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BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung der im Oberbegriff
des Patentanspruches 1 angegebenen Art.
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Derartige Kühleinritungen sind bekannt (Zeitschrift vt "verfahrenstechnik"
11 (1977) Nummer 7, S. 416 - 420, insbesondere Fig. 7 und Fig. 8 auf S. 418). Man
strebt bei derartigen Kühleinrichtungen an, das Wasser zum Zwecke einer möglichst
optimalen Kühlung in Form von Tröpfchen mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche
des zu kühlenden Werkstückes zu bringen. Bei der bekannten Kühleinrichtung ist die
Düse für diesen Zweck derart ausgebildet, daß koaxial zueinander zwei Düsen angeordnet
sind, wobei aus der zentralen Düse mit relativ geringer Geschwindigkeit ein Wasserstrahl
austritt und aus der sie in Form eines Ringes koaxial umgebenden Austrittsffnung
der zweiten Düse ein Luftstrom mit wesentlich höherer Geschwindigkeit austritt.
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Nach Austritt der Wasserströmung und der Luftströmung vermischen sich
beide im daran anschließenden Freiraum, wobei eine Abbremsung des Luftstromes und
eine Beschleunigung des Wasserstromes stattfindet und gleichzeitig eine Zerstäubung
des Wasserstrahles in Wassertrdpfchen auftritt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Energieausnutzung von
Wasserdüsen bei derartigen KUhleinrichtungen zu verbesserns d.h.
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Kühleinrichtungen mit Wasserdtlsen zur Verfügung zu stellen, bei denen
eine möglichst optimale Aufbringung des Wasserströpfchen enthaltenden Sprühstrahles
auf die Oberfläche des zu keilenden Werkstückes erfolgt. Dabei soll insbesondere
angestrebt werden, bei vergleichsweise gleicher Auftreffgeschwindigkeit und -grdße
der Wasserströpfchen mit einer geringeren Austrittsgeschwindigkeit der Luft aus
der Wasserdüse auszukommen, um eine bessere Energieausbeute zu erreichen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruches
1 angegebenen Art gelffst.
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Wichtig dabei ist die ZurUckversetzung der Wasserzuleitung in der
wasserdüSe derart, daß die Versprflhung des Wassers noch im Bereich der Wasserdflse
erfolgen kann, so daß die Wassertröpfchen bei Austritt aus der Austrittsebene der
Austrittsöffnung der Wasserdüse bereits ihre maximale Geschwindigkeit erreicht haben,
so daß die Erzeugung der Wassertröpfchen bzw. ihre Beschleunigung nicht, zumindest
nicht hauptsächlich, in dem sich an die Austrittsebene der Wasserdüse anschließenden
Freiraum vollzieht. Durch die Erzeugung und Beschle'inigung der Wassertröpfchen
noch im Bereich der Wasserdüse wird die Vermischung von Luft und Wasser praktisch
"erzwungen" und damit ein höherer Wirkungsgrad der Erzeugung der Wassertröpfchen
erreicht. Luft und Wasser bzw. Wassertrdpfohen treten demgemäß aus der Wasserdüse
mit im wesentlichen gleicher Geschwindigkeit aus. Diese Geschwindigkeitsangleichung
noch innerhalb der Düse hat zur Folge, daß der Energieverlust durch Impulsaustausch
zwischen Luftstrom und Wasserstrahl im Freiraum nach Austritt aus der Düse reduziert
wird. 15 ist damit möglich, mit sehr viel geringeren Luftstrom-Geschwindigkeiten
auszukommen. Auf diese Weise kann mit der Erfindung mit wesentlich geringeren Luftdrücken
als beim Stand der Technik derselbe Kühleffekt erzielt werden. Es ergibt sich dabei
insbesondere eine Versprflhung des Wassers derart, daß Auftreffgeschwindigkeit der
Wassertröpfchen und Größe der Wassertröpfchen derart optimal gestaltet sind, daß
sie eine sich über dem zu kühlenden WerkstUck bildende Dampfschicht durchschlagen
und nicht von ihr reflektiert werden, ohne durch vollständige Verdampfung optimale
Kühlwirkung zu entfalten.
