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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
Kühlelements
für pyrometallurgische
Reaktoren, welches Element mindestens einen Strömungskanal hat, und die Herstellung
des Elements durch ein kontinuierliches Gießverfahren, d. h. ein Schlickerguss-Verfahren vollzogen
wird. Um die Wärmeübertrags-Fähigkeit
des Elementes zu erhöhen,
wird der Wand-Flächenbereich
der Kühlkanalwandung
bezüglich
ihrer runden oder ovalen Querschnittsform erhöht, ohne den Durchmesser oder
die Länge
des Strömungskanals
zu erhöhen.
Die Erfindung betrifft ferner das durch dieses Verfahren hergestellte
Element.
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Die
Hitzefestigkeit von Reaktoren bei pyrometallurgischen Verfahren
wird durch wassergekühlte
Kühlelemente
vorgesehen, so dass die von der Feuer-Fläche kommende Hitze über das
Kühlelement
aufgrund einer Kühlung
an das Wasser übertragen
wird, wodurch der Verschleiß der
Auskleidung im Vergleich zu einem Reaktor ohne Kühlung beträchtlich reduziert ist. Der
reduzierte Verschleiß wird
durch die Kühlwirkung
verursacht, was zur Bildung einer sogenannten autogenen Auskleidung
führt,
die an der Oberfläche
eines wärmebeständigen Belages
fixiert ist und die aus Schlacke und anderen, aus den geschmolzenen
Phasen abgeschiedenen Substanzen gebildet ist.
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Herkömmliche
Kühlelemente
werden auf zwei Weisen hergestellt: Elemente können erstens durch Sandguss
hergestellt sein, bei dem aus thermisch hochleitendem Material,
wie beispielsweise Kupfer gefertigte Kühlleitungen in eine aus Sand
geformte Gießform
gesetzt werden, die während
dem Gussvorgang um die Leitungen mit Luft oder Wasser gekühlt werden.
Das um die Leitungen gegossene Element ist ebenso aus hochleitendem
thermischen Material, wie zum Beispiel Kupfer. Diese Art des Herstellungsverfahrens
ist beispielsweise in dem GB-Patent Nr. 1 386 645 beschrieben. Ein
Problem bei diesem Verfahren ist die ungleichmäßige Kontaktierung der als
Kühlkanal
wirkenden Leitung zum umgebenden Gussmaterial, weil einige der Leitungen
vollständig
frei von dem darum gegossenen Element bleiben und ein Teil der Leitung
vollständig
aufgeschