DE2751013B2 - Kühleinrichtung - Google Patents

Description

chen und Gj-ö&e der Wossertröpfchen derart optimal gestaltet sind, djiB sie eine sich Ober dem zu kohlenden Werkstück bildende Dampfschicht durchschlagen und nicht von ihr reflektiert werden, ohne durch vollständige Verdampfung optimale Kühlwirkung zu entfalten. ■>

Die Erfindung betrifft ferner mehrere vorteilhafte Weiterbildungen,

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es stellt dar

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung einer Kühleinrichtung;

Fig.2 den Temperaturverlauf eines zu kühlenden Werkstückes;

Fig.3 die Ausbildung einer Wasserdüse bei einem is ersten Ausführungsbeispiel;

Fig.4 den Verlauf des statischen Druckes in der Wasserdüse nach F i g. 3;

F i g. 5 einen Schnitt entlang der Linie V-V in F i g. 3;

Fig.6 ein Ausführungsbeispiel unter Verwendung der Wasserdüsen nach F s g. 3 bis F i g. 5;

Fig.7 eine Wasserdüse gemäß ein;m zweiten Ausführungsbeispiel;

Fig.8 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel unter Verwendung der Wasserdüsen nach F i g. 7.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Stahlplatte 1, die in Richtung des eingezeichneten Pfeiles 2 unter Wasserdüsen 3-1,3-2,3-3 usw. hindurchläuft Dabei gibt jede der Wasserdüsen einen Sprühstrahl ab, die Wasserdüse 3-1 den Sprühstrahl 4-1 an der Stelle fs) und die Wasserdüse 3-2 den Sprühstrahl 4-2 an der Stelle (b). Der Temperaturverlauf einer Stahlplatte, die derart gekühlt wird, in Abhängigkeit von der Zeit in F i g. 2 dargestellt Die Temperatur nimmt zunächst linear ab bis zu einem bestimmten Temperaturwert, z. B. 7oi oder Toi; und von da ab erfolgt eine sehr viel steilere Temperaturabnahme, die dann allerdings bei Annäherung der Werkstücktemperatur an die Siedetemperatur der Kühlflüssigkeit für kleinere Werte der Temperaturdifferenz abflacht, Oberhalb des Knickpunktes 7Όι oder T_m bildet sich infolge des Kontaktes von Wasser mit der heißen Stahlplatte eine Dampfschicht 5, die auftretende Wassertröpfchen 6 reflektiert, wie dies mit Hilfe der Pfeile 7 an der Stelle (a) in F i g. 1 angedeutet ist (Leidenfrost'sches Phänomen). Erst wenn die Wassertröpfchen 6 die Dampfschicht S durchschlagen und direkt auf der Oberfläche der Stahlplatte 1 auftreffen können, kommt eine Verdampfung derselben an der Oberfläche zustande, so daß eine Kühlung durch Verdampfung voll ehujtzen kann. Bei der Temperatur, bei der die Dampfschicht durchschlagen wird, wie an der Stelle (L) in Fi g. 1, hat die Temperaturkurve nach F i g. 2 den Knickpunkt 7oi bzw. T₀₂. Die Wassertröpfchen 6 erreichen dann die Oberfläche; sie durchschlagen die Dampfschicht 5. — Es ist nun offensichtlich, daß man bestrebt ist den Knickpunkt in der Kennlinie nach F i g. 2 so hoch wie möglich zu legen. Man muß davon ausgehen, daß der Wert Tot für die Kühlung mit Wasser ohne besondere Maßnahmen, z. B. auch beim bloßen Eintauchen einer heißen Stahlplatte in einen WasserkU- &« bei, ca. 150° beträgt Gelingt es, diesen Wert erheblich zu erhöhen, dann kann gleichermaßen die Kühleffektivität erheblich heraufgesetzt werden. Gemäß der Erfindung wird relativ mit einfachen Maßnahmen ein Wert von 7« von ca. 400—500", in der Spitze bis 700" erreicht

Um dies zu erreichen, muß folgende Abwägung getroffen werden: je feiner die Tröpfchen sind, desto schneller und vollständiger verdampfen die WassRrtröpfchen 6; sind sie jedoch zu fein, so können sie zu leicht von einer von der Oberfläche der Stahlplatte 1 ausgehenden Dampfströmung reflektiert werden (siehe Fig, 1 bei (aj). Hier ist also eine gewisse Abwägung zu treffen. Andererseite sollen die Tröpfchen möglichst schnell sein, damit sie die Dampfschicht S durchdringen können. Man sollte demnach möglichst einen Wassertröpfchen-Durchmesser von ca. 5—100 μ erreichen, wobei die Geschwindigkeit beim Auftreffen auf die Oberfläche der Stahlplatte 1 größer als 30m/sec betragen sollte. Gleichzeitig ist zu berücksichtigen, daß der Abstand h aus apparativen Gründen nicht zu gering sein darf, daß sonst bei schnellem Durchlauf von Stahlplatten mit unterschiedlichen Stärken beschädigungen der Düsen auftreten können. Man braucht also Wirkungsdistanzen h, die in der Größenordnung von ca. 100 bis 200 mm liegen.

