DE4435862C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Abkühlen, insbesondere zum Abschrecken, von Werkstücken durch Gase - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Abkühlen, insbesondere zum Abschrecken, von Werkstücken durch GaseInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen, insbesondere zum
Abschrecken, von Werkstücken durch Gase in einem
Wärmebehandlungsofen und Rückkühlung der in einem Gas-Kreislauf
geförderten Gase an Kühlflächen in mindestens einem im
Wärmebehandlungsofen angeordneten Ofen-Wärmetauscher, der mit einem
äußeren Wärmeabfuhr-Aggregat über Leitungen für ein in einem Flüssigkeits-
Kreislauf geführtes flüssiges Kühlmedium in Verbindung steht.
Beim Betrieb von Wärmebehandlungsöfen, insbesondere von Vakuum-
Härteöfen, fallen während des Abkühl- bzw. Abschreckvorgangs kurzzeitig
hohe Wärmemengen im Megawatt-Bereich an, die abgeführt werden müssen.
Üblicherweise wird zum Abschrecken ein Gas aus der Gruppe Stickstoff,
Helium, Wasserstoff oder ein Gemisch aus derartigen Gasen verwendet, und
die betreffenden Gase werden unter hohem Druck innerhalb des
Wärmebehandlungsofens durch ein internes Gebläse umgewälzt, so daß die
betreffenden Gase nicht nur die Wärme der Charge von Werkstücken,
sondern auch die Wärme von Ofen-Bauteilen aufnehmen müssen.
Üblicherweise werden die Ofen-Wärmetauscher mit Wasser beschickt, das
die beschriebenen Energiemengen aufnehmen muß. Ein Betrieb des Ofen-
Wärmetauschers mit Frischwasser wäre unwirtschaftlich und weder
ökonomisch noch ökologisch zu vertreten. Infolgedessen werden die internen
Ofen-Wärmetauscher an ein externes Wärmeabfuhr-Aggregat mit
Gebläsekühlung durch Umgebungsluft angeschlossen (Zeitschrift "HTM
Härterei - Technische Mitteilungen", Heft 1186, Seiten 20/21).
Es ist auch bekannt, das externe Wärmeabfuhr-Aggregat als Rückkühlanlage
auszubilden, die in der Regel mit Umgebungsluft nach dem
Verdunstungsprinzip betrieben wird. Die Temperatur des rückgekühlten
Kühlwassers unterliegt jedoch je nach den Witterungsverhältnissen im
Sommer oder Winter starken Schwankungen und führt infolgedessen zu
unterschiedlichen zeitlichen Abkühlverläufen im Wärmebehandlungsofen.
Dies kann zu nicht mehr kontrollierbaren Qualitätsabweichungen bei den
Werkstücken führen.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Rückkühleinrichtungen beruht auf der
Tatsache, daß bei den beschriebenen Abkühl- bzw. Abschreckvorgängen
Spitzenlasten auftreten, die je nach der Chargengröße mehrere Megawatt
betragen können. Diese Spitzenlast fällt jedoch nur innerhalb einiger Minuten
an. In der sich anschließenden Abkühlphase muß nur noch ein Bruchteil
dieser Wärmemenge abgeführt werden. Entweder ist es erforderlich, die
bekannten Rückkühleinrichtungen überzudimensionieren, oder sie erfüllen
ihren Zweck nur ungenügend.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
beschriebenen Gattung dahingehend zu verbessern, daß reproduzierbar stets
der gleiche Abkühlverlauf der Charge erreicht werden kann, wobei es
zusätzlich wünschenswert ist, den Ofen-Wärmetauscher mit möglichst
niedrigen Temperaturen des flüssigen Kühlmediums zu beschicken.
