DE102015108514A1

DE102015108514A1 - Verfahren zum homogenen, kontaktlosen Kühlen von heißen, nicht endlosen Oberflächen und Vorrichtung hierfür

Info

Publication number: DE102015108514A1
Application number: DE102015108514.3A
Authority: DE
Inventors: Markus Brummayer; Kurt Etzelsdorfer
Original assignee: Voestalpine Stahl GmbH
Current assignee: Voestalpine Stahl GmbH
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2016-12-01

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen von heißen Gegenständen, insbesondere Vorrichtung zum homogenen, kontaktlosen Kühlen von heißen, primär nicht endlosen Oberflächen, wobei die Vorrichtung zum Kühlen zumindest ein Kühlschwert oder einen Kühlzylinder besitzt, wobei das Kühlschwert oder der Kühlzylinder hohl ausgebildet ist und eine Kühlschwertdüsenkante oder eine Mehrzahl von in Reihe angeordneten Kühlzylindern besitzt, wobei in der Düsenkante mindestens eine Düse vorhanden ist, welche zu einem zu kühlenden Objekt gerichtet ist, wobei mindestens sieben Kühlschwerter derart angeordnet sind, dass das Strömungsbild auf der zu kühlenden Oberfläche eine wabenähnliche Struktur ausbildet, sowie ein Verfahren hierfür.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum homogenen, kontaktlosen Kühlen von heißen, primär nicht endlosen Oberflächen sowie eine Vorrichtung hierfür.
Im technischen Bereich werden Kühlungen in vielen Bereichen benötigt, beispielsweise wenn ebene Platten gekühlt werden müssen, aber auch wenn z. B. Glasflächen bei der Glasherstellung oder Prozessoreinheiten o. ä. gekühlt werden müssen.
Bisherige Kühlsysteme sind entweder sehr aufwändig, oder recht einfach gehalten, z. B. durch das Anblasen von Luft oder mit anderen Fluiden, insbesondere Wasser oder Öl, wobei hierbei von Nachteil ist, dass sich an der Oberfläche immer ungünstige, unkontrollierte Strömungsbedingungen ausbilden, die dann zum Problem werden, wenn eine besondere definierte Kühlung erforderlich ist.
Insgesamt ist im Stand der Technik davon auszugehen, dass ungünstige Strömungsbedingungen auf der zu kühlenden flächigen Oberfläche, sogenannter Crossflow, bestehen und diese heterogene Oberflächentemperaturen erzeugen. Dies ist insbesondere dann von Nachteil, wenn im Bereich der Oberfläche zur Erzielung homogener Materialeigenschaften auch homogene Temperaturen notwendig sind. Insbesondere können inhomogene Oberflächentemperaturen auch zu Verzug führen.
Darüber hinaus ist mit herkömmlichen Kühlmethoden ein kontrolliertes Erreichen einer vorgegebenen Zieltemperatur ebenso wenig möglich, wie die systematische Einstellung von nahezu beliebigen Kühlraten bis zu einer maximal erreichbaren Kühlrate.
Besondere Schwierigkeiten bestehen dann, wenn unterschiedliche Materialdicken auf einer Kühlfläche vorhanden sind, welche auf homogene Temperaturverhältnisse abgekühlt werden sollen.
Aufgabe der Erfindung ist es, reproduzierbare, systematische, homogene kontaktfreie Kühlungen von primär nicht endlos heißen Oberflächen auf eine definierte Oberflächentemperatur innerhalb von wenigen Sekunden zu schaffen.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
Es ist eine weitere Aufgabe eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zu schaffen.
Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs XX gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß soll es möglich sein bei Temperaturen von 20 bis 900°C eine Abkühlung zu gewährleisten, die maximal 30°C Temperaturabweichung innerhalb eines Quadratmeters ermöglicht. Die verwendeten Kühlmedien sind Luftgase, Mischgase aber auch Wasser oder andere Fluide.
Erfindungsgemäß soll ein geringer Investitionsaufwand mit geringen Betriebskosten, einer hohen Systemverfügbarkeit, hoher Flexibilität und der einfachen Integration in bestehende Produktionsprozesse ermöglicht werden.
Erfindungsgemäß gelingt dies dadurch, dass die zu kühlende Oberfläche mittels Roboter oder Linearantrieben in der X-, Y- oder Z-Ebene bewegt werden kann, wobei eine beliebige Vorgabe der Bewegungstrajektorien und Geschwindigkeiten der zu kühlenden Oberflächen möglich ist. Bevorzugt ist hierbei die Oszillation um eine Ruhelage in der X- und Y-Ebene. Die weitere Oszillation in der Z-Ebene (also der Höhe) ist optional möglich.
