WO2004042092A1 - Verfahren und vorrichtung zur gaserückgewinnung - Google Patents

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WO2004042092A1
WO2004042092A1 PCT/EP2003/012259 EP0312259W WO2004042092A1 WO 2004042092 A1 WO2004042092 A1 WO 2004042092A1 EP 0312259 W EP0312259 W EP 0312259W WO 2004042092 A1 WO2004042092 A1 WO 2004042092A1
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pressure
gas
chamber
compression
stage
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PCT/EP2003/012259
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Inventor
Stephan Rief
Heiko Fryen
Alexander Jurmann
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Linde Aktiengesellschaft
Jurmann, Susanne
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/62—Quenching devices
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/56—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering characterised by the quenching agents
    • C21D1/613—Gases; Liquefied or solidified normally gaseous material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
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    • C21D2241/01—Treatments in a special environment under pressure
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/20—Recycling

Definitions

  • the invention relates to a method for recovering gas from a process operating under pressure gas, for which gas is led from a high-pressure container into a closed chamber in which the process takes place, the gas being compressed for recovery with several compression stages and again is fed into the high pressure container.
  • the invention relates to a device for recovering gas from a process operating with pressurized gas, which removes the gas from a high-pressure container and which takes place in a closed chamber.
  • Gases under pressure are required in a large number of processes. These include processes in heat treatment, special processes in thermal spraying or laser welding. A recovery of gases is of particular importance in processes in which the gas is under high pressure, since the gas quantities used are very large and this process can therefore only be operated economically if the gas is circulated.
  • the quenching process is a crucial step in the heat treatment of metallic workpieces. It is important that the workpieces are cooled very quickly and evenly so that undesirable changes in the material, such as phase transitions or fine cracks, which occur when the cooling is slow and uneven Adjust workpiece, stay away. It is therefore of crucial importance for quenching that a large amount of gas flows very quickly into a quenching chamber and builds up a high pressure there.
  • the quenching process is as follows: When the workpiece is ready in the quenching chamber, a valve between the high-pressure container and the quenching chamber is opened and the gas flows abruptly from the high pressure accumulator into the quenching chamber.
  • the pressure in the quenching chamber rises to approximately 20 bar, while the pressure in the high-pressure accumulator drops from the outlet pressure, which is approximately 30 bar, to approximately 22 bar.
  • a valve is opened from the quenching chamber for discharging the gas. If the pressure in the chamber has dropped to ambient pressure, the quenching chamber is opened and the workpiece is removed.
  • a separate closed container or a closed chamber into which the workpiece is introduced or the heat treatment furnace itself serves as the quenching chamber. Instead of a workpiece, a batch of workpieces can also be quenched.
  • Gas recovery is usually implemented using a gas buffer.
  • the gas buffer is generally a balloon and / or pressure vessel.
  • the balloon expands when filled. Since the gas in the end of the balloon is under atmospheric pressure, the gas takes up a lot of volume and the filled balloon takes up a lot of space.
  • the gas Before the gas is fed back into the high-pressure container, the gas must now be compressed from atmospheric pressure to the pressure in the high-pressure accumulator. Since this very large pressure difference cannot be bridged by a single-stage compressor, a multi-stage compressor is used.
  • a multi-stage compressor In a multi-stage compressor, several compressors are connected in series. The lowest stage compresses the gas from the outlet pressure to a higher pressure. From this pressure, the next level in turn raises the pressure level to a higher level. Any number of stages can follow before the final stage finally reaches the final pressure in the high-pressure tank.
  • a disadvantage of this method is the great energy loss which arises from the fact that the gas is firstly released from the high pressure of the chamber to the low pressure in the gas buffer during each quenching process and then subsequently compressed again to the high pressure of the high pressure chamber.
  • the invention is based on the object of specifying a method which avoids these disadvantages of the known method and which, if possible, supplies the entire amount of gas available at ambient pressure to the gas recovery.
  • the object is achieved in that the gas is compressed directly from the pressure present in the chamber, at least one further compression stage being used if the pressure in the chamber falls below a limit.
  • gas is withdrawn from the chamber until the Pressure in the chamber reaches the limit of the suction pressure.
  • the limit value of the intake pressure is determined by the design of the compression stage, since for each compressor there is a minimum intake pressure up to which the compressor can compress the gas to the required pressure and below which compression is no longer possible.
  • a further compressor stage is switched on according to the invention.
  • this second compression stage it is possible to withdraw the gas at the lower pressure from the chamber and to compress it for the subsequent stage.
  • the pressure level currently present in the chamber is thus used sensibly at all times. Since there is a very high pressure in the chamber, especially at the beginning of the withdrawal, which is often only slightly below the pressure of the high-pressure container, and which decreases with the withdrawal, but is still very far above atmospheric pressure and then slowly approaches it, the method according to the invention can only be used to overcome the pressure difference that is currently between the chamber and the high-pressure container.
