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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen eines rieselfähigen oder fließfähigen Produktes, beispielsweise Strontiumhexaferrit in Form von Granalien oder ähnlichem bei der Herstellung von Hartferriten.
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In vielen technischen Prozessen stellt sich oft die Aufgabe, ein rieselfähiges oder fließfähiges Produkt nach Durchlaufen eines Ofens weiter zu transportieren und dabei zu kühlen. Hierbei ist es üblich, wassergekühlte Drehrohre oder Schnecken zu verwenden.
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Das rieselfähige oder fließfähige Produkt, das den Ofen mit einer Temperatur von beispielsweise über 1000°C verlässt, wird beim Weitertransport mittels dieses wassergekühlten Drehrohrs während des Transportes abgekühlt. Ein Beispiel einer derartigen Drehrohr- bzw. Rohrschneckenkühlung ist in dem deutschen Gebrauchsmuster
DE 20106822 U1 offenbart.
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Wünschenswert ist es jedoch, die bei der Kühlung an das Kühlmedium abgegebene Wärme in gewissem Ausmaß zurückzugewinnen. In diesem Zusammenhang schlägt die Patentanmeldung
DD 281451 A5 vor, entlang einer Drehtrommel mehrere sich drehende Wärmetauscher vorzusehen, die eine gemeinsame Zuleitung haben, und deren Ableitungen über Umschaltventile entweder mit einer gemeinsamen Umlaufleitung oder mit einem stationären Wärmetauscher verbunden sind. Die Schaltung der Umschaltventile erfolgt über eine Steuereinheit nach Temperaturmessungen des Kühlmediums, sodass es möglich wird, die an der Drehtrommel anfallende Abwärme einem Verbraucher mit möglichst hoher und konstanter Temperatur sowie kontinuierlich bereitzustellen. Insoweit zeigt diese Druckschrift den Gegenstand des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Ein Nachteil bei der in dieser Druckschrift gezeigten Technik ist es, dass, da alle Vor- und Rückläufe der einzelnen Kühlbereiche auf eine Leitung geschaltet und mit Ventilen verbunden sind, lediglich eine Art Kühlmedium zur Anwendung gebracht werden kann. Diese Bauweise bringt es auch mit sich, dass eine konstante Strömungsgeschwindigkeit vorgegeben ist. Die Steuerung erfolgt nur durch Umschaltventile.
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Ergänzend sei noch auf die Druckschrift
DE 3320595 A1 hingewiesen, in der ein Schneckenförderer zum Austragen von festen Rückständen aus unter hoher Temperatur und Überdruck betriebenen Einrichtungen gezeigt ist, der aus zwei Abschnitten aufgebaut ist, die getrennte Kühleinrichtungen aufweisen. Diese Druckschrift befasst sich mit dem Problem, dass in dem Schneckenförderer eine weitere Zerkleinerung des Produkts stattfindet, die ihrerseits zu einem stärkeren Verschleiß eines Teils der Schnecke führt. Um diesen Teil effektiv austauschen zu können, ist es vorgesehen, den Schneckenförderer in zwei Abschnitten aufzubauen.
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Die Erfindung hat die Aufgabe, eine verbesserte Vorrichtung zum Kühlen eines rieselfähigen oder fließfähigen Produkts bereitzustellen, die eine effizientere Rückgewinnung der Wärme sowie mehr Freiheitsgrade bei der Durchführung des Kühlvorgangs ermöglicht.
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Aspekte der Erfindung.
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Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren detailliert beschrieben.
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In den Figuren zeigen:
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1 eine Querschnittsansicht durch die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung;
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2 eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in 1;
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3 einen vergrößerten Ausschnitt aus 1 mit Details der Führung des Kühlmediums;
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4 eine weitere Ausschnittsvergrößerung aus 1 zur Verdeutlichung der Führung der Zu- und Ableitung des Kühlmediums; und
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5 ein schematisches Diagramm der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit der zugehörigen Steuerung und Wärmetauschern.
