DE2703852B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen der Innenwand eines Metallrohres - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen der Innenwand eines Metallrohres gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

Ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art ist in der DE-PS 7 52 084 beschrieben. Die Kühlmittclstrahlcn laufen dort in solchen Ebenen, die die Rohrachse enthalten, und treffen in diesen Ebenen schräg auf die Innenwand des Rohres auf. Selbst dann, wenn die einzelnen Kühlmittelstrahl-jn einen gewissen Öffnungswinkel haben, erhält man in Umfangsrichtung des Rohres keine völlig gleichmäßige Abkühlung. Vielmehr erhält man beim Bewegen des Rohres bezüglich des Spritzkopfes der Kühlvorrichtung auf seiner Innenwand eine Vielzahl parallel zur Rohrachse verlaufender Streifen abwechselnd hoher und niederer Temperatur. Hierdurch erhält man thermische Spannungen in LJmiangsrichtungdes Rohres. Dieser Nachteil tritt noch verstärki auf. wenn — wie dies in der Praxis oft der Fall ist — der Kühlmitteldurchsatz durch die verschiedenen Spritzdüsen des Spritzkopfes nicht genau gleich eingestellt werden kann.

Es sind zwar ferner Verfahren zum Abkühlen von

> Rohren bekannt, bei denen das Rohr zusätzlich gedreht wird. Dies erfordert aber insbesondere bei großer.

Durchmesser aufweisenden und langen Rohren den Einsatz sehr aufwendiger und schwierig zu wartender Vorrichtungen. Man erhält auch weiterhin keine völlig

i" gleichmäßige Abkühlung auf der Innenwand, es sei denn, die Drehgeschwindigkeit des Rohres ist groß verglichen mit dem axialen Vorschub des Spritzkopfes.

Letzteres erhöht aber die Dauer des Abkühlvorganges.

Durch die vorliegende Erfindung soll dagegen ein

ι > Verfahren der eingangs angegebenen Art geschaffen werde«, mit dem eine gleichförmige Abkühlung der Innenwand eines Rohren ohne großen maschinellen Aufwand erreicht wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein ■■' Verfahren gemäß Anspruch 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Innenwand des Rohres durch eine Vielzahl von Kühlmittelstrahlen gekühlt, die sich längs wendeiförmiger Bahnen auf der Innenwand bewegen. Dabei läuft jeder Kühlmittelstrahl in kurzer Zeit um die Rohrachse herum. Bei der axialen Relativbewegung zwischen den Kühlmittelstrahlen auf dem Rohr erfolgt dann ein völliger \usj,'leich der Temperatur längs der Rohrinnenwand, und zwar auch dann, wenn die einzelnen ■■ Spritzdüsen unterschiedliche Kühlmittclmengen pro Zeileinheit abgeben. Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit einer einfachen, weilgehend wartungsfreien Vorrichtung ohne drehbaren Spritzkopf durchgeführt werden.

Da die Geschwindigkeit der Kühlmittclstrahlen auf mehr als 5 m/s eingestellt ist. ist sichergestellt, daß bei horizontal ausgerichtetem Rohr die Kühlmittclstrahlen auch unter der .Schwerkrafteinwirkung nicht nur sicher auf die Rohrinnenwand gelangen, sondern auch über ■ mehrere Umläufe auf dieser laufen.

Verwendet man gemäß Anspruch 2 als Kühlmittel Wasser, so erhält man eine besonders geringe Geschwindigkeitsabnahme der spiralförmig auf der Rohrinnenwand laufenden Kühlmittelstrahlen, einerseits deshalb, da Wasser eine geringe Viskosität aufweist, zum anderen deshalb, da sich bei sehr heißen Rohren zwischen dem Wasser und der Innenwand beim Abkühlen ein Dampfpolstcr bildet, auf dem der Kühlmittelstrahl mit geringer Reibung laufen kann. Auf diese Weise erhält man eine besonders große Anzahl von Umläufen der Kühlmittclstrahlcn um die Rohrachse und damit auch eine besonders gleichförmige Abkühlung der Rohrinnenwand.