Insbesondere wäre es wünschenswert, die abgeführte Wärmemenge gezielt
an die jeweils anfallende Wärmemenge anpassen zu können.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen
Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß in dem äußeren Wärmeabfuhr-
Aggregat ein Speichervolumen eines wäßrigen Kühlmediums einem solchen
Unterdruck ausgesetzt wird, daß mindestens ein Teil der wäßrigen Phase
des Speichervolumens zum Entzug von Wärme aus dem Flüssigkeitskreislauf
durch den Ofen-Wärmetauscher verdampft wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt zunächst ein Speichervolumen
eines wäßrigen Kühlmediums vor, dessen Größe bzw. Menge an die jeweils
anfallende Wärmemenge angepaßt werden kann, so daß eine Art Puffer-
Wirkung entsteht. Durch die Vorgabe eines genau definierten Unterdrucks
kann durch den Siedevorgang bzw. die Verdampfung der wäßrigen Phase
des Speichervolumens eine exakte Temperatur eingestellt werden, die
deutlich unter der Raumtemperatur liegen kann, ja sogar unter dem
Gefrierpunkt liegen kann, wenn man dem Kühlmedium geeignete
Gefrierschutzmittel zusetzt. Hierdurch läßt sich die Temperaturdifferenz bis
zur maximal zulässigen Temperatur für das Kühlmedium deutlich vergrößern,
so daß sich - multipliziert mit der Menge des Kühlmediums - sehr genau
festlegen läßt, welche Wärmemenge abgeführt werden kann, und welchen
Verlauf die zeitlichen Abkühlvorgänge der Werkstücke haben. Dadurch
lassen sich die Werkstückeigenschaften in sehr engen Grenzen bzw. mit
äußerst geringen Toleranzen festlegen.
Eine Überdimensionierung des Wärmeabfuhr-Aggregats ist nicht erforderlich,
da man es vornehmlich durch die zu erzielende Temperaturdifferenz in der
Hand hat, entsprechend große Wärmemengen mit dem vorgesehenen
zeitlichen Verlauf abzuführen. Die Aufnahme von Spitzenlasten ist mithin über
die Wahl des Druckes bzw. die davon abhängige Temperatur des
Kühlmediums problemlos möglich. Das Kühlmedium hat infolgedessen eine
ausgezeichnete Speicherwirkung.
Bezüglich der Führung des Kühlmediums in einem Kreislauf gibt es vorrangig
zwei Möglichkeiten. Einmal ist es möglich, daß man das im Flüssigkeits-
Kreislauf geführte Kühlmedium mit dem Speichervolumen vermischt und
damit dem im Kreislauf durch den Ofen-Wärmetauscher geführten
Kühlmedium unmittelbar Wärme entzieht. Es gibt in diesem Falle für den
Flüssigkeits-Kreislauf durch den Ofen-Wärmetauscher nur eine einzige
Flüssigkeit. Es ist aber andererseits auch möglich, das durch den Ofen-
Wärmetauscher geführte Kühlmedium in einem geschlossenen Kreislauf
mittels eines im Speichervolumen angeordneten weiteren Wärmetauschers
durch das Speichervolumen zu führen. In diesem Falle kann das
Speichervolumen durch eine andere Flüssigkeit bzw. durch eine Flüssigkeit
mit einer anderen Zusammensetzung ersetzt werden.
Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn man das Speichervolumen in einem
wärmeisolierten Speichertank auch außerhalb der Abkühlphase der
Werkstücke einem Unterdruck aussetzt, bei dem die wäßrige Phase des
Speichervolumens verdampft. Hierbei kann man die bereits beschriebene
Betriebsweise derartiger -Wärmebehandlungsöfen vorteilhaft ausnutzen, die
darin besteht, daß der Spitzenwert der abzuführenden Wärmemenge nur
innerhalb weniger Minuten auftritt, während der Rest der abzuführenden
Wärmemenge erst allmählich abgeführt werden muß. Zwischen den
einzelnen Abkühl- bzw. Abschreckvorgängen liegen in der Regel zeitliche
Abstände, sogenannte Zykluszeiten, von mehreren Stunden, und diese Zeit
kann man dazu verwenden, das Speichervolumen mit einer relativ niedrigen
Pumpleistung abzukühlen.
Um hohe Abkühlgeschwindigkeiten zu erzielen, ist es besonders
zweckmäßig, wenn man das Speichervolumen durch Verdampfungskühlung
auf Temperaturen von höchstens 20°C, vorzugsweise von höchstens 0°C
abkühlt und bei dieser Temperatur für den Abkühlvorgang bereit hält.
