RU2246391C2 - Method for abrasive-gas treatment and nozzle apparatus for performing the same - Google Patents
Method for abrasive-gas treatment and nozzle apparatus for performing the same Download PDFInfo
- Publication number
- RU2246391C2 RU2246391C2 RU2002133252/02A RU2002133252A RU2246391C2 RU 2246391 C2 RU2246391 C2 RU 2246391C2 RU 2002133252/02 A RU2002133252/02 A RU 2002133252/02A RU 2002133252 A RU2002133252 A RU 2002133252A RU 2246391 C2 RU2246391 C2 RU 2246391C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- abrasive
- nozzle
- pressure
- mixture
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Cleaning In General (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области абразивно-газовой обработки поверхностей от различных покрытий, отложений, ржавчины, в частности крупногабаритных металлических конструкций, например, судов, емкостей для нефтепродуктов, листов и т.д. в различных средах, в том числе в морской воде, в агрессивных средах, в газовой атмосфере и под давлением.The invention relates to the field of gas abrasive treatment of surfaces from various coatings, deposits, rust, in particular large-sized metal structures, for example, ships, containers for oil products, sheets, etc. in various environments, including sea water, in aggressive environments, in a gas atmosphere and under pressure.
Известен способ абразивно-газовой обработки поверхности, включающий разделение воздушного потока от источника сжатого газа на две части, при этом меньшая часть воздуха попадает в герметичный резервуар с абразивом, который с воздухом из резервуара подают в большую часть воздуха, смешивают их, полученную смесь транспортируют по шлангу к сверхзвуковому сопловому аппарату, в котором разгоняют абразивный материал в сверхзвуковом потоке воздуха и выбрасывают на обрабатываемую поверхность [1, стр.293, рис.12]. Однако в известном способе абразив плохо ускоряется в сверхзвуковом потоке воздуха и обладает малой кинетической энергией, что ведет к низкой производительности процесса обработки.A known method of abrasive gas surface treatment, comprising dividing the air flow from a source of compressed gas into two parts, with a smaller part of the air falling into a sealed tank with abrasive, which is supplied with air from the tank to a large part of the air, mix them, the resulting mixture is transported by a hose to a supersonic nozzle apparatus, in which the abrasive material is dispersed in a supersonic air stream and thrown onto the surface to be treated [1, p. 293, Fig. 12]. However, in the known method, the abrasive is poorly accelerated in a supersonic air flow and has a low kinetic energy, which leads to low productivity of the processing process.
Известна конструкция пистолета для абразивно-воздушной обработки поверхности, состоящая из корпуса с патрубками для подвода материалов и камеры, в которой установлено сопло для подачи абразива, также критическое сечение, переходящее в выходное сопло. Внутренняя поверхность выходного сопла имеет коническо-цилиндрическую форму, а сопло для подачи абразива выполнено в виде форсунки, установленной соосно в начале конической части и выходного сопла с кольцевым зазором относительно критического сечения камеры, при этом плоскость его выходного отверстия совпадает с критическим сечением [2].A known design of the gun for abrasive-air surface treatment, consisting of a housing with nozzles for supplying materials and a chamber in which a nozzle for feeding the abrasive is installed, is also a critical section, passing into the output nozzle. The inner surface of the outlet nozzle has a conical-cylindrical shape, and the nozzle for feeding the abrasive is made in the form of a nozzle mounted coaxially at the beginning of the conical part and the outlet nozzle with an annular gap relative to the critical section of the chamber, while the plane of its outlet coincides with the critical section [2] .
Однако конструкция сопла не обеспечивает качественное смешивание абразива в коническо-цилиндрической части сопла со сверхзвуковым потоком воздуха, и, соответственно, имеет низкую производительность.However, the nozzle design does not provide high-quality mixing of the abrasive in the conical-cylindrical part of the nozzle with a supersonic air flow, and, accordingly, has a low productivity.
Наиболее близким к заявляемому является способ абразивно-газовой обработки поверхности, включающий первоначальное расширение сжатого воздуха и разгон его до сверхзвуковой скорости, одновременную подачу в ускоренный поток воздуха под давлением рабочего вещества плотным слоем с низкой скоростью поступательного движения, создание абразивно-воздушной смеси, подачи ее в сопло для ускорения и выброса на обрабатываемую поверхность. При этом сжатый воздух расширяют до уровня ниже атмосферного, а ускорение смеси осуществляют до фиксированного значения полного давления выше атмосферного уровня, при этом расход рабочего вещества регулируют давлением его подачи [2].Closest to the claimed is a method of abrasive gas surface treatment, including the initial expansion of compressed air and its acceleration to supersonic speed, the simultaneous supply of an accelerated air stream under the pressure of the working substance in a dense layer with a low speed of translational motion, the creation of an abrasive-air mixture, its supply into the nozzle for acceleration and ejection onto the surface to be treated. In this case, compressed air is expanded to a level below atmospheric, and the mixture is accelerated to a fixed value of total pressure above atmospheric level, while the flow rate of the working substance is controlled by its supply pressure [2].
Недостатком способа-прототипа является некачественное смешивание абразива со сверхзвуковой воздушной струей, невысокое ускорение в сверхзвуковом потоке воздуха из-за возникновения прямых скачков давления, резко снижающих скорость воздушного потока вследствие высокой объемной концентрации абразива при его смешивании со сверхзвуковым потоком. Эти недостатки снижают производительность и качество обработки.The disadvantage of the prototype method is poor-quality mixing of the abrasive with a supersonic air stream, low acceleration in a supersonic air flow due to the occurrence of direct pressure surges, which sharply reduce the air flow rate due to the high volume concentration of the abrasive when it is mixed with a supersonic stream. These shortcomings reduce productivity and processing quality.
