DE20310119U1

DE20310119U1 - Strahlvorrichtung

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Publication number: DE20310119U1
Application number: DE20310119U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-07-01
Filing date: 2003-07-01
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2013-07-02

Abstract

Strahlvorrichtung zur Reinigung von Oberflächen, mit einer Quelle (40) für flüssiges CO₂, einer an die Quelle angeschlossenen Entspannnungsdüse (32') zur Erzeugung von Trockenschnee und einer an eine Druckquelle angschlossenen zu einer Engstelle (18) konvergierenden und von der Engstelle divergierenden Strahldüse (14) zur Beschleunigung des Trockenschnees, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannnungsdüse (32') stromaufwärts der Engstelle (18) der Strahldüse (14) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strahlvorrichtung zur Reinigung von Oberflächen, mit einer Quelle für flüssiges CO₂, einer an die Quelle angeschlossenen Entspannnungsdüse zur Erzeugung von Trockenschnee und einer an eine Druckquelle angeschlossenen zu einer Engstelle konvergierenden und von der Engstelle divergierenden Strahldüse zur Beschleunigung des Trockenschnees.
Aus WO 00/74 897 A1 ist eine Strahlvorrichtung dieser An bekannt, bei der flüssiges CO₂ über eine Kapillare zugeführt wird, die in einer sich konisch erweiternden Entspannnungsdüse mündet. Diese Düse ist von einer ringförmigen Laval-Düse umgeben, in der ein unter Druck zugeführtes Trägergas, z.B. Druckluft, auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird. Die Mündungen der Entspannnungsdüse und der Laval-Düse liegen auf gleicher Höhe, so daß zwei konzentrische Strahlen abgegeben werden, nämlich ein innerer Strahl, der vorwiegend aus Trockenschnee besteht, und ein Mantelstrahl, durch den der Trockenschnee außerhalb der Düse beschleunigt und abgeschirmt werden soll.
Diese bekannte Strahlvorrichtung wird in der Mikrosystem- bzw. Feinwerktechnik eingesetzt, wo es darum geht, relativ kleine Oberflächen abzustrahlen und dabei höchste Reinheitsgrade zu erzielen. Die erreichbare Strahlleistung und die Abrasivwirkung des Trockenschnees sind relativ gering.
Für die Reinigung von größeren, stark verunreinigten Oberflächen, beispielsweise der Innenflächen von Wärmeaustauscherrohren in Kraftwerken, werden deshalb bisher Strahlanlagen eingesetzt, bei denen Trockeneis oder Trockenschnee in fester Form in geeigneten Kühlbehältern bereitgestellt und in eine Druckluftströmung eindosiert wird. Die Druckluft und der als Strahlmittel dienende Trockenschnee werden dann gemeinsam über einen Druckschlauch abgeben, der die Strahlanlage mit der Strahldüse verbindet. Strahlvorrichtungen dieser An erfordern jedoch einen hohen Installationsaufwand und entsprechend hohe Anlagekosten sowie einen hohen Aufwand für die Bevorratung des Trockenschnees.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Strahlvorrichtung zu schaffen, mit der bei geringem Aufwand hohe Strahlleistungen und eine hohe Reinigungswirkung erzielbar sind.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Entspannnungsdüse stromaufwärts der Engstelle der Strahldüse angeordnet ist.
