EP3446787A1 - Method and device for generating a sequence of beam sections of a discontinuous, modified liquid jet - Google Patents
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- EP3446787A1 EP3446787A1 EP18189240.7A EP18189240A EP3446787A1 EP 3446787 A1 EP3446787 A1 EP 3446787A1 EP 18189240 A EP18189240 A EP 18189240A EP 3446787 A1 EP3446787 A1 EP 3446787A1
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- B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
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- B26F3/004—Severing by means other than cutting; Apparatus therefor by means of a fluid jet
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- E—FIXED CONSTRUCTIONS
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- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
- E21B7/18—Drilling by liquid or gas jets, with or without entrained pellets
Definitions
- the invention relates to a method and a device for generating a sequence of beam portions of a discontinuous, modified liquid jet, wherein a single beam portion of the liquid jet undergoes a modification such that it has a shorter length in the direction of movement before it hits a target surface than after it exits the nozzle.
- the invention further relates to uses of the liquid jet.
- Such a modified beam has an increased mechanical effectiveness, which can be used, for example, for cutting or ablation.
- the prior art often provides for the generation of a pulsating fluid jet from a pressurized fluid.
- the adjustment device can be used to set a Helmholtz number, which is determined from the quotient of the path length for the fluid pressure waves between the exit opening of the chamber and the nozzle mouth of the nozzle in the line system and the wavelength of the fluid pressure waves in the line system.
- the fluid jet formed serves to remove material, wherein the erosion effect of a treated surface is to be improved. This includes cleaning, cutting and drilling.
- the proposed solution is based on the idea that by injecting vibrational energy in the form of pressure waves into a fluid jet, in particular into a fluid jet with a pressure of 20 bar, 30 bar or more, fluid pulses can be generated in which the vibration energy is converted into kinetic energy.
- the momentum transferable to the fluid by generating pressure waves can be maximized by ensuring that the reflections of pressure waves in a conduit system for delivering pressurized fluid to a nozzle do not cancel the generated pressure waves but amplify them due to interference.
- the ratio of the effective path length, which cover the pressure waves in the conduit system from the outlet opening of the chamber to the nozzle mouth of a nozzle, and the wavelength of the fluid pressure waves, d. H. a Helmholtz number characterizing the fluid pressure waves in the conduit system can be adjusted.
- the pressure pump is designed so that in chamber a fluid pressure in the range between 40 bar and 150 bar, preferably a fluid pressure in the order of 100 bar, generated and can be adjusted.
- a fluid pressure in the range between 40 bar and 150 bar preferably a fluid pressure in the order of 100 bar
- the fluid pressure in the chamber By adjusting the fluid pressure in the chamber, the frequency v, and the amplitude of the pressure waves, the size and spacing of liquid droplets in fluid jets exiting the nozzle can be varied.
- the publication EP 2 145 689 A1 deals with a method and a device for the preparation of surfaces with a water jet, which is forced pulsating under high frequency.
- a high-frequency signal generator is used, which transmits the high frequency to a vibrator with a microtip.
- the vibrating microtip creates a vibrating jet of water that emanates from a nozzle orifice.
- the pulsating jet of water with the included mini-water balls has an improved erosion, z. B. for cutting or cleaning.
- the apparatus for producing a high-pressure fluid jet for treating a selected surface comprises a nozzle and a supply line having a first conduit opening in fluid communication with the nozzle opening, the supply conduit further comprising a second conduit opening spaced from the first conduit opening for aligning Fluid jet serves.
- the nozzle and / or the supply line has at least one opening upstream of the second line opening, wherein the opening is provided so that it can be connected to the source of the second fluid.
- the opening is a first opening, wherein the nozzle and / or the supply line further comprises a second opening, spaced from the first opening.
- the first and second openings are positioned at different locations along the axis extending between the first conduit opening and the second.
- a length of the duct between the first and second openings is at least about ten times greater than the average diameter of the second duct opening.
- the controlled introduction of a second fluid comprises periodically interrupting a flow of the second fluid in the direction of the fluid jet to pulsate the fluid jet. Further, selecting at least the length of the conduit and / or the pressure of the second fluid and / or the flow rate of the second fluid comprises causing the high pressure fluid jet to resonate as the high pressure fluid jet passes through the conduit.
- a hydraulic chamber with outlet nozzle known.
- a hydraulic chamber containing a nozzle capable of providing a very high instantaneous pulsed dynamic beam in a device which generates a shock wave in a relatively incompressible fluid is obtained when the effective location of the shock wave is such that the shock wave
- the pressure wave generated thereby is applied to build up quickly and uniformly in a direction along the center line of the nozzle.
- a suitable configuration for such a chamber is a parabolic cissoid in which the location of the shock wave is effectively at the focal point of the parabolic portion of such a chamber, thereby converting the resulting spherical waves into additive planar waves toward the centerline of the nozzle.
- the shock wave used in the device can be made by mechanical or electrical energy or a combination thereof.
- the publication DE 334 35 55 C1 describes a method and apparatus for accelerating fluid volumes. Individual quantities of fluid are accelerated to high speeds by exposure to the energy stored by compressing the fluid. The liquid is pressed to make the compression in a pressure vessel already filled with liquid. Due to the energy stored in the compressed liquid, a certain amount of liquid is expelled from the pressure vessel into a collection nozzle when a valve is opened rapidly. The valve is opened when an opening force generated by the compressed liquid exceeds a closing bias. Repeatedly introducing high-pressure fluid into the pressure vessel will take the valve automatically work cycles to produce a series of pulsating liquid jets. The rapid opening of the valve is assisted by a lug on the valve element that slides sealingly within the passage of the accumulation nozzle to block the release of the liquid until the valve element accelerates sufficiently to reach the required opening speed when the lug closes Nozzle passage releases.
- Paragraph [0005] specifies that pulsating jet devices preferably use a "collection" nozzle, such as those disclosed in the specification US 33 43 794 described device in which an amount of liquid containing energy is supplied to the inlet of a dry nozzle. The foremost portion of the amount of liquid is greatly accelerated as it flows along the narrowing channel of the collection nozzle, which concentrates most of the energy of the amount of liquid as kinetic energy in a small portion of the amount of liquid. The resulting short-term liquid jet exiting the nozzle has a peak back pressure that is several times greater than the static pressure that occurs anywhere within the nozzle.
- the liquid jet also includes discrete volumes or lumps of liquid (cf. US Pat. No. 4,863,101A which belongs to the same patent family as DE 334 35 55 C1 ).
- pressurized water at about 1379 bar can be fed to a chamber having an inner diameter of about 20 cm. This pressure could result in a compression of about 5% and would expel into the nozzle amounts of water each having a volume of about 213 cm 3 with a pulse energy of about 13,560 J.
- a method and apparatus for generating pulsed liquid jets also describes the document DE 215 20 03 A .
- the proposed solution generates the high-frequency pulsed water jets by the discharge of electrical energy and is based on the recognition that when discharging electrical energy from, for example, a capacitor in a closed and filled with a liquid container via electrodes between the electrodes, a tubular space arises. In this very high temperatures prevail in front. Discharge of this kind have three effects. On the one hand, a high-pressure sound wave front extends from the discharge hose to the outside. Secondly, in the region of the tube, a very hot and expanding gas bubble is formed, which contains superheated steam and a considerable amount of ionized and neutral molecules.
- the pressure surge occurs by heating at least a portion of a volume of liquid, with the exception of a discharge nozzle, by an electrical discharge within the liquid of such discharge duration and intensity that a shock wave is generated in the liquid.
- the proposed high-pressure water jet device for generating pulsating water jets has a gas-loaded pressure accumulator which is connected to a supply line and connected via a pipeline to a main vibration generator.
- a second vibration generator is connected to the main vibration generator via a pipeline with a built-in non-return valve, in the housing of which a valve piston connects the inlet connection to an outlet nozzle or separates it from this outlet.
- a second gas-loaded pressure accumulator is connected, in which in cooperation with the check valve, the peak pressures of the main vibrator incoming pressure waves are stored and so a gradual charge takes place until the release pressure is reached on the valve piston and the stored energy in discharges a powerful jet of water.
- the check valve disposed in the pipeline connecting the main vibrator to the second vibrator allows the second accumulator to be gradually charged by passing only the peak pressures of the pressure waves generated by the main vibrator in the natural vibration state.
- the energy of these high-pressure pulses is stored in the second pressure accumulator and discharged upon reaching the constant pressure at the source trigger pressure in a single powerful water jet pulse.
- the resulting movement can be considered as a forward movement of the jet section at the average speed u, while the relevant part of the liquid tends to flow to the center of that part due to the change in velocity. So, as the section of the beam moves forward, it also tends to decrease or increase the diameter. That is, he tends to "bundle" himself.
- the process can also be viewed as the part of the faster fluid overriding and connecting to the slower one within the cycle. The process necessarily involves a separation of each slowly-fast (thereby bundled) beam portion from the previous and subsequent ones.
- the cyclic change in the ejection velocity has the effect of converting the continuous stream from a uniform stream into a sequence of liquid slugs.
- the disclosure of a liquid ejection system with drop velocity modulation can be found in the document EP 2 714 406 A1 ,
- the continuous liquid ejection system includes a liquid chamber in fluid communication with a nozzle, the liquid chamber containing liquid under pressure sufficient to eject a jet of liquid through the nozzle.
- a drop forming device is connected to the liquid jet, wherein the drop forming device is operable to generate a modulation in the liquid jet. This causes parts of the liquid jet into one Break a series of pairs of drops moving along a path, each pair of drops consisting of a first and a second drop.
- a charging device comprises a charge electrode associated with the liquid jet and a source of varying electrical potential between the charge electrode and the liquid jet.
- the source of varying electrical potential provides a waveform containing a period equal to the drop pair period.
- the waveform includes a first and a second different voltage state, wherein the charging device is synchronized with the droplet forming device to generate a first state of charge on the first droplet and to generate a second state of charge on the second droplet.
- the drop velocity modulation device changes the relative velocity of the first and second drops to control the connection of the drops to a combined drop having a third state of charge.
- a deflector is provided which causes the first droplet of the first charge state to travel along a first path, the second droplet of the second charge state to move along a second path, and the combined droplet of the third charge state to move on a third path emotional.
- the publication EP 2 485 847 A2 teaches a method and apparatus for making cylinder bore surfaces with a pulsed water jet.
- the preparation of a surface of a cylinder bore is done using a pulsed jet of water.
- the following method steps are provided: generating a signal with a frequency using a signal generator; Applying the signal for generating a pulsed water jet through an outlet opening of a nozzle with an outlet opening and with a cylindrical portion of the outlet opening; Causing the pulsed water jet to impinge on the surface of the cylinder bore to prepare the surface within a predetermined range of surface roughness.
- the predetermined range of Surface roughness is selected based on operating parameters including a distance, a nozzle traverse velocity, a water pressure, a water flow rate, an orifice length-to-diameter ratio, the frequency, and an amplitude of the signal.
- the pulsed water jet can be generated by the generation of high-frequency pulsating liquid jets.
- These high-frequency liquid jets can be generated with internal mechanical flow modulators, Helmholtz oscillators, self-resident nozzles and / or ultrasonic nozzles.
- the pulsed water jet may be generated using acoustic waves, such as an acoustic wave, which acts on the fluid by means of an acoustic transducer.
- the intended effect is based on increasing the water jet impact on a material target by ultrasonic modulation. Namely, if a drop or a liquid plug strikes the same surface, the initial impact pressure will be much higher.
- a pump set at 69 MPa would achieve a hammering water pressure on the target surface of 566 MPa. Since the behavior of the material depends on the impact pressure and time, which in turn are determined by the frequency and nozzle diameter, the use of forced pulsed water jets achieves a significant improvement in material erosion or surface preparation.
