WO2007147192A2 - Vorrichtung und verfahren zur bearbeitung eines festen werkstoffs mit einem wasserstrahl - Google Patents

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    • Y10T83/00—Cutting
    • Y10T83/364—By fluid blast and/or suction

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for processing a solid material with a water jet emerging from a nozzle, which contains ice crystals and impinges on the solid material.
  • Water or air jets are used in a variety of ways to process various materials.
  • the jet is usually expanded through a narrow die to normal pressure and used for surface removal such as e.g. Rough cleaning, polishing, burring / deburring, removal of coatings / decoating, paint cleaning etc. or used for cutting or drilling materials or workpieces.
  • surface removal such as e.g. Rough cleaning, polishing, burring / deburring, removal of coatings / decoating, paint cleaning etc. or used for cutting or drilling materials or workpieces.
  • artistic activities such as "negative graffiti", ie drawing by deliberate detachment of color through the thin stream of water or air, are possible.
  • Examples of known devices for material processing can be found, for example, in DE 198 49 814 A1 and in DE 198 49 813 A1 with the introduction of an abrasive material.
  • DE 10 2004 046 030 Al a method and an apparatus for cutting a web is known, wherein ice crystals are formed in the water jet. The formation of the ice crystals can be assisted by adding carbon dioxide to the water in the high-pressure area in front of the nozzle, which evaporates after it leaves, whereby the heat of vaporization of the carbon dioxide extracts energy from the water.
  • the known methods and devices for cutting or drilling material processing are only suitable for the processing of soft materials.
  • Hard materials such as steel can only be abraded, that is, the jet of water must contain solid particles such as sand, corundum or similar abrasives.
  • the workpieces can be contaminated by the abrasive material when, for example, sand remains on the surface or in cracks and laboriously needs to be removed again.
  • the object of the invention is thus to provide a method and an apparatus for processing a solid material with a water jet, which offers a simple and cost-effective way to form ice crystals in the water jet after the exit of the water jet from the nozzle.
  • the method for processing a solid material with a jet of water emerging from a nozzle, which contains ice crystals and impinges on the solid material characterized in that a gaseous medium under standard conditions at a pressure of 1-150 bar, preferably in a mixing stage, is dissolved in the water.
  • a gaseous medium under standard conditions at a pressure of 1-150 bar preferably in a mixing stage
  • the solution in a high pressure stage e.g. a commercial water jet cutting machine, compressed to 1000-4500 bar and pressed through a nozzle under conditions that cause segregation of the water and the dissolved medium after leaving the nozzle, the heat of the solution is removed from the water and ice crystals are formed.
  • the dissolution of the gaseous medium in the water in a simple and cost-effective manner in the mixing stage by passing the gaseous medium from gas cylinders or pressure cartridges under pressure through the water.
  • Another advantage is that a tuning of the solution concentration of the gaseous medium and a pre-cooling of the water controls the particle fraction and the particle size of the ice crystals formed in the water jet, as this allows a simple adaptation of the physical properties of the water jet to the material to be processed. It is particularly advantageous that the gaseous medium is carbon dioxide, since this is easy and inexpensive to produce and especially useful in the food industry.
  • a preferred embodiment of a device for processing a solid material with a water jet emerging from a nozzle, which contains ice crystals and impinges on the solid material a supply line with an inlet valve and a pump for water in a mixing area, in which a pressure of 1 -150 bar prevails, connected to the mixing area via a high-pressure pump high-pressure tank and a nozzle connected to the container, wherein in the fed via the supply line in the mixing area water in the mixing area, a gaseous medium under pressure can be supplied and dissolved in the water, since this embodiment is a simple and inexpensive way to dissolve a gas in water.
  • the gaseous medium can be introduced into the water via a shower device arranged in the mixing area, wherein the shower device is designed in particular in the form of a shower head with a plurality of outlet openings, since this enables a uniform distribution of the gaseous medium over a large volume ,
  • the gaseous medium inflow side of the mixing region under a pressure of 1-150 bar introduced into the water, whereby additional devices for introducing the gaseous medium into the water are inexpensively avoided.
  • An advantageous embodiment variant provides that the gaseous medium is present in the mixing region under a pressure of 1-150 bar and the water is supplied by atomization, since this allows a very homogeneous mixing.
  • gaseous medium can be introduced into the water via dry ice pellets containing the gaseous medium and the gaseous medium can be released under pressure in the water, as this avoids tank devices and feed lines for the gaseous medium can.
  • gaseous medium is fed to a mixing stage for mixing with the water in a medium pressure range (1-150 bar). This is what it is in easy way possible to use commercially available storage containers for gaseous media, in particular in the form of a gas cylinder or gas cartridge.
  • the mixing area is connected to a return line, via which excess gaseous medium can be fed back into the supply line, as this allows excess gaseous medium to be recycled.