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Im Folgenden wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Kühlen eines rieselfähigen oder fließfähigen Produktes anhand des Beispiels der Produktion von Hartferritmaterialien, insbesondere eines Strontiumferrits (SrFe
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19) beschrieben. Ein Beispiel für ein derartiges Hartferrit ist in der Anmeldung
EP 08172099 beschrieben. Die Herstellung eines Ferrits ist nur ein Beispiel einer Anwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Kühlen eines rieselfähigen oder fließfähigen Produktes. Andere Beispiele finden sich in der Lebensmittelindustrie, bei der Abkühlung von Rohcarbidschmelzen, Weichferriten, allgemeiner Keramik, Baustoffen, Zement, Kalk und vielem mehr. Beispielsweise kann die Erfindung überall dort vorteilhaft eingesetzt werden, in der das Ausgangsprodukt eines Drehofens gekühlt werden muss.
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Wie es bekannt ist, wird zur Herstellung eines Strontiumferrits zunächst Eisenoxid, Strontiumcarbonat und Additive in geringen Mengenanteilen gemischt. Das Mischgut liegt als Granalie oder Slurry vor und wird in einen Drehrohrofen gegeben.
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Bei Temperaturen zwischen 1400 und 1500°C bildet sich Strontiumhexaferrit in Form von glühenden Granalien mit einem Durchmesser zwischen 4 und 25 mm, die den Drehrohrofen verlassen und anschließend möglichst effizient und schnell auf eine Temperatur von 240°C, vorzugsweise 75°C und weiter bevorzugt 50°C oder weniger abgekühlt werden sollte.
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Erfindungsgemäß wird daher das Ausgangsprodukt des Drehrohrofens in einen Behälter 1 eingebracht, beispielsweise über eine Produktrutsche 6. In dem Behälter 1 wird das Produkt transportiert bzw. gefördert. Dies kann vorteilhafterweise durch eine an der Innenwand des Drehrohrs verschweißten Spirale 3 erfolgen.
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Anders gesagt, diese Ausführungsform basiert auf einem Drehrohr. Es ist aber auch angedacht, andere Behälter einzusetzen, beispielsweise solche, in denen der Transport nur durch die Schwerkraft erfolgt wie etwa in einem Schachtkühler, gegebenenfalls mit der Unterstützung von entsprechenden Rüttelsieben.
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Erfindungsgemäß sind entlang der Förderrichtung eine Mehrzahl von Kühlzonen 13a, 13b, 13c um den Behälter 1 ausgebildet.
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Diese Kühlzonen 13a, 13b, 13c sind so ausgestaltet, dass sie unabhängig voneinander mit einem jeweiligen Kühlmedium 15a, 15b, 15c versorgt werden können.
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Hierzu ist erfindungsgemäß der Behälter 1 als Doppelmantelrohr, beispielsweise aus Stahlblech in geschweißter oder gewalzter Ausführung, gefertigt. Die erste Kühlzone 13a ist bei dem erfindungsgemäßen Beispiel ausgestaltet, um eine Kühlung mit Thermoöl als Kühlmedium zu ermöglichen. Die zweite und dritte Zone 13b, 13c sind für den Betrieb mit Wasser als Kühlmedium ausgeführt.
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Der Behälter 1 ist an einem Ende mit einem Antriebszapfen 5 versehen, während an dem anderen Ende ein Endzapfen angebracht ist. Die beiden Zapfen sind in Zapfenlagern 8 gehalten.
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Zur Zuführung des Kühlmediums sind Durchführungen 7 im Bereich der Antriebs- und Endzapfen 5 ausgeführt. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind dies Drehdurchführungen, an denen, nicht in den Figuren gezeigte, flexible Anschlussleitungen vorgesehen sein können.
