用于分配低温流体射流的包括稳定室的装置制造方法

用于分配低温流体射流的包括稳定室的装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于分配一股或多股低温流体射流(6)的装置，该装置包括流体供给管道(1)，该流体供给管道向布置于所述管道下游的一个或多个流体分配喷嘴(5)进行供给，其中所述流体供给管道(1)的流体流动截面具有第一直径(d)。根据本发明，用于分配一股或多股低温流体射流的装置还包括设置在流体供给管道(1)和流体分配喷嘴(5)之间的至少一个稳定室(4)，该稳定室流体连接至所述流体供给管道(1)和所述喷嘴(5)两者。每个稳定室的流体流动截面具有大于流体供给管道(1)的流体流动截面的第一直径(d)的第二直径(D)。本发明还涉及使用一股或多股低温流体射流的相关联的处理单元。本发明还涉及利用本发明的装置执行作业操作的方法。
【专利说明】用于分配低温流体射流的包括稳定室的装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于分配低温流体射流的装置，以及使用所述射流、特别是处于高压下的液氮射流的设备和工作方法，特别是用于对诸如金属、混凝土、木材、聚合物、陶瓷和塑料或者任何其它类型材料的有涂层或无涂层材料进行表面处理、清理、清洗或剥离(去皮)的设备和方法。
【背景技术】
[0002]目前，主要通过喷砂清理、超高压(UHP)水喷射、沙磨机、除锈锤、凿石锤或者化学方法进行有涂层或无涂层材料的表面处理，特别是清洗、剥离或类似处理。
[0003]然而，例如由于苛刻的环境限制而不存在任何水时(例如在核环境或者化学产品中)，只能使用所谓的“干燥”工作方法。
[0004]然而，在一些情况下，由于例如添加了需要随后进行再处理的沙粒或沙子，因而难以实施这些“干燥”方法，这些“干燥”方法非常费力或者难以操作或者引起额外的污染。
[0005]如文献US-A-7，310, 955和US-A-7，316，363中提出的，上述这些技术的一种替代方案使用非常高压力下的低温射流。在该情况下，使用一股或多股液氮射流，该射流处于300bar至4000bar的压力以及例如介于-100°C和-200°C之间、通常在大约_140°C和-160°C之间的低温温度下，通过一个或多个在转动运动中被驱动或不被驱动的喷嘴分配液氮射流。
[0006]通常，在3500bar左右的压力下，和300 μ m左右的喷嘴直径，低温流体射流、特别是液氮射流通常具有15至18cm左右的最大相干长度。相干长度指的是低温流体射流的长度，射流在该长度上保持足够集中以便在其通过喷嘴排出之后是可见的。
[0007]然而，低温流体射流的有效长度也是非常重要的特性，因为它响应于距射出喷嘴的最大距离，超过该最大距离时，射流不再足够集中以维持其在被处理的材料的表面处理、清理、清洗或剥离中的有效性。因此，有效长度小于或等于射流的相干长度，即可见射流长度。
[0008]换言之，对于喷嘴和被处理的基体之间相等的距离，射流的有效长度越大，工作方法越有效，并且该方法效率越高，所述效率例如在混凝土剥离方法的情况下对应每单位时间剥离的混凝土的体积。
[0009]因此，为了使低温流体射流有效并能够实施所需的工作方法，有必要将被处理的材料表面相对于射流分配喷嘴的出口定位在小于或等于所述射流的有效长度并因此小于相干长度的距离处。在一些情况下、即根据所考虑的工作方法，有效射流长度很小，即数厘米左右，并且对于在3500bar左右的压力下通过具有300 μ m左右的直径的喷嘴分配的低温流体射流来说，通常在5_至15_之间。那么,射流分配喷嘴相对于材料表面的定位公差是个问题。