  • the water is forced through the nozzle under a pressure of 1000-4500 bar, since this allows a large jump in temperature upon expansion of the water jet to normal pressure and thus the reliable formation of ice crystals.
  • FIG. 1 is a highly schematic view of a preferred embodiment of an inventively designed device for processing a solid material with a water jet
  • FIGS. 2A-D show four exemplary embodiments of mixing regions of the device according to the invention according to FIG. 1.
  • abrasive material to the jet of water is necessary for working solid materials, if harder materials or surfaces are to be processed, whereby preferably sand is used, which, however, has a number of disadvantages.
  • Sand and other solid abrasive materials remain on the treated material and must be removed.
  • a major advantage of using ice crystals instead of sand as abrasive material is the prevention of contamination. The ice crystals melt after processing, and the remaining water can be removed, for example, by simple drying, whereby the treated material remains clean throughout the process.
  • the use represents an environmental advantage, since there is no sand waste, which must be eliminated or recycled.
  • a staggered with ice crystals as Abrasivmaterial water jet can therefore be used without hesitation in the industries of electronics, (bio) medicine, food, car paints, space, etc. Also, the costs are lower, because ice unlike others Abrasive materials such as sand need not be delivered and stored, but can be made, for example, from the tap water by using electricity.
  • nucleators can be added in principle. These are solid organic or inorganic substances that are germs for ice crystal growth. However, the use of nucleators, which must be continuously fed through an intake manifold, again brings the problem of poor environmental compatibility with it, whereby a use in the food industry is no longer possible.
  • the cooling of the water and thus the production of ice particles in the water jet can be achieved by dissolving a gaseous medium, for example carbon dioxide, in a water-mixing device at a pressure of 1-150 bar and then releasing the water Mixture is fed by means of a high-pressure pump to a nozzle. Due to the pressure drop after the nozzle segregation occurs. The release of the gaseous medium extracts from the water, in addition to the cooling by expansion, the heat of solution of the gaseous medium, so that it comes after the nozzle to spontaneous cooling and the formation of ice crystals in the water jet.
  • a gaseous medium for example carbon dioxide
  • the cooling achieved in this way is in the range of several degrees Celsius, so that a much lower cost must be invested in the ICühler the device. Also, the problems of wear of the nozzle and its constipation can be bypassed.
  • the described approach is possible in principle with a variety of gaseous media, since many gases are very soluble in water. by virtue of the possibility of using carbon dioxide (CO 2 ) in the drinking water industry or due to the comprehensive knowledge of the physical and chemical properties such as solubility in water and heat of dissolution, the invention is described in more detail below using the example of CO 2 .
  • CO 2 carbon dioxide
  • Fig. 1 shows a highly schematic view of an embodiment of a device 1 for processing solid materials by means of a water jet 2, preferably a high-pressure water jet, which contains a gas admixture.
  • the device 1 essentially comprises a mixing region 3 in which the water and a gaseous medium, in the exemplary embodiment carbon dioxide, are mixed with one another.
  • the water is introduced under low pressure (i.e., for example, operating pressure of the water supply network) via a supply line 4 with an inlet valve 5 and a pump 6 in the mixing region 3.
  • the carbon dioxide is introduced, for example, via a shower device 7 from a tank 8, for example a gas cylinder, via a feed line 9 into the mixing area 3.
  • the shower device 7 is formed, for example, in the form of a shower head with a plurality of outflow openings, through which the gaseous medium flows into the water located in the mixing region 3.
  • a return line 10 with a further pump 6 allows the return of excess gaseous medium in the supply line 9.
  • the pressure in the mixing region 3 is approximately 200 bar, which is referred to below as the medium pressure.
  • the formation of the ice crystals takes place only after the nozzle 13.
  • the crystallization is excited by the expansion or by the atomization of the water jet 2, which leads to a sudden bubbling to release the dissolved carbon dioxide from the now supersaturated water-gas solution.
  • a solution amount of heat of -20.54 kJ / mol is thereby removed from the water.
  • problems such as clogging, wear or overheating of the nozzle 13 can be prevented.
  • An appropriate vote of CO 2 solution concentration and precooling allows control of the particle fraction and the particle size in the water jet 2, so that it can be adapted to the particular requirements of the material to be processed 14, for example, with many large ice crystals for fast, rather coarse cleaning large areas or with many small ice crystals for polishing a surface. Even hard materials 14 can be processed cleanly.
  • the admixing of the carbon dioxide in the mixing zone 3 can, as shown schematically in FIGS. 2A to 2D, take place directly in the mixing zone 3, as already shown in FIG. 1 and shown enlarged in FIG. 2A.
  • the water is first mixed with carbon dioxide by dissolving the CO 2 in the water, for example by passing CO 2 from the tank 8, which is formed in the embodiment shown in FIG. 1 as a gas cylinder.
