DE2456079B2

DE2456079B2 - Verfahren zum Kühlen heißer Gegenstände

Info

Publication number: DE2456079B2
Application number: DE2456079A
Authority: DE
Inventors: Kazuo Kunioka; Shunichi Sugiyama; Toyokazu Teramoto; Takeo Yamada
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1973-11-28
Filing date: 1974-11-27
Publication date: 1979-07-19
Also published as: JPS5083212A; JPS5727926B2; DE2456079A1; GB1447335A; FR2252541B1; FR2252541A1; DE2456079C3; ZA747269B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines heißen Gegenstandes, insbesondere von Tafeln für die Walzblechherstellung, heißgewalzten Blechen oder kontinuierlich gegossenen Tafeln, durch Aufstrahlen eines Kühlmittels unter Druck auf dessen Oberfläche.

Es ist bekannt heiße Gegenstände durch Aufsprühen von Wasser mit niedriger Temperatur oder durch Eintauchen der heißen Gegenstände in Wasser mit niedriger Temperatur zu kühlen. Für große Kühlkapazitäten werden große Wassermengen benötigt. Zur Verminderung der benötigten Wassermenge ist ein Nebelkühlverfahren entwickelt worden, nach dem der zu kühlende Gegenstand mit einem Wasserstrahl abgesprüht wird, der unter Luftdruck gegen seine Oberfläche getrieben wird. Bei diesem Verfahren kann zwar die benötigte Wassermenge verkleinert werden, statt dessen wird jedoch eine große Menge unter hohem Druck stehende Druckluft benötigt. Größere erforderliche Kühlkapazitäten erfordern bei Verminderung der Kühlwassermengen statt dessen also größere Anlagenkapazitäten, insbesondere also einen größeren Druckluftkompressor und einen größeren Druckluftspeicher. Zusätzlich wird ein umfangreicheres Leitungssystem benötigt. Weiterhin sind bei diesem Verfahren die Druckschwankungen in dem aus Wasser und Luft bestehenden Zweiphasenstrom, der auf das zu kühlende Objekt gerichtet ist, so groß, daß die Strahlen zu schwingen oder zu pulsieren anfangen, so daß ein konstanter Kühlmittelfluß, also auch eine konstante Kühlmittelflußleitung, nicht mehr gewährleistet ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Überwindung dieser Schwierigkeiten und die Schaffung eines verbesserten Kuhlverfahrens, das keine Druckluft benötigt, gleichzeitig aber eine große Kühlkapazität mit vermindertem Wasserbedarf schafft.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist daß man aus einem heizbaren Druckgefäß über 100⁰C warmes Wasser aus mindestens einer Düse unter dem Innendruck des Druckgefäßes austreten läßt und den oder die durch Entspannung erzeugten Strahlen) des Zweiphasengemisches aus Wasserdampf und feinverteilten Wassertröpfchen auf die Oberfläche des zu kühlenden Gegenstandes richtet

tu Die unter diesen Bedingungen unter hohem Druck stehenden und austretenden, aus zwei Phasen bestehenden Kühlmittelstrahlen, die auf das zu kühlende Objekt gerichtet werden, weisen vorzugsweise eine außerordentlich hohe Volumendurchsatzgeschwindigkeit auf, wobei diese Volumendurchsatzgeschwindigkeit beispielsweise durch die Wahl der Austrittsdüsen beeinflußt werden kann.

Durch das erfindungsgemäß verbesserte Verfahren wird mit Hilfe relativ einfacher und kompakter Anlagen bei vermindertem Druckverlust eine stabile Strahlleistung des Zweiphasenstrahls gewährleistet Es ist gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Kühlverfahren vor allem dahingehend verbessert, daß bei gleicher Kühlleistung der Wasserbedarf spürbar

2) verringert die erforderliche Anlage billig, kompakt und einfach gehalten und eine gewährleistet stabile Kühlmittelstrahlleistung ohne Pulsationen auch bei hohen absoluten Strahlleistungen gewährleistet werden kann. Der Fachmann wird ferner ohne weiteres erkennen, daß

jo das erfindungsgemäß verbesserte Verfahren nicht nur auf die Kühlung von heißgewalzten oder kontinuierlich gegossenen Blechtafeln, sondern allgemein beim Kühlen eines heißen Gegenstandes angewandt werden kann, wie beispielsweise beim Kühlen gegossener oder

r> gesinterter Gegenstände oder von Quarzglas, da das Verfahren nicht zwangsläufig materialspezifisch arbeitet.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeich nungen r.äher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 in schematischer Darstellung eine der einfachsten Anlagen zur Durchführung des Verfahrens,