Es ist dabei im Zug einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens von Vorteil, wenn man das Speichervolumen vor dem Abkühlen
der Werkstücke zunächst durch Anlegen eines Drucks P1 auf eine erste
Temperatur T1 abkühlt, danach einen höheren Druck einstellt und
anschließend den Abkühlvorgang der Werkstücke einleitet. Durch diese
Maßnahme wird vermieden, daß das Kühlmedium zu Beginn der
Abkühlphase sofort zu sieden anfängt. Will man den Siedevorgang weiter
hinauszögern, so ist es vorteilhaft, wenn man den Druck P2 während des
Abkühlvorgangs der Werkstücke kontinuierlich oder schrittweise weiter
erhöht.
Es ist dabei wiederum im Zuge einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung von
besonderem Vorteil, wenn man im Wärmebehandlungsofen einen
mehrstufigen Wärmetauscher vorsieht, und wenn man mindestens eine der in
Gasströmungsrichtung ersten Wärmetauscher-Stufen an einen unter
üblichem Druck stehenden Wasserkreislauf anschließt und wenn man die
mindestens eine in Gas-Strömungsrichtung folgende Wärmetauscher-Stufe
an den Kreislauf mit Unterdruck-Verdampfungskühlung anschließt.
Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß ein großer Teil der abzuführenden
Wärme zunächst einmal über die herkömmlichen Rückkühlvorrichtungen
abgeführt wird. Die erfindungsgemäße Unterdruck-Verdampfungskühlung
dient alsdann nur noch dazu, die Differenz der Energiemengen abzuführen
und reproduzierbare Bedingungen einzustellen. Dadurch aber können die
Investitions- und Betriebskosten weiter reduziert werden.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Abkühlen, insbesondere zum
Abschrecken, von Werkstücken durch Gase mit einem
Wärmebehandlungsofen und mit mindestens einem im
Wärmebehandlungsofen angeordneten Ofen-Wärmetauscher zur
Rückkühlung der in einem Gas-Kreislauf geförderten Abschreckgase an
Kühlflächen des Ofen-Wärmetauschers sowie mit einem über Leitungen an
den Wärmebehandlungsofen angeschlossenen äußeren Wärmeabfuhr-
Aggregat.
Zur Lösung der gleichen Aufgabe ist eine solche Vorrichtung
erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeabfuhr-Aggregat
einen evakuierbaren Speichertank für ein wäßriges Kühlmedium besitzt, und
daß an den Speichertank eine Vakuumpumpe angeschlossen ist.
Auch bezüglich der Vorrichtung können im wesentlichen zwei alternative
Lösungen verwendet werden. Bei der einen Lösung münden die Leitungen
des Ofen-Wärmetauschers unmittelbar in den Speichertank, und in dem
anderen Fall befindet sich im Speichertank unterhalb des konstruktiven
Flüssigkeitsspiegels für das Speichervolumen ein Tank-Wärmetauscher, an
den die Leitungen des Ofen-Wärmetauscher angeschlossen sind. In dem
zuletzt genannten Fall findet eine indirekte Wärmeübertragung durch die
Wandungen des Tank-Wärmetauschers statt, ohne daß die beiden
Kühlmedien durchmischt würden.
Wesentlich ist in jedem Falle nur, daß ein hinreichend großes
Speichervolumen einer Flüssigkeit mit einer entsprechend großen Wärme-
Speicherkapazität zur Verfügung gestellt wird, und daß dieses
Speichervolumen eine möglichst niedrige Temperatur aufweist, so daß ein
entsprechend großer Temperaturanstieg des Speichervolumens möglich ist.
Der Ausdruck "konstruktiver Flüssigkeitsspiegel" ist eine konstruktive Angabe,
die der Konstrukteur beim Entwurf des Speichertanks zu berücksichtigen hat.
Es ist dabei im Zuge einer wiederum vorteilhaften weiteren Ausgestaltung des
Erfindungsgegenstandes möglich, oberhalb des konstruktiven
Flüssigkeitsspiegels für das Speichervolumen einen Kondensator für
Wasserdampf anzuordnen, so daß eine möglichst geringe Dampfmenge über
die Vakuumpumpe geführt und im nachhinein wieder ergänzt werden muß,
damit das Speichervolumen seinen ursprünglichen Umfang beibehält.
