EP0705907B1 - Process and installation for cooling workpieces with gases - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen, insbesondere zum Abschrecken, von Werkstücken durch Gase in einem Wärmebehandlungsofen und Rückkühlung der in einem Gas-Kreislauf geförderten Gase an Kühlflächen in mindestens einem im Wärmebehandlungsofen angeordneten Ofen-Wärmetauscher, der mit einem äußeren Wärmeabfuhr-Aggregat über Leitungen für ein in einem Flüssigkeits-Kreislauf geführtes flüssiges Kühlmedium in Verbindung steht. 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.  

Beim Betrieb von Wärmebehandlungsöfen, insbesondere von Vakuum-Härteöfen, fallen während des Abkühl- bzw. Abschreckvorgangs kurzzeitig hohe Wärmemengen im Megawatt-Bereich an, die abgeführt werden müssen. Üblicherweise wird zum Abschrecken ein Gas aus der Gruppe Stickstoff, Helium, Wasserstoff oder ein Gemisch aus derartigen Gasen verwendet, und die betreffenden Gase werden unter hohem Druck innerhalb des Wärmebehandlungsofens durch ein internes Gebläse umgewälzt, so daß die betreffenden Gase nicht nur die Wärme der Charge von Werkstücken, sondern auch die Wärme von Ofen-Bauteilen aufnehmen müssen. When operating heat treatment furnaces, especially vacuum hardening furnaces, fall briefly during the cooling or quenching process high amounts of heat in the megawatt range that must be dissipated. Usually a gas from the group nitrogen is used for quenching, Helium, hydrogen or a mixture of such gases is used, and the gases in question are under high pressure within the Heat treatment furnace circulated by an internal blower so that the gases not only affect the heat of the batch of workpieces, but also have to absorb the heat from furnace components.

Üblicherweise werden die Ofen-Wärmetauscher mit Wasser beschickt, das die beschriebenen Energiemengen aufnehmen muß. Ein Betrieb des Ofen-Wärmetauschers mit Frischwasser wäre unwirtschaftlich und weder ökonomisch noch ökologisch zu vertreten. Infolgedessen werden die internen Ofen-Wärmetauscher an ein externes Wärmeabfuhr-Aggregat mit Gebläsekühlung durch Umgebungsluft angeschlossen. 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.

Es ist auch bekannt, das externe Wärmeabfuhr-Aggregat als Rückkühlanlage auszubilden, die in der Regel mit Umgebungsluft nach dem Verdunstungsprinzip betrieben wird. Die Temperatur des rückgekühlten Kühlwassers unterliegt jedoch je nach den Witterungsverhältnissen im Sommer oder Winter starken Schwankungen und führt infolgedessen zu unterschiedlichen zeitlichen Abkühlverläufen im Wärmebehandlungsofen. Dies kann zu nicht mehr kontrollierbaren Qualitätsabweichungen bei den Werkstücken führen. It is also known to use the external heat dissipation unit as a recooling system train that usually with ambient air after the Evaporation principle is operated. The temperature of the recooled Cooling water is subject to depending on the weather conditions in the Summer or winter fluctuations and as a result leads to different temporal cooling processes in the heat treatment furnace. This can lead to uncontrollable quality deviations in the Guide workpieces.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Rückkühleinrichtungen beruht auf der Tatsache, daß bei den beschriebenen Abkühl- bzw. Abschreckvorgängen Spitzenlasten auftreten, die je nach der Chargengröße mehrere Megawatt betragen können. Diese Spitzenlast fällt jedoch nur innerhalb einiger Minuten an. In der sich anschließenden Abkühlphase muß nur noch ein Bruchteil dieser Wärmemenge abgeführt werden. Entweder ist es erforderlich, die bekannten Rückkühleinrichtungen überzudimensionieren, oder sie erfüllen ihren Zweck nur ungenügend. Another disadvantage of the known recooling devices is due to the The fact that in the cooling or quenching processes described Peak loads occur which, depending on the batch size, are several megawatts can be. However, this peak load only falls within a few minutes on. In the subsequent cooling phase, only a fraction has to be left this amount of heat can be dissipated. Either it is required that oversize known recooling devices, or meet them their purpose is insufficient.  