  • the process of dissolving carbon dioxide in water can be controlled by monitoring the pH via a suitable sensor, since due to the reaction equilibrium of CO 2 / H 2 O with HCO 3 VH + saturated solutions with CO 2 are acidic; For example, a pH of 3.9 is present at 298K.
  • the temperature of the device 1 rises slightly by the heat of dissolution of the carbon dioxide, so that a heat dissipation in the mixing region 3 is indicated for example by a water cooling.
  • the water jet 2 is produced by the water-carbon dioxide mixture pumped by the pump 1 1, which must be designed suitable for high pressure, in the container 12 and then forwarded to the nozzle 13 and is pressed through it.
  • the pump 1 1 For existing pumps 11 and nozzles 13 can be used without further technical modifications. There must be no additional materials supplied from the outside, so it is no additional intake manifold necessary.
  • nco2 the molar mass of water
  • ⁇ H -20.54 kJ / mol
  • the released carbon dioxide can be recycled or extracted if necessary. However, it must be ensured that the addition of carbon dioxide to the ambient air is not too high, otherwise there is danger of suffocation, such as through ventilation or correspondingly large spaces.
  • the invention is not limited to the illustrated embodiment, but for example, with other gaseous media feasible.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Electrical Discharge Machining, Electrochemical Machining, And Combined Machining (AREA)

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Bearbeiten eines festen Werkstoffs mit einem aus einer Düse austretenden Wasserstrahl angegeben, wobei der Wasserstrahl Eiskristalle enthält und auf den festen Werkstoff auftrifft. Dabei wird ein unter Standardbedingungen gasförmiges Medium in einer Mischstufe unter Druck (1-150 bar) im Wasser gelöst, anschließend auf 1000-4500 bar komprimiert und durch eine Düse gepresst, unter Bedingungen, die ein Ausperlen des gelösten gasförmigen Mediums nach Verlassen der Düse gestatten, wobei dem Wasser die Lösungswärme entzogen wird und die Eiskristalle gebildet werden.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Bearbeitung eines festen Werkstoffs mit einem Wasserstrahl
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten eines festen Werkstoffs mit einem aus einer Düse austretenden Wasserstrahl, welcher Eiskristalle enthält und auf den festen Werkstoff auftrifft.
Wasser- oder Luftstrahlen insbesondere unter hohem Druck werden in vielfältiger Art zur Bearbeitung von verschiedenen Materialien angewendet. Der Strahl wird üblicherweise durch eine schmale Düse auf Normaldruck expandiert und zur Oberflächenabtragung wie z.B. Grobreinigung, Polieren, Abgraten/Deburring, Entfernung von Beschichtungen/Decoating, Lackreinigung etc. oder zum Schneiden bzw. Bohren von Materialien bzw. Werkstücken verwendet. Auch künstlerische Tätigkeiten wie „negative graffiti", also Zeichnen durch gezieltes Ablösen von Farbe durch den dünnen Wasser- oder Luftstrahl, sind möglich.
Beispiele für bekannte Vorrichtungen zur Materialbearbeitung gehen beispielsweise aus der DE 198 49 814 Al sowie aus der DE 198 49 813 Al unter Zuführung eines Abrasivmaterials hervor. Aus der DE 10 2004 046 030 Al ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schneiden einer Bahn bekannt, wobei im Wasserstrahl Eiskristalle gebildet werden. Die Bildung der Eiskristalle kann dadurch unterstützt werden, dass dem Wasser im Hochdruckbereich vor der Düse Kohlendioxid beigemischt wird, das nach dem Austritt verdampft, wobei die Verdampfungswärme des Kohlendioxids dem Wasser Energie entzieht.
Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur schneidenden oder bohrenden Materialbearbeitung eignen sich jedoch nur für die Bearbeitung weicher Materialien. Harte Materialien wie Stahl können nur abrasiv bearbeitet werden, d.h., der Wasserstrahl muss feste Partikel wie beispielsweise Sand, Korund oder ähnliche Schleifmittel enthalten. Dabei ist insbesondere von Nachteil, dass die Werkstücke durch das Abrasivmaterial verschmutzt werden können, wenn beispielsweise Sand an der Oberfläche oder in Ritzen verbleibt und aufwändig wieder entfernt werden muss.
