[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bereitstellen blasenfreien,
flüssigen Kohlendioxids nach dem Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 5.
[0002] Während es manchmal erwünscht ist, Flüssigkeiten mit Blasen aus einem Tank zu zapfen
(Bier, Schlagsahne), besteht häufig der Wunsch, die Flüssigkeit blasenfrei an der
Entnahmestelle oder beim Verbraucher vorzulegen. So ist es beim Dosieren oder Abmessen
wichtig, die Flüssigkeit rein in ihrer flüssigen Phase zu halten. Das blasenfreie
Zapfen von Benzin erlaubt ein exaktes Abmessen. Ebenso ist beim Abfüllen von Milch
oder anderen schäumenden Lebensmittels stets darauf zu achten, dass die gewünschte
Abfüllmenge auch in den Behälter gebracht wird. Da mit der Abgabe meist eine Drucksenkung
verbunden ist, besteht die Gefahr der Blasenbildung umso mehr, je näher man sich an
der Phasengrenze flüssig-/gasförmig befindet.
[0003] Problematisch sind verflüssigte und/oder gekühlte Gase, die bei Normalbedingungen
stets nur in gasförmigem Zustand vorliegen. Kommen dann noch Anomalien dazu, wie es
bei Kohlendioxid der Fall ist, das neben den klassischen Aggregatzuständen gasförmig,
flüssig und fest auch noch die Zustände superkritisch und schneeförmig kennt, so gibt
es bisher keine Versorgungseinrichtung, die es zuverlässig erlaubt, immer nur blasenfreies,
flüssiges CO
2 zu liefern. Bei bisher bekannten Versorgungseinrichtungen, bestehend aus einem Flüssig-CO
2-Tank, einer Entnahmeleitung für das flüssige CO
2 und einem Ventil vor dem Verbraucher, liefern zwar flüssiges CO
2, beim häufigen Öffnen und Schließen der Absperrventile bildet sich aber in der Leitung
vor dem Ventil durch eine gewisse Entspannung oder Erwärmung Gasblasen, die den Betrieb
des Verbrauchers oder das Abmessen stören können. Gerade bei Expansionsdüsen zum Herstellen
von Kohlendioxidschnee oder zum Kühlen sollte vor der Düse stets flüssiges CO
2 blasenfrei vorliegen.
[0004] Es wurde bereits vorgeschlagen (
deutsche Patentanmeldung 10 2004 043912 CO
2 flüssig einem Tank zu entnehmen, etwas zu erwärmen, wieder abzukühlen und in flüssigem
Zustand bis zum Verbraucher zu führen. Diese Versorgung hat den Nachteil, dass sie
bei hohen Außentemperaturen (über dem kritischen Punkt von CO
2) nicht funktioniert. Bei einer Flüssigentnahme direkt aus einer CO
2-Flasche mit Tauchrohr oder aus einem CO
2 Flaschenbündel mit Tauchrohren in den Flaschen verdampft ein Teil der Flüssigkeit
bereits im Entnahmeschlauch oder in der Entnahmeleitung, wodurch die Reinigungswirkung
reduziert wird. In Entnahmeleitungen, die Flüssig-CO
2 führen, müssen alle Leitungsbereiche, die mit Absperrventilen abgetrennt sind, mit
Sicherheitsventilen versehen sein. Das Gas muss sicher ins Freie abgeleitet werden.
Mit großen Abblasmengen ist zu rechnen, weil das CO
2 als Flüssigkeit in der Leitung vorliegt. Diese Art der Konstruktion ist daher relativ
aufwändig und teuer.
[0005] Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Versorgungsvorrichtung und ein Versorgungsverfahren
vorzuschlagen, welche preisgünstiger stets blasenfreies CO
2 bereitstellen.
[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einem Verfahren mit den Merkmalen des
Anspruchs 1. Ausführungen der Erfindung und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens
sind Gegenstände von Unteransprüchen.
[0007] Kennzeichnend für die Erfindung ist, dass für die Versorgung der Verbraucher gasförmiges
CO
2 verwendet wird. Dieses Gas wird über normale Versorgungsleitungen zu den Verbrauchsplätzen
geleitet. An der Verbrauchsstelle oder kurz vorher wird das gasförmige CO
2 erfindungsgemäß durch Abkühlung in einem Kondensator verflüssigt oder kondensiert.
Das verflüssigte CO
2 wird dann über eine kurze Zuleitung dem Verbraucher zugeführt. Durch das vollständige
Kondensieren und das nachfolgende Unterkühlen des CO
2 wird bei der Entspannung im Verbraucher beispielsweise viel CO
2-Schnee erzeugt. Dadurch wird, wenn der CO
2-Schnee zum Reinigen verwendet wird, die Reinigungswirkung stark erhöht. Es hat sich
gezeigt, dass so der Versorgungsdruck unter dem normalen CO
2-Flaschendruck liegen kann. Statt ca. 50 bar Flaschendruck reichen 10-30 bar Leitungsdruck,
um ein gutes Reinigungsergebnis zu erzielen.
