CN102427915A

CN102427915A - 用于通过低温流体射流进行表面处理的设备和方法

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Publication number: CN102427915A
Application number: CN2010800217511A
Authority: CN
Inventors: J·昆塔德; F·理查德; C·特吕绍
Original assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2010-05-07
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2030-05-07
Also published as: JP2012527358A; FR2945761A1; RU2011151863A; EP2432621B1; US20120055173A1; WO2010133784A1; CN102427915B; EP2432621A1; FR2945761B1

Abstract

本发明涉及采用一股或更多股低温高压流体射流的工作设备，包括：与运动工具(4)连接的低温流体源(1)，运动工具(4)包括用于分配低温高压流体射流的流体分配喷嘴(11)，以及布置在运动工具(4)周围并与抽吸装置(25)连接的第一和第二保护包壳。设备还包括气体密封装置(23)，其适合于并设计成构成两个保护包壳(20、23)之间的至少一个气体保护屏障，由于将干燥气体供应到第二包壳(23)内从而形成该气体保护屏障。本发明还涉及用于使用该设备的方法以及使用该设备通过低温高压流体对材料进行表面处理、清洗或剥离的方法。

Description

用于通过低温流体射流进行表面处理的设备和方法

技术领域

本发明涉及通过处于非常高压力下的低温流体射流对例如金属、混凝土、木材、聚合物、塑料或者任何其它类型材料的有涂层或无涂层材料进行清洗(清理)或剥离(去皮)或表面处理的设备和方法。

背景技术

目前，主要通过沙磨、超高压(UHP)水喷射、沙磨机、风镐、凿石锤或者化学装置进行有涂层或无涂层材料的表面处理，特别是对混凝土、涂料等材料的清洗、剥离或类似处理。

然而，例如由于苛刻的环境限制而不能存在水分时(例如在核或者化学产品环境中)，只能使用所谓的“干燥”工作方法。

然而，在一些实例中，由于例如添加了需要随后进行再处理的沙粒或沙子，因而难以使用这些“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。

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。在该例中，使用一个或更多个液氮射流，该射流处于1000bar至4000bar的压力以及例如介于-100℃和-200℃之间，通常在-140℃和-160℃左右的低温温度下，通过设定为运动(通常为转动或摆动)的喷嘴支承工具分配液氮射流。

目前，如果由喷嘴分配的气态氮释放到进行表面处理的房间中会产生操作者缺氧的风险，特别是如果气态氮在房间中积累并且房间通风较差或者根本不通风。

由于该原因，抽吸罩通常安装在表面处理工具周围，液氮射流产生于该表面处理工具，所述抽吸罩通常装配有柔性边沿带，柔性边沿带用于提供抽吸罩和待处理表面之间的机械屏障和接触功能。边沿带可以具有或构成为一排柔性毛、弹性带(橡胶、皮革、弹性体等等)、或者一个或更多个泡沫材料凸缘，等等。

抽吸罩使得可在工具和待处理表面之间产生部分地密封并且抽吸喷嘴喷出的全部或部分氮。当希望直接在源头抽吸表面处理过程中产生的废物从而避免污染在其中进行表面处理操作、例如进行表面清洗的区域时，特别地在放射性环境中进行混凝土剥离时，该抽吸罩特别的有用。

使用的抽吸罩一定要在低压下，从而避免氮释放到工作间/工作场所中并且能够有效地从表面上抽吸残留物。

抽吸罩抽吸由喷嘴支承工具喷出的氮、以及灰尘和例如混凝土碎块或类似物的废物。为了确保抽吸的最大功效，抽吸能力必须大于工具处的氮的流率。这样，外部空气也被抽吸。

然而，抽吸的环境空气包含湿气，即水蒸气，其进入了抽吸系统。

目前，抽吸的湿气产生了两个主要问题。

首先，湿气被吸附在柔性边沿带上，特别在毛或类似物上，并且湿气在接触低温罩后变成冰。这会严重阻碍设备运行。实际上，构成边沿带的部件，例如毛，由于其柔性通常要作为抽吸罩和待处理表面之间的接触区域的基本部件。现在，如果这些部件变得坚固且坚硬，抽吸罩和基底之间的接触会由于其显示很少的“密封性”而变得很差。接着造成低质量抽吸，即碎石、灰尘或其它废物将“污染”进行处理的房间。这是不能接受的，特别在一定要抽吸表面残留物的工业领域中，例如核或化学工业。

另外，这种类型的抽吸系统通常装配有高效过滤器(filtres absolus)，抽吸的湿气被输送到高效过滤器。在这些高效过滤器上，湿气与灰尘和其它表面残留物凝聚成团从而形成阻塞高效过滤器的糊状物，这对抽吸效果影响很大并且可能导致高效过滤器失效。这导致频繁的生产停止以便清洁高效过滤器，这损害了生产率。

因此，待解决的问题是提出一种通过处于极高压力下的低温流体射流对例如金属、混凝土、木材、聚合物、塑料或者任何其它类型材料的有涂层或无涂层材料进行清洗、剥离和表面处理的设备和方法，该设备和方法是经过改善的，即其不导致或相比之前的方法至少不经常导致由于抽吸罩的密封较差和/或抽取系统装配的过滤器或其它净化或过滤装置的阻塞造成的抽吸缺陷。

发明内容

本发明的解决方案是采用至少一股低温高压流体射流的工作设备，该设备包括：

-与运动/可动工具流体连接的低温流体源，运动工具包括一个或更多个用于分配一股或更多股所述低温高压流体射流的流体分配喷嘴，和

-安装在运动工具周围并与抽吸装置流体连接的第一保护包壳，所述第一保护包壳包括位于流体分配喷嘴一侧的下部开口端，从而形成围绕工具的抽吸罩。

本发明的设备的特征在于，该设备还包括气态密封装置，其适合于并设计成构成至少在第一保护包壳的下端处和在所述第一保护包壳的周边的至少一部分上的至少一个气态保护屏障，所述气态密封装置至少包括：

-第二保护包壳，其围绕第一保护包壳的至少一部分布置并且在第一保护包壳的下端处开口，和

-与所述第二保护包壳流体连接的供应干燥气体的装置，从而将所述干燥气体供应到所述第二保护包壳内部。

依据使用条件，本发明的设备可以包括一个或更多个下述特征：

-干燥气体供应装置包括干燥氮气源或干燥空气源。

-该设备包括至少一个热交换器，热交换器包括布置在低温流体源和转动工具之间的排气装置，特别是排气口，干燥气体供应装置与所述排气装置流体连接以便能够回收至少部分通过所述排气装置逸出的气体并且随后将回收的气体导入所述第二保护包壳。

-低温流体源是容纳低温流体且具有顶部气体空间的罐，干燥气体供应装置与低温流体源的顶部气体空间流体连接。

-将干燥气体输送给保护包壳的干燥气体供应装置包括至少一个气体供应管线，优选地，气体供应管线配备有控制装置和/或气体流率调节装置。

本发明还涉及一种用于避免或减少围绕工作设备的运动工具的第一保护包壳的内部被大气杂质污染的方法，工作设备使用由运动工具的一个或更多个喷嘴分配的至少一股低温高压流体射流，工作设备特别为根据本发明的设备，所述第一保护包壳的所述下端定位成面对待处理表面，其特征在于，供应干燥气体并且至少在第一保护包壳的下端处和在所述第一保护包壳的周边的至少一部分上形成至少一个气态保护屏障，气态保护屏障借助于围绕第一保护包壳的至少一部分并且在第一保护包壳的下端开口的至少第二保护包壳形成，将干燥气体供应给所述第二保护包壳，所述干燥气体的压力大于在第一保护包壳内的压力且大于第二保护包壳外部的大气压力。