[0010]这是因为无论手动或自动地使用该方法，当材料在其表面上具有平面度或表面状况或粗糙度上的缺陷时、即具有一系列凹陷和凸起(例如混凝土就是这种情况)时，在技术上难以维持射流分配喷嘴与被处理的材料表面之间的严格固定的距离。
[0011]因此，如果不平坦或凹陷的深度有过大的幅度，被处理的材料在这些缺陷或者凹陷的区域被定位在距喷嘴出口更大的距离处，射流在该处已经失去了全部或部分的有效性，这导致在这些区域效率较低的工作方法。那么该工作方法比较不可靠，这对于某些应用是危险的，例如清理核环境中的污染物，其中任何污染物的残留都是不能接受的。
[0012]此外，射流的有效长度不足使得工作方法在实施于特征为制成例如管道或轨道的物体上是非常困难甚至不可能的。那么所造成的问题甚至更严重，因为被处理的管道或轨道的底部可能定位成超出射流的有效长度，并且由于超出其范围，因而使得工作方法在该区域有效性低，或甚至无效。
[0013]此外，常规低温流体射流具有相干长度并因而有效长度通常小于20cm的事实为在例如发电站、烃脱硫处理厂、空气或水处理类型的工厂的设备中使用的热交换器(其中热交换器可具有大于40cm的直径)的处理、特别是清洗带来问题。在这种情况下，被处理的部件、即热交换器本身包括零件，其中一部分零件位于距所述热交换器的外周大于20cm处，并且必须能够清洗，但这不可能通过现有技术的低温流体射流实现。
[0014]因此，待解决的问题是提出一种改进的通过低温流体射流工作的方法，即通过该方法，不仅涉及射流的受限制的相干长度而且涉及受限制的有效长度的缺点不再存在或大大降低，从而使利用所述射流的工作方法更可靠和更高效。
[0015]换言之，本发明的目的是提出一种用于更有效地且效率更高地对有涂层或无涂层的材料例如金属、混凝土、木材、聚合物、陶瓷和塑料或者任何其它类型材料——特别是表面不平整或粗糙的材料或其中形成有特征结构的零件、或者本身包括难以接近的部分的零件——执行清理、清洗或剥离材料的表面处理的方法。

【发明内容】

[0016]因此，本发明的解决方案是一种用于分配一股或多股低温流体射流的装置，该装置包括流体供给管道，该管道向布置于所述管道下游的一个或多个流体分配喷嘴进行供给，流体供给管道包括具有第一直径的流体流动截面，
[0017]其特征在于，所述装置还包括设置在流体供给管道和流体分配喷嘴之间的至少一个稳定室(chambre de tranquillisation),该稳定室流体连接至所述流体供给管道和连接至流体分配喷嘴，具有流体流动截面的每个稳定室具有大于流体供给管道的流体流动截面的第一直径的第二直径。
[0018]这是因为，本发明的发明人已经证明，由于稳定室内使用了具有比低温流体供给管道的尺寸更大的尺寸的流体流动截面，这种稳定室使得能产生低温流体层流，也就是使其更加层流化或者说更少紊流。
[0019]那么，与根据现有技术的不配设这种稳定室的装置(所有其它条件都相同)相比，本发明的装置使得能分配一股或多股具有增加的相干长度、通常至少19cm、优选大于或等于20cm的低温流体射流，并且射流还具有增加的有效长度，其在某些情况下甚至达到相同的值。
[0020]这样，本发明通过提出一种不仅能增加所分配并用于工作方法的低温流体射流的相干长度而且能增加所述射流的有效长度的装置而解决了前面公开的问题。[0021]此外，根据所述本实施例，本发明可包括一个或多个下列特性:
[0022]-所述稳定室具有流体流动截面,该截面具有介于2mm和6mm之间、优选介于3mm和5mm之间的直径；
[0023]-所述稳定室具有介于20mm和IOOmm之间、优选介于50mm和70mm之间的长度；
[0024]-所述稳定室由适合于低温温度的材料、有利地为不锈钢、优选为316或316L型不锈钢形成；
[0025]-用于分配一股或多股低温流体射流的装置包括借助于连接件直接连接至流体供给管道的端部的单个稳定室；