[0008] In einer Ausführung der Erfindung wird das CO
2 im Kondensator unterkühlt, um ein Nachverdampfen zu vermeiden. Die Unterkühlung kann
dabei geringfügig ausfallen, d.h. es reichen 4-15 °C, um ein Nachverdampfen bis zum
Verbraucher sicher zu vermeiden.
[0009] Die Erfindung hat folgende Vorteile:
Es entfallen aufwändige und teure Flüssigleitungen für die CO2-Versorgung. Vorhandene CO2-Leitungssysteme mit gasförmigem Produkt können verwendet werden. Dadurch werden die
Kosten für das Kondensiergerät mehr als kompensiert. Kondensation und eventuelle Unterkühlung
kurz vor dem Reinigungsgerät gewährleisten eine zuverlässige CO2-Reserve kurz vor dem "point-of-use".
[0010] Die Sicherheit wird erhöht, weil die Zuführleitungen kein flüssiges CO
2 führen.
[0011] Die Leitung zwischen dem Kondensator und dem Verbraucher sollte möglichst kurz sein.
Bevorzugt liegt sie im Bereich zwischen 100 und 300 cm. Sie kann auch isoliert sein.
Muss aber nicht, wenn die Strömungsgeschwindigkeit relativ hoch und die Temperaturdifferenz
relativ gering ist.
[0012] Besonders geeignet ist das Verfahren, wenn als Verbraucher eine Entspannungsdüse
vorgesehen ist, da nunmehr bei Zuführung stets flüssigem Kohlendioxids ein geregelter
Betrieb der Entspannungsdüse möglich ist.
[0013] Besonders vorteilhaft ist dies, wenn die Entspannungsdüse zum Reinigen von Gegenständen
eingesetzt wird, wie z.B. zum Reinigen von Schweißdüsen, wie MIG oder MAG-Brennern.
An diesen Düsen haften oft Spritzer, Partikel oder Kondensate, die möglichst schnell
entfernt werden müssen, um die Taktzeiten der Fertigung nicht zu stark zu beeinträchtigen.
Da der Reinigungsprozess manchmal weniger als eine Sekunde (0,5 Sek empfohlen laut
Hersteller) beträgt, ist es wichtig, von Anfang an flüssig Phase bereitstellen zu
können.
[0014] Der aktuelle Stand der Technik wird in dem Artikel "Schweißbrenner werden berührungslos
gereinigt" in "Schweißen und Schneiden" 56 Heft 6 /2004, S. 270 dargestellt. Hier
wird zwar erwähnt, dass CO
2 in Steigrohrflaschen oder Tanks unter Druck flüssig gelagert werden kann, es wird
aber keine Lösung beschrieben, wie das CO
2 aus dem Tank bis zum Gerät blasenfrei flüssig bleibt.
[0015] Ähnliche Verfahren sind beispielsweise aus der
WO 02/49794 A1 bekannt, wo allerdings nicht mit flüssigem CO
2 sondern mit CO
2-Pellets und Luft gearbeitet wird.
[0016] Eine weitere Anwendung ist das Kühlen von Pulvern oder Substraten beim thermischen
Spritzen (Linde Prospekt "Thermal spraying-controlled cooling with CO
2")
[0017] Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist einen Vorratsbehälter
auf, aus dem CO
2 gasförmig entnommen wird. Über die Versorgungsleitung wird das CO
2 gasförmig einem Kondensator zugeführt, der kurz vor dem Verbraucher liegt und das
CO
2 verflüssigt und eventuell unterkühlt.
[0018] Der Abstand zwischen dem Kondensator und dem Verbraucher ist möglichst klein. Er
liegt bevorzugt bei 100 bis 300 cm, um eine Beweglichkeit des Verbrauchers zu gewährleisten,
ohne dass der Kondensator mit bewegt werden muss.
[0019] Die Bevorratung des CO
2 kann entweder in einer CO
2-Flasche erfolgen, über CO
2-Flaschenbündel oder über einen CO
2-Tank, in dem das Gas verflüssigt vorliegt und dann über einen separaten Verdampfer
in die gasförmige Phase gebracht wird. Das Gas kann auch aus einer vorhandenen CO
2-Leitung genommen werden, wie sie in vielen Schweißbetrieben bereits vorhanden ist.
Bei allen Lagervarianten kann zwischen dem Lagerbehälter und der Versorgungsleitung
auch ein Druckregler vorgesehen sein, wenn dies gewünscht ist.
[0020] Als Kondensator kann jeder gebräuchliche Verflüssiger für CO
2 eingesetzt werden. Besonders bevorzugt wird ein Kondensator mit elektrisch betriebenem
Kühlaggregat eingesetzt, da elektrischen Strom praktisch an jeder Arbeitsstelle vorliegt.