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung dahingehend zu verbessern, daß reproduzierbar stets der gleiche Abkühlverlauf der Charge erreicht werden kann, wobei es zusätzlich wünschenswert ist, den Ofen-Wärmetauscher mit möglichst niedrigen Temperaturen des flüssigen Kühlmediums zu beschicken. Insbesondere wäre es wünschenswert, die abgeführte Wärmemenge gezielt an die jeweils anfallende Wärmemenge anpassen zu können. 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.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß in dem äußeren Wärmeabfuhr-Aggregat ein Speichervolumen eines wässrigen Kühlmediums einem solchen Unterdruck ausgesetzt wird, daß mindestens ein Teil der wässrigen Phase des Speichervolumens zum Entzug von Wärme aus dem Flüssigkeitskreislauf durch den Ofen-Wärmetauscher verdampft wird. The problem is solved in the manner described at the beginning Method according to the invention in that in the outer heat dissipation unit a storage volume of an aqueous cooling medium such Is exposed to vacuum that at least part of the aqueous phase of the storage volume for extracting heat from the liquid circuit is evaporated by the furnace heat exchanger.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt zunächst ein Speichervolumen eines wässrigen Kühlmediums vor, dessen Größe bzw. Menge an die jeweils anfallende Wärmemenge angepaßt werden kann, so daß eine Art Puffer-Wirkung entsteht. Durch die Vorgabe eines genau definierten Unterdrucks kann durch den Siedevorgang bzw. die Verdampfung der wässrigen Phase des Speichervolumens eine exakte Temperatur eingestellt werden, die deutlich unter der Raumtemperatur liegen kann, ja sogar unter dem Gefrierpunkt liegen kann, wenn man dem Kühlmedium geeignete Gefrierschutzmittel zusetzt. Hierdurch läßt sich die Temperaturdifferenz bis zur maximal zulässigen Temperatur für das Kühlmedium deutlich vergrößern, so daß sich - multipliziert mit der Menge des Kühlmediums - sehr genau festlegen läßt, welche Wärmemenge abgeführt werden kann, und welchen Verlauf die zeitlichen Abkühlvorgänge der Werkstücke haben. Dadurch lassen sich die Werkstückeigenschaften in sehr engen Grenzen bzw. mit äußerst geringen Toleranzen festlegen. In the method according to the invention there is initially a storage volume of an aqueous cooling medium, the size or amount of each resulting amount of heat can be adjusted so that a kind of buffer effect arises. By specifying 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. Thereby the workpiece properties can be within very narrow limits or with set extremely low tolerances.  

Eine Überdimensionierung des Wärmeabfuhr-Aggregats ist nicht erforderlich, da man es vornehmlich durch die zu erzielende Temperaturdifferenz in der Hand hat, entsprechend große Wärmemengen mit dem vorgesehenen zeitlichen Verlauf abzuführen. Die Aufnahme von Spitzenlasten ist mithin über die Wahl des Druckes bzw. die davon abhängige Temperatur des Kühlmediums problemlos möglich. Das Kühlmedium hat infolgedessen eine ausgezeichnete Speicherwirkung. It is not necessary to oversize the heat dissipation unit, since it is mainly due to the temperature difference to be achieved in the Hand has correspondingly large amounts of heat with the intended dissipate over time. The absorption of peak loads is therefore over the choice of pressure or the temperature of the Cooling medium possible without any problems. As a result, the cooling medium has one excellent storage effect.

Bezüglich der Führung des Kühlmediums in einem Kreislauf gibt es vorrangig zwei Möglichkeiten. Einmal ist es möglich, daß man das im Flüssigkeits-Kreislauf geführte Kühlmedium mit dem Speichervolumen vermischt und damit dem im Kreislauf durch den Ofen-Wärmetauscher geführten Kühlmedium unmittelbar Wärme entzieht. Es gibt in diesem Falle für den Flüssigkeits-Kreislauf durch den Ofen-Wärmetauscher nur eine einzige Flüssigkeit. Es ist aber andererseits auch möglich, das durch den Ofen-Wärmetauscher geführte Kühlmedium in einem geschlossenen Kreislauf mittels eines im Speichervolumen angeordneten weiteren Wärmetauschers durch das Speichervolumen zu führen. In diesem Falle kann das Speichervolumen durch eine andere Flüssigkeit bzw. durch eine Flüssigkeit mit einer anderen Zusammensetzung ersetzt werden. There is priority with regard to the routing of the cooling medium in a circuit two possibilities. On the one hand, it is possible to do this in the fluid circuit led cooling medium mixed with the storage volume and so that the circulated through the furnace heat exchanger The cooling medium immediately extracts heat. In this case there is for the Liquid circuit through the furnace heat exchanger only one Liquid. On the other hand, it is also possible to do this through the furnace heat exchanger guided cooling medium in a closed circuit by means of a further heat exchanger arranged in the storage volume through the storage volume. In this case it can Storage volume through another liquid or through a liquid be replaced with a different composition.

Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn man das Speichervolumen in einem wärmeisolierten Speichertank auch außerhalb der Abkühlphase der Werkstücke einem Unterdruck aussetzt, bei dem die wäßrige Phase des Speichervolumens verdampft. Hierbei kann man die bereits beschriebene Betriebsweise derartiger Wärmebehandlungsöfen vorteilhaft ausnutzen, die darin besteht, daß der Spitzenwert der abzuführenden Wärmemenge nur innerhalb weniger Minuten auftritt, während der Rest der abzuführenden Wärmemenge erst allmählich abgeführt werden muß. Zwischen den einzelnen Abkühl- bzw. Abschreckvorgängen liegen in der Regel zeitliche Abstände, sogenannte Zykluszeiten, von mehreren Stunden, und diese Zeit kann man dazu verwenden, das Speichervolumen mit einer relativ niedrigen Pumpleistung abzukühlen. It is particularly advantageous if 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. Here 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.

Um hohe Abkühlgeschwindigkeiten zu erzielen, ist es besonders zweckmäßig, wenn man das Speichervolumen durch Verdampfungskühlung auf Temperaturen von höchstens 20 °C, vorzugsweise von höchstens 0 °C abkühlt und bei dieser Temperatur für den Abkühlvorgang bereit hält. It is special to achieve high cooling rates useful if you have the storage volume by evaporative cooling to temperatures of at most 20 ° C, preferably of at most 0 ° C cools down and holds ready for the cooling process at this temperature.

Es ist dabei im Zuge einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens von Vorteil, wenn man das Speichervolumen vor dem Abkühlen der Werkstücke zunächst durch Anlegen eines Drucks P1 auf eine erste Temperatur T1 abkühlt, danach einen höheren Druck einstellt und anschließend den Abkühlvorgang der Werkstücke einleitet. Durch diese Maßnahme wird vermieden, daß das Kühlmedium zu Beginn der Abkühlphase sofort zu sieden anfängt. Will man den Siedevorgang weiter hinauszögern, so ist es vorteilhaft, wenn man den Druck P2 während des Abkühlvorgangs der Werkstücke kontinuierlich oder schrittweise weiter erhöht. It is part of a further embodiment of the invention Process advantageous if you have the storage volume before cooling the workpieces first by applying a pressure P1 to a first one Temperature T1 cools down, then sets a higher pressure and then initiates the cooling process of the workpieces. Through this Measure is avoided that the cooling medium at the beginning of the The cooling phase begins to boil immediately. If you want to continue the boiling process delay, it is advantageous if the pressure P2 during the The work piece continues to cool down continuously or step by step elevated.

Es ist dabei wiederum im Zuge einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung von besonderem Vorteil, wenn man im Wärmebehandlungsofen einen mehrstufigen Wärmetauscher vorsieht, und wenn man mindestens eine der in Gasströmungsrichtung ersten Wärmetauscher-Stufen an einen unter üblichem Druck stehenden Wasserkreislauf anschließt und wenn man die mindestens eine in Gas-Strömungsrichtung folgende Wärmetauscher-Stufe an den Kreislauf mit Unterdruck-Verdampfungskühlung anschließt. It is again in the course of an advantageous further embodiment of a particular advantage if you have one in the heat treatment furnace multi-stage heat exchanger and if you have at least one of the in Gas flow direction first heat exchanger stages to a below usual pressure standing water circuit connects and if one the at least one heat exchanger stage following in the gas flow direction connected to the circuit with vacuum evaporative cooling.

Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß ein großer Teil der abzuführenden Wärme zunächst einmal über die herkömmlichen Rückkühlvorrichtungen abgeführt wird. Die erfindungsgemäße Unterdruck-Verdampfungskühlung dient alsdann nur noch dazu, die Differenz der Energiemengen abzuführen und reproduzierbare Bedingungen einzustellen. Dadurch aber können die Investitions- und Betriebskosten weiter reduziert werden. This measure ensures that a large part of the to be discharged First of all, heat via the conventional recooling devices is dissipated. The vacuum evaporative cooling according to the invention then only serves to dissipate the difference in the amounts of energy   and set reproducible conditions. But this allows them Investment and operating costs can be reduced further.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Abkühlen, insbesondere zum Abschrecken, von Werkstücken durch Gase mit einem Wärmebehandlungsofen und mit mindestens einem im Wärmebehandlungsofen angeordneten Ofen-Wärmetauscher zur Rückkühlung der in einem Gas-Kreislauf geförderten Abschreckgase an Kühlflächen des Ofen-Wärmetauschers sowie mit einem über Leitungen an den Wärmebehandlungsofen angeschlossenen äußeren Wärmeabfuhr-Aggregat. 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.

Zur Lösung der gleichen Aufgabe ist eine solche Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeabfuhr-Aggregat einen evakuierbaren Speichertank für ein wäßriges Kühlmedium besitzt, und daß an den Speichertank eine Vakuumpumpe angeschlossen ist. 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.

