Untersuchung der CO2-Schneebildungsmechanismen zur gezielten Beeinflussung der Schneeeigenschaften
Strömungsmechanik
Technische Thermodynamik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen der Untersuchungen wurden die Erkenntnisse des ersten Forschungszeitraums sowie das Modell der CO2-Schneeentstehung während des Strahlens um die Abhängigkeit vom CO2-Tripeldruck erweitert. Des Weiteren wurde eine Messmethodik entwickelt die es erlaubt die Wirkmechanismen zu erfassen und deren Anteile bei unterschiedlichen Werkstückausgangstemperaturen zu ermitteln. Zum visuellen Abgleich der Strömungsvorgänge sowie zur Bestimmung der Aggregatzustände wurden Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, an unterschiedlichen Agglomerationskammern erstellt. Grundlage der Messmethodik ist die gravimetrische Strahlleistung. Ermittelt wurde diese an Polyurethan-Hartschaumblöcken und als die beim CO2-Strahlen abgetrennte Masse pro Zeit definiert. Bei der entwickelten Messmethodik wurde die Tatsache ausgenutzt, dass bei einer Bauteilausgangstemperatur TWA = -78,5 °C der thermische Effekt keinen Anteil mehr am Reinigungs- bzw. Abtrennprozess hat. Durch die gezielte Temperierung der Probenbauteile konnte so der mechanische Anteil der Wirkmechanismen ermittelt werden. Um auch den thermischen Anteil zu bestimmen wurden die Probenbauteile auf höhere Temperaturen erwärmt. Die dabei zusätzlich festgestellte gravimetrische Strahlleistung kann dem thermischen Effekt zugeordnet werden. Neben der gravimetrischen Strahlleistung wurden die Strömungskenngrößen CO2-Druck und -Temperatur sowohl am Eintritt als auch am Austritt aus der Agglomerationskammer sowie die CO2-Konzentration in der Strahlvorrichtung gemessen. In Verbindung mit der gravimetrischen Strahlleistung können so auch Aussagen zu den Eigenschaften des CO2-Schnees, wie beispielsweise Partikelhärte oder CO2-Umsatz, getroffen werden. Basierend auf den Erkenntnissen des ersten Forschungszeitraums wurde die CO2-Schneeentstehung in Abhängigkeit des CO2-Tripeldrucks untersucht. Gleichzeitig wurden die Geometrie der Agglomerationskammer sowie des Behälterdrucks als Einflussgrößen untersucht. Zu erkennen ist, dass die Geometrie der Agglomerationskammer die CO2-Temperatur sowie den CO2-Druck in der Agglomerationskammer beeinflusst und somit auch den Aggregatzustand. Die Untersuchungen ergaben, dass das CO2 im hier untersuchten Bereich nur in der festen oder in der gasförmigen Phase vorliegen kann. Die stromabwärts der Drossel gemessenen Strömungskenngrößen lassen darauf schließen, dass das feste CO2 durch Desublimation entsteht. Der mechanische Effekt lässt sich durch die Geometrie der Agglomerationskammer beeinflussen und der thermische durch den Behälterdruck. Die Untersuchungen oberhalb des CO2-Tripeldrucks beinhalteten neben der Variation des Behälterdrucks auch die der Agglomerationskammergeometrie. Der Behälterdruck beeinflusst hier alle Zielgrößen. Das CO2 liegt im untersuchten Bereich zum Teil im flüssig-festen Zweiphasen-Gebiet vor. Die Entstehung von festen CO2-Partikeln erfolgt dann hierbei durch ausfrieren, ähnlich dem Entstehen von Wassereis. Auch die Geometrie der Agglomerationskammer beeinflusst die CO2-Partikel. Während ein geringer unterer Durchmesser eine gestiegene gravimetrische Strahlleistung zur Folge hat, ändert sich die CO2-Konzentration nicht. Dies wiederum lässt den Schluss zu, dass hierdurch die CO2-Partikelhärte beeinflusst werden kann. Der mechanische Effekt lässt sich hier durch die Faktorwechselwirkung Agglomerationskammerlänge und Behälterdruck am effektivsten beeinflussen. Der thermische Effekt hingegen hat den größten Anteil bei, entsprechend des untersuchten Bereichs, geringen Behälterdrücken. Die abschließenden Hochgeschwindigkeitsaufnahmen bestätigen die während der Untersuchungen ermittelten Erkenntnisse zu den Aggregatzuständen. Unterhalb des CO2-Tripeldrucks ist keine flüssige Phase erkennbar. Der Anteil des festen CO2 variiert in Abhängigkeit des Behälterdrucks. Oberhalb des CO2-Tripeldrucks sind Anteile von flüssigem CO2 deutlich zu erkennen. Diese variieren sowohl in Abhängigkeit von Behälterdruck als auch von der Geometrie der Agglomerationskammer. Ob das CO2 die Strahlvorrichtung jedoch in der festen oder in der flüssigen Phase verlässt konnte, aufgrund der hohen Dynamik des Strahlvorgangs, nicht geklärt werden. Mit Hilfe der erstellten Modelle können für den jeweiligen Druckbereich die Anteile der Wirkmechanismen vorhergesagt werden. Darüber hinaus lässt sich hiermit ein effizientes Design der Agglomerationskammern entwickeln. So können entweder Strahlvorrichtungen für eine bestimmte Reinigungsaufgabe entwickelt werden oder ein bestimmter Wirkanteil verstärkt werden um eine spezielle Reinigungsaufgabe zu bearbeiten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Optimierung von CO2-Schnee als Strahlmittel. Entstehungsmechanismen von CO2-Schnee und Modellbildung zur Strahlleistung. wt Werkstattstechnik online 103 (2013) 10, S. 826 - 832
Uhlmann, E.; Kretzschmar, M.
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Characterization of CO2 snow generation to increase the blasting performance. WGP Congress 2015 (Hamburg) – Progress in Production Engineering. Applied Mechanics and Materials Vol. 794 (2015) S. 255 - 261
Kretzschmar, M; Baira, E. M.; Uhlmann, E.
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Optimierte CO2-Schneestrahlanlagen. Modifikation von CO2-Schneestrahlanlagen zur Erhöhung der Strahlleistung. wt Werkstattstechnik online 105 (2015) 6, S. 405 - 409
Uhlmann, E.; Kretzschmar, M.