F i g. 2 in schematischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anlage zur Durchführung des

4> Verfahrens,

Fig.3 in schematischer Darstellung ein etwas aufwendigeres Ausführungsbeispiel einer Anlage zjr Durchführung des Verfahrens mit Energierückführung, Fig.4 ein Gleichgewichtsdiagramm für den im

■so Druckgefäß herrschenden Druck als Funktion der Wassertemperatur,

F i g. 5 in graphischer Darstellung die Temperatur des zu kühlenden Gegenstandes als Funktion der Zeit für das Verfahren der Erfindung und Verfahren nach dem

Stand der Technik und

F i g. 6 in graphischer Darstellung die Streckgrenze eines nach dem Verfahren der Erfindung gekühlten und nach dem Stand der Technik gekühlten Gegenstandes als Funktion des Ortes auf seiner Oberfläche, also die Verteilung der mechanischen Eigenschaften des gekühlten Gegenstandes.

Die Grundausführung eines Systems zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung ist in F i g. 1 gezeigt. Im Druckgefäß 101 ist über 100°C warmes Wasser enthalten, das über eine Strahldüse 102 auf den zu kühlenden Gegenstand 104 gestrahlt wird. Die Durchflußleistung und die Strahlleistung wird über das Regelventil 103 geregelt, das in der Verbindungsleitung

zwischen dem Druckgefäß und dem Austrittsdüsensystem liegt Das Druckgefäß 101 ist weiterhin mit einem Manometer 105 und einem Temperaturmeßwertgeber 106 ausgerüstet

In der F i g. 2 ist ein weiteres Ausführung äbeispiel des Systems zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung gezeigt, bei dem das Druckgefäß 201 über ein Wasserdampfregelventil 209 aus einer Heißdampfleitung 208 mit Heißdampf gespeist wild. In das Druckgefäß 201 mündet über ein Stellventil 211 weiterhin nine Wasserversorgungsleitung 210. Das Druckgefäß ist weiterhin mit einem Auslaßventil 213, einem Manometer 205 und einem Temperaturmeßwertgeber 206 sowie einem Füllstandsmesser 207 versehen. Das durch den Heißdampf im Druckgefäß auf über 100° C aufgeheizte Wasser wird durch eine Strahldüse 202 hindurch auf den zu kühlenden Gegenstand 204 gestrahlt Ein Durchflußwächter und ein Regelventil 203 liegen zwischen dem Druckgefäß 201 und dem Düsensystem 202. Das Wasser im Druckgeliß 201 kann zusätzlich zum Wasserdampf oder statt des Wasserdampfes durch andere Wärmequellen, beispielsweise durch eine elektrische Heizung, aufgeheizt werden.

Eine weitere Ausführungsform der Anlage zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung ist in F i g. 3 schematisch dargestellt Die Anlage entspricht in den wesentlichen Elementen der in Fig.2 gezeigten Anlage, ist jedoch zusätzlich mit einer Energierückführung zur Verbesserung der Wärmebilanz ausgestattet Diese Energierückführung sieht eine Rückführung des aufgeheizten Kühlwassers vor. In einem Auffangbecken 214 wird das von dem zu kühlenden Gegenstand 204 ablaufende und abprallende aufgeheizte Kühlwasser gesammelt und in einen Vorratstank 215 überführt Aus diesem Speichertank wird das aufgeheizte Wasser mittels einer Druckpumpe 216 unter Vorschaltung eines Reinigers 217 über ein Rücklaufwasser-Regelventil 218 und eine Rückführungsleitung 219 wieder in das Druckgefäß 201 eingespeist

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist daß die Temperatur des Wassers im Druckgefäß und der Innendruck im Druckgefäß im Siedegleichgewicht miteinander stehen. Dieses Gleichgewichtsdiagramm ist in der F i g. 4 gezeigt Für die Temperatur des Wassers von (\00+t)°C ist der Gleichgewichtsdruck (1 + P)kp/cm². Beim Ausblasen des aufgeheizten Wassers aus dem Druckgefäß heraus in eine Atmosphäre mit einem Druck von rd.l,0kp/cm² sinkt die Temperatur der flüssigen Wasserphase am Ausgang der Strahldüse auf 100° C, wobei ein Teil dieses überhitzten Wassers verdampft Das Gewicht χ und das Volumen y des pro Mengeneinheit des überhitzten Wassers verdampften Wasserdampfes berechnet sich zu

(I00 + f)-l00

= Diffß = 54Ö^(kg/1

V = a ■ χ = 160Ox =

= 2,96t (1/1 Heißwasser).