Es ist dabei weiterhin von Vorteil, wenn der Ofen-Wärmetauscher mindestens
zwei in Gas-Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Wärmetauscher-
Stufen aufweist, von denen mindestens eine der ersten Wärmetauscher-
Stufen an einen normalen Wasserkreislauf und mindestens eine der in Gas-
Strömungsrichtung folgenden Wärmetauscher-Stufen an den Speichertank
angeschlossen ist. Die hierbei erlangten Vorteile hinsichtlich der Investitions-
und Betriebskosten wurden bereits weiter oben aufgeführt.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend
anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Vertikalschnitt durch einen
Wärmebehandlungsofen, und einen Speichertank sowie die
Leitungsführung für ein Kühlmedium, das mit dem
Speichervolumen gemischt wird,
Fig. 2 eine analoge Darstellung des unteren Teils von Fig. 1, jedoch
mit einem Speichertank, in dem das über den Ofen-
Wärmetauscher geführte Kühlmedium durch einen Tank-
Wärmetauscher von dem Speichervolumen getrennt gehalten
wird,
Fig. 3 eine graphische Darstellung eines möglichen Betriebsablaufs für
die Vorrichtungen nach den Fig. 1 und 2 hinsichtlich
Temperatur und Druck im Speichertank, und
Fig. 4 eine Darstellung analog Fig. 1, jedoch mit einem zweistufigen
Ofen-Wärmetauscher und zwei Kühlmittel-Kreisläufen.
In Fig. 1 ist ein Wärmebehandlungsofen 1 dargestellt, der als Vakuumofen
ausgebildet ist. Sein Innenraum ist in einen Chargenbereich 2 und in einen
Kühlbereich 3 unterteilt. Im Chargenbereich 2 befindet sich eine Charge 4, die
aus zahlreichen Werkstücken besteht und von einer Wärmedämmung 5
umgeben ist. Zu dieser Wärmedämmung gehören zwei bewegliche Klappen 6
und 7, die zur Steuerung einer Kühlgasströmung durch die Öffnungen 8 und 9
im Sinne der eingezeichneten Strömungspfeile dienen. Die für die Aufheizung
der Charge 4 erforderlichen Heizeinrichtungen sind der Einfachheit halber
nicht dargestellt. Der Chargenbereich 2 ist von dem Kühlbereich 3 durch eine
Wand 10 getrennt, die zur Wärmedämmung 5 gehört.
Im Kühlbereich 3 befindet sich ein Ofen-Wärmetauscher 11 mit Kühlflächen
12, die nur sehr schematisch dargestellt sind, und auf deren Sekundärseite
ein flüssiges Kühlmedium in einem Kreislauf 13 geführt wird, zu denen unter
anderem die Zuleitung 13a und die Ableitung 13b gehören.
Der Wärmetauscher 11 ist von einer weiteren Wärmedämmung 14 umgeben.
Durch ein Gebläse 15 mit einem Antriebsmotor 16 läßt sich das
Abschreckgas bei geöffneten Klappen 6 und 7 in einem Kreislauf im Sinne
der eingezeichneten Strömungspfeile führen.
Zum Kühlmittelkreislauf 13 gehört ein Wärme-Abführ-Aggregat 17, das aus
einem druckfesten und gasdichten Speichertank 18 besteht, der von einer
Wärmeisolierung 19 umgeben ist, von der nur ein Teil symbolisch dargestellt
ist. In dem Speichertank 18 befindet sich ein Speichervolumen 20, das aus
einer der weiter oben beschriebenen Flüssigkeiten bestehen kann, in jedem
Falle aber einen erheblichen Anteil einer verdampfbaren Flüssigkeit,
insbesondere von Wasser, enthält. Das Speichervolumen umfaßt mehrere
1000 Liter der besagten Flüssigkeit und besitzt einen konstruktiven
Flüssigkeitsspiegel 21, oberhalb dessen sich ein Gas- oder Dampfraum 22
befindet.
Der Speichertank 18 ist über eine Leitung 23 an eine Vakuumpumpe 24
angeschlossen, die je nach den gewählten Betriebsbedingungen aus einer
mechanischen Vakuumpumpe, einem Pumpsatz, oder einfach aus einer
Wasserstrahlpumpe bestehen kann. Etwa gebildetes Kondensat kann durch
eine gestrichelt angedeutete Leitung 25 in den Speichertank zurückgeführt
werden. Die Zuleitung 13a für den Ofen-Wärmetauscher 11 geht über eine
Flüssigkeitspumpe 26 vom unteren Teil des Speichertanks 18 aus, und die
Rückleitung 13b mündet in den Dampfraum 22, so daß sich die flüssige
Phase des Rücklaufs sofort mit dem Speichervolumen 20 vermischen kann.