Ebenso ist eine ein- oder beidseitige Kühlung ohne weiteres möglich.
Die erfindungsgemäßen Kühleinheiten bestehen aus Düsen, die in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind. Die Geometrie der Düsen, das heißt der Austrittsöffnung, recht von einfachen zylindrischen Geometrien bis hin zu komplexen geometrisch definierten Ausführungen. Die Kühleinheit ist dabei so ausgeführt, dass das von der heißen Platte abströmende Medium ausreichend Raum vorfindet und somit kein Crossflow auf der zu kühlenden Oberfläche entsteht. Die Zwischenräume zwischen den Düsen bzw. Düsenreihen können mit einer zusätzlichen Querströmung beaufschlagt werden, um die Kühlrate zu erhöhen und damit das Kühlmedium, das von der heißen Platte abströmt, quasi abzusaugen. Diese Querströmung sollte jedoch nicht das anströmende Kühlmedium von der Düse zur Platte also den Freistrahl beeinträchtigten.
Erfindungsgemäß folgt das zu bevorzugende Strömungsbild auf der zu kühlenden Oberfläche einer wabenähnlichen Struktur.
Die Kühlung erfolgt dabei vorzugsweise mit zumindest einem Kühlschwert, wobei das Kühlschwert ein plattenähnliches oder zylindrisches Element ist, welches sich zusätzlich von einer Basis zu einer Ausströmleiste hin verjüngen kann, wobei in der Ausströmleiste mindestens eine Düse eingebracht ist. Das Schwert ist hierbei hohl ausgebildet, sodass die Düse aus dem hohlen Schwert heraus mit einem Kühlfluid versorgt werden kann. Die Düse(n) können voneinander mit keilartigen Elementen räumlich beabstandet sein, wobei die keilartigen Elemente auch den Raum für das strömende Fluid zur Düse hin verengen können.
Hierdurch kommt es insbesondere zu einer Verdrehung des ausströmenden Fluidstrahls.
Vorzugsweise ist eine Mehrzahl von Schwertern nebeneinander angeordnet, wobei die Schwerter zueinander versetzt sind.
Durch die versetzte Anordnung erfolgt eine Kühlung ebenfalls mit versetzten Punkten zueinander, wobei die Punkte ineinanderlaufend homogen kühlen und das ausgeströmte Fluid in den Bereich zwischen zwei Schwertern eingesaugt und abgeführt wird.
Vorzugsweise wird das zu kühlende Element, z. B. eine zu kühlende Platte, hierbei bewegt, sodass die Bewegung der Platte einerseits und die versetzte Anordnung der Düsen andererseits dafür sorgt, dass das Kühlfluid alle Bereiche der Platte überströmt, sodass eine homogene Kühlung erzielt wird.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigen dabei
1 eine Draufsicht auf eine Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten Düsenschwertern;
2 die Anordnung der Düsenschwerter gemäß des Schnittes A-A in 1;
3 einen Längsschnitt durch ein Düsenschwert entsprechend der Schnittlinie C-C in 2;
4 die Detailvergrößerung D aus 3 zeigend die Düsen;
5 die Anordnung der Düsenschwerter in einer schematischen perspektivischen Ansicht;
6 eine Detailvergrößerung des Randbereichs der Düsenschwerter mit einem Versatz innerhalb der Schwertanordnung;
7 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung von Kühlschwertern, welche in einem Kühlblock zusammengefasst sind;
8 die Anordnung nach 7 in einer perspektivischen Ansicht auf die Rückseite;
9 eine Ansicht von erfindungsgemäßen Kühlschwertern in deren Innenraum;
10 angedeutet die Kühlschwerter mit den Düsen, wobei eine zu kühlende Platte mit der Temperaturverteilung und der Fluidtemperaturverteilung gezeigt ist;
11 die Anordnung nach 10, zeigend die Geschwindigkeitsverteilung;
12 schematisch die Anordnung zweier gegenüberliegender Kühlkästen aus einer Mehrzahl von versetzt zueinander angeordneten erfindungsgemäßen Kühlschwertern und einem Bewegungsschlitten zum Hindurchbewegen eines zu kühlenden Objekts.
Eine mögliche Ausführungsform wird nachfolgend beschrieben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Kühlen 1 besitzt zumindest ein Kühlschwert 2. Das Kühlschwert 2 ist lang gestreckt klappenartig ausgebildet und besitzt eine Kühlschwertbasis 3, zwei sich von der Kühlschwertbasis weg erstreckende Kühlschwertbreitseiten 4, zwei Kühlschwertschmalseiten 5, welche die Kühlschwertbreitseiten verbinden, und eine freie Düsenkante 6.
