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Die Erfindung bezieht sich allgemein
auf beheizte Kalanderwalzen, wie sie insbesondere für die Oberflächenbehandlung
von Papier mit hohen Feuchtegehalten bei hohen Durchlaufgeschwindigkeiten,
hohen Temperaturen und hohen Linienlasten in den Walzspalten benötigt werden.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf Verfahren, in denen mittels des
Einsatzes einer erfindungsgemäß gestalteten Walze
die bearbeiteten Materialbahnen oberflächliche und innere Qualitätsverbesserungen
erfahren.
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Stand der Technik:
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Ein wesentlicher Bearbeitungsschritt
bei der Herstellung von Papier oder ähnlicher Vliesstoffe ist das
den Abschluß des
Herstellvertahrens bildende s.g. Kalandrieren. In diesem Verfahrensschritt
durchläuft
die Materialbahn einen oder mehrere Spalte zwischen umlaufenden
Walzen unter hohem Druck, wobei eine oder mehrere Walzen erhitzte
Oberflächen aufweisen.
Bei dieser Behandlung erhält
die Oberfläche
der Materialbahn Glätte
und Glanz. Durch die geeignete Auswahl von Temperatur und Drücken sowie durch
die Einstellung bestimmter Restfeuchte in der Materialbahn gelingt
es auch, die innere Struktur der Materialbahn zu beeinflussen, so
daß sie
z.B. aufgebrachte Flüssigkeiten,
wie Tinte oder Farben, schneller oder weniger schnell aufnehmen
kann. Es können dabei
zwei, aber auch eine Mehrzahl von Walzen angeordnet sein, zwischen
denen die Materialbahn durchläuft.
Im letztgenannten Fall werden die Walzen üblicherweise übereinander
und aufeinander lastend angeordnet, wobei eine Abweichung von der
Vertikalen bis zu 45% möglich
ist. In typischen, aber nicht ausschließlichen Anwendungsfällen, den
vertikalen on-line, also als Endbestandteil der voranstehenden Papiermaschine,
arbeitenden Vielwalzenkalandern, werden beheizte Walzen und nicht
beheizte, mit elastischem Material überzogene Walzen abwechselnd eingesetzt. Üblicherweise
werden die beheizten Walzen von innen, mittels durchfließendem Wärmeträger erhitzt.
Im Walzenspalt, also der Stelle, an der sich die Walzen gegenseitig
berühren
und die Materialbahn durchläuft,
sind sie hohen Liniendrücken
ausgesetzt.
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Seit etwa 1982 werden derartige Walzen hauptsächlich aus
Schalenhartguß hergestellt.
Diese haben eine äußere Schicht
aus weißem
Eisen und einen Kern aus grauem Eisen. Wird der Walzenkörper im
Verfahren des statischen Kokillengusses erzeugt, bildet sich eine
einige Zentimeter starke Übergangsschicht
zwischen den beiden Materialqualitäten, in der weißes und
graues Eisen in Mischung auftritt. Bei Walzenkörpern, die mittels Zentrifugalguß gegossen werden,
ist diese Zone der Verschmelzung von weißem (Schalen-) und grauem (Kern-)
Eisen vernachlässigbar
dünn.
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Die Beheizung solcher Walzen geschieht
in der Regel vermittels aufgeheiztem Thermalöl, welches durch axialparallele
Bohrungen, die sich nahe an der Walzenoberfläche befinden (s.g. periphere Bohrungen)
durch den Walzenkörper
geleitet wird. Die Bohrungen, die Durchmesser zwischen 25 und 50
mm haben, sind überwiegend
ganz im grauen (Kern-) Eisen angeordnet, weil sich hier der schwierige
Bohrvorgang besser kontrollieren läßt. Ein Verlaufen der Bohrung
von härteren
in weichere Schichten des Materials findet hier nicht statt. Der
Abstand der Bohrungen von der Walzenoberfläche soll nach bisheriger Meinung
möglichst
gering sein, um einen raschen und möglichst hohen Wärmedurchgang
zur Walzenoberfläche
herbeizuführen.
Diese Bedingung steht im Widerstreit dazu, daß die Bohrungen aus den geschilderten
Bearbeitungsgründen,
aber auch wegen der gegenüber
grauem Eisen wesentlich geringeren Wärmeleitfähigkeit des weißen Eisens,
tunlichst nicht im Bereich des weißen Eisens oder der Übergangsschicht
liegen sollten. Unterhalb der Schale aus weißem Eisen könnte nämlich ein guter Temperaturausgleich
in Umfangsrichtung erfolgen, obwohl die Wärmeenergie, bezogen auf den
Walzenquerschnitt, nahezu punktförmig
an der Stelle der peripheren Bohrungen eingebracht wird.