Meßgeräte 27 und 28 dienen zur Messung von Druck P und Temperatur T.
Zum Speichertank 18 gehören noch ein Wasserzulauf 29, ein Gaseinlaß 30
und ein Sicherheitsventil 31, durch das Wasserdampf bei einem Druck
oberhalb von etwa 1 bar austreten kann.
Die Betriebsweise einer solchen Vorrichtung kann beispielhaft wie folgt
beschrieben werden: Im Speichertank 18, der einen Rauminhalt von 8 m³
aufweist, befinden sich 5 m³ Wasser mit einer Temperatur von 20 °C. Durch
Evakuieren mittels der Vakuumpumpe 14, die bei diesem Beispiel als
Wasserstrahlpumpe ausgeführt ist, wird der Speichertank auf einen Druck
von 0,0123 bar evakuiert, was einer Siedetemperatur des Wassers von 10°C
entspricht. Dadurch sinkt die Temperatur des Wassers allmählich auf 10°C,
wobei 84,2 kg Wasser verdampft werden. Der Speichertank 18 wird
anschließend auf 0,042 bar mit einem Gas wie Luft oder Stickstoff geflutet.
Danach wird im Wärmebehandlungsofen 1 ein Abschreckvorgang
durchgeführt, wobei durch die Flüssigkeitspumpe 26 ständig das im
Wärmetauscher 11 erwärmte Kühlwasser durch den Speichertank 18 geführt
und dort entsprechend abgekühlt wird. Das Wasser im Speichertank 18 wird
dabei allmählich erwärmt, und würde bei dem eingestellten Druck von
0,042 bar erst bei 30°C zu sieden beginnen. In den ersten beiden Minuten
des Abschreckvorgangs fallen Wärmemengen von etwa 3 Megawatt an, was
zu einer Erwärmung des Speichervolumens um 17,5°C auf 27,5°C führt.
Daraus ergibt sich, daß das Wasser unterhalb der Siedetemperatur gehalten
wird.
Für den weiteren Prozeßablauf gibt es mehrere alternative Möglichkeiten:
- - Der Speichertank wird durch Nachfluten mit Gas auf einen höheren Druck bis maximal 1 bar entsprechend einer Siedetemperatur von 100°C aufgefüllt, bis der Abschreckvorgang beendet ist. Der Wasservorrat würde in diesem Falle, wenn noch für einen Zeitraum von 15 Minuten eine Wärmemenge von 1 Megawatt anfällt, auf ca. 88,7°C erwärmt werden. Die durch die anschließende Vakuumverdampfung zu verdampfende Wassermenge beträgt ca. 650 kg und wird alsdann nachgefüllt. Der Speichertank wird alsdann erneut evakuiert und das Speichervolumen durch Verdampfungskühlung wieder auf die ursprüngliche Ausgangstemperatur von 10°C abgekühlt. Da bis zum nächsten Abschreckvorgang einige Stunden vergehen, reicht eine Vakuumpumpe kleiner Leistung aus.
- - Beim Einsatz einer Vakuumpumpe mit einer höheren Saugleistung kann auch gezielt ein Sieden des Speichervolumens während des Abschreckvorganges in Kauf genommen werden. Will man während der Abschreckung die Temperatur des Speichervolumens beispielsweise nicht über 30°C ansteigen lassen, so muß die Vakuumpumpe eine Saugleistung aufweisen, die im Stande ist, einen Abzug der über die eingebrachte Wärmemenge verdampften Wassermenge zu gewährleisten. Hierbei hat man folgende Beeinflussungsmöglichkeit in der Hand: Je höher der Druck bzw. je höher die Siedetemperatur, desto kleiner kann die Saugleistung der Vakuumpumpe gewählt werden. Will man die Anfangstemperatur weiter absenken, so müssen dem Speichervolumen die bereits weiter oben angegebenen Gefrierschutzmittel zugegeben werden. So kann man beispielsweise durch Zusatz entsprechender Mengen von Glykol die Gefriertemperatur des Kühlmediums bis auf -20°C absenken, wobei sich gleichzeitig auch die Siedetemperatur absenken läßt.