[0026]-用于分配一股或多股低温流体射流的装置还包括借助于连接件连接至流体供给管道的端部的喷嘴保持工具，所述喷嘴保持工具支承布置于喷嘴保持工具和流体分配喷嘴之间的至少一个稳定室；
[0027]-用于分配一股或多股低温流体射流的装置还包括喷嘴保持工具，该喷嘴保持工具设置有用于使所述喷嘴保持工具绕流体供给管道的轴线转动从而使流体分配喷嘴进行圆周运动的机构。
[0028]此外，本发明涉及一种用于通过一股或多股低温流体射流进行处理的设备，该设备包括处于低温温度和高压下的流体源，该流体源流体连接至对用于分配一股或多股低温高压流体射流的一个或多个喷嘴进行供给的流体供给管道，其特征在于，所述设备还包括根据本发明的装置。
[0029]根据另一方面，本发明涉及一种使用通过根据本发明的装置分配的一股或多股低温流体射流的工作方法，以便借助于一股或多股加压低温流体射流来执行表面处理、清理、清洗或材料剥离。
[0030]通过流体分配喷嘴分配的低温流体射流优选具有低于_140°C的温度和至少3OObar的压力。
[0031 ] 有利地，所使用的低温流体是液氮。
[0032]根据本发明的一个实施例，被处理的物体是热交换器。被处理的物体优选具有至少一个大于或等于20cm的特征尺寸。
【专利附图】

【附图说明】
[0033]本发明将通过下面的参考附图的详细描述中更好地理解，在附图中:
[0034]-图1示意性地示出了用于分配低温流体射流的常规装置，其不使用本发明的装置，
[0035]-图2示意性地示出了根据本发明的一个实施例的用于分配低温流体射流的装置，和
[0036]-图3示意性地示出了根据本发明的另一实施例的用于分配一股或多股低温流体射流的装置。
【具体实施方式】
[0037]图1示意性地示出了用于分配低温流体射流6的装置，该装置包括用于供给流体(箭头7)的管道1，该管道的流体流动的截面具有直径d，其供给布置于所述管道6的下游的用于分配流体的喷嘴5。换言之，直径d是管道I的内径。
[0038]流体7是源自诸如压缩机、储箱、热交换器、供给管线、一个或多个气瓶等的流体源(未示出)的高压低温流体，其供给流体管道I的上游端。因此管道I流体连接至流体7的源。
[0039]通常，该管道是管件，其截面优选是圆形。该管件可以由任何类型的合适的材料制成(为了其机械性能优选为不锈钢)。构成管道I的壁的厚度被限定成承受由高压低温流体的流动产生的机械应力，通常所述厚度大约是管道的内径，即流体流动截面的直径d。如图1中可见，流体分配喷嘴5流体连接至管道1，使其分配低温流体射流6，该射流的传播轴线与管道I的中心轴线XX对齐，其相干长度标记为LC1。喷嘴5借助于UHP2水射流型连接件连接至管道I。
[0040]然而，通常介于15cm和18cm之间的相干长度LCl可能不足以用于多个应用，特别是用于处理由表面不平整或粗糙的材料制成的部件或者其中形成有特征结构的部件——特别是当这些特征结构沿着被处理的部件的比相干长度LCl大的尺寸方向形成时——的应用。此外，这也为清洗热交换器带来问题，这些热交换器包括难以接近的零件，特别是位于距热交换器外周超过20cm的零件。
[0041]为了解决这个问题，根据本发明，将所谓的稳定室4结合在根据现有技术的用于分配低温流体射流6的装置中，以能够将射流6的相干长度LCl增加至大于LCl的相干长度 LC2。
[0042]如图2中可见，该图示意性地示出了本发明的实施例，稳定室4布置在流体供给管道I和流体分配喷嘴5之间。管道I流体连接至稳定室4，所述稳定室流体连接至流体分配喷嘴5。
[0043]稳定室指的是一种流体7流经的装置，通过使用比流体供给管道I的流体流动截面尺寸更大的流体流动截面，其能够使所述流体流动为层流，即使其更加层流化或者说较少紊流。更准确地说，流体7经过稳定室4的流动将引起低温流体射流6在从喷嘴5喷出时动态特性的改变，使得紊流更少，即降低其雷诺数。这导致低温流体射流6的相干长度增加至值LC2，该值LC2大于不使用本发明的装置所获得的低温流体射流的相干长度的值LCl。
