DE3720992A1 - Verfahren und anlage zum bestrahlen von oberflaechen, insbesondere von kontaminierten oberflaechen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestrahlen von Werkstückoberflächen, insbesondere von kontaminierten Oberflächen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist bekannt, Stahlkomponenten in Kernkraftwerken mit ober­ flächenabtragendem Material zu bestrahlen, beispielsweise mit Sandstrahlen. Weitere Dekontaminationsverfahren sind das Beizen, Elektropolieren usw. Alle bekannten Verfahren haben den Nachteil, daß nicht nur das abgetragene, sondern auch das abtragende Material zum radioaktiven Abfall wird, das - ge­ gebenenfalls nach Aufbereitung - in ein Endlager gebracht werden muß.

Es wurde bereits vorgeschlagen, zu dekontaminierende Ober­ flächen mit CO₂-Trockeneispartikeln zu bestrahlen. Ein derartiges Verfahren hat den Vorteil, daß das Strahlgut sublimationsfähig ist und nur das abgetragene Material einer Endlagerung zugeführt werden muß. Die bisher vorge­ schlagenen Verfahren haben jedoch den Nachteil, daß die Härte der CO₂-Trockeneispartikel unzureichend ist. So ist beispielsweise aus der DE-OS 25 43 019 bekannt geworden, CO₂-Trockeneis in üblicher Weise herzustellen, beispiels­ weise mittels einer Expansionsdüse und das Trockeneis im Anschluß zu pelletieren. Die Trockeneispellets haben jedoch keine ausreichende Härte. Ferner besteht die Gefahr, daß sie bereits während des Bestrahlvorgangs teilweise subli­ mieren. Um die Pellets bildet sich ein Gasfilm, der den Aufpralleffekt abmildert. Die Sublimation führt im übrigen zu in der Oberfläche gerundeten Partikeln, die ohnehin einen geringeren Abtrageffekt haben. Schließlich besteht bei dem bekannten Verfahren die Gefahr, daß die Partikel aneinanderbacken.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren zum Bestrahlen von Werkstückoberflächen mit CO₂- Trockeneispartikeln zu schaffen, mit dem auf wirtschaft­ liche Weise harte CO₂-Partikel hergestellt werden können.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird flüssiges CO₂ durch Abkühlung mit einem flüssigen Gas, dessen Festpunkt erheb­ lich unter dem des CO₂ liegt, ohne Druckverminderung in der festen Phase verfestigt. Die Eispartikel werden während der Verfestigung oder danach gebildet. Erfindungswesentlich ist, daß das flüssige CO₂ mit sehr tiefen Temperaturen ge­ kühlt wird. Als Kühlmedium dient z.B. verflüssigte Luft oder Flüssigstickstoff. Das flüssige CO₂ wird unter den Siedepunkt des Kühlgases heruntergekühlt und dadurch weit unterkühlt. Da sich der Druck auf das CO₂ nicht verändert, dieser zumindest während der Verfestigung des CO₂ nicht ver­ mindert wird, erfolgt eine Kristallbildung im Trockeneis, die eine hohe Dichte und Härte aufweist.

Bei einer Unterkühlung von CO₂ auf eine Temperatur von z.B. -116°C erhöht sich die Dichte des Trockeneis um 34%. Das auf diese Weise gebildete kompakte Trockeneis wird im An­ schluß zerkleinert. Dies kann auf verschiedene Art und Weise geschehen, worauf weiter unten noch eingegangen wird.

Durch Änderung des Drucks auf das flüssige CO₂ läßt sich die Härte des Trockeneises ebenso variieren wie durch Ein­ stellung der Kühltemperatur. Durch Änderung dieser Para­ meter läßt sich daher eine Anpassung an die Empfindlichkeit der Werkstückoberfläche vornehmen.

Nach einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das CO₂ in Strangform verfestigt und anschließend verkleinert. Eine andere Möglichkeit besteht darin, CO₂ durch Tropfenbildung in tiefkaltem Kühlmedium zu CO₂-Par­ tikeln zu formen, beispielsweise in der Weise, das flüssi­ ge CO₂ in eine tiefgekühlte Gasatmosphäre einzusprühen. Ferner besteht die Möglichkeit, flüssiges CO₂ tropfenför­ mig in tiefkaltes flüssiges Medium einzutragen.