In Fig. 2 werden gleiche Teile oder Teile mit gleicher Funktion mit gleichen
Bezugszeichen versehen, so daß sich Wiederholungen erübrigen. Das
Wärmeabfuhr-Aggregat 32 hat jedoch einen anderen Aufbau als das
Wärmeabfuhr-Aggreat 17 in Fig. 1: Im Speichertank 18 befindet sich
unterhalb des konstruktiven Flüssigkeitsspiegels 21 für das Speichervolumen
20 ein Tank-Wärmetauscher 33, der das über den Ofen-Wärmetauscher 11
geführte Kühlmedium vom Speichervolumen 20 getrennt hält. An diesen
Tank-Wärmetauscher 33 sind die Leitungen 13a und 13b des Ofen-
Wärmetauschers 11 angeschlossen. Die beschriebene
Verdampfungskühlung bewirkt große Wärmeübergangszahlen, so daß man
mit einem entsprechend kleinen Tank-Wärmeaustauscher auskommt. Man
kann hierbei aber das Kühlmedium im Kreislauf 13 unter einem höheren
Druck halten und dadurch Siedevorgänge im Ofen-Wärmetauscher 11
vermeiden, und zwar auch dann, wenn dort höhere Kühlmittel-Temperaturen
auftreten sollten. Beim Wärme-Abfuhr-Aggregat 17 nach Fig. 1 würde beim
Auftreten von Verdampfungsvorgängen im Ofen-Wärmetauscher ein Zwei-
Phasengemisch vom Ofen-Wärmetauscher in den Speichertank
zurückströmen, und dieses Zwei-Phasen-Gemisch wird im Speichertank 18
über Schwerkraft getrennt, und der entstandene Dampf wird über die
Vakuumpumpe 24 abgesaugt. Das Wasser, welches nie wärmer wird, als die
dem Druck entsprechende Siedetemperatur, wird wieder zurückgepumpt.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind der Vakuumpumpe 24 ein
erster Kondensator 34 vorgeschaltet und ein zweiter Kondensator 35
nachgeschaltet. Es ist jedoch möglich, auf jeweils einen dieser
Kondensatoren 34 oder 35 zu verzichten oder überhaupt keinen Kondensator
vorzusehen. Die anfällenden Kondensate werden über die Leitungen 34a
bzw. 35a in den Speichertank 18 zurückgeleitet.
Besonders vorteilhaft ist jedoch die Anbringung eines Tank-Kondensators 36
im Dampfraum 22, d. h. oberhalb des konstruktiven Flüssigkeitsspiegels 21 für
das Speichervolumen 20. Auf diese Weise tropft das Kondensat unmittelbar
in das Speichervolumen 20 zurück.
In Fig. 3 ist auf der Abszisse die Zeit "t" dimensionslos aufgetragen. Auf der
linken Ordinate ist die Temperatur T von O bis 100°C aufgetragen, und auf
der rechten Ordinate der Druck P bis etwa 1 bar. Die obere Kurve "P" steht
für den Druck, und die untere Kurve "T" steht für die Temperatur. Die
einzelnen Verfahrensabschnitte sind durchlaufend von 1 bis 8 beziffert. Im
Abschnitt 1 findet ein Füllen des Speichertanks 18 mit Wasser bei
Raumtemperatur statt. Im Abschnitt 2 erfolgt das Evakuieren des
Speichertanks 18 in Verbindung mit einer Temperaturabsenkung auf weniger
als 10°C. Im Abschnitt 3 wird das Speichervolumen auf dieser Temperatur
gehalten, der Druck P jedoch durch Fluten des Speichertanks 18 mit einem
Gas entsprechend den obigen Angaben erhöht. Am Anfang des Abschnitts 4
beginnt der Abschreckvorgang bei konstantem Druck im Speichertank 18.