Weiterhin ist die Erzeugung von Eiskristallen in einem Luft- bzw. in einem Wasserstrahl bekannt, wobei die Eiskristalle den Sand oder andere Abrasivmaterialien im Luftstrahl bzw. im Wasserstrahl ersetzen. Eine Vorkühlung des Wassers durch eine Kryoflüssigkeit zur Erzeugung von Eiskristallen im Wasserstrahl geht dabei beispielsweise aus der US 5,341,608 hervor. Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch, dass die Eiskristalle bereits vor der Düse gebildet werden und es dadurch häufig dazu kommt, dass die Düse erodiert wird bzw. verstopft oder durch die erhöhte Reibung überhitzt und die Eiskristalle dadurch wieder schmelzen.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines festen Werkstoffs mit einem Wasserstrahl anzugeben, welches eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Bildung von Eiskristallen im Wasserstrahl nach dem Austritt des Wasserstrahls aus der Düse offeriert.
Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass das Verfahren zum Bearbeiten eines festen Werkstoffs mit einem aus einer Düse austretenden Wasserstrahl, welcher Eiskristalle enthält und auf den festen Werkstoff auftrifft, dadurch gekennzeichnet ist, dass ein unter Standardbedingungen gasförmiges Medium bei einem Druck von 1-150 bar, vorzugsweise in einer Mischstufe, im Wasser gelöst wird. Danach wird die Lösung in einer Hochdruckstufe, z.B. einer kommerziellen Wasserstrahl-Schneidemaschine, auf 1000-4500 bar komprimiert und durch eine Düse gepresst unter Bedingungen, die ein Entmischen des Wassers und des gelösten Mediums nach Verlassen der Düse bewirken, wobei dem Wasser die Lösungswärme entzogen wird und Eiskristalle gebildet werden.
Dies ist vorteilhaft, weil dadurch die Eiskristalle einerseits mit wenig Aufwand und andererseits nach dem Durchströmen der Düse gebildet werden und somit eine Abnutzung der Düse, das Verstopfen der Düse durch die gebildeten Eiskristalle und ein Erwärmen der Düse durch die hohe Reibung und ein nachfolgendes Schmelzen der Eiskristalle unterbunden werden kann.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Vorteilhafterweise erfolgt das Lösen des gasförmigen Mediums im Wasser in einfacher und kostengünstiger Weise in der Mischstufe durch Durchleiten des gasförmigen Mediums aus Gasflaschen oder Druckpatronen unter Druck durch das Wasser.
Von Vorteil ist weiterhin, dass ein Abstimmen der Lösungskonzentration des gasförmigen Mediums und einer Vorkühlung des Wassers den Partikelanteil und die Partikelgröße der im Wasserstrahl gebildeten Eiskristalle steuert, da hierdurch eine einfache Anpassung der physikalischen Eigenschaften des Wasserstrahls an das zu bearbeitende Material ermöglicht wird. Besonders vorteilhaft ist, dass das gasförmige Medium Kohlendioxid ist, da dieses einfach und kostengünstig herstellbar und vor allem in der Lebensmittelindustrie verwendbar ist.
Vorteilhafterweise umfasst eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Bearbeiten eines festen Werkstoffs mit einem aus einer Düse austretenden Wasserstrahl, welcher Eiskristalle enthält und auf den festen Werkstoff auftrifft, eine Zuleitung mit einem Einlassventil und einer Pumpe für Wasser in einen Mischbereich, in dem ein Druck von 1-150 bar herrscht, einen mit dem Mischbereich über eine Hochdruck-Pumpe verbundenen hochdruckfesten Behälter und eine an den Behälter angeschlossene Düse, wobei in dem über die Zuleitung in den Mischbereich eingespeisten Wasser im Mischbereich ein gasförmiges Medium unter Druck zuführbar und im Wasser lösbar ist, da diese Ausführungsform eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zum Lösen eines Gases in Wasser ist.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass das gasförmige Medium über eine in dem Mischbereich angeordnete Duschvorrichtung in das Wasser einbringbar ist, wobei die Duschvorrichtung insbesondere in Form eines Duschkopfes mit einer Vielzahl von Austrittsöffnungen ausgebildet ist, da dies eine gleichmäßige Verteilung des gasförmigen Mediums über ein großes Volumen ermöglicht.
Vorteilhafterweise ist das gasförmige Medium zuströmseitig des Mischbereichs unter einem Druck von 1-150 bar in das Wasser einbringbar, wodurch zusätzliche Vorrichtungen zum Einbringen des gasförmigen Mediums in das Wasser kostengünstigerweise vermieden werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltungsvariante sieht vor, dass das gasförmige Medium in dem Mischbereich unter einem Druck von 1-150 bar vorliegt und das Wasser durch Zerstäubung zugeführt wird, da dies eine sehr homogene Vermischung ermöglicht.
Eine ebenfalls sehr vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeit sieht vor, dass das gasförmige Medium über Trockeneis-Pellets, die das gasförmige Medium enthalten, in das Wasser einbringbar und das gasförmige Medium unter Druck in dem Wasser lösbar ist, da hierdurch Tankvorrichtungen und Zuleitungen für das gasförmige Medium vermieden werden können.
Weiter ist von Vorteil, dass das gasförmige Medium einer Mischstufe zur Mischung mit dem Wasser in einem mittleren Druckbereich (1-150 bar) zugeführt wird. Dadurch ist es in einfacher Weise möglich, handelsübliche Vorratsbehälter für gasförmige Medien insbesondere in Form einer Gasflasche oder Gaskartusche zu verwenden.
Zudem ist von Vorteil, dass der Mischbereich mit einer Rücklaufleitung verbunden ist, über welche überschüssiges gasförmiges Medium in die Zuleitung rückspeisbar ist, da hierdurch überschüssiges gasförmiges Medium recyclebar ist.
Weiterhin ist von Vorteil, dass das Wasser unter einem Druck von 1000-4500 bar durch die Düse gepresst wird, da dies bei Expansion des Wasserstrahls auf Normaldruck einen großen Temperatursprung und dadurch die zuverlässige Bildung von Eiskristallen ermöglicht.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bearbeitung eines festen Werkstoffs mit einem Wasserstrahl geeignete Vorrichtung anhand der Figuren näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine stark schematisierte Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäß ausgeführten Vorrichtung zur Bearbeitung eines festen Werkstoffs mit einem Wasserstrahl, und
Fig. 2A-D vier Ausführungsbeispiele für Mischbereiche der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 1.
Wie bereits weiter oben erwähnt, ist die Beimischung von Abrasivmaterial zum Wasserstrahl zur Bearbeitung fester Werkstoffe notwendig, wenn härtere Materialien oder Oberflächen bearbeitet werden sollen, wobei vorzugsweise Sand zur Anwendung kommt, welcher jedoch eine Reihe von Nachteilen aufweist. Sand und andere feststoffliche Abrasivmaterialien bleiben am behandelten Material liegen und müssen wieder entfernt werden. Ein Hauptvorteil des Einsatzes von Eiskristallen statt Sand als Abrasivmaterial ist die Verhinderung von Verschmutzung. Die Eiskristalle schmelzen nach der Bearbeitung, und das zurückbleibende Wasser kann z.B. durch einfaches Trocknen entfernt werden, wodurch das behandelte Material während des ganzen Prozesses sauber bleibt. Zusätzlich stellt der Einsatz einen Umweltvorteil dar, da auch kein Sand- Abfall anfällt, der beseitigt bzw. recycled werden muss. Ein mit Eiskristallen als Abrasivmaterial versetzter Wasserstrahl kann daher etwa bedenkenlos in den Branchen Elektronik, (Bio-)Medizin, Lebensmittel, Autolacke, Raumfahrt etc. eingesetzt werden. Auch die Kosten sind geringer, da Eis im Gegensatz zu anderen Abrasivmaterialien wie Sand nicht geliefert und gelagert werden muss, sondern z.B. aus dem Leitungswasser durch Einsatz von Elektrizität hergestellt werden kann.
Bekannte Maßnahmen zur Beimengung von Eis in den Wasserstrahl sind jedoch mit einer Reihe von Nachteilen behaftet. Insbesondere die Bildung der Eiskristalle in Strömungsrichtung vor der Düse führt dazu, dass die Düse erodiert wird bzw. verstopft oder durch die erhöhte Reibung so heiß wird, dass die Εiskristalle wieder schmelzen. Aufgrund dieser sog. ex-situ Mischprozedur wird ein Minimaldurchmesser des Wasserstrahls benötigt, der letztlich dazu führt, dass der Maximaldruck und die Energieeffizienz limitiert sind. Die hohen Kosten für die Produktion der Eiskristalle bzw. der technische Aufwand und der Platzbedarf sind weitere Nachteile dieser Methode.
Um die Eiskristalle in situ zu erzeugen, ist es hingegen nötig, bei Temperaturen von 243 K oder tiefer zu arbeiten, da Wasser z.B. bei einem Druck von 200 MPa erst bei 253 K friert (also um 20 K tiefer als bei Atmosphärendruck) und zusätzlich noch die Tendenz zeigt, zu unterkühlen. Weiters wird das Sintern der Eisteilchen erst unterhalb von 243 K effektiv unterbunden, da oberhalb von 243 K ein dünner Flüssigkeitsfϊlm (in der Größenordnung von Nanometern) an der Eisoberfläche zum Sintern führt. Um das Unterkühlen zu unterbinden, kann man im Prinzip Nukleatoren zusetzen. Dies sind feste organische oder anorganische Stoffe, die Keime für das Eiskristaüwachstum darstellen. Allerdings bringt der Einsatz von Nukleatoren, die kontinuierlich über einen Ansaugstutzen zugeführt werden müssen, wieder das Problem der schlechten Umweltverträglichkeit mit sich, wodurch ein Einsatz in der Lebensmittelindustrie nicht mehr möglich ist.