Bei der Abkühlung des CO₂ mit tiefkaltem Gas wird das Kühl­ medium erwärmt und wieder verdampft. Das verdampfte Kühl­ medium kann nach einer Ausgestaltung der Erfindung dazu verwendet werden, die Eispartikel zur Strahldüse zu för­ dern. Die Strahldüse benötigt ihrerseits einen Treibstrahl, mit dem die Partikel gegen die zu behandelnde Oberfläche des Werkstücks gerichtet werden. Hierzu sieht eine Ausge­ staltung der Erfindung vor, daß der Treibstrahl von einem tiefgekühlten Gas gebildet ist. Durch die Benutzung des verdampften Kühlmediums als Treibgas wird der Vorteil er­ halten, daß eine extrem wasserfreie Atmosphäre erzielt wird, die das Verklumpen der Partikel untereinander verhindert.

Ein Verklumpen würde ein freies Ausblasen der Partikel aus der Strahldüse erschweren.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Schaltplan für eine erste beispielhafte Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 2 zeigt schematisch einen Schaltplan für eine zweite beispielhafte Ausführungsform einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 3 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung von CO₂-Troc­ keneispartikeln.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform zur Herstel­ lung von CO₂-Trockeneispartikeln.

Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Vor­ richtung zur Herstellung von CO₂-Trockeneis­ partikeln.

Bevor auf die in den Zeichnungen dargestellten Einzel­ heiten näher eingegangen wird, sei vorangestellt, daß jedes der beschriebenen Merkmale für sich oder in Ver­ bindung mit Merkmalen der Ansprüche von erfindungswesent­ licher Bedeutung ist.

Die in Fig. 1 gezeigte Anlage enthält einen Anlagenteil zur Luftverflüssigung. Er besteht aus einem Kompressor 10, zwei Reinigungsabschnitten 11, einem Luftverflüssiger 12 sowie einem Vorratstank 13. Die in Fig. 1 gezeigte Anlage weist ferner einen Vorratstank 14 für flüssiges CO₂ auf, der über eine Leitung 15 mit einem Behälter 16 zur Bildung von CO₂-Trockeneispartikeln verbunden ist. In der Leitung 15 ist ein steuerbares Ventil 17 angeordnet. Der Behälter 16 bildet einen Wärmeaustauscher. Er ist über eine Leitung 18, in der ein steuerbares Ventil 19 angeordnet ist, mit dem Tank 13 für Flüssigluft verbunden. Der Wärmeaustauscher 16 ist ferner über eine Leitung 20 mit dem Treibstrahleingang eines Treibstrahlinjektors 21 verbunden. Der Eingang des Injektors 21 ist über einen Vorratsbehälter 22 mit dem Be­ hälter 16 verbunden. Der Ausgang des Injektors 21 ist mit dem Eingang eines weiteren Treibstrahlinjektors 23 verbun­ den, dessen Treibstrahleingang mit einer Leitung 24 verbun­ den ist, die über eine Verdampfungseinrichtung 25 und ein steuerbares Ventil 26 ebenfalls mit dem Tank 13 für Flüssig­ luft verbunden ist. In der Leitung 24 ist ferner ein steuer­ bares Ventil 27 angeordnet. Zwischen dem Ventil 27 und dem Treibstrahleingang des Injektors 23 ist eine weitere Lei­ tung 28 angeschlossen, in der ein steuerbares Ventil 29 sowie ein Kompressor 30 angeordnet sind. Der Saugeingang des Kompressors 30 ist mit einer Leitung 31 verbunden, die zum Eingang des Verflüssigers 12 führt. Er ist ferner mit einer Leitung 32 verbunden, die zum Ausgang des Verflüssi­ gers 12 führt. In den Leitungen 31 und 32 ist jeweils ein steuerbares Ventil 33 bzw. 34 angeordnet.

Die gezeigte Anlage arbeitet wie folgt. Der Verflüssigungs­ teil erzeugt verflüssigte Luft, die beispielsweise auf einer Temperatur von weniger als -170°C gehalten wird. Im Vorrats­ tank 14 befindet sich flüssiges CO₂, das sich z.B. auf einer Temperatur von -50°C befindet. Es wird bei geöffnetem Ven­ til 17 in den Behälter 16 gegeben. Der Behälter 16 wird bei geöffnetem Ventil 19 an den Vorratstank 13 für flüssige Luft angeschlossen, so daß das CO₂ auf eine sehr tiefe Tempera­ tur herabgekühlt wird. Es entsteht sehr dichtes und somit hartes Trockeneis, das auf eine noch zu beschreibende Weise zerkleinert wird und in den Vorratsbehälter 22 gelangt. Die flüssige Luft wird bei der Verfestigung des Trockeneises verdampft und zum Injektor 21 geleitet. Auf diese Weise wer­ den die CO₂-Trockeneispartikel mit Hilfe des Injektors 21 zum zweiten Injektor 23 gefördert. Mit Hilfe des Injektors 23 sollen die Trockeneispartikel unter hohem Druck gegen die Oberfläche eines Werkstücks gerichtet werden, das bei 35 angedeutet ist. Der hierfür verwendete Treibstrahl wird auf folgende Weise erzeugt. Der Kompressor 30 verdichtet die in der Reinigungsvorrichtung 11 gereinigte und getrock­ nete Luft auf einen Druck von bis zu 17 bar. Die trockene unter erhöhtem Druck stehende Luft wird in die Leitung 24 eingespeist, wenn das Ventil 29 geöffnet ist. In die Lei­ tung 24 wird außerdem flüssige Luft unter tiefer Tempera­ tur, jedoch relativ niedrigem Druck eingetragen, wenn das Ventil 26 geöffnet ist. Der Druck im Tank 13 beträgt bei­ spielsweise 2 bar. In der Verdampfungseinrichtung 25 wird die flüssige Luft auf eine Temperatur etwas oberhalb des Siedepunkts gebracht, mithin verdampft. Das in den Injek­ tor 23 eintretende Treibgas steht daher unter einem verhält­ nismäßig hohen Druck, ist tiefgekühlt und extrem trocken. Die in den Injektor 23 eintretenden Trockeneispartikel wer­ den daher erneut sehr stark unterkühlt und an einer Sublimation weitgehend gehindert.

Die in Fig. 2 gezeigte Anlage ist ähnlich aufgebaut wie die nach Fig. 1, so daß gleiche Teile mit gleichen Bezugs­ zeichen versehen sind. Statt eines Vorratstanks für Flüs­ sigluft ist ein Vorratstank 40 für Flüssigstickstoff vor­ gesehen, der über die Leitung 8 und das Ventil 19 mit dem Behälter 16 verbunden ist. Der Flüssigstickstoff dient mit­ hin als Kühlmedium. Der unter höherem Druck stehende Flüssig­ stickstoff dient außerdem als Treibgas. Eine Leitung 41, die über ein Ventil 42 zum Treibstrahleingang des Injek­ tors 23 führt, ist über eine Verdampfungseinrichtung 43 ebenfalls mit dem Stickstofftank 40 verbunden. Beim Be­ strahlen des Werkstücks 35 wird Flüssigstickstoff in der Vorrichtung 43 verdampft. Da er sich noch auf einer Niedrig­ temperatur befindet, werden die vom Injektor 23 ausgetrage­ nen Trockeneispartikel ebenfalls sehr stark gekühlt und an einem Verbacken oder an einer übermäßigen Sublimation ge­ hindert.

In Fig. 3 ist der Behälter 16 bzw. Wärmeaustauscher etwa detaillierter dargestellt. Er enthält eine große Anzahl von parallel beabstandeten Rohren 50 mit einem Innendurch­ messer von maximal 2 mm. Sie münden in einer oberen Wand 51, der eine Eingangskammer 52 nach unten abschließt. In die Eingangskammer 52 wird flüssiges CO₂ z.B. unter einem Druck von maximal 3,5 bar eingetragen. Es gelangt in die Rohre 50. Die unteren Enden der Rohre 50 münden in einer Wand 53, die nach oben den Vorratsraum 22 abschließt. Zwischen den Wän­ den 51 und 53 ist eine Kühlkammer 54 gebildet, in die am unteren Ende über die Leitung 18 z.B. verflüssigte Luft mit tiefer Temperatur eingeführt wird. Durch Umlenkung mit­ tels horizontaler Umlenkflächen 57 fließt die flüssige Luft in Mäanderform bis zur Endfläche 56 und verläßt die Kühl­ kammer 54 über die Leitung 18′. Zu diesem Zeitpunkt ist die Flüssigluft bereits verdampft und dient dann als Treib­ strahl für den Injektor 21. Das in die Rohre 50 eintre­ tende flüssige CO₂ wird bei seinem Weg nach unten durch die Flüssigluft allmählich verfestigt. Am unteren Ende tritt daher aus den Rohren 50 ein Strang tiefgekühltes hartes Trockeneis.

