DE202015001801U1

DE202015001801U1 - Herstellungsvorrichtung zum Erzeugen von agglomerierten gefrorenen Gaspartikeln

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Publication number: DE202015001801U1
Application number: DE201520001801
Authority: DE
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Priority date: 2015-03-04
Filing date: 2015-03-04
Publication date: 2015-03-20
Anticipated expiration: 2025-03-05

Abstract

Herstellungsvorrichtung (11, 11') zum Erzeugen von gefrorenen Partikeln umfassend – einen Entspannungsraum (2) zum Erzeugen von agglomerierten gefrorenen Gaspartikeln aus einem verflüssigten Gas mit einem Einlass (4) zum Einführen eines verflüssigten Gases und einem Auslass (20) zum Herausführen eines Gaspartikelstroms aus Gas und agglomerierten gefrorenen Gaspartikeln aus dem Entspannungsraum (2) und – ein drehbares Agglomerationsrad (6, 6') zum Agglomerieren von Gaspartikeln, wobei das Agglomerationsrad (6, 6') dem Entspannungsraum (2) nachgeschaltet und derart angeordnet ist, dass die aus dem Auslass (20) des Entspannungsraums (2) herausgeführten agglomerierten gefrorenen Gaspartikel auf einer Oberfläche des Agglomerationsrads (6, 6') anhaften und verdichtet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Herstellungsvorrichtung zum Erzeugen von gefrorenen Partikeln bzw. Gaspartikeln, insbesondere CO₂ Partikeln. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Erzeugen von gefrorenen Partikeln für das CO₂-Trockeneisstrahlen mittels eines Gemischstrahls aus gefrorenen CO₂-Partikeln und einem Trägergas. Gefrorene Gaspartikel bzw. Gaspartikel sind Partikel eines Stoffes, der bei gewöhnlicher Umgebungstemperatur und gewöhnlichem Umgebungsdruck gasförmig ist. Gewöhnliche Umgebungstemperaturen liegen im Bereich zwischen –50°C und 65°C. Gewöhnliche Umgebungsdrücke liegen im Bereich zwischen 300 hPa und 1100 hPa. Die Gaspartikel entstehen durch Agglomeration von Gasteilchen und bilden temporär, d. h. bis zu einer Sublimation des Gaspartikels, einen Feststoff.
Gefrorene Partikel bzw. Gaspartikel, wie beispielsweise Trockeneispellets, können zum Beispiel zum Kühlen oder in konventionellen Trockeneisstrahlgeräten zum Trockeneisstrahlen verwendet werden. Die für das Strahlen mit Trockeneisstrahlgeräten verwendeten gefrorenen Partikel sind typischerweise gefrorene CO₂-Gaspartikel, d. h. feste Kohlenstoffdioxid-Partikel, die in Form von Pellets oder Blöcken hergestellt und anschließend in einer Strahlanlage dem Druckluftstrom zudosiert werden.
Das Strahlen mit festem Kohlenstoffdioxid konnte sich in den letzten Jahren in den unterschiedlichsten Anwendungsfeldern etablieren. Sobald sensible Oberflächen entschichtet bzw. gereinigt werden müssen oder eine Sekundärverunreinigung durch Strahlmittel unerwünscht ist, kann diese Technologie ihre Vorteile zur Geltung bringen. Die niedrige Härte von festem Kohlenstoffdioxid ermöglicht die beschädigungsfreie Bearbeitung eines großen Werkstoffspektrums und durch die Sublimation des Strahlmittels muss lediglich die entfernte, sortenreine Beschichtung oder Verschmutzung entsorgt werden.
Heute verfügbare Herstellungsvorrichtungen von gefrorenen CO₂-Gaspartikeln, sogenannte Pelletizer, arbeiten mit Matrizen, durch die Trockeneisschnee hindurchgepresst wird. Die Form und Dichte der mit den Pelletizern erzeugten Pellets wird durch die Marix bestimmt, durch die der Trockeneisschnee hindurchgepresst wird.
Ziel der Erfindung ist es eine verbesserte Herstellungsvorrichtung zum Erzeugen von gefrorenen Partikeln zur Verfügung zu stellen.
Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch eine Herstellungsvorrichtung die einen Entspannungsraum und ein drehbares Agglomerationsrad aufweist. Der Entspannungsraum dient zum Erzeugen von agglomerierten gefrorenen Gaspartikeln aus einem verflüssigten Gas. Der Entspannungsraum hat einen Einlass zum Einführen des verflüssigten Gases und einen Auslass zum Herausführen eines Gaspartikelstroms aus Gas und agglomerierten gefrorenen Gaspartikeln aus dem Entspannungsraum. Das drehbare Agglomerationsrad dient zum Agglomerieren von Gaspartikeln. Das Agglomerationsrad ist dem Entspannungsraum nachgeschaltet und derart angeordnet, dass die aus dem Auslass des Entspannungsraums herausgeführten agglomerierten gefrorenen Gaspartikel auf einer Oberfläche des Agglomerationsrads anhaften und verdichtet werden.