Erfmdungsgemäß ist zur Vermeidung der genannten Nachteile vorgesehen, die Abkühlung des Wassers und damit die Erzeugung von Eispartikeln im Wasserstrahl dadurch zu erzielen, dass ein gasförmiges Medium, beispielsweise Kohlendioxid, bei einem Druck von 1-150 bar in einer Mischvorrichtung im Wasser gelöst und dann die Mischung mittels einer Hochdruckpumpe einer Düse zugeführt wird. Aufgrund des Druckabfalles nach der Düse erfolgt eine Entmischung. Das Freisetzen des gasförmigen Mediums entzieht dem Wasser zusätzlich zu der Abkühlung durch Expansion die Lösungswärme des gasförmigen Mediums, so dass es nach der Düse zu einer spontanen Abkühlung und zur Bildung von Eiskristallen im Wasserstrahl kommt. Die so erreichte Abkühlung liegt im Bereich mehrerer Grad Celsius, so dass ein wesentlich geringerer Aufwand in die ICühlführung der Vorrichtung investiert werden muss. Auch die Probleme der Abnutzung der Düse sowie deren Verstopfung können dadurch umgangen werden. Der beschriebene Lösungsansatz ist prinzipiell mit einer Vielzahl von gasförmigen Medien möglich, da viele Gase in Wasser sehr gut löslich sind. Aufgrund der Möglichkeit des Einsatzes von Kohlendioxid (CO2) in der Trinkwasserindustrie bzw. wegen des umfassenden Kenntnisstands bezüglich der physikalischen und chemischen Eigenschaften wie Löslichkeit in Wasser und Lösewärme wird die Erfindung im Folgenden am Beispiel von CO2 näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt in einer stark schematisierten Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 zur Bearbeitung von festen Werkstoffen mittels eines Wasserstrahls 2, vorzugsweise eines Hochdruckwasserstrahls, welcher eine Gasbeimischung enthält. Die Vorrichtung 1 umfasst dabei im Wesentlichen einen Mischbereich 3, in welchem das Wasser und ein gasförmiges Medium, im Ausführungsbeispiel Kohlendioxid, miteinander vermischt werden. Das Wasser wird dabei unter Niederdruck (i.e. beispielsweise Betriebsdruck des Wasserleitungsnetzes) über eine Zuleitung 4 mit einem Einlassventil 5 und einer Pumpe 6 in den Mischbereich 3 eingeleitet. Das Kohlendioxid wird beispielsweise über eine Duschvorrichtung 7 aus einem Tank 8, beispielsweise einer Gasflasche, über eine Zuleitung 9 in den Mischbereich 3 eingebracht. Die Duschvorrichtung 7 ist dabei beispielsweise in Form eines Duschkopfes mit einer Vielzahl von Ausströmöffnungen ausgebildet, durch welchen das gasförmige Medium in das im Mischbereich 3 befindliche Wasser einströmt. Eine Rücklaufleitung 10 mit einer weiteren Pumpe 6 erlaubt die Rückspeisung von überschüssigem gasförmigen Medium in die Zuleitung 9. Der Druck im Mischbereich 3 beträgt dabei ungefähr 200 bar, was im Folgenden als Mitteldruck bezeichnet wird.
Nach dem Lösen des gasförmigen Mediums im Wasser wird dieses durch eine Pumpe 11 auf einen Druck von ca. 4000 bar gebracht, welcher im Folgenden als Hochdruck bezeichnet wird, und in einen Behälter 12 weitergeleitet, um von dort aus zu einer Düse 13 zu strömen. Mit dem dort austretenden Wasserstrahl 2, welcher unter Hochdruck durch die Düse 13 gepresst wird, wird der Werkstoff 14 bearbeitet. Die Kontrolle des Drucks und der Durchflussmenge des Wassers erfolgt mit geeigneten Messgeräten 15, welche an verschiedenen geeigneten Stellen der Vorrichtung 1 angeordnet sein können.
Die Bildung der Eiskristalle erfolgt erfindungsgemäß erst nach der Düse 13. Die Kristallbildung wird durch die Expansion bzw. durch die Zerstäubung des Wasserstrahls 2 angeregt, die zu einem plötzlichen Ausperlen unter Freisetzung des gelösten Kohlendioxids aus der nun übersättigten Wasser-Gas-Lösung führt. Eine Lösungs Wärmemenge von -20.54 kJ/mol wird dabei dem Wasser entzogen. Dies führt abhängig vom Ausgangsdruck des Wassers zu einer augenblicklichen, sehr starken Abkühlung und der spontanen Bildung von Eiskristallen im expandierten Wasserstrahl 2, Somit können Probleme wie Verstopfung, Abnutzung oder Überhitzung der Düse 13 verhindert werden. Eine geeignete Abstimmung von CO2-Lösungskonzentration und Vorkühlung erlaubt dabei eine Steuerung des Partikelanteils und der Partikelgröße im Wasserstrahl 2, so dass dieser auf die jeweiligen Anforderungen des zu bearbeitenden Werkstoffs 14 abgestimmt werden kann, beispielsweise mit vielen großen Eiskristallen zur schnellen, eher groben Reinigung großer Flächen oder mit vielen kleinen Eiskristallen zum Polieren einer Oberfläche. Auch harte Werkstoffe 14 können sauber bearbeitet werden.