  • a multi-stage compressor or a plurality of compressors connected in series are advantageously used.
  • Two or three compression stages are particularly advantageous in order to bridge the entire pressure range from atmospheric pressure at the end of the emptying process to the pressure of the high-pressure container.
  • the individual compression stages are fed directly in accordance with the falling discharge pressure of the chamber.
  • the compression stages (n stages) are passed through one after the other, the gas being removed from the chamber with the lowest compression stage (first stage) and being fed into the high-pressure container with the highest compression stage (nth stage).
  • the highest compression stage (nth stage) At the start of emptying, only one compression stage (nth stage) is used. This takes the gas from the chamber, compresses it and feeds it into the high-pressure container. The pressure in the chamber drops. If the limit of the highest level (nth level) is now fallen below, the next lower level ((n-1) -th level) is switched on according to the invention.
  • This stage then takes the gas from the chamber and compresses it to an intermediate pressure which generally corresponds to the suction pressure of the highest stage (nth stage). From the intermediate pressure, the gas is then compressed to the final pressure in the highest stage and fed into the high-pressure tank. The pressure in the chamber continues to decrease as the withdrawal continues and the limit pressure up to which the (n-1) th compression stage works is reached.
  • An (n-2) th compression stage is now added. It now represents the lowest compression level with which the removal and compression takes place at the lowest pressure level. The (n-1) th compression stage compresses the gas to the next higher pressure level and with the nth and highest stage the final pressure is finally reached.
  • the pressure differences that are overcome with the individual stages are often of different sizes and are determined by the properties of the compressors in the respective compression stage. Any number of stages n can be run through for compression to the required final pressure. At the individual compression levels these are either different compressors connected in series or the individual stages of a multi-stage compressor. The various compressors or the different compression stages are used in accordance with the sequence according to the invention.
  • the individual compressor stages have different compression capacities.
  • the gas in the highest compression stage (nth stage), with which the gas is compressed before a further or (n-1) th stage is added, is particularly advantageous with the greatest compression performance of the individual Compression stages compressed. This can be done by appropriately dimensioning this compressor or by connecting several compressors in parallel. A high compression rate in the highest compression stage considerably reduces the time required for compression, since large amounts of gas are generated, especially at the beginning of the withdrawal.
  • the pressure in the chamber is initially between 6 and 60 bar and in the high-pressure chamber between 8 and 62 bar.
  • the quenching pressures in the quenching chamber which are common in heat treatment, are between 6 and 60 bar.
  • the process according to the invention is used with particular advantage for the recovery of nitrogen, argon or helium and mixtures thereof.
  • quenching is often done with nitrogen.
  • the process according to the invention was therefore designed with particular advantages for the recovery of nitrogen.
  • the recovery of other quenching gases such as argon or helium and mixtures of nitrogen, argon and helium is also possible with advantages. Since the method according to the invention is characterized by low investment costs, it enables economical recovery even for relatively inexpensive gases such as nitrogen. If expensive gases or gas mixtures are used for quenching, which have also been fed to recovery so far, the process according to the invention makes the recovery considerably cheaper.
  • the object is achieved in that the chamber has at least two compressors connected in series, which at least two Form compression stages, or is connected directly to each compression stage of a multi-stage compressor via connecting lines without intermediate storage, the connecting lines containing opening and closing overflow regulators or shut-off elements which are connected to a switching unit controlling the shut-off elements, and the highest compression level (n -th stage) the series-connected compressor or the multi-stage compressor is connected to the high-pressure tank.
  • the lines lead between the stages and feed the gas to the next higher compression stages.
  • the compression stages that are above this stage are only reached by the gas after compression in this stage. If there is no higher level, the gas enters the high-pressure tank.
  • Overflow regulators or shut-off elements shut off the lines that lead to the lower compression stages and effect the supply line in higher compression stages.
  • Overflow regulators are mechanical regulators that determine the pressure in front of the valve and open or close according to this pressure.
  • the switching unit controls the shut-off elements.
  • the switching unit preferably includes a pressure sensor for determining the pressure in the chamber.
  • the overflow regulators open and close, or the switching unit adjusts the shut-off elements in such a way that a further, lower compression stage takes over the compression in the pressure range which is below the previous compression stage, and the previous stage compresses the gas coming from the lower level.
  • the switching unit switches on or on the next lower compression stage ((n -1) th stage) and so on until all compression stages are in operation.
  • the switching unit is connected to a pressure sensor arranged on the chamber.
  • one or more compression stages comprise a plurality of compressors connected in parallel, since the compression performance of a stage increases due to the parallel connection. Appropriate dimensioning also increases the compression performance of a compression stage.
  • the method and the device according to the invention are used with particular advantages in the quenching process in the heat treatment.