Unterhalb der Wand 53 ist ein Stab 57 mittels einer Wel­ le 58, die sich mittig durch den Behälter 16 hindurcher­ streckt, drehbar gelagert. Außerhalb des Behälters 16 treibt ein Elektromotor 59 die Welle 58 an. Bei Drehung des Stabes 57 werden die aus den Rohren 50 austretenden Enden der Trockeneisstränge abgeschlagen. In den Vorrats­ behälter 22 fallen mithin sehr kurze im Durchmesser bis zu 2 mm dicke CO₂-Trockeneispartikel, die in der schon beschrie­ benen Art und Weise vom Injektor 21 zum Treibstrahlinjektor 23 befördert werden.

Die gesamte in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung ist vakuum­ isoliert, was durch den Kasten 60 angedeutet ist.

Fig. 4 zeigt einen abgewandelten Behälter 16 a, der mit einem Doppelmantel 61 versehen ist. In den Zwischenraum der beiden Mäntel wird Flüssigluft oder Flüssigstick­ stoff über die Leitung 18 im unteren Bereich eingetragen und im oberen Bereich über die Leitung 18′ ausgetragen, wobei das Kühlmedium dampfförmig in die Leitung 18′ ein­ tritt. Im gesamten Raum 62 des Behälters 16 a wird mithin eine tiefgekühlte Atmosphäre erzeugt in die Flüssig-CO₂ mit Hilfe eines Düsenrohrs 63 im oberen Bereich des Behäl­ ters 16 a eingesprüht wird. Die CO₂-Tröpfchen werden fest beim Herunterfallen, so daß sich im unteren Bereich CO₂- Trockeneispartikel bilden, die in der schon beschriebenen Art und Weise vom Injektor 21 abgefördert werden.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ist der Behälter 16 b teilweise mit Flüssigluft oder Flüssigstickstoff 64 ge­ füllt. Die Zufuhr erfolgt über die Leitung 18. Oberhalb des Flüssigkeitsspiegels befindet sich dampfförmiges Kühl­ medium, das über die Leitung 18′ austritt und als Treib­ gas für den Injektor 21 dient. Eine Düsenrohranordnung 65 befindet sich unterhalb des Spiegels der Flüssigkeit 64. Über die Düsenanordnung 65 wird Flüssig-CO₂ in das flüs­ sige Kühlmedium eintropfen lassen. Da die Temperatur des Kühlmediums 64 sehr viel niedriger ist als die des Flüssig- CO₂, verfestigt sich letzteres in Form von Tröpfchen. Diese werden dann im unteren Bereich des Behälters 16 b aufgefan­ gen, gesammelt und über den Injektor 21 zur nicht gezeigten Treibstrahldüse gefördert.

Bei allen gezeigten Ausführungsformen kann die Kühlleistung zur Vereisung des CO₂ geregelt werden, um eine weitgehende Regelung der Dichte/Härte der Trockeneispartikel zu erhal­ ten und damit eine Veränderung des Strahlmittels auf die zu behandelnde Oberfläche. Schonende und aggressive Behand­ lung der Oberfläche sind daher möglich. Bei der Bearbeitung formgleicher Teile ist auch eine CO₂-Rückverflüssigung mög­ lich, die zu einer Senkung der Betriebskosten führen würde.

Das Kühl- und Treibmittel, wie Flüssigstickstoff oder Flüs­ sigluft, wird in einem Vorratstank am jeweiligen Einsatzort bereitgehalten. Die andere Alternative besteht z.B. in einem Luftverflüssiger, dessen Leistung an den Be­ darf des Kühl- und Treibmittelverbrauchs angepaßt ist. Beim Einsatz der beschriebenen Anlage als Dekontaminationsanlage in einem Kernkraftwerk ist beispielsweise ein Luftverflüssiger zweckmäßig, da die Strombedarfskosten im Kraftwerk leicht getragen werden können. Außerdem besteht in einem Kernkraft­ werk ständig Bedarf an tiefkaltem Gas, beispielsweise für Meßgeräte, so daß sich auch weitere Einsatzmöglichkeiten für einen Luftverflüssiger ergeben. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf das Dekontaminieren radio­ aktiver Oberflächen beschränkt, vielmehr können auch Ober­ flächen anderer Werkstücke nach dem CO₂-Strahlverfahren mit tief unterkühlten Trockeneispartikeln vergleichbar dem Sand­ strahlverfahren bearbeitet werden.