Bei einem Verfahren gemäß Anspruch J läßt sich die Geschwindigkeit der Kühlmitlelstrahlcn ;iuf sehr einfache Weise einstellen. Zugleich kann über den Wasseranteil des Kühlmittels die Kühlleistung in einfacher Weise vorgegeben werden.

Bei der in der DE-PS 7 52 084 beschriebenen Vorrichtung zum Kühlen der Innenwand eines Rohres erfolgt die Vorgabe der Richtung, in der die Kühlmittelstrahlcn vom Spritzkopf abgegeben werden. und damit auch der Richtung, in der die Kühlmittclstrahlen auf die Innenwand des Rohres auftreffen, durch entsprechende Orientierung langer, dünner Diiscnkunä-Ie. Dies führt zu ungünstigen Strömungsverhällnissen und nur kleinem Kühlmittddiirehsalz durch die Spritzdüsen, insbesondere auch dann, wenn dieses

Prinzip der Kühlmittelstrahlausrichtung auf Spritzköpfe übertragen werden soll, bei denen die Kühlmittelstrahien zugleich schräg aus der Umfangsfläche des Spritzkopfes austreten sollen.

Gemäß Anspruch 4 sind bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zwischen der Speiseleitung für das Kühlmittel und dem Spritzkopf selbst dünne Zuführleitungen vorgesehen, die selbst schräg in den Spritzkopf einmünden. Auf diese Weise erhält schon das in uie Kammer des Spritzkopfes eintretende Kühlmittel einen Drall und tnu mit einer Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung aus dem Spritzkopf aus. also in der gewünschten schrägen Richtung. Die Außenwand des Spritzkopfes kann also verhältnismäßig dünn sein, da die Spritzdüsen nicht für das schräge Austreten der Kühlmittelstrahlen bezüglich einer die Rohrachse bzw. die mit dieser zusammenfallende Spritzkopfachse enthaltenden Ebene sorgen müssen. Dies bedeutet nicht nur eine Materialersparnis und einfachere Herstellbarkeit, man kann auch den Öffnungswinkel der Kühlmittelstrahlen vergrößern und zugleich trotzdem die Achse der Kühlmittelstrahlen in der gewünschten Weise orientieren. Bei der bekannten Vorrichtung muß bei guter Orientierung der Kühlmittelstrahlachse zugleich ein enger öffnungswinkel des Kühlmittelstrahles in Kauf genommen werden.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme ai.f die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt

Fig. 1 einen transversalen Schnitt durch ein Metallrohr mit einer eingesetzten Vorrichtung zum Kühlen seiner Innenwand;

I-i g. 2 eine seitliche Ansicht der in das Metallrohr eingesetzten Kühlvorrichiung nach Fig. I. wobei ein Teil des Metallrohres weggebrochen ist;

Kig. Ja einen axialen Schnitt durch eine /weite Vorrichtung zum Kühlen der Innenwand eines Metallrohrcs;

Fig. 3b einen transversalen Schnitt durch die Kühlvorrichtung nach F" i g. Ja längs der Linie Ill-Ill;

Fig.4 eine grafische Darstellung der maximalen relativen Schwankung tier Abkiihlgeschwindigkeit in verschiedenen Abschnitten der Innenwand in Abhängigkeit von dem /wischen den Kühlmittelstrahlcn und einer zur Rohrachse senkrechten F.bene eingeschlossenen Winkel«; und

