EP0705907B1 - Verfahren und Vorrichtung zum Abkühlen von Werkstücken durch Gase - Google Patents
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- F27D2009/0089—Quenching
Definitions
- the invention relates to a method for cooling, in particular for Quenching workpieces with gases in one Heat treatment furnace and recooling in a gas cycle conveyed gases on cooling surfaces in at least one in Heat treatment furnace arranged furnace heat exchanger with a external heat dissipation unit via lines for one in a liquid circuit led liquid cooling medium is in connection.
- the furnace heat exchangers are usually charged with water must absorb the amounts of energy described. An operation of the furnace heat exchanger with fresh water would be uneconomical and neither to represent economically and ecologically. As a result, the internal Furnace heat exchanger with an external heat dissipation unit Fan cooling connected by ambient air.
- the invention is therefore based on the object of a method of the beginning described genus to improve that reproducible always the same cooling course of the batch can be achieved, taking it It is also desirable to use the furnace heat exchanger as much as possible to feed low temperatures of the liquid cooling medium. In particular, it would be desirable to target the amount of heat removed to be able to adapt to the respective amount of heat.
- the size or amount of each resulting amount of heat can be adjusted so that a kind of buffer effect arises.
- a precisely defined vacuum can by the boiling process or the evaporation of the aqueous phase of the storage volume, an exact temperature can be set that can be significantly below room temperature, even below that Freezing point can be if the cooling medium is suitable Antifreeze is added.
- This allows the temperature difference to increase significantly to the maximum permissible temperature for the cooling medium, so that - multiplied by the amount of cooling medium - very precisely lets determine which amount of heat can be dissipated and which Have the temporal cooling processes of the workpieces.
- the workpiece properties can be within very narrow limits or with set extremely low tolerances.
- the storage volume in one thermally insulated storage tank also outside the cooling phase of the Workpieces exposed to a vacuum, in which the aqueous phase of the Storage volume evaporated.
- you can use the one already described Take advantage of the operation of such heat treatment furnaces, the is that the peak value of the amount of heat to be dissipated only occurs within a few minutes while the rest of the to be dissipated The amount of heat must be dissipated gradually. Between individual cooling or quenching processes are usually temporal Intervals, so-called cycle times, of several hours, and this time you can use the storage volume with a relatively low Cool down the pumping capacity.
- the invention also relates to a device for cooling, in particular for Quenching workpieces by gases with a Heat treatment furnace and with at least one in Heat treatment furnace arranged furnace heat exchanger for Recooling the quenching gases produced in a gas circuit Cooling surfaces of the furnace heat exchanger as well as with a via lines the external heat dissipation unit connected to the heat treatment furnace.
- Such a device is used to solve the same problem characterized in that the heat dissipation unit has an evacuable storage tank for an aqueous cooling medium, and that a vacuum pump is connected to the storage tank.
- furnace heat exchanger at least two heat exchanger stages arranged one behind the other in the gas flow direction has, of which at least one of the first heat exchanger stages to a normal water cycle and at least one in the gas flow direction following heat exchanger stages to the storage tank connected.
- a heat treatment furnace 1 is shown, the vacuum furnace is trained. Its interior is in a batch area 2 and in one Cooling area 3 divided. In batch area 2 there is a batch 4 that consists of numerous workpieces and thermal insulation 5 is surrounded. This movable insulation includes two movable flaps 6 and 7, which are used to control a cooling gas flow through the openings 8 and 9 serve in the sense of the drawn flow arrows. The one for heating Charge 4 required heaters are for simplicity not shown.
- the batch area 2 is separated from the cooling area 3 by a Wall 10 separated, which belongs to the insulation 5.
- cooling area 3 there is an oven heat exchanger 11 with cooling surfaces 12, which are shown only very schematically, and on their secondary side a liquid cooling medium is guided in a circuit 13, to which below others include the feed line 13a and the discharge line 13b.
- the heat exchanger 11 is surrounded by a further thermal insulation 14. This can be done by a fan 15 with a drive motor 16 Quenching gas with flaps 6 and 7 open in a cycle in the sense of the drawn flow arrows.
- the coolant circuit 13 includes a heat dissipation unit 17, which a pressure-resistant and gas-tight storage tank 18 is made of a Thermal insulation 19 is surrounded, of which only a part is shown symbolically is.
- a storage volume 20 is located in the storage tank 18 any of the liquids described above can exist in any But if there is a significant portion of an evaporable liquid, especially of water.
- the storage volume includes several 1000 liters of said liquid and has a constructive Liquid level 21, above which there is a gas or vapor space 22 located.
- the storage tank 18 is connected to a vacuum pump 24 via a line 23 connected, depending on the selected operating conditions from a mechanical vacuum pump, a pump set, or simply from one Water jet pump can exist. Any condensate that has formed can be caused by a line 25 indicated by dashed lines is returned to the storage tank become.
- the feed line 13a for the furnace heat exchanger 11 goes through a Liquid pump 26 from the lower part of the storage tank 18, and the Return line 13b opens into the vapor space 22, so that the liquid Phase of the return can immediately mix with the storage volume 20.
- Measuring devices 27 and 28 are used to measure pressure P and temperature T.
- a water inlet 29 and a gas inlet 30 also belong to the storage tank 18 and a safety valve 31 through which water vapor at a pressure can escape above about 1 bar.
- the mode of operation of such a device can be described by way of example as follows: in the storage tank 18, which has a volume of 8 m 3 , there are 5 m 3 of water with a temperature of 20 ° C.