[0044]有利地，稳定室4是循环的一部分，其中形成有具有圆形截面的导管，该导管具有直径为D的流体流动截面和长度L。换句话说，直径D是稳定室4的内径。稳定室4由适合于高压低温流体通过的材料形成，优选为不锈钢，优选为316型不锈钢。
[0045]在所有情况下，并且根据本发明，稳定室4的流体流动截面具有大于流体供给管道I的流体流动截面的直径d的直径D。
[0046]例如，如果稳定室4连接至内径为2.1mm的流体供给管道1，例如外径为6.35mm的所谓1/4"管件，则稳定室的内径D大于2.1mm。
[0047]稳定室4具有直径D介于2mm和6mm之间、优选介于3mm和5mm之间的流体流动截面，和介于20mm和IOOmm之间、优选介于50mm和70mm之间的长度L。这些尺寸根据预期的应用和所需的流体射流6的相干长度进行调整。
[0048]根据本发明的特定实施例，如图2所示，单个稳定室4借助于连接件2直接连接至流体供给管道I的端部，并直接定位于流体分配喷嘴5的上游。由于所涉及的低温流体压力，稳定室4和管道I的端部之间的连接有利地由螺纹连接提供。稳定室4和喷嘴5之间的连接借助于在稳定室4的下游部分制造的螺纹获得，喷嘴5拧在该螺纹上。稳定室4的轴线与流体供给管道I的轴线XX对齐。在这种情况下，本发明的装置能分配单个固定的低温流体射流6，其在图2中标记为LC2的相干长度大于由根据现有技术的装置分配的流体射流的相干长度LCl。
[0049]根据图3中示出的另一实施例，用于分配一股或多股低温流体射流6的装置包括分配一股或多股低温流体射流6的一个或多个喷嘴5。所述喷嘴或各喷嘴5偏心地定位，即相对于流体供给管道I的轴线XX偏离中心。在这种情况下，喷嘴保持工具3借助于连接件2连接至流体供给管道I的端部。然后该喷嘴保持工具3支承布置在喷嘴保持工具3和流体分配喷嘴5之间的一个或多个稳定室4。当然，当分配多股低温流体射流6时，稳定室4布置在每个低温流体分配喷嘴5的上游。这样，本发明的装置能够分配一股或多股低温流体射流6，其相干长度LC2大于根据现有技术的装置分配的流体射流的相干长度LCl。
[0050]根据特定实施例，用于分配一股或多股低温流体射流6的装置包括喷嘴保持工具3，其设置有用于使所述工具绕管道I的轴线XX转动以便赋予流体分配喷嘴5圆周运动并获得旋转射流(在图3中由箭头8示意性地示出)的机构。通常，喷嘴保持工具3可通过具有或不具有传动带的一组齿轮转动，该齿轮借助于连接至电动或气动马达的第一旋转传动轴或心轴通过电动或气动马达移动，包括具有一组内齿轮和在此处转动的第二传动轴或心轴的传动机构的箱、壳体或传动室连接至设置有稳定室4和喷嘴5的可动工具3。
[0051]此外，本发明的解决方案还涉及一种使用根据本发明的能够分配一股或多股低温流体射流6的装置的工作方法，该射流是固定的或转动的，其相干长度被增加以便实施材料的表面处理、清理、清洗或剥离。本发明的方法对于在表面不平整或粗糙或具有至少一个为至少20cm的特征尺寸一即其中形成有特征结构的宽度、高度或长度一的材料或部件上执行表面处理操作等特别有利。特别是，本发明的解决方案对于清洗具有大的尺寸、即至少40cm的热交换器是极有益的，其中组成部件可定位于距交换器的外周超过20cm处。优选地，该工作方法中使用的低温流体射流具有至少20cm的相干长度LC2。
[0052]在本发明的上下文中，由本发明的装置分配的流体是处于低温和高压下的流体，特别是处于1500bar以上的压力和_140°C以下的温度下的液氮。
[0053]示例