Auch bezüglich der Vorrichtung können im wesentlichen zwei alternative Lösungen verwendet werden. Bei der einen Lösung münden die Leitungen des Ofen-Wärmetauschers unmittelbar in den Speichertank, und in dem anderen Fall befindet sich im Speichertank unterhalb des konstruktiven Flüssigkeitsspiegels für das Speichervolumen ein Tank-Wärmetauscher, an den die Leitungen des Ofen-Wärmetauscher angeschlossen sind. In dem zuletzt genannten Fall findet eine indirekte Wärmeübertragung durch die Wandungen des Tank-Wärmetauschers statt, ohne daß die beiden Kühlmedien durchmischt würden. With regard to the device, there are essentially two alternatives Solutions are used. In one solution, the lines open the furnace heat exchanger directly into the storage tank, and in the other case is in the storage tank below the constructive Liquid level for the storage volume of a tank heat exchanger the lines of the furnace heat exchanger are connected. By doing the latter case finds indirect heat transfer through the Walls of the tank heat exchanger take place without the two Cooling media would be mixed.

Wesentlich ist in jedem Falle nur, daß ein hinreichend großes Speichervolumen einer Flüssigkeit mit einer entsprechend großen Wärme-Speicherkapazität zur Verfügung gestellt wird, und daß dieses Speichervolumen eine möglichst niedrige Temperatur aufweist, so daß ein entsprechend großer Temperaturanstieg des Speichervolumens möglich ist. The only thing that is essential in any case is that it is sufficiently large Storage volume of a liquid with a correspondingly large heat storage capacity is provided and that this Storage volume has the lowest possible temperature, so that a a correspondingly large increase in temperature of the storage volume is possible.  

Der Ausdruck "konstruktiver Flüssigkeitsspiegel" ist eine konstruktive Angabe, die der Konstrukteur beim Entwurf des Speichertanks zu berücksichtigen hat. The term "constructive liquid level" is a constructive statement which the designer has to take into account when designing the storage tank.

Es ist dabei im Zuge einer wiederum vorteilhaften weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes möglich, oberhalb des konstruktiven Flüssigkeitsspiegels für das Speichervolumen einen Kondensator für Wasserdampf anzuordnen, so daß eine möglichst geringe Dampfmenge über die Vakuumpumpe geführt und im nachhinein wieder ergänzt werden muß, damit das Speichervolumen seinen ursprünglichen Umfang beibehält. It is in the course of another advantageous embodiment of the Subject of the invention possible, above the constructive Liquid level for the storage volume a condenser for Arrange water vapor so that the smallest possible amount of steam over the vacuum pump has to be guided and subsequently supplemented, so that the storage volume maintains its original size.

Es ist dabei weiterhin von Vorteil, wenn der Ofen-Wärmetauscher mindestens zwei in Gas-Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Wärmetauscher-Stufen aufweist, von denen mindestens eine der ersten Wärmetauscher-Stufen an einen normalen Wasserkreislauf und mindestens eine der in Gas-Strömungsrichtung folgenden Wärmetauscher-Stufen an den Speichertank angeschlossen ist. Die hierbei erlangten Vorteile hinsichtlich der Investitions- und Betriebskosten wurden bereits weiter oben aufgeführt. It is also advantageous if the 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. The advantages gained in this regard in terms of investment and operating costs have already been listed above.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 4 näher erläutert. Exemplary embodiments of the subject matter of the invention are as follows explained in more detail with reference to FIGS. 1 to 4.

Es zeigen:

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.

Show it:

Figure 1

2 shows a schematic vertical section through a heat treatment furnace, and a storage tank and the line routing for a cooling medium which is mixed with the storage volume,

Figure 2

1 shows an analog representation of the lower part of FIG. 1, but with a storage tank in which the cooling medium guided over the furnace heat exchanger is kept separate from the storage volume by a tank heat exchanger,

Figure 3

a graphical representation of a possible operational sequence for the devices of Figures 1 and 2 with respect to temperature and pressure in the storage tank, and

Figure 4

a representation analogous to Figure 1, but with a two-stage furnace heat exchanger and two coolant circuits.

In Figur 1 ist ein Wärmebehandlungsofen 1 dargestellt, der als Vakuumofen ausgebildet ist. Sein Innenraum ist in einen Chargenbereich 2 und in einen Kühlbereich 3 unterteilt. Im Chargenbereich 2 befindet sich eine Charge 4, die aus zahlreichen Werkstücken besteht und von einer Wärmedämmung 5 umgeben ist. Zu dieser Wärmedämmung gehören zwei bewegliche Klappen 6 und 7, die zur Steuerung einer Kühlgasströmung durch die Öffnungen 8 und 9 im Sinne der eingezeichneten Strömungspfeile dienen. Die für die Aufheizung der Charge 4 erforderlichen Heizeinrichtungen sind der Einfachheit halber nicht dargestellt. Der Chargenbereich 2 ist von dem Kühlbereich 3 durch eine Wand 10 getrennt, die zur Wärmedämmung 5 gehört. In Figure 1, 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.