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Zur Vergleichmäßigung der Walzentemperatur
in Umfangsrichtung und zum Ausgleich des Temperaturverlustes, den
das durchströmende
Thermalöl bei
langen Walzen erleidet, werden solche Walzen als DUOPASS-, TRIPASS-,
oder TRIPASS-2-Konstruktion
ausgeführt,
je nach dem, wie oft das Thermalöl
den Walzenkörper
durchströmen
soll. Bei der TRIPASS-2-Konstruktion sind jeweils drei Bohrungen in
der Weise zusammengefaßt,
daß das Öl in zwei Bohrungen
von der Führerseite
einströmt
und in einer Bohrung dorthin zurückkehrt.
Der durch die verdoppelte Strömungsgeschwindigkeit
in der Rückführbohrung
verbesserte Wärmeübergang
kompensiert den Temperaturverlust, den das zurückströmende Öl erlitten hat.
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Nach der Analyse von Walzenschäden, die Mitte
der 80-er Jahre des 20. Jahrhunderts aus thermischer Überbeanspruchung
entstanden, wurden die Konstruktion und die Fertigung der Walzen
allgemein verbessert und der verwendete Schalenhartguß in seinen
metallurgischen Eigenschaften modifiziert. Seit 1986 sind viele
hundert Walzen aus Schalenhartguß mit Heizleistungen bis über 28,5
kW/m2 in Betrieb genommen worden. (Vergl.
hierzu P. Rothenbacher, et.a.: Report about later developments with chilled
iron rolls of high precision for machine calenders and supercalenders
for high temperature calendering, EUCEPA XXII (Florence) Conference
Proceedings, Oct. 6–10,
1986, pp. 25-1–25-17).
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Thermowalzen mussten nicht selten
aus verschiedenen Gründen
auch aus anderen Werkstoffen als Schalenhartguss hergestellt werden,
z.B. immer dann, wenn Abnahmevorschriften aus Sicherheitsgründen am
Betriebsort einen allgemein standardisierten Werkstoff vorschrieben.
Für Schalenhartguß gibt es
lediglich Hersteller-Standards. Walzen für GLOSS-Kalander wurden z.B.
aus Sphäroguss
oder aus Grauguß gefertigt.
In Superkalandern, auf denen Siliconbasis-Papiere geglättet werden
und die wegen der hohen nötigen
Temperaturen mit Dampf beheizt werden, kamen Walzen aus Schmiedestahl
zum Einsatz. Oftmals wurden die Walzen aus Gründen des Verschleiß- oder
Korrosionsschutzes mit dünnen
harten Schichten aus Hartchrom oder anderen Hartschichten versehen.
Die Literatur zu Oberflächenschichten
weist bereits Ende der 80-Jahre des 20. Jahrhunderts auf die alternative
Verwendung solcher Schichten hin.
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So stellte ein Unternehmen Walzenkörper mit
peripheren Kanälen
in der Weise her, daß auf
einen Stahlkern mit gefrästen,
in Axialrichtung verlaufenden Nuten in der Oberfläche ein
Stahlrohr fest aufgeschrumpft wurde. Eine dünne Schicht der Oberfläche dieses
Stahlrohrs wurde dann durch Aufkohlen (Einsatzhärten) so weit verändert, daß sie eine
Härte von
mehr als 550 HV erhielt und mit geringer Rauhigkeit schleifbar wurde.
Je nach Dauer des Einsatzhärtens,
welche die Diffusionstiefe des Kohlenstoffs bestimmt, konnten dabei
Schichtstärken
zwischen einigen Zehntelmillimetern sowie einigen Millimetern erreicht
werden. (Vergl. hierzu: Michael Zaoralek: The Application of Different
Designs of Heated Calender Rolls, Tappi Paper Finishing and Converting
Conference Proceedings, pp. 153–158,
October 1989).
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Es war zur gleichen Zeit auch bekannt,
dass peripher gebohrte Walzen aus geschmiedetem Stahl zwecks Erhöhung der
Verschleißbeständigkeit
mit einer dünnen
Oberflächenschicht
aus martensitischem Stahl ausgestattet werden können. Dazu wird die Schicht
kurzzeitig aufgeheizt und anschließend abgeschreckt. Das Aufheizen
geschieht überwiegend induktiv.