[0054]为了演示根据本发明的装置对于增加低温流体射流的相干长度和有效长度、从而最小化或甚至避免与此有限的相干长度和有效长度相关的问题的效力，进行测试以便比较利用用于分配低温流体射流的传统装置(即特征在于没有稳定室(根据现有技术的测试))和利用包括设置于喷嘴和流体供给管道之间的一个或多个稳定室的用于分配低温流体射流的装置(根据本发明的测试)获得的射流的相干长度。这些测试本质上包括射流相干长度的测量，该长度对应于可见的射流长度，它可以很容易地确定。当然，流体射流的相干长度的增加也会导致所述射流的有效长度增加。
[0055]所述测试利用处于3500bar的压力、6升/分钟的流率和_155°C的温度下的液氮射流进行。
[0056]用于供给低温流体的系统是外径为6.35mm和内径d为2.1mm的由UHP316L不锈钢制成的管件。
[0057]用于分配低温流体射流的装置包括单个稳定室和单个分配喷嘴，如图2所示，并且不使用用于转动射流的系统。
[0058]示例1:低温流体分配喷嘴肓径305 μ m
[0059]在此第一系列测试中，位于稳定室下游的用于分配低温流体射流的装置是从高压水射流技术发展的喷嘴，其设置有具有为305 μ m的流体通路直径、即出口孔直径的喷射蓝宝石。
[0060]表1给出了利用具有60mm的长度L和4.2mm的直径D的稳定室进行的测试(测试Nol)过程中获得的射流相干长度与在不存在这种稳定室的情况下执行的测试(测试No2)过程中获得的射流相干长度的比较。
[0061]如表中可见，根据本发明的稳定室在流体供给管道和流体分配喷嘴之间的布置有效地导致所分配的低温流体射流的相干长度大于没有本发明的装置时所获得的相干长度。
[0062]表2给出了在使用具有4.2mm的直径D和不同长度L的稳定室的过程中获得的射流相干长度，表3给出了在使用具有不同直径D和60_的长度L的稳定室的过程中获得的射流相干长度。通过指示，表4给出了在使用具有不同直径D和60_的长度L的稳定室的过程中获得的低温流 体射流的雷诺数。
[0063]如表中可见，对于所测试的稳定室的不同几何形状，根据本发明的稳定室在流体供给管道和流体分配喷嘴之间的布置有效地导致所分配的低温流体射流的相干长度大于由根据现有技术的、即不具有稳定室的装置分配的流体射流的相干长度。因此，本发明还能增加低温流体射流的有效长度。
[0064]根据在这些测试过程中获得的低温流体射流的相干长度，应注意的是，当被处理的物体包括至少一个为20cm左右或以上的特征尺寸(即长度、宽度或高度)，或当被处理的物体本身包括位于距所述被处理物体的外周超过20cm的部分时，施用本发明是特别有利的。
[0065]此外，表4示出了低温流体射流相干长度的增加伴随着所述射流的雷诺数的降低以及随后所述射流的层流化，其进一步表明了本发明在解决前述问题上的优势。
[0066]此外，表2和表3中示出的结果表明，当稳定室的直径D增加或者当稳定室的长度L增加时，相干长度的增加趋向于达到一个极限值。因此，没有必要无限增加稳定室的尺寸L和D，因此稳定室的尺寸保持合理。因此，为了本发明的解决方案的最佳操作，稳定室的直径和长度被调整成使得流体流动截面具有2mm和6mm之间的直径D，所述截面的长度L在20mm 和 10Omm 之间。
[0067]在本发明的上下文中，根据在下列表格中给出的相干长度的测量结果，稳定室的流体流动截面的直径D优选介于3mm和5mm之间，并且稳定室的流体流动截面的长度L优选介于50mm和70mm之间，以便分配一股或多股具有至少20cm的相干长度LC2的低温流体射流。此外，这些尺寸使得用于分配一股或多股低温流体射流的装置能保持合理的尺寸，因此能容易地用于使用所分配的低温流体射流的工业工作设备。
[0068]表1
[0069]
喷射直径305 μ m~I测试Nol-本发明~|测试Nol-现有技术
射流相干长度 25^18^
【权利要求】