Наиболее близким к заявляемому является сопловое устройство, выполненное в виде сверхзвукового сопла для абразивно-газовой обработки поверхности, включающего сужающуюся дозвуковую входную часть, критическое сечение и выходную часть [1, стр.290, рис.10а].Closest to the claimed is a nozzle device made in the form of a supersonic nozzle for abrasive gas surface treatment, including a tapering subsonic inlet part, a critical section and an outlet part [1, p. 290, Fig. 10a].
Однако конструкция устройства не обеспечивает высокую производительность из-за неполного использования энергии давления сжатого воздуха и невозможности больших расходов абразивов для получения качественной обработки загрязненных поверхностей.However, the design of the device does not provide high performance due to the incomplete use of pressure energy of compressed air and the impossibility of high costs of abrasives to obtain high-quality treatment of contaminated surfaces.
Техническая задача, решаемая с помощью изобретений, заключается в повышении производительности за счет исключения прямых скачков давления и обеспечения равномерности смешивания абразива с газом, а также полного использования энергии давления сжатого газа и увеличения площади обрабатываемых поверхностей.The technical problem solved by the inventions is to increase productivity by eliminating direct pressure surges and ensuring uniform mixing of the abrasive with gas, as well as the full use of the pressure energy of the compressed gas and increasing the surface area to be treated.
Техническая задача решается с помощью совокупности признаков, указанных в самостоятельных пунктах 1 и 7 формулы изобретения.The technical problem is solved with the help of a set of features specified in
В способе абразивно-газовой обработки поверхности по первому пункту формулы, включающем подачу газа, последующий его разгон до сверхзвуковых скоростей, его расширение, смешивание абразива с газом и выброс абразивно-газовой смеси на обрабатываемую поверхность, согласно изобретению, газ смешивают перед разгоном с абразивом с получением абразивно-газовой смеси, расширение которой осуществляют до давления ниже давления окружающей среды, регулируют приток газа из окружающей среды и прекращают разгон абразивно-газовой смеси при достижении скорости средних по массе частиц абразива, равной 0,7-0,95 скорости газа, при этом в процессе разгона и расширения смеси в каждом сечении потока поддерживают концентрацию абразива в смеси 0,01-1 об.%, полное давление Р* потока - не ниже предельного Рпр, а приведенную скорость газа λ - не выше предельной приведенной скорости λ пр, причем λ пр и Рпр определяют из соотношений:In the method of abrasive-gas surface treatment according to the first claim, including gas supply, its subsequent acceleration to supersonic speeds, its expansion, mixing the abrasive with gas and the ejection of the abrasive-gas mixture onto the surface to be treated, according to the invention, the gas is mixed before accelerating with the abrasive with obtaining an abrasive gas mixture, the expansion of which is carried out to a pressure below the ambient pressure, regulate the flow of gas from the environment and stop the acceleration of the abrasive gas mixture upon reaching the velocity of the average mass particles of the abrasive equal to 0.7-0.95 gas velocity, while in the process of dispersal and expansion of the mixture in each section of the stream maintain the concentration of abrasive in the mixture of 0.01-1 vol.%, the total pressure P * flow not lower than the limiting R CR , and the reduced gas velocity λ is not higher than the limiting reduced velocity λ CR , and λ CR and P CR are determined from the relations:
и and
где Рн - давление окружающей среды, МПа;where R n - environmental pressure, MPa;
k - показатель адиабаты газа (безразмерная величина).k is the gas adiabatic exponent (dimensionless quantity).
Предварительное смешивание газа с абразивом позволяет получать однородную абразивно-газовую смесь перед ее разгоном, а не совмещать оба процесса смешения и разгона по способу-прототипу, что позволяет предотвращать прямые скачки давления, резко снижающие скорость потока вследствие высокой объемной концентрации абразива. Расширение абразивно-газовой смеси осуществляют до давления ниже давления окружающей среды, при этом регулируют приток газа из окружающей среды, что позволяет использовать заявляемый способ под водой при давлении окружающей среды 0,1-1,0 МПа и более и обеспечивать различную степень разряжения при ускорении абразивно-газовой смеси. Одновременно этим обеспечивается повышение давления в потоке до величины, при которой исключается приток газа из окружающей среды в зону минимального давления перерасширительного сопла, что позволяет предотвратить прямые скачки давления в потоке смеси.Pre-mixing the gas with the abrasive allows you to get a homogeneous abrasive-gas mixture before it is dispersed, and not to combine both the mixing and dispersal processes according to the prototype method, which helps to prevent direct pressure surges that sharply reduce the flow rate due to the high volume concentration of the abrasive. The expansion of the abrasive gas mixture is carried out to a pressure below ambient pressure, while regulating the flow of gas from the environment, which allows the use of the inventive method under water at an ambient pressure of 0.1-1.0 MPa or more and to provide a different degree of vacuum during acceleration abrasive gas mixture. At the same time, this ensures an increase in pressure in the flow to a value at which gas inflow from the environment to the zone of minimum pressure of the over-expansion nozzle is excluded, which helps to prevent direct pressure surges in the mixture flow.
При достижении скорости средних по массе частиц абразива, равной 0,7-0,95 скорости газа, прекращают разгон абразивно-газовой смеси, что позволяет ограничить длину перерасширительного сопла, существенно не снижая кинетическую энергию абразивного потока. Если заявляемое соотношение менее 0,7, то кинетическая энергия абразивного потока будет существенно снижаться, а если - более 0,95, то перерасширительное сопло будет иметь неоправданно большую длину.When the speed of the average mass particles of the abrasive is equal to 0.7-0.95 of the gas velocity, the acceleration of the abrasive-gas mixture is stopped, which allows you to limit the length of the over-expansion nozzle, without significantly reducing the kinetic energy of the abrasive stream. If the claimed ratio is less than 0.7, then the kinetic energy of the abrasive stream will be significantly reduced, and if it is more than 0.95, then the over-expansion nozzle will have an unreasonably long length.