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Der Antrieb des Behälters 1 zur Drehung mit einer Rotationsgeschwindigkeit von einigen wenigen Umdrehungen pro Minute erfolgt bei der Ausführungsform beispielsweise über einen Hochleistungs-Kettenantrieb (nicht gezeigt) mit einer entsprechenden Steuerung, sodass die Rotationsgeschwindigkeit dem Bedarf angepasst werden kann.
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Bei dem gezeigten Behälter 1 können beispielsweise in vorteilhafter Weise für die Fertigung des Strontiumferrits folgende Bedingungen eingestellt werden.
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Für eine Förderleistung von etwa 600 kg/h des Strontiumferrits mit einer Feststoffdichte von ca. 5 t/m3 und einer spezifischen Wärmekapazität von 0,8 bis 1,0 kJ/(kg·K) hat sich ein Behälter 1 von insgesamt ca. 5 m Länge bei einem Durchmesser von ca. 60 cm als ausreichend und effektiv erwiesen.
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Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zum Kühlen des rieselfähigen oder fließfähigen Produktes mit einem Steuermittel ausgestattet, das es ermöglicht, die Kühlleistung der einzelnen Kühlzonen 13a, 13b, 13c zu steuern. Besonders vorteilhaft ist es, das Steuermittel darüber hinaus auch als Regelung auszugestalten, wobei über entsprechende Sensoren für Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit, Druck, Drehgeschwindigkeit der Drehtrommel, Geschwindigkeit des rieselfähigen oder fließfähigen Produktes bzw. Durchsatzmenge des Produktes und über entsprechende Stellglieder zusammen mit einer Regelschaltung einen automatischen Betrieb ermöglicht wird.
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Beispielsweise kann bei einer Temperatur des Produkteinlaufs von ca. 1000°C und einer Temperatur des Produktauslaufs von 75°C folgende Sollwerte vorgegeben werden.
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Für die erste Kühlzone 13a, in der Thermoöl als Kühlmedium 15a verwendet wird, wird eine Temperatur des zugeführten Kühlmediums von 110°C gewählt, und die Temperatur des abgeführten Kühlmediums wird auf 135°C geregelt. Die hierfür verwendete Thermoölmenge liegt bei etwa 5 m3/h bei einem maximalen Druck von 7 bar. Vorzugsweise erfolgt die Strömung des Kühlmediums entgegen der Förderrichtung des Produktes.
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In einer zweiten Kühlzone 13b ergibt sich eine Produkteinlauftemperatur von 600°C, und eine Temperatur am Auslauf des Produkts von 250°C. Als Kühlmedium wird Wasser verwendet, das mit einer Temperatur von 45°C zugeführt wird, und mit einer Temperatur von 95°C wieder abgegeben wird. Die Wassermenge beträgt 4 m3/h bei einem Druck von 3 bar.
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In der dritten Kühlzone 13c beträgt dann die Temperatur des Produkteinlaufs 250°C, und beim Produktauslauf ergibt sich eine Temperatur von 75°C. Hierzu wird Wasser als Kühlmedium mit einer Temperatur von 10°C zugeführt, und die Abgabetemperatur des Wassers beträgt ca. 12°C. Die Wassermenge in der dritten Kühlzone 13c kann beispielsweise auf 14 m3/h eingestellt werden. Auch hier ist der Druck bei 3 bar vorgegeben.