依据使用条件，本发明的方法可以包括一个或更多个下述特征：

-干燥气体是空气或氮气，优选为氮气。

-干燥气体是来自于设备的热交换器的排气装置的氮气和/或来自于低温流体源的顶部气体空间的氮气。

-通过工具的喷嘴分配的低温流体的压力至少为300bar，优选地介于2000bar和5000bar之间，并且低温流体的温度低于-140℃，优选地介于大约-140℃和-180℃之间。

-大气杂质是水蒸气。

-供应给第二保护包壳内部的干燥气体的流率介于1000l/min和20000l/min之间，优选地介于5000l/min和15000l/min之间。

另外，本发明还涉及使用高压低温流体对材料进行表面处理、清洗或剥离的方法，在该方法中使用根据本发明的设备或者方法。

附图说明

现在，参考附图更加详细地描述本发明，附图中：

-图1示出了采用极高压力下的低温射流的工作设备的运转；

-图2a(侧视图)和图2b(仰视图)示出了图1的设备配备的喷嘴支承工具；

-图3示出了安装在图1的设备配备的喷嘴支承工具上的标准抽取系统；和

-图4示出了安装在图1的设备配备的喷嘴支承工具上的根据本发明的抽取系统的一个实施例。

具体实施方式

图1示出了采用低温流体射流进行清洗、表面处理或类似处理的标准设备，其通常包括液氮(在下文中以LN₂表示)的存储罐1，例如储液箱，该存储罐1通过供应管线6供应低压液氮(即在大约3bar到6bar的压力和大约-180℃的温度下)，以及压缩装置2，压缩装置2具有可使液氮达到超高压(UHP)的上游压缩机和内部热交换器。

因此，压缩装置2使得可压缩来自存储罐1的LN₂。

接着，第一压力(UHP)下的LN₂通过输送管线7被传送到外部下游热交换器3，在外部下游热交换器3中用大气压下的液氮(在9中)冷却该UHP LN₂从而通常获得UHP液氮。

这导致LN₂处在通常高于300bar的压力(UHP)下，一般介于2000bar和5000bar之间，有利地介于大约3000bar和4000bar之间，并且处在低于-140℃的温度下，通常介于-140℃和-180℃之间，例如大约在-150℃到-160℃的量级，该LN₂被输送(在8中)给用于清洗或类似操作的工具4，该工具4分配一个或更多个UHP液氮射流，通常为数个射流。

高容量罐1，例如用于存储几千升液氮的罐车或罐，通常位于建筑物外部，即位于户外。该罐可以是固定的或可移动的。

高容量罐1以标准方式与所述设备连接，即通过包括一个或多个控制阀等的绝热管道与所述设备连接。另外，也可以通过绝热管在系统的各种元件之间输送LN₂。总气体流率约为20l/min，即15m³/min。

一般来说，压缩装置2、外部交换器3和特别是工具4理论上处于一个或多个建筑物内。

在热处理方法或类似方法的操作过程中，从两个交换器—即压缩装置2上游的交换器和下游交换器3—持续地释放处于大气压力(大约1bar)和大约-196℃下的气态氮。

通过布置在所述热交换器2和3的每一个上的例如排气口或类似物的排气装置释放该气态氮。

在现有技术的设备中，这种释放的氮不重复使用，而是通常被收集起来并从建筑物中排出，以便消除人员窒息的风险，即，它构成了被排入大气的废气。

另外，如图2a(侧视图)和图2b(仰视图)中示出的，为了增加所处理的区域的尺寸，即清洗或类似处理的区域的尺寸，通常使用装配有在用UHP水射流的方法中所使用类型的喷嘴11的工具4，但是这里供应UHPLN₂(在8中)并且喷嘴11转动或摆动从而获得UHP LN₂的旋转或摆动射流12，该射流12用于清洗(或以等效方式处理)待处理表面。