Auch hier kann, je nach Einstellung der Frequenz des Induktors,
eine mehr oder weniger starke Verschleißschicht erzeugt werden. Hochfrequenzströme dringen
nur wenige Zehntelmillimeter in die Walzenoberfläche ein. Härten von mehr als 600 HV sind
so erreichbar.
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Hochbeheizte peripher gebohrte Kalanderwalzen
aus geschmiedetem Stahl mit zusätzlichen dünnen Verschleißschichten
aus Hartchrom aber auch aus Hartmetall oder Keramik, werden seit
mehr als 20 Jahren von einem japanischen Unternehmen für die Papierindustrie
hergestellt. Dabei erfolgt die Beheizung primär induktiv an einer inneren
Zentralbohrung mittels eines zentralen Induktorspulenkernes. Da
diese Beheizung sehr ungleichmäßig ist, sind
die peripheren Kanäle
teilweise mit einem verdampfenden Medium, z.B. Wasser, gefüllt. In örtlich überhitzten
Bereichen verdampft das Wasser. Indem der erzeugte Dampf an Stellen
mit unzureichender Temperatur kondensiert überträgt er die benötigte Wärmeenergie
dorthin. In diesen Bereichen entspricht die Walze im Betrieb einer
Walze mit peripherer Bohrungsheizung.
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In der
EP
0 506 737 vom 13.05.1992 wird eine Walze beschrieben, die
in ihrer konstruktiven Ausführung
vollständig
den damals bekannten Walzen aus Schalenhartguß entspricht, sowohl was Wandstärke, Anordnung
als auch Durchmesser der peripheren Bohrungen betrifft, die jedoch
aus zwei Materialqualitäten
besteht, nämlich
einem ersten Grundmaterial, wie z.B. Schmiedestahl, Gußstahl, Nicht-Schalenhartgusseisen
oder duktiles Gußeisen (Sphäroguss),
und einer dünnen
Oberflächenschicht aus
einem zweiten Material, wie z.B. Cermet oder Keramik. Diese Walze
soll nach der Beschreibung die relativ niedrigen Mindestbelastungen
von beispielsweise 26.796 W/m
2, Liniendrücke von
175.000 Nm/m und Oberflächentemperaturen
von 176,6° C aushalten.
Bei solchen Betriebsbedingungen, wie sie in den um 1990 gebauten
s.g. soft-Kalandern üblich waren,
sollen praktische Versuche bei Papierfeuchten von 4-5% und weniger
als 950 m/min Betriebsgeschwindigkeit befriedigende Ergebnisse bzgl.
der Variation der Glanzwerte auf der Papieroberfläche gebracht
haben.
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Beschreibung der Erfindung
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Insbesondere in modernen Vielwalzenkalandern,
wie sie unter den Bezeichnungen OptiLoad, Janus oder ProSoft von
den Papiermaschinenherstellern heute angeboten werden, können die
Walzenbelastungen, vor allem dann, wenn sie im on-line-Betrieb mit
schnellen Papiermaschinen betrieben werden, erheblich höher sein
als in der
EP 0 507 737 dargestellt.
Die Betriebsgeschwindigkeiten liegen heute bei 2000 m/min, die Liniendrücke bis
zu 500 kN/m und die Papierfeuchten zwischen 5 und 9%.
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Bei Vielwalzenkalandern, in denen
die Walzen vertikal oder mit einem Neigungswinkel von etwa 45% übereinander
gestapelt sind, gehen die konstruktiven Bemühungen dahin, die Walzendurchmesser
zu verringern. Dies spielt für
die Kosten der Walzen und damit des Kalanders eine wichtige Rolle. Gleichzeitig
erhöht
sich aber bei gegebener Betriebsgeschwindigkeit die Drehzahl der
Walzen und damit die Zahl der Papierkontakte pro Zeiteinheit und
somit die spezifische zu übertragende
Heizleistung.
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Im Betrieb der Walzen – insbesondere
dann, wenn der überwiegende
Grundwerkstoff homogen und von guter Wärmeleitfähigkeit ist – hat dies
bedeutsame Konsequenzen. Wegen der Nähe der peripheren Bohrungen
zu der Walzenoberfläche
stellt sich direkt über
den peripheren Bohrungen, dabei besonders bei Bohrungen mit höheren Temperaturen des
Wärmeträgers (also
den „hin"-führenden
Bohrungen) eine deutlich höhere
Oberflächentemperatur ein,
als in den Bereichen zwischen den Bohrungen oder über Bohrungen
mit niedrigeren Temperaturen des Wärmeträgers (also den „rück"-führenden
Bohrungen). Die Gleichmäßigkeit
der Temperatur an der Oberfläche
der Walze in Umfangsrichtung ist dann nicht mehr ausreichend.