[0021] Besonders bevorzugt wird als Verbraucher ein Flüssig-CO
2-Reinigungssystem eingesetzt, welchem das CO
2 flüssig zugeführt wird. In diesem Reinigungssystem wird flüssiger CO
2 in einer Düse mit Ventil entspannt und wird dann als Schneegasgemisch auf einen zu
reinigenden Gegenstand geblasen. Dieser Gegenstand kann beispielsweise ein MIG/MAG-Brenner
sein, der von Schweißspritzrückständen zu befreien ist.
[0022] Eine Ausführung der Erfindung wird anhand einer Figur näher erläutert. Dabei zeigt
die Figur das Prinzip der Versorgung eines Verbrauchers zum Reinigen von Schweißdüsen.
[0023] Die Figur zeigt den CO
2-Standtank 1, in dem flüssiges CO
2 gelagert ist. Ein Verdampfer 2 kann diese Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand
bringen. Als alternative Lagerungsmöglichkeiten für das CO
2 sind hier das CO
2-Bündel 3 und die CO
2-Flasche 4 gezeigt. Vorteilhafterweise wird, sofern die Bevorratung über einen CO
2-Standtank erfolgt, ein Niederdrucktank verwendet und im Anschluss an den Verdampfer
2 eine Einheit zur Druckerhöhung angebracht. Jede der drei Lagerungsmöglichkeiten
führt dann zur Versorgungsleitung 6, wobei dieser Versorgungsleitung 6 ein Druckregler
5 vorgeschaltet sein kann. Die Versorgungsleitung 6 führt zum Kondensator 8, in dem
das CO
2 verflüssigt wird und dann über eine CO
2-Flüssigleitung 9 zum Verbraucher geleitet wird. Der Verbraucher ist hier das Flüssig-CO
2-Reinigungssystem 10 mit einem regelbaren Ventil und einer Entspannungsdüse. Die Versorgungsleitung
6 kann optional über eine weitere Leitung 7 die Versorgung anderer Verbraucher bewerkstelligen.
Hier z.B. einen Schweißbetrieb. Das in der Enspannungsdüse entspannte CO2 wird auf
den Schweißbrenner gerichtet, wodurch anhaftende Schweißspritzer durch Temperaturspannung
gelöst und mit dem Gasstrahl ausgeblasen werden. In dieser Aufführung ist dem Flüssig-CO
2-Reinigungssystem 10 eine Druckluftzuleitung 11 zugeordnet, aus der optional Druckluft
nach dem CO2-Strahlen in die Entspannungsdüse geleitet wird. Mit dem zusätzlichen
Druckluftstrahl können verbliebene Schweißspritzer ausgeblasen werden, ohne dass der
Brenner zu stark abgekühlt.
[0024] Erfindungsgemäß liegt also in der relativ langen Versorgungsleitung 6 das CO
2 gasförmig vor und wird erst kurz vor dem Verbraucher 10 im Kondensator 8 verflüssigt.
Die CO
2-Flüssigleitung 9 ist dann relativ kurz: Damit entfallen die sonst relativ großen
Probleme, flüssig CO
2-führende Leitungen mit Abblasmöglichkeiten in die Umgebung zu versorgen. Die Gesamtversorgung
ist daher preisgünstiger als bisherige Alternativen.
1. Verfahren zum Bereitstellen blasenfreien flüssigen Kohlendioxids an einen Verbraucher,
dadurch gekennzeichnet, dass gasförmiges CO2 einer Versorgungsleitung (6) entnommen wird, in einem Kondensator (8) verflüssigt
und dann zu einem Verbraucher geführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das CO2 im Kondensator (8) unterkühlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verflüssigung kurz vor dem Verbraucher erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das CO2 zum Kühlen von Pulvern oder Substraten beim thermischen Spritzen verwendet wird.
5. Vorrichtung zum Bereitstellen blasenfreien flüssigen Kohlendioxids an einen Verbraucher,
gekennzeichnet durch eine Versorgungsleitung (6) für gasförmiges CO2 und einen Kondensator (8) zum Verflüssigen kurz vor dem Verbraucher.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die CO2-Flüssigleitung (9) zwischen Kondensator (8) und Verbraucher zwischen100 und 300 cm
lang ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Lagerung des CO2 entweder eine CO2-Flasche (4) oder ein CO2-Flaschenbündel (3) oder ein CO2-Flüssigtank (1) mit Verdampfer (2) vorgesehen sind, wobei vor der Versorgungsleitung
(6) ein Druckregler (5) vorgesehen sein kann.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (8) elektrisch betrieben ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbraucher eine Entspannungsdüse vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher ein Flüssig-CO2-Reinigungssystem (10) für Gegenstände, insbesondere für Schweißdüsen, wie MIG oder
MAG-Brenner (12), MSG-Zweidrahtbrenner und/oder Laser-Hybrid-Brenner ist.