以其本身已知的方式，喷嘴支承工具4通常借助于具有或不具有传动带的齿轮组旋转，该齿轮组通过与电动或气动马达连接的第一转动传动杆或轴、容纳有使用内部齿轮组的传动机构的传动箱或外壳或包壳、以及第二转动传动杆或轴被所述马达驱动，该第二转动传动杆或轴与装配有喷嘴的运动工具4连接。

如图3所示，为了限制由供应管线8供应并然后被喷嘴11分配并将被释放且在进行表面处理的区域积累的氮气造成的操作者缺氧的风险，通常在分配液氮射流12的喷嘴支承工具4周围装配构成抽吸罩的第一保护包壳20。罩20具有下部开口端，该下部开口端定位成面对待处理表面并且由喷嘴11分配的加压低温液体射流12通过该下部开口端射出。

罩20通常在其接触或十分接近待清洗表面的下端配备有柔性边沿带或裙缘21，该柔性边沿带或裙缘21用于确保抽吸罩20和待处理表面之间的机械和密封屏障。该边沿带或裙缘21可以配备有一排(或数排)柔性毛、弹性带(橡胶、皮革、弹性体等等)、以及一个或多个泡沫材料凸缘，等等。

包括抽吸泵以及一个或更多个过滤器或其它净化或过滤装置的标准低压抽吸系统25与抽吸罩20的内部流体连接，并且使得可有效地抽吸表面残留物并且避免氮释放到进行表面处理的房间中。

换句话说，抽吸罩20构成包封工具4的低压包壳，其使得可重新获得并去除由喷嘴11分配的全部或部分氮以及由清洗方法或类似方法产生的灰尘。优选地，罩20中的压力P1低于罩20外部(即安装有工具4的房间中)的大气压力P0。

现在，环境空气、湿气和灰尘可被吸入并且逐渐导致抽吸罩20的不良密封和/或抽吸系统25装配的过滤器或其它净化或过滤装置的阻塞。

为了解决此问题，根据本发明，在图3所示的设备中加入通过气态屏蔽或屏障工作的保护系统，该系统包括第二保护包壳23，第二保护包壳23覆盖抽吸罩20以形成围绕工具4的双重罩或双重包壳。该第二保护包壳23可以具有或不具有类似于抽吸罩20的边沿带或一排毛。

为了获得希望的围绕罩20的气态屏蔽或屏障，将处于大于大气压力(P0)的过压(P2)下的洁净干燥气体流导入第二保护包壳23，从而在第二保护包壳23中产生构成希望的气态屏障的过压气态环境。

因此，第二保护包壳23起到机械屏障的作用，但是最重要的是用于产生围绕罩20的绝缘(隔离)气动屏障，该绝缘气动屏障用于防止环境杂质，特别是水蒸气(湿气)，进入罩20内，这解决了前述问题。

实际上，由于罩20中的干燥气体的压力P1低于第二保护包壳23中的压力P2，从第二保护包壳23向抽吸罩20流动的干燥气体被抽吸系统25抽吸，并且同时，由于压力P2高于外部大气压力P0(即大约1bar)，在双重罩中没有潮湿空气并且因此在抽吸系统25中没有任何潮湿空气。由此，消除了在抽吸罩20的边沿带21的毛上形成冰以及抽吸和过滤系统25的过滤器被湿气阻塞的任何风险。

第二保护包壳23可以覆盖抽吸罩20的全部或一部分。优选地，第二保护包壳23至少覆盖抽吸罩20的下部，即面对待处理表面且支承接触待处理表面的柔性保护边沿带或裙缘的罩20的端部，因为有害的潮湿空气主要从这里渗透。

可以采用常规的方式通过气体供应管线26将干燥气体供应进入保护包壳23，例如，气体供应管线26优选地配备有可以包括阀、减压阀、流量计或其它类似装置的控制和/或气体流率调节装置27。

在本发明中，优选地，第二保护包壳23(或罩)用于形成围绕罩20的气态保护屏蔽，但是可以使用任何其它等同系统或装置，只要其可获得由相对于大气压力和罩20内的压力处于过压的干燥气体构成的气态屏蔽即可。在所有情况中，选择压力P1和P2和装配系统的元件从而获得有效的气态屏蔽都在本领域技术人员的能力范围之内。