- a hyper-pressure water cannon system To generate a fluid pulse, a hyper-pressure water cannon system is provided. This includes a pressure vessel coupled to a source of pressurized fluid, the pressure vessel including a drain valve. A nozzle has a straight portion and a convergent tapered portion, with the nozzle connected to the pressure vessel after a bleed valve. The velocity of the pressurized fluid discharged from the pressure vessel through the bleed valve increases as it flows through the nozzle.
- the velocity of the water leaving the gun valve changes continuously, but a pulse of approximately 0.5 m in length is produced at a speed of over 500 m / s.
- the kinetic energy of the pulse increases linearly to about 0.5 m and then continues to increase at a lower rate.
- the speed is low when the valve opens, peaks after the valve opens, and then drops when the pressure drops (decompressed).
- a straight nozzle section accumulates the water at the leading edge of the pulse and allows the fluid to catch up with the higher velocity, thereby forming a liquid plug at a uniform rate.
- a numerical analysis shows that a compressed water gun tool can generate a compressed water pulse that is 300 mm long and moves at a speed of about 520 m / s.
- the leading edge accelerates to over 2000 m / s while the trailing edge decelerates.
- a fundamental disadvantage of the prior art is that for the spray cleaning no reduction of the cleaning time by significantly increasing the cleaning mechanism is possible.
- temperature and chemistry are other important factors influencing cleaning.
- increasing the temperature and the use of chemicals does not provide a socially acceptable alternative for minimizing the environmental and cost aspects
- the maximum adjustable operating pressure of the cleaning system serving as a possible manipulated variable for increasing the mechanics is generally limited upwards in terms of plant or process technology.
- the economically interesting and most used range for spray cleaning is between 2 and 6 bar.
- the costs for this are that here the expense for the pumps and the work and noise control measures are in a favorable ratio to the cleaning result and the currently widespread cleaning chemicals are designed for this pressure range.
- Increasing the volume flow conveyed by the cleaning system is also impracticable from the point of view of resource efficiency and because of the subsequently required wastewater treatment. Consequently, new approaches are needed with which the mechanical cleaning component can be further increased while conserving resources.
- the object is achieved by a method for generating a sequence of sections of a liquid jet, wherein a single beam portion of the discontinuous, modified liquid jet before impinging on a Target surface has a shorter length in the direction of movement than after exiting a nozzle.
- the modification is caused by different velocities within the single jet portion of the discontinuous, modified liquid jet such that due to a steady increase in the jet velocity as it exits the nozzle, a trailing jet region catches a forward jet region of the jet segment by the single jet segment Increasing speed exits the nozzle the later it exits the nozzle, and wherein a disruption of the previously pooled to the beam portion liquid is prevented by a critical ratio of inertial force is not exceeded to the surface force.
- the invention has therefore set itself the goal to collect over the entire beam length, which corresponds to the distance between the nozzle and the target surface, a pulse in order then to convert it into a strong force in a very short burst.
- This physical principle is used in other ways, e.g. B. impact drills in mechanics, already applied.
- the values for the undisturbed case give a force of 0.13 Newton.
- the momentum of the clump is calculated and the time ⁇ t at which this pulse is delivered to the substrate is estimated. This is possible with the help of the thickness of the lump.
- the thickness of which corresponds approximately to the beam diameter (undisturbed), ie, the interaction takes place in a time of ⁇ t d u / u ⁇ 0.7 ms.
- This value is 21 times higher than the undisturbed beam.
- the calculations underlying the calculation were not conducted with the aim of maximizing the accumulation of impulses.
- the aim of the practical application of the modified liquid jet is, above all, to detach contamination from a substrate against the adhesive force.
- temporal evolution of the velocity from the nozzle a collection of momentum in the liquid, especially in the water, is to be achieved, which, when impinging on the contaminant, will produce a much higher, jerky force than a continuous stream can apply at the same speed.
- the technical implementation must be carried out periodically.
- the period is preferably chosen so long that the subsequent impact of a jet section alone and directly on the target surface or the impurity encountered there, but not on the still running water of the previous impact. A longer period also allows for more pulse accumulation, thus increasing the effectiveness of the single burst.
- the time t k and place x k when and where this happens, can be seen schematically on the basis of a path-time diagram (cf. Fig. 1 ). Shown are time-place lines for three different fluid elements that have left the nozzle at the times t 0 , t 1 , t 2 . It can be seen that these straight lines intersect at a point, at x k at time t k . Considering that the slope of this straight line corresponds to the velocity of the fluid elements, it becomes clear that the velocity must increase with a later start time in order to ensure an intersection point, that is to say a union of the fluid elements.
- a time-varying speed is nothing more than an acceleration.
- Accelerations on the order of 300-400 m / s 2 at the beginning of the injection process have proven to be particularly advantageous. This acceleration may seem very high but it is only an instantaneous value. The typical global Accelerations are in the order of 150 m / s 2 . Another reason for the high values is the small time scale available for the operations. These take place in hundredths of seconds.
- the Weber number is a dimensionless index of fluid mechanics. It describes the ratio of inertial force to stabilizing surface force in two-phase flows, for example a drop of water in air.
- Fig. 2 shows the dividing line between permanent coalescence and only temporary cohesion between colliding drops of the same size MR Nobari and Y.-J. Jan G. Tryggvason, Head of collision of drops-A numerical investigation, Physics of Fluids 8 (1), pp. 29-42, 1996 ,
- Fig. 3 shows results of the dividing line between separation and cohesion between colliding drops of the same size MD Saroka, N. Ashgriz and M. Movassat, Numerical Investigation of Head-on Binary Drop Collisions in a Dynamically Inert Environment, Journal of Applied Fluid Mechanics, Vol. 1, pp. 23-37, 2012 ,
- the toughness means that at low Reynolds number always comes to a Georgianamic material. If the maximum relative velocity is calculated, which can occur between fluid elements, the droplets, before the jet breaks, the influence of the Weber number will predominate for water. For a beam with a diameter of 1 mm, the maximum relative velocity would be about 0.8 m / s due to the Reynolds number ⁇ 800, ie due to dissipation of the interaction energy.
- the typical time scale ⁇ in which the unification processes take place, is in the range of 6 to 20 ms and the maximum velocity v max at about 20 - 25 m / s.
- the maximum relative velocity ⁇ v is 3 m / s, because of this relative speed to the atomization of the accumulated liquid begins.
- the duration of the injection is between a few milliseconds and a few tenths of a second.
- the rate of increase in this time is a factor of up to 3 - 4.
- the maximum speed of the liquid can reach up to 20 m / s, but it must be expected that in this case or exceeding the maximum speed not a single contiguous volume of liquid the target hits and instead several drops in a small narrow space within a short time hit the surface to be cleaned.
- Decisive for the active principle is the concentration of the liquid on a small volume and therefore also for a short-term, ie impulsive force on the target.
- the liquid jet is generated by means of a piston pump and the steady increase in the jet velocity on exit from the nozzle is caused by an at least time-dependent control of the piston pump and the piston movement.
- the steady increase in the jet velocity on exit from the nozzle is caused by a corresponding control of a nozzle cross-section and / or a nozzle opening.
- the particular advantages of the method according to the invention are that with a very hard pulsation through a "water rag" the collected pulse can be achieved. Thus, up to 60 times greater force peaks are generated on the surfaces to be cleaned compared to conventional spray nozzles and thus savings potential of 50% of cleaning time and detergent consumption expected depending on the contamination characteristics.
- the power gain is also far above that of conventional pulsating liquid jets. This is achieved by the special modulation of the spray jets.
- the method according to the invention enables the collection of beam pulses during the phase of beam formation and propagation.
- the subsequent brief interaction of the beam with the target surface, z. significantly higher forces, which are available for the cleaning of the beam during cleaning and damage the pollution much more.
- the approach thus differs fundamentally from hitherto known principles of action of pulsating rays. This difference can be explained well by comparing the impact drill and the hammer drill: in both, pulsed impacts are exerted on the workpiece. However, the firing pin in the hammer drill is accelerated over a much longer time before he hits the chisel.
- a further aspect relates to a device for producing a sequence of sections of a liquid jet, wherein a single jet section of the discontinuous, modified liquid jet has a length which is shorter in the direction of movement before it hits a target surface than after exit from a nozzle.
- the apparatus comprises the nozzle and a device fluidically connected to the nozzle for generating pressure in the liquid.
- the device for generating pressure of a liquid comprises a controlled piston pump, designed for the at least time-dependent control of a piston movement.
- the nozzle has a controllable nozzle cross-section and / or a controllable nozzle opening.
- a suitable device may, for. B. be designed as a nozzle lance.
- Another aspect of the present invention relates to the use of the modified liquid jet as a cleaning jet.
- a use for spray cleaning industrial components is provided.
- the modified liquid jet used as a cleaning jet for a container cleaning or tank cleaning with a jet cleaner.
- a spray cleaning of open surfaces of industrial equipment and systems or surfaces of industrial floors, walkways and driveways, terrace floors or facades is provided.
- a surface treatment or a cutting process are provided.
- applications in the fields of stone processing such as tunneling, mining, fire fighting or police technology are provided.
- the inventive method promises unprecedented mechanical cleaning effect even at large nozzle distances and low operating pressure.
- the cleaning of the objects is gentle, because the high force peaks work only for a short time, in contrast to cleaning with a jet under high pressure, in which permanently high forces act.
- resources such as time, water, chemical additives and energy are greatly reduced over known systems.
- Fig. 11 Fig. 12 schematically shows a representation of the nozzle and the target surface as well as the beam portions formed therebetween, as produced by a pulsation according to the present invention. This is accompanied in the case of use shown here for a cleaning jet with a significant escalation of the cleaning effect. In this case, the pulse is collected over the entire beam length and discharged in a very short burst with enormous force directly on the surface to be cleaned.
- a diagram 30 shows the pressure curve over time.
- the shock pressure p surge is a multiple of the dynamic pressure p congestion .
- Both FIGS. 11 to 14 in each case the time profile of the jet pressure applied by the spray jet to the surface to be cleaned is shown, which corresponds integrated with the force profile over the beam cross section.
- Fig. 12 1 schematically shows a representation of a conventional continuous cleaning jet without pulsation according to the prior art, including a diagram 31 which shows the steady backpressure p stowage .
- a constant dynamic pressure occurs.
- Fig. 13 Fig . 12 schematically shows a representation of a conventional cleaning jet with prior art jet interrupters , including an explanatory diagram 32 showing coincident heights of back pressure p and surge pressure. Except for the interruptions in the pressure curve, jet jet nozzles are subject to a similar jet pressure pattern for continuous operation.
- Cleaning advantages are to be expected by two effects.
- the pollution is more severely impaired if, as a result of the jet interruptions, the liquid jet which damps the spray jet does not completely settle on the surface to be cleaned Can form surface.
- the cleaning fluid will flow around the component much more turbulent. Since the beam interruption is also associated with a loss of momentum on the surface over time, it can be expected that no significantly improved cleaning effect arises.
- Fig. 14 1 schematically shows an illustration of a nozzle in the pulsating operation of the prior art, including an explanatory diagram 33 for the relationship of the heights of the back pressure p stau and the shock pressure p impact .
- Fig. 15 shows how the exit velocity of the jet must steadily increase to achieve an abrupt accumulation of liquid at the tip of the jet. This could be achieved in the illustrated embodiment with a linear motor.
- the accumulation was achieved by a shaker that powered a 60 Hz porous piston.
- the relative excitation amplitude is 0.5 in Figures a) to g) (from left to right); 1; 2; 3; 4; 5; 6.
- the pictures show the formation of water rags and the jet, which is significantly thinner between these lumps.
- the modulation is to be driven so far that the jet breaks off completely and form individual, shortly after one another impinging water rags, so that the water has already expired before a new water rag hits.
- the surface, the target surface is always hit immediately, which further improves the effectiveness.
- the lumps can also have the shape of a broad, flat cylinder. This shape may be very interesting for cleaning as it covers a larger area at the same time.