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Erfindungsgemäß kann für jede Kühlzone 13a, 13b, 13c die Zulauftemperaturen des zugeführten Kühlmediums, die Rücklauftemperatur des abgeführten Kühlmediums, die Produktauslauftemperatur des die Kühlzone verlassenden rieselfähigen oder fließfähigen Produkts, der Druck des Kühlmediums bzw. dessen Durchsatzmenge pro Stunde in einem weiten Bereich gesteuert werden. Während die jeweiligen Zulauftemperaturen, die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums und dessen Druck als primäre Größen durch geeignete Mittel, wie etwa Wärmetauscher, Pumpen und Ventile, eingestellt werden können, erfolgt die Steuerung der anderen Parameter, wie etwa die Rücklauftemperatur des abgeführten Kühlmediums, und die Produktauslauftemperatur des die Kühlzone verlassenden rieselfähigen oder fließfähigen Produkts eher indirekt, beispielsweise durch Einstellen der Drehgeschwindigkeit des Drehrohrs und damit der Geschwindigkeit des rieselfähigen oder fließfähigen Produktes, und der Durchsatzmenge des rieselfähigen oder fließfähigen Produktes.
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Hinsichtlich der Ausgestaltung der Spirale 3, wie etwa Steigung, Steghöhe und ähnlichem gibt es keine besonderen Begrenzungen, Ziel ist es einen zuverlässigen Transport bei gleichzeitiger guter Wärmeableitung an die Wand des Drehrohrs zu gewährleisten.
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Als Sensoren sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung in bevorzugter Weise Temperatursensoren vorgesehen, die die Zufuhrtemperatur des Kühlmediums für jede Zone messen, als auch die Rücklauftemperatur des aus jeder Kühlzone abgeführten Kühlmediums. Weitere Temperatursensoren, die beispielsweise in einer Nabe mit mehreren Speichen, die an einem Übergang einer Kühlzone zu der nächsten vorgesehen sein kann, aufgenommen sind und den Messwert drahtlos oder durch eine Leitung in einer Welle im Drehrohr übertragen, messen die Temperatur des die jeweilige Kühlzone verlassenden Produkts, bzw. die Temperatur des Produkts an der Produktrutsche 6 sowie der Temperatur des Produkts am Ausgang der Kühlvorrichtung. Des weiteren können bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung Drucksensoren und Durchflusssensoren vorgesehen sein, um den Druck und die Durchflussmenge der Kühlmedien zu bestimmen.
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Über geeignete Stellglieder, Wärmetauscher, Pumpen, Ventile ist dann eine entsprechende Steuerung bzw. Regelung möglich.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Kühlen des rieselfähigen oder fließfähigen Produktes erfolgt die Zuführung des Kühlmediums der ersten Kühlzone 13a in bevorzugter Weise durch eine Durchführung 7, nämlich eine Drehdurchführung, im Bereich des einen Zapfens 5. Um zu verhindern, dass das heiße Thermoöl der ersten Kühlzone 13a in unnötiger Weise das Kühlmedium der zweiten oder dritten Zone 13b, 13c aufheizt, wird das Kühlmedium der ersten Zone 13a an der gleichen Seite wieder abgeführt, auf der auch die Zufuhr erfolgte.
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Im Gegensatz dazu, wird das Kühlmedium für die zweite und dritte Kühlzone 13b, 13c, nämlich Wasser, auf der anderen Seite des Behälters 1 über den anderen Zapfen 5 durch entsprechende Drehdurchführungen 7 zugeführt. Bevorzugt erfolgt der Fluss des Kühlmediums entgegen der Förderrichtung des Produkts.
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Das Kühlmedium der zweiten und dritten Kühlzone kann entweder auf der gleichen Seite abgeführt werden, auf der es zugeführt wurde, oder es ist möglich, beispielsweise das Kühlmedium der mittleren Kühlzone 13b auch auf der Seite abzuführen, auf der das Kühlmedium der ersten Kühlzone 13a zugeführt wird.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, das Thermoöl, das als Kühlmedium der ersten Kühlzone 13a eingesetzt wurde, zu nutzen, um über einen Wärmetauscher Brauchwasser für Wohn- und Arbeitsgebäude bereitzustellen. Alternativ kann die Wärme des Thermoöls auch genutzt werden, um die Ausgangsmaterialien der Ferritherstellung, nämlich das Eisenoxid, Strontiumcarbonat und die Additive, vor Eintritt in den Ofen vorzuheizen, um so den Gesamtenergieverbrauch des Ofens zu verringern.