В процессе разгона и перерасширения в каждом сечении нужно поддерживать концентрацию абразива в смеси в интервале 0,01-1 объемных %. Это необходимо для того, чтобы обеспечить высокую производительность абразивно-газовой обработки поверхности за счет исключения возникновения прямых скачков в абразивно-газовом потоке. Ту же цель преследует и поддержание полного давления потока Р* не ниже величины предельного значения Рпр, а приведенной скорости газа λ - не выше предельной λ пр, определяемых из заявляемых соотношений.In the process of acceleration and overexpansion in each section, it is necessary to maintain the concentration of abrasive in the mixture in the range of 0.01-1 volume%. This is necessary in order to ensure high performance abrasive gas surface treatment by eliminating the occurrence of direct jumps in the abrasive gas stream. The same goal is also pursued by maintaining the total pressure of the flow P * not lower than the limiting value of P ol , and the reduced gas velocity λ - not higher than the limiting λ pr determined from the claimed relationships.
Если концентрация абразива в смеси будет менее 0,01 об.%, то невозможно будет обеспечивать достаточно большой расход абразива и, соответственно, высокую производительность пескоструйного оборудования. При концентрации абразива в смеси более 1 об.% в потоке абразивно-газовой смеси возникают интенсивные прямые и косые скачки уплотнения вследствие большой разности скоростей частиц абразива и газа [3]. В результате больших потерь полного давления газа невозможно разогнать частицы абразива до больших скоростей и обеспечить высокую производительность обработки поверхности.If the concentration of abrasive in the mixture is less than 0.01 vol.%, It will not be possible to ensure a sufficiently large consumption of abrasive and, accordingly, high performance sandblasting equipment. When the abrasive concentration in the mixture is more than 1 vol.% In the flow of the abrasive-gas mixture, intense direct and oblique shock waves occur due to the large difference in the velocities of the particles of the abrasive and gas [3]. As a result of large losses of the total gas pressure, it is impossible to disperse the abrasive particles to high speeds and to provide high surface treatment performance.
При обработке “легких” поверхностей абразивно-газовую смесь перерасширяют до давления ниже 0,6 от давления окружающей среды (п.2 формулы изобретения), поток смеси тормозят и сжимают, обеспечивая при этом постоянное ускорения средних по массе частиц абразива в смеси. Это позволяет исключить приток газа из окружающей среды в зону минимального давления в перерасширительном сопле [4].When processing “light” surfaces, the abrasive-gas mixture is re-expanded to a pressure below 0.6 of the ambient pressure (claim 2), the flow of the mixture is inhibited and compressed, while ensuring constant acceleration of the mass-average abrasive particles in the mixture. This allows to exclude the influx of gas from the environment into the zone of minimum pressure in the overexpansion nozzle [4].
При выполнении п.п.1,2 и 3 формулы изобретения, когда необходимо поддерживать максимальное ускорение средних по массе частиц абразива, разницу скоростей газа и средних по массе частиц абразива (Δ V) поддерживают в интервале 300-400 м/с, что обеспечивает повышение ускорения абразива при малой длине перерасширительного сопла. В случае Δ V<300 м/с практически невозможно разогнать частицы абразива до скоростей более 250 м/с при длине перерасширительного сопла менее 200 мм. Особенно это касается крупных частиц абразива размером более 500 мкм.When performing
В случае Δ V>400 м/с частицы абразивного материала также практически невозможно разогнать до скоростей более 250 м/с без дополнительного подогрева газа.In the case of Δ V> 400 m / s, particles of abrasive material are also almost impossible to accelerate to speeds of more than 250 m / s without additional gas heating.
В пункте 4 формулы указано на необходимость обеспечения величины полного давления газа в потоке не менее Рн/π кр непосредственно перед выбросом абразивно-газовой смеси, что позволяет обеспечить устойчивую работу перерасширительного сопла и, соответственно, постоянную высокую производительность абразивной обработки.
По пункту 5 формулы изобретения в пограничный слой потока абразивно-газовой смеси перед ее выбросом на обрабатываемую поверхность подают жидкость, распыляют ее по окружности потока абразивно-газовой струи и выбрасывают на обрабатываемую поверхность абразивно-газовый поток, окруженный распыленной жидкостью, чем обеспечивают обеспыливание при проведении очистки поверхностей.According to
Согласно п.6 формулы изобретения при обработке “легких” и “средних” по тяжести обработки поверхностей перерасширенный поток абразивно-газовой смеси смешивают с ограниченным количеством воздуха из окружающей среды и обеспечивают скорость газа и воздуха не ниже звуковой в каждом сечении зоны их смешивания. Такое смешивание позволяет регулировать приток воздуха из окружающей среды и существенно увеличивать площадь обрабатываемой поверхности за один проход (более чем в 3 раза), что приводит к значительному увеличению производительности.According to
Указанная техническая задача также решается с помощью соплового устройства для осуществления заявляемого способа.The specified technical problem is also solved using a nozzle device for implementing the proposed method.