Während der Strömung des Gemisches aus gefrorenen Gaspartikeln und Gas durch den Entspannungsraum agglomerieren einzelne Partikel miteinander, so dass es stromabwärts im Entspannungs- oder auch Agglomerationsraum zu einer Vergrößerung der Partikel kommt. Der Durchmesser des Entspannungsraumes ist bevorzugt so gestaltet, dass sich der Querschnitt des Entspannungsraumes stromabwärts stetig vergrößert. Diese Querschnittserweiterung des Entspannungsraumes in Richtung des Auslasses des Entspannungsraums sorgt für eine kontinuierliche Strömung und somit für einen sicheren Abtransport der entstehenden gefrorenen Gaspartikel. Bei einem gleichbleibenden Querschnitt kommt es unmittelbar nach der Eindüsung des verflüssigten Gases aufgrund von strömungstechnischen Toträumen zu Anlagerungen und Ansammlungen von festen Gaspartikeln in den Toträumen. Diese Anlagerungen lösen sich in unregelmäßigen Abständen, so dass es zu einer inhomogenen und pulsierenden Gaspartikelerzeugung kommen kann.
Der Entspannungsraum zur Erzeugung der agglomerierten gefrorenen Gaspartikel kann zusammen mit dem Agglomerationsrad oder mehreren Agglomerationsrädern in einem Erzeugungsgehäuse angeordnet sein. In diesem Fall dient das Erzeugungsgehäuse zum Erzeugen und Verdichten der agglomerierten gefrorenen Gaspartikel. Alternativ können das Agglomerationsrad oder mehrere Agglomerationsräder auch dem Erzeugungsgehäuse nachgeordnet angeordnet sein, so dass sich das Agglomerationsrad oder die Agglomerationsräder außerhalb des Erzeugungsgehäuses befinden. Die gefrorenen Gaspartikel können in eine dem Agglomerationsrad nachgeschaltet angeordnete Partikelaufnahmevorrichtung unter Wirkung der Schwerkraft fallen, gesaugt werden oder mit Druck in Richtung der Partikelaufnahmevorrichtung beschleunigt werden.
Ein Aspekt der Herstellungsvorrichtung ist, das größere und/oder festere gefrorene Gaspartikel erzeugt werden können. Weiterhin ist das Erzeugen von gefrorenen Gaspartikeln mit der Herstellungsvorrichtung leicht skalierbar. Die Herstellungsvorrichtung kann des Weiteren aus einfachen mechanischen Komponenten hergestellt werden. Ein Aspekt einer Ausgestaltung der Herstellungsvorrichtung ist, dass die Form und Dichte der Pellets im laufenden Betrieb verändert werden kann. Auch die Härte und Dichte der gefrorenen Gaspartikel kann verändert werden. Für Gaspartikel, insbesondere Pellets, ist die Realisierung unterschiedlicher Pelletgrößen und Pelletformen mit Hilfe von Agglomerationsrädern mit strukturierten Oberflächen möglich.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Herstellungsvorrichtung weist die Herstellungsvorrichtung eine Partikelaufnahmevorrichtung auf. Die Partikelaufnahmevorrichtung ist bevorzugt dem Agglomerationsrad nachgeschaltet angeordnet und ausgebildet gefrorene Gaspartikel aufzunehmen. Die Partikelaufnahmevorrichtung kann beispielsweise ein Behältnis zum Sammeln von gefrorenen Partikeln oder eine Zuführung zu einem Schlauch sein. Der Schlau kann die gefrorenen Gaspartikel zu einem Behältnis zum Sammeln von gefrorenen Partikeln führen oder beispielsweise zu einer Partikelstrahlvorrichtung zum Trockeneisstrahlen führen.
In einer Ausgestaltung der Herstellungsvorrichtung ist das Agglomerationsrad am oder in unmittelbarer Nähe zum distalen Ende des Entspannungsraums und zwischen dem Entspannungsraum und der Partikelaufnahmevorrichtung angeordnet.
Das Agglomerationsrad ist besonders bevorzugt derart zwischen dem Entspannungsraum und der Partikelaufnahmevorrichtung angeordnet, dass die Gaspartikel auf der Oberfläche des Agglomerationsrads durch Drehen des Agglomerationsrads in die Partikelaufnahmevorrichtung übertragen werden.
In einer Ausgestaltung der Herstellungsvorrichtung weist der Einlass des Entspannungsraums eine Dosiervorrichtung auf. Die Dosiervorrichtung kann ausgebildet sein eine Zufuhr von verflüssigtem Gas und/oder Fluid einzustellen. Hierfür ist die Dosiervorrichtung beispielsweise als Entspannungsdüse, Nadeldüse oder andere Dosiervorrichtung ausgebildet. Die Dosiervorrichtung kann einen variabel einstellbaren Innendurchmesser zum Einstellen der Zufuhr von verflüssigtem Gas und/oder Fluid aufweisen. Die Dosiervorrichtung kann verschiedene Einstellung aufweisen, zum Beispiel offen, geschlossen oder teilweise geöffnet, so dass eine Dosierung der Menge an zugeführtem verflüssigtem Gas oder Fluid möglich ist. Die Dosiervorrichtung kann einen Innendurchmesser aufweisen, der signifikant geringer als ein Innendurchmesser des Entspannungsraums ist, so dass das aus der Dosiervorrichtung austretende verflüssigte Gas schlagartig expandieren kann, wodurch sich ein Gemisch aus gefrorenen Gaspartikeln und Gas bilden kann.
Ein Aspekt einer Ausgestaltung der Herstellungsvorrichtung mit einer Dosierungsvorrichtung ist, dass die Form und Dichte der Pellets im laufenden Betrieb verändert werden kann. Auch die Härte und Dichte der gefrorenen Gaspartikel kann verändert werden.