- the diameter of the lump is about ten times the undisturbed beam diameter. As the diameter increases, however, the applied jet pressure (Impact) on the contaminated surface is reduced. Therefore an optimal lump shape for the cleaning should be determined and generated.
- Fig. 16 1 schematically shows an illustration of a device 100 according to the invention for generating a sequence of jet sections of a discontinuous, modified liquid jet, which is not shown here but is aligned with the nozzle 110 by a corresponding position of a nozzle lance 112 on the target surface 26.
- the adjustment of the nozzle lance 112 in the arrow direction is made possible by a pivot drive 114, which also includes a joint.
- the apparatus 100 further comprises a piston pump 116 in which a piston 118 moves and causes the pressure of the liquid from which the liquid jet is generated.
- the piston 118 is connected via its piston rod with a piston drive 120, which is designed in the preferred embodiment shown here as a Linearanrieb.
- a controller 122 which controls the piston drive 120 and for this purpose is connected to the piston drive 120 in terms of control technology.
- a control connection also consists of the pivoting drive 114 and a metering valve 126.
- the metering valve 126 meters for each period an intended amount of liquid from a liquid reservoir 124 in order to produce a modified liquid jet with the desired properties can.
- alternative embodiments of the proposed solution also provide multiple exit locations on the nozzle lance 112. These further nozzles 110 can also be individually controllable, so that also Without moving the nozzle lance 112 different locations can be treated simultaneously or sequentially.
- the process sequence according to the invention starts with the metering of the quantity of liquid into the piston pump 116. Thereafter, the nozzle 110 is brought into the desired alignment with respect to the target surface 26 by means of the pivot drive 114. Thereafter, the piston drive 120 is controlled so that the modified liquid jet with the desired properties emerges from the nozzle 110 and impinges on the target surface 26 as lumps.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Folge von Abschnitten eines Flüssigkeitsstrahls (20), wobei ein einzelner Strahlabschnitt (21) des diskontinuierlichen, modifizierten Flüssigkeitsstrahls (20) vor dem Auftreffen auf einer Zielfläche (26) eine in Bewegungsrichtung (28) geringere Länge (Lf) hat als nach dem Austritt aus einer Düse (10). Erfindungsgemäß wird die Modifikation durch unterschiedliche Geschwindigkeiten innerhalb des einzelnen Strahlabschnitts (21) des diskontinuierlichen, modifizierten Flüssigkeitsstrahls (20) in der Weise hervorgerufen, dass infolge einer stetigen Zunahme der Strahlgeschwindigkeit beim Austritt aus der Düse (10) ein in Bewegungsrichtung (28) hinterer Strahlbereich einen vorderen Strahlbereich des Strahlabschnitts (21) einholt, indem der einzelne Strahlabschnitt (21) mit zunehmender Geschwindigkeit aus der Düse (10) austritt, je später er aus der Düse (10) austritt, und wobei ein Aufbrechen der zuvor zu dem Strahlabschnitt (21) vereinigten Flüssigkeit verhindert wird, indem ein kritisches Verhältnis von Trägheitskraft zur Oberflächenkraft nicht überschritten wird. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Reinigung, zur Oberflächenbehandlung oder zum Schneiden. The invention relates to a method and a device for producing a sequence of sections of a liquid jet (20), wherein a single jet section (21) of the discontinuous, modified liquid jet (20), before impinging on a target surface (26), moves in the direction of movement (28). smaller length (L f ) than after exiting a nozzle (10). According to the invention, the modification is caused by different velocities within the individual jet section (21) of the discontinuous, modified liquid jet (20) in such a way that due to a steady increase in the jet velocity on exit from the nozzle (10) a jet region behind in the direction of movement (28) catching up a front beam area of the jet section (21) in that the individual jet section (21) exits the nozzle (10) with increasing speed the later it exits the nozzle (10), and a break-up of the jet section (21 ) is prevented by not exceeding a critical ratio of inertial force to surface force. Another aspect of the invention relates to the use of the method according to the invention for cleaning, surface treatment or cutting.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Folge von Strahlabschnitten eines diskontinuierlichen, modifizierten Flüssigkeitsstrahls, wobei ein einzelner Strahlabschnitt des Flüssigkeitsstrahls eine solche Modifikation erfährt, dass er vor dem Auftreffen auf einer Zielfläche eine in Bewegungsrichtung geringere Länge hat als nach dem Austritt aus der Düse. Die Erfindung betrifft weiterhin Verwendungen des Flüssigkeitsstrahls. Ein derartig modifizierter Strahl weist eine erhöhte mechanische Wirksamkeit auf, die beispielsweise zum Trennen oder Abtragen genutzt werden kann. Somit erfolgt eine Verbesserung der Erosionswirkung des Flüssigkeitsstrahls. Hierfür sieht der Stand der Technik häufig die Erzeugung eines pulsierenden Fluidstrahls aus einem mit Druck beaufschlagtem Fluid vor.The invention relates to a method and a device for generating a sequence of beam portions of a discontinuous, modified liquid jet, wherein a single beam portion of the liquid jet undergoes a modification such that it has a shorter length in the direction of movement before it hits a target surface than after it exits the nozzle. The invention further relates to uses of the liquid jet. Such a modified beam has an increased mechanical effectiveness, which can be used, for example, for cutting or ablation. Thus, there is an improvement in the erosion effect of the liquid jet. For this purpose, the prior art often provides for the generation of a pulsating fluid jet from a pressurized fluid.
In der Industrie besteht branchenübergreifend die Forderung nach kürzeren Reinigungszeiten zur Verringerung von Taktzeiten. Dies betrifft beispielsweise die industrielle Bauteilreinigung in der Automobilbranche. Ebenso wird eine Steigerung der Maschinenverfügbarkeit, beispielsweise durch automatisierte Selbstreinigung von Verarbeitungsmaschinen, insbesondere im Lebensmittelsektor, gefordert. Die beiden vorgenannten Bereiche stellen zugleich Schlüsselanwendungen dar, in denen die Reinigung einen bedeutenden Prozessschritt in der Wertschöpfung darstellt. Im gesamten Bereich des Maschinenbaus müssen in der Regel vor jedem Weiterverarbeitungsschritt die Halbzeuge, Roh- und Bauteile sowie Baugruppen gereinigt werden. Hier kann ein modifizierter Flüssigkeitsstrahl in einer Reinigungsroboterkammer für die formatflexible Reinigung industrieller Bauteile eingesetzt werden. Der zweite besonders interessante Anwendungsbereich betrifft die Produktion von hygienekritischen Verbrauchsgütern, wobei die Reinigung von Lebensmitteltanks einen vorteilhaften Einsatzbereich darstellt.In the industry there is a demand for shorter cleaning times across industries to reduce cycle times. This concerns, for example, industrial component cleaning in the automotive industry. Likewise, an increase in machine availability, for example by automated self-cleaning of processing machines, especially in the food sector, is required. The two areas mentioned above are also key applications in which cleaning represents a significant process step in value creation. In the entire field of mechanical engineering, the semi-finished products, raw materials and components as well as assemblies must generally be cleaned before each further processing step. Here, a modified liquid jet can be used in a robot cleaning chamber for the format-flexible cleaning of industrial components. The second particularly interesting field of application relates to the production of hygiene-critical consumer goods, wherein the cleaning of food tanks represents an advantageous field of application.
Die prinzipielle Wirksamkeit von pulsierenden Spritzreinigungssystemen ist in Fachkreisen und Industrie anerkannt, wobei Meinungen zu bisher angewandten, auf einer Strahlzerbrechung durch Störkonturen beruhenden Pulsationsverfahren geteilt bis eher ablehnend sind. Die bekannten Pulsationsverfahren, erzeugt durch Pumpen- oder Ventilschaltungen, haben Nachteile im auf der Zieloberfläche erzeugten Druckprofil. Sie erzeugen keine harte Pulsation, weswegen die Reinigungswirkung eingeschränkt ist, wenn auch besser als bei nichtpulsierenden Flüssigkeitsstrahlen.The principle effectiveness of pulsating spray-cleaning systems is recognized in the art and industry, with opinions on previously applied, based on a beam break by interfering contours pulsation divided or rather reject. The known pulsation methods, generated by pump or valve circuits, have disadvantages in the pressure profile generated on the target surface. They do not produce a hard pulsation, which is why the cleaning effect is limited, albeit better than non-pulsating liquid jets.
Eine Reihe von derartigen Systemen findet sich auch im druckschriftlichen Stand der Technik. So beschreibt die Druckschrift
Gemäß Absatz [0007] liegt der vorgeschlagenen Lösung der Gedanke zugrunde, dass sich durch Einkoppeln von Schwingungsenergie in Form von Druckwellen in einen Fluidstrahl, insbesondere in einen Fluidstrahl mit einem Druck von 20 bar, 30 bar oder auch mehr, Fluidpulse erzeugen lassen, bei denen die Schwingungsenergie in Bewegungsenergie umgewandelt ist. Dabei kann die durch Erzeugen von Druckwellen auf das Fluid übertragbare Bewegungsenergie maximiert werden, indem sichergestellt wird, dass die Reflexionen von Druckwellen in einem Leitungssystem für das Zuführen von mit Druck beaufschlagtem Fluid zu einer Düse die erzeugten Druckwellen nicht auslöschen, sondern aufgrund von Interferenz verstärken. Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung kann deshalb das Verhältnis der wirksamen Weglänge, welche die Druckwellen in dem Leitungssystem von der Austrittöffnung der Kammer bis an den Düsenmund einer Düse zurücklegen, und der Wellenlänge der Fluid-Druckwellen, d. h. eine die Fluid-Druckwellen in dem Leitungssystem charakterisierende Helmholtz-Zahl, eingestellt werden.According to paragraph [0007], the proposed solution is based on the idea that by injecting vibrational energy in the form of pressure waves into a fluid jet, in particular into a fluid jet with a pressure of 20 bar, 30 bar or more, fluid pulses can be generated in which the vibration energy is converted into kinetic energy. In doing so, the momentum transferable to the fluid by generating pressure waves can be maximized by ensuring that the reflections of pressure waves in a conduit system for delivering pressurized fluid to a nozzle do not cancel the generated pressure waves but amplify them due to interference. In the proposed device, therefore, the ratio of the effective path length, which cover the pressure waves in the conduit system from the outlet opening of the chamber to the nozzle mouth of a nozzle, and the wavelength of the fluid pressure waves, d. H. a Helmholtz number characterizing the fluid pressure waves in the conduit system can be adjusted.
Weiterhin ist in Absatz [0060] ausgeführt, dass die Druckpumpe so ausgelegt ist, dass damit in Kammer ein Fluiddruck in dem Bereich zwischen 40 bar und 150 bar, vorzugsweise ein Fluiddruck in der Größenordnung von 100 bar, erzeugt und eingestellt werden kann. Durch Einstellen des Fluiddrucks in der Kammer, der Frequenz v und der Amplitude der Druckwellen kann die Größe und der gegenseitige Abstand von Flüssigkeitströpfchen in aus der Düse austretenden Fluidstrahlen variiert werden.Furthermore, it is stated in paragraph [0060] that the pressure pump is designed so that in chamber a fluid pressure in the range between 40 bar and 150 bar, preferably a fluid pressure in the order of 100 bar, generated and can be adjusted. By adjusting the fluid pressure in the chamber, the frequency v, and the amplitude of the pressure waves, the size and spacing of liquid droplets in fluid jets exiting the nozzle can be varied.
Nach Absatz [0065] kann durch das Einstellen des Drucks und der Amplitude der Druckwellen in der Kammer die Strömungsgeschwindigkeit und die Gestalt des mit den Düsen erzeugten pulsierenden Fluidstrahls eingestellt werden. Auch die Bildung von einer Serie von Klumpen oder Tropfen, die auf einer festen Oberfläche auftreffen, wird gezeigt.According to paragraph [0065], by adjusting the pressure and the amplitude of the pressure waves in the chamber, the flow rate and the shape of the pulsating fluid jet generated with the nozzles can be adjusted. The formation of a series of lumps or drops impinging on a solid surface is also shown.