Überraschend hat sich gezeigt, daß durch durch diese Maßnahme die Entstehung großer Mengen an Trockenschnee mit hoher Reinigungswirksamkeit erreicht werden kann. Dabei lassen sich insbesondere auch hohe Volumenleistungen von 1 bis 10 m³/min oder mehr erzielen, so daß auch größere oder stark verunreinigte Oberflächen effizient gereinigt werden können. Da der als Strahlmittel dienende Trockenschnee erst unmittelbar bei Anwendung des Strahlverfahrens aus flüssigem CO₂ erzeugt wird, lassen sich die bisher erforderlichen hohen Kosten für die Strahlanlagen und die für die Bereitstellung des Trockenschnees einsparen.
Da in der Strahlleitung stromaufwärts der Engstelle der Stahldüse ein relativ niedriger dynamischer Druck herrscht, wird die Entspannung des flüssigen CO₂ und damit die Bildung relativ großer Mengen an Trockenschnee unterstützt. Auf dem Weg zur Strahldüse kann der Trockenschnee zudem zu größeren Partikeln aglomerieren, die aufgrund ihrer höheren Masse auch eine höhere Reinigungswirkung erzielen. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht weiterhin darin, daß der Trockenschnee und das Trägergas gemeinsam die Engstelle der Strahldüse passieren, so daß die Partikel aus festem CO₂ sehr wirksam auf hohe Geschwindigkeiten, insbesondere auch auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt werden können.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einer Ausführungsform mündet die Entspannungsdüse in einen Entspannungsraum mit größerem Querschnitt, über die das Trägergas, z.B. Druckluft, zugeführt wird. Der Entspannungsraum hat vorzugsweise eine Länge von mindestens 15 mm und mündet vorzugsweise seitlich in die zur Strahldüse führende Strahlleitung,
In einer anderen Ausführungsform ist die Entspannungsdüse koaxial in der Strahlleitung angeordnet, so daß sie direkt von dem Trägergas umströmt wird. Die Entspannungsdüse kann dabei im konvergenten Abschnitt der Strahldüse oder vorzugsweise in einem gewissen Abstand stromaufwärts der Strahldüse an geordnet sein.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Schnitt durch eine Strahlvorrichtung;
2 einen Schnitt durch eine Strahlvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform; und
3 bis 5 Schnitte und eine Frontansicht einer Düse der Strahlvorrichtung.
In 1 wird eine Strahlleitung 10 durch ein gerades zylindrisches Rohr gebildet, das einen Innendurchmesser DL von 39 mm hat. Ein Einlaß 12 der Strahlleitung ist mit einem nicht gezeigten Kompressor verbunden, über den Druckluft mit einem Druck von beispielsweise 1,1 MPa zugeführt wird. An die Mündung der Strahlleitung 10 ist eine als Laval-Düse ausgebildete Strahldüse 14 angekuppelt. Diese Strahldüse hat einen konvergierenden Abschnitt 16, dessen Innendurchmesser von 32 mm am stromaufwärtigen Ende auf 12,5 mm an einer Engstelle 18 abnimmt, und einen divergenten Abschnitt 20, dessen Innendurchmesser von der Engstelle 18 aus auf 19 mm am stromabwärtigen Ende zunimmt. Die Gesamtlänge LL der Strahldüse beträgt 224 mm. Die Länge LC des konvergierenden Abschnitts 16 beträgt 83 mm.
Eine Verbindungsmuffe 22 zwischen der Strahlleitung 10 und der Strahldüse 14 hat einen Innendurchmesser von etwa 32 mm, entsprechend dem Einlaßdurchmesser der Strahldüse.
Unmittelbar stromaufwärts der Verbindungsmuffe 22 weist das die Strahlleitung 10 bildende Rohr einen Abzweig 24 auf, der unter einem Winkel von 45° in Strömungsrichtung in die Strahlleitung 10 mündet. Der Abstand D zwischen dem Abzweig 24 und der Einlaßöffnung der Strahldüse 14 beträgt etwa 66 mm. Stromaufwärts des Abzweigs 24 ist in der Strahlleitung 10 ein Drosselventil 26, beispielsweise ein Kugelhahn, angeordnet.