Claims (16)

1. Verfahren zum Bestrahlen von Werkstückoberflächen, insbesondere von kontaminierten Oberflächen, bei dem CO₂-Trockeneispartikel mit Hilfe eines Treibstrahls gegen die Oberfläche gerichtet werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß flüssiges CO₂ durch Abkühlung mit einem flüssigen Gas, dessen Festpunkt erheblich unter dem des CO₂ liegt, ohne Druckverminderung in der festen Phase verfestigt wird und die Eispartikel während der Verfestigung oder danach gebildet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der auf das flüssige CO₂ aufgebrachte Druck ver­ änderbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das CO₂ in Strangform verfestigt und an­ schließend zerkleinert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zerkleinerten Partikel mit Hilfe des gasför­ migen Kühlmittels zu einer Strahldüse befördert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß flüssiges CO₂ durch Tropfenbildung im tiefkalten Kühlmedium zu CO₂-Partikeln gebildet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium Flüssigluft oder Flüssigstickstoff ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibstrahl von einem tief­ gekühlten Gas gebildet ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Treibstrahl aus einem Gemisch aus trockenem Gas unter Druck und flüssigem Gas tiefer Temperatur gebildet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibgas aus der gleichen Quelle wie das Kühl­ medium gewonnen wird.

10. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einer Vorrichtung zur Abkühlung von CO₂ unter den Festpunkt und einer Vorrichtung zur Bildung von Partikeln aus dem CO₂-Trockeneis, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Rohren (50) mit relativ kleinem Innendurchmesser mit einem Ende mit der Quelle (14) für flüssiges CO₂ verbunden ist, die Rohre (50) durch mindestens eine Kühlstufe (54) ge­ führt sind, die mit flüssigem Kühlmedium gekühlt ist, und die anderen Enden der Rohre (50) in eine Kammer (22) münden, der ein Mittel (57) zum Zerkleinern der CO₂-Trockeneisstränge zugeordnet ist.

11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kammer ein Ultraschallschwinger zugeordnet ist.

12. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einer Vorrichtung zur Ab­ kühlung von CO₂ unter den Festpunkt und einer Vorrich­ tung zur Bildung von Partikeln aus dem CO₂-Trockeneis, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kühlkammer (16 a, 16 b) am oberen Ende mit der Quelle (14) für flüssiges CO₂ verbunden ist und mindestens eine Düse (63) auf­ weist, über die das flüssige CO₂ in die Kammer einge­ tragen wird und der Kammer eine Kühlvorrichtung (61) zugeordnet ist zur Kühlung der Kammer mit flüssigem Kühlmedium.

13. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einer Vorrichtung zur Ab­ kühlung von CO₂ unter den Festpunkt und einer Vorrich­ tung zur Bildung von Partikeln aus dem CO₂-Trockeneis, dadurch gekennzeichnet, daß ein Behälter (16 b) teilweise mit flüssigem Kühlmedium (64) gefüllt ist, mindestens eine mit der Quelle (14) für flüssiges CO₂ verbundene Düse (65) unterhalb des Spiegels des Kühlmediums (64) angeordnet ist.

14. Anlage nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ausgang der Kammer (22) bzw. des Behälters (16 a, 16 b) mit einem Injektor (21) verbunden ist, dessen Treibstrahleingang mit gasförmigem Kühl­ medium beaufschlagt ist.

15. Anlage, insbesondere nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahldüse (23) ein Treibstrahlinjektor ist und der Treibstrahleingang mit einer Quelle für gasförmiges Kühlmedium unter Druck und tieferer Temperatur verbunden ist.

16. Anlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Luftverflüssigungsanlage vorgesehen ist, in der Trockenluft unter Druck und flüssige Luft einer Misch­ vorrichtung zugeführt werden und die Mischvorrichtung mit dem Treibstrahleingang des Treibstrahlinjektors verbunden ist.