В сопловом устройстве по п.7 формулы изобретения для абразивно-газовой обработки поверхности, включающем камеру смешения и сверхзвуковое сопло с входной сужающующейся частью, критическим сечением и выходной частью, выходная часть дополнительно снабжена выполненным соосно с критическим сечением перерасширительным соплом, длину которого Lпер определяют по формуле:In the nozzle device according to
где D
а диаметр выходного сечения перерасширительного сопла D
где δ
fкр - площадь критического сечения, м2;f cr - the area of the critical section, m 2 ;
Pк - полное давление на входе в сопло, МПа;P to - the total pressure at the inlet to the nozzle, MPa;
Тк - полная температура на входе в сопло, К;T to - full temperature at the entrance to the nozzle, K;
Р* вхпер - полное давление на входе в перерасширительное сопло, МПа;P * vkhper - total pressure at the entrance to the re-expansion nozzle, MPa;
Т* вхпер - полная температура на входе в перерасширительное сопло, МПа;T * vkhper - full temperature at the entrance to the re-expansion nozzle, MPa;
q(λ ) - газодинамическая функция приведенной плотности потока абразивно-газовой смеси, безразмерная величина;q (λ) is the gas-dynamic function of the reduced flux density of the abrasive-gas mixture, dimensionless quantity;
δ
Р* a min - полное минимальное давление на выходе перерасширительного сопла, МПа;P * a min is the total minimum pressure at the outlet of the over-expansion nozzle, MPa;
δ
δ
Указанная конструкция перерасширительного сопла обеспечивает разгон абразивно-газовой смеси до сверхзвуковых скоростей, позволяет полностью использовать энергию сжатого газа, существенно увеличивать производительность пескоструйного оборудования и площадь обрабатываемой поверхности за один проход. При этом расчет длины перерасширительного сопла осуществляют в зависимости от диаметров его входного и выходного сечений, угла раскрытия и диаметров средних по массе частиц абразивного материала, что исключает возникновение прямых скачков давления в потоке абразивно-газовой смеси и обеспечивает надежную высокопроизводительную работу устройства.The specified design of the over-expansion nozzle ensures acceleration of the abrasive-gas mixture to supersonic speeds, allows you to fully use the energy of compressed gas, significantly increase the productivity of sandblasting equipment and the surface area to be treated in one pass. In this case, the calculation of the length of the re-expansion nozzle is carried out depending on the diameters of its inlet and outlet sections, the opening angle and the diameters of the mass-average particles of the abrasive material, which eliminates the occurrence of direct pressure surges in the flow of the abrasive-gas mixture and ensures reliable high-performance operation of the device.
По п.8 формулы изобретения площадь входного сечения перерасширительного сопла составляет не менее площади выходного сечения расширяющейся части сопла, что необходимо для исключения образования прямых скачков и интенсивных косых скачков уплотнения, которые приводят к существенным потерям полного давления газа и, соответственно, к значительному снижению производительности устройства.According to
Кроме того, согласно п.9, перерасширительное сопло дополнительно снабжено цилиндрической частью, диаметр которой выбирают из условий:In addition, according to
F
δ
при этом в случае, если Р* ас<Рн/π кр,in the case if P * ac <P n / π cr ,
а в случае, если P* ac≥ Pн/π кр,and if P * ac ≥ P n / π cr ,
где Р* ас - полное давление на выходе цилиндрической части сопла, МПа,where P * AC is the total pressure at the outlet of the cylindrical part of the nozzle, MPa,
Pac min
причем длину цилиндрической части LЦ определяют из условий:and the length of the cylindrical part L C is determined from the conditions:
L
где L
- средний размер частиц, - average particle size,
L
Сопловое устройство по п.9 используют в случаях выполнения очистных работ по трудно очищаемым поверхностям (прочно скрепленная ржавчина, прокатная окалина, эпоксидные и битумные покрытия), оно обеспечивает высокую степень очистки с высокой производительностью.The nozzle device according to
Для обеспыливания при проведении пескоструйных работ согласно п.10 формулы изобретения на наружную поверхность перерасширительного сопла герметично установлен водяной съемный коллектор с патрубками для подвода воды, причем внутренняя полость перерасширительного сопла сообщена посредством радиальных отверстий в стенке с внутренней полостью коллектора. Это позволяет заключить истекающую абразивно-газовую смесь в мелкодисперсный водяной колокол и исключить попадание абразива и пыли в результате очистки в окружающую атмосферу.For dedusting during sandblasting according to claim 10 of the claims, a removable water collector with nozzles for supplying water is sealed on the outer surface of the re-expansion nozzle, the inner cavity of the re-expansion nozzle communicated through radial holes in the wall with the internal cavity of the collector. This allows you to enclose the flowing abrasive gas mixture in a finely divided water bell and to prevent the ingress of abrasive and dust as a result of cleaning into the surrounding atmosphere.
Сопловое устройство по п.11 снабжено съемным эжектором, установленным на перерасширительном сопле соосно с ним, а площадь входа эжектируемого воздуха и площадь поперечного сечения камеры смешения эжектора определяют в зависимости от условий обеспечения критических режимов работы эжектора, что обеспечивает регулирование притока газа из окружающей среды, увеличение площади обрабатываемой поверхности за один проход и, соответственно, очень высокую производительность на “легких” и “средних” по сложности обработки поверхностях.The nozzle device according to
Особенности конструкции соплового устройства позволяют осуществить все необходимые операции, предусмотренные заявляемым способом, и решить указанную техническую задачу - повышение производительности за счет исключения прямых скачков давления потока абразивно-газовой смеси и равномерности смешивания абразива с газом, а также более полного использования энергии давления сжатого газа и существенного увеличения площади обрабатываемых поверхностей за один проход соплового устройства.The design features of the nozzle device make it possible to carry out all the necessary operations provided by the claimed method and solve the indicated technical problem - increasing productivity by eliminating direct pressure surges of the abrasive-gas mixture flow and uniformity of mixing of the abrasive with gas, as well as more complete use of the pressure energy of compressed gas and a significant increase in the area of the treated surfaces in one pass of the nozzle device.
Заявляемый способ может осуществляться только с использованием заявляемого соплового устройства, что позволяет сделать вывод о том, что оба изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.The inventive method can only be carried out using the inventive nozzle device, which allows us to conclude that both inventions are interconnected by a single inventive concept.
Изобретения проиллюстрированы следующим образом.The invention is illustrated as follows.
Схема реализации заявляемого способа показана на фиг.1, на фиг.2 представлена конструкция сверхзвукового сопла заявляемого соплового устройства по п.7 формулы изобретения.The implementation scheme of the proposed method is shown in figure 1, figure 2 presents the design of a supersonic nozzle of the inventive nozzle device according to
Фиг.3 - конструкция сверхзвукового сопла по п.9 формулы изобретения.Figure 3 - design of a supersonic nozzle according to
Фиг.4 - конструкция сверхзвукового сопла по п.10 формулы изобретения.Figure 4 - design of a supersonic nozzle according to claim 10 of the claims.