应该强调，可以围绕第二包壳安装第三包壳、甚至第四包壳或更多包壳，并且同样地干燥气体能够分配在这些包壳中，从而产生若干个连续的气态屏障(即气态屏蔽)，并且因此进一步改进本发明的方法和设备的效率。

使用的加压干燥气体可以是已经除掉全部或几乎全部水分的干燥空气，或者是干燥的中性气体或惰性气体，特别是干燥氮气，其可以是来自所述方法的废气，或者是气瓶或任何其它类型的气体存储容器或罐中装有的气体，或者是通过气体管道或管网输送的气体。

在本发明中，“干燥气体”指的是包含按体积计小于10％的水蒸气、特别的按体积计小于5％的水蒸气并且优选地不含有水蒸气的气体或气态混合物。

可以采用具有或不具有过滤器或任何其它气体净化装置、气体供应管道或管网的专用压缩机压缩所使用的干燥气体。

但是，优选地使用储液箱或罐1中形成顶部气体空间的干燥氮气，更优选地使用构成废气或排出气体的氮气，该废气或排出气体通常通过图1的设备的上游交换器2或下游交换器3的排气口或类似物排放到大气中。

实际上，在热处理方法操作过程中，处于大气压力(大约1bar)和大约-196℃下的气态氮持续地从压缩装置2的上游交换器和下游交换器3逸出，气态氮的逸出通过所述热交换器2和3配备的例如排气口或类似物的排气装置发生。

回收这些干燥氮气构成的废气特别地有利，因为它使得可以使用可获得的气体源并且使废气更有价值而不是将其排放入大气。换句话说，将通过设备的热交换器上的一个或更多个排气口排放的氮气回收到第二保护包壳23的内部，从而在第二保护包壳23内产生过压并且获得希望的气动绝缘屏障。

优选地，干燥气体(特别是氮气)的流率大于抽吸装置的抽吸流率和用于表面处理的通过喷嘴11喷出的液氮接着变成气态氮的流率之间的流率差。

为了检查本发明的解决方案的效果，以如图3中所示的标准方式使用根据图1的设备，并且为了比较的目的，使用根据本发明的如图4中所示的具有第二保护包壳23的设备。

在两种情况下，由工具4的喷嘴11分配的液体射流12形成的氮气的流率为300m³/h，而抽吸系统25的抽吸流率为1000m³/h。在抽吸罩中的压力P1介于0.60bar和0.99bar之间，优选地介于0.90bar和0.98bar之间，有利地为大约0.95bar。

在没有双重罩且没有干燥气体的情况下——即使用图3的标准装置，通过抽吸罩20抽吸大约700m³/h的空气，即对于包含50％水分的空气来说抽吸大约350m³/h的气态湿气，其等价于每小时抽吸大约280kg的液态水。

为了比较的目的，利用图4中示出的根据本发明的设备，加入围绕抽吸罩20的第二保护包壳23且将700m³/h的干燥气体(即从上游热交换器和下游热交换器的排气口排出的废氮气，由流率控制器/调节装置调节)导入第二保护包壳23中，使得可能将水蒸气(湿气)的量减少到几乎为零，这是因为通过保护包壳23分配的氮气屏蔽产生的气动屏障使得不再抽吸外部空气。这里，在抽吸罩内的压力P1也为大约0.95bar，而在第二保护包壳23内的压力大于或等于大气压力，通常为大约1.05bar。

本发明适用于通过低温流体射流进行的任何处理操作，特别是对例如金属、混凝土、石头、塑料、木材等材料进行表面处理、清洗或剥离。

Claims

1.一种使用至少一股低温高压流体射流的工作设备，包括：

-与运动工具(4)流体连接的低温流体源(1)，运动工具(4)包括一个或更多个用于分配一股或更多股所述低温高压流体射流的流体分配喷嘴(11)，和

-安装在运动工具(4)周围并与抽吸装置(25)流体连接的第一保护包壳(20)，所述第一保护包壳(20)包括位于流体分配喷嘴(11)的旁边的下部开口端，从而形成围绕工具(4)的抽吸罩，