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Zudem tritt ein Effekt ein, den man
als „Polygonbildung"
bezeichnet. Da sich das Material an den heißeren Stellen stärker ausdehnt,
entsteht eine Vieleckigkeit des Walzenumfangs, von der vermutet
wird, daß sie
für bestimmte
Schwingungen im Kalander verantwortlich ist, die man als „Barring"
bezeichnet. Damit werden Bewegungen des gesamten Walzenkörpers in
Richtung der Walzenspalte benannt, die ein Vielfaches der Umdrehungsfrequenz
aufweisen. Die so ausgelösten
periodischen Schwankungen der Linienlast in den Walzenspalten führen zu
streifenförmigen
Verschleißbildern
auf den Oberflächen
der – nicht
beheizten – elastischen
Walzen und auch der harten Thermowalzen. Dies zwingt dazu, die Walzen früher als
sonst nötig
durch Nachschleifen zu korrigieren, mit Produktionsverlust wegen
des Walzenwechsels, zusätzlichen
Kosten für
das Schleifen und früherem
Verschleiß der
teuren harten, aber auch der elastischen Schichten.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung,
diese Nachteile weitgehend abzustellen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die
neuartige Gestaltung der in Kalandern eingesetzten harten Walzen
gemäß Anspruch
1 gelöst.
Die bei dem Einsatz der erfindungsgemäßen Walze vorteilhafterweise
einzuhaltenden Verfahrensbedingungen sind in Anspruch 2 festgestellt.
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Die erfindungsgemäße Walze weist drei konzentrisch
umeinander liegende Materialschichten auf, nämlich als Grundmaterial einen
Walzenkörper z.B.
aus vergütetem
Schmiedestahl, auf dessen Oberfläche
eine zweite Materialschicht als s.g. Vermittlungsschicht und auf
deren Oberfläche
eine äußere Schicht
aus verschleißfestem
und hochhartem Material.
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Indem Stahl als Grundmaterial gewählt und auf
andere Werkstoffe wie Grauguß oder
Sphäroguss
verzichtet wird, liegt der E-Modul der Walze mit rund 210.000 n/mm2 deutlich höher als z.B. bei Schalenhartguß mit ca.
135.000 n/mm2. Eine Walze gleichen Durchmessers
aus Stahl hat damit gegenüber einer
aus Schalenhartguß eine
rd. um 25% höhere Eigenfrequenz.
Bei einer bestimmten Drehzahl liegt sie damit um einen entsprechenden
Wert weiter weg von ihrer kritischen Drehzahl und weist so bei ansonsten
gleichen Betriebsverhältnissen
einen ruhigeren Lauf und weniger Anregungen zu Schwingungen im Kalander
auf, so daß die
Gefahr von Barring wesentlich verringert wird.
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Ähnliche
Verhältnisse
sind auch erreichbar mit einem Grundkörper aus legiertem Gußeisen,
das entsprechend härtefähig sein
muß.
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Die Auswirkung von trotzdem verbleibenden Restdruckschwankungen
im Walzenspalt und damit auch eines noch verbleibenden streifenförmigen Druckverschleißes kann
durch eine harte Walzenoberfläche
weiter minimiert werden. Erfindungsgemäß soll dies durch Aufbringen
einer harten Verschleißschicht,
wie z.B. Hartchrom, Hartmetall, verschiedener Karbide oder Keramiken
erreicht werden. Diese muß allerdings,
um die gewünschte
Sicherheit zu bieten, eine Mindesthärte von 600 HV aufweisen.
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Wegen der hohen Heizleistungen, die
von der Walze an die durchlaufende Materialbahn zu erbringen sind,
und den damit verbundenen großen Temperaturunterschieden
zwischen dem Grundmaterial des Walzenkörpers und der harten Oberflächenschicht
wird eine Zwischenschicht erforderlich, die die unterschiedlichen
Wärmedehnungskoeffizienten
der beiden Materialen auszugleichen hat. Sie wird so gewählt, daß sie einen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der zwischen denen des Grundmaterials
und der harten Oberflächenschicht liegt.
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Damit aber die aufgebrachte harte
Oberflächenschicht
nicht durch periodische Liniendruckschwankungen geschädigt werden
kann, ist außerdem
eine ausreichend stabile Grundlage für die beiden äußeren Schichten
erforderlich. Diese wird von dem Grundmaterial nur geboten, wenn
es eine Mindesthärte
von 400 HV aufweist. Andererseits darf das Grundmaterial nicht zu
hart sein, weil in diesem Fall mit den äußeren Schichten keine ausreichende
Haftung mehr herbeigeführt
werden kann. Die Grenze liegt hier bei rund 620 HV.