Die Beimischung des Kohlendioxids im Mischbereich 3 kann, wie in den Fig. 2A bis 2D schematisch ausschnittsweise dargestellt, direkt in dem Mischbereich 3 erfolgen, wie bereits in Fig. 1 dargestellt und in Fig. 2A vergrößert gezeigt.
Auch indem man im Mischbereich 3 ein auf ca. 200 bar komprimiertes gasförmiges Medium vorlegt und dann Wassertröpfchen zerstäubt in dieses System einbringt, wie in Fig. 2C dargestellt, ist es möglich, eine effektive Vermischung und Lösung des Gases zu erzielen.
Weiterhin ist es möglich, wie in Fig. 2D schematisch dargestellt, Wasser im Mischbereich 3 vorzulegen, Trockeneis-Pellets 16 bzw. gefrorene Kohlendioxid-Pellets 16 mit einer Temperatur von ca. -780C in den Mischbereich 3 einbringt und anschließend Druck anlegt. In dem im Vergleich zu den Pellets 16 relativ warmen Wasser schmelzen die Pellets 16 sofort unter starker Bläschenbildung, wobei das Kohlendioxid durch den Druck in Lösung geht. Nebenbei kühlt sich auch noch das Wasser dabei ab, was in Hinblick auf die Eiskristallbildung im weiteren Verlauf vorteilhaft ist.
In allen Fällen verlässt ein gesättigtes Gemisch aus Wasser und Kohlendioxid den Mischbereich 3 in Richtung auf den Behälter 12.
Im Mischbereich 3 wird zunächst das Wasser mit Kohlendioxid durch Lösen des CO2 im Wasser versetzt, z.B. durch Durchleiten von CO2 aus dem Tank 8, der in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel als Gasflasche ausgebildet ist. Auch die Verwendung von Druckpatronen, wie sie für Mineralwasser bekannt sind, ist möglich. Der Prozess des Lösens von Kohlendioxid in Wasser kann durch die Überwachung des pH- Wertes über einen geeigneten Sensor kontrolliert werden, da aufgrund des Reaktionsgleichgewichts von CO2/H2O mit HCO3VH+ gesättigte Lösungen mit CO2 sauer sind; z.B. liegt bei 298 K ein pH- Wert von 3,9 vor. Die Temperatur der Vorrichtung 1 steigt durch die Lösewärme des Kohlendioxids leicht an, so dass eine Wärmeabfuhr im Mischbereich 3 beispielsweise durch eine Wasserkühlung angezeigt ist. Der Wasserstrahl 2 wird erzeugt, indem das Wasser-Kohlendioxid-Gemisch durch die Pumpe 1 1, welche hochdruckgeeignet ausgestaltet sein muss, in den Behälter 12 gepumpt und dann zur Düse 13 weitergeleitet und durch diese durchgepresst wird. Dafür können vorhandene Pumpen 11 und Düsen 13 ohne weitere technische Modifikationen verwendet werden. Es müssen auch keinerlei weitere Materialien von außen zugeführt werden, es ist also kein zusätzlicher Ansaugstutzen notwendig.
Als Anhaltspunkt, wie groß die erzielbare Abkühlung ist, kann die im Folgenden angegebene Abschätzung dienen. Der erzielbare Temperaturunterschied errechnet sich über die Stoffmenge des gelösten Kohlendioxids (nco2), die Stoffmenge des Wassers (nH2θ)> die isobare Wärmekapazität von flüssigem Wasser (cpH2O =75,3 J/(K mol)) sowie die Lösungsenthalpie von Kohlendioxid in Wasser (ΔH=-20,54 kJ/mol). Bis zu einem Druck von ca. 300 bar CO2 lässt sich der Molenbruch von Kohlendioxid nco2/ntotai, also der Anteil der im Wasser gelösten CO2-MoIeIcUIe, über das Henry- Gesetz linear mit dem Cθ2-Partial druck ausdrücken. Die Proportionalitätskonstante des Henry-Gesetz ist für CO2
Figure imgf000010_0001
bar. Solange der Cθ2-Partialdruck pco2 viel kleiner als I<co2 ist, ergibt sich für die Abkühlung eine in pco2 lineare Beziehung mit einer Proportionalitätskonstante von ΔH/(cpH2o kccα), was bei Einsetzen bekannter Werte eine Proportionalitätskonstante von 0,165 K/bar ergibt. Pro bar gelöstem CO2 sinkt die Temperatur also um 0,165 K, bei 100 bar demnach bereits um 16,5 K.