In den Abzweig 24 ist ein rohrförmiges Übergangsstück 28 eingeschraubt, des sen freies Ende über ein Reduzierstück 30 mit einer flexiblen Zuleitung 32 für flüssiges CO₂ verbunden ist.
Die Zuleitung 32 ist an eine nicht gezeigte Druckflasche angeschlossen, die einen Vorrat an CO₂ unter einem solchen Druck hält, daß das CO₂ bei Umgebungstemperatur flüssig bleibt. Dieser Druck beträgt beispielsweise bei einer Umgebungstemperatur von 20° C etwa 5,5 MPa. Die Zuleitung 32 hat einen Innendurchmesser von 3 mm. Das flüssige CO₂ strömt aufgrund des Druckgefälles, ohne das irgendwelche Fördereinrichtungen erforderlich sind, über die Zuleitung 32 aus. Der Durchsatz wird dabei durch den geringen Querschnitt der Zuleitung 32 begrenzt.
Das Übergangsstück 28 bildet einen Entspannungsraum 34, der zwei zylindrische Abschnitte 36, 38 mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist. Der stromaufwärtige Abschnitt 36, der sich unmittelbar an die Zuleitung 32 anschließt, hat einen Innendurchmesser DC1 von 20 mm und eine Länge L1 von 85 mm. Über einen kurzen konischen Abschnitt schließt sich der stromabwärtige Abschnitt 38 mit einem Innendurchmesser DC2 von 32 mm und einer Länge L2 von 105 mm an. Die Gesamtlänge LE des Entspannungsraumes 34 beträgt somit 190 mm. Der Abzweig 24 hat einen Innendurchmesser DC3 von 39 mm, übereinstimmend mit dem Innendurchmesser DL der Strahlleitung 10.
Die Mündung der Zuleitung 32 in den Entspannungsraum 34 bildet eine Entspannungsdüse 32'. An dieser Entspannungsdüse kann sich das flüssige CO₂ schlagartig entspannen. Dabei wird ein Teil des CO₂ verdampft. Durch die Verdampfung und durch die Druckentlastung kommt es zu einer Abkühlung, so daß ein anderer Teil des flüssigen CO₂, der beim Eintritt in den Entspannungsraum fein zerstäubt wird, zu feinen Trockenschnee-Partikeln kondensiert. Da die Querschnittsfläche des stromaufwärtigen Abschnitts 36 des Entspannungsraumes 34 etwa das 44-fache der Querschnittsfläche der Zuleitung 32 beträgt, durchströmt das Gemisch aus gasförmigem CO₂ und Trockenschnee den stromaufwärtigen Abschnitt 36 des Entspannungsraumes mit mäßiger Geschwindigkeit. Bei Eintritt in den stromabwärtigen Abschnitt 38 wird die Geschwindigkeit weiter reduziert. Auf ihrem Weg durch den verhältnismäßig langen Entspannungsraum 34 können sich die feinen Trockeneis-Partikel zu größeren Partikeln zusammenballen (Agglomeration). Da bei Eintritt in den stromabwärtigen Abschnitt 38 die Strömungsgeschwindigkeit abnimmt und entsprechend der dyna mische Druck zunimmt, können die Partikel zum Teil auch durch Rekondensation von gasförmigem CO₂ wachsen. Bei Eintritt in dem nochmals erweiterten Abzweig 24 haben sich daher relativ große Trockenschnee-Partikel gebildet, die nun durch die Sogwirkung der durch die Strahlleitung 10 strömenden Druckluft abgesaugt und zur Strahldüse 14 mitgenommen werden. In der Strahldüse 14 werden die Druckluft und der Trockenschnee auf hohe Geschwindigkeit, eventuell Überschallgeschwindigkeit beschleunigt, so daß ein Strahl mit hoher Reinigungswirkung aus der Strahldüse austritt. Wenn dieser Strahl auf eine zu reinigende Oberfläche gerichtet wird, wirkt der Trockenschnee als Strahlmittel, mit dem die Oberfläche effizient gereinigt werden kann.