Das Kühlschwert 2 ist hohl mit einem Kühlschwerthohlraum 7 ausgebildet, wobei der Hohlraum von den Kühlschwertbreitseiten 4, den Kühlschwertschmalseiten 5 und der Düsenkante 6 umschlossen wird, wobei das Kühlschwert an der Basis 3 offen ist. Mit der Kühlschwertbasis 3 ist das Kühlschwert in einen Kühlschwertrahmen 8 eingesetzt, wobei der Kühlschwertrahmen 8 auf einen hohlen Fluidzuführkasten aufsetzbar ist.
Im Bereich der Düsenkante 6 ist eine Mehrzahl von Düsen bzw. Öffnungen eigebracht, welche in den Hohlraum 7 reichen und somit das Ausströmen von Fluid aus dem Hohlraum nach außen durch die Düsen 10 hindurch ermöglicht.
Von den Düsen erstrecken sich Düsenkanäle 11 in den Hohlraum 7 hinein, welche die Düsen zumindest im Bereich der Düsenkante 6 räumlich voneinander trennen. Die Düsenkanäle sind dabei im Querschnitt vorzugsweise keilförmig ausgebildet, sodass die Düsenkanäle bzw. Düsen durch keilförmige Stege 12 voneinander getrennt sind. Vorzugsweise sind die Düsenkanäle dabei so ausgebildet, dass sie sich zum Hohlraum 7 hin erweitern, sodass ein einströmendes Fluid durch die Verengung der Düsenkanäle beschleunigt wird.
Die Kühlschwertbreitseiten 4 können von der Kühlschwertbasis 3 zur Düsenkante 6 hin konvergierend ausgebildet sein, sodass der Hohlraum sich zur Düsenkante 6 hin verengt.
Zudem können die Kühlschwertschmalseiten 5 konvergierend oder divergierend ausgebildet sein.
Vorzugsweise sind zumindest zwei Kühlschwerter 2 vorhanden, welche bezüglich der Breitseiten parallel zueinander angeordnet sind, wobei die Kühlschwerter 2 bezüglich des Abstandes der Düsen 10 um einen halben Düsenabstand zueinander versetzt sind.
Darüber hinaus können auch mehr als zwei Kühlschwerter 2 vorhanden sein.
Die Düsen 10 können, bezogen auf die Erstreckung der Düsenkante, ebenfalls länglich fluchtend zur Düsenkante ausgebildet sein, die Düsen können jedoch auch rund, oval fluchtend zur Düsenkante oder oval quer zur Düsenkante sechs-, acht- oder mehreckig ausgebildet sein.
Insbesondere wenn die Düsen, bezogen auf die Längserstreckung der Düsenkante, ebenfalls länglich ausgebildet sind, insbesondere länglich oval oder länglich vieleckig, ergibt sich eine Drehung eines austretenden Fluidstrahls (10, 11), wobei sich durch eine versetzte Anordnung um einen halben Düsenabstand ein Kühlmuster auf einem plattenartigen Körper ergibt (10), welche entsprechend versetzt ist.
Auch das entsprechende Geschwindigkeitsprofil ergibt eine entsprechende Verteilung (11).
Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt, dass aus den Düsen 10 ausströmendes Fluid zwar auf die Oberfläche eines zu kühlenden Körpers prallt (10, 11), jedoch offensichtlich zwischen den zumindest zwei Schwertern der Kühlvorrichtung 1 eintauchend abfließt, sodass die Kühlströmung an der Oberfläche eines zu kühlenden Körpers nicht gestört wird.
Eine Vorrichtung zum Kühlen (12) besitzt z. B. zwei Anordnungen von Kühlschwertern 2 in einem Kühlschwertrahmen 8, wobei die Kühlschwertrahmen 8 mit entsprechenden Fluidzuführungen 14 und insbesondere auf der den Kühlschwertern 2 abgewandten Seite mit einem Fluidkasten ausgebildet sind, in dem unter Druck stehendes Fluid vorhanden ist, insbesondere durch die Zuführung unter Druck stehendes Fluid.
Zusätzlich ist eine Bewegungsvorrichtung 16 vorhanden, wobei die Bewegungsvorrichtung so ausgebildet ist, dass sie einen zu kühlenden Körper zwischen den gegenüberliegenden Kühlschwertanordnungen so hindurch führen kann, dass auf den zu kühlenden Körper beidseitig kühlend eingewirkt werden kann.
Die Abstände der Düsenkanten 6 zum zu kühlenden Körper betragen dabei z. B. 5 bis 250 mm.
Durch eine Relativbewegung entweder der Vorrichtung zum Kühlen zu einem zu kühlenden Körper oder umgekehrt bewegt sich das Kühlmuster gemäß 10 über die Oberfläche des zu kühlenden Körpers, wobei das von dem heißen Körper abströmende Medium zwischen den Kühlschwertern 2 ausreichend Raum vorfindet um abzuströmen und somit kein Crossflow auf der zu kühlenden Oberfläche entsteht.