Im Kühlbereich 3 befindet sich ein Ofen-Wärmetauscher 11 mit Kühlflächen 12, die nur sehr schematisch dargestellt sind, und auf deren Sekundärseite ein flüssiges Kühlmedium in einem Kreislauf 13 geführt wird, zu denen unter anderem die Zuleitung 13a und die Ableitung 13b gehören. In the 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.

Der Wärmetauscher 11 ist von einer weiteren Wärmedämmung 14 umgeben. Durch ein Gebläse 15 mit einem Antriebsmotor 16 läßt sich das Abschreckgas bei geöffneten Klappen 6 und 7 in einem Kreislauf im Sinne der eingezeichneten Strömungspfeile führen. 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.  

Zum Kühlmittelkreislauf 13 gehört ein Wärme-Abführ-Aggregat 17, das aus einem druckfesten und gasdichten Speichertank 18 besteht, der von einer Wärmeisolierung 19 umgeben ist, von der nur ein Teil symbolisch dargestellt ist. In dem Speichertank 18 befindet sich ein Speichervolumen 20, das aus einer der weiter oben beschriebenen Flüssigkeiten bestehen kann, in jedem Falle aber einen erheblichen Anteil einer verdampfbaren Flüssigkeit, insbesondere von Wasser, enthält. Das Speichervolumen umfaßt mehrere 1000 Liter der besagten Flüssigkeit und besitzt einen konstruktiven Flüssigkeitsspiegel 21, oberhalb dessen sich ein Gas- oder Dampfraum 22 befindet. 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.

Der Speichertank 18 ist über eine Leitung 23 an eine Vakuumpumpe 24 angeschlossen, die je nach den gewählten Betriebsbedingungen aus einer mechanischen Vakuumpumpe, einem Pumpsatz, oder einfach aus einer Wasserstrahlpumpe bestehen kann. Etwa gebildetes Kondensat kann durch eine gestrichelt angedeutete Leitung 25 in den Speichertank zurückgeführt werden. Die Zuleitung 13a für den Ofen-Wärmetauscher 11 geht über eine Flüssigkeitspumpe 26 vom unteren Teil des Speichertanks 18 aus, und die Rückleitung 13b mündet in den Dampfraum 22, so daß sich die flüssige Phase des Rücklaufs sofort mit dem Speichervolumen 20 vermischen kann. Meßgeräte 27 und 28 dienen zur Messung von Druck P und Temperatur T. Zum Speichertank 18 gehören noch ein Wasserzulauf 29, ein Gaseinlaß 30 und ein Sicherheitsventil 31, durch das Wasserdampf bei einem Druck oberhalb von etwa 1 bar austreten kann. 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.

Die Betriebsweise einer solchen Vorrichtung kann beispielhaft wie folgt beschrieben werden: Im Speichertank 18, der einen Rauminhalt von 8 m³ aufweist, befinden sich 5 m³ Wasser mit einer Temperatur von 20 °C. Durch Evakuieren mittels der Vakuumpumpe 14, die bei diesem Beispiel als Wasserstrahlpumpe ausgeführt ist, wird der Speichertank auf einen Druck von 0,0123 bar evakuiert, was einer Siedetemperatur des Wassers von 10 °C entspricht. Dadurch sinkt die Temperatur des Wassers allmählich auf 10 °C, wobei 84,2 kg Wasser verdampft werden. Der Speichertank 18 wird anschließend auf 0,042 bar mit einem Gas wie Luft oder Stickstoff geflutet. Danach wird im Wärmebehandlungsofen 1 ein Abschreckvorgang durchgeführt, wobei durch die Flüssigkeitspumpe 26 ständig das im Wärmetauscher 11 erwärmte Kühlwasser durch den Speichertank 18 geführt und dort entsprechend abgekühlt wird. Das Wasser im Speichertank 18 wird dabei allmählich erwärmt, und würde bei dem eingestellten Druck von 0,042 bar erst bei 30 °C zu sieden beginnen. In den ersten beiden Minuten des Abschreckvorgangs fallen Wärmemengen von etwa 3 Megawatt an, was zu einer Erwärmung des Speichervolumens um 17,5 °C auf 27,5 °C führt. Daraus ergibt sich, daß das Wasser unterhalb der Siedetemperatur gehalten wird. 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. By evacuating by means of 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. As a result, 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. In the first two minutes of the quenching process, 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.