In den Gleichungen 1 und 2 ist (100+1) die Temperatur in ° C im Druckgefäß unter Innendruck und 100 die Temperatur in "C im entspannten Zustand, DiffQ die Verdampfungswärme des Wassers, die 340 kcal/kg beträgt und a das Volumenverhältnis von Dampf zu Wasser bei 100° C, das 1600 beträgt, für Normaldruck.

Es sei angenommen, iia£! das Heißwasser eine

Temperatur von 150⁰C het Dem in der F i g. 4 gezeigten Gleichgewichtsdiagramm kann entnommen werden, daß der entsprechende Gleichgewichtsdruck 4,85 kp/cm² beträgt Aus den Gleichungen 1 und 2 ergibt sich mit diesen Werten für das Gewicht χ des Wasserdampfes und das Wasserdampfvolumen y je Einheitsmasse des Heißwassers

x=0,0903; y=148.

ίο Wenn das Heißwasser mit einer Geschwindigkeit von 20 l/min ausgestrahlt wird, verdampft es also mit einer Geschwindigkeit von etwa 1,8 l/min, so daß die Volumenleistung des gebildeten Wasserdampfes 2,7 m³/min beträgt

Die im Rahmen der Erfindung eingesetzten Volumendurchsatzgeschwindigkeiten sind jedoch höher als im vorstehend durchgerechneten Beispiel angenommen.

Die Volumendurchsatzgeschwindigkeit kann sowohl durch die Öffnung des Steuerventils oder Regelventils als auch durch die Temperatur des Heißwassers geregelt werden. Der Temperaturregelung liegt zugrunde, daß das Wasserdampfgewicht je Einheitsmenge des Heißwassers eine Funktion der Temperatur des Heißwassers ist (F i g. A).

Die erhöhte Kühlkapazität, die das Verfahren der Erfindung ermöglicht ist darin begründet daß beim Auftreffen von 100° C heißem Wasser mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche des zu kühlenden Gegenstandes die Bildung einer Dampfschicht unter-

jo bunden wird. Gleichzeitig wird dadurch gegenüber der Verwendung von Wasser mit niedrigerer Temperatur eine deutlich höhere Verdampfungsleistung erzielt.

In der Praxis wird jedoch aus wirtschaftlichen Gründen das nach erfolgter Kühlung ablaufende heiße Abwasser aufgefangen und rückgeführt Dieses Wasser wird jedoch mit einer Temperatur der durch die Düsen ausgestrahlten Wassertröpfchen von etwa 100° C auf die Oberfläche des zu kühlenden Gegenstandes aufgestrahlt Ein Teil des Heißwassers wird durch diesen Wärmeübergang auf der Oberfläche des zu kühlenden Gegenstandes verdampft Das noch in kondensierter Phase ablaufende Wasser hat unter diesen Bedingungen noch immer eine Temperatur von praktisch 100° C. Dämmt man die Wärmeverluste im Rückführungskreislauf dieses Heißwassers weiter ein, so kann das Wasser noch immer mit einer Temperatur von mindestens 90° C rückgeführt werden. Der durch Verdampfungsverluste und Umwälzverluste entstehende Wasserverlust wird durch dosierten Frischwasserzusatz ausgeglichen.

