DE102006011181A1

DE102006011181A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung von heißen Oberflächen mit Hochdruck-Vakuum-Technik

Info

Publication number: DE102006011181A1
Application number: DE200610011181
Authority: DE
Inventors: Hubert Schulte
Original assignee: AIRMATIC GmbH
Current assignee: Andritz Metals Germany GmbH
Priority date: 2006-03-10
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2007-09-13

Abstract

Verfahren zur Kühlung von Flächen, wobei in einer gegen die Umgebung abgedichteten Haube mindestens zwei Arbeitsbereiche (Kammern) mit mindestens einer starren oder beweglichen Querwand, die dicht über der Fläche enden kann, gegeneinander abgetrennt sind, und in der vorderen Kammer, in die die zu kühlende Fläche eintritt, Kühlflüssigkeit mit einem bestimmten Druck aufgesprüht und in der hinteren Kammer mit Unterdruck abgesaugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der vorderen Haubenwand über der gesamten Haubenbreite über Klappen ein definierter Lüftungsschlitz einstellbar ist oder dass die vordere Haubenwand selbst höhenbeweglich ausgeführt ist und so über eine geeignete Vorrichtung ein bestimmter Abstand zur zu kühlenden Fläche einstellbar ist.

Description

Konventionelle Kühlverfahren:

Bei der Kühlung von heißen Oberflächen mit Wasser tritt das sogenannte Leidenfrost-Phänomen auf. Bei hohen Temperaturen bildet sich unmittelbar auf der heißen Oberfläche ein dünner Dampffilm, der isolierend wirkt; oberhalb des Dampffilms bildet sich ein dünner Flüssigkeitsfilm, auf den das aufgesprühte Wasser trifft ohne die zu kühlende Oberfläche zu erreichen. Hierdurch wird der Wärmeübergang erheblich verschlechtert, und die Abkühlgeschwindigkeit sinkt. Bei der Spritzkühlung liegt dann er Bereich der stabilen Filmverdampfung vor.

Sinkt die Oberflächentemperatur weiter ab, unter die sogenannte Leidenfrost-Temperatur, so bricht der Dampffilm zusammen, und Flüssigkeit trifft auf die Oberfläche auf. Daraus resultiert unmittelbar eine Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten und des übertragenen Wärmestroms, so dass eine beträchtlich verbesserte Kühlung erfolgt. Das Problem besteht zur Zeit darin, dass man zwar die wesentlichen Einflussgrößen kennt, die die Leidenfrost-Temperatur bestimmen wie z.B. Körpergeometrie oder Oberflächeneigenschaften, aber eine Quantifizierung der Temperatur ist nur sehr grob möglich.

Geht man dazu über, das Material mit einem feinen Sprühnebel abzukühlen, so können bei gleicher Wasserbeaufschlagungsdichte wesentlich höhere Wärmeübergangskoeffizienten als bei der stabilen Filmverdampfung erreicht werden. Die Wassermenge muss so dosiert werden, dass gerade alle auf die Oberfläche auftreffenden Sprühtropfen verdampft sind, bevor die neuen ankommen. In diesem Fall spricht man vom Prinzip der Verdampfungskühlung; der unmittelbar einsichtige Vorteil besteht darin, dass in der Kühlanlage kein flüssiges Wasser mehr anfällt, das aufwendig entfernt werden muss. Einflussgrößen hierbei sind u.a. die Tropfengröße, die entsprechende Tropfengrößenverteilung und der Abstand der Sprühdüse von der Oberfläche. Der Wärmeübergang ist in erster Annäherung unabhängig von der Oberflächentemperatur.

Wird nun bei einer konstanten Materialtemperatur die Wasserbeaufschlagungsdichte variiert, so erfolgt je nach Düsenform und -größe eine Verdampfungskühlung; bei einer steigender Wasserbeaufschlagungsdichte kommt es zunächst zu einer partiellen Filmverdampfung die schließlich zur stabilen Filmverdampfung mit einem mehr oder weniger starken Zusammenbrechen des Wärmeübergangskoeffizienten übergeht. Im Bereich der stabilen Filmverdampfung ist dann der Wärmeübergangskoeffizient näherungsweise proportional der Wasserbeaufschlagungsdichte. Der Wärmeübergang kann dabei noch beeinflusst werden, indem über eine Zweistoffdüse Luft in einem bestimmten Verhältnis mit aufgedüst wird.