Erfindungsgemäß können die Zwischenräume mit entsprechenden Strömungsmitteln mit einer zusätzlichen Querströmung beaufschlagt werden um das auf den heißen Körper strömende Medium zwischen den Schwertern abzusaugen.
Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass eine homogene Kühlung von heißen Elementen möglich ist, welche kostengünstig ist und eine hohe Variabilität hinsichtlich der Zieltemperatur und möglicher Durchlaufzeiten besitzt.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zum Kühlen
2: Kühlschwert
3: Kühlschwertbasis
4: Kühlschwertbreitseiten
5: Kühlschwertschmalseiten
6: Düsenkante
7: Hohlraum
8: Kühlschwertrahmen
10: Düsen
11: Düsenkanäle
12: keilförmige Stege
14: Fluidzuführungen

Claims

Vorrichtung zum Kühlen von heißen Gegenständen, insbesondere Vorrichtung zum homogenen, kontaktlosen Kühlen von heißen, primär nicht endlosen Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Kühlen zumindest ein Kühlschwert (2) oder einen Kühlzylinder besitzt, wobei das Kühlschwert (2) oder der Kühlzylinder hohl ausgebildet ist und eine Kühlschwertdüsenkante (6) oder eine Mehrzahl von in Reihe angeordneten Kühlzylindern besitzt, wobei in der Düsenkante (6) mindestens eine Düse (10) vorhanden ist, welche zu einem zu kühlenden Objekt gerichtet ist, wobei mindestens sieben Kühlschwerter derart angeordnet sind, dass das Strömungsbild auf der zu kühlenden Oberfläche eine wabenähnliche Struktur ausbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten, zueinander beabstandeten Kühlschwertern (2) vorhanden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschwerter (2) jeweils um den halben Abstand zwischen den Düsen (10) an der Düsenkante (6) zueinander versetzt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Kühlschwerter (2) eine Kühlschwertbasis (3), Kühlschwertbreitseiten (4), Kühlschwertschmalseiten (5) und je eine Düsenkante (6) besitzen, wobei die Düsenkante (6) sowie die Kühlschwertbreitseiten (4) und Kühlschwertschmalseiten (5) einen Hohlraum (7) begrenzen, und das oder die Kühlschwerter (2) mit der Kühlschwertbasis (3) in oder auf einem Kühlschwertrahmen (8) aufgesetzt sind, wobei der Kühlschwertrahmen (8) auf einem Fluidkasten (15) zum Zwecke der Fluidzuführung aufsetzbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegungsvorrichtung (16) vorhanden ist, mit der das oder die Kühlschwerter (2) mit dem Kühlschwertrahmen (8) und dem Fluidzuführkasten (15) über einen zu kühlenden Körper bewegbar sind oder mit dem der zu kühlende Körper relativ zu den Kühlschwertern (2) bewegbar ist.
Verfahren zum Kühlen von heißen Gegenständen, insbesondere Verfahren zum homogenen, kontaktlosen Kühlen von heißen, primär nicht endlosen Oberflächen, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlvorrichtung (1) und ein Objekt mit einer heißen Oberfläche relativ zueinander bewegt werden, wobei die Kühlvorrichtung (1) um zumindest zwei parallele, beabstandete Kühlschwerter (2) verfügt, wobei die Kühlschwerter (2) zum zu kühlenden Objekt hin eine Düsenkante (6) mit Düsen (10) besitzen, wobei ein Kühlfluid durch die Düsen (10) auf die Oberfläche des zu kühlenden Objekts gelenkt wird und das Kühlfluid in den Zwischenraum zwischen den Schwertern (2) nach der Kontaktierung der heißen Oberfläche abströmt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlschwert und/oder der Kühlzylinder bzw. die Vorrichtung zum Kühlen Einrichtungen besitzt, mit denen die Vorrichtung um die X-, Y- oder Z-Achse bewegbar und insbesondere schwingbar oder oszillierend ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die folgenden Bedingungen gelten: Hydraulischer Durchmesser Düse = DH, wobei DH = 4 × A/U Abstand Düse zu Körper = H Abstand zwischen zwei Kühlschwerter/Kühlzylinder = S Länge der Düse = L L >= 6 × DH H <= 6 × DH, insb. 4 bis 6 × DH S <= 6 × DH, insb. 4 bis 6 × DH (staggered array) Oszillation = halbe Teilung des Abstand zwischen zwei Kühlschwerter in X, Y (evtl. Z)
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zur Bewegung der Vorrichtung eine Oszillationsgeschwindigkeit von 0,25 Sekunden pro Durchlauf erzeugen.