  • FIG. 1 shows a high-pressure container 1, a quenching chamber 2 assigned to a heat treatment, compressors 3, 4, shut-off elements 5, 6, 7, a switching unit 8 with a pressure sensor 9, the lines 10, 11 and a gas supply 12.
  • the workpieces are located for a quenching process in the quenching chamber 2.
  • a pressure p1 of 30 bar prevails in the high-pressure container 1, for example filled with nitrogen. If the valve 5 is now opened, the gas suddenly flows from the high-pressure container 1 into the quenching chamber 2. The pressure in the high-pressure container drops from 30 to 22 bar and the pressure in the quenching chamber increases to 20 bar. Then the shut-off element 5, which, like the other shut-off elements, is designed as a valve, is closed.
  • the workpieces can now be cooled by means of the quenching gas circulated. After cooling, the gas is recovered from the quenching chamber.
  • valve 6 is first opened, while valve 7 remains closed.
  • the gas flows via line 10 into the compressor 4, which forms the nth compression stage, where it is compressed to 30 bar and passed into the high-pressure container 1.
  • the pressure p2 in the quenching chamber consequently drops.
  • valve 6 is closed and the shut-off element 7 is opened.
  • the gas now passes through line 11 into the compressor 3, which forms the (n -1) th compression stage, and from there further into the compressor 4 forming the nth compression stage.
  • the direct path into the compressor 4 via the line 10 is blocked by the shut-off member 6.
  • the control of the shut-off elements is carried out by the switching unit 8.
  • the switching unit 8 is assigned the pressure sensor 9, which measures the pressure p2 in the quenching chamber. If the limit value pressure is now determined in the quenching chamber 2 with this pressure sensor, the switching unit 8 carries out the switching process.
  • the gas is consequently first compressed in the compressor 3 to, for example, 6 bar, before it is compressed in the compressor 4 to 30 bar and fed into the high-pressure container 1.
  • the gas supply 8 is required to put the circuit into operation and to compensate for gas losses.
  • FIG. 2 shows another advantageous embodiment of the method according to the invention.
  • the same reference numerals as in FIG. 1 denote the same elements.
  • overflow regulators 12, 13 and a valve 14 For gas recovery after the quenching process in the quenching chamber 2, the valve 14 is first opened.
  • the overflow regulator 13, which is attached in the connecting line 11, is closed at the beginning of the recovery, while the overflow regulator 12 of the connecting line 10 is open.
  • the gas passes from the quenching chamber 2 via the connecting line 10 into the compressor 4 and is compressed with the compressor 4 to the pressure p1 of the high-pressure container 1 and fed into it.
  • the pressure p2 drops in the quenching chamber 2.
  • the compressor 4 thus represents the nth compression stage.
  • the overflow regulator 12 closes and the overflow regulator 13 opens.
  • the gas now passes from the quenching chamber into the compressor 3, where it depends on the suction pressure of the
  • Compressor 4 is compressed. Then it is compressed by the compressor 4 to the pressure p1 of the high-pressure container and fed into the high-pressure container 1. Consequently, the gas from the quenching chamber and from the pressure p2 present in the quenching chamber is compressed without intermediate storage first from the (n ⁇ 1) th compression stage and then from the nth compression stage to the pressure p1 of the high-pressure container.
  • the method according to the invention can be used, for example, when hardening steel tools.

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Abstract

Beispielsweise beim Abschreckprozess in der Wärmebehandlung wird das verwendete Gas einer Rückgewinnung zugeführt. Erfindungsgemäss wird das Gas nun nicht in einen Gasepuffer entspannt, sondern unmittelbar der Kammer (2) entnommen und mit einem Verdichter (4) auf den Druck des Hochdruckbehälters (1) verdichtet, wobei eine weitere Verdichtungsstufe (3) zugeschaltet wird, wenn der Druck in der Kammer einen Grenzwert unterschreitet. Dazu führen Leitungen (10, 11) mit Überströmreglern (12, 13) zu den einzelnen Verdichterstufen.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Gaserückgewinnunα
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückgewinnung von Gas aus einem mit unter Druck stehendem Gas arbeitenden Prozess, für welchen Gas aus einem Hochdruckbehälter in eine geschlossenen Kammer, in welcher der Prozess stattfindet, geführt wird, wobei das Gas zur Rückgewinnung mit mehreren Verdichtungsstufen verdichtet und wieder in den Hochdruckbehälter eingespeist wird.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Gas aus einem mit unter Druck stehendem Gas arbeitenden Prozess, welcher das Gas einem Hochdruckbehälter entnimmt und welcher in einer geschlossenen Kammer stattfindet.