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Die Erfindung betrifft ferner mehrere vorteilhafte Weiterbildungen.
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Ausfflhrungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es stellen dar: Fig. 1 eine prinzipielle
Darstellung einer Kühleinrichtung;
Fig. 2 den Temperaturverlauf
eines zu kühlenden Werkstückes; Fig. 3 die Ausbildung einer Wasserdüse bei einem
ersten Ausführungsbeispiel: Fig. 4 den Verlauf des statischen Druckes in der Wasserdtlse
nach Fig. 3; Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie V-V in Fig. 3; Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel
unter Verwendung der Wasserdilsen nach Fig. 3 bis Fig. 5; Fig. 7 eine Wasserdüse
gemäß einem zweiten Ausffihrungsbeispiel; Fig. 8 eine Draufsicht auf ein Ausftlhrungsbeispiel
unter Verwendung der Wasserdüsen nach Fig. 7.
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Fig. 1 zeiqt schematisch eine Stahlplatte 1, die in Richtung des eingezeichneten
Pfeiles 2 unter Wasserdüsen 3-1, 3-2, 3-3 usw.
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hindurchläuft. Dabei gibt jede der Wasserdüsen einen Sprühstrahl ab,
die Wasserdüse 3-1 den Sprfthstrahl 4-1 an der Stelle (a) und die Wasserdflse 3-2
den Sprühstrahl 4-2 an der Stelle (b). Der Temperaturverlauf einer Stahlplatte,
die derart gekühlt wird, in Abhängigkeit von der Zeit in Fig. 2 dargestellt. Die
Temperatur nimmt zunächst linear ab bis zu einem bestimmten Temperaturwert, z.B.
T01 oder To2; ; und von da ab erfolgt eine sehr viel steilere Temperaturabnahme,
die dann allerdings bei Annäherung der Werkstücktemperatur an die Siedetemperatur
der Kühl flüssigkeit fflr kleinere Werte der Temperaturdifferenz abflacht. Oberhalb
des Knickpunktes T01 oder bildet sich infolge des Kontaktes von Wasser mit der heißen
Stahlplatte eine Dampfschicht 5, die auftretende Wassertröpfchen 6 reflektiert,
wie dies mit Hilfe der Pfeile 7 an der Stelle (a) in Fig. 1 angedeutet ist (Leidenfrbst'sches
Phänomen). Erst wenn die Wassertröpfchen 6 die Dampfschicht 5 durchschlagen und
direkt auf der Oberfläche der Stahlplatte 1 auftreffen können, kommt eine Verdampfung
derselben an der Oberfläche zustande, so daß eine Xiihlung durch Verdampfung voll
einsetzen kann. Bei der Temperatur, bei der die Dampfschicht durchschlagen wird,
wie an der Stelle (b) in Fia. 7, hat dann die Temperaturkurve nach Fig. 2 den Knickpunkt
T1 bzw.
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Die Die Wassertröpfchen 6 erreichen dann die Oberfläche; sie durchschlaqen
die Dampfschicht 5. - Es ist nun offensichtlich, daß man bestrebt ist, den Knickpunkt
in der Kennlinie nach Fig. 2 so hoch wie möglich zu legen. Man muß davon ausgehen,
daß der Wert T01 für die Kühlung mit Wasser ohne besondere Maßnahmen, z.B. auch
beim bloßen Eintauchen einer heißen Stahlplatte in einen Wasserkübel, ca. 1500 beträgt.
Gelingt es, diesen Wert erheblich zu erhöhen, dann kann gleichermaßen die Kühleffektivität
erheblich heraufqesetzt werden. Gemäß der Erfindung wird relativ mit einfachen Maßnahmen
ein Wert von T02 von ca. 400 - 5000, in der Spitze bis 7000 erreicht.
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Um dies zu erreichen, muß folgende Abwägung getroffen werden: Je feiner
die Tröpfchen sind, desto schneller und vollständiger verdampfen
die
Wassertröpfchen 6; sind sie jedoch zu fein, so können sie zu leicht von einer von
der Oberfläche der Stahlplatte 1 ausgehenden Dampfströmung reflektiert werden (siehe
Fig. 1 bei (a)).