In einer Ausgestaltung der Herstellungsvorrichtung weist die Herstellungsvorrichtung mehrere Entspannungsräume auf, die jeweils eine Dosiervorrichtung aufweisen. Eine langsame Strömungsgeschwindigkeit im Entspannungsraum wirkt sich vorteilhaft auf die Menge der entstehenden agglomerierten gefrorenen Gaspartikel aus. Eine Erhöhung der zugeführten Menge an verflüssigtem Gas bei gleichbleibender Größe des Entspannungsraums würde zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und zu einer Zerstörung eines höheren Anteils an Gaspartikeln führen. Über die Dosiervorrichtungen kann eine optimale Menge an zugeführtem verflüssigtem Gas und/oder Fluid eingestellt werden, die es ermöglicht eine maximale Ausbeute an agglomerierten gefrorenen Gaspartikeln zu erzeugen. Insbesondere können über die Dosiervorrichtungen in Abhängigkeit der zugeführten Menge an verflüssigtem Gas eingestellt werden, wie viele der Entspannungsräume mit dem verflüssigtem Gas versorgt werden, um so eine optimale Strömungsgeschwindigkeit einzustellen, die es ermöglicht eine maximalen Ausbeute an erzeugten agglomerierten gefrorenen Gaspartikeln zu erzeugen.
In einer Ausgestaltung der Herstellungsvorrichtung weist der Entspannungsraum einen sich entlang seiner größten Ausdehnung vergrößernden Querschnitt auf. Der Entspannungsraum kann eine Längsachse aufweisen. Die Längsachse ist entlang der größten Ausdehnung des Entspannungsraums angeordnet, die wenigstens doppelt so groß wie in eine andere Richtung des Entspannungsraums ist. In einer Ausgestaltung ist der Entspannungsraum als eine zylindrische Röhre ausgestaltet. Im Falle einer zylindrischen Form des Entspannungsraums entspricht die Zylinderachse der Längsachse. Der Entspannungsraum kann auch beispielsweise quaderförmig oder zylinderringförmig ausgestaltet sein oder eine andere geometrische Form aufweisen. Der Entspannungsraum kann einen sich entlang seiner Längsachse vergrößernden Querschnitt aufweisen, beispielsweise indem der Entspannungsraum als kegelförmige oder kegelstumpfförmige Röhre ausgestaltet ist. Der Entspannungsraum kann auch pyramidenförmig oder pyramidenstumpfförmig sein oder eine andere geometrische Form aufweisen, die einen sich entlang seiner Längsachse vergrößernden Querschnitt aufweist.
Das Agglomerationsrad kann beispielsweise eine drehbare Walze, eine drehbare Scheibe oder ein drehbares Zahnrad sein, die dafür ausgebildet sind gefrorene Gaspartikel auf ihrer Oberfläche bzw. Mantelfläche zu agglomerieren. Im Falle der drehbaren Scheibe können sich agglomerierte gefrorene Gaspartikel auf der Scheibenoberfläche sammeln, die durch Drehung der Scheibe in die Partikelaufnahmevorrichtung überführt werden können. Im Falle des Zahnrads können sich gefrorene Gaspartikel zwischen den Zahnflanken sammeln. In diesem Fall kann durch die Wahl des Verzahnungsmaßes (Modul) das Volumen und/oder die Größe der agglomerierten gefrorenen Gaspartikel festgelegt werden. Das Agglomerationsrad ist dazu ausgebildet gefrorene Gaspartikel auf seiner Oberfläche aufzunehmen, zu agglomerieren und zu verdichten. Das Agglomerationsrad kann mit einem Antrieb, beispielsweise einem elektrischen Antrieb verbunden sein, der dazu ausgebildet ist eine Bewegung des Agglomerationsrads, beispielsweise eine Drehung, zu ermöglichen. Die Bewegung und/oder Drehung des Agglomerationsrads kann auch durch den Aufprall von Gaspartikeln auf die Oberfläche des Agglomerationsrads bewirkt werden oder durch den an der Oberfläche des Agglomerationsrads entlangströmenden Gaspartikelstrom aus Gas und Gaspartikeln. In einer Ausgestaltung weist die Herstellungsvorrichtung zwei ineinander kämmende Zahnräder auf, die ausgebildet sind die gefrorenen agglomerierten Gaspartikel zwischen den Zahnrädern zu pressen und somit zusätzlich zu verdichten. Die ineinander kämmenden Zahnräder können einen variablen Abstand voneinander aufweisen. Über den Abstand kann die Dichte der agglomerierten gefrorenen Gaspartikel eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Agglomerationsrad einen oder mehrere umlaufende Fördergurte und/oder Förderriemen aufweisen oder von diesen gebildet werden.
In einer Ausgestaltung weist das Agglomerationsrad eine strukturierte Oberfläche auf. Die strukturierte Oberfläche ist ausgebildet das Agglomerieren der gefrorenen Gaspartikel zu fördern. Die strukturierte Oberfläche kann beispielsweise Vertiefungen aufweisen, in denen sich Gaspartikel sammeln können. Die Vertiefungen können regelmäßig oder unregelmäßig auf der Oberfläche angeordnet sein. In einer Ausgestaltung sind die Vertiefungen zylinderförmig. Die Vertiefungen können auch quaderförmig, wellenförmig oder dergleichen sein oder eine andere funktionale Form haben. In den Vertiefungen können sich die am Auslass bzw. am distalen Ende des Entspannungsraums austretenden gefrorenen Gaspartikel sammeln und zu größeren Partikeln agglomerieren, die die zylindrische oder andere funktionale Form der Vertiefungen in der Oberfläche des Agglomerationsrads annehmen. Damit die in den Vertiefungen agglomerierten Gaspartikel in die Partikelaufnahmevorrichtung abgegeben werden können, kann ein Boden der Vertiefungen beweglich ausgeführt sein. Der Boden ist in diesem Fall derart ausgeführt, dass durch Drehung des Agglomerationsrads vom distalen Ende des Entspannungsraums zur Partikelaufnahmevorrichtung das Volumen der Vertiefungen verringert wird. Die in den Vertiefungen befindlichen agglomerierten gefrorenen Gaspartikel können so aus den Vertiefungen herausgeschoben und in die Partikelaufnahmevorrichtung herausgeführt werden.