Für den weiteren Prozeßablauf gibt es mehrere alternative Möglichkeiten:

• 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.

There are several alternative options for the further process flow:

• The storage tank is refilled by flooding with gas to a higher pressure up to a maximum of 1 bar, corresponding to a boiling temperature of 100 ° C, until the quenching process has ended. In this case, the water supply would be heated to approx. 88.7 ° C if a heat quantity of 1 megawatt was still generated for a period of 15 minutes. The amount of water to be evaporated by the subsequent vacuum evaporation is approx. 650 kg and is then refilled. The storage tank is then evacuated again and the storage volume is cooled again to the original starting temperature of 10 ° C by evaporative cooling. Since a few hours pass before the next quenching process, a vacuum pump of low power is sufficient.
• When using a vacuum pump with a higher suction power, a boiling of the storage volume during the quenching process can also be tolerated. If you do not want the temperature of the storage volume to rise above 30 ° C, for example, during the quenching, the vacuum pump must have a suction capacity which is able to ensure a deduction of the amount of water evaporated by the amount of heat introduced. The following influencing options are available: The higher the pressure or the higher the boiling temperature, the lower the suction power of the vacuum pump can be selected. If you want to lower the initial temperature further, the anti-freeze agents already given above must be added to the storage volume. For example, by adding appropriate amounts of glycol, the freezing temperature of the cooling medium can be reduced to -20 ° C, and the boiling temperature can also be reduced at the same time.

In Figur 2 werden gleiche Teile oder Teile mit gleicher Funktion mit gleichen Bezugszeichen versehen, so daß sich Wiederholungen erübrigen. Das Wärmeabfuhr-Aggregat 32 hat jedoch einen anderen Aufbau als das Wärmeabfuhr-Aggreat 17 in Figur 1: Im Speichertank 18 befindet sich unterhalb des konstruktiven Flüssigkeitsspiegels 21 für das Speichervolumen 20 ein Tank-Wärmetauscher 33, der das über den Ofen-Wärmetauscher 11 geführte Kühlmedium vom Speichervolumen 20 getrennt hält. An diesen Tank-Wärmetauscher 33 sind die Leitungen 13a und 13b des Ofen-Wärmetauschers 11 angeschlossen. Die beschriebene Verdampfungskühlung bewirkt große Wärmeübergangszahlen, so daß man mit einem entsprechend kleinen Tank-Wärmeaustauscher auskommt. Man kann hierbei aber das Kühlmedium im Kreislauf 13 unter einem höheren Druck halten und dadurch Siedevorgänge im Ofen-Wärmetauscher 11 vermeiden, und zwar auch dann, wenn dort höhere Kühlmittel-Temperaturen auftreten sollten. Beim Wärme-Abfuhr-Aggregat 17 nach Figur 1 würde beim Auftreten von Verdampfungsvorgängen im Ofen-Wärmetauscher ein Zwei-Phasengemisch vom Ofen-Wärmetauscher in den Speichertank zurückströmen, und dieses Zwei-Phasen-Gemisch wird im Speichertank 18 über Schwerkraft getrennt, und der entstandene Dampf wird über die Vakuumpumpe 24 abgesaugt. Das Wasser, welches nie wärmer wird, als die dem Druck entsprechende Siedetemperatur, wird wieder zurückgepumpt. In Figure 2, the same parts or parts with the same function with the same Provide reference numerals so that repetitions are unnecessary. The Heat dissipation unit 32, however, 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. Man but can the cooling medium in the circuit 13 under a higher Maintain pressure and thereby boiling processes in the furnace heat exchanger 11 Avoid, even if there are higher coolant temperatures should occur. In the heat dissipation unit 17 of Figure 1 would Evaporation occurs in the furnace heat exchanger using a two-phase mixture from the furnace heat exchanger into the storage tank flow back, and this two-phase mixture is in the storage tank 18th   separated by gravity, and the resulting steam is over the Vacuum pump 24 aspirated. The water that never gets warmer than that the boiling temperature corresponding to the pressure is pumped back again.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 sind der Vakuumpumpe 24 ein erster Kondensator 34 vorgeschaltet und ein zweiter Kondensator 35 nachgeschaltet. Es ist jedoch möglich, auf jeweils einen dieser Kondensatoren 34 oder 35 zu verzichten oder überhaupt keinen Kondensator vorzusehen. Die anfallenden Kondensate werden über die Leitungen 34a bzw. 35a in den Speichertank 18 zurückgeleitet. In the exemplary embodiment according to FIG. 2, 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.