Die Druckschrift
Aus der Druckschrift
Ein weiteres Verfahren zur Flüssigkeitsstrahlformung sowie eine hierzu geeignete Vorrichtung beschreibt die Druckschrift
Das kontrollierte Einbringen eines zweiten Fluids umfasst das periodische Unterbrechen eines Flusses des zweiten Fluids in Richtung des Fluidstrahls zum Pulsieren des Fluidstrahls. Des Weiteren umfasst das Selektieren von wenigstens der Länge der Leitung und/oder dem Druck des zweiten Fluids und/oder der Durchflussrate des zweiten Fluids dergestalt, dass der Hochdruckfluidstrahl in Resonanz versetzt wird, wenn der Hochdruckfluidstrahl durch die Leitung läuft.The controlled introduction of a second fluid comprises periodically interrupting a flow of the second fluid in the direction of the fluid jet to pulsate the fluid jet. Further, selecting at least the length of the conduit and / or the pressure of the second fluid and / or the flow rate of the second fluid comprises causing the high pressure fluid jet to resonate as the high pressure fluid jet passes through the conduit.
Aus der Druckschrift
Die Druckschrift
In Absatz [0005] wird konkretisiert, dass pulsierende Strahlvorrichtungen vorzugsweise eine "Sammel"-Düse verwenden, wie beispielsweise die in der Patentschrift
Eine weitere Konkretisierung liefert die Beschreibung in Absatz [0033]. Hiernach kann beispielsweise bei einer Vorrichtung, die zur Bearbeitung von Felsen, Beton und anderen harten Werkstoffen anstelle eines konventionellen Bohrhammers genutzt wird, Druckwasser mit etwa 1379 bar einer Kammer zugeführt werden, die einen Innendurchmesser von etwa 20 cm aufweist. Dieser Druck könnte zu einer Kompression von etwa 5% führen und würde in die Düse Wassermengen mit jeweils einem Volumen von etwa 213 cm3 mit einer Impulsenergie von etwa 13 560 J ausstoßen.Another specification provides the description in paragraph [0033]. Hereinafter, for example, in a device used to machine rocks, concrete and other hard materials instead of a conventional rotary hammer, pressurized water at about 1379 bar can be fed to a chamber having an inner diameter of about 20 cm. This pressure could result in a compression of about 5% and would expel into the nozzle amounts of water each having a volume of about 213 cm 3 with a pulse energy of about 13,560 J.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von gepulsten Flüssigkeitsstrahlen beschreibt ebenfalls die Druckschrift
Aus der Druckschrift
Das in der den Hauptschwingungserzeuger mit dem zweiten Schwingungserzeuger verbindenden Rohrleitung angeordnete Rückschlagventil gestattet es, den zweiten Druckspeicher stufenweise aufzuladen, indem nur die Spitzendrücke der vom Hauptschwingungserzeuger im Eigenschwingungszustand erzeugten Druckwellen durchgelassen werden. Die Energie dieser Hochdruckimpulse wird im zweiten Druckspeicher gespeichert und bei Erreichen des an der Quelle gleichbleibenden Druckes einstellbaren Auslösedrucks in einem einzigen kräftigen Wasserstrahlimpuls entladen.The check valve disposed in the pipeline connecting the main vibrator to the second vibrator allows the second accumulator to be gradually charged by passing only the peak pressures of the pressure waves generated by the main vibrator in the natural vibration state. The energy of these high-pressure pulses is stored in the second pressure accumulator and discharged upon reaching the constant pressure at the source trigger pressure in a single powerful water jet pulse.
Zu den weiteren Druckschriften, die sich der Erzeugung perkussiver Flüssigkeitsstrahlen widmen, gehört die
Die resultierende Bewegung kann als eine Vorwärtsbewegung des Strahlabschnitts bei der Durchschnittsgeschwindigkeit u betrachtet werden, während der betreffende Teil der Flüssigkeit dazu neigt, infolge der Geschwindigkeitsänderung zu der Mitte dieses Teils zu strömen. Wenn sich also der Abschnitt des Strahls vorwärts bewegt, neigt er auch dazu, den Durchmesser zu verringern oder zu vergrößern. Das heißt, er neigt dazu, sich zu "bündeln". Der Prozess kann auch so betrachtet werden, dass der Teil der schnelleren Flüssigkeit den langsameren innerhalb des Zyklus überholt und sich mit diesem verbindet. Der Prozess geht notwendigerweise mit einer Trennung jedes langsam-schnellen (dadurch gebündelten) Strahlteils von den vorhergehenden und nachfolgenden einher. Somit hat die zyklische Änderung der Ausstoßgeschwindigkeit den Effekt, den kontinuierlichen Strahl von einem gleichförmigen Strom in eine Sequenz von Flüssigkeitspfropfen umzuwandeln.The resulting movement can be considered as a forward movement of the jet section at the average speed u, while the relevant part of the liquid tends to flow to the center of that part due to the change in velocity. So, as the section of the beam moves forward, it also tends to decrease or increase the diameter. That is, he tends to "bundle" himself. The process can also be viewed as the part of the faster fluid overriding and connecting to the slower one within the cycle. The process necessarily involves a separation of each slowly-fast (thereby bundled) beam portion from the previous and subsequent ones. Thus, the cyclic change in the ejection velocity has the effect of converting the continuous stream from a uniform stream into a sequence of liquid slugs.
Der zuvor in unterschiedlichen Varianten beschriebene Effekt erfolgt jedoch zufällig und unkontrolliert, zumindest aber ohne besondere Wirkungen, die über die aus dem Stand dem Technik bereits bekannten Wirkungen pulsierender Flüssigkeitsstrahlen hinausgehen würden.However, the effect described above in different variants is random and uncontrolled, but at least without any special effects that would go beyond the already known from the prior art effects of pulsating liquid jets.
Die Offenbarung eines Flüssigkeitsausstoßsystems mit Tropfengeschwindigkeitsmodulation findet sich in der Druckschrift
Eine Aufladevorrichtung umfasst eine Ladungselektrode, die dem Flüssigkeitsstrahl zugeordnet ist, und eine Quelle mit variierendem elektrischem Potential zwischen der Ladungselektrode und dem Flüssigkeitsstrahl. Die Quelle des variierenden elektrischen Potentials stellt eine Wellenform bereit, die eine Periode enthält, die gleich der Tropfenpaarperiode ist. Die Wellenform enthält einen ersten und einen zweiten unterschiedlichen Spannungszustand, wobei die Aufladevorrichtung mit der Tropfenbildungseinrichtung synchronisiert ist, um einen ersten Ladungszustand auf dem ersten Tropfen zu erzeugen und um einen zweiten Ladungszustand auf dem zweiten Tropfen zu erzeugen. Die Tropfengeschwindigkeitsmodulationsvorrichtung ändert die Relativgeschwindigkeit des ersten und des zweiten Tropfens, um die Verbindung der Tropfen zu einem kombinierten Tropfen mit einem dritten Ladungszustand zu steuern. Es ist eine Ablenkvorrichtung vorgesehen, die bewirkt, dass der erste Tropfen mit dem ersten Ladungszustand sich entlang eines ersten Weges bewegt, der zweite Tropfen mit dem zweiten Ladungszustand sich entlang eines zweiten Weges bewegt und der kombinierte Tropfen mit dem dritten Ladezustand sich auf einem dritten Pfad bewegt.A charging device comprises a charge electrode associated with the liquid jet and a source of varying electrical potential between the charge electrode and the liquid jet. The source of varying electrical potential provides a waveform containing a period equal to the drop pair period. The waveform includes a first and a second different voltage state, wherein the charging device is synchronized with the droplet forming device to generate a first state of charge on the first droplet and to generate a second state of charge on the second droplet. The drop velocity modulation device changes the relative velocity of the first and second drops to control the connection of the drops to a combined drop having a third state of charge. A deflector is provided which causes the first droplet of the first charge state to travel along a first path, the second droplet of the second charge state to move along a second path, and the combined droplet of the third charge state to move on a third path emotional.
Da geringfügige Änderungen in der Amplitude die Wellenform der Energieimpulse, die zum Flüssigkeitsstrahl zur Tropfenbildung übertragen werden, die Geschwindigkeit der gebildeten Tropfen beeinflussen, kann die Geschwindigkeit eines oder beider Tropfen in einem Tropfenpaar moduliert werden. Das wird erreicht, indem die Eigenschaften der auf den Flüssigkeitsstrahl übertragenen Energie verändert werden.Since slight changes in amplitude affect the waveform of the energy pulses transmitted to the jet of liquid for droplet formation, they affect the velocity of the droplets formed, the velocity of one or both droplets can be modulated in a droplet pair. This is achieved by changing the properties of the energy transferred to the liquid jet.
Die Druckschrift
Gemäß einem Aspekt der vorgeschlagenen Lösung, beschrieben in den Absätzen [0015] und [0035], kann der gepulste Wasserstrahl durch die Erzeugung hochfrequenter pulsierender Flüssigkeitsstrahlen erzeugt werden. Diese Hochfrequenz-Flüssigkeitsstrahlen können mit internen mechanischen Strömungsmodulatoren, Helmholtz-Oszillatoren, selbstresonierenden Düsen und/ oder Ultraschalldüsen erzeugt werden. Zusätzlich kann der gepulste Wasserstrahl unter Verwendung von akustischen Wellen erzeugt werden, beispielsweise durch eine akustische Welle, der mittels eines akustischen Wandlers auf die Flüssigkeit einwirkt. Die angestrebte Wirkung basiert darauf, dass der Wasserstrahlaufprall auf ein Materialtarget durch Ultraschallmodulation vergrößert wird. Wenn nämlich ein Tropfen oder ein Flüssigkeitspfropfen auf die gleiche Oberfläche schlägt, wird der anfängliche Aufpralldruck viel höher sein.According to one aspect of the proposed solution described in paragraphs [0015] and [0035], the pulsed water jet can be generated by the generation of high-frequency pulsating liquid jets. These high-frequency liquid jets can be generated with internal mechanical flow modulators, Helmholtz oscillators, self-resident nozzles and / or ultrasonic nozzles. Additionally, the pulsed water jet may be generated using acoustic waves, such as an acoustic wave, which acts on the fluid by means of an acoustic transducer. The intended effect is based on increasing the water jet impact on a material target by ultrasonic modulation. Namely, if a drop or a liquid plug strikes the same surface, the initial impact pressure will be much higher.
Bei einem weiteren Beispiel, beschrieben in Absatz [0039], würde eine auf 69 MPa eingestellte Pumpe einen Schlagwasserdruck auf der Zielfläche 566 MPa erreichen. Da das Verhalten des Materials von dem Aufpralldruck und der Zeit abhängt, die wiederum durch die Frequenz und den Düsendurchmesser bestimmt werden, wird durch die Verwendung von erzwungenen gepulsten Wasserstrahlen eine signifikante Verbesserung der Materialerosion oder der Oberflächenvorbereitung erreicht.In another example, described in paragraph [0039], a pump set at 69 MPa would achieve a hammering water pressure on the target surface of 566 MPa. Since the behavior of the material depends on the impact pressure and time, which in turn are determined by the frequency and nozzle diameter, the use of forced pulsed water jets achieves a significant improvement in material erosion or surface preparation.