Fig.3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. In der Wand 10 ;st eine Düse 11 eingeschraubt, die als Venturi-Rohr susgebildet ist, & h. in Richtung der in Richtung des Pfeiles 13 zugeführten Luft zunächst einen sich verengenden Querschnitt und dann eine trichterförmige Querschnittserweiterung aufweist An der engsten Stelle der Düse U verläuft quer durch die Bohrung von oben nach unten ein Röhrchen 14 mit Öffnungen 15. Durch dieses Röhrchen und die öffnungen wird Wasser von einem Behälter 16 her zugeführt Der Behälter wird durch ein die Düse außen umgebendes Wasserauffangblech 17 gebildet das durch ein Abdeckblech 18 abgedeckt ist Läuft nun an der Wand 10 von oben nach unten ein Wasserfilm 19 herunter, so füllt er den Behälter 16. In F i g. 4 ist nun der statische Druck ρ entlang der Längsachse der Düse 11 aufgetragen. Im Punkt geringsten Querschnitts, an der Stelle si, herrscht — wie sich in bekannter Weise aus Bernoulli's Gleichung ergibt — Unterdruck, der dafür sorgt daß das Wasser aus dem Behälter 16 durch das Röhrchen 14 und die öffnungen 15 in den Innenraum der Düse 11 angesaugt wird und von dort durch den Luftstrom in Richtung des Pfeiles 13 versprüht wird. Dabei ist der Abstand a zwischen der Vorderkante der Austrittsöffnung 20 der Düse K und dem Punkt geringsten Querschnittes (Si) derselben bestimmt, daß der Sprühstrahl 21, der aus den öffnungen 15 austritt und sich mit dem Winkel <x erweitert, die Innenwand 22 der Düse 11 nicht mehr trifft um Agglomerationen der Wassertröpfchen des Sprühstrahls 21 zu größeren Tropfen, die dann an der Austrittsöffnung 20 einfach ablaufen, zu verhindern. Um möglichst eine glatte Ablösung des den Sprühstrahl 21 umgebenden Luftstrahls von der Austrittsöffnung 20 der Düse U zu erreichen, sind die Kanten 23 spitz zulaufend ausgebildet

Infolge der Zerstäubung durch Einleitung des Wassers in die Düse 11 in den Innenraum eines Venturi-Rohrs, wobei die Wasserzufuhr in der Düse im Abstand a gegenüber der Ebene der Austrittsöffnung 30 zurückgesetzt e.folgt, wird die Zerstäubung, d.h. die Auflösung des Wassers durch die eingeführte Luft in Wassertröpfchen noch innerhalb der Düse selbst bewirkt. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Zerstäubung, d. h. die Beschleunigung der Wassertröpfchen auf ihre Austrittsgeschwindigkeit aus Ae- Austrittsöffnung 20 noch innerhalb der Düse 11 selbst erreicht; damit können die Wassertröpfchen auf der Strecke zwischen den öffnungen 15 bis zur Ebene der Austrittsöffnung 20 im wesentlichen auf die Geschwindigkeit beschleunigt

werden, die auch der austretende Luftstrom hat. Diese Art der Zerstäubung de» Wassers in Wassertröpfchen bei gleichzeitiger Beschleunigung der Wassertröpfchen auf eine möglichst hohe Anfangsgeschwindigkeit bei Austritt aus der Ebene der Austrittsöffnung 20 ist sehr viel effektiver als beim Stand der Technik (Literaturstelle vt »verfahrenstechnik«, a.a.O., S.418, Fig.7 und 8), wo die Vermischung außerhalb der Düse, also innerhalb des Freistrahles, stattfindet, der infolge des Impulsaustausches zwischen dem Luftstrahl und dem Wasserstrahl, sehr viel höhere Anfangsgeschwindigkeiten der Luft erfordert, um zu denselben Geschwindigkeiten der Wassertröpfchen zu gelangen. Bei bekannten Wasserdüsen ist z. B. (a. a. O, Fig. 8c) eine Anfangsgeschwindigkeit von lOOm/sec der Luft notwendig, um eine Geschwindigkeit der Wassertröpfchen von ca. 25—30m/sec zu erreichen. Dieser Energieverlust beruht auf dem Impulsaustausch zwischen dem Wasser-Pegelstand 27 praktisch immer gleich der Oberkante des Wasserauf fangbleches 17 ist, so läuft eben entsprechend mehr Wasser nach unten vorbei. Insofern kann der Füllungsgrad der Behälter, der natürlich von