1.一种用于分配一股或多股低温流体射流(6)的装置，该装置包括流体供给管道(1)，所述流体供给管道(I)用于供给布置在所述管道下游的一个或多个流体分配喷嘴(5)，所述流体供给管道(I)包括具有第一直径(d)的流体流动截面， 其特征在于，所述装置还包括设置在流体供给管道(I)和流体分配喷嘴(5)之间的至少一个稳定室(4)，所述稳定室流体连接至所述流体供给管道(I)和流体分配喷嘴(5)，每个具有流体流动截面的稳定室具有大于流体供给管道(I)的流体流动截面的第一直径(d)的第二直径⑶。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述稳定室(4)的流体流动截面的直径(D)介于2mm和6mm之间，优选介于3mm和5mm之间。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述稳定室(4)具有介于20mm和IOOmm之间、优选介于50mm和70mm之间的长度(L)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述稳定室(4)由适合于低温的材料、有利地为不锈钢、优选为316或316L型不锈钢形成。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，该装置包括借助于连接件(2)直接连接至流体供给管道(I)的端部的单个稳定室(4)。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，该装置还包括借助于连接件(2)连接至流体供给管道(I)的端部的喷嘴保持工具(3)，所述喷嘴保持工具(3)支承布置于喷嘴保持工具(3)和流体分配喷嘴(5)之间的至少一个稳定室(4)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，该装置还包括喷嘴保持工具(3)，该喷嘴保持工具设置有用于使所述喷嘴保持工具(3)绕流体供给管道(I)的轴线(XX)转动从而使流体分配喷嘴(5)进行圆周运动的机构。
8.一种用于借助于一股或多股低温流体射流进行处理的设备，包括处于低温和高压下的流体源，该流体源流体连接至供给分配一股或多股低温高压流体射流的一个或多个喷嘴(5)的流体供给管道(I)，其特征在于，所述设备还包括根据权利要求1至7中任一项所述的装置。
9.一种使用通过根据权利要求1至7中任一项所述的装置或根据权利要求8所述的设备分配的一股或多股低温流体射流(6)的工作方法，用以借助于一股或多股加压低温流体射流(6)执行材料的表面处理、清理、清洗或剥离。
10.根据权利要求9所述的工作方法，其特征在于，由流体分配喷嘴(5)分配的低温流体射流(6)具有低于_140°C的温度和至少300bar的压力。
11.根据权利要求9或10所述的工作方法，其特征在于，所使用的低温流体是液氮。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的工作方法，其特征在于，被处理的部件是热交换器。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的工作方法，其特征在于，被处理的部件具有至少一个大于或等于20cm的特征尺寸。
【文档编号】B24C1/08GK103958127SQ201280057277
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2012年10月23日 优先权日:2011年11月24日
【发明者】J·坎塔尔, F·里查德, C·特鲁朔 申请人:乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司