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Die Erfindung betrifft eine Strahlvorrichtung zur
Abstrahlung eines Strahlmittels, welches Treibgas und Strahlgut
umfasst, wobei die Strahlvorrichtung eine erste Zuführung besitzt
und einen sich verjüngenden
Abschnitt aufweist, in dem der Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung
bis auf einen minimalen Düsenquerschnitt
abnimmt, und einen sich stromabwärts
anschließenden,
sich erweiternden Abschnitt aufweist, in dem der Strömungsquerschnitt
in Strömungsrichtung
zunimmt. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum
Strahlreinigen mit Hilfe eines Treibgas und Strahlgut umfassenden
Strahlmittels, wobei zumindest ein Teil des Strahlmittels beschleunigt
wird.
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Beim Strahlreinigen mit Trockeneis
wird Trockeneisgranulat in Reiskorngröße, sogenannte Pellets, in
einen Druckluftstrom eindosiert, in einer Strahldüse beschleunigt
und dann auf das abzustrahlende Objekt gerichtet. Die Pellets kühlen beim Auftreffen
auf das Objekt die Oberfläche
punktuell ab und verspröden
diese. Die versprödeten
Oberflächenschichten
werden durch nachfolgende Pellets abgetragen.
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Bei sogenannten Ein-Schlauch-Anlagen
wird das Strahlgut, beispielsweise das Trockeneisgranulat, gemeinsam
mit einem Luftstrom einer Strahldüse zugeführt und beschleunigt. Die Strahldüse ist so ausgeführt, dass
in einem ersten Abschnitt die freie Querschnittsfläche zunächst allmählich abnimmt,
bis das sogenannte Laval-Verhältnis
erreicht ist. In diesem Punkt reduziert sich der statische Druck
auf die Hälfte,
während
die Luftströmung
Schallgeschwindigkeit erreicht. Bei der anschließenden Erweiterung des Strömungsquerschnittes
beschleunigt die Luftströmung
theoretisch bis etwa zur zweifachen Schallgeschwindigkeit.
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Das eigentliche Ziel ist aber nicht
die Luftströmung,
sondern das Strahlgut, d.h. das Trockeneisgranulat, möglichst
stark zu beschleunigen. Aufgrund der Massenträgheit des Strahlguts bleibt
dessen Geschwindigkeit jedoch deutlich hinter der Strömungsgeschwindigkeit
der Luft zurück.
So haben Untersuchungen gezeigt, dass beim Trockeneisstrahlen die
Geschwindigkeit der Partikel in der Regel die Schallgeschwindigkeit
nicht überschreitet.
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Aufgabe vorliegender Erfindung ist
es daher, eine Strahlvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren
zum Abstrahlen eines Strahlmittels zu entwickeln, die größere Geschwindigkeiten
des Strahlmittels ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Strahlvorrichtung
der eingangs genannten Art gelöst,
bei der ein Bypass zur Führung
eines Teils des Gasstromes um den minimalen Düsenquerschnitt vorgesehen ist.
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Die Strahlvorrichtung umfasst eine
Strahldüse,
die einen sich verjüngenden
Abschnitt aufweist, in dem der Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung bis
auf einen minimalen Düsenquerschnitt
abnimmt, und die einen sich stromabwärts anschließenden, sich
erweiternden Abschnitt aufweist, in dem der Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung
zunimmt. Erfindungsgemäß ist ein
Bypass zumindest um den minimalen Düsenquerschnitt vorgesehen,
so dass der abgezweigte Treibgasstrom in der Strahldüse nicht
die maximal mögliche
Beschleunigung erfährt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Strahlreinigen
mit Hilfe eines Treibgas und partikelförmiges Strahlgut umfassenden
Strahlmittels zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest ein Teil
des Strahlmittels beschleunigt wird, wobei ein Teil des Treibgases
vor der Beschleunigung des Strahlmittels abgezweigt und nach der
Beschleunigung des Strahlmittels dem Strahlmittelstrom zugeführt wird.