Besonders vorteilhaft ist jedoch die Anbringung eines Tank-Kondensators 36 im Dampfraum 22, d.h. oberhalb des konstruktiven Flüssigkeitsspiegels 21 für das Speichervolumen 20. Auf diese Weise tropft das Kondensat unmittelbar in das Speichervolumen 20 zurück. However, 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.

In Figur 3 ist auf der Abszisse die Zeit "t" dimensionslos aufgetragen. Auf der linken Ordinate ist die Temperatur T von 0 bis 100 °C aufgetragen, und auf der rechten Ordinate der Druck P bis etwa 1 bar. Die obere Kurve "P" steht für den Druck, und die untere Kurve "T" steht für die Temperatur. Die einzelnen Verfahrensabschnitte sind durchlaufend von 1 bis 8 beziffert. Im Abschnitt 1 findet ein Füllen des Speichertanks 18 mit Wasser bei Raumtemperatur statt. Im Abschnitt 2 erfolgt das Evakuieren des Speichertanks 18 in Verbindung mit einer Temperaturabsenkung auf weniger als 10 °C. Im Abschnitt 3 wird das Speichervolumen auf dieser Temperatur gehalten, der Druck P jedoch durch Fluten des Speichertanks 18 mit einem Gas entsprechend den obigen Angaben erhöht. Am Anfang des Abschnitts 4 beginnt der Abschreckvorgang bei konstantem Druck im Speichertank 18. Hierbei steigt die Temperatur T entsprechend an. Im Abschnitt 5 beginnt das Speichervolumen 20 zu sieden, so daß die Temperatur T zunächst konstant bleibt. Hingegen wird das Evakuieren durch die Vakuumpumpe 24 fortgesetzt. Am Ende des Abschnittes 6 ist die Abschreckung beendet, und es erfolgt ein Nachfüllen von Wasser, so daß die Temperatur durch den Mischungsvorgang wieder leicht absinkt. Im Abschnitt 7 erfolgt eine weitere Evakuierung (ohne Wärmezufuhr) und ein Herunterkühlen des Speichervolumens 20 auf den Anfangszustand gemäß Abschnitt 1. Im Abschnitt 8, der mit dem Abschnitt 3 übereinstimmt, erfolgt wiederum ein teilweises Fluten des Speichertanks 18 auf einen geringfügig höheren Druck. Der Betriebszyklus kann jetzt wiederholt werden. In Figure 3, the time "t" is plotted dimensionless on the abscissa. On the 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. In section 2 the evacuation of the Storage tanks 18 associated with lowering the temperature to less than 10 ° C. In section 3 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. At the beginning of section 4 the quenching process begins at constant pressure in the storage tank 18. The temperature T rises accordingly. It starts in section 5 Boiling volume 20 to boil, so that the temperature T initially constant remains. On the other hand, the evacuation is carried out by the vacuum pump 24 continued. At the end of section 6, the deterrent has ended, and   there is a refill of water, so that the temperature by the Mixing process drops slightly again. Another section follows in section 7 Evacuation (without heating) and cooling down of the Storage volume 20 to the initial state according to section 1. Im Section 8, which corresponds to section 3, again takes place partial flooding of the storage tank 18 to a slightly higher pressure. The operating cycle can now be repeated.

Das Ausführungsbeispiel nach Figur 4 unterscheidet sich von demjenigen nach Figur 1 dadurch, daß der Ofen-Wärmetauscher 37 zwei Wärmetauscher-Stufen 38 und 39 enthält. Die in Gas-Strömungsrichtung (siehe eingezeichnete Pfeile) erste Wärmetauscher-Stufe 38 ist über Leitungen 38a und 38b an einen normalen Wasserkreislauf angeschlossen, der beispielhaft eine Rückkühlanlage sein kann, die nach dem Verdunstungsprinzip arbeitet. Die in Gas-Strömungsrichtung unmittelbar nachfolgende zweite Wärmetauscher-Stufe 39 ist in analoger Weise an den Kreislauf 13 angeschlossen, wie dies in Figur 1 gezeigt ist. Dadurch ist es möglich, einen großen Teil der kurzzeitig anfallenden Wärmemengen über die erste Wärmetauscher-Stufe 38 auf dem üblichen Wege abzuführen und nur den verbleibenden Rest der Wärmemenge über die zweite Wärmetauscher-Stufe 39 durch Verdampfungskühlung abzuführen. Es ist noch festzuhalten, daß bei den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 1 und 2 die Zuleitungen 13a und 13b unmittelbar in den Speichertank 18 münden. 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.