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Das Kühlmedium der zweiten Kühlzone 13b kann genutzt werden, um Heizenergie für benachbarte Wohn- bzw. Arbeitsgebäude bereitzustellen, oder kann in ein Fernwärmenetz eingespeist werden.
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2 zeigt einen Querschnitt durch die Vorrichtung zum Kühlen nach 1 entlang der Linie A-A. Wie in 2 gezeigt ist, weist der Behälter 1 ein Innenrohr 2 auf, sodass sich eine doppelwandige Hülle bildet, in der das Kühlmedium 15 geführt wird. Im Inneren des Behälters 1 ist die Spirale 3 bzw. Schnecke vorgesehen, die für die Förderung des Produktes sorgt. Speichen 4 sind an der Wand des Drehrohrs verschweißtund verbinden das Drehrohr mit einem Zapfen bzw. einer Welle 5. Der Zapfen 5, der an beiden Seiten des Behälters in entsprechenden Zapfen und Lagern 8 geführt wird, dreht den gesamten Behälter 1 um seine Längsachse.
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3 zeigt einen Ausschnitt aus 1 bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Behälters 1. Zur besseren Kühlung ist dabei vorgesehen, dass der doppelwandige Mantel des Behälters 1 mit Leitblechen 12 versehen ist, die das Kühlmedium 16 in geeigneter Weise führen. Zwischen den einzelnen Kühlzonen 13a, 13b, 13c ist der doppelwandige Bereich durch entsprechende Trennschotte 10 abgetrennt. Zur Vereinfachung der Bauweise ist es möglich, Zufuhr- bzw. Abfuhrleitungen 11 für das Kühlmedium außen auf dem Behälter 1 vorzusehen.
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4 zeigt schließlich einen weiten Ausschnitt aus 1, wobei in größerem Detail der Bereich der Produktrutsche 6 und des Zapfens 5, sowie die Durchführungen 7 für die Zufuhr bzw. Abfuhr eines Kühlmediums gezeigt sind. Vorzugsweise wird das Kühlmedium über eine Drehführung im Bereich des Zapfens zu- und auch wieder abgeführt.
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Wie vorhergehend beschrieben, ist die Vorrichtung zum Kühlen des in den Figuren gezeigten Beispiels auf eine Menge von 600 kg/h bei der Herstellung von Strontiumferrit ausgelegt. Berechnungen haben gezeigt, dass die Kühlvorrichtung bei entsprechend angepasster Steuerung auch einen Durchsatz von bis zu 1000 kg/h des gleichen Materials bewältigen kann. Die Kühlung reicht dann bei gleichem Kühlmitteleinsatz allerdings nur für eine Kühlung des Strontiumferrits auf Werte über 75°C an der Ausgabeseite. Deshalb ist es in einer bevorzugten Ausführungsform möglich, eine vierte Kühlzone vorzusehen, d. h. ein weiteres doppelwandiges Rohrelement an das Drehrohr anzuhängen.
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Bei der gezeigten Ausführungsform in 1 sind alle Kühlzonen gleichlang ausgestaltet. Dies ist keineswegs zwingend vorgegeben. Es ist je nach Anwendungsfall möglich und sinnvoll, einzelne Kühlzonen kürzer oder länger zu gestalten.
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Wenn das Kühlmedium der ersten Zone 13a mit sehr niedriger Temperatur zugeführt werden kann, ist es möglich durch den thermischen Stress die Granalien zum „Zerspringen” zu bringen, so dass in einem darauffolgenden Mahlschritt Energie eingespart werden kann.
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5 zeigt schematisch den Aufbau der Kühlvorrichtung 1 für das rieselfähige oder fließfähige Produkt zusammen mit den Wärmetauschern und der zugehörigen Steuereinrichtung.