Aus den Druckschriften
In der Praxis ändert sich die Geschwindigkeit des aus dem Kanonenventil austretenden Wassers kontinuierlich, es wird jedoch ein Impuls von etwa 0,5 m Länge mit einer Geschwindigkeit von über 500 m/s erzeugt. Die kinetische Energie des Impulses steigt linear bis etwa 0,5 m an und steigt dann mit einer niedrigeren Rate weiter an. Die Geschwindigkeit ist niedrig, wenn sich das Ventil öffnet, erreicht einen Spitzenwert nach dem Öffnen des Ventils und fällt dann ab, wenn auch der Druck abfällt (dekomprimiert). Ein gerader Düsenabschnitt akkumuliert das Wasser an der Vorderkante des Impulses und ermöglicht, dass das Fluid mit der höheren Geschwindigkeit aufholt, wodurch ein Flüssigkeitspfropfen mit gleichmäßiger Geschwindigkeit gebildet wird.In practice, the velocity of the water leaving the gun valve changes continuously, but a pulse of approximately 0.5 m in length is produced at a speed of over 500 m / s. The kinetic energy of the pulse increases linearly to about 0.5 m and then continues to increase at a lower rate. The speed is low when the valve opens, peaks after the valve opens, and then drops when the pressure drops (decompressed). A straight nozzle section accumulates the water at the leading edge of the pulse and allows the fluid to catch up with the higher velocity, thereby forming a liquid plug at a uniform rate.
Eine numerische Analyse zeigt, dass ein komprimiertes Wasserkanonenwerkzeug komprimierten Wasserimpuls erzeugen kann, der 300 mm lang ist und sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 520 m/s bewegt. Die Vorderkante beschleunigt auf über 2000 m/s, während die Hinterkante abbremst.A numerical analysis shows that a compressed water gun tool can generate a compressed water pulse that is 300 mm long and moves at a speed of about 520 m / s. The leading edge accelerates to over 2000 m / s while the trailing edge decelerates.
Neben dem druckschriftlichen Stand der Technik sind weitere Veröffentlichungen bekannt, die sich auf das Gebiet der Modulation von Flüssigkeitsstrahlen beziehen. Die Modulation von Flüssigkeitsstrahlen ist jedoch bisher fast ausschließlich zur Erhöhung des Wirkungsgrades beim Wasserstrahlschneiden von Gestein und harten Materialien betrachtet worden, wie auch der zuvor gewürdigte Stand der Technik zeigt. Hierbei wird im Hochdruckbereich p ≥ 1000 bar gearbeitet. Veröffentlichungen hierzu enthalten die Tagungsbände der Water Jet Conferences und der Jet Cutting Symposia (
Ein grundlegender Nachteil des Stands der Technik ist es, dass für die Spritzreinigung keine Verringerung der Reinigungszeit durch signifikante Erhöhung der Reinigungsmechanik möglich ist. Dabei bilden, neben der Zeit und der Mechanik, die Temperatur und die Chemie die weiteren wichtigen Einflussfaktoren auf die Reinigung. Die Erhöhung der Temperatur sowie des Chemieeinsatzes stellt jedoch aus Umwelt- und Kostenaspekten keine gesellschaftlich akzeptable Alternative zur Minimierung der Zielgröße Reinigungszeit dar. Des Weiteren ist der als mögliche Stellgröße für die Erhöhung der Mechanik dienende, maximal einstellbare Betriebsdruck des Reinigungssystems in der Regel anlagen- oder prozesstechnisch nach oben limitiert. So liegt der für die Spritzreinigung wirtschaftlich interessante und am meisten verwendete Bereich zwischen 2 und 6 bar. Gründe dafür sind, dass hier der Aufwand für die Pumpen sowie die Arbeits- und Schallschutzmaßnahmen in einem günstigen Verhältnis zum Reinigungsergebnis stehen und die derzeitig verbreiteten Reinigungschemikalien auf diesen Druckbereich ausgelegt sind. Auch die Erhöhung des durch das Reinigungssystem geförderten Volumenstroms ist aus Sicht der Ressourceneffizienz und wegen der nachträglich erforderlichen Abwasserbehandlung nicht praktikabel. Folglich sind neue Ansätze gefragt, mit welchen die mechanische Reinigungskomponente bei gleichzeitiger Ressourcenschonung weiter erhöht werden kann.A fundamental disadvantage of the prior art is that for the spray cleaning no reduction of the cleaning time by significantly increasing the cleaning mechanism is possible. In addition to time and mechanics, temperature and chemistry are other important factors influencing cleaning. However, increasing the temperature and the use of chemicals does not provide a socially acceptable alternative for minimizing the environmental and cost aspects Furthermore, the maximum adjustable operating pressure of the cleaning system serving as a possible manipulated variable for increasing the mechanics is generally limited upwards in terms of plant or process technology. Thus, the economically interesting and most used range for spray cleaning is between 2 and 6 bar. The reasons for this are that here the expense for the pumps and the work and noise control measures are in a favorable ratio to the cleaning result and the currently widespread cleaning chemicals are designed for this pressure range. Increasing the volume flow conveyed by the cleaning system is also impracticable from the point of view of resource efficiency and because of the subsequently required wastewater treatment. Consequently, new approaches are needed with which the mechanical cleaning component can be further increased while conserving resources.
Mit den zuvor beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist es möglich, einzelne Abschnitte eines Flüssigkeitsstrahls abzugeben oder dem Flüssigkeitsstrahl eine mehr oder minder gesteuerte Pulsation aufzuprägen, so dass im Vergleich zu einem kontinuierlichen Flüssigkeitsstrahl ein höherer Energieeintrag in die Zieloberfläche und ein besseres Ergebnis bei einer Bearbeitung der Zieloberfläche, z. B. eine erwünschte Abrasion, erreicht werden können. Hierzu sind verschiedenartige Vorrichtungen vorgeschlagen worden, die durch zusätzliche Einrichtungen, wie eine zusätzliche Strahlerzeugung oder eine Oszillationseinrichtung, zur eigentlichen Strahlerzeugung aufwändig, teuer und störanfällig sind. Zudem existiert in der Spritzreinigung derzeit kein Pulsationsverfahren, welches eine geeignete Strahlmodulation aufweist, um eine maximal harte Pulsation gemäß den potenziellen Möglichkeiten der Flüssigkeit auf der zu reinigenden Oberfläche zu erzeugen.With the previously described methods known from the prior art, it is possible to dispense individual sections of a liquid jet or to impart a more or less controlled pulsation to the liquid jet, so that a higher energy input into the target surface and a better result compared to a continuous liquid jet when editing the target surface, z. As a desired abrasion can be achieved. For this purpose, various devices have been proposed, which are complicated, expensive and susceptible to interference by additional facilities, such as an additional beam generation or an oscillation, for the actual beam generation. In addition, there is currently no pulsation method in the spray cleaning which has a suitable beam modulation in order to produce a maximum hard pulsation according to the potential possibilities of the liquid on the surface to be cleaned.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines modifizierten Flüssigkeitsstrahls mit erhöhter mechanischer Wirksamkeit anzubieten, die einfach aufgebaut ist und bei vermindertem Flüssigkeitsbedarf eine weiter verbesserte Wirkung, insbesondere einen verbesserten Abrasionseffekt, aufweist.It is therefore an object of the present invention to provide a method and apparatus for producing a modified liquid jet with increased mechanical effectiveness, which is simple in construction and with reduced liquid requirement has a further improved effect, in particular an improved abrasion effect.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Erzeugung einer Folge von Abschnitten eines Flüssigkeitsstrahls, wobei ein einzelner Strahlabschnitt des diskontinuierlichen, modifizierten Flüssigkeitsstrahls vor dem Auftreffen auf einer Zielfläche eine in Bewegungsrichtung geringere Länge hat als nach dem Austritt aus einer Düse. Erfindungsgemäß wird die Modifikation durch unterschiedliche Geschwindigkeiten innerhalb des einzelnen Strahlabschnitts des diskontinuierlichen, modifizierten Flüssigkeitsstrahls in der Weise hervorgerufen, dass infolge einer stetigen Zunahme der Strahlgeschwindigkeit beim Austritt aus der Düse ein in Bewegungsrichtung hinterer Strahlbereich einen vorderen Strahlbereich des Strahlabschnitts einholt, indem der einzelne Strahlabschnitt mit zunehmender Geschwindigkeit aus der Düse austritt, je später er aus der Düse austritt, und wobei ein Aufbrechen der zuvor zu dem Strahlabschnitt vereinigten Flüssigkeit verhindert wird, indem ein kritisches Verhältnis von Trägheitskraft zur Oberflächenkraft nicht überschritten wird.The object is achieved by a method for generating a sequence of sections of a liquid jet, wherein a single beam portion of the discontinuous, modified liquid jet before impinging on a Target surface has a shorter length in the direction of movement than after exiting a nozzle. According to the invention, the modification is caused by different velocities within the single jet portion of the discontinuous, modified liquid jet such that due to a steady increase in the jet velocity as it exits the nozzle, a trailing jet region catches a forward jet region of the jet segment by the single jet segment Increasing speed exits the nozzle the later it exits the nozzle, and wherein a disruption of the previously pooled to the beam portion liquid is prevented by a critical ratio of inertial force is not exceeded to the surface force.
Der Mechanismus eines modifizierten Flüssigkeitsstrahls mit erhöhter mechanischer Wirksamkeit, mit dessen Hilfe in der Natur Schützenfische Insekten jagen, wurde wissenschaftlich aufgeklärt. Eine ganz definierte Modulation sowohl der als Düsenfläche fungierenden Mundöffnung als auch des Drucks in der Mundhöhle der Fische liefert eine stetige Erhöhung sowohl der Wasserstrahlgeschwindigkeit als auch des Wasserstrahlimpulses über der Zeit. Diese besondere Form der Beschleunigung des Wassers führt dazu, dass sich eine Ansammlung von Wasser an der Spitze des Strahles mit dem gesammelten Impuls aufbaut, der über die Dauer des Auswurfs aus der Mundöffnung des Fischs abgegeben wurde. Dieser "Wasserklumpen" vermag deshalb bei dem kurzen Zusammenprall mit dem Insekt eine Kraft aufzubringen, die einem Vielfachen der Kraft des einfachen Wasserstrahls entspricht, denn Kraft ist die zeitliche Ableitung des Impulses. Die Erfindung hat sich daher zum Ziel gesetzt, über die gesamte Strahllänge, die dem Abstand zwischen Düse und Zielfläche entspricht, einen Impuls zu sammeln, um diesen dann in einem sehr kurzen Stoß in eine starke Kraft umzuwandeln. Dieses physikalische Prinzip wird auf andere Weise, z. B. bei Schlagbohrmaschinen in der Mechanik, bereits angewandt.The mechanism of a modified fluid jet with increased mechanical effectiveness, which helps to hunt insects in the wild in nature, has been scientifically elucidated. A well-defined modulation of both the mouth opening acting as a nozzle surface and the pressure in the oral cavity of the fish provides a steady increase in both the water jet velocity and the water jet pulse over time. This particular form of acceleration of water causes an accumulation of water at the tip of the jet to build up with the accumulated momentum released from the mouth of the fish over the duration of the ejection. This "water rag" is therefore able, in the short impact with the insect, to apply a force which is a multiple of the force of the simple jet of water, because force is the time derivative of the momentum. The invention has therefore set itself the goal to collect over the entire beam length, which corresponds to the distance between the nozzle and the target surface, a pulse in order then to convert it into a strong force in a very short burst. This physical principle is used in other ways, e.g. B. impact drills in mechanics, already applied.