Für Gaspartikel, insbesondere Pellets, ist die Realisierung unterschiedlicher Pelletgrößen und Pelletformen mit Hilfe von Agglomerationsrädern mit strukturierten Oberflächen möglich. Die Agglomerationsräder können austauschbar sein, so dass eine gewünschte Pelletform und/oder Pelletgröße mit Hilfe der strukturierten Oberfläche der Agglomerationsräder einstellbar ist.
Die Herstellungsvorrichtung kann ein in unmittelbarer Nähe zu dem Agglomerationsrad angeordnetes Partikelentfernungselement zum Ablösen von Gaspartikeln vom Agglomerationsrad aufweisen. Das Partikelentfernungselement kann auch an dem Agglomerationsrad angeordnet sein. Das Partikelentfernungselement kann beispielsweise als Schaber ausgebildet sein, der gefrorene Gaspartikel während einer Drehung des Agglomerationsrads abtrennt, indem er die Gaspartikel mechanisch von der Oberfläche des Agglomerationsrads abschabt. Das Partikelentfernungselement kann auch an der Partikelaufnahmevorrichtung angeordnet sein und die gefrorenen Partikel von dem Agglomerationsrad oder den Agglomerationsrädern entfernen, um diese der Partikelaufnahmevorrichtung zuzuführen.
In einer Ausgestaltung weist die Herstellungsvorrichtung wenigstens zwei Agglomerationsräder auf. Die Agglomerationsräder können benachbart zueinander angeordnet sein. Eines oder mehrere Agglomerationsräder können mit einem Antrieb, beispielsweise einem Druckantrieb, verbunden sein. Der Antrieb kann die Entfernung bzw. den Abstand und/oder einen Anpressdruck zwischen den Agglomerationsrädern einstellen. Dies fördert das Agglomerieren und Verdichten der auf den Oberflächen der Agglomerationsräder anhaftenden Gaspartikel. Der Anpressdruck kann auch über die Entfernung der Agglomerationsräder zueinander eingestellt werden.
In einer Ausgestaltung bewirkt eine dem Agglomerationsrad gegenüberliegende Wand oder Anpressrolle einen Anpressdruck, um die Agglomeration und Verdichtung der Gaspartikel zu fördern. Die Anpressrolle kann eine glatte oder strukturierte Oberfläche aufweisen. Die strukturierte Oberfläche kann ausgebildet sein die Form der gefrorenen Gaspartikel zu definieren oder zu beeinflussen.
Ein Aspekt der Ausgestaltung mit Agglomerationsrädern, die mit Hilfe eines Anpressdrucks die Gaspartikel zusätzlich verdichten, ist, dass festere gefrorene Gaspartikel hergestellt werden können.
Das Agglomerationsrad kann auch von einer Rückwand und einer auf der Rückwand angeordneten Lochscheibe gebildet sein. Agglomerierte gefrorene Gaspartikel haften in diesem Fall in einem Loch der Lochscheibe an der Rückwand an. Durch Drehen der Lochscheibe werden gefrorene Gaspartikel auf der Rückwand mechanisch in Drehrichtung verschoben und können so von dem Entspannungsraum in die Partikelaufnahmevorrichtung übertragen werden, während sie vom Agglomerationsrad agglomeriert und verdichtet werden. Auch ein Heraussaugen der Gaspartikel aus den Löchern ist denkbar, beispielsweise mit Hilfe einer von einer Venturi-Düse oder dergleichen erzeugten Saugkraft.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen von gefrorenen Partikeln, insbesondere CO₂ Partikeln. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Einleitens eines verflüssigten Gases in einen Entspannungsraum zum Erzeugen eines Gaspartikelstroms aus Gas und agglomerierten gefrorenen Gaspartikeln. Des Weiteren umfasst das Verfahren einen Schritt des Zuführens des Gaspartikelstroms aus dem Entspannungsraum zu einem drehbaren Agglomerationsrad derart, dass die agglomerierten gefrorenen Gaspartikel auf der Oberfläche des Agglomerationsrads anhaften und verdichtet werden. Weiterhin umfasst das Verfahren ein Zuführen der agglomerierten gefrorenen Gaspartikel zu einer Partikelaufnahmevorrichtung durch Drehen des Agglomerationsrads, so dass die Gaspartikel auf der Oberfläche des Agglomerationsrads in die Partikelaufnahmevorrichtung übertragen werden.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können agglomerierte gefrorene Gaspartikel mit Hilfe einer Saugkraft von der Oberfläche des Agglomerationsrads abgetrennt werden.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Verwendung der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung um wenigstens einen Teil der Verfahrensschritte, bevorzugt alle Verfahrensschritte, durchzuführen.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der Herstellungsvorrichtung näher erläutert.
