ASTROEM ANDERS (DE)
| WO2004027098A1 | 2004-04-01 |
| US20020195753A1 | 2002-12-26 | |||
| DE3234863A1 | 1984-03-22 | |||
| US4448614A | 1984-05-15 |
Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Kühlen von langen Gegenständen (2) mit einem Düsenbereich (4), dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser des Gegenstands (2), der eine Vielzahl von Düsen (8) enthält, die ein Kühlgas auf den Gegenstand (2) blasen, und mit einem Hüllrohr (6), dessen Durchmesser gleich oder kleiner als der Durchmesser des Düsenbereichs (4) ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Dichtbereich (10) vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrohr (6) eine Länge von 0,1 bis 1 m hat.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlgas wieder verwendet wird. |
Beschreibung
Vorrichtung zum Kühlen von langen Gegenständen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen von langen Gegenständen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Unter langen Gegenständen werden Drähte, Rohre, Stäbe, Federstähle, Platten und ähnliche Gegenstände verstanden, deren
Längesausdehnung wesentlich größer ist, als die Ausdehnungen in der Breite und/oder in der Höhe. Beim Herstellen (Gießen oder Ziehen) solcher "endloser" Gegenstände oder nach der Wärmebehandlung ist häufig ein schnelles Abkühlen (Quenchen) erforderlich, um Gefüge geeignet umzuwandeln.
Aus dem Artikel: "An evaluation of multiple-jet impingement gas quenching of steel rings" von J. Ferrari, N. Lior, vom 19. Januar 2002 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der Kugellager in ein Feld von Gasdüsen gebracht werden. Zum schnellen Abkühlen oder Quenchen der heißen Kugellager werden durch eine Vielzahl von Düsen Gasströme auf die Gegenstände geleitet, um diese schnell abzukühlen. Diese Vorrichtung eignet sich nur für relativ kompakte Gegenstände, die keine zu großen Ausdehnungen haben.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit der lange oder endlose Gegenstände zuverlässig, schnell und wirtschaftlich gasgekühlt werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zwei unterschiedlich dimensionierte Kammern oder Bereiche auf, wobei in der ersten Kammer (Düsenbereich) eine Vielzahl von Düsen vorgesehen sind, welche Kaltgasjets auf den zu kühlenden Gegenstand blasen. Der zweite Bereich (Hüllrohr) ist relativ lang und umschließt den zu kühlenden Gegenstand über einen längeren Bereich. Der sich zwischen dem zu kühlenden Gegenstand und der Innenwand des Hüllrohrs bildende Spalt wird vom Kaltgas durchströmt, weiches aus den Düsen zum Gegenstand hin gesprüht wurde und kühlt so den Gegenstand entweder weiter ab, wenn sich der Gegenstand in Richtung des Gases bewegt oder kühlt ihn vor, wenn die Bewegungsrichtung des Gegenstandes gegen die Gasrichtung verläuft. Durch eine relativ enge Ausbildung des Spaltes
zwischen der Kühlkammer und dem zu kühlenden Gegenstand kann ein relativ inniger Kontakt zwischen Gas und Gegenstand erreicht werden, so dass die Kühlwirkung des Gases relativ gut ausgenutzt wird. Der Querschnitt des Hüllrohres ist dem zu kühlenden Gegenstand angepasst. Ist der Gegenstand rund, ist auch das Hüllrohr zylindrisch, bei rechteckigen Stäben rechteckig. Das Hüllrohr umschließt den Gegenstand eng, so dass das Kühlgas nahe am Gegenstand geführt wird.
In einer Ausführung der Erfindung kann an einer Seite des Düsenbereichs ein Dichtbereich liegen, der relativ eng an den zu kühlenden Gegenstand anliegt und verhindert, dass Kühlgas in diese Richtung entweicht. Dies hat den Vorteil, dass das Kühlgas nur in die bevorzugte Richtung fließt.
In einer bevorzugten Ausführung hat das Hüllrohr einen kleineren Durchmesser als der Düsen-Bereich. Dadurch wird der Kontakt zwischen Gas und zu kühlendem Gegenstand noch inniger. Die Gasgeschwindigkeit wird durch den kleineren Spalt bei gleichem Druck größer und die Kühlwirkung verstärkt.
Als Gase können alle bekannten technischen Gase eingesetzt werden. Vorteilhaft sind N 2 , H 2 , Helium oder N 2 H 2 -Mischungen, N 2 -Helium-Mischungen, H 2 -Helium-Mischungen oder Ternärmischungen aus N 2 , H 2 und Helium.
Bevorzugt können die Gase wieder verwendet werden. Insbesondere bei Helium, Wasserstoff oder anderen teuren Gasen lohnt sich die Wiederverwendung und Abkühlung der Gase in einem Wärmetauscher für einen weiteren oder mehrere Durchläufe. Bei preiswerteren Gasen wie N 2 oder CO 2 kann darauf verzichtet werden.
Die Dimensionen der zu kühlenden Gegenstände können von Drähten mit ca. 1 mm Durchmesser angefangen bis zu Röhren von beliebigen Durchmessern reichen, also von einigen Zentimetern bis zu einigen Metern im Durchmesser. Starttemperaturen können im Bereich von 400 bis 1400 0 C liegen, wobei die Starttemperatur abhängig ist von der Legierung und den Erfordernissen beim Quenchen. Die Gasdrücke beim Einsprühen können zwischen 0 und 10 bar liegen.