Hierbei steigt die Temperatur T entsprechend an. Im Abschnitt 5 beginnt das
Speichervolumen 20 zu sieden, so daß die Temperatur T zunächst konstant
bleibt. Hingegen wird das Evakuieren durch die Vakuumpumpe 24
fortgesetzt. Am Ende des Abschnittes 6 ist die Abschreckung beendet, und
es erfolgt ein Nachfüllen von Wasser, so daß die Temperatur durch den
Mischungsvorgang wieder leicht absinkt. Im Abschnitt 7 erfolgt eine weitere
Evakuierung (ohne Wärmezufuhr) und ein Herunterkühlen des
Speichervolumens 20 auf den Anfangszustand gemäß Abschnitt 1. Im
Abschnitt 8, der mit dem Abschnitt 3 übereinstimmt, erfolgt wiederum ein
teilweises Fluten des Speichertanks 18 auf einen geringfügig höheren Druck.
Der Betriebszyklus kann jetzt wiederholt werden.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 unterscheidet sich von demjenigen
nach Fig. 1 dadurch, daß der Ofen-Wärmetauscher 37 zwei
Wärmetauscher-Stufen 38 und 39 enthält. Die in Gas-Strömungsrichtung
(siehe eingezeichnete Pfeile) erste Wärmetauscher-Stufe 38 ist über
Leitungen 38a und 38b an einen normalen Wasserkreislauf angeschlossen,
der beispielhaft eine Rückkühlanlage sein kann, die nach dem
Verdunstungsprinzip arbeitet. Die in Gas-Strömungsrichtung unmittelbar
nachfolgende zweite Wärmetauscher-Stufe 39 ist in analoger Weise an den
Kreislauf 13 angeschlossen, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Dadurch ist es
möglich, einen großen Teil der kurzzeitig anfallenden Wärmemengen über die
erste Wärmetauscher-Stufe 38 auf dem üblichen Wege abzuführen und nur
den verbleibenden Rest der Wärmemenge über die zweite Wärmetauscher-
Stufe 39 durch Verdampfungskühlung abzuführen. Es ist noch festzuhalten,
daß bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 2 die Zuleitungen
13a und 13b unmittelbar in den Speichertank 18 münden.
Claims (19)
1. Verfahren zum Abkühlen, insbesondere zum Abschrecken, von
Werkstücken durch Gase in einem Wärmebehandlungsofen (1) und
Rückkühlung der in einem Gas-Kreislauf geförderten Gase an
Kühlflächen (12) in mindestens einem im Wärmebehandlungsofen (1)
angeordneten Ofen-Wärmetauscher (11, 37), der mit einem äußeren
Wärmeabfuhr-Aggregat (17, 32) über Leitungen (13a, 13b) für ein in
einem Flüssigkeits-Kreislauf (13) geführtes flüssiges Kühlmedium in
Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß in dem äußeren
Wärmeabfuhr-Aggregat (17, 32) ein Speichervolumen (20) eines
wäßrigen Kühlmediums einem solchen Unterdruck ausgesetzt wird,
daß mindestens ein Teil der wäßrigen Phase des Speichervolumens
(20) zum Entzug von Wärme aus dem Flüssigkeitskreislauf (13) durch
den Ofen-Wärmetauscher (11, 37) verdampft wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das
im Flüssigkeits-Kreislauf (13) geführte Kühlmedium mit dem
Speichervolumen (20) vermischt und damit dem im Kreislauf durch den
Ofen-Wärmetauscher (11, 37) geführten Kühlmedium unmittelbar
Wärme entzieht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das
durch den Ofen-Wärmetauscher (11, 37) geführte Kühlmedium in
einem geschlossenen Kreislauf mittels eines im Speichervolumen (20)
angeordneten weiteren Tank-Wärmetauschers (33) durch das
Speichervolumen (20) führt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das
Speichervolumen (20) in einem wärmeisolierten Speichertank (18)
auch außerhalb der Kühlphase der Werkstücke einem Unterdruck
aussetzt, bei dem die wäßrige Phase des Speichervolumens (20)
verdampft.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das
Speichervolumen (20) durch Verdampfungskühlung auf Temperaturen
von höchstens 20°C, vorzugsweise von höchstens 0°C, abkühlt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man dem
Kühlmedium und/oder dem Speichervolumen (20) mindestens ein
Gefrierschutzmittel zusetzt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man
mindestens ein Gefrierschutzmittel aus der Gruppe der ein- oder
mehrwertigen Alkohole und der Salze verwendet.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das
Speichervolumen (20) vor dem abkühlen der Werkstücke zunächst
durch Anlegen eines Drucks P1 auf eine erste Temperatur T1 abkühlt,
danach einen höheren Druck P2 einstellt und anschließend den
Abkühlvorgang der Werkstücke einleitet.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man den
Druck P2 während des Abkühlvorgangs der Werkstücke kontinuierlich
oder schrittweise weiter erhöht.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das
Speichervolumen (20) durch entsprechende Druckeinstellung
zumindest gegen Ende des Abkühlvorgangs der Werkstücke am
Sieden hält.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das
verdampfte Wasser des Speichervolumens (10) kondensiert und in das
Speichervolumen (20) zurückführt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man
oberhalb des Speichervolumens (20) im Speichertank (18) einen
Wasserdampf-Kondensator (36) in Betrieb hält.