其特征在于，所述设备还包括气态密封装置(23)，所述气态密封装置适合于并设计成构成至少在第一保护包壳(20)的下端处和在所述第一保护包壳(20)的周边的至少一部分上的至少一个气态保护屏障，所述气态密封装置(23)至少包括：

-第二保护包壳(23)，其围绕第一保护包壳(20)的至少一部分布置并且在第一保护包壳(20)的下端开口，和

-与所述第二保护包壳(23)流体连接的干燥气体供应装置(26、27)，从而将所述干燥气体供应到所述第二保护包壳(23)内部。

2.根据权利要求1的设备，其特征在于，干燥气体供应装置(28)包括干燥氮气源。

3.根据权利要求1的设备，其特征在于，干燥气体供应装置(28)包括干燥空气源。

4.根据前述权利要求中任一项的设备，其特征在于，所述设备包括至少一个布置在低温流体源(1)和转动工具(4)之间的热交换器(2、3)，所述热交换器(2、3)包括排气装置，特别是排气口，干燥气体供应装置(26、27)与所述排气装置流体连接以便能够回收通过所述排气装置逸出的气体的至少一部分并且随后将回收的气体导入所述第二保护包壳(23)。

5.根据前述权利要求中任一项的设备，其特征在于，低温流体源(1)是容纳低温液体且具有顶部气体空间的罐，干燥气体供应装置与低温流体源(1)的顶部气体空间流体连接。

6.根据前述权利要求中任一项的设备，其特征在于，将干燥气体输送给保护包壳(23)的干燥气体供应装置包括至少一个气体供应管线(26)，优选地，气体供应管线(26)配备有控制装置和/或气体流量控制装置(27)。

7.一种用于避免或减少围绕工作设备的运动工具(4)的第一保护包壳(20)的内部被大气杂质污染的方法，工作设备使用由运动工具(4)的一个或更多个喷嘴(11)分配的至少一股低温高压流体射流，工作设备特别为如权利要求1-6中任一项的工作设备，所述第一保护包壳(20)的下端定位成面对待处理表面，其特征在于，供应干燥气体并且至少在第一保护包壳(20)的下端处和在所述第一保护包壳(20)的周边的至少一部分上形成至少一个气态保护屏障，气态保护屏障借助于围绕第一保护包壳(20)的至少一部分布置并且在第一保护包壳(20)的下端开口的至少第二保护包壳(23)形成，将干燥气体供应给所述第二保护包壳(23)，所述干燥气体的压力(P2)大于在第一保护包壳(20)内的压力且大于第二保护包壳(23)外部的大气压力。

8.根据权利要求7的方法，其特征在于，所述干燥气体是空气或氮气。

9.根据权利要求7或8的方法，其特征在于，干燥气体是来自于所述设备的热交换器的排气装置的氮气和/或来自于低温流体源(1)的顶部气体空间的氮气。

10.根据权利要求7-9中任一项的方法，其特征在于，通过工具(4)的喷嘴分配的低温流体的压力至少为300bar，优选地介于2000bar和5000bar之间，并且低温流体的温度低于-140℃，优选地介于大约-140℃和-180℃之间。

11.根据权利要求7-10中任一项的方法，其特征在于，大气杂质是水蒸气。

12.根据权利要求7-11中任一项的方法，其特征在于，供应给第二保护包壳(23)内部的干燥气体的流率介于1000l/min和20000l/min之间，优选地介于5000l/min和15000l/min之间。

13.一种使用高压低温流体对材料进行表面处理、清洗或剥离的方法，在该方法中使用如权利要求1-6中任一项的设备或者如权利要求7-12中任一项的方法。