so Einer der wesentlichen Vorteile des Verfahrens der Erfindung liegt darin, daß die Tendenz zum Druckabfall im Druckgefäß beim Ausstrahlen des Heißwassers durch ein teilweises Verdampfen des Heißwassers im Druckgefäß durch die Gleichgewichtsbedingungen ausgeglichen wird, so daß im Inneren des Druckgefäßes bei konstanter Heißwassertemperatur stets ein konstanter vorgegebener Druck herrscht Dadurch wird eine außerordentlich stabilisierte Ausstrahlleistung erzielt Zusätzlich wird das Heißwasser bis zur Austrittsöffnung der Strahldüsen in flüssiger Phase gefördert, so daß der Druckverlust in dem Leitungssystem auf ein Minimum reduziert werden kann, was wiederum dazu führt, daß der Düsendruck außerordentlich hoch gehalten werden kann und hohe Strahlgeschwindigkeiten erhältlich sind.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil des Verfahrens der Erfindung liegt darin, daß das Volumen des im Druckgefäß verdampfenden Wasserdampfes sehr groß ist, so daß das Heißwasser im Druckgefäß in der

Hauptmasse in flüssiger Phase vorliegt und gehalten werden kann, so daß das Druckgefäß klein und kompakt ausgelegt werden kann. Die großen Druckluftspeicher, die zur Durchführung des Verfahrens nach dem Stand der Technik zur Nebelerzeugung durch Druckluft für Kühlzwecke erforderlich sind, können entfallen.

Außerdem entfällt das Erfordernis, Kühltürme zur Rückkühlung des aufgewärmten Rücklaufwassers vorzusehen.

Die Erfindung ermöglicht dadurch sowohl anlageseitig als auch im Hinblick auf die Material- und Energiebilanz wesentliche wirtschaftliche Einsparungen.

Beispiel 1

In der Fig.5 sind die Kühlgeschwindigkeiten nach dem herkömmlichen Verfahren des Aufsprühens von Wasser und nach dem Verfahren der Erfindung des Aufsprühens von Heißwasser vergleichend dargestellt. Es werden Stahltafeln mit einer Dicke von 32 mm gekühlt. Jede der Tafeln wird beidseitig gekühlt. Die Temperatur der Tafel wird durch zwei Thermoelemente gemessen, von denen eines 2 mm unter der Oberfläche und das andere genau in der Mittelebene der Tafel, also in einer Tiefe von 16 mm, angeordnet sind. Die in der Figur mit S bezeichneten Kurven geben die am 2 mm unter der Oberfläche liegenden Thermoelement gemessenen Temperaturen wieder, während die in der F i g. 5 mit C bezeichneten Kurven die am mittig angeordneten Thermoelement gemessenen Temperaturen zeigen. Die mit dem Index 1 bezeichneten Kurven geben die Ergebnisse für die Kühlung nach dem Stand der Technik, die mit dem Index 2 bezeichneten Kurven die Ergebnisse für die Kühlung nach dem Verfahren der Erfindung wieder. Ein Vergleich der in F i g. 5 dargestellten Kurven Q und Si mit den Kurven Ci und Si zeigt deutlich die besseren Kühlleistungen, die das Verfahren der Erfindung erbringt.

Weitere Vergleichsdaten werden in der Weise erhalten, daß man die aufgestrahlten Wassermengen im Verfahren allmählich und so weit vermindert, bis die erhaltenen Abkühlkennlinien 52 und Ci praktisch den Kennlinien C\ und S\ entsprechen. Die in diesem Fall für das Verfahren der Erfindung benötigte Kühlwassermenge beträgt etwa 20% der für die gleiche Kühlleistung nach dem Verfahren des Standes der Technik erforderlichen Wassermenge.

Beispiel 2

Gleiche Stahltafeln werden nach dem Verfahren des Standes der Technik und nach dem Verfahren der Erfindung abgekühlt. Der mit beiden Verfahren erzielte Wirkungsgrad ist in der Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1

Tafeldicke

Wassermenge

(mm) (l/min ·
m²)

Wasserverhält
nis

Temperatur ("C)

Anfangs- Endtemtemperaperatur
tür

Kalt- 40 2000 5 920 380

wasser

Heiß- 40 400 1 920 390

wasser

Die in der Tabelle 1 wiedergegebenen Temperaturen sind an der Oberfläche der Stahltafeln gemessen. Die Daten lassen erkennen, das für die gleiche Kühlleistung nach dem Verfahren der Erfindung lediglich 20% des Wassers benötigt werden, daß für das Verfahren nach dem Stand der Technik erforderlich ist.