Die Masse, die im ungestörten Strahl (du = 3 mm infolge Strahlkontraktion an der Düse) zwischen zwei Störstellen enthalten ist, beträgt:
Die Masse in einem Klumpen ergibt sich aus der Differenz zwischen der Masse des ungestörten Strahls und der Masse des verbleibenden dünnen Strahls zwischen den Klumpen:
Teilt man nun beide Massen, erhält man den Massenanteil im Klumpen:
Die Kraft F, die ein Strahl beim Aufprall auf ein Substrat ausübt, ist gleich der Impulsänderung des Strahls. Bei einem ungestörten Strahl ist die Geschwindigkeit konstant und somit auch die Aufprallkraft. Diese ist gleich dem Produkt aus Massenstrom mal Strahlgeschwindigkeit vordem Aufprall:
Mit den Werten für den ungestörten Fall ergibt sich eine Kraft von 0,13 Newton. Für den instationären Fall wird der Impuls des Klumpens berechnet und die Zeit Δt, in der dieser Impuls an das Substrat abgegeben wird, abgeschätzt. Dies ist mit Hilfe der Dicke des Klumpens möglich. Dessen Dicke entspricht etwa dem Strahldurchmesser (ungestört), d. h. die Wechselwirkung erfolgt in einer Zeit von Δt = du /u ≈ 0,7ms. Die Kraft des Klumpens Fk ergibt nach folgender Berechnung 2,76 Newton:
Dieser Wert ist 21-fach höher als beim ungestörten Strahl. Dabei wurden die der Berechnung zugrunde liegenden Versuche nicht mit dem Ziel durchgeführt, eine Maximierung des Impulssammelns zu erreichen.This value is 21 times higher than the undisturbed beam. The calculations underlying the calculation were not conducted with the aim of maximizing the accumulation of impulses.
Zur praktischen technischen Umsetzung sind unterschiedliche Ansätze geeignet. Die Umsetzung der Modulation der Düsenfläche ist technisch realisierbar, jedoch deutlich aufwändiger als die praktikablere Modulation des Drucks. Die Druckmodulation kann z. B. über eine Nockenwelle erreicht werden, die den Kompressionskolben einer Pumpe gegen eine Feder bewegt. Die Formgebung der Nockenwelle ist dann entscheidend für den Druckverlauf. Andere Formen der Druckmodifikation sind ebenfalls vorgesehen.For practical technical implementation different approaches are suitable. The implementation of the modulation of the nozzle surface is technically feasible, but much more complex than the more practical modulation of the pressure. B. be achieved via a camshaft which moves the compression piston of a pump against a spring. The shape of the camshaft is then decisive for the pressure curve. Other forms of pressure modification are also contemplated.
Ziel der praktischen Anwendung des modifizierten Flüssigkeitsstrahls ist es vor allem, Verunreinigung von einem Substrat gegen die Haftkraft abzulösen. Mit kleinen Drücken, aber sehr definierter, zeitlicher Entwicklung der Geschwindigkeit aus der Düse soll ein Aufsammeln von Impuls in der Flüssigkeit, insbesondere im Wasser, erreicht werden, das beim Aufprall auf die Verunreinigung dadurch eine wesentlich höhere, stoßartige Kraft aufbringt, als ein kontinuierlicher Strahl gleicher Geschwindigkeit aufzubringen vermag.The aim of the practical application of the modified liquid jet is, above all, to detach contamination from a substrate against the adhesive force. With small pressures, but very well defined, temporal evolution of the velocity from the nozzle, a collection of momentum in the liquid, especially in the water, is to be achieved, which, when impinging on the contaminant, will produce a much higher, jerky force than a continuous stream can apply at the same speed.
Die technische Umsetzung muss periodisch ausgeführt werden. Die Periode wird bevorzugt so lang gewählt werden, dass der nachfolgende Aufprall eines Strahlabschnitts allein und unmittelbar auf die Zielfläche bzw. die dort vorhandene Verunreinigung trifft, nicht hingegen auf das noch ablaufende Wasser des vorherigen Aufpralls. Eine längere Periode erlaubt außerdem eine stärkere Impulssammlung und erhöht somit die Wirksamkeit des einzelnen Stoßes.The technical implementation must be carried out periodically. The period is preferably chosen so long that the subsequent impact of a jet section alone and directly on the target surface or the impurity encountered there, but not on the still running water of the previous impact. A longer period also allows for more pulse accumulation, thus increasing the effectiveness of the single burst.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass ein Aufsammeln eines Strahlimpulses über einer gegebenen Spritzdauer Δt, möglich ist. Um dies zu erreichen, muss eine stetige Zunahme der Strahlgeschwindigkeit erfolgen, damit später aus der Düse abgegebene Fluidelemente die vorher abgegebenen Fluidelemente einholen können.It has surprisingly been found that it is possible to collect a beam pulse over a given spray duration Δt. To accomplish this, there must be a steady increase in jet velocity so that fluid elements later discharged from the nozzle can catch up with the previously dispensed fluid elements.
Der Zeitpunkt tk und Ort xk, wann und wo dies geschieht, ist schematisch anhand eines Weg-Zeit Diagrammes erkennbar (vgl.
An dieser Stelle wird eine weitere wichtige Regel sichtbar. Die Vereinigung von Fluidelementen darf nicht zu einer Kollision führen. Denn wenn ein sehr schnelles Fluidelement auf ein vorheriges, langsameres Fluidelement treffen würde, hätte dies zur Folge, dass das bis zu diesem Zeitpunkt gesammelte Fluid zerbrochen wird und in Form kleiner Tropfen weiterfliegen würde. Die kleinen Tropfen verlieren Impuls an die umgebende Luft und verteilen sich über ein wesentlich größeres Volumen. Eine allzu große Beschleunigung ist also nicht erwünscht. Die Erfahrung zeigt, dass eine globale Beschleunigung um 200 m/s2 noch sinnvoll ist. Diese globale Beschleunigung a ist definiert als die Differenz der Maximalgeschwindigkeit beim Spritzvorgang minus der Geschwindigkeit am Anfang des Spritzvorgangs, geteilt durch die Zeit der Geschwindigkeitszunahme.At this point another important rule becomes visible. The union of fluid elements must not lead to a collision. Because if a very fast fluid element would hit a previous, slower fluid element, this would cause the fluid collected up to that point to be broken and fly on in the form of small drops. The small drops lose momentum to the surrounding air and spread over a much larger volume. So much acceleration is not wanted. Experience shows that a global acceleration of 200 m / s 2 still makes sense. This global acceleration a is defined as the difference in the maximum speed during the injection process minus the speed at the beginning of the injection process, divided by the time of the speed increase.
Es hat sich mithin als bedeutsam herausgestellt, dass ein Aufbrechen des zuvor gesammelten Fluids verhindert werden muss. Zum einen hält die Oberflächenspannung σ eine Flüssigkeit zusammen, d. h. es gibt eine kritische Weberzahl, das Verhältnis von Trägheitskraft zur Oberflächenkraft, von der an eine Vereinigung der Fluidelemente nicht mehr möglich ist und es zum Auseinanderbrechen und Zerbersten des angesammelten Fluids kommt. Da es bisher keine wissenschaftlichen Erkenntnisse gibt, um diese Frage bei Strahlen (Fluidelementen) zu beantworten, können die Ergebnisse bei einem sehr ähnlichen, aber umgekehrten Phänomen herangezogen werden. Bei der Kollision von Tropfen des Durchmessers d mit einer Relativgeschwindigkeit urel liegt nach Nobari und Tryggvason die kritische Weberzahl bei 24 für eine Vereinigung der Tropfen.
Wenn die kritische Weberzahl We überschritten wird, so findet nur für eine kurze Zeit eine Vereinigung (coalescence) der Tropfen statt. Die vereinigte Flüssigkeit zerfällt im weiteren Verlauf in kleinere Fragmente. Der Grund hierfür liegt in der zu großen kinetischen Energie der Kollision. Bei Kollisionsenergien, die kleiner sind als die kritische Weberzahl, ermöglicht die Oberflächenspannung als Rückstellkraft mit der Trägkeitskraft Tropfenschwingungen als Ergebnis des Zusammenpralls.When the critical Weber number We is exceeded, a coalescence of the drops takes place only for a short time. The combined liquid decomposes further into smaller fragments. The reason for this is the too high kinetic energy of the collision. At collision energies smaller than the critical Weber number, the surface tension as the restoring force with the inertia force enables drop vibrations as a result of the collision.
Im Laufe der Zeit wird auf Grund der Zähigkeit die überschüssige Energie der Vereinigung dissipiert bzw. vernichtet, die Schwingungen klingen ab. Weiterhin führt die Zähigkeit dazu, dass bei kleiner Reynoldszahl es stets zu einem Zusammenfinden der Fluidelemente kommt. Wird die maximale Relativgeschwindigkeit errechnet, die zwischen Fluidelementen, den Tropfen, auftreten kann, ehe es zum Strahlaufbruch kommt, so wird bei Wasser der Einfluss der Weberzahl überwiegen. Denn bei einem Strahl mit 1 mm Durchmesser wäre die maximal Relativgeschwindigkeit ca. 0,8 m/s auf Grund der Reynoldszahl < 800, d. h. durch Dissipation der Wechselwirkungsenergie. Wogegen nach der Bedingung von Saroka Ashgriz We < 34, d. h. Effekt der Oberflächenspannung bei einem Wasserstrahl mit 1 mm Durchmesser eine maximale Relativgeschwindigkeit Δv von ca. 1,6 m/s ergeben würde. Diese Zahlen basieren aber auf Ergebnissen für den Zusammenprall von Tropfen. Werden die Ergebnisse für Messungen an Schützenfischen [
Die typische Zeitskala τ, in der die Vereinigungsvorgänge erfolgen, liegt bei nach dem Vorbild des Schützenfischs im Bereich von 6 bis 20 ms und die maximale Geschwindigkeit vmax bei ca. 20 - 25 m/s. Die maximale Relativgeschwindigkeit Δv beträgt 3 m/s, weil von dieser Relativgeschwindigkeit an die Zerstäubung der angesammelten Flüssigkeit einsetzt. Diese beiden Werte liefern eine relative Geschwindigkeitsmodulation ε nach der Formel
Basierend auf diesen Überlegungen konnte eine Abschätzung der Parameterbereiche für eine Reinigung nach dem erfindungsgemäßen Prinzip erfolgen. Je nach Entfernung zwischen der Düse und der zu reinigenden Fläche, der Zielfläche, liegt die Dauer der Einspritzung zwischen wenigen Millisekunden und einigen Zehntelsekunden. Die Geschwindigkeitszunahme erfolgt in dieser Zeit mit einem Faktor bis zu 3 - 4. Die maximale Geschwindigkeit der Flüssigkeit kann bis zu 20 m/s erreichen, jedoch muss damit gerechnet werden, dass in diesem Falle oder bei Überschreitung der maximalen Geschwindigkeit nicht ein einziges zusammenhängendes Flüssigkeitsvolumen das Ziel trifft und stattdessen mehrere Tropfen in einem kleinen engen Raumbereich innerhalb kurzer Zeit die zu reinigende Fläche treffen. Es wurde jedoch festgestellt, dass eine ähnliche Wirkung erzielt wird wie mit einem einzigen Tropfen. Entscheidend für das Wirkprinzip ist die Konzentration der Flüssigkeit auf ein kleines Volumen und deshalb auch für eine kurzzeitige, d. h. impulsartige Kraftwirkung auf das Ziel.Based on these considerations, it was possible to estimate the parameter ranges for a purification according to the principle of the invention. Depending on the distance between the nozzle and the surface to be cleaned, the target surface, the duration of the injection is between a few milliseconds and a few tenths of a second. The rate of increase in this time is a factor of up to 3 - 4. The maximum speed of the liquid can reach up to 20 m / s, but it must be expected that in this case or exceeding the maximum speed not a single contiguous volume of liquid the target hits and instead several drops in a small narrow space within a short time hit the surface to be cleaned. However, it has been found that a similar effect is achieved as with a single drop. Decisive for the active principle is the concentration of the liquid on a small volume and therefore also for a short-term, ie impulsive force on the target.