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Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform ist die Vorrichtung zum Kühlen in drei Abschnitte unterteilt. Der erste Abschnitt 13a wird wie vorangehend beschrieben mit Thermoöl gekühlt. Über eine Pumpe 19a und einen Strömungsmesser 21a wird das Thermoöl durch die doppelwandige Wand der Kühlvorrichtung 1 für das rieselfähige oder fließfähige Produkt geführt. Das aus der Kühlvorrichtung 1 wieder abfließende Thermoöl läuft durch einen Thermosensor 23a zu einem Umschaltventil 29. Dieses Umschaltventil 29 ist so ausgestaltet, dass es einen Teil oder das gesamte Thermoöl zu einem Notwärmetauscher 17 lenken kann.
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In einer ähnlichen Art wird das Kühlmedium des mittleren Abschnitts 13b der Kühlvorrichtung über die Pumpe 19b, den Strömungsmesser 21b in die Kühlvorrichtung geführt, und über den Thermosensor 23b und das Umschaltventil 31 ganz oder teilweise dem Notwärmetauscher 17 zugeführt.
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Ein weiteres Umschaltventil 33 ist am Zufluss des Notwärmetauschers 17 vorgesehen.
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Der Notwärmetauscher 17 seinerseits steht in Verbindung mit einem Kühlkreislauf mit dem Umschaltventil 33, so dass ein kontinuierlicher Wasserfluss zu einem Kühlbecken 35 und zurück möglich ist. Dieses Kühlbecken 35 ist auch das Reservat, aus dem der Kühlmedium des dritten Abschnitts 13c der Kühlvorrichtung über eine Pumpe 19c, einen Strömungsmesser 21c und einen Thermosensor 23c gespeist wird. Auf diese Art kann die Wärme sicher von der Kühlvorrichtung weg transportiert werden.
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Weitere Thermosensoren 25, 27 und 28 sind vorgesehen, um die Temperatur am Auslauf der jeweiligen Flüsse des Notwärmetauschers 17 zu messen.
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Das oben beschriebene System ist das Notfall- bzw. Reservesystem. Die Ventile 29 und 31 leiten die jeweiligen Kühlmedien nur an den Notwärmetauscher 17 weiter, wenn die eigentlichen Verbraucher, die in 5 nicht gezeigt sind, keine Möglichkeit haben, die Wärme aufzunehmen.
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Bevorzugt ist, wie vorangehend beschrieben wurde, das Thermoöl bzw. das Kühlwasser des mittleren Abschnitts 13b mit jeweiligen Wärmespeichern zu verbinden, so dass die Abwärme genutzt werden kann, um beispielsweise Brauchwasser oder Heizungsleistung bereitzustellen. Alternativ ist es möglich, dass das dem Drehofen zugeführte Produkt mit der Abwärme vorgewärmt wird.
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Bei dem gezeigten Beispiel werden zwei verschiedene Kühlmedien, nämlich Thermoöl und Wasser eingesetzt. Auch hierauf ist die Erfindung nicht beschränkt. Beispielsweise ist es auch möglich, eine weitere Kühlzone mit Luftkühlung zu betreiben, oder ein anderes Kühlmedium, beispielsweise Glycerin, einzusetzen.
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Besonders vorteilhaft hat sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Kühlen eines rieselfähigen oder fließfähigen Produktes im Zusammenhang mit der Herstellung eines Strontiumferrits in einem Drehrohrofen erwiesen. Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt und kann in vorteilhafter Weise an vielen Stellen eingesetzt werden, wenn es darum geht, ein rieselfähiges oder fließfähiges Produkt von einer relativ hohen Temperatur schnell und effektiv abzukühlen, und dabei die Abwärme für eine Weiternutzung in geeigneter Weise bereitzustellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 20106822 U1 [0003]
- DD 281451 A5 [0004]
- DE 3320595 A1 [0006]
- EP 08172099 [0016]