5 oben nach unten in F i g. 6 abnimmt, durch die Menge der Wasserzufuhr durch die Wasserzuführeinrichtung 26 bestimmt werden. Links von der Sprühwand 24 und rechts von der Sprühwand 25 sind Luftstauräume 24' bzw. 25' angedeutet, in denen ein genügend hoher

to Luftdruck durch beliebige (nicht gezeigte) Mittel erzeugt wird. Die Notwendigkeit von Schlauchanschlüssen entfällt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt F i g. 7. Dabei ist die Wasserzufuhr anders gelöst. Das Röhrchen 28,

i> dessen offenes Ende in die Düse 11 hineinragt, taucht mit seinem unteren Ende in eine Auffangrinne 29, die an der Wand 10, wie aus F i g. 8 ersichtlich, durchgehend angeordnet ist.

Zerstäubung im Freiraum vor der Düse verwendet wird. Bei der Erfindung hingegen treten diese Verluste nicht auf, so daß die Wassertröpfchen bereits beim Austritt aus der Düse ihre höchste Geschwindigkeit haben, die im wesentlichen gleich der Geschwindigkeit der Luft ist. Der Sprühstrahl 21 tritt also mit dem ihm umgebenden Luftstrahl in etwa mit derselben Geschwindigkeit aus der Düse aus, wobei an dieser Stelle die Zerstäubung bereits erfolgt ist Damit wird es dann möglich, bei Einhaltung der Größe der Wassertröpfchen in dem o. a. Bereich eine hohe Geschwindigkeit der Wassertröpfchen zu erzielen, die zu optimaler Kühlung führt. Selbstverständlich müssen die Dimensionen, die sich nach F i g. 3 ergeben, wie die öffnung des Venturi-Rohrs, die Abstände und die Druckverhältnisse im einzelnen durch entsprechendes Probieren auf einen optimalen Wert abgestimmt werden. Dabei kann mit einer Düse gemäß der Erfindung, die mit dem Prinzip der Geschwindigkeitsangleichung von Wassertröpfchen und Luftstrom in der Düse arbeitet, der Energieaufwand zur Erzielung eines bestimmten Kühleffektes auf weniger als 10% des seither notwendigen abgesenkt werden. Dabei ist die besonders einfache Konstruktion zu betonen, mit der dies erreicht wird, die es außerdem ermöglicht, durch den Unterdruck in der Düse 11 die Wasserzufuhr aus einem Behälter anzusaugen, so daß keine besonderen Verrohrungen oder Zuleitungen o. dgl. für das Wasser erforderlich sind.

Fig.6 zeigt nun im prinzipiellen den Aufbau einer derartigen Sprühwand, in die eine Vielzahl von Düsen eingebaut sind. An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, daß in einer derartigen Sprühwand z. B. ca. 4000—6000 Düsen eingebaut sein könnea In F i g. 6 ist eine vertikale Kühlstraße dargestellt Eine Stahlplatte 31 läuft senkrecht zur Ebene der Zeichnung zwischen zwei Sprühwänden 24, 25 hindurch, in die eine Vielzahl von Düsen 11 eingelassen ist In Nähe ihrer oberen Enden sind Wasserrohre 26 auf die Sprühwände 24 und 25 gerichtet Das Wasser fließt entlang dieser Wände in Form jeweils eines Wasserfilms 19 herab und füllt damit die Behälter 16, die die einzelnen Düsen 11 umgeben. Durch Bestimmung der Menge, die aus den Rohren 26 auf die Sprühwände 24, 25 fließt, kann — bei Kenntnis der Menge, die bei gegebener Luftströmung durch die Öffnungen 15 angesaugt wird — der Pegelstand 27 (siehe Fig.5) des Wassers im Behälter 16 bestimmt werden. Läuft der Behälter dadurch über, daß der