Es gibt eine weitere Begrenzung der Fluidgeschwindigkeit, nämlich die aerodynamische Weberzahl für Tropfenaufbruch:
Hier spielen die aerodynamischen Kräfte auf die Flüssigkeit eine Rolle. Der wesentliche Unterschied zur normalen Weberzahl ist, dass hier die Dichte des umgebenden Gases und die Relativgeschwindigkeit zum Gas wirksam werden. Mit zunehmender Relativgeschwindigkeit zum Gas verliert der Tropfen seine Kugelform und wird abgeplattet. Ab einer aerodynamischen Weberzahl von ca. 20 entsteht eine abgeflachte Tasche, die aufgebläht wird und aufbricht. Eine Abschätzung dieser Relativgeschwindigkeit für Wassertropfen in Luft liefert einen Wert von 35 m/s für Tropfen von 1 mm in Durchmesser, für Tropfen mit 5 mm liegt der Wert bei 16 m/s. Dies bedeutet, dass Wasserstrahlen mit zunehmender Geschwindigkeit auch von der Luft destabilisiert werden. Mit zunehmender Entfernung zwischen Düse und Ziel wird dieser Effekt wirksam. Deshalb zeigte es sich, dass die Strahlen Geschwindigkeiten von ca. 25 m/s nicht überschreiten sollten. Dies entspräche einem treibenden verlustfreien Differenzdruck von ca. 3 bar.Here the aerodynamic forces on the liquid play a role. The essential difference to the normal Weber number is that here the density of the surrounding gas and the relative velocity to the gas become effective. With increasing relative speed to the gas, the drop loses its spherical shape and is flattened. From an aerodynamic Weber number of about 20 creates a flattened bag that is bloated and breaks up. An estimate of this relative velocity for water droplets in air gives a value of 35 m / s for drops of 1 mm in diameter, for drops of 5 mm the value is 16 m / s. This means that water jets are also destabilized by the air with increasing speed. As the distance between the nozzle and the target increases, this effect becomes effective. Therefore, it was found that the rays should not exceed speeds of about 25 m / s. This would correspond to a driving loss-free differential pressure of approx. 3 bar.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Flüssigkeitsstrahl mittels einer Kolbenpumpe erzeugt wird und die stetige Zunahme der Strahlgeschwindigkeit beim Austritt aus der Düse durch eine zumindest zeitabhängige Steuerung der Kolbenpumpe und der Kolbenbewegung hervorgerufen wird. Alternativ hierzu oder als ergänzende Maßnahme wird die stetige Zunahme der Strahlgeschwindigkeit beim Austritt aus der Düse durch eine entsprechende Steuerung eines Düsenquerschnitts und/ oder einer Düsenöffnung hervorgerufen.It has proved to be advantageous if the liquid jet is generated by means of a piston pump and the steady increase in the jet velocity on exit from the nozzle is caused by an at least time-dependent control of the piston pump and the piston movement. Alternatively, or as a supplementary measure, the steady increase in the jet velocity on exit from the nozzle is caused by a corresponding control of a nozzle cross-section and / or a nozzle opening.
Die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen darin, dass mit einer sehr harten Pulsation durch einen "Wasserklumpen" der gesammelte Impuls erreicht werden kann. Damit werden bis zu 60-fach größere Kraftspitzen auf den zu reinigenden Oberflächen gegenüber konventionellen Spritzdüsen erzeugt und damit Einsparpotentiale von 50 % an Reinigungszeit und Reinigungsmittelverbrauch je nach Verschmutzungscharakteristik erwartet. Die Kraftverstärkung liegt auch weit über denen herkömmliche pulsierender Flüssigkeitsstrahlen. Dies wird durch die spezielle Modulation der Spritzstrahlen erreicht.The particular advantages of the method according to the invention are that with a very hard pulsation through a "water rag" the collected pulse can be achieved. Thus, up to 60 times greater force peaks are generated on the surfaces to be cleaned compared to conventional spray nozzles and thus savings potential of 50% of cleaning time and detergent consumption expected depending on the contamination characteristics. The power gain is also far above that of conventional pulsating liquid jets. This is achieved by the special modulation of the spray jets.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Sammlung von Strahlimpuls während der Phase der Strahlbildung und -ausbreitung. Bei der anschließenden kurzen Wechselwirkung des Strahls mit der Zielfläche, z. B. einem Substrat oder einer Verschmutzung, entstehen signifikant höhere Kräfte, welche beim Strahlaufprall für die Reinigung zur Verfügung stehen und die Verschmutzung wesentlich stärker schädigen. Der Ansatz unterscheidet sich somit grundsätzlich von bisher bekannten Wirkprinzipien pulsierender Strahlen. Dieser Unterschied lässt sich gut mit dem Vergleich von Schlagbohrmaschine und Bohrhammer erklären: bei beiden werden pulsartige Stöße auf das Werkstück ausgeübt. Dabei wird der Schlagbolzen beim Bohrhammer jedoch über eine wesentlich längere Zeit beschleunigt, bevor er den Meißel trifft. Dies bedeutet, dass entsprechend mehr Impuls im Schlagbolzen gesammelt wird, wodurch der Bohrhammer wesentlich größere Kraftspitzen erzielt - vergleichbar zu dem erfindungsgemäßen modifizierten Flüssigkeitsstrahl. Dem hingegen zeigen die bisher forschungsseitig bekannten, pulsierenden Strahlen eng aufeinanderfolgende Unterbrechungen des Strahls - vergleichbar mit der weniger effektiven Schlagbohrmaschine.The method according to the invention enables the collection of beam pulses during the phase of beam formation and propagation. In the subsequent brief interaction of the beam with the target surface, z. As a substrate or pollution, significantly higher forces, which are available for the cleaning of the beam during cleaning and damage the pollution much more. The approach thus differs fundamentally from hitherto known principles of action of pulsating rays. This difference can be explained well by comparing the impact drill and the hammer drill: in both, pulsed impacts are exerted on the workpiece. However, the firing pin in the hammer drill is accelerated over a much longer time before he hits the chisel. This means that correspondingly more pulse is collected in the firing pin, whereby the hammer achieves much greater force peaks - comparable to the modified liquid jet according to the invention. On the other hand, the pulsating beams known so far on the research side show narrow successive interruptions of the jet - comparable to the less effective percussion drill.
Ein weiterer Aspekt betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Folge von Abschnitten eines Flüssigkeitsstrahls, wobei ein einzelner Strahlabschnitt des diskontinuierlichen, modifizierten Flüssigkeitsstrahls vor dem Auftreffen auf einer Zielfläche eine in Bewegungsrichtung geringere Länge hat als nach dem Austritt aus einer Düse. Die Vorrichtung umfasst die Düse und eine mit der Düse fluidtechnisch verbundene Einrichtung zur Druckerzeugung in der Flüssigkeit. Nach der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Einrichtung zur Druckerzeugung einer Flüssigkeit eine gesteuerte Kolbenpumpe, ausgeführt zur zumindest zeitabhängigen Ansteuerung einer Kolbenbewegung, umfasst. Alternativ oder ergänzend dazu weist die Düse einen steuerbaren Düsenquerschnitt und/ oder eine steuerbare Düsenöffnung auf.A further aspect relates to a device for producing a sequence of sections of a liquid jet, wherein a single jet section of the discontinuous, modified liquid jet has a length which is shorter in the direction of movement before it hits a target surface than after exit from a nozzle. The apparatus comprises the nozzle and a device fluidically connected to the nozzle for generating pressure in the liquid. According to the invention, it is provided that the device for generating pressure of a liquid comprises a controlled piston pump, designed for the at least time-dependent control of a piston movement. Alternatively or additionally, the nozzle has a controllable nozzle cross-section and / or a controllable nozzle opening.
Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn eine manuelle oder roboterbasierte Reinigung mittels einer Düse erfolgt, deren Ausrichtung veränderbar ist, so dass sich die Strahlrichtung einstellen lässt. Eine hierzu geeignete Vorrichtung kann z. B. als eine Düsenlanze ausgeführt sein.It has also proven to be advantageous if a manual or robot-based cleaning by means of a nozzle whose orientation is variable, so that the beam direction can be adjusted. A suitable device may, for. B. be designed as a nozzle lance.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung des modifizierten Flüssigkeitsstrahls als Reinigungsstrahl. Dabei ist eine Verwendung zur Spritzreinigung industrieller Bauteile vorgesehen. Ebenso ist es vorgesehen, den modifizierten Flüssigkeitsstrahl als Reinigungsstrahl für eine Behälterreinigung oder Tankreinigung mit einem Zielstrahlreiniger einzusetzen. Auch eine Spritzreinigung offener Oberflächen industrieller Geräte und Anlagen oder von Oberflächen von Industriefußböden, Geh- und Fahrwegen, Terrassenböden oder Fassaden ist vorgesehen. Neben den Anwendungen zur Reinigung sind auch eine Oberflächenbearbeitung oder ein Schneidvorgang vorgesehen. Ebenso sind Anwendungen in den Bereichen Steinbearbeitung, wie Tunnel-, Bergbau, Feuerlöschtechnik oder Polizeitechnik vorgesehen.Another aspect of the present invention relates to the use of the modified liquid jet as a cleaning jet. In this case, a use for spray cleaning industrial components is provided. It is also intended that the modified liquid jet used as a cleaning jet for a container cleaning or tank cleaning with a jet cleaner. Also, a spray cleaning of open surfaces of industrial equipment and systems or surfaces of industrial floors, walkways and driveways, terrace floors or facades is provided. In addition to the applications for cleaning, a surface treatment or a cutting process are provided. Similarly, applications in the fields of stone processing, such as tunneling, mining, fire fighting or police technology are provided.
Das erfindungsgemäße Verfahren verspricht eine bisher unerreichte mechanische Reinigungswirkung auch bei großen Düsenabständen und niedrigem Betriebsdruck. Die Reinigung der Objekte erfolgt schonend, denn die hohen Kraftspitzen wirken nur über eine kurze Zeit, im Gegensatz zur Reinigung mit einem Strahl unter hohem Druck, bei der dauerhaft hohe Kräfte wirken. Zusätzlich werden gegenüber bekannten Systemen Ressourcen wie Zeit, Wasser, chemische Zusätze und Energie in hohem Maße gespart.The inventive method promises unprecedented mechanical cleaning effect even at large nozzle distances and low operating pressure. The cleaning of the objects is gentle, because the high force peaks work only for a short time, in contrast to cleaning with a jet under high pressure, in which permanently high forces act. In addition, resources such as time, water, chemical additives and energy are greatly reduced over known systems.
Der Bedarf an relevanten Spritzreinigungsanlagen im Bereich der industriellen Teilereinigung ist enorm, müssen doch fast alle Bauteile vor jedem weiteren Bearbeitungsschritt oder bei Endauslieferung gemäß den prozessbedingten Sauberkeitsanforderungen gereinigt werden. Die nasschemischen Verfahren nehmen dabei einen Marktanteil von 60 % ein, wobei hier wiederum die Spritzreinigung bei mehr als der Hälfte der Unternehmen Verwendung findet. Die Verkürzung von Taktzeiten ist bei Einhaltung der geforderten Bauteilsauberkeit direkt mit einer höheren Ausbringung und somit der Steigerung der Produktivität einer Anlage bzw. einer ganzen Fertigungslinie verbunden. Eine große Zahl von Unternehmen überwachen die Durchlaufzeiten als Optimierungskriterium. Des Weiteren beziffern viele Unternehmen den Anteil der Reinigungskosten auf durchschnittlich ca. 10 % am Gesamtherstellungsprozess von Bauteilen, wodurch das große Einsparpotenzial im Bereich Reinigung sichtbar wird.The demand for relevant spray cleaning systems in the field of industrial parts cleaning is enormous, since almost all components have to be cleaned before each further processing step or at the time of final delivery in accordance with the process-related cleanliness requirements. The wet-chemical processes occupy a market share of 60%, whereby spray cleaning is used by more than half of the companies. The reduction of cycle times is directly connected with a higher output and thus the increase in productivity of a plant or an entire production line while maintaining the required component cleanliness. A large number of companies monitor the throughput times as an optimization criterion. In addition, many companies estimate the proportion of cleaning costs as an average of around 10% of the total manufacturing process of components, which shows the great savings potential in the area of cleaning.
