Physical basis of surface treatment with high-pressure cryogenic multiphase liquid jet

The paper presents theoretical analysis of dry-ice grains (CO2) behaviour in a high-pressure multiphase liquid jet. The velocities of ice grains at the cryo-sprinkler outlet and in the collision zone were calculated. Their kinetic energy and thermodynamic properties of water-ice jet were also calculated. Experiment methodology concerning two test stands, cryo-sprinkler and dry-ice (CO2) pellets characteristics were discussed. The results obtained allow us to establish specific surface treatment mechanism using such water-ice jet. Very explosive dry-ice sublimation in the collision zone and cleaning process wavy character were also stated.

---

W artykule przedstawiono teoretyczny opis fizykalnych podstaw obróbki powierzchni dokonywanej z zastosowaniem wysokociśnieniowej strugi kriogenicznej płynu wielofazowego. Taka struga składa się głównie z napowietrzonej strugi wodnej, powstającej z wielu strumieni koherentnych, oraz z cząstek suchego lodu CO2 transportowanych przez strumień zasysanego powietrza. Teoretyczna analiza fizykalnych zjawisk występujących podczas tworzenia strugi kriogenicznej pozwoliła określić rozkłady prędkości ziaren lodowych i ich energii kinetycznej w strefie obróbki, a także termodynamiczne warunki tworzenia takiej wysokociśnieniowej strugi wielofazowej. W wyniku tej analizy stwierdzono, że w strefie obróbki ziarna lodu osiągają prędkości rzędu 150–300 m/s, które nawet przy bardzo dużym napowietrzaniu strugi (do ok. 30% zawartości wody) obniżają się jedynie w nieznacznym stopniu. Dzięki temu energia kinetyczna poszczególnych cząstek lodowych jest bardzo duża, dochodząc – przy ciśnieniu strugi wody rzędu 50 MPa – do poziomu 1 J. Zaprezentowano także oryginalne oprzyrządowanie i urządzenia technologiczne własnej konstrukcji, w których ciśnienie w strudze dochodzi do 330 MPa i w rezultacie możliwa jest wysokowydajna obróbka hydrostrumieniowa. Badania czyszczenia powierzchni za pomocą tych urządzeń wykazały, że dominującym mechanizmem urobku jest hydrodynamiczne oddziaływanie ziaren suchego lodu CO2, które, uderzając o powierzchnię materiału obrabianego, przedostają się pod warstwę zanieczyszczeń, gdzie ulegają sublimacji, powiększając około 500-krotnie swoją objętość. Gwałtowny, nieomal eksplozyjny, charakter tego procesu intensyfikuje skuteczność obróbki, powodując jednocześnie „zadymienie” strefy obróbki skondensowanym gazem CO2. Równocześnie wysokociśnieniowa struga wody przedostaje się do powstających szczelin, wywołując odspajanie cząstek materiału. Taka erozja ma falisty charakter. Stwierdzono także, że skuteczność obróbki zależy od jakości cząstek lodowych, co narzuca konieczność schładzania wysokociśnieniowej strugi wodnej.