Beispiel 3

Die stabilen stationären Heißwasserstrahlleistungen im Verfahren der Erfindung gegenüber den Strahlleistungen, die mit dem Verfahren nach dem Stand der Technik erzielbar sind, führen zu einer hohen Homoge-

K) nität der mechanischen Eigenschaften in den nach dem Verfahren der Erfindung gekühlten Stahltafeln. Dieser Vorteil wird anhand des Beispiels der Verteilung der Streckgrenze in Längsrichtung der gekühlten Stahltafeln im Vergleich zu nach dem Stand der Technik

i> gekühlten Stahltafeln nachgewiesen. Die Ergebnisse dieser Prüfungen sind in der Fig. 6 graphisch dargestellt. Dabei ist die Gesamtlänge der Tafel von der Anfangskante bis zur Endkante gleich 100% gesetzt.

Auf der Abszisse ist in der F i g. 6 die relative Länge der Tafel aufgetragen, wobei jeder Meßpunkt auf den Ort bezogen ist, der dieser relativen Länge, beginnend von der Einlaufkante, entspricht.

Ein Vergleich der beiden dargestellten Kurven zeigt, daß die Streuung der für die Streckgrenze ermittelten

2) Werte in Stahltafeln, die nach dem Verfahren der Erfindung gekühlt sind, wesentlich geringer als die Streuung der entsprechenden Werte in Stahltafeln, die nach dem Stand der Technik gekühlt sind, ausfällt. Die Zweiphasenheißwasserkühlung der Erfindung führt also zu mechanisch wesentlich homogeneren Produkten.

Beispiel 4

In geschlossenen Kühlwasserkreisläufen geht das Bestreben des Fachmanns üblicherweise dahin, die

j! rückgeführte Kühlwassermenge so groß wie möglich zu halten. Die zum Ausgleich der Kühlwasserverluste erforderliche Frischwassermenge ist also wesentlich geringer als die zur tatsächlichen Kühlung erforderliche Kühlwassermenge. In der Tabelle 2 sind die Vergleichsdaten der Kaltwasserkühlung nach dem Stand der Technik und der Heißwasserkühlung der Erfindung hinsichtlich der benötigten Frischwasserzufuhr wiedergegeben.

Tabelle 2

Kühlwasserverhältnis

Verlustwassermenge

Kaltwasser 5
Heißwasser 1

10% 20%

Von den 10% Verlustwasser im Verfahren nach dem Stand der Technik sind 9% Kühlverlust, während von den 20% Verlustwasser im Verfahren der Erfindung 19% Verdampfungsverluste sind. Berücksichtigt man, daß der Kühlwasserbedarf im Verfahren der Erfindung ¹A des Kühlwasserbedarfes des bekannten Verfahrens beträgt, so ergibt sich für den Frischwasserbedarf

ω folgende Rechnung: (1 · 20%)/(5 - 10%)=Vs. Bei gleicher Kühlleistung beträgt der Frischwasserbedarf im Verfahren der Erfindung also nur 40% des für das Verfahren nach dem Stand der Technik erforderlichen Kühlwassers. Die kühlwasserseitig und frischwasserseitig für gleiche Kühlleistung wesentlich geringeren erforderlichen Kühlwassermengen ermöglichen gleichzeitig eine deutlich schwächere und kleinere Auslegung der Pumpen, also eine spürbare Verbflligung der Anlage.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

!. Verfahren zum Kühlen eines heißen Gegenstandes, insbesondere von Tafeln für die Walzblechherstellung, heißgewalzten Blechen oder kontinuierlich gegossenen Tafeln, durch Aufstrahlen eines Kühlmittels unter Druck auf dessen Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß man aus einem heizbaren Druckgefäß über 100⁰C warmes Heißwasser aus mindestens einer Düse unter dem Innendruck des Druckgefäßes austreten läßt und den oder die durch Entspannung erzeugten Strahl(en) des Zweiphasengemisches aus Wasserdampf und fein verteilten Wassertröpfchen auf die Oberfläche des zu kühlenden Gegenstandes richtet
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Volumendurchsatzgeschwindigkeit der Zweiphasenkühlmittelstrahlen durch Regelventile steuert
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß man die Volumendurchsatzgeschwindigkeit der Zweiphasenkühlmittelstrahlen durch Regelung der Temperatur im Druckgefäß steuert.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß man das vom gekühlten Objekt ablaufende heiße Wasser im Kreislauf zum Druckgefäß rückführt.