Untersuchung der Erzeugung von Hochgeschwindigkeits-Feststoffstrahlen aus Wassereis über spontane Phasenumwandlung von Wasser (I) in Wasser (s) bei Düsenaustritt durch Druck- und Temperaturführung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde eine Anlage konzipiert, aufgebaut und in Betrieb genommen, die eine Erzeugung eines Wasserstrahls bei einem Arbeitsdruck von 200 MPa und einer Fluidtemperatur von -20 °C erlaubt. Ziel war es, eine Erstarrung des Wassers nach dem Austritt aus der Düse, d. h. nach einer Druckreduktion auf Umgebungsdruck von ca. 0,1 MPa zu erzeugen, und somit eine signifikante Steigerung der Abtragleistung im Vergleich zu einem flüssigen Wasserstrahl zu erreichen. Diese zu erwartende Steigerung der Abtragleistung begründet sich in der höheren Härte des Eisstrahls im Vergleich zum Flüssigwasserstrahl. Ermöglicht wird dieser Ansatz durch das absolute Minimum in der Solidus-Kurve von Wasser im p/T-Diagramm bei ca. 200 MPa, das mit einer Temperatur von ca. -20 °C korrespondiert. Das Wasser in den Hochdruckleitungen und Aggregaten kann also beim genannten Druck auf weit unter den Gefrierpunkt bei atmosphärischem Umgebungsdruck abgekühlt werden, ohne dabei zu gefrieren; beim Austritt aus der Düse und damit einer entsprechenden Drucksenkung ist dann ein spontaner Phasenwechsel von Wasser (l) hin zu Eis I zu erwarten. Die technische Infrastruktur (Hochdruckwasserversorgung, Kühleinrichtung, Vorschubeinrichtungen) konnten wie geplant erfolgreich aufgebaut und in Betrieb genommen werden und haben die vorab konzipierten Eigenschaften voll erfüllt: Es war somit möglich, Wasserdüsen mit einem Innendurchmesser von 0,1 mm stationär sowie größere Düsen intermittierend einzusetzen und mit einer unmittelbar vor der Düse gemessenen Wassertemperatur von -20 °C zu versorgen. Allerdings konnte der erwartete Phasenwechsel beim erzeugten Fluidstrahl nicht nachgewiesen werden, und zwar unabhängig von der verwendeten Düsenbauform sowie des Düsen- Innendurchmessers. Weder mit optischen Mitteln (Beobachtung der Strahlform und –divergenz), noch durch Qualifizierung des erosiven Potentials durch Abtragversuche an verschiedenen Werkstoffen konnte eine Veränderung der Strahleigenschaften durch eine Senkung der Mediumtemperatur von RT auf -20 °C nachgewiesen werden. Auch die Zudosierung von Kristallisationskeimen in Form einer Kohlenstoff-Suspension mit Partikelgrößen von 500 nm bis 1 µm brachte keine Verbesserung. Im Hinblick auf die gewonnenen experimentellen Daten sind die veröffentlichten Ergebnisse von Truchot et al., in denen er die erfolgreiche Generierung eines (instationären) Eisstrahls beschreibt und auf denen teilweise das vorliegende Projekt aufgesetzt hat, kritisch zu bewerten. Die Ergebnisse, die während des Vorhabens gewonnen wurden, weisen leider nicht auf mögliche erfolgversprechende weiterführende Forschungsansätze hin. Eine wirtschaftliche Verwertbarkeit eines unterkühlten Wasserstrahls ist ebenfalls momentan nicht zu erkennen. Im Bereich der Biomedizintechnik jedoch, insbesondere bei der Bearbeitung von biologischem Hartstoffen (i.e.S. Knochen), ist die Temperaturbelastung des ggf. lebendigen Körpermaterials durch den Wasserstrahl ein bekanntes Problem. An dieser Stelle kann die Einführung einer Unterkühlung der Prozessflüssigkeit Abhilfe schaffen und somit eine wärmebedingte Nekrose der Knochenzellen vermeiden helfen. Im Rahmen anderer Forschungsvorhaben des Instituts für Werkstoffkunde werden die sich daraus ergebenden Möglichkeiten momentan ausgelotet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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In-process generation of water ice particles for cutting and cleaning purposes. Proceedings of the 20th BHR International Conference on Water Jetting (2010) Graz (A)
Friedrich-Wilhelm Bach, Thomas Hassel, Christian Biskup, Nicole Hinte, Alexander Schenk