Die Prozesse beider industrieller Anwendungen können in der Regel der Massenfertigung zugeordnet werden, wodurch die Verkürzung von Taktzeiten bei der Teilereinigung bzw. Stillstandszeiten bei der Reinigung von Verarbeitungsanlagen insbesondere in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie direkt mit der höheren Ausbringung und somit Steigerung der Produktivität einer Anlage verbunden ist. Damit wird zugleich die angestrebte Entkoppelung des Wirtschaftswachstums vom Ressourcenverbrauch, die von wesentlicher Bedeutung für die Zukunftsfähigkeit ganzer Volkswirtschaften sein wird, unterstützt.The processes of both industrial applications can usually be assigned to mass production, whereby the shortening of cycle times in the parts cleaning or downtime in the cleaning of processing plants, especially in the food and pharmaceutical industries directly associated with the higher output and thus increase the productivity of a plant is. In order to At the same time, the desired decoupling of economic growth from resource consumption, which will be essential for the sustainability of whole economies, will be supported.
Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung erarbeiteten Aussagen zur Wirkweise und industriellen Anwendbarkeit dieser Technologie stellen eine Neuerung auf technischem Gebiet dar, woraus sich zugleich die gewerbliche Anwendbarkeit ergibt. Die gesellschaftliche Relevanz dieser Innovation liegt vornehmlich im Beitrag zur Ressourcenschonung (Reduzierung von Zeit, Wasser, chemische Zusätze und Energie), der Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit sowie der Erhöhung der Verbrauchersicherheit durch gründlicher gereinigte Lebensmittelanlagen.The statements made in the context of the present invention on the mode of action and industrial applicability of this technology represent an innovation in the technical field, which at the same time results in industrial applicability. The social relevance of this innovation lies primarily in contributing to the conservation of resources (reducing time, water, chemical additives and energy), improving competitiveness and increasing consumer safety through well-cleaned food facilities.
Folgende Figuren sind bereits in der vorstehenden Beschreibung erwähnt worden. Sie zeigen Diagramme.
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Fig. 1 : Weg-Zeit-Diagramm, das beispielhaft drei diskrete Abschnitte des bis zum Zeitpunkt tk und zum Ort xk strömenden Strahlabschnitts zeigt; -
Fig. 2 : die Trennlinie zwischen dauerndem Zusammenhalt (permanent coalescence) und nur temporärem Zusammenhalt zwischen kollidierenden Tropfen gleicher Größe; und -
Fig. 3 : Ergebnisse zur Trennlinie zwischen dauerndem Zusammenhalt (permanent coalescence) und nur temporärem Zusammenhalt zwischen kollidierenden Tropfen gleicher Größe.
-
Fig. 1 : Path-time diagram showing, by way of example, three discrete sections of the beam section flowing up to time t k and to location x k ; -
Fig. 2 : the dividing line between permanent coalescence and only temporary cohesion between colliding drops of the same size; and -
Fig. 3 : Results on the dividing line between permanent coalescence and only temporary cohesion between colliding drops of the same size.
Anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und ihrer Darstellung in der zugehörigen Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:
-
Fig. 11 : schematisch eine Darstellung von Düse und Zielfläche sowie den dazwischen ausgebildeten Strahlabschnitten; -
Fig. 12 bis 14 : Düsen nach dem Stand der Technik; -
Fig. 15 : schematisch eine Darstellung der Austrittsgeschwindigkeit des Strahls mit Bildung von Wasserklumpen; und -
Fig. 16 : schematisch eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung einer Folge von Strahlabschnitten eines diskontinuierlichen, modifizierten Flüssigkeitsstrahls.
-
Fig. 11 FIG. 2 is a schematic representation of nozzle and target surface and the beam sections formed therebetween; FIG. -
Fig. 12 to 14 : Nozzles according to the prior art; -
Fig. 15 FIG. 2 is a schematic representation of the exit velocity of the jet with the formation of water rags; FIG. and -
Fig. 16 FIG. 2 is a schematic representation of a device according to the invention for generating a sequence of jet sections of a discontinuous, modified liquid jet. FIG.
Zusätzlich steigen infolge der sehr kurzen, impulssammelnden Stöße die Spritzpausen auf der Oberfläche gegenüber der herkömmlichen Pulsation (vgl. Fig. 4), wodurch der dämpfende Flüssigkeitsfilm vollständig ablaufen kann und die Strahlkraft direkt auf die Verschmutzung auf der Zielfläche wirkt. Durch die genannten Effekte wird die Verschmutzung um ein Vielfaches stärker und in nachhaltiger Weise zerstört, wodurch die Reinigungs- bzw. Taktzeiten sinken oder die Reinigungsmittelkonzentration und -temperatur bei gleichem Reinigungsergebnis verringert werden können.In addition, due to the very short, impulse accumulating shocks, the splash pauses on the surface increase over the conventional pulsation (see Fig. 4), whereby the damping liquid film can completely drain and the jet force acts directly on the fouling on the target surface. Due to the above effects, the pollution is destroyed many times stronger and in a sustainable manner, whereby the cleaning or cycle times decrease or the cleaning agent concentration and temperature can be reduced with the same cleaning result.
Ein Diagramm 30 zeigt den Druckverlauf über der Zeit. Der Stoßdruck pstoß beträgt ein Vielfaches des Staudrucks pstau. Bei den
Reinigungsvorteile sind hierbei durch zwei Effekte zu erwarten. Zum einen wird die Verschmutzung stärker beeinträchtigt, wenn infolge der Strahlunterbrechungen sich der den Spritzstrahl dämpfende Flüssigkeitsfilm nicht vollständig auf der zu reinigenden Oberfläche ausbilden kann. Zum anderen wird im Allgemeinen die Reinigungsflüssigkeit das Bauteil wesentlich turbulenter umströmen. Da die Strahlunterbrechung aber auch mit einem Impulsverlust auf der Oberfläche über der Zeit verbunden ist, kann damit gerechnet werden, dass keine signifikant verbesserte Reinigungswirkung entsteht.Cleaning advantages are to be expected by two effects. On the one hand, the pollution is more severely impaired if, as a result of the jet interruptions, the liquid jet which damps the spray jet does not completely settle on the surface to be cleaned Can form surface. On the other hand, in general, the cleaning fluid will flow around the component much more turbulent. Since the beam interruption is also associated with a loss of momentum on the surface over time, it can be expected that no significantly improved cleaning effect arises.
Diese Form des Impulssammelns aus der rechten Abbildung g) ist bereits bei 120 mm abgeschlossen. Durch eine Vergrößerung des Abstandes von der Düse können längere Integrationszeiten erreicht werden. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, mehr Zeit einzuplanen, je weiter entfernt das Ziel ist (bis zu 70 ms bei einem Abstand von 600 mm). Dies entspräche einer Frequenz von 14 Hertz. Die Impulsaufsammlung sowie die resultierende Kraft sind hier noch einmal bis zu einem Vierfachen größer.This form of impulse collection from the right figure g) is already completed at 120 mm. By increasing the distance from the nozzle, longer integration times can be achieved. It has proven to be more beneficial Time to plan, the farther away the target is (up to 70 ms at a distance of 600 mm). This would correspond to a frequency of 14 hertz. The impulse collection as well as the resulting force are once again up to four times bigger.
An der rechten Abbildung g) wird deutlich, dass die Klumpen auch die Form eines breiten, flachen Zylinders haben können. Diese Form ist möglicherweise für die Reinigung sehr interessant, da eine größere Fläche gleichzeitig abgedeckt wird. In diesem Fall beträgt der Durchmesser des Klumpens etwa das Zehnfache des ungestörten Strahldurchmessers. Da bei Vergrößerung des Durchmessers sich jedoch der auf die verschmutzte Oberfläche aufgebrachte Strahldruck (Impact) reduziert, ist eine für die Reinigung optimale Klumpenform zu ermitteln und zu erzeugen.On the right figure g) it becomes clear that the lumps can also have the shape of a broad, flat cylinder. This shape may be very interesting for cleaning as it covers a larger area at the same time. In this case, the diameter of the lump is about ten times the undisturbed beam diameter. As the diameter increases, however, the applied jet pressure (Impact) on the contaminated surface is reduced. Therefore an optimal lump shape for the cleaning should be determined and generated.
Die Vorrichtung 100 umfasst weiterhin eine Kolbenpumpe 116, in der sich ein Kolben 118 bewegt und den Druck der Flüssigkeit, aus der der Flüssigkeitsstrahl erzeugt wird, hervorruft. Der Kolben 118 ist über seine Kolbenstange mit einem Kolbenantrieb 120 verbunden, der in der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform als ein Linearanrieb ausgeführt ist.The
Um den erfindungsgemäß vorgesehenen Druckverlauf zu erreichen, ist eine Steuerung 122 vorgesehen, die den Kolbenantrieb 120 steuert und hierzu mit dem Kolbenantrieb 120 steuerungstechnisch verbunden ist. Eine solche steuerungstechnische Verbindung besteht ebenfalls zu dem Schwenkantrieb 114 und zu einem Dosierventil 126. Das Dosierventil 126 dosiert für jede Periode eine vorgesehene Flüssigkeitsmenge aus einem Flüssigkeitsreservoir 124, um einen modifizierten Flüssigkeitsstrahl mit den gewünschten Eigenschaften erzeugen zu können.In order to achieve the pressure curve provided according to the invention, a
Anstelle einer einzelnen Düse 110 sehen alternative Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Lösung auch mehrere Austrittsorte an der Düsenlanze 112 vor. Diese weiteren Düsen 110 können zudem einzeln steuerbar ausgestaltet sein, so dass auch ohne Bewegung der Düsenlanze 112 unterschiedliche Orte gleichzeitig oder nacheinander behandelt werden können.Instead of a
Der erfindungsgemäße Verfahrensablauf startet in seiner bevorzugten Ausgestaltung mit der Dosierung der Flüssigkeitsmenge in die Kolbenpumpe 116. Danach wird mittels des Schwenkantriebs 114 die Düse 110 in die gewünschte Ausrichtung gegenüber der Zielfläche 26 gebracht. Danach wird der Kolbenantrieb 120 so gesteuert, dass aus der Düse 110 der modifizierte Flüssigkeitsstrahl mit den gewünschten Eigenschaften austritt und als Klumpen auf die Zielfläche 26 auftrifft.In its preferred embodiment, the process sequence according to the invention starts with the metering of the quantity of liquid into the
- 10, 11010, 110
- Düsejet
- 1212
- Strahl (kontinuierlich)Beam (continuous)
- 1414
- Strahl (unterbrochen)Beam (interrupted)
- 1616
- Strahl (herkömmliche Pulsation)Ray (conventional pulsation)
- 2020
- Strahl (Hammerpulsation)Ray (hammer pulsation)
- 2121
- Strahlabschnittbeam section
- 2222
- Wasserklumpenwater Cluster
- 2626
- Zielflächetarget area
- 2828
- Bewegungsrichtungmovement direction
- 30 - 3330 - 33
- Diagrammediagrams
- 4141
- Bereich dauernden ZusammenhaltsArea of continuous cohesion
- 4242
- Bereich temporären ZusammenhaltsArea of temporary cohesion
- 4343
- Bereich der SeparationArea of separation
- 4444
- Bereich des ZusammenhaltsArea of cohesion
- 100100
- Vorrichtung zur Erzeugung einer Folge von StrahlabschnittenDevice for generating a sequence of beam sections
- 112112
- Düsenlanzenozzle lance
- 114114
- SchwenkantriebRotary actuator
- 116116
- Kolbenpumpepiston pump
- 118118
- Kolbenpiston
- 120120
- Kolbenantriebpiston drive
- 122122
- Steuerungcontrol
- 124124
- Flüssigkeitsreservoirliquid reservoir
- 126126
- Dosierventilmetering valve
Claims (13)
sich eine Weberzahl We aus einer Dichte ρ, einem Tropfendurchmesser d, einer Relativgeschwindigkeit urel und einer Oberflächenspannung σ aus der Formel
Weber number We from a density ρ, a drop diameter d, a relative velocity u rel and a surface tension σ from the formula
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