Die Herstellungsvorrichtung hat im Folgenden einen Grundkörper, in dem der Entspannungsraum und ein beweglicher Körper, beispielsweise das drehbare Agglomerationsrad, angeordnet sind. Eine Partikelaufnahmevorrichtung ist dem Grundkörper nachgeschaltet angeordnet, um gefrorene Gaspartikel aufzunehmen.
In einem Übergangsbereich zwischen der Zuführung für verflüssigtes Gas und dem Entspannungsraum befindet sich eine Dosiervorrichtung, die den Einlass des Entspannungsraums darstellt und vorzugsweise als Entspannungs- oder Nadeldüse mit bevorzugt einem variabel einstellbaren Innendurchmesser ausgebildet ist. In Strömungsrichtung hinter der Dosiervorrichtung weitet sich der Strömungsdurchmesser von dem Innendurchmesser der Dosiervorrichtung sprunghaft auf den Innendurchmesser des Entspannungsraumes. Dadurch entspannt sich das verflüssigte Gas im Entspannungsraum, wodurch sich ein Gemisch aus gefrorenen Gaspartikeln und Gas bildet.
Während der Strömung des Gemisches aus gefrorenen Gaspartikeln und Gas durch den Entspannungsraum agglomerieren einzelne Partikel miteinander, sodass es stromabwärts im Entspannungs- oder auch Agglomerationsraum zu einer Vergrößerung der Partikel kommt. Am Auslass des Entspannungsraumes der bewegliche Körper, beispielsweise in Form des Agglomerationsrads, positioniert, an dessen Oberfläche die agglomerierten gefrorenen Gaspartikel anhaften und sich durch den Aufprall verdichten. Das Agglomerationsrad kann beispielsweise als drehbare Walze ausgeführt werden, so dass die agglomerierten gefrorenen Gaspartikel an seiner Umfangsfläche anhaften.
Die Relativbewegung des beweglichen Körpers, beispielsweise die Drehung des Agglomerationsrads, erfolgt vom Auslass des Entspannungsraumes hin zur Partikelaufnahmevorrichtung. Durch die Schwerkraft werden die gefrorenen Partikel von der Oberfläche des beweglichen Körpers bzw. Agglomerationsrads abgelöst. Das Ablösen der Partikel kann durch einen Schaber unterstützt werden.
Zur Unterstützung der Anhaftung und Verdichtung der gefrorenen Gaspartikel auf der Oberfläche des beweglichen Körpers kann die Oberfläche des beweglichen Körpers mit einer Textur bzw. Struktur beispielsweise in Form regelmäßiger oder unregelmäßiger Vertiefungen versehen werden.
Zur Erhöhung der Verdichtung der an der Oberfläche des beweglichen Körpers anhaftenden gefrorenen Gaspartikel kann zusätzlich eine Anpressrolle optional mit einstellbarem Anpressdruck oder einstellbarem Abstand vorgesehen werden. Die Anpressrolle kann an Ihrer Oberfläche glatt ausgeführt sein oder eine Oberflächenstruktur- bzw. Textur aufweisen, durch die die Form der nachfolgend abgelösten gefrorenen Gaspartikel beeinflusst werden kann.
Eine alternative Form des beweglichen Körpers weist an seiner Oberfläche Vertiefungen auf, die beispielsweise zylindrisch sein können. In diesen Vertiefungen sammeln sich die am Auslass des Entspannungsraumes austretenden gefrorenen Gaspartikeln und agglomerieren zu größeren Partikeln, die die Form der Vertiefungen in der Oberfläche des beweglichen Körpers annehmen. Damit die in den Vertiefungen agglomerierten Partikel in die Partikelaufnahmevorrichtung abgegeben werden können, kann der Boden der Vertiefungen beweglich ausgeführt werden. Somit verringert sich das Volumen der Vertiefungen während der Bewegung des beweglichen Körpers vom Auslass des Entspannungsraumes zur Partikelaufnahmevorrichtung. Die in den Vertiefungen befindlichen gefrorenen Gaspartikel werden so zwangsweise in die Partikelaufnahmevorrichtung herausgeführt.
Eine weitere mögliche Form des beweglichen Körpers ist eine Lochscheibe. Am Auslass des Entspannungsraumes sammeln sich die gefrorenen Gaspartikel in den Löchern der Lochscheibe. Durch Drehen der Lochscheibe werden die mit gefrorenen Gaspartikeln gefüllten Löcher in die Partikelaufnahmevorrichtung bewegt. Die gefrorenen Gaspartikel werden durch die Schwerkraft aus den Löchern herausgeführt oder durch ein Ausblasgas aus den Löchern herausgeblasen.
Weitere mögliche Ausführungsformen des beweglichen Körpers, beispielsweise in Form des drehbaren Agglomerationsrads:

– Zahnrad: Die gefrorenen Partikel sammeln sich zwischen den Zahnflanken. Durch die Wahl des Verzahnungsmaßes (Modul) kann die Größe der agglomerierten gefrorenen Gaspartikel festgelegt werden.
– Zwei ineinander kämmende Zahnräder: Die gefrorenen agglomerierten Gaspartikel werden zwischen den Zahnrädern gepresst und somit zusätzlich verdichtet.
– Zwei ineinander kämmende Zahnräder mit variablem Abstand. Hierdurch kann die Dichte der gefrorenen agglomerierten Gaspartikel eingestellt werden.
– Umlaufender Fördergurt bzw. Förderriemen.
– Drehbare Scheibe: Die gefrorenen Partikel sammeln sich auf der Scheibenoberfläche. Durch Drehen der Scheibe werden die gefrorenen Gaspartikel in die Partikelaufnahmevorrichtung übertragen.