13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man im
Wärmebehandlungsofen (1) einen mehrstufigen Ofen-Wärmetauscher
(37) vorsieht, und daß man mindestens eine der in Gas-
Strömungsrichtung ersten Wärmetauscher-Stufen (38) an einen unter
üblichem Druck stehenden Wasserkreislauf anschließt und die
mindestens eine in Gas-Strömungsrichtung folgende Wärmetauscher-
Stufe (39) an den Kreislauf (13) mit Unterdruck-Verdampfungskühlung
anschließt.
14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man
zunächst das Speichervolumen (20) durch Druckabsenkung auf eine
Temperatur unterhalb von 20°C abkühlt und das Speichervolumen in
Bereitstellung hält, vor dem Abkühlen der Werkstücke den Druck auf
einen Wert erhöht, bei dem zu Beginn des Abkühlvorgangs der
Werkstücke kein Sieden des Speichervolumens eintritt, den
Abkühlvorgang einleitet und fortsetzt, bis ein Sieden des
Speichervolumens eintritt, den Wasserdampf bis zur Beendigung der
Abkühlung absaugt, danach das verdampfte Speichervolumen ergänzt
und das ergänzte Speichervolumen durch Verdampfungskühlung
wieder auf den Anfangszustand abkühlt.
15. Vorrichtung zum Abkühlen, insbesondere zum Abschrecken, von
Werkstücken durch Gase mit einem Wärmebehandlungsofen (1) und
mit mindestens einem im Wärmebehandlungsofen (1) angeordneten
Ofen-Wärmetauscher (11, 37) zur Rückkühlung der in einem Gas-
Kreislauf geförderten Abschreckgase an Kühlflächen (12) des Ofen-
Wärmetauschers (11, 37) sowie mit einem über Leitungen (13a, 13b)
an den Wärmebehandlungsofen (1) angeschlossenen äußeren
Wärmeabfuhr-Aggregat (17, 32), dadurch gekennzeichnet, daß das
Wärmeabfuhr-Aggregat (17, 32) einen evakuierbaren Speichertank
(18) für ein wäßriges Kühlmedium besitzt, und daß an den
Speichertank (18) eine Vakuumpumpe (24) angeschlossen ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die
Leitungen (13a, 13b) des Ofen-Wärmetauschers (11, 37) unmittelbar in
den Speichertank (18) münden.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß im
Speichertank (18) unterhalb des konstruktiven Flüssigkeitsspiegels
(21) für das Speichervolumen (20) ein Tank-Wärmetauscher (33)
angeschlossen ist, an den die Leitungen (13a, 13b) des Ofen-
Wärmetauschers (11, 37) angeschlossen sind.
18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß im
Speichertank (18) oberhalb des konstruktiven Flüssigkeitsspiegels (21)
für das Speichervolumen (20) ein Tank-Kondensator (36) für
Wasserdampf angeordnet ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der
Ofen-Wärmetauscher (11, 37) mindestens zwei in Gas-
Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Wärmetauscher-Stufen
(38, 39) aufweist, von denen mindestens eine der ersten
Wärmetauscher-Stufen (38) an einen normalen Wasserkreislauf und
mindestens eine der in Gas-Strömungsrichtung folgenden
Wärmetauscher-Stufen (39) an den Speichertank (18) angeschlossen
ist.
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