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Hier ist also eine gewisse Abwägung zu treffen. Andererseits sollen
die Tröpfchen möglichst schnell sein, damit sie die Dampfschicht 5 durchdringen
können. Man sollte demnach möglichst einen Wassertröpfchen-Durchmesser von ca. 5
- 100 /u erreichen, wobei die Geschwindigkeit beim Auftreffen auf die Oberflache
der Stahlplatte l größer als 30 m/sec betragen sollte. Gleichzeitig ist zu berücksichtigen,
daß der Abstand h aus apparativen Gründen nicht zu gering sein darf, da sonst bei
schnellem Durchlauf von Stahlplatten mit unterschiedlichen Stärken Beschädigungen
der Düsen auftreten können.
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Man braucht also Wirkungsdistanzen h, die in der Größenordnung von
ca. 100 bis 200 mm liegen.
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Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. In der
Wand 10 ist eine Düse 11 eingeschraubt, die als Venturi-Rohr ausgebildet ist, d.h.
in Richtung der in Richtung des Pfeiles 13 zugeführten Luft zunächst einen sich
verengenden Querschnitt und dann eine trichterförmige Querschnittserweiterung aufweist
. An der engsten STelle der Düse 11 verläuft quer durch die Bohrung von oben nach
unten ein Röhrchen 14 mit oeffnungen 15.
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Durch dieses Röhrchen und die Uffnungen wird Wasser von einem Behalter
16 her zugeführt. Der Behälter wird durch ein die Düse außen umgebendes Wasser-Auffangblech
17 gebildet, das durch ein Abdeckblech 18 abgedeckt ist. Läuft nun an der Wand 10
von oben nach unten ein Wasserfilm 19 herunter, so füllt er den Behälter 16. In
Fig. 4 ist nun der statische Druck p entlang der Längsachse der Düse 11 aufgetragen.Im
Punkt geringsten Querschnitth an der Stelle s herrscht - wie sich in bekannter Weise
aus Bernoulli's Gleichung ergibt - Unterdruck, der dafür sorgt, daß das Wasser aus
dem Behälter 16 durch das Röhrchen 14 und die Öffnungen 15 in den Innenraum der
Düse 11 angesaugt wird und von dort durch den Luftstrom in Richtung des Pfeiles
13 versprüht wird. Dabei ist der Abstand a 20 zwischen der Vorderkante der Austrittsöffnung
der Düse 11 und dem
Punkt geringsten Querschnittes derselben so
bstimmt, daß der Sprühstrahl 21, der aus den Öffnung 15 austritt und sich mit dem
Winkel α erweitert, die Innenwand 22 der Düse 11 nicht mehr trifft, um Agglomerationen
der Wasserströpfchen des Sprühstrahls 21 zu größeren Tropfen, die dann an der Austrittsöffnung
20 einfach ablaufen, zu verhindern. Um möglichst eine glatte Ablösung des den Sprühstrahl
21 umgebenden Luftstrahls von der Austrittsöffnung 20 der Düse 11 zu erreichen,
sind die Kanten 23 spitz zulaufend ausgebildet.
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Infolge der Zerstäubung durch Einleitung des Wassers in die Düse 11
in den Innenraum eines Venturi-Rohrs, der um den Betrag a gegenüber der Ebene der
Austrittslffnung 20 zurückgesetzt ist, erfolgt die Zerstäubung, d.h. die Auflösung
des Wassers durch die eingeführte Luft in Wassertröpfchen noch innerhalb der Düse
selbst. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Zerstlubung, d.h. die Beschleunigung der
Waswerströpfchen auf ihre Austrittsgeschwindigkeit aus der Austrittsöffnung 20 noch
innerhalb der Düse 11 selbst erreicht; daiit können die Wassertröpfchen auf der
Strecke zwischen den Öffnungen 15 bis zur Ebene der Austrittsöffnung 20 im wesentlichen
auf die Geschwindigkeit beschleunigt werden, die auch dar austretende Luftstrom
hat.
