auslass (9) für einen Druckgasstrom aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtrennvorrichtung (8) zum Kürzen von den aus der Matrize (6) austretenden CO2-Teilchen vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter einen in der Schneekammer (5) beweglichen Verdichtungskolben aufweist (2).
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter eine Verdichtungsfrequenz von mehr als 20 pro Minute, bevorzugt mehr als 40 pro Minute, besonders bevorzugt mehr als 60 pro Minute, aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Öffnungen (10) in der Matrize (6) verjüngen.
9. Verfahren zur Erzeugung von festen CO2-Teilchen, wobei flüssiges CO2 entspannt und ein Gemisch aus CO2-Schnee und gasförmigem CO2 erzeugt wird, der CO2- Schnee in einer Schneekammer zu einem Trockeneisblock verdichtet und durch eine mit Öffnungen versehene Matrize gepresst wird und die aus der Matrize austretenden CO2-Teilchen einem Druckgasstrom zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckgasstrom an der Matrize (6) vorbeigeführt wird und dass der Trockeneisblock (4) die Schneekammer (5) druckdicht von dem Druckgasstrom abschirmt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der CO2-Schnee mit einer Frequenz von mehr als 20 pro Minute, bevorzugt mehr als 40 pro Minute, besonders bevorzugt mehr als 60 pro Minute, durch die Matrize (6) gepresst wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass CO2-Pellets (13) von etwa Reiskorngröße erzeugt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das bei der Entspannung des flüssigen CO2 entstehende Gemisch aus CO2-Schnee und gasförmigem CO2 in CO2-Schnee und gasförmiges CO2 getrennt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Matrize (6) austretenden CO2-Teilchen (13) einem bei einem Druck zwischen 2 und 20 bar, vorzugsweise zwischen 5 und 10 bar, vorliegenden Luftstrom zugeführt werden.
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