F i g. 5 eine grafische Darstellung der maximalen relativen Schwankung der Abkiihlgeschwindigkeit in verschiedenen Abschnitten der Innenwand in Abhängigkeit von dem zwischen den Kühlmiltelstrahlen und einer die Rohrachse enthaltenden F.bene eingeschlossenen Winkel/}.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Metallrohr I gezeigt, in dessen Inneres ein ringförmiger Spritzkopf 2 eingeführt ist. Dieser weist eine große Λη/.ahl von Sprit/.düscn 4 auf, die so angeordnet sind, daß die aus ihnen austretenden Kühlmittelstrahlcn mit einer senkrecht auf der Spritzkopfachse stehenden Ebene einen Winkel λ einschließen, der nachstehend auch als Anstellwinkel bezeichnet wird. Die aus den Sprit/.düsen 4 austretenden Kühlmittelstrahlen schließen ferner mit einer die Sprit/kopfaehse enthaltenden Ebene einen Winkel β ein, der nachstehend auch als A/.imuthwinkel bezeichnet wird.

Auf der Sprit/kopfaehse ist eine Speiseleitung 5 für Wasser angeordnet, die über eine Mchr/..hl kleiner /uführleitungen 7 mil dem Spritzkopf 2 verbunden ist. Diese /uführleiliingen 7 sind derart mit dein Spritzkopf 2 verbunden, daß sie ihn unter einem Azimuihwinkel j3i schneiden. In die Speiseleitung 5 für Wasser ist ein Regelventil geschaltet, durch das der Kühlmitteldurchsatz und Kühlmitteldruck beliebig regelbar ist. Der Spritzkopf 2 wird je nach Bedarf m'ci Kühlwasser 6 oder gleichmäßig mit mit Druckluft vermischtem Kühlwasser beaufschlagt.

Wird das Kühlwasser oder mit Druckluft vermischtes und zerstäubtes Kühlwasser über die Speiseleitung 5 mit hohem Druck zugeführt, so strömt es unter dem Azimuthwinkel ßi in den Spritzkopf 2 ein. Die Flüssigkeit bildet somit in dem Spritzkopf 2 einen Winkel und tritt aus den Spritzdüsen 4 unter Einhaltung des Anstellwinkels χ und des Azimuthwinkels β aus. Man erhält so auf der Innenwand des Metallrohres eine schnelle, wendeiförmige Flüssigkeitsströmung. Die Geschwindigkeit der Flüssigkeitsstrahlen muß mehr als 5 m/s betragen, damit die nach oben gerichteten Flüssigkeitsstrahlen entgegen der Schwerkraft sicher die Innenwand des Metallrohres erreichen und auf dieser zwangsläufug eine spiralige Strömung längs der Innenwand des Metallrohres erzeugen können. Hierdurch ist es möglich, die Innenwand des Metallrohres gleichmäßig zu kühlen und ein Auftreten harter Stellen beim Härten der Rohrwand zu vermeiden, die dadurch hervorgerufen werden, daß sich Kühlflüssigkeit im unteren Bereich der Rohrinnenwand ansammelt oder dort langer verweilt. Durch entsprechende Wahl der Größe des Anstellwinkels und des Azimuthwinkels kann außerdem eine entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung des Metallrohres erfolgende Flüssigkeitsströmung verhindert werden, so daß auch insofern eine gleichmaßigere Kühlung gewährleistet ist.

Bei der in den Fig. 3a und 3b gezeigten /weiten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Kühlen der Innenwand eines Rohres wird das Kühlwasser mit Druckluft vermischt und dann einem Spritzkopf zugeführt. Dort besteht eine insgesamt mit 9 bezeichnete Speiseleitung aus einer Koaxialanordnung, die aus einer zentralen Speiseleitung 5 für Wasser und einer diese umschließenden Speiseleitung 8 für Druckluft besteht. Von den Speiseleitungen 5 und 8 gehen dünnere Wasserleitungen 10 bzw. dünnere Druckluftlcitungen ti aus. Eine jede dieser Wasserleitungen IO und Druckluftlcitungen 11 enthält ein Regelventil 12 und ein Manometer 13. Diese Leitungen sind jeweils mit einer der dünnen Zuführleitungen 7 verbunden, die auch schon bei der ersten Ausführungsform der Kühlvorrichtung vorgesehen waren. Durch entsprechende Einstellung der Regelventile unter Berücksichtigung der Anzeigen der Manometer kann so Kühlwasser und Druckluft unter solchem Druck zugeführt werden, daß man einen gleichmäßigen Sprühdruck eier aus den Spritzdüscn austretenden. Kühlmittelstrahlen und eine einfache Steuerung der Geschwindigkeit der Kühlmittelstrahlen erhält.