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Diese Art der Zerstäubung des Wassers in Wassertröpfchen bei gleichzeitigen
Beschleunigung der Wassertröpfchen auf eine möglichst hohe Anfangsgeschwindigkeit
bei Austritt aus der Ebene der Austrittsöffnung 20 ist sehr viel effektiver als
beim Stand der Technik (Literaturstelle vt "verfahrenstechnik", a.a.O., S. SF18,
Fig. 7 und 8), wo die Vermischung außerhalb der Düse, also innerhalb des Freistrahles,
stattfindet, der infolge des Impulsaustausches zwischen dem Luftstrahl und des Wasserstrahl,
sehr viel höhere Anfangsgeschwindigkeiten der Luft erfordert, um zu demselben Geschwindigkeiten
der Wassertrsöpfchen zu gelangen. Bei bekannten Wasserdüsen ist z.B.
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(a.a.O., Fig. 8c) eine Anfangsgeschwindigkeit von 100 m/sec der Luft
notwendig, um eine Geschwindigkeit der Wassertröpfchen von ca. 25 -30 m/sec zu erreichen.
Dieser Energieverlust beruht auf des Irpulsaustausch zwischen dem Wasserstrahl und
da s sehr viel schnelleren Luftstrahl, der zur Zerstäubung ir Freiraum vor der Ixise
verwendet
wird. Bei der Erfindung hingegen treten diese Verluste
nicht auf, so daß die Wassertröpfchen bereits beim Austritt aus der Düse ihre höchste
Geschwindigkeit haben, die im wesentlichen gleich der Geschwindigkeit der Luft ist.
Der Sprühstrahl 21 tritt also mit dem ihm umgebenden Luftstrahl in etwa mit derselben
Ceschwindigkeit aus der Düse aus, wobei an dieser Stelle die Zerstaubung bereits
erfolgt ist. Damit wird es dann möglich, bei Einhaltung der Größe der Wassertröpfchen
in dem o.a. Bereich eine hohe Geschwindigkeit der Wassertröpfchen zu erzielen, die
zu optimaler Kühlung führt. Selbstverständlich müssen die Dimensionen, die sich
nach Fig. 3 ergeben, wie die Nffnung des Venturi-Rohrs, die Abstande und die Druckverhältnisse
im einzelnen durch entsprechendes Probieren auf einen optimalen Wert abgestimmt
werden. Dabei kann mit einer Düse gemäß der Erfindung, die mit dem Prinzip der Geschwindigkeitsangleichung
von Wassertröpfchen und Luftstrom in der DUse arbeitet, der Energieaufwand zur Erzielung
eines bestimmten Kühleffektes auf weniger als 10% des seither notwendigen abgesenkt
werden. Dabei ist die besonders einfache Konstruktion zu betonen, mit der dies erreicht
wird, die es außerdem ermöglicht, durch den Unterdruck in der Düse 11 die Wasserzufuhr
aus einem Behalter anzusaugen, so daß keine besonderen Verrohrungen oder Zuleitungen
o. dgl. für das Wasser erforderlich sind.
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Fig. 6 zeigt nun im prinzipiellen den Aufbau einer derartigen Sprflhwand,
in die eine Vielzahl von DUsen eingebaut sind. An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen,
daß in einer derartigen Sprühwand z.B. ca. 4000 - 6000 Düsen eingebaut sein können.
In Fig. 6 ist eine vertikale Kühlstraße dargestellt. Eine Stahlplatte 31 läuft senkrecht
zur Ebene der Zeichnung zwischen zwei Sprühwänden 24, 25 hindurch, in die eine Vielzahl
von Düsen 11 eingelassen ist. In Nähe ihrer oberen Enden sind Wasserrohre 26 auf
die Sprtlhwãnde 24 und 25 gerichtet. Das Wasser fließt entlang dieser Wände in Form
fleweils eines Wasserfilms 19 herab und füllt damit die Behälter 16, die die einzelnen
Düsen 11 umgeben. Durch Bestimmung der Menge, die aus den Rohren 26 auf die Sprühwände
24, 25 fließt, kann - bei Kenntnis der
Menge, die bei gegebener
Luftströmung durch die nffnunven 15 angesaugt wird - der Pegelstand 27 (siehe Fig.