Die Düsen zum Abgeben der Gasjets sind bevorzugt so orientiert, dass sie in radialer Richtung auf den zu kühlenden Gegenstand blasen, so dass der gesamte Umfang des Gegenstands gleichmäßig beaufschlagt wird.
Der Druck innerhalb der Aufsprühdüsen liegt zwischen 1 und 10 bar, bevorzugt zwischen 1 und 3 bar, z.B. bei 2 bar, wobei dann Aufstoß- oder Auftreff- Geschwindigkeiten zwischen 70 und 200 m/seα, bevorzugt zwischen 100 und 180 m/s, erreicht werden. Möglich sind allerdings auch Geschwindigkeiten bis zur Schallgeschwindigkeit. Für bestimmte Düsentypen können die Aufstoß- Geschwindigkeiten sogar größer als die Schallgeschwindigkeit sein.
Der bevorzugte Abstand zwischen dem zu kühlenden Gegenstand und der gasführenden Hülle ist so gewählt, dass die Gasgeschwindigkeit im Hüllrohrspalt zwischen einem und zehn Metern pro Sekunde (bevorzugt zwischen 3 und 6 m/s) liegt.
Die Richtung des Gases kann sowohl gleich mit der Produktrichtung als auch gegen die Produktrichtung verlaufen. Wenn eine solche Anlage an einen Wärmeofen oder an eine Einrichtung zum Gießen, Ziehen oder Erzeugen des Metalls angeschlossen ist, wird dieser Gegenstand sich stets in eine Richtung bewegen. Das Gas kann dann parallel dazu oder in Gegenrichtung fließen. Bevorzugt ist der Gasfluss in
Gegenrichtung, weil dann eine gleichmäßigere Kühlung erreicht wird. Sollte so ein gegenläufiger Fluss nicht erreichbar sein, kann der Fluss auch in Produktrichtung erfolgen.
Sollte die Länge der Kühlvorrichtung nicht ausreichen, um den Gegenstand ausreichend abzukühlen, können mehrere solcher Einheiten hintereinander geschaltet werden, um eine ausreichende Kühlkapazität zu erreichen.
Andererseits sollte der Spalt zwischen dem Kühlmantel und dem Gegenstand nicht so klein sein, dass ein erheblicher Gegendruck entsteht und das Gas am Abfließen ■ hindert, so dass ein bedeutender Gegendruck gegenüber den aus den Düsen fließenden Gas entsteht. Auf der anderen Seite sollte das Gasvolumen so kontrolliert sein, dass das Gas, welches die Einheit verlässt, nicht unzulässig heiß ist.
Innerhalb des Rohres können turbulenzerzeugende Einheiten (Verwirbelungselemente) installiert werden, die den laminaren Fluss zerstören, Turbulenzen erzeugen und deshalb zu einer besseren Kühlung führen.
Die Länge des Hüllrohres wird so gewählt, dass zusammen mit der
Produktgeschwindigkeit die vorgesehene Endtemperatur des Produkts erreicht wird. Dies ist möglich durch größere Länge, wenn eine tiefere Endtemperatur gewünscht wird.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand einer Figur näher erläutert. Die Figur zeigt schematisch den zu kühlenden Gegenstand 2, hier ein Stab oder ein Rohr, innerhalb der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung. Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung enthält einen Düsenbereich 2 und ein Hüllrohr 6, welches sich an den Düsenbereich 4 anschließt, im Düsenbereich 4 sind die Düsen 8 schematisch eingezeichnet. Links vom Düsenbereich 4 schließt sich ein Dichtbereich 10 an, der relativ eng an dem Gegenstand 2 anliegt und ein Abströmen des Gases nach links verhindert. Unten sind Verwirbelungselemente 12 gezeigt, die sich auch über den ganzen Umfang des Hüllrohrs erstrecken können.
Die Funktion ist folgende:
Der zu kühlende Gegenstand 2 bewegt sich entweder von links nach rechts oder von rechts nach links durch die erfindungsgemäße Vorrichtung. Zum Kühlen wird kaltes Gas durch die Düsen 8 auf den Gegenstand 2 geblasen. Dadurch kühlt sich der Gegenstand 2 im Düsenbereich 4 stark ab. Das Gas fließt dann durch den Spalt zwischen dem Gegenstand 2 und dem Hüllrohr 6 nach rechts, wobei es den Gegenstand 2 weiter kühlt.
Bevorzugte Bemessungen sind:
Die Länge des Hüllrohrs ist 2 bis 50, bevorzugt 30 bis 50 mal so groß wie sein Durchmesser, liegt also zum Beispiel zwischen 0,1 und 1 m. Die Spalte zwischen dem Gegenstand 2 und dem Hüllrohr 6 liegen zwischen 5 und 20 mm. Die Düsendurchmesser liegen z.B. bei 1 ,2 mm. Die Länge des Düsenbereichs liegt bei einigen Zentimetern bis Dezimetern.
Für einen guten Wärmeübertragungskoeffizienten sollte gelten:
d 0 ,1 bis 0,2 x H bevorzugt: d 0 ,18 H und
1 bis 1 ,5 x H bevorzugt: t 1 ,3 H mit
d = Jetdurchmesser in m H = Abstand zum Gegenstand t = Abstand der Düsenmitten voneinander