Фиг.5 - конструкция сверхзвукового сопла по п.11 формулы изобретения.5 is a design of a supersonic nozzle according to claim 11 of the claims.
Фиг.6 - графики для определения режимных параметров, обеспечивающих сверхзвуковое течение газа в сопле.6 is a graph for determining the operational parameters, providing a supersonic gas flow in the nozzle.
Сопловое устройство нагнетательного действия для осуществления способа абразивно-газовой обработки поверхности включает источники сжатого газа 1, герметичный резервуар 2, газопроводы 3, 4, клапан 5, камеру смешения 6, шланг 7 с абразивно-газовой смесью и сверхзвуковое сопло 8. Сверхзвуковое сопло 8 включает входную сужающуюся часть 9, критическое сечение 10 с площадью Fкр, выходную часть 11, а также перерасширительное сопло 12.The nozzle injection device for implementing the method of abrasive gas surface treatment includes sources of
Сопло 8 может быть снабжено цилиндрической частью 13 с диаметром Dц и выполнено соосно с соплом 8.The
На выходной части перерасширительного сопла 12 может быть установлен эжектор 14, который зафиксирован с помощью винтов 15 и является съемным. На наружную поверхность перерасширительного сопла 12 герметично установлен водяной коллектор 16, снабженный патрубками 17 для подвода воды. Внутренняя полость сопла 12 посредством радиальных отверстий 18 в стенке сопла 12 сообщается с внутренней полостью коллектора 16. Коллектор 16 выполнен съемным.An
Заявляемый способ осуществляется следующим образом.The inventive method is as follows.
От источника сжатого газа 1 меньшая часть (<3%) газа поступает через газопровод 3 в резервуар 2 с абразивом, например металлическими опилками, а основная часть газа через газопровод 4 поступает в камеру смешения 6. Абразив загружают в резервуар 2 через клапан 5. При подаче газа в резервуар 2 клапан 5 автоматически закрывается, а при достижении давления газа в резервуаре 2, равного давлению источника газа, абразивный материал подают в камеру смешения 6, где происходит смешивание его со сжатым воздухом (газом) с получением абразивно-газовой смеси. Смесь подают по шлангу 7 к сверхзвуковому соплу 8.From the source of
В сопле 8 осуществляется разгон абразивно-газовой смеси. В сужающейся части 9 сопла 8 абразивный материал разгоняют до скорости ≈ 50 м/с. Затем смесь подают через критическое сечение 10с площадью Fкр, выходную часть 11, где абразивно-газовый поток расширяется до давления окружающей среды, а абразив разгоняется. Скорость абразива на выходе из выходной части 11 составляет 100-200 м/с в зависимости от размера частиц абразива и длины выходной части.In the
В случае воздушной атмосферы абразивно-газовую смесь расширяют в выходной части 11 сопла 8 до давления 0,1 МПа, а в случае осуществления обработки поверхности под водой на глубине 10 м смесь расширяют до давления 0,2 МПа. При этом чем больше глубина воды, тем до более высоких значений давления (>0,2 МПа) осуществляют расширение абразивно-газовой смеси.In the case of an air atmosphere, the abrasive-gas mixture is expanded in the
В перерасширительном сопле 12 (при необходимости и 13) абразивно-газовую смесь также расширяют в зависимости от вида окружающей среды. При воздушной атмосфере смесь расширяют до давлений ниже давления окружающей среды (до 0,005-0,06 МПа). В случае использования сопла под водой на глубине 10 м смесь перерасширяют до давления 0,01-0,1 МПа, причем чем больше глубина (>10 м), тем перерасширение осуществляют до более высоких значений давления (>0,1 МПа).In the over-expansion nozzle 12 (if necessary 13), the abrasive-gas mixture is also expanded depending on the type of environment. In an air atmosphere, the mixture is expanded to pressures below ambient pressure (up to 0.005-0.06 MPa). In the case of using a nozzle under water at a depth of 10 m, the mixture is re-expanded to a pressure of 0.01-0.1 MPa, and the greater the depth (> 10 m), the re-expansion is carried out to higher pressure values (> 0.1 MPa).
ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА В ВОДНОЙ СРЕДЕEXAMPLE OF IMPLEMENTATION OF A METHOD IN A WATER ENVIRONMENT
В качестве ускоряющего абразив газа используют воздух (k=1,4).As accelerating abrasive gas, air is used (k = 1.4).
Полное давление воздуха на входе в сопло Рк составило 1,3 МПа, а полная температура Тк=300 К. Объемный расход воздуха через сопло QB составил 6 м3/мин при Т=288 К и Р=0,1 МПа.The total air pressure at the inlet to the nozzle P k was 1.3 MPa, and the total temperature T k = 300 K. The volumetric air flow through the nozzle Q B was 6 m 3 / min at T = 288 K and P = 0.1 MPa.
Пескоструйные работы производили под водой на глубине 10 м, давление окружающей среды (снаружи сопла) Рн составляло 0,2 МПа.Sandblasting was carried out under water at a depth of 10 m, the ambient pressure (outside the nozzle) P n was 0.2 MPa.
В качестве абразивного материала использовали кварцевый песок со средним размером частиц dч=250 мкм и плотностью материала абразива ρ A=2,7· 103 кг/м3.As the abrasive material used quartz sand with an average particle size d h = 250 μm and the density of the abrasive material ρ A = 2.7 · 10 3 kg / m 3 .