Der Umschlagspunkt zwischen Verdampfungskühlung und stabiler Filmverdampfung ist damit im wesentlichen abhängig von der Oberflächentemperatur, der Wasserbeaufschlagungsdichte und tropfenspezifischen Parametern.

Bezüglich der Kühlung von heißen Oberflächen sind jeweils eine Vielzahl von Arbeiten durchgeführt worden; historisch bedingt zunächst im Bereich der Filmverdampfung, seit rund 15 Jahren auch auf dem Gebiet der Verdampfungskühlung.

Kühlung mit Hochdruck-Vakuum-Technik:

Die neuartige Hochdruck-Vakuum-Technik wurde bisher noch nicht zur Kühlung heißer Oberflächen eingesetzt, sondern sie ist erstmalig in einem Reinigungsverfahren zur Öl- und Extremschmutzbeseitigung von Verkehrsflächen realisiert; sie basiert im wesentlichen darauf, dass in einem Arbeitsgang in einer Zweikammer-Haube ein kaltes oder warmes Wasser-Reinigungsmittel-Gemisch unter Hochdruck über rotierende Sprühdüsen auf die zu reinigende Fläche gedüst wird und gleichzeitig die entstehende Emulsion aus Wasser, Reinigungsmittel, Öl und Schmutz unter Vakuum abgesaugt wird, EP 0 773 327 B1 . Ein Festsaugen der Haube auf der Verkehrsfläche wird durch integrierte Klappen, die federbelastet selbsttätig den Unterdruck regulieren, verhindert DE 100 37 548 C2 .

Die Besonderheit bei dieser Technik ist, dass erstmalig die zwei verschiedenen verfahrenstechnischen Grundoperationen Hochdrucksprühen und Absaugen konstruktiv in einer Zweikammer-Haube vereinigt wurden, wobei eine strömungstechnische Verbindung zwischen den beiden Kammern besteht. Diese Verbindung wird durch eine Trennwand zwischen den beiden Kammern realisiert, die dicht oberhalb der Fläche endet. Im Hinblick auf die Kühlung der heißen Flächen werden die federbelasteten Klappen ebenfalls dicht an der Fläche vorgesehen, so dass sich eine Strömung über die zu kühlende Fläche ergibt; hierdurch wird die Ausbildung eines isolierenden Dampffilms verhindert. Bei gleichzeitiger Hochdruckaufdüsung der Kühlflüssigkeit bildet sich auf der Fläche eine Verwirbelung von Luft und Kühlflüssigkeit, wodurch sich eine weitere Verbesserung der Kühlwirkung ergibt. Auf Zweistoffdüsen kann dann verzichtet werden.

In 1 ist eine Übersichtsdarstellung des Verfahrens angegeben. In einer Haube 1 stellt die erste Kammer den Sprühbereich 10 mit einer rotierenden Düse 7, 5 dar, mit der die Reinigungsflüssigkeit ein- oder beidseitig auf die zu kühlende Fläche 4 gedüst wird. Die Haube 1 ist gegenüber der Umgebung vollständig abgeschirmt, die Abdichtung der Außenwände 9 und 12 gegenüber der Fläche 4 erfolgt durch hitzebeständigen Dichtleisten 13 z.B. aus Keramik, die in direktem Kontakt mit der Fläche 4 sind. Der Sprühraum 2 ist über ein dichte Drehdurchführung 8 an eine Hochdruckpumpe angeschlossen, welche die Flüssigkeit z.B. aus einem hier nicht dargestelltem Vorratsbehälter bezieht. Auf der Eintrittsseite 9 für die zu kühlende Fläche sind die federrückgestellten Klappen 6, 14 so angeordnet, dass sie je nach den Druckverhältnissen in der Haube über die gesamte Breite der zu kühlenden Fläche einen höhenvariablen Lüftungsschlitz freigeben.
Der Sprühbereich 10 ist gegenüber der zweiten Kammer 11 mit einer dicht oberhalb der Fläche 4 endenden Trennwand 2 abgetrennt. Die zweite Kammer 11 ist über ein dichte Durchführung 3 an eine Saugpumpe, hier nicht dargestellt, angeschlossen.
Aufgrund der Vakuumabsaugung ergibt sich unter der dicht oberhalb der Fläche 4 endenden Querwand ein Venturi-Effekt, der einerseits Luft über den durch die Klappen erzeugten Lüftungsschlitz ansaugt und andererseits Kühlflüssigkeit, die über den Düsenbalken 7 mit der Düse 5 auf die Fläche 4 gelangt, abgesaugt. Aufgrund der Strömungsführung ergibt sich auf der Fläche durch Vermischung von Luft und Kühlflüssigkeit eine hohe Turbulenz, die für eine besonders effektive Kühlung dieser Fläche sorgt. Über die Kammer 11 wird dann Luft und Kühlflüssigkeit bzw. verdampfte Kühlflüssigkeit in einen nicht dargestellt Auffangbehälter geführt.
Alternativ können die Lüftungsklappen 6 durch einen Steuer- oder Regeleingriff in ihrer Höhe gezielt verändert werden, so dass durch einen aktiven Stelleingriff, vorzugsweise durch hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch betätigte Steuerelemente 14, der Abstand der Klappen von der Fläche 4 über der Haubenbreite und ggf. -länge definiert eingestellt werden kann.
Ferner kann die Querwand 2 so ausgeführt werden, dass der Abstand des unteren Endes der Querwand zur Fläche 4 definiert eingestellt werden kann.