- the vacuum pump 14 which in this example is designed as a water jet pump, the storage tank is evacuated to a pressure of 0.0123 bar, which corresponds to a boiling point of the water of 10 ° C.
- the temperature of the water gradually drops to 10 ° C, whereby 84.2 kg of water are evaporated.
- the storage tank 18 is then flooded to 0.042 bar with a gas such as air or nitrogen.
- a quenching process is then carried out in the heat treatment furnace 1, the cooling water heated in the heat exchanger 11 continuously being led through the storage tank 18 by the liquid pump 26 and cooled there accordingly.
- the water in the storage tank 18 is gradually heated, and would only start to boil at 30 ° C at the set pressure of 0.042 bar.
- heat amounts of about 3 megawatts are generated, which leads to a heating of the storage volume by 17.5 ° C to 27.5 ° C. This means that the water is kept below the boiling point.
- the Heat dissipation unit 32 has a different structure than that Heat dissipation aggreat 17 in Figure 1: is located in the storage tank 18 below the constructive liquid level 21 for the storage volume 20 is a tank heat exchanger 33, which is connected to the furnace heat exchanger 11 guided cooling medium keeps separate from the storage volume 20. On this Tank heat exchangers 33 are lines 13a and 13b of the furnace heat exchanger 11 connected.
- the one described Evaporative cooling causes large heat transfer numbers, so that one needs a correspondingly small tank heat exchanger.
- the vacuum pump 24 is on first capacitor 34 upstream and a second capacitor 35 downstream. However, it is possible to click one of these at a time Capacitors 34 or 35 to be omitted or no capacitor at all to provide. The condensates are discharged via lines 34a and 35a returned to the storage tank 18.
- the attachment of a tank condenser 36 is particularly advantageous in the steam room 22, i.e. above the constructive liquid level 21 for the storage volume 20. In this way, the condensate drips immediately back into the storage volume 20.
- the time “t” is plotted dimensionless on the abscissa.
- On the left ordinate shows the temperature T from 0 to 100 ° C, and on the right ordinate the pressure P to about 1 bar.
- the upper curve “P” stands for pressure, and the lower curve “T” stands for temperature.
- the Individual process sections are numbered continuously from 1 to 8. in the Section 1 finds a filling of the storage tank 18 with water Room temperature instead.
- section 2 the evacuation of the Storage tanks 18 associated with lowering the temperature to less than 10 ° C.
- the storage volume is at this temperature held, but the pressure P by flooding the storage tank 18 with a Gas increased according to the information above.
- the quenching process begins at constant pressure in the storage tank 18. The temperature T rises accordingly.
- the embodiment of Figure 4 differs from that according to Figure 1 in that the furnace heat exchanger 37 two Contains heat exchanger stages 38 and 39.
- the gas flow direction (see arrows shown) first heat exchanger stage 38 is over Lines 38a and 38b connected to a normal water circuit, which can be an example of a recooling system, which according to the Evaporation principle works.
- the gas flow direction immediately subsequent second heat exchanger stage 39 is in an analogous manner to the Circuit 13 connected, as shown in Figure 1. That’s it possible, a large part of the short-term heat quantities over the remove first heat exchanger stage 38 in the usual way and only the remaining amount of heat through the second heat exchanger stage 39 to be removed by evaporative cooling. It is still to be noted that in the embodiments of Figures 1 and 2, the leads 13a and 13b open directly into the storage tank 18.
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Description
- Figur 1
- einen schematischen Vertikalschnitt durch einen Wärmebehandlungsofen, und einen Speichertank sowie die Leitungsführung für ein Kühlmedium, das mit dem Speichervolumen gemischt wird,
- Figur 2
- eine analoge Darstellung des unteren Teils von Figur 1, jedoch mit einem Speichertank, in dem das über den Ofen-Wärmetauscher geführte Kühlmedium durch einen Tank-Wärmetauscher von dem Speichervolumen getrennt gehalten wird,
- Figur 3
- eine graphische Darstellung eines möglichen Betriebsablaufs für die Vorrichtungen nach den Figuren 1 und 2 hinsichtlich Temperatur und Druck im Speichertank, und
- Figur 4
- eine Darstellung analog Figur 1, jedoch mit einem zweistufigen Ofen-Wärmetauscher und zwei Kühlmittel-Kreisläufen.
- 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.
Claims (19)
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Kühlmedium und/oder dem Speichervolumen (20) mindestens ein Gefrierschutzmittel zusetzt.
- Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens ein Gefrierschutzmittel aus der Gruppe der ein- oder mehrwertigen Alkohole und der Salze verwendet.
- 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.
- Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man den Druck P2 während des Abkühlvorgangs der Werkstücke kontinuierlich oder schrittweise weiter erhöht.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Speichervolumen (20) durch entsprechende Druckeinstellung zumindest gegen Ende des Abkühlvorgangs der Werkstücke am Sieden hält.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das verdampfte Wasser des Speichervolumens (10) kondensiert und in das Speichervolumen (20) zurückführt.
- Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man oberhalb des Speichervolumens (20) im Speichertank (18) einen Wasserdampf-Kondensator (36) in Betrieb hält.
- 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.
- 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.
- 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.
- Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (13a, 13b) des Ofen-Wärmetauschers (11, 37) unmittelbar in den Speichertank (18) münden.
- 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.
- 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.
- 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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ITF | It: translation for a ep patent filed |
Owner name: BARZANO' E ZANARDO MILANO S.P.A. |
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ET | Fr: translation filed | ||
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Owner name: ALD VACUUM TECHNOLOGIES AG |
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