Das beschriebene Ausführungsbeispiel läßt sich in vielfältiger Weise abwandeln.
Beispielsweise ist es möglich, anstelle einer geraden Strahlleitung 10 eine abgewinkelte Strahlleitung zu verwenden, so daß der Entspannungsraum und der stromaufwärtige Abschnitt der Strahlleitung symmetrisch in den stromabwärtigen Abschnitt der Strahlleitung münden.
In einer anderen Ausführungsform kann zwischen der Stelle, an der der Entspannungsraum in die Strahlleitung mündet, und der Strahldüse 14 noch ein längerer Schlauchabschnitt vorgesehen sein.
Um größere Mengen an Trockenschnee zu erzeugen, ist es möglich, mehrere Zuleitungen 32 über jeweilige Entspannungsräume in die Strahlleitung 10 münden zu lassen. Die Einmündungen der Entspannungsräume in die Strahlleitung können dabei auf dem Umfang der Strahlleitung verteilt und/oder in Axialrichtung versetzt sein. Weiterhin ist es möglich, mehrere Zuleitungen 32 in einen gemeinsamen Entspannungsraum münden zu lassen.
2 zeigt eine Anordnung, bei der die Strahlleitung 10 einen Ringraum bildet, der die Entspannungsdüse 32' koaxial aufnimmt. In diesem Beispiel wird die Entspannungsdüse 32' einfach durch das abgewinkelte Ende der Zuleitung 32 gebildet, die in die Strahlleitung 10 eintritt. Wahlweise kann die Entspannungsdüse jedoch durch zusätzliche Einbauten in der Strahlleitung fixiert sein. Gegebenenfalls kann auch der Abstand der Entspannungsdüse 32' zur Strahldüse 14 einstellbar sein. Dabei ist es auch möglich, daß die Entspannungsdüse innerhalb des konvergierenden Abschnittes 16 der Strahldüse liegt. Die Strahl düse 14 ist auch hier vorzugsweise als Laval-Düse ausgebildet.
2 zeigt weiterhin eine Gasfläche 40, aus der das flüssige CO₂ mit geeignetem Druck über die Zuleitung 32 zugeführt wird, sowie ein in der Zuleitung 32 angeordnetes Dosierventil 42. Mit Hilfe des Dosierventils 42 und des Drosselventils 26 läßt sich das Verhältnis zwischen CO₂ und Druckluft nach Bedarf einstellen.
3 bis 5 zeigen eine modifizierte Ausführungsform der Strahldüse 14, die die Funktion einer Laval-Düse hat, jedoch als Flachdüse ausgebildet ist und es gestattet, einen fächerförmig aufgeweiteten Strahl zu erzeugen, der über seine Breite ein relativ gleichmäßiges Dichte- und Geschwindigkeitsprofil aufweist. Diese Strahldüse weist stromaufwärts einen zylindrischen Abschnitt 14a mit der Länge La und dem Innendurchmesser Da auf, an den sich ein Übergangsstück 14b mit der Länge Lb anschließ3t. Stromabwärts folgt ein abgeflachter Abschnitt 14c mit der Länge Lc, der einen rechteckigen Innenquerschnitt hat. Das Übergangsstück 14b dient zur Anpassung des zylindrischen Innenquerschnitts des Abschnitts 14a an den rechteckigen Innenquerschnitt des Abschnitts 14c. Dieser rechteckige Innenquerschnitt hat eine im wesentlichen konstante Breite W und eine Höhe, die von einem Wert H1 an der Engstelle, am Ende des Übergangsstücks 14b, auf einen etwas größeren Wert H2 an der Mündung zunimmt. Auf diese Weise wird die Querschnittserweiterung entsprechend dem Laval-Prinzip erreicht, obgleich die Breite W praktisch konstant ist. Allenfalls im Mündungsbereich kann die Breite W geringfügig zunehmen.
In einer praktischen Ausführungsform hat die Strahldüse 14 nach 3 bis 5 die folgenden Abmessungen:

La = 55 mm LB = 55 mm Lc = 130 mm Da = 27 mm W = 45 mm H1 = 3,0 – 4,0 mm H2 = 7,5 mm

In einer anderen Ausführungsform gilt für die Abmessungen:

La = 34 mm Lb = 76 mm Lc = 130 mm Da = 12 mm W = 16 mm H1 = 2,25 – 2,60 mm H2 = 3,75 mm.

In dem abgeflachten Abschnitt 14c weist die Innenfläche Unebenheiten auf, die im gezeigten Beispiel durch Längsrippen 14d gebildet werden. Solche Unebenheiten führen insbesondere im Überschallbetrieb zu einer deutlichen Reduzierung der Lärmbelastung.

Claims

Strahlvorrichtung zur Reinigung von Oberflächen, mit einer Quelle (40) für flüssiges CO₂, einer an die Quelle angeschlossenen Entspannnungsdüse (32') zur Erzeugung von Trockenschnee und einer an eine Druckquelle angschlossenen zu einer Engstelle (18) konvergierenden und von der Engstelle divergierenden Strahldüse (14) zur Beschleunigung des Trockenschnees, dadurch gekenn zeichnet, daß die Entspannnungsdüse (32') stromaufwärts der Engstelle (18) der Strahldüse (14) angeordnet ist.
Strahlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahldüse (32') in dem konvergierenden Abschnitt (16) der Strahldüse (14) angeordnet ist.
Strahlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsdüse (32') in Abstand stromaufwärts der Strahldüse (14) angeordnet ist.
Strahlvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsdüse (32) koaxial in einer Strahlleitung (10) angeordnet ist, die die Druckquelle mit der Strahldüse (14) verbindet.
Strahlvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannnungsdüse (32') in einen Entspannungsraum (34) mündet und für das Volumen V des Entspannungraumes und die Innenquerschnittsfläche A Entspannnungsdüse (32') die Beziehung V^1/3/A^1/2 > 10 erfüllt ist.
Strahlvorrichtung nach der Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Entspannungsraum (34) von einer Seite her in einen geraden Abschnitt der Strahlleitung (10) mündet.
Strahlvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des Entspannungsraumes (34) das 40– bis 150-fache der Querschnittsfläche A der Entspannnungsdüse (32') beträgt.
Strahlvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Entspannungsraums (34) von der Entspannnungsdüse (32') zur Strahlleitung (10) zunimmt.
Strahlvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Entspannungsraums (34) mindestens 15 mm, vorzugsweise 100 bis 250 mm beträgt.
Strahlvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenquerschnitt eines stromabwärtigen Abschnitts (38) des Entspannungsraumes (34) annähernd mit dem Innenquerschnitt der Strahlleitung (10) übereinstimmt.
Strahlvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der stromabwärtige Abschnitt (38) eine Länge von mindestens 100 mm hat.
Strahlvorrichtung nach nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Entspannungsraum (34) unter einem Winkel von etwa 45° in Strömungsrichtung in die Stahlleitung (10) mündet.
Strahlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahldüse (14) eine Laval-Düse ist.
Strahlvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der Strahldüse (14) an ihrer Einlaßöffnung etwa mit dem Innendurchmesser der Strahlleitung (10) übereinstimmt und daß der Innendurchmesser der Engstelle (18) der Strahldüse etwa 35 bis 45 % des Durchmessers der Einlaßöffnung beträgt.
Strahlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Strahlleitung (10) stromaufwärts der Entspannungsdüse (32') ein Drosselventil (26) angeordnet ist.
Strahlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Quelle (40) für flüssiges CO₂ und der Entspannungsdüse (32') ein Dosierventil (42) angeordnet ist.
Strahlvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahldüse (14) eine Flachdüse ist, mit einem zylindrischen Abschnitt (14a) , einem Übergangsstück (14b) und einem abgeflachten Abschnitt (14c), der einen annähernd rechteckigen Innenquerschnitt aufweist.
Strahldüse nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenquerschnitt des abgeflachten Abschnitts (14c) auf seiner gesamten Länge eine annähernd konstante Breite (W) aufweist, während seine Höhe (H 1, H2) zur Mündung hin zunimmt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahldüse (14) an ihrer Innenfläche Unebenheiten (14d) aufweist.