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Durch die Zumischung des abgezeigten Treibgasstromes
in den beschleunigten Strahlmittelstrom wird die Strahlleistung
deutlich gesteigert, ohne dass zusätzliches Treibgas zugeführt werden muss.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführte Untersuchungen
haben ergeben, dass sich bei der herkömmlichen Beschleunigung des Strahlmittelstromes
in einer Düse
an den Düsenwandungen
eine Randschicht ausbildet, in der die Geschwindigkeit des Strahlmittelstromes
stark reduziert ist. Die Geschwindigkeitsverteilung im Strahlmittelstrom
wird hierdurch negativ beeinflusst.
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Es hat sich daher als besonders günstig erwiesen,
den abgezweigten Treibgasstrom dem Strahlmittelstrom so zuzuführen, dass
der Strahlmittelstrom von dem Treibgasstrom umhüllt wird. Vorrichtungsseitig
wird dies bevorzugt dadurch realisiert, dass zumindest der Bereich
des minimalen Düsenquerschnitts
von einem Ringkanal umgeben ist, der als Bypass dient. Der Treibgas
und partikelförmiges Strahlgut
enthaltende Strahlmittelstrom wird von einem im Wesentlichen von
Partikeln freien Mantelstrom eingehüllt. Auf diese Weise werden
zum einen Beschädigungen
an der Strahlvorrichtung durch auftreffende Partikel verringert,
zum anderen wird das Geschwindigkeitsprofil des Strahlmittelstromes
deutlich verbessert.
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Vorzugsweise wird der Treibgasstrom
in einem Bereich mit sich in Strömungsrichtung
verringerndem Querschnitt, insbesondere in dem sich verjüngenden
Abschnitt der Strahldüse
abgezweigt. Durch den abnehmenden Querschnitt im Bereich der Treibgasabzweigung
verursacht die Treibgasentnahme keine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit
des in der Strahldüse
weiter strömenden
Strahlmittels.
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Die Eintrittsöffnungen in den Bypass sind
bevorzugt so ausgeführt,
dass im wesentlichen nur Treibgas und keine Strahlgutpartikel in
den Bypass geführt
werden. Hierbei ist es besonders günstig, wenn die Eintrittsöffnungen
so ausgelegt sind, dass zum einen kein Strahlgut in den Bypass eindringen kann,
zum anderen aber eine ausreichende Treibgasmenge abgezweigt wird.
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In der Praxis hat sich gezeigt, dass
eine Abzweigung von 5 bis 50% des Treibgases vorteilhaft ist. Besonders
vorteilhaft werden zwischen 10 und 30% des Treibgases abgezweigt.
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Die Strömungsgeschwindigkeit des Strahlmittelstromes
und damit auch die Strahlleistung werden insbesondere dann verbessert,
wenn der abgezweigte Treibgasstrom ebenfalls beschleunigt wird. Hierzu
ist es günstig,
auch in dem Bypass einen Abschnitt mit sich in Strömungsrichtung
verringerndem Querschnitt vorzusehen. Auf diese Weise wird dem Strahlmittelstrom
ein Treibgasstrom mit hoher Geschwindigkeit zugemischt, was sich
positiv auf die Fokussierbarkeit und Reichweite des Strahlmittelstromes
auswirkt.
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Die für eine Beschleunigung des Strahlmittelstromes
und des abgezweigten Treibgasstromes erforderlichen Druckverhältnisse
lassen sich bei einer bevorzugten Ausführungsform dadurch einstellen,
dass der Querschnitt des Bypasses, insbesondere die minimale Querschnittsfläche des
Bypasses, veränderbar
ist. Über
die Anpassung der Geometrie des Bypasses regelt sich der Treibgasdurchsatz selbst.
Die Strömungsverhältnisse
in der Strahlvorrichtung lassen sich zudem durch entsprechende Einstellung
der geometrischen Verhältnisse
im Bypass mit hoher Genauigkeit reproduzierbar wiederholen.