Der Entspannungsraum kann verschiedene Ausgestaltungen, beispielsweise Formen, haben. Eine langsame Strömungsgeschwindigkeit im Entspannungsraum wirkt sich vorteilhaft auf die Menge der entstehenden agglomerierten gefrorenen Gaspartikel aus. Eine Erhöhung der zugeführten Menge an verflüssigtem Gas bei gleichbleibender Größe des Entspannungsraums führt zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und zu einer Zerstörung eines höheren Anteils der Gaspartikel. Für einen geometrisch festgelegten Entspannungsraum existiert ein Optimum hinsichtlich der zugeführten Menge von verflüssigtem Gas und der daraus resultierenden Menge von agglomerierten gefrorenen Partikeln. Die Herstellungsvorrichtung kann mehrere Entspannungsräume aufweisen, die bevorzugt parallel zueinander angeordnet sind. Zur Mengenänderung der hinzu geführten Menge an verflüssigtem Gas können Zuführungen des verflüssigten Gases, beispielsweise Dosiervorrichtungen, zu jedem Entspannungsraum geöffnet oder geschlossen werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Herstellungsvorrichtung zum Erzeugen von gefrorenen Gaspartikeln;
2a zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Herstellungsvorrichtung zum Erzeugen von gefrorenen Gaspartikeln;
2b zeigt das zweite Ausführungsbeispiel einer Herstellungsvorrichtung in einer zweiten Darstellung;
3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Erzeugen von gefrorenen Partikeln;
4 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Erzeugen von gefrorenen Partikeln.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Herstellungsvorrichtung 11. Die Herstellungsvorrichtung 11 besitzt einen Entspannungsraum 2 und ein Agglomerationsrad 6. Der Entspannungsraum 2 ist an seinem einen Längsende, dem proximalen Ende 15, durch einen Einlass 4 für das verflüssigte Gas begrenzt. Der Übergang von Einlass 4 zum Entspannungsraum 2 wird durch eine Dosiervorrichtung 5 gebildet. Die Dosiervorrichtung 5 ist in der dargestellten Ausführungsvariante als Lochblende ausgebildet und besitzt vorzugsweise einen Durchmesser zwischen 0,1 und 2 mm. Alternativ kann die Dosiervorrichtung 5 beispielsweise auch als Nadelventil ausgeführt werden, wodurch eine Einstellung des Volumenstromes des verflüssigten Gases ermöglicht wird.
Infolge des Durchmessersprungs direkt hinter der Dosiervorrichtung 5 verdampft das verflüssigte Gas beim Eintritt in den Entspannungsraum 2 unter der Erzeugung von Kälte schlagartig, und ein Teil des verflüssigten Gases gefriert zu kleinen Partikeln. Es entsteht eine Strömung eines Gemisches aus Gas und gefrorenen Gaspartikeln in Richtung des Agglomerationsrads 6, das in der dargestellten Ausführungsform als eine um ihre Achse rotierende zylindrische Scheibe 6 ausgeführt ist. Die gefrorenen Gaspartikel lagern sich an der Mantelfläche der zylindrischen Scheibe 6 an. Durch die Drehung der zylindrischen Scheibe 6 werden die gefrorenen Gaspartikel an der Mantelfläche der zylindrischen Scheibe 6 vom Auslass 20 bzw. dem distalen Ende 16 des Entspannungsraumes 2 in Richtung einer Partikelaufnahmevorrichtung 18 transportiert. Hinter dem Agglomerationsrad 6 werden die gefrorenen Gaspartikel von der Mantelfläche der zylindrischen Scheibe 6 durch die Einwirkung der Schwerkraft abgelöst. Dies kann durch den Einsatz eines Schabers 9 unterstützt werden.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Herstellungsvorrichtung 11' zum Erzeugen von gefrorenen Partikeln in zwei Darstellungen 2a und 2b gezeigt. Die Herstellungsvorrichtung 11 dient dazu agglomerierte Gaspartikel zu erzeugen und zu verdichten.
An den Einlässen 4 wird ein verflüssigtes Gas, beispielsweise CO₂-Gas mit Hilfe von Dosiervorrichtungen 5 in die Entspannungsräume 2 eingeführt (s. 2b). Die Dosiervorrichtungen 5 können jeweils individuell eingestellt werden, so dass ein Teil der Dosiervorrichtungen 5 beispielsweise geöffnet und ein Teil geschlossen sein kann. In diesem Ausführungsbeispiel münden alle Einlässe 4 in dasselbe Reservoir mit verflüssigtem Gas. Alternativ kann auch jeder Einlass 4 an ein eigenes Reservoir mit verflüssigtem Gas angeschlossen sein (nicht gezeigt).
Die Entspannungsräume 2 weisen einen sich vom proximalen Ende 15 zum distalen Ende 16 des Entspannungsraums 2 vergrößernden Querschnitt des Entspannungsraums 2 auf. Die Querschnittserweiterung des Entspannungsraumes 2 in Richtung des distalen Endes 16 sorgt für eine kontinuierliche Strömung und somit für einen sicheren Abtransport der entstehenden agglomerierten gefrorenen Gaspartikel.