Bei einer Vielzahl von Prozessen werden unter Druck stehende Gase benötigt. Zu nennen sind hier Prozesse in der Wärmebehandlung, spezielle Verfahren beim thermischen Spritzen oder Laserschweißen. Eine Rückgewinnung von Gasen ist bei Prozessen, bei welchen das Gas unter hohem Druck steht, von besonderer Bedeutung, da die benutzten Gasmengen sehr groß sind und ein wirtschaftliches Betreiben dieser Prozess folglich nur möglich ist, wenn das Gas in einem Kreislauf geführt wird.
Beispielsweise stellt der Abschreckprozess in der Wärmebehandlung metallischer Werkstücke einen entscheidenden Arbeitsschritt dar. Dabei ist es wichtig, dass die Werkstücke sehr schnell und gleichmäßig abgekühlt werden, damit unerwünschte Veränderungen im Material, wie beispielsweise Phasenübergänge oder feine Risse, welche sich bei langsamer und ungleichmäßiger Abkühlung des Werkstücks einstellen, ausbleiben. Für das Abschrecken ist es folglich von entscheidender Bedeutung, dass eine große Menge an Gas sehr schnell in eine Abschreckkammer strömt und dort einen hohen Druck aufbaut. Der Abschreckprozess läuft in der Praxis folgendermaßen ab: Wenn das Werkstück in der Abschreckkammer bereit steht, wird ein Ventil zwischen Hochdruckbehälter und Abschreckkammer geöffnet und das Gas strömt schlagartig von dem Hochdruckspeicher in die Abschreckkammer. Dabei steigt der Druck in der Abschreckkammer auf etwa 20 bar an, während der Druck im Hochdruckspeicher vom Ausgangsdruck, der bei ca. 30 bar liegt, auf etwa 22 bar abfällt. Nach • dem Abschrecken wird ein Ventil zum Ablassen des Gases aus der Abschreckkammer geöffnet. Ist der Druck in der Kammer auf Umgebungsdruck gefallen, wird die Abschreckkammer geöffnet und das Werkstück entnommen. Als Abschreckkammer dient ein eigener geschlossener Behälter oder eine geschlossene Kammer, in weiches das Werkstück eingebracht wird, oder der Wärmebehandlungsofen selbst. Anstelle eines Werkstücks kann auch eine Charge von Werkstücken abgeschreckt werden.
Wirtschaftlich und anwendungstechnisch sinnvoll ist es, das gebrauchte Gas einem Kreislauf zuzuführen, da die anfallenden Gasmengen sehr groß sind. Die Gaserückgewinnung wird normalerweise mit Hilfe eines Gasepuffers realisiert. Dazu wird die Abschreckkammer in einen Gasepuffer entleert, bis in der Abschreckkammer und im Gasepuffer Druckausgleich herrscht. Der Gasepuffer ist dabei im allgemeinen ein Ballon und/oder Druckbehälter. Der Ballon dehnt sich bei Befüllung aus. Da das Gas am Ende im Ballon unter Atmosphärendruck vorliegt, beansprucht das Gas sehr viel Volumen und der gefüllte Ballon benötigt entsprechend viel Platz. Bevor das Gas in den Hochdruckbehälter rückgespeist wird, muss das Gas nun von Atmosphärendruck aus auf den im Hochdruckspeicher vorliegenden Druck verdichtet werden. Da dieser sehr große Druckunterschied von einem einstufigen Verdichter nicht zu überbrücken ist, wird dazu ein mehrstufiger Verdichter eingesetzt. In einem mehrstufigen Verdichter sind mehrere Verdichter in Reihe geschaltet. Dabei verdichtet die unterste Stufe das Gas vom Ausgangsdruck aus auf einen höheren Druck. Von diesem Druck aus hebt die nächste Stufe das Druckniveau wiederum auf eine höhere Stufe. Beliebig viele Stufen können folgen, bevor mit der Endstufe schließlich der Enddruck, welcher im Hochdruckbehälter vorliegt, erreicht wird. Von Nachteil ist bei dieser Methode der große Energieverlust, der dadurch entsteht, dass das Gas bei jedem Abschreckvorgang zuerst von dem hohen Druck der Kammer auf den tiefen Druck in dem Gasepuffer entspannt wird und dann anschließend auf den hohen Druck der Hochdruckkammer wieder verdichtet wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren anzugeben, welche diese Nachteile des bekannten Verfahrens vermeidet und welches möglichst die gesamte, bei Umgebungsdruck verfügbare Gasmenge der Gaserückgewinnung zuführt. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Gas unmittelbar von dem jeweils in der Kammer vorliegendem Druck aus verdichtet wird, wobei zumindest eine weitere Verdichtungsstufe verwendet wird, wenn der Druck in der Kammer einen Grenzwert unterschreitet Erfindungsgemäß wird der Kammer solange Gas entnommen, bis der Druck in der Kammer den Grenzwert des Ansaugdruckes erreicht. Der Grenzwert des Ansaugdruckes wird dabei von der Auslegung der Verdichtungsstufe bestimmt, da für jeden Verdichter ein minimaler Ansaugdruck existiert, bis zu welchem hin der Verdichter das Gas auf den geforderten Druck verdichten kann und unterhalb dessen eine Verdichtung nicht mehr möglich ist. Nachdem nun mit einer Verdichtungsstufe die Kammer bis zu dem zugehörigen Grenzdruck entleert wurde, wird erfindungsgemäß eine weitere Verdichterstufe hinzugeschaltet. Mit dieser zweiten Verdichtungsstufe ist es möglich, das Gas bei dem niedrigeren Druck der Kammer zu entnehmen und für die nachfolgende Stufe zu verdichten. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit zu jedem Zeitpunkt das gerade in der Kammer vorliegende Druckniveau sinnvoll genutzt. Da v. a. zu Beginn der Entnahme in der Kammer ein sehr hoher Druck vorliegt, welcher sogar oftmals nur geringfügig unter dem Druck des Hochdruckbehalters liegt, und welcher mit Entnahme zwar absinkt, aber immer noch sehr weit über dem Atmosphärendruck liegt und sich diesem dann langsam annähert, ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren stets nur die Druckdifferenz zu überwinden, die gerade zwischen Kammer und Hochdruckbehälter liegt. Da nun folglich nur ein geringer Teil des Gases eine große Druckdifferenz zu überwinden hat, verkürzt sich die Verdichtungszeit beträchtlich und auch der zur Verdichtung notwendige Energiebedarf vermindert sich drastisch - im Vergleich zu einer Verdichtung von Atmosphärendruck aus. Eine Verdichtung von Atmosphärendruck aus ist bei dem bisher üblichen Verfahren notwendig, bei welchem das Gas in einen Gasepuffer entspannt wird. Das dieser Gaspuffer bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entfällt, ist von großem Vorteil, da der Gasepuffer aufgrund des großen Volumens des Gases unter Atmosphärendruck einen großen Raum beansprucht. Dies ist nicht nur bei engen Raum- Verhältnissen vorteilhaft, sondern die Platzersparnis wirkt sich wirtschaftlich vorteilhaft aus. Darüber hinaus zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren durch geringe Investitionskosten aus.
Das Problem, eine geschlossene Kammer mit hohem Gasdruck zu entleeren und dieses Gas in einem Behälter mit hohen Druck einspeisen zu müssen, tritt jedoch nicht nur bei der Rückgewinnung von Gasen auf, sondern auch im Anlagenbau. Mit der Erfindung ist es nun möglich, den hohen Druck der Kammer zu nutzen und das Gas in einen Behälter zu fördern, in welchem ein Druck herrscht, der über dem Ausgangsdruck der Kammer liegt. Das erfindungsgemäße Vorgehen ist in allen Fällen ein- setzbar, bei welchen eine derartige Situation vorliegt.
Vorteilhafterweise werden ein mehrstufiger Verdichter oder mehrere in Reihe geschaltete Verdichter verwendet. Mit besonderem Vorteil genügen dabei zwei oder drei Verdichtungsstufen, um den gesamten Druckbereich von Atmosphärendruck am Ende des Entleervorgangs bis hin zum Druck des Hochdruckbehalters zu überbrücken.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die einzelnen Verdichtungsstufen entsprechend dem fallenden Entleerungsdruck der Kammer direkt angespeist. Bei der Verdichtung des Gases werden die Verdichtungsstufen (n Stufen) nacheinan- der durchlaufen, wobei mit der untersten Verdichtungsstufe (erste Stufe) das Gas aus der Kammer entnommen und mit der höchsten Verdichtungsstufe (n-te Stufe) in den Hochdruckbehälter eingespeist wird. Zu Beginn der Entleerung wird nur eine Verdichtungsstufe (n-te Stufe) benutzt. Diese entnimmt das Gas der Kammer, verdichtet es und speist es in den Hochdruckbehälter ein. Dabei fällt der Druck in der Kammer ab. Wird nun der Grenzwert der höchsten Stufe (n-te Stufe) unterschritten, wird erfindungsgemäß die nächst niedrigere Stufe ((n-1)-te Stufe) hinzu geschaltet. Diese Stufe entnimmt nun das Gas der Kammer und verdichtet es auf einen Zwischendruck, der im allgemeinen dem Ansaugdruck der höchsten Stufe (n-ten Stufe) entspricht. Von dem Zwischendruck aus wird das Gas dann in der höchsten Stufe auf den Enddruck ver- dichtet und in den Hochdruckbehälter eingespeist. Der Druck in der Kammer fällt mit Fortführung der Entnahme weiter und der Grenzdruck, bis zu welchem hin die (n-1)-te Verdichtungsstufe arbeitet, wird erreicht. Eine (n-2)-te Verdichtungsstufe wird nun hinzu geschaltet. Sie stellt nun die unterste Verdichtungsstufe dar, mit welcher die Entnahme und die Verdichtung auf dem niedrigsten Druckniveau erfolgt. Die (n-1)-te Ver- dichtungsstufe verdichtet das Gas auf das nächsthöhere Druckniveau und mit der n-ten und höchsten Stufe wird schließlich der Enddruck erreicht. Die Druckdifferenzen, welche mit den einzelnen Stufen überwunden werden, sind dabei oftmals unterschiedlich groß und werden von den Eigenschaften der Verdichter in der jeweiligen Verdichtungsstufe bestimmt. Zur Verdichtung auf den geforderten Enddruck können dabei beliebig viele Stufen n durchlaufen werden. Bei den einzelnen Verdichtungsstufen handelt es sich dabei entweder um unterschiedliche in Reihe geschaltete Verdichter oder um die einzelnen Stufen eines mehrstufigen Verdichters. Die verschiedenen Verdichter bzw. die unterschiedlichen Verdichtungsstufen werden dabei dem erfindungsgemäßen Ablauf entsprechend verwendet.