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Die Strömungsverhältnisse in dem Bereich, in
dem der abgezweigte Treibgasstrom in den Strahlmittelstrom zurückgeführt wird,
werden bevorzugt so eingestellt, dass der statische Druck nach der
Beschleunigung des Strahlmittelstromes 25 bis 75 % des statischen
Druckes vor der Beschleunigung beträgt.
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Von Vorteil schließt sich
an den sich erweiternden Abschnitt der Strahldüse, stromabwärts der Stelle
an der der abgezweigte Treibgasstrom in den Strahlmittelstrom rückgeführt wird,
eine weitere Strahldüse
an, die zur Nachbeschleunigung dient. Durch Kombination mit der
erfindungsgemäßen Strahlvorrichtung
ist es möglich,
Düsen auf
unterschiedlichste Umstände
und Einsatzbedingungen einzustellen, obwohl sie ursprünglich für andere
Drücke
und Volumenströme
ausgelegt waren.
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Die Erfindung hat sich insbesondere
zum Strahlreinigen mit Kohlendioxid-Pellets bewährt, wobei vorzugsweise Luft
als Treibgas zugegeben wird. Als Strahlgut kommen ferner Kohlendioxid-Schnee, aber
auch Sand und sonstiges Granulat in Betracht.
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Die Erfindung ist sowohl bei sogenannten Ein-Schlauch-Anlagen
als auch bei Zwei-Schlauch-Anlagen
mit Vorteil einsetzbar. Bei einer Ein-Schlauch-Anlage wird das Strahlmittel
als Gemisch aus Treibgas und Strahlgut über eine Zuführung zur
Strahlvorrichtung geleitet. Ein Teil des Treibgases wird erfindungsgemäß aus diesem
Gemisch abgezogen und nach Beschleunigung des verbleibenden Strahlmittelstromes
letzterem wieder zugeführt.
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Bei einer Zwei-Schlauch-Anlage wird über eine
erste Zuführung
nur Treibgas und über
eine zweite Zuführung
ein Gemisch aus Treibgas und Strahlgut zur Strahlvorrichtung geleitet.
In der Strahlvorrichtung werden diese beiden Ströme zusammengeführt, gemeinsam
beschleunigt und schließlich
abgestrahlt. Erfindungsgemäß wird aus
dem Treibgasstrom, vorzugsweise vor der Zusammenführung mit dem
Treibgas-Strahlgut- Strom,
ein Teilstrom abgezweigt und stromabwärts des minimalen Düsenquerschnitts
wieder zurückgeführt.
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Die Erfindung hat zahlreiche Vorteile
gegenüber
dem Stand der Technik. So ist die erfindungsgemäße Strahlvorrichtung sehr einfach
handhabbar und kann durch Verstellen des Ringspaltes bzw. des Bypass-Querschnitts
leicht an unterschiedliche Druckverhältnisse und Durchsätze angepasst
werden. Die Strahlleistung wird ohne zusätzlichen Treibgasverbrauch
gesteigert. Die Strahlvorrichtung ist ferner mit nahezu allen Druckstrahldüsen kombinierbar
und sowohl für
abrasives als auch für
nichtabrasives Strahlgut geeignet. Der Strahl ist gut fokussierbar
und erlaubt größere Abstände zwischen
der Strahlvorrichtung und dem zu reinigenden Objekt. Schließlich werden
durch den im wesentlichen Strahlgut-freien Mantelstrom Abrasionsschäden im Expansionsteil
der Düse
reduziert.
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Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten
der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei
zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Ausführungsform
für eine
Ein-Schlauch-Anlage und
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2 eine
erfindungsgemäße Strahlvorrichtung
für eine
Zwei-Schlauch-Anlage.