1: Haube
2: Querwand
3: Saugdurchführung
4: Zu kühlende Fläche
5: Düse
6: Klappen
7: Düsenbalken
8: Hochdruck-Durchführung
9: Vordere Haubenwand
10: Sprühraum
11: Saugraum
12: Hintere Haubenwand
13: Dichtung
14: Bewegungsrichtung der zu kühlenden Fläche

Claims

Verfahren zur Kühlung von Flächen, wobei in einer gegen die Umgebung abgedichteten Haube mindestens zwei Arbeitsbereiche (Kammern) mit mindestens einer starren oder beweglichen Querwand, die dicht über der Fläche enden kann, gegeneinander abgetrennt sind, und in der vorderen Kammer, in die die zu kühlende Fläche eintritt, Kühlflüssigkeit mit einem bestimmten Druck aufgesprüht, und in der hinteren Kammer mit Unterdruck abgesaugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in vorderen Haubenwand über der gesamten Haubenbreite über Klappen ein definierter Lüftungsschlitz einstellbar ist oder dass die vordere Haubenwand selbst höhenbeweglich ausgeführt ist und so über eine geeignete Vorrichtung ein bestimmter Abstand zur zu kühlenden Fläche einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Kühlflüssigkeit über rotierende Düsen aufgesprüht wird und die Drehzahl der Düsen einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Kühlflüssigkeit über statische Düsen bzw. Düsenbalken aufgesprüht wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des unteren Endes der Querwand von der zu kühlenden Fläche einstellbar ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Luft und Kühlflüssigkeit abgesaugt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Klappen in der vorderen Haubenwand Feder rückgestellt sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenabstand von der zu kühlenden Fläche einstellbar ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeitsbeaufschlagungsdichte veränderbar ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sprüh- und Saugdruck einstellbar ist.
Vorrichtung zur Kühlung von Flächen, wobei in einer gegen die Umgebung abgedichteten Haube mindestens zwei Arbeitsbereiche (Kammern) mit mindestens einer starren oder beweglichen Querwand, die dicht über der Fläche enden kann, gegeneinander abgetrennt sind, und in der vorderen Kammer, in die die zu kühlende Fläche eintritt, Kühlflüssigkeit mit einem bestimmten Druck aufgesprüht, und in der hinteren Kammer mit Unterdruck abgesaugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in vorderen Haubenwand über der gesamten Haubenbreite über Klappen ein definierter Lüftungsschlitz einstellbar ist oder dass die vordere Haubenwand selbst höhenbeweglich ausgeführt ist und so über eine geeignete Vorrichtung ein bestimmter Abstand zur zu kühlenden Fläche einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Kühlflüssigkeit über rotierende Düsen aufgesprüht wird und die Drehzahl der Düsen einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Kühlflüssigkeit über statische Düsen bzw. Düsenbalken aufgesprüht wird.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des unteren Endes der Querwand von der zu kühlenden Fläche einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Luft und Kühlflüssigkeit abgesaugt werden.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Klappen in der vorderen Haubenwand Feder rückgestellt sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenabstand von der zu kühlenden Fläche einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeitsbeaufschlagungsdichte veränderbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sprüh- und Saugdruck einstellbar ist