In Ausgestaltung der Erfindung weisen die einzelnen Verdichterstufen unterschiedliche Verdichtungsleistung auf. Mit besonderem Vorteil wird dabei das Gas in der höchsten Verdichtungsstufe (n-te Stufe), mit welcher das Gas verdichtet wird, bevor eine weitere bzw. (n-1)-te Stufe hinzu geschaltet wird, mit der größten Verdichtungsleistung der ein- zelnen Verdichtungsstufen verdichtet. Dies kann durch entsprechende Dimensionierung dieses Verdichters oder durch Parallelschaltung von mehreren Verdichtern geschehen. Eine hohe Verdichtungsleistung in der höchsten Verdichterstufe reduziert die zur Verdichtung benötigte Zeit erheblich, da insbesondere zu Beginn der Entnahme große Gasmengen anfallen.
In Ausgestaltung der Erfindung liegt der Druck in der Kammer zu Beginn zwischen 6 und 60 bar und in der Hochdruckkammer zwischen 8 und 62 bar. So liegen auch die in der Wärmebehandlung üblichen Abschreckdrücke in der Abschreckkammer zwischen 6 und 60 bar.
Mit besonderem Vorteil wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Rückgewinnung von Stickstoff, Argon oder Helium und deren Gemische verwendet. In der Wärmebehandlung erfolgt das Abschrecken oftmals mit Stickstoff. Deshalb wurde das erfindungsgemäße Verfahren mit besonderen Vorteilen für die Rückgewinnung von Stickstoff aus- gelegt. Aber auch die Rückgewinnung von anderen Abschreckgasen, wie beispielsweise von Argon oder Helium sowie von Gemischen aus Stickstoff, Argon und Helium ist mit Vorteilen möglich. Da sich das erfindungsgemäße Verfahren durch niedrige Investitionskosten auszeichnet, ermöglicht es eine wirtschaftliche Rückgewinnung auch für im Verhältnis preiswerte Gase wie Stickstoff. Werden teuere Gase oder Gasmischungen zur Abschreckung benutzt, welche auch bisher einer Rückgewinnung zugeführt wurden, verbilligt das erfindungsgemäße Verfahren die Rückgewinnung erheblich.
Die Aufgabe wird für die Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Kam- mer mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Verdichtern, welche mindestens zwei Verdichtungsstufen bilden, oder mit jeder Verdichtungsstufe eines mehrstufigen Ver- dichters über Verbindungsleitungen unmittelbar ohne Zwischenspeicher in Verbindung steht, wobei die Verbindungsleitungen sich öffnende und schließende Überströmregler oder Absperrglieder, welche mit einer die Absperrglieder steuernden Schalteinheit verbunden sind, enthalten und wobei die höchste Verdichtungsstufe (n-te Stufe) der in Reihe geschalteten Verdichter oder des mehrstufigen Verdichters mit dem Hochdruckbehälter in Verbindung steht. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es somit möglich, in einem mehrstufigen Verdichter die einzelnen, für unterschiedliche Druckbereiche zuständigen Verdichtungsstufen oder die unterschiedlichen Verdichter, die durch ein in Reihe Schalten einen mehrstufigen Verdichter bilden, getrennt zu speisen. Damit wird es möglich, die jeweilige Verdichtungsstufe entsprechend ihrer Auslegung bezüglich des Druckbereichs einzusetzen. Die Leitungen führen dazu erfindungsgemäß zwischen die Stufen und leiten das Gas der nächsthöherliegenden Verdichtungsstufen zu. Die Verdichtungsstufen, die sich über dieser Stufe befinden, er- reicht das Gas erst nach der Verdichtung in dieser Stufe. Existiert keine höhere Stufe mehr, kommt das Gas in den Hochdruckbehälter. Überströmregler oder Absperrglieder sperren dazu die Leitungen, welche zu den tieferliegenden Verdichtungsstufen führen, ab und erwirken die Zuleitung in höherliegenden Verdichtungsstufen. Überströmregler sind mechanische Regler, die den vor dem Ventil vorliegenden Druck bestimmen und sich entsprechend dieses Drucks öffnen oder schließen. Die Steuerung der Absperrglieder hingegen übernimmt die Schalteinheit. Zu der Schalteinheit gehört vorzugsweise ein Drucksensor zur Bestimmung des Drucks in der Kammer. Fällt der Druck in der Kammer unter den für die jeweilige Verdichtungsstufe spezifischen Grenzwert öffnen und schließen die Überströmregler so, beziehungsweise stellt die Schalteinheit die Absperrglieder so ein, dass eine weitere, tieferliegende Verdichtungsstufe die Verdichtung in dem Druckbereich übernimmt, der unterhalb der bisherigen Verdichtungsstufe liegt, und die bisherige Stufe das von der tieferliegenden Stufe kommende Gas nachverdichtet. Bei der Entleerung der Kammer verdichtet folglich zuerst die höchste Verdichtungsstufe (n-te Stufe), dann schaltet sich beziehungsweise schaltet die Schalteinheit die nächsttieferiiegende Verdichtungsstufe ((n -1)-te Stufe) zu und so weiter bis alle Verdichtungsstufen in Betrieb sind. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird es folglich unnötig, das Gas der Kammer in einen Gasepuffer zu entspannen und für die gesamte Gasmenge alle Stufen entsprechend ihrer Reihenfolge zu benutzen. Die Einsparung des Gasepuffers bedeutet eine enorme Platz- erspamis. In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Schalteinheit mit einem an die Kammer angeordneten Drucksensor verbunden.
Vorteilhafterweise umfassen eine oder mehrere Verdichtungsstufen mehrere parallel geschaltete Verdichter, da sich die Verdichtungsleistung einer Stufe durch das parallel Schalten erhöht. Aber auch durch eine entsprechende Dimensionierung erhöht sich die Verdichtungsleistung einer Verdichtungsstufe.
Mit besondern Vorteilen findet das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung beim Abschreckprozess in der Wärmebehandlung ihre Verwendung.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun in zwei Varianten beispielhaft anhand der schematischen Darstellung gemäß Figur 1 und Figur 2 näher erläutert.
Figur 1 zeigt einen Hochdruckbehälter 1 , eine einer Wärmebehandlung zugeordneten Abschreckkammer 2, Verdichter 3, 4, Absperrglieder 5, 6, 7, eine Schalteinheit 8 mit einem Drucksensor 9, die Leitungen 10, 11 und eine Gasversorgung 12. Die Werk- stücke befinden sich für einen Abschreckprozess in der Abschreckkammer 2. In dem beispielsweise mit Stickstoff gefüllten Hochdruckbehälter 1 herrscht ein Druck p1 von 30 bar. Wird nun das Ventil 5 geöffnet strömt das Gas schlagartig aus dem Hochdruckbehälter 1 in die Abschreckkammer 2. Dabei fällt der Druck im Hochdruckbehälter von 30 auf 22 bar ab und der Druck in der Abschreckkammer steigt auf 20 bar. Danach wird das Absperrglied 5, welches ebenso wie die anderen Absperrglieder als Ventil gestaltet ist, geschlossen. Nunmehr kann die Kühlung der Werkstücke mittels des im Kreis geführten Abschreckgases erfolgen. Nach der Abkühlung wird das Gas aus der Abschreckkammer rückgewonnen. Dazu wird zuerst Ventil 6 geöffnet, während Ventil 7 geschlossen bleibt. Das Gas strömt über die Leitung 10 in den Verdichter 4, welcher die n-te Verdichtungsstufe bildet, und wird dort auf 30 bar verdichtet und in den Hochdruckbehälter 1 geleitet. Bei der Entnahme des Gases aus der Abschreckkammer 2 sinkt folglich der Druck p2 in der Abschreckkammer ab. Wird nun der Grenzwert, der für den Verdichter 4 bei beispielsweise 6 bar liegt, in der Abschreckkammer 2 unterschritten, wird Ventil 6 geschlossen und das Absperrglied 7 geöffnet. Das Gas gelangt nun über die Leitung 11 in den Verdichter 3, der die (n -1)-te Verdichtungsstufe bildet, und von dort aus weiter in den die n-te Verdichtungsstufe bildenden Verdichter 4. Der direkte Weg in den Verdichter 4 über die Leitung 10 ist hingegen durch das Absperrglied 6 versperrt. Die Steuerung der Absperrglieder wird dabei von der Schalteinheit 8 übernommen. Der Schalteinheit 8 ist dazu der Drucksensor 9 zugeordnet, weicher den Druck p2 in der Abschreckkammer misst. Wird nun in der Abschreckkammer 2 mit diesem Drucksensor der grenzwertige Druck ermittelt, führt die Schalteinheit 8 den Schaltvorgang durch. Das Gas wird folglich nun zuerst in dem Verdichter 3 auf beispielsweise 6 bar verdichtet, bevor es im Verdichter 4 auf 30 bar verdichtet und in den Hochdruckbehälter 1 eingespeist wird. Die Gasversorgung 8 wird benötigt, um den Kreislauf in Betrieb zunehmen und Verluste an Gas auszugleichen.