Claims (19)

1. Process for cooling, especially quenching, work pieces by gases in a heat treatment furnace (1) and recooling the gases conveyed in a gas circuit to cooling surfaces (12) in at least one furnace heat exchanger (11, 37) arranged in the heat treatment furnace (1). The heat exchanger is connected with an external heat carry-off unit (17, 32) via pipes (13a, 13b) for a liquid cooling medium conducted in a liquid circuit (13). The process is characterised by a storage volume (20) of an aqueous cooling medium exposed to an negative pressure in the external heat carry-off unit (17, 32), such that at least one part of the aqueous phase of the storage volume (20) is vaporised to remove heat from the liquid circuit (13) via the furnace heat exchanger (11, 37).
2. Process as per claim 1 characterised by mixing the cooling medium conducted in the liquid circuit (13) with the storage volume (20), thereby directly removing heat from the cooling medium conducted in the circuit through the furnace heat exchanger (11, 37).
3. Process as per claim 1 characterised by a closed circuit. By means of a further tank heat exchanger (33) arranged in the storage volume (20), this circuit conducts the cooling medium, which is conducted through the furnace heat exchanger (11, 37), through the storage volume (20).
4. Process as per claim 1 characterised by exposure of the storage volume (20) in a heat-insulated storage tank (18) to an negative pressure, even outside the cooling stage of the work pieces, at which the aqueous phase of the storage volume vaporises.
5. Process as per claim 1 characterised by cooling the storage volume (20) by evaporation cooling to temperatures not exceeding 20°C and preferably no higher than 0°C.
6. Process as per claim 1 characterised by adding at least one antifreezing compound to the cooling medium and/or storage volume (20).
7. Process as per claim 6 characterised by using at least one antifreezing compound from the group of monovalent and polyvalent alcohols and salts.
8. Process as per claim 1 characterised by initial cooling of the storage volume (2) to a first temperature T1 before cooling the work pieces, by applying a pressure P1, and then setting a higher pressure P2 and, next, commencing the process of cooling the work pieces.
9. Process as per claim 8 characterised by further increasing pressure P2, continually or in stages, during the process of cooling the work pieces.
10. Process as per claim 1 characterised by keeping the storage volume (20) on the boil by the appropriate pressure setting, at least towards the end of the process of cooling of the work pieces.
11. Process as per claim 1 characterised by condensing the evaporated water of the storage volume (10) and returning it to the storage volume (20).
12. Process as per claim 11 characterised by maintaining a steam condenser (36) in operation above the storage volume (20) in the storage tank (18).
13. Process as per claim 1 characterised by providing a multistage furnace heat exchanger (37) in the heat treatment furnace (1) and connecting at least one of the first heat exchanger stages (38) in the direction of flow of the gas to a water circuit at below normal pressure, and connecting at least one following heat exchanger stage (39) in the direction of flow of the gas to the circuit (13) with negative pressure evaporation cooling.
14. Process as per claim 1 characterised by first cooling the storage volume (20) to a temperature below 20°C by pressure reduction and keeping the storage volume ready, and then, before the cooling of the work pieces, raising the pressure to a value at which no boiling of the storage volume occurs at the start of the cooling process of the work pieces, initiating the cooling process and continuing it until boiling of the storage volume occurs, sucking off the steam until completion of the cooling, and then topping up the evaporated storage volume and again cooling the topped up storage volume back to the start condition, by evaporation cooling.
15. Device for cooling, especially quenching, work pieces by gases with a heat treatment furnace (1) and at least one furnace heat exchanger (11, 37) arranged in the heat treatment furnace (1) for recooling the quenching gases conducted in a gas circuit to cooling surfaces (12) of the furnace heat exchanger (11, 37), and with an external heat carry-off unit (17, 32) connected via pipes (13a, 13b) to the heat treatment furnace (1), characterised by the heat carry-off unit (17, 32) having a drainable storage tank (18) for an aqueous cooling medium and a vacuum pump (24) connected to the storage tank (18).
16. Device as per claim 15 characterised by the pipes (13a, 13b) of the furnace heat exchanger (11, 37) discharging directly into the storage tank (18).
17. Device as per claim 15 characterised by connection of a tank heat exchanger (33) in the storage tank (18) below the design liquid level (21) for the storage volume (20), with the pipes (13a, 13b) of the furnace heat exchanger (11, 37) connected to the tank heat exchanger (33).
18. Device as per claim 15 characterised by a tank condenser (36) for steam arranged in the storage tank (18) above the design liquid level (21) for the storage volume (20).
19. Device as per claim 15 characterised by the furnace heat exchanger (11, 37) having at least two heat exchanger stages (38, 39) arranged in series in the direction of flow of the gas. At least one of the first heat exchanger stages (38) is connected to a normal water circuit and at least one of the following heat exchanger stages (39) in the direction of flow of the gas is connected to the storage tank (18).