In den Fi g. 4 und 5 sind grafisch Versuchsergebnisse dargestellt, die die Gleichmäßigkeit der Abkühlung der Rohrinnenwand veranschaulichen. Bei diesen Versuchen wurde die zum Abkühlen eines Metallrohres von 800"C auf 400⁰C erforderliche Zeitspanne t an mehreren Punkten des Umfanges von Mctallrohren durch Thermoelemente gemessen, die in einer senkrecht auf der Rohrachse stehenden Ebene angeordnet waren. Die Abkiihlgeschwindigkeit Van jeder dieser Stellen ist somit gegeben durch 400"C7/ (°C/s). Bezeichnet man mit Λ V den Unterschied zwischen der höchsten und der niedrigsten Abkiihlgeschwindigkeit an den verschiede-

nen Meßstellen und mit Va die mittlere Abkühlgeschwindigkeit, so stellt die mittlere relative Schwankung der Abkühlgeschwindigkeit AV/Va ein Maß für die Gleichförmigkeit der Abkühlung dar. Die Gleichförmigkeit ist umso besser, je kleiner der Wert von Δ V/Va ist. Die Geschwindigkeit der Kühlmittelstrahlen betrug mehr als 5 m/s. Bei festem Azimuthwinkel β von 45° und Änderung des Anstellwinkels α erhält man die in F i g. 4 gezeigten Verhältnisse. Hält man dagegen den Wert für χ konstant auf 45° und ändert den Azimuthwin erhält man die in Fig. 5 gezeigten Verhältniss Versuchsergebnisse zeigen, daß der Anstellwin Bereich von 30—70° und der Azimuthwink Bereich von 30—90° gewählt werden sollte. Im auf die Gewährleistung einer gleichmäßigen Si des Kühlmittels sollte der Wert für den Wink Bereich von 30—60° gewählt werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Kühlen der Innenfläche eines Metallrohres, bei dem auf die Innenwand des Rohres eine Vielzahl in Umfangsrichtung verteilter Kühlmittelstrahlen gerichtet wird, die mit einer senkrecht zur Rohrachse stehenden F.bene einen Winkel von 30—70" einschließen, und bei dem eine Relativbewegung zwischen dem Rohr und den Kühlmittelstrahlen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelstrahlen zugleich mit einer die Rohrachse enthaltenden Ebene einen Winkel von 30—90° einschließen und daß die Geschwindigkeit der Kühlmittelstrahlen auf mehr als 5 m/s eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel Wasser verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel ein Gemisch aus Wasser und Luft verwendet wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 2, mit einem in das Rohr einführbaren und längs dessen Achse bewegbaren Spritzkopf, der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung verteilten Spritzdüsen aufweist, deren Achsen mit einer senkrecht auf der Spritzkopfachsc stehenden Ebene einen Winkel von 30—70° einschließen, und mit einer Speiseleitung für Kühlmittel die mit den Spritzdüsen kommuniziert, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseleitung (5; 9) mit dem Spritzkopf (2) über eine Mehrzahl dünner Zuführleitungcn (7) verbunden ist, die in den Spritzkopf (2) unter einem Winkel {ß) zu der den Einmündungspunkt und die Rohrachse enthaltenden Ebene einmünden, der zwischen 30 und 60" beträgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseleitung durch eine einzige Speiseleitung (5) für Wasser gebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseleitung durch eine Koaxialanordnung aus einer Speiseleitung (5) für Wasser und aus einer Speiseleitung (8) für Druckluft besteht.