Beginnt man bei kaltem Leitungswasser von ca. 10°C, so würde ein Entweichen von bei 100 bar gelöstem CO2 bereits ausreichen, um Temperaturen unter dem Gefrierpunkt zu erreichen. Dabei ist die Abkühlung durch die Expansion des Wasserstrahls 2 vom Behälter 12 bei 4000 bar auf 1 bar nach der Düse 13 noch nicht berücksichtigt. Bei Normaldruck sind bei 273K 3,4g bzw. bei 298K 1 ,5g CO2 in einem Liter Wasser löslich. Das entspricht 1,93 bzw. 0,85 Litern CO2 (0,077 mol bzw. 0,034 mol) pro Liter Wasser. Bei erhöhtem Druck, z.B. in mit Kohlensäure versetztem Mineralwasser, sind erheblich größere Mengen löslich.
Das freigesetzte Kohlendioxid kann bei Bedarf recycled oder abgesaugt werden. Es muss jedoch dafür gesorgt werden, dass die Beimischung von Kohlendioxid zur Umgebungsluft nicht zu hoch wird, da sonst Erstickungsgefahr besteht, etwa durch Lüften oder entsprechend große Räume.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern beispielsweise auch mit anderen gasförmigen Medien durchführbar.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zum Bearbeiten eines festen Werkstoffs mit einem, aus einer Düse austretenden Wasserstrahl, welcher Eiskristalle enthält und auf den festen Werkstoff auftrifft, dadurch gekennzeichnet, dass ein unter Standardbedingungen gasförmiges Medium bei einem Druck von 1-150 bar im Wasser gelöst, anschließend auf 1000-4500 bar komprimiert und durch eine Düse gepresst wird, unter Bedingungen, die ein Ausperlen des gelösten gasförmigen Mediums nach Verlassen der Düse gestatten, wobei dem Wasser die Lösungswärme entzogen wird und die Eiskristalle gebildet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösen des gasförmigen Mediums im Wassers in einer Mischstufe durch Durchleiten von gasförmigem Medium aus Gasflaschen oder Druckpatronen bei einem Druck von 1-150 bar durch das Wasser oder durch Einbringen von das gasförmige Medium enthaltenden Trockeneis-Pellets in das Wasser erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstimmen der Lösungskonzentration des gasförmigen Mediums und der Temperatur des Wassers den Partikelanteil und die Partikelgröße der im Wasserstrahl gebildeten Eiskristalle steuert.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Medium Kohlendioxid ist.
5. Vorrichtung zum Bearbeiten eines festen Werkstoffs (14) mit einem aus einer Düse (13) austretenden Wasserstrahl (2), welcher Eiskristalle enthält und auf den festen Werkstoff (14) auftrifft, umfassend eine Zuleitung (4) mit einem Einlassventil (5) und einer Pumpe (6) für Wasser in einen Mischbereich (3), einen mit dem Mischbereich (3) über eine Pumpe (1 1) verbundenen Behälter (12) und eine an den Behälter (12) angeschlossene Düse (13), dadurch gekennzeichnet, dass in dem über die Zuleitung (4) in den Mischbereich (3) eingespeisten Wasser vor oder im Mischbereich (3) ein gasförmiges Medium unter Druck zuführbar und im Wasser lösbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Medium über eine in dem Mischbereich (3) angeordnete Duschvorrichtung (7) in das Wasser einbringbar ist, wobei die Duschvorrichtung (7) insbesondere in Form eines Duschkopfes mit einer Vielzahl von Austrittsöffnungen ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Medium zuströmseitig des Mischbereichs (3) unter einem Druck von 1-150 bar in das Wasser einbringbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Medium in dem Mischbereich (3) unter einem Druck von 1-150 bar vorliegt und das Wasser durch Zerstäubung zugeführt wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Medium über Trockeneis-Pellets (16), die das gasförmige Medium enthalten, in das Wasser einbringbar und das gasförmige Medium unter Druck in dem Wasser lösbar ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Medium in einem Tank (8) bereitgestellt ist, welcher insbesondere in Form einer Gasflasche oder Gaskartusche ausgebildet ist und aus welchem das gasförmige Medium über eine Zuleitung (9) der Vorrichtung (1) zuleitbar ist.
1 1. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischbereich (3) mit einer Rücklaufleitung (10) verbunden ist, über welche überschüssiges gasförmiges Medium in die Zuleitung (9) rückspeisbar ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 1 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser unter einem Druck von 1000-4500 bar durch die Düse (13) gepresst wird.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Medium Kohlendioxid ist.
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