Полное давление в сопле не ниже предельного Рпр, а приведенная скорость потока λ - не выше приведенной предельной λ пр:The total pressure in the nozzle is not lower than the limiting P ol , and the reduced flow rate λ is not higher than the reduced limiting λ ol :
Диапазон изменения полного давления в сопле Р* составил 0,57-1,3 (Р* /Рн=2,85-6,5), а диапазон изменения приведенной скорости λ =1-1,7. В соответствии с графиком (фиг.6 г) выполнялись условия (Р* >Рпр, λ <λ пр) и было обеспечено сверхзвуковое течение воздуха по всей длине сопла.The range of change in the total pressure in the nozzle P * was 0.57-1.3 (P * / P n = 2.85-6.5), and the range of change in the reduced velocity was λ = 1-1.7. In accordance with the schedule (Fig.6 g) the conditions were met (P *> P CR , λ <λ CR ) and a supersonic air flow was provided along the entire length of the nozzle.
Расход абразива GA=0,5 Gв, где Gв - массовый расход воздуха.Abrasive flow rate G A = 0.5 G in , where G in - mass air flow.
Gв=QB· ρ B (Тнор, Рнор))/60, где ρ (Тнор, Рнор) - плотность воздуха при нормальных атмосферных условиях: ρ в=1,225 кг/м3.G in = Q B · ρ B (T holes, holes P)) / 60 where ρ (T nor P nor) - air density under normal atmospheric conditions: ρ a = 1.225 kg / m 3.
Массовый расход воздуха GB≈ 0,1225 кг/с, соответственно, расход абразивного материала GA≈ 0,066 кг/с.Mass air flow rate G B ≈ 0.1225 kg / s, respectively, the flow rate of abrasive material G A ≈ 0.066 kg / s.
Численное моделирование (по программе расчета на ПЭВМ) течения полифракционной газовзвеси частиц абразива с указанными выше параметрами (рк, Тк, dч, ρ А, GА, gb) показало, что при разгоне абразивно-газовой смеси до приведенной скорости газа λ mах=1,7 полное давление Р* снизилось до значения 1,0 МПа. Тогда минимальное давление газа в потоке Pmin=P* · π (λ max) составило 0,1 МПа, где π (λ ) - газодинамическая функция.Numerical modeling (Program based on the PC) the flow polyfractional gas suspension of abrasive particles with the above parameters (p k, T c, d h, ρ A, G A, g b) showed that disperse abrasive mixture to the superficial gas velocity λ max = 1.7, the total pressure P * decreased to a value of 1.0 MPa. Then the minimum gas pressure in the flow P min = P * · π (λ max ) was 0.1 MPa, where π (λ) is the gas-dynamic function.
Затем определяли объемную концентрацию абразивного материала в потоке в процессе разгона и перерасширения абразивно-газовой смеси:Then, the volume concentration of abrasive material in the stream was determined during acceleration and over-expansion of the abrasive-gas mixture:
где - средний объем частиц абразива,Where - the average particle size of the abrasive,
nч - число частиц абразива в единице объема смеси.n h - the number of particles of abrasive per unit volume of the mixture.
Число частиц абразива в единице объема смеси определяли из соотношений:The number of particles of abrasive per unit volume of the mixture was determined from the ratios:
GA=ℵ GB G A = ℵ G B
где Vч - средняя скорость частиц абразива (м/с),where V h - the average particle velocity of the abrasive (m / s),
VВ - скорость воздуха (м/с),V In - air speed (m / s),
ρ В - плотность воздуха в потоке (кг/м3),ρ In - the density of air in the stream (kg / m 3 ),
F - площадь поперечного сечения потока (м2),F is the cross-sectional area of the stream (m 2 ),
ℵ - отношение массовых расходов абразива и воздуха.ℵ - the ratio of the mass flow of abrasive and air.
Из приведенных выше соотношений получали: From the above ratios received:
Производили расчет значения объемной концентрации абразива СА в начале перерасширения, при максимальном перерасширении потока и на срезе сопла.The volume concentration of the abrasive С А was calculated at the beginning of overexpansion, with maximum overexpansion of the flow and at the nozzle exit.
Численное моделирование течения полифракционной газовзвеси частиц позволило определить значения параметров потока Р* , Р, λ , Vкр, Vч, ρ B) в указанных сечениях и, соответственно, определить объемную концентрацию абразива.Numerical simulation of the flow of a multifractional gas suspension of particles made it possible to determine the values of the flow parameters P *, P, λ, V cr , V h , ρ B ) in these sections and, accordingly, to determine the volume concentration of the abrasive.
1. Концентрация абразива в начале перерасширения:1. The concentration of abrasive at the beginning of overexploitation:
При Р* =1,18 МПа, Т* =295 К, Р=Рн=0,2 МПа, λ =1,55, Vкр=315 м/с, Vч=150 м/с, ρ в(Р=Рн)=4,0 кг/м3, величина СА=0,24%.With P * = 1.18 MPa, T * = 295 K, P = P n = 0.2 MPa, λ = 1.55, V cr = 315 m / s, V h = 150 m / s, ρ in ( P = P n ) = 4.0 kg / m 3 , the value of C A = 0.24%.
2. Концентрация абразива при максимальном перерасширении потока:2. The concentration of the abrasive with a maximum overexpansion of the flow:
При Р* =1,0 МПа, T* =292 К, P=Pmin=0,10 МПа, λ max=1,7, Т=151 К, Vкp=313 м/с, Vч=210 м/с, ρ в(Р=Рн)≈ 2,32 кг/м3, величина СA≈ 0,11%.With P * = 1.0 MPa, T * = 292 K, P = P min = 0.10 MPa, λ max = 1.7, T = 151 K, V cr = 313 m / s, V h = 210 m / s, ρ в (Р = Р н ) ≈ 2.32 kg / m 3 , the value С A ≈ 0.11%.