Das distale Ende 16 des Entspannungsraums 2 wird von einem Auslass 20 gebildet, an den sich zwei sich gegenüberliegende Agglomerationsräder in Form von zwei zylindrischen Scheiben 6, 6' anschließen. Ein Abstand 17 der zylindrischen Scheiben 6, 6' kann mit Hilfe eines Andruckantriebs 14 eingestellt werden. Des Weiteren kann auch ein Anpressdruck zwischen den zylindrischen Scheiben 6, 6' über den Andruckantrieb 14 eingestellt werden. Die aus den Entspannungsräumen 2 austretenden agglomerierten gefrorenen Gaspartikel treffen auf die zylindrischen Scheiben 6, 6' und sammeln sich auf deren Mantelflächen. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel treffen die Gaspartikel hauptsächlich auf die zylindrische Scheibe 6, die als Agglomerationsscheibe dient. Die zylindrische Scheibe 6 dient in diesem Ausführungsbeispiel hauptsächlich als Verdichtungsscheibe, indem sie während der Drehung der Scheiben 6 und 6' mit Druck auf die an der Mantelfläche der Agglomerationsscheibe 6' anhaftenden Gaspartikel drückt und diese weiter verdichtet. Alternativ können Gaspartikel auch auf beiden Scheiben 6 und 6' anhaften und beide Scheiben können sowohl als Agglomerations- und Verdichtungsscheiben dienen. Während einer Drehung werden dann die an den Scheiben 6 und 6' anhaftenden Gaspartikel zwischen den zylindrischen Scheiben 6 und 6' gepresst und hierdurch zusätzlich verdichtet. Durch eine Drehung der zylindrischen Scheiben 6, 6' können die gefrorenen Gaspartikel einer Partikelaufnahmevorrichtung 18 zugeführt werden. An der Partikelaufnahmevorrichtung 18 kann ein Schaber angeordnet sein, der dazu dient Gaspartikel von den zylindrischen Scheiben 6 und 6' abzutrennen (nicht gezeigt). Unter Wirkung der Schwerkraft fällt ein Großteil der Gaspartikel von den zylindrischen Scheiben 6, 6 in die Partikelaufnahmevorrichtung 18. Die Gaspartikel können auch mit Hilfe von einer Saugkraft in die Partikelaufnahmevorrichtung 18 gesaugt werden (nicht gezeigt).
Eine Ausführungsform bei der eine Saugkraft verwendet wird, um die gefrorenen Gaspartikel von den zylindrischen Scheiben 6, 6' zu entfernen und der Partikelaufnahmevorrichtung 18 zuzuführen ist besonders nützlich, wenn die Gaspartikel nicht alleine durch die Schwerkraft in die Partikelaufnahmevorrichtung 18 fallen. Dies kann beispielsweise vorkommen, wenn die zylindrischen Scheiben 6, 6' eine strukturierte Oberfläche aufweisen. Die strukturierte Oberfläche ist in solch einer Ausführungsform ausgebildet das Agglomerieren der gefrorenen Gaspartikel zu fördern. Die strukturierte Oberfläche kann beispielsweise Vertiefungen aufweisen, in denen sich Gaspartikel sammeln können. Die Vertiefungen können regelmäßig oder unregelmäßig auf der Oberfläche angeordnet sein. In einer Ausführungsform sind die Vertiefungen zylinderförmig. Die Vertiefungen können auch quaderförmig, wellenförmig oder dergleichen sein oder eine andere funktionale Form haben. In den Vertiefungen können sich die am Auslass 20 bzw. am distalen Ende 16 des Entspannungsraums 2 austretenden gefrorenen Gaspartikel sammeln und zu größeren Partikeln agglomerieren, die die zylindrische oder andere funktionale Form der Vertiefungen in der Oberfläche des Agglomerationsrads 6, 6' annehmen.
Damit die in den Vertiefungen agglomerierten Gaspartikel in die Partikelaufnahmevorrichtung 18 abgegeben werden können, kann zusätzlich oder alternativ auch ein Boden der Vertiefungen beweglich ausgeführt sein (nicht gezeigt). Der Boden ist in diesem Fall derart ausgeführt, dass durch Drehung des Agglomerationsrads 6, 6' vom distalen Ende 16 des Entspannungsraums 2 zur Partikelaufnahmevorrichtung 18 das Volumen der Vertiefungen verringert wird. Die in den Vertiefungen befindlichen agglomerierten gefrorenen Gaspartikel können so aus den Vertiefungen herausgeschoben und in die Partikelaufnahmevorrichtung 18 herausgeführt werden. In diesem Fall kann die Schwerkraft ausreichen, um die gefrorenen Gaspartikel in die Partikelaufnahmevorrichtung 18 zu führen.
Durch die strukturierte Oberfläche können für gefrorene Gaspartikel und insbesondere für Pellets, unterschiedliche Pelletgrößen und Pelletformen realisiert werden. Die Agglomerationsräder 6, 6' können austauschbar sein, so dass eine gewünschte Pelletform und/oder Pelletgröße mit Hilfe von jeweiligen strukturierten Oberflächen der Agglomerationsräder 6, 6' einstellbar ist.
In 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Erzeugen von gefrorenen Partikeln, insbesondere CO₂ Partikeln dargestellt. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte:
100 Einleiten eines verflüssigten Gases in einen Entspannungsraum 2 zum Erzeugen eines Gaspartikelstroms aus Gas und agglomerierten gefrorenen Gaspartikeln,
120 Zuführen des Gaspartikelstroms aus dem Entspannungsraum 2 zu einem drehbaren Agglomerationsrad derart, dass die agglomerierten gefrorenen Gaspartikel auf der Oberfläche des Agglomerationsrads anhaften und verdichtet werden,
140 Zuführen der agglomerierten gefrorenen Gaspartikel in eine Partikelaufnahmevorrichtung 18 durch Drehen des Agglomerationsrads, so dass die Gaspartikel an der Oberfläche des Agglomerationsrads in die Partikelaufnahmevorrichtung 18 übertragen werden.