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In 1 ist
eine erfindungsgemäße Ein-Schlauch-Anlage
dargestellt, wie sie zum Strahlreinigen mit Kohlendioxid-Pellets
eingesetzt wird. Die Strahlvorrichtung besitzt eine Strahlmittelzuführung 1, über die
ein Luftstrom zugeführt
wird, dem Kohlendioxid-Pellets
zugemischt wurden. Der Strahlmittelstrom 2 aus Luft und
Pellets tritt in einen Bereich 3 ein, in dem ein Teil des
Luftstromes abgezweigt wird. Hierzu sind in den Wandungen Öffnungen 4 mit
einem Durchmesser von etwa 1 mm vorgesehen, die so klein sind, dass
Kohlendioxid-Pellets die Öffnungen 4 nicht
passieren können.
Andererseits wird über die
Anzahl der Öffnungen 4 deren
Gesamtquerschnitt so bestimmt, dass eine Luftmenge 5 zwischen
20 und 30% des Gesamtluftstromes durch die Öffnungen 4 tritt.
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Die Abzweigung des Teils 5 des
Luftstromes beeinflusst die Strömungsgeschwindigkeit
des verbleibenden Strahlmittelstromes 6. In dem Bereich 3 wird
deshalb der Querschnitt für
den Strahlmittelstrom 6 so verengt, dass dessen Strömungsgeschwindigkeit
nicht abnimmt.
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An den Bereich 3 zur Abtrennung
des Teilluftstromes 5 schließt sich eine Vorbeschleunigerdüse 7, 8, 9 an,
die einen Abschnitt 7 aufweist, dessen Querschnitt sich
in Strömungsrichtung
bis auf einen minimalen Querschnitt 8 verjüngt, und
auf den stromabwärts
ein sich in Strömungsrichtung
erweiterender Abschnitt 9 folgt. Die Vorbeschleunigerdüse 7, 8, 9 dient
zur Vorbeschleunigung des Strahlmittelstromes 6. Der Strahlmittelstrom 6 tritt
in die Vorbeschleunigerdüse 7, 8, 9 ein,
wird beschleunigt und verlässt
die Vorbeschleunigerdüse 7, 8, 9 mit
höherer
Geschwindigkeit 14.
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Der abgezweigte Teilluftstrom 5 strömt in einem
die gesamte Vorbeschleunigerdüse 7, 8, 9 umgebenden
Ringkanal 21 und wird dann über einen Ringspalt 12 wieder
als Hüllstrom 13 mit
dem zentral durch die Vorbeschleunigerdüse 7, 8, 9 strömenden Strahlmittelstrom 14 zusammengeführt. Beim Übergang
vom Ringkanal 21 in den Ringspalt 12 nimmt der
für den
abgezweigten Teilluftstrom 5 vorhandene Querschnitt stetig
ab, so dass eine Beschleunigung dieses Stromes hervorgerufen wird.
Der beschleunigte Teilluftstrom 13 tritt aus dem Ringspalt 12 aus und
wird mit dem in der Vorbeschleunigerdüse 7, 8, 9 ebenfalls
beschleunigten Strahlmittelstrom 14 so zusammengeführt, dass
der Teilluftstrom 13 den Strahlmittelstrom 14 mantelförmig umgibt.
Nach der Vorbeschleunigerdüse 7, 8, 9 liegt
so ein zentraler aus Luft und Kohlendioxid-Pellets bestehender Strahlmittelstrom 14 vor,
der von einem hoch beschleunigten, im wesentlichen aus Luft bestehenden
Mantelstrom 13 umgeben wird.
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Um die für eine optimale Vorbeschleunigung erforderlichen
Druckverhältnisse
einstellen zu können,
ist der Ringspalt 12 veränderbar. Hierzu erstreckt sich
der Außenkörper 22 über die
gesamte Länge
der Vorbeschleunigerdüse 7, 8, 9.
Die Verstellbarkeit des Außenkörpers 22 wird
durch ein Feingewinde erreicht, über
welches der Außenkörper 22 mit der
Strahlmittelzuführung 1 verbunden
ist und welches eine Bewegung des Außenkörpers 22 in axialer Richtung
ermöglicht.
Je nach Länge
des Ringkanals 21 ist es sinnvoll, Zentrierstifte 23 vorzusehen,
die den Außenkörper 22 in
radialer Richtung positionieren, aber Bewegungen in axialer Richtung
zulassen.