3. Концентрация абразива на срезе сопла:3. The concentration of abrasive at the nozzle exit:
При Р* =0,57 МПа, T* =287 К, Р=Ра=0,22 МПа, λ =λ а=1,2, Т=218 К, Vкр=310 м/с, Vч=320 м/с, ρ в(Р=Ра)=3,6 кг/м3, величина СA≈ 0,078%.With P * = 0.57 MPa, T * = 287 K, P = P a = 0.22 MPa, λ = λ a = 1.2, T = 218 K, V cr = 310 m / s, V h = 320 m / s, ρ в (Р = Р а ) = 3.6 kg / m 3 , С A ≈ 0.078%.
Таким образом, в процессе разгона и расширения смеси в каждом сечении потока поддерживали концентрацию абразива в смеси в интервале значений 0,01-1% (0,078%≤ СА≤ 0,24%).Thus, in the process of acceleration and expansion of the mixture in each flow section, the concentration of abrasive in the mixture was maintained in the range of 0.01-1% (0.078% ≤ C A ≤ 0.24%).
Разгон абразивно-газовой смеси прекращали при скорости средних по массе частиц абразива Vча=320 м/с и скорости газа Vга=Vкр, λ а=310· 1,2≈ 370 м/с.Acceleration abrasive gas mixture was quenched at a rate of weight average abrasive particle V = ca 320 m / s and the gas velocity V n = V cr, λ a = 310 · 1,2≈ 370 m / s.
При снижении давления перерасширительного потока ниже 0,6 от давления окружающей среды (Рmin=0,10 МПа, Рmin/Рн=0,10/0,2<0,6) поток смеси тормозили (Vгa=370 м/с и Vг max=Vкрλ max=530 м/с, Vгa<Vг max) и сжимали (Pmin=0,10 МПа, Pа=0,22 МПа, Pmin<Pa).When the pressure of the over-expansion flow was lower than 0.6 from the ambient pressure (P min = 0.10 MPa, P min / P n = 0.10 / 0.2 <0.6), the mixture flow was inhibited (V ha = 370 m / s and V g max = V cr λ max = 530 m / s, V ha <V g max) and compressed (P min = 0,10 MPa, P = 0.22 MPa, and, P min <P a).
При расширении газа поддерживали разницу скоростей газа и средних по массе частиц абразива в интервале значений 300-400 м/с (Vгo=Vкрλ о=490 м/с, Vчо=160 м/с, Δ V=Vг maх-Vч max=330 м/с).During gas expansion, the difference between the gas velocities and the mass average abrasive particles was maintained in the range of 300-400 m / s (V g = V cr λ o = 490 m / s, V cho = 160 m / s, Δ V = V g max -V h max = 330 m / s).
Непосредственно перед выбросом абразивно-газовой смеси обеспечивали полное давление газа в потоке не ниже значения Рн/π кр:Immediately before the ejection of the abrasive gas mixture, the total gas pressure in the stream was not lower than the value of P n / π cr :
При Р* а=0,57 МПа, Рн/π кр=0,38 МПа, Рн/π кр<Р* а.When P * a = 0.57 MPa, P n / π cr = 0.38 MPa, P n / π cr <P * a .
ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ УСТРОЙСТВА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ЗАЯВЛЯЕМОГО УСТРОЙСТВАEXAMPLE OF PERFORMANCE OF THE DEVICE FOR IMPLEMENTATION OF THE APPLIED DEVICE
Исходные значения параметров - те же, что и в примере реализации способа.The initial values of the parameters are the same as in the example implementation of the method.
Площадь критической части сопла определяли из соотношения:The area of the critical part of the nozzle was determined from the ratio:
где - постоянный для данного газа коэффициент, для воздуха ,Where - constant coefficient for a given gas, for air ,
Р* , Т* - полное давление и полная температура воздуха на входе в сопло (Р* =Рк, T* =Тк),P *, T * - total pressure and total temperature of the air at the inlet to the nozzle (P * = P to , T * = T to ),
Сопловое устройство было дополнительно снабжено цилиндрической частью (п.7, 8, 9 формулы изобретения). Длина части сопла от критического сечения до входа в перерасширительное сопло была равна: Lo=100· d=0,025 (м).The nozzle device was additionally equipped with a cylindrical part (p. 7, 8, 9 of the claims). The length of the nozzle part from the critical section to the entrance to the re-expansion nozzle was equal to: L o = 100 · d = 0.025 (m).
Максимальный диаметр расширяющейся части перерасширительного сопла D
Максимально возможная площадь:Maximum possible area:
В соответствии с фиг.6 λ пр(Р* ас min/Рн)=1,85.In accordance with Fig.6 λ CR (P * ac min / P n ) = 1.85.
Согласно таблиц газодинамических функций q(λ =1,85)=0,353, в этом случае .According to the tables of gas-dynamic functions q (λ = 1.85) = 0.353, in this case .
Минимально возможный диаметр цилиндрической части сопла:The smallest possible diameter of the cylindrical part of the nozzle:
тогда D
Максимально возможный диаметр цилиндрической части сопла:The maximum possible diameter of the cylindrical part of the nozzle:
тогда D
В течение длительного времени работы установки из-за эрозионного уноса диаметр сопла может увеличиться на 4-6 мм. Поэтому из возможных диаметров цилиндрической части сопла выбрали диаметр, близкий к минимальному, а именно Dц=12· 10-3 (м). Соответственно, максимальный диаметр расширяющейся части перерасширительного сопла составил 12· 10-3 м.Due to erosion, the nozzle diameter may increase by 4-6 mm over a long time. Therefore, of the possible diameters of the cylindrical part of the nozzle, a diameter close to the minimum was chosen, namely, D c = 12 · 10 -3 (m). Accordingly, the maximum diameter of the expanding part of the over-expansion nozzle was 12 · 10 -3 m.