Die agglomerierten gefrorenen Gaspartikel an der Oberfläche des Agglomerationsrads 6 können bei dem Verfahren mit Hilfe von einer Saugkraft von der Oberfläche abgetrennt werden. Die in 1 und 2 dargestellten Herstellungsvorrichtungen 11 und 11' können mit dem in 3 dargestellten Verfahren verwendet werden.
Die in den 1 und 2 dargestellten Herstellungsvorrichtungen 11 und 11' können auch verwendet werden, um ein in 4 dargestelltes Verfahren zum Erzeugen von gefrorenen Partikeln, insbesondere CO₂ Partikeln, mit den Verfahrensschritten:
200 Einleiten eines verflüssigten Gases in einen Entspannungsraum zum Erzeugen eines Stromes aus Gas und agglomerierten gefrorenen Partikeln aus dem verflüssigten Gas und
220 Zuführen des Stromes agglomerierter Partikel auf einen beweglichen Körper, an dessen Oberfläche die agglomerierten Partikel anhaften und sich verdichten und
240 Relativbewegung des Körpers, so dass die agglomerierten Partikel an seiner Oberfläche in eine Partikelaufnahmevorrichtungtransportiertwerden durchzuführen.
Bezugszeichenliste

2: Entspannungsraum
4: Einlass
5: Dosiervorrichtung
6: zylindrische Scheibe
9: Schaber
11: Herstellungsvorrichtung
14: Druckantrieb
15: proximales Ende des Entspannungsraums
16: distales Ende des Entspannungsraums
17: Abstand zwischen den zylindrischen Scheiben
18: Partikelaufnahmevorrichtung
20: Auslass

Claims

Herstellungsvorrichtung (11, 11') zum Erzeugen von gefrorenen Partikeln umfassend – einen Entspannungsraum (2) zum Erzeugen von agglomerierten gefrorenen Gaspartikeln aus einem verflüssigten Gas mit einem Einlass (4) zum Einführen eines verflüssigten Gases und einem Auslass (20) zum Herausführen eines Gaspartikelstroms aus Gas und agglomerierten gefrorenen Gaspartikeln aus dem Entspannungsraum (2) und – ein drehbares Agglomerationsrad (6, 6') zum Agglomerieren von Gaspartikeln, wobei das Agglomerationsrad (6, 6') dem Entspannungsraum (2) nachgeschaltet und derart angeordnet ist, dass die aus dem Auslass (20) des Entspannungsraums (2) herausgeführten agglomerierten gefrorenen Gaspartikel auf einer Oberfläche des Agglomerationsrads (6, 6') anhaften und verdichtet werden.
Herstellungsvorrichtung (11, 11') gemäß Anspruch 1, wobei die Herstellungsvorrichtung (11, 11') eine Partikelaufnahmevorrichtung (18) aufweist, die dem Agglomerationsrad (6, 6') nachgeschaltet angeordnet ist und ausgebildet ist gefrorene Gaspartikel aufzunehmen.
Herstellungsvorrichtung (11, 11') gemäß Anspruch 2, wobei das Agglomerationsrad (6, 6') derart zwischen dem Entspannungsraum (2) und der Partikelaufnahmevorrichtung (18) angeordnet ist, dass die Gaspartikel auf der Oberfläche des Agglomerationsrads (6, 6') durch Drehen des Agglomerationsrads (6, 6') in die Partikelaufnahmevorrichtung (18) übertragen werden.
Herstellungsvorrichtung (11, 11') gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Einlass (4) des Entspannungsraums (2) eine Dosiervorrichtung (5) aufweist, die ausgebildet ist eine Zufuhr von verflüssigtem Gas einzustellen.
Herstellungsvorrichtung (11, 11') gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Entspannungsraum (2) einen sich entlang seiner größten Ausdehnung vergrößernden Querschnitt aufweist.
Herstellungsvorrichtung (11, 11') gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Agglomerationsrad (6, 6') eine drehbare Walze, eine drehbare Scheibe oder ein drehbares Zahnrad ist, das ausgebildet ist gefrorene Gaspartikel auf einer Oberfläche zu agglomerieren.
Herstellungsvorrichtung (11, 11') gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Herstellungsvorrichtung (11, 11') ein in unmittelbarer Nähe zu und/oder an dem Agglomerationsrad (6) angeordnetes Partikelentfernungselement (9) zum Ablösen von Gaspartikeln vom Agglomerationsrad (6) aufweist.
Herstellungsvorrichtung (11, 11') gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Agglomerationsrad (6) eine strukturierte Oberfläche aufweist, die ausgebildet ist das Agglomerieren der Gaspartikel zu fördern.
Herstellungsvorrichtung (11, 11') gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Herstellungsvorrichtung (11, 11') wenigstens zwei Agglomerationsräder (6, 6') aufweist, von denen wenigstens eines ausgebildet ist einen Anpressdruck zwischen beiden Agglomerationsrädern (6, 6') zu erzeugen, um das Agglomerieren der Gaspartikel zu fördern.
Herstellungsvorrichtung (11, 11') gemäß Anspruch 9, wobei der Anpressdruck über einen Abstand der Agglomerationsräder (6, 6') und/oder einen Druckantrieb (14) einstellbar ist.