5) des Wassers im Behälter 16 bestimmt werden. Läuft der Behälter dadurch über,
daß der Pegelstand 27 praktisch immer gleich der Oberkante des Wasserauffangbleches
17 ist, so läuft eben entsprechend mehr Wasser nach unten vorbei. Insofern kann
der Füllunggrad der Behälter, der natürlich von oben nach unten in Fig. 6 abnimmt,
durch die Menge der Wasserzufuhr durch die Rohre 26 bestimmt werden. Links von der
Sprühwand 24 und rechts von der Sprühwand 25 sind Luftstauräume 24' bzw. 25' angedeutet,
in denen ein genügend hoher Luftdruck durch beliebige (nicht gezeiqte) Mittel erzeugt
wird. Die Notwendigkeit von Schlauchschlüssen entfällt.
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Ein weiteres Ausführungsbeiapiel zeigt Fig. 7. Dabei ist die Wasserzufuhr
anders gelöst. Das Röhrchen 28, dessen offenes Ende in die DUse 11 hineinragt, taucht
mit seinem unteren Ende in eine Auffangrinne 29, die an der Wand 10, wie aus Fig.
8 ersichtlich, durchgehend angeordnet ist.
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Aus Fig. 7 ist ferner ersichtlich, daß die Innenwand der Düse 11 mit
einer Schicht 30 ausgekleidet ist, Das hat folgenden Grund: Auch wenn man den Winkel
α derart beFtlmst, daß der Sprühstrahl an sich die Innenwand nicht berührt,
so ist doch die Grenze des Sprühstrahls nicht fest; die übergänge sind vielmehr
fließend. Das heißt, es muß damit gerechnet werden, daß ein Teil des Sprühstrahls
Kontakt mit der Innenwand hat und sich dort niederschlägt und große Tropfen bildet,
die nicht mehr zerstäubt und auf die StahLplatten 1 bzw. 31 befördert werden. Es
hat sich nunmehr herausgestellt, daß diese Neigung des Sprühstrahls, an der Innenwand
der Düse Agglomerate zu bilden, herabgesetzt werden kann, wenn man die Innenwand
mit einer Schicht 30 aus wasserabstoßendem Material versieht. Als solches Material
kommt Tetrafluoräthylen, Rus, Federn, imprägnierte textile Gewebe, usw. in Betracht,
die praktisch so wasserabstoßen sind, daß keine Benetzung mehr stattfindet. Diese
Schichten werden auf der Innenseite aufgebracht bzw. aufgeklebt.
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Eine solche Bestimmung der Innenwand der Diese 11 ist auch dann von
Vorteil, wenn die Crößendimensionen so gewählt werden, wie das aus den Fig. 3 und
7 ersichtlich ist. Denn damit wird auch erreicht, daß die den SprÜhstrahl 21 umgebende
Luftströmung sich von den Kanten 23 in jedem Falle sehr viel besser ablöst, wie
wenn eine derartige Beschichtung nicht gegeben wäre. Eine bessere Ablösung des Luftstromes,
der den Sprfihstrahl 21 umgibt, begünstigt aber die Versprühung des Wassers innerhalb
des Sprühstrahls 21 und seine definierte Becrenzung des Freistrahles auf und in
Richtung auf die Stahlplatte 1 bzw.
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31.
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Bei den erfindungsgemäßen Wasserdüsen kann man so arbeiten, daß die
Austrittsgeschwindigkeit der Wassertropfen aus der Austrittsebene der Austrittsöffnunq
20 - 50 m/sec beträgt. Bei den oben anqesebenen apparativen Bedingungen ergibt sich
dann eine Auftreffgeschwindigkeit von ca. 20 - 30 m/sec und damit ein Knickpunkt
in der Kennlinie nach Fig. 2, der bei T02 von ca. 700°C liegt. Die Länge a nach
Fiq. 3 beträgt in der Regel zwischen dem 2- und 5-fachen des Durchmessers der Düse.
Wenn die Auskleidung durch eine Schicht in einem 0 so hohen Maße wasserabstoßend
ist, daß keine Agglmeration zu befürchten ist, dann kann ein gewisser Wandkontakt
des Sprfihstrahles in Kauf genommen werden und demgemäß auch wieder der Abstand
a vergrößer werden. Das erhöht wiederum den Wirkungsqrad.
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ENDE DER BESCHREIBUNG