В соответствии с примером реализации способа (Р* =1,18 МПа, Т* =295 К, λ =1,55) площадь входного сечения перерасширительного сопла составила:In accordance with an example implementation of the method (P * = 1.18 MPa, T * = 295 K, λ = 1.55), the input section area of the over-expansion nozzle was:
Диаметр входного сечения перерасширительного сопла D
Численное моделирование течения полифракционной газовзвеси частиц абразива позволило определить значение толщины слоя вытеснения в каждом сечении потока: (м), тогда D
В соответствии с п.7 формулы изобретения длина конусной части перерасширительного сопла составила: .In accordance with
Угол α выбрали равным 5° . Тогда: Lпep=29· 10-3 (м).The angle α was chosen equal to 5 °. Then: L per = 29 · 10 -3 (m).
Длину цилиндрической части Lц выбрали из условия:The length of the cylindrical part L C selected from the conditions:
L
Численное моделирование течения полифракционной газовзвеси частиц абразива позволило определить длину цилиндрической части сопла, при которой Р* ас=P* ac min=0,57 МПа. Эта длина была равна 187· 10-3 м, аNumerical simulation of the flow of a multifractional gas suspension of abrasive particles made it possible to determine the length of the cylindrical part of the nozzle at which P * ac = P * ac min = 0.57 MPa. This length was equal to 187 · 10 -3 m, and
Lmax=min{300· 10-3, 187· 10-3}=187· 10-3 (м).L max = min {300 · 10 -3 , 187 · 10 -3 } = 187 · 10 -3 (m).
Длину цилиндрической части сопла Lц выбрали равной 180· 10-3 м, т.к. 60· 10-3<180· 10-3<187· 10-3.The length L of the cylindrical part of the nozzle chosen equal to 180 q · 10 -3 m, as 60 · 10 -3 <180 · 10 -3 <187 · 10 -3 .
Источники информацииSources of information
1. Справочник. Лакокрасочные покрытия в машиностроении. М.: "Машиностроение", 1974.1. Reference. Paintwork in mechanical engineering. M .: "Engineering", 1974.
2. Патент РФ №2137593, В 24 С 1/00, 5/04, 1999.2. RF patent No. 2137593, 24
3. В.М.Бойко, В.П.Киселев, С.П.Киселев и др. О взаимодействии ударной волны с облаком частиц, ФГВ, 1996, т.32, №1.3. V. M. Boyko, V. P. Kiselev, S. P. Kiselev and others. On the interaction of a shock wave with a cloud of particles, FGV, 1996, v. 32, No. 1.
4. Л.Е.Стернин. Основы газовой динамики. М.: Издательство МАИ, 1995, с.105, рис.2.5.4. L.E. Sternin. The basics of gas dynamics. M .: Publishing House of the Moscow Aviation Institute, 1995, p.105, Fig. 2.5.
5. Г.Н.Абрамович. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1976.5. G.N. Abramovich. Applied gas dynamics. M .: Nauka, 1976.
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002133252/02A RU2246391C2 (en) | 2002-12-09 | 2002-12-09 | Method for abrasive-gas treatment and nozzle apparatus for performing the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002133252/02A RU2246391C2 (en) | 2002-12-09 | 2002-12-09 | Method for abrasive-gas treatment and nozzle apparatus for performing the same |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2002133252A RU2002133252A (en) | 2004-06-27 |
RU2246391C2 true RU2246391C2 (en) | 2005-02-20 |
Family
ID=35218899
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2002133252/02A RU2246391C2 (en) | 2002-12-09 | 2002-12-09 | Method for abrasive-gas treatment and nozzle apparatus for performing the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2246391C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114829068A (en) * | 2019-12-11 | 2022-07-29 | 赫艾纳医疗公司 | Method and design for high productivity quiet abrasive jet nozzle |
-
2002
- 2002-12-09 RU RU2002133252/02A patent/RU2246391C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Лакокрасочные покрытия в машиностроении. Справочник. - М.: Машиностроение, 1974, с.290, рис.10а. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114829068A (en) * | 2019-12-11 | 2022-07-29 | 赫艾纳医疗公司 | Method and design for high productivity quiet abrasive jet nozzle |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4648215A (en) | Method and apparatus for forming a high velocity liquid abrasive jet | |
CA2295855C (en) | Method and apparatus for producing a high-velocity particle stream | |
US4666083A (en) | Process and apparatus for generating particulate containing fluid jets | |
US5125979A (en) | Carbon dioxide snow agglomeration and acceleration | |
US6168503B1 (en) | Method and apparatus for producing a high-velocity particle stream | |
KR100592833B1 (en) | Cold spray nozzle design | |
CA3010954C (en) | Method and apparatus for fluid cavitation abrasive surface finishing | |
US3139704A (en) | Pipeline cleaning apparatus | |
US3212217A (en) | Cleaning device | |
GB2276837A (en) | Apparatus and method for cleaning a workpiece | |
US20220161387A1 (en) | A method and apparatus for finishing a surface of a component | |
CN106525627B (en) | Supersonic sand-blasting gun | |
CN1410560A (en) | Method of making nano surface of metallic material using ultrasonic speed micro particle bombardment | |
CN110300632A (en) | Surface Hydrodynamic Cleaning Device and Method Based on Micro-Hydraulic Impact | |
CA1069309A (en) | Apparatus for improved cleaning of pipeline inlets | |
USH1379H (en) | Supersonic fan nozzle for abrasive blasting media | |
RU2246391C2 (en) | Method for abrasive-gas treatment and nozzle apparatus for performing the same | |
US4853014A (en) | Method and apparatus for cleaning conduits | |
US4922937A (en) | Method and apparatus for cleaning conduits | |
GB2140337A (en) | Cleaning and lining a pipe | |
Rehab et al. | Geometrical effects on the near-field flow structure of coaxial jets | |
RU2279907C2 (en) | Method and the device for dispersion of the gas-liquid mixture | |
RU2137593C1 (en) | Method of abrasive-air treatment of surface and gun intended for its realization | |
RU65417U1 (en) | DEVICE FOR ABRASOBJET PROCESSING OF PRODUCTS | |
CN109142119B (en) | Device for testing abrasion resistance and cavitation erosion resistance of material |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20071210 |