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Durch entsprechende Positionierung
des Außenkörpers 22 werden
der Querschnitt des Ringspaltes 12 und damit der Volumenstrom
beziehungsweise Durchsatz durch die Vorbeschleunigerdüse 7, 8, 9 und
den Ringspalt 12 und die Druckverhältnisse im Ringspalt 12 und
im sich erweiternden Abschnitt 9 der Vorbeschleunigerdüse so abgestimmt,
dass eine optimale Beschleunigung des Mantelstromes 13 erzielt
wird.
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Die Einstellung des Ringspaltes 12 über das Feingewinde
hat den weiteren Vorteil, dass bei bekannten Bedingungen frühere Einstellungen
reproduzierbar wieder hergestellt werden können. Es ist möglich, bestimmte
Strahlparameter, wie Strahlgeschwindigkeit oder Intensität, definiert
einzustellen. Dies ist insbesondere beim Abstrahlen empfindlicher Objekte
von Vorteil, bei denen beispielsweise zu hohe Strahlgeschwindigkeiten
zu Beschädigungen der
Objekte führen
würden.
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Die Breite des Ringspalts 12 beträgt günstigerweise
zwischen 0,15 und 1,5 mm. Entsprechend haben sich Querschnittsflächen des
Ringspalts 12 von 10 bis 100 mm2 bewährt. Bei
diesen Dimensionierungen ist eine genaue Einstellmöglichkeit,
wie sie durch die Erfindung bereit gestellt wird, unumgänglich.
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Am stromabwärtigen Ende der Vorbeschleunigerdüse 7, 8, 9 befindet
sich ein Schraubanschluss 24, an den eine Düse 15 zur
Endbeschleunigung des Strahls angeschlossen werden kann. Vorzugsweise wird
hierfür
ebenfalls eine Lavaldüse
verwendet, es ist aber durchaus auch möglich, Düsen anderen Typs einzusetzen.
In der Lavaldüse 15 wird
der Strom 13, 14 auf Endgeschwindigkeiten beschleunigt,
die deutlich im Überschallbereich
liegen, was sich durch die Ausprägung
von mehreren Mach'schen
Knoten zeigt.
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Schließlich ist es unter Umständen auch günstig, die
Vorbeschleunigerdüse 7, 8, 9 mit
einem Handgriff zu versehen, so dass die Strahlvorrichtung selbst
als Strahlpistole verwendet werden kann.
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Ausführung für Zwei-Schlauch-Anlagen. Über eine
erste Zuführung 31 wird
einer Mischkammer 32 Druckluft 33 zugeführt. Vor
dem Eintritt in die Mischkammer 32 weist die Zuführung 31 mehrere Öffnungen 34 auf, über die
ein Teilstrom der Druckluft abgezogen und in den Bypass 35 geleitet
wird. Der verbleibende Hauptluftstrom wird in einer Düse 36,
vorzugsweise einer Lavaldüse,
beschleunigt und in die Mischkammer 32 geleitet. Der beschleunigte
Hauptluftstrom 33 erzeugt in der Mischkammer 32 einen
Unterdruck, wodurch Strahlgut, insbesondere Kohlendioxid-Granulat, über eine
zweite Leitung 37 in die Mischkammer 32 gesaugt
werden kann.
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In der Mischkammer 32 werden
die beiden Ströme 33 und 38 zusammengeführt und
bilden einen Strahlmittelstrom 39. Der Strahlmittelstrom 39 wird
dann mittels einer Strahldüse 40,
die einen sich verjüngenden
Abschnitt 41 und einen sich stromabwärts anschließenden sich
erweiternden Abschnitt 42 aufweist, beschleunigt und abgestrahlt.
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Der in den Bypass 35 abgetrennte
Teilluftstrom wird stromabwärts
des minimalen Querschnitts 43 der Strahldüse 40 dem
Strahlmittelstrom 39 wieder als Hüllstrom zugeführt und
in der Strahldüse 40 ebenfalls
beschleunigt.