Figur 2 zeigt eine andere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die zu Figur 1 gleichen Bezugsziffem bezeichnen dabei gleiche Elemente. Hinzu kommen Überströmregler 12, 13 und ein Ventil 14. Zur Gaserückgewinnung nach dem Abschreckprozess in der Abschreckkammer 2 wird zuerst das Ventil 14 geöffnet. Der Überströmregler 13, welcher in der Verbindungsleitung 11 angebracht ist, ist zu Beginn der Rückgewinnung zu, während der Überströmregler 12 der Verbindungsleitung 10 offen ist. Das Gas gelangt aus der Abschreckkammer 2 über die Verbindungsieitung 10 in den Verdichter 4 und wird mit dem Verdichter 4 auf den Druck p1 des Hochdruckbehalters 1 verdichtet und in diesen gespeist. Dabei fällt der Druck p2 in der Abschreckkammer 2 ab. Der Verdichter 4 stellt somit die n-te Verdichtungsstufe dar. Wenn nun der Druck p2 in der Abschreckkammer 2 unter den minimalem Ansaugdruck der n-ten Verdichtungsstufe fällt, schließt sich der Überströmregler 12 und der Überströmregler 13 öffnet sich. Das Gas gelangt nun von der Abschreckkammer aus in den Verdichter 3, wo es auf den Ansaugdruck des
Verdichters 4 verdichtet wird. Danach wird es von dem Verdichter 4 auf den Druck p1 des Hochdruckbehalters verdichtet und in den Hochdruckbehälter 1 eingespeist. Folglich wird das Gas ohne Zwischenspeicher aus der Abschreckkammer und von dem in der Abschreckkammer vorliegenden Druck p2 zuerst von der (n -1)-ten Verdich- tungsstufe und danach von der n-ten Verdichtungsstufe auf den Druck p1 des Hochdruckbehalters verdichtet.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielweise beim Härten von Werkzeug aus Stahl zur Anwendung kommen.

Claims

.Patentansprüche
1. Verfahren zur Rückgewinnung von Gas aus einem mit unter Druck stehendem Gas arbeitenden Prozess, für welchen Gas aus einem Hochdruckbehälter in eine geschlossenen Kammer, in welcher der Prozess stattfindet, geführt wird, wobei das Gas zur Rückgewinnung mit mehreren Verdichtungsstufen verdichtet und wieder in den Hochdruckbehälter eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas unmittelbar von dem jeweils in der Kammer vorliegendem Druck aus verdichtet wird, wobei zumindest eine weitere Verdichtungsstufe verwendet wird, wenn der Druck in der Kammer einen Grenzwert unterschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein mehrstufiger Verdichter oder mehrere in Reihe geschaltete Verdichter verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Verdichtungsstufen entsprechend dem fallenden Entleerungsdruck der Kammer direkt angespeist werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der höchsten Verdichtungsstufe das Gas mit der größten Verdichtungsleistung verdichtet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Kammer zu Beginn zwischen 6 und 60 bar und im Hochdruckbehälter zwischen 8 und 62 bar liegt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Stickstoff, Argon, Helium oder deren Gemische verdichtet werden.
7. Vorrichtung zur Rückgewinnung von Gas aus einem mit unter Druck stehendem Gas arbeitenden Prozess, bei welchem das Gas einem Hochdruckbehälter (1) entnommen und welcher in einer geschlossenen Kammer (2) zur Anwendung gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (2) mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Verdichtern (3, 4), welche mindestens zwei Verdichtungsstufen bilden, oder mit jeder Verdichtungsstufe eines mehrstufigen Verdichters über Verbindungsleitungen (10, 11) unmittelbar ohne Zwischenspeicher in Verbindung steht, wobei die Verbindungsleitungen (10, 11) sich öffnende und schließende Überströmregler (12, 13) oder Absperrglieder (6, 7), welche mit einer die Absperrglieder steuernden Schalteinheit (8) verbunden sind, enthalten und wobei die höchste Verdichtungsstufe (4) der in Reihe geschalteten Verdichter oder des mehrstufigen Verdichters mit dem Hochdruckbehälter (1) in Verbindung steht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (8) mit einem an der Kammer (2) angeordneten Drucksensor (9) verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Verdichtungsstufen mehrere parallel geschaltete Verdichter umfassen.
10. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9 beim Abschreckprozess in der
Wärmebehandlung.
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