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der Düse 11 mit einer Schicht 30 ausgekleidet ist. Das hat folgenden Grund: Auch wenn man den Winkel <x derart bestimmt, daß der Sprühstrahl an sich die Innenwand nicht berührt, so ist doch die Grenze des Sprühstrahls nicht fest; die Übergänge sind vielmehr

fließend. Das heißt, es muß damit gerechnet werden, daß ein Teil des Sprühstrahls Kontakt mit der Innenwand hat und sich dort niederschlägt und große Tropfen bildet, die nicht mehr zerstäubt und auf die Stahlplatten 1 bzw. 31 befördert werden. Es hat sich nunmehr herausgestellt, daß diese Neigung des Sprilhstrahls, an der Innenwand der Düse Agglomerate zu bilden, herabgesetzt werden kann, wenn man die Innenwand mit einer Schicht 30 aus wasserabstoßendem Material versieht Als solches Material kommt Tetrafluorethylen,

Rus, Federn, imprägnierte textile Gewebe, usw. in Betracht, die praktisch so wasserabstoßend sind, daß

keine Benetzung mehr stattfindet Diese Schichten werden auf der Innenseite aufgebracht bzw. aufgeklebt.

Eine solche Bestimmung der Innenwand der Düse 11

-to ist auch dann von Vorteil, wenn die Größendimensionen so gewählt werden, wie das aus den Fig.3 und 7 ersichtlich ist Denn damit wird auch erreicht, daß die den Sprühstrahl 21 umgebende Luftströmung sich von den Kanten 23 in jedem Falle sehr viel besser ablöst wie wenn eine derartige Beschichtung nicht gegeben wäre. Eine bessere Ablösung des Luftstromes, der den Sprühstrahl 21 umgibt begünstigt aber die Versprühung des Wassers innerhalb des Sprühstrahls 21 und seine definierte Begrenzung des Freistrahles auf und in

so Richtung auf die Stahlplatte 1 bzw. 31.

Bei den erfindungsgemäßen Wasserdüsen kai .i man so arbeiten, daß die Austrittsgeschwindigkeit der Wassertropfen aus der Austrittsebene der Austrittsöffnungen 20—50 m/sec beträgt Bei den oben angegebe-

nen apparativen Bedingungen ergibt sich dann eine Auftreffgeschwindigkeit von ca. 20—30m/sec und damit ein Knickpunkt in der Kennlinie nach F i g. 2, der bei Tm von ca. 700⁰C liegt Die Länge a nach F i g. 3 beträgt in der Regel zwischen dem 2- und 5fachen des

Durchmessers der Düse. Wenn die Auskleidung durch eine Schicht in einem so hohen Maße wasserabstoßend ist daß keine Agglomeration zu befürchten ist, dann kann ein gewisser Wandkontakt des Sprühstrahles in Kauf genommen werden und demgemäß auch wieder

der Abstand a vergrößert werden. Das erhöht wiederum den Wirkungsgrad.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche;

1. Kühleinrichtung, bei der ein zu kohlendes hocherhitztes Werkstück, inspesondere eine erhitzte Stahlplatte q,dgl, in einem gewissen Abstand an einer Vielzahl von Wasserdüsen vorbeigefOhrt wird, die einen Wassertröpfchen enthaltenden Sprühstrahl erzeugen und auf die Oberfläche des Werkstückes sprühen, dadurch ge ken η -to zeichnet, daß die Wasserdüsen (11) als Venturi-Rohre mit sich zunächst verjüngendem und dann erweiterndem Querschnitt vorgesehen sind, wobei für die Wasserzufuhr an einer gegenüber der Ebene der Austrittsöffnung (20) um einen bestimmten if Abstand (a) zurückgesetzten Stelle (s\) Zuleitungen (14) mit öffnungen (15) im Axialbereich der Wasserdüse (11) zur Zerstäubung des Wassers vor Erreichen der Ebene der Austrittsöffnung (20) angeordnet sind.

2. Kbkieinrichtung nach Anspruch!, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (14) mit den öffnungen (15) an der Stelle des geringsten Querschnittes des Venturi-Rohres vorgesehen ist

3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der öffnungswinkel («) des aus den öffnungen (15) hervortretenden Wassertröpfchen (6) enthaltenden Sprühstrahles (21) derart bestimmt ist, daß er nicht auf die Innenwand der Wasserdüse (11) auftrifft

4. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten (23) der Austrittsöffnung (20) der Wasserdüsen (U) spitz zulaufend ausgebildet sinJ.

5. Kühleinrichtung nach eimern der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß die Zuleitungen (14) mit öffnungen (15) zur Wasserzuführung mit einem Behälter (16) in Verbindung stehen, der mit Wasser füllbar ist

6. Kühleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß der Behälter (16) durch den Raum gebildet wird, der zwischen der Wasserdii.se (ti) und einem sie umgebenden Wasserauffangblech (17) gebildet und nach oben offen ist

7. Kühleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch *5 gekennzeichnet daß der Behälter durch eine unterhalb mehrerer Wasserdüsen (il) entlang geführte nach oben offene Auffangrinne (29) gebildet wird, die mit Röhrchen (28) zur Wasseraufuhr in die Wasserdüse (11) in Verbindung steht so

8. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß die Innenwände der Wasserdüsen (11) mit einer Schicht (30) aus wasserabstoßendem Material versehen sind.

9. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüehe 1—8, dadurch gekennzeichnet daß Wasserzuführeinrichtungen (26) auf der Oberseite einer senkrecht stehenden und mit einer Vielzahl von Wasserdüsen (11) versehenen Sprühwand (24, 25) zur Speisung der Behälter (16) vorgesehen sind. «>

10. Kühleinrichtung nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet daß bezüglich des durch die Wasserdüsen (11) hindurch tretenden Luftstroms stromaufwärts derselben mit den Sprühwänden (24, 25) abschließende Stauräume (24', 25') für Druckluft <« vorgesehen sind.

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art

!^einrichtungen, die Wwsertröpfchen enthaltende Sprühstrahlen erzeugen, sind bekannt (Zeitschrift vt »verfahrenstechnik« ti (1977) Nummer 7, S,416-420, insbesondere Hg, 7 und«% 8 auf S. 418), Man strebt bei derartigen Kübleinrichtungen an, das Wasser zum Zwecke einer möglichst optimalen Kühlung in Form von Tröpfchen mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche des zu kühlenden Werkstückes zu bringen. Bei der bekannten Kühleinrichtung ist die Düse für diesen Zweck derart ausgebildet daß koaxial zueinander zwei Düsen angeordnet sind, wobei aus der zentralen Düse mit relativ geringer Geschwindigkeit ein Wasserstrahl austritt und aus der sie in Form eines Ringes koaxial umgebenden Austrittsöffnung der zweiteu Düse ein Luftstrom mit wesentlich höherer Geschwindigkeit austritt Nach Austritt der Wasserströmung und der Luftströmung vermischen sich beide im daran anschließenden Freiraum, wobei eine Abbremsu!?g des Luftstromes und eine Beschleunigung des Wasserstromes stattfindet und gleichzeitig eine Zerstäubung des Wasserstrahles in Wassertröpfchen auftritt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Energieausnutzung von Wasserdüsen bei derartigen Kühleinrichtung«: zu verbessern, d. h. Kühleinrichtungen mit Wasserdüsen zur Verfügung zu stellen, bei denen eine möglichst optimale Aufbringung des Wassertröpfchen enthaltenden Sprühstrahles auf die Oberfläche des zu kühlenden Werkstückes erfolgt Dabei soll insbesondere angestrebt werden, bei vergleichsweise gleicher Auftreffgeschwindigkeit und -größe der Wassertröpfchen mit einer geringeren Austrittsgeschwindigkeit der Luft aus der Wasserdüse auszukommen, um eine bessere Energieausbeute zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruches t angegebenen Art gelöst

Wichtig dabei ist die Zurückversetzung der Wasserzuleitung in der Wasserdüse derart, daß die Versprühung des Wassers noch im Bereich der Wasserdüse erfolgen kann, so daß die Wassertröpfchen bei Austritt aus der Austritttebene der Austrittsöffnung der Wasserdüse bereits ihre maximale Geschwindigkeit erreicht haben, so daß die Erzeugung der Wassertröpfchen bzw. ihre Beschleunigung nicht zumindest nicht hauptsächlich, in dem sich an die Austrittsebene der Wasserdüse anschließenden Freiraum vollzieht Durch die Erzeugung und Beschleunigung der Wassertröpfchen noch im Bereich der Wasserdüse wird die Vermischung von Luft und Wasser praktisch »erzwungen« und damit ein höherer Wirkungsgrad der Erzeugung der Wassertröpfchen erreicht Luft und Wasser bzw. Wassertröpfchen treten demgemäß aus der Wasserdüse mit im wesentlichen gleicher Geschwindigkeit aus. Diese Geschwindigkeitsangleichung noch innerhalb der Düse hat zur Folge, daß der Energieverlust durch Impulsaustausch zwischen Luftstrom und Wasserstrahl im Freiraum nach Austritt aus der Düse reduziert wird. Es ist damit möglich, mit sehr viel geringeren Luftstrom-Geschwindigkeiten auszukommen. Auf diese Weise kann mit der Erfindung mit wesentlich geringeren Luftdrücken als beim Stand der Technik derselbe Kühleffekt erzielt werden. Es ergibt sich dabei insbesondere eine Versprühung des Wassers derart daß Auftreffgeschwindigkeit der Wassertröpf-