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Die wünschenswerte Vergleichmäßigung der Oberflächentemperatur,
mit der die Polygonbildung und damit die hochfrequente Anregung
von Schwingungen verringert wird, läßt sich dadurch erreichen, daß die peripheren
Bohrungen weiter als bisher üblich
von der Walzenoberfläche
entfernt eingebracht werden. Bisher bestand die Auffassung der Fachleute,
daß eine
möglichst
nahe Position der peripheren Bohrungen zur Walzenoberfläche erforderlich
sei, um einen möglichst
guten und hohen Wärmedurchgang vom
durchfließenden
Wärmeträger zur
Oberfläche zu
erreichen. Überraschenderweise
hat sich jedoch gezeigt, daß diese
Auffassung nicht zutreffend ist.
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Die Vergrößerung der Entfernung der peripheren
Bohrungen von der Walzenoberfläche
von bisher als Höchstmaß angesehenen
50mm auf z.B. 60mm erfordert lediglich eine Erhöhung der Vorlauftemperatur
des Wärmeträgeröls um einen
Betrag, der die mittlere Temperaturdifferenz von der (Öltemperatur
zur Oberflächentemperatur
um 20% erhöht. Bei
z.B. 60°C
Temperaturdifferenz sind dies gerade einmal 12°C. Diese Erhöhung kann sogar durch Steigerung
der Fließgeschwindigkeit
des Thermalöls,
wie sie durch einen Einbau von Verdrängern in den peripheren Bohrungen
erreicht werden kann, weitgehend ersetzt werden.
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Auch ein weiterer bisher geäußerter Einwand
gegen die Vergrößerung des
Abstandes zwischen peripheren Bohrungen und Walzenoberfläche, daß nämlich die
Belastung aus thermischen Spannungen in der Walzenoberfläche dadurch
in einem unzulässigen
Maß anstiege,
hat sich als nicht zutreffend gezeigt. Wie Berechnungen mit finiten
Elementen ausweisen, nimmt in dem vorstehend dargestellten Fall
diese Belastung nur um ca. 7%, also unwesentlich, zu.
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Erfindungsgemäß wird deshalb vorgesehen, den
Abstand der peripheren Bohrungen von der Walzenoberfläche größer als
50mm zu bemessen, wobei die Festlegung des genauen Maßes konstruktiv
anhand der sonstigen Einzelheiten der Walze, insbesondere deren
Durchmesser und damit Umfang, und der Betriebsdrehzahl nach herkömmlich bekannten Methoden
zu ermitteln ist.
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Die konstruktiven Merkmale der erfindungsgemäßen Walze
seien an dem in 1 dargestellten Walzenquerschnitt
noch im Einzelnen beschrieben: Auf dem – vereinfacht dargestellten – Walzengrundkörper 1 befindet
sich, rundum auf der Oberfläche aufgebracht,
die Vermittlungsschicht 2 und auf dieser, ebenfalls rundum
aufgebracht, die äußere Verschleißschicht 3.
Die Schichten 2 und 3 sind im Verhältnis zum
Durchmesser des Walzengrundkörpers von
relativ geringer Dicke.
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In den Walzengrundkörper 1 eingebracht sind
periphere Bohrungen 4, die achsparallel verlaufen. Der
Abstand 5 zwischen der Oberfläche der Walze 6 und
dem oberflächennächsten Punkt 7 der
Wandung der Peripherbohrung 4 ist für jede Peripherbohrung gleich,
so daß diese
auf einem Kreis mit einheitlichem Durchmesser um die Walzenachse
angeordnet sind. Der Abstand 8 zwischen den beiden einander
nächstliegenden
Punkten der Wandung von zwei peripheren Bohrungen ist zwischen allen
peripheren Bohrungen gleich, so daß die peripheren Bohrungen auf
dem gedachten Kreis um die Walzenachse gleichmäßig verteilt liegen.
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Es leuchtet ein, daß die hier
als Bohrung 4 bezeichneten Kanäle zur Durchleitung des fluiden Wärmeträgers nicht
nur Bohrungen mit kreisförmigem
Querschnitt sein müssen
sondern ebenso auch, je nach Herstellungsart der Walze, andere geometrische
Querschnittsformen, wie z.B. quadratische, rechteckige, polygone
oder elliptische aufweisen können.
In diesem Fall sind die Maße 5 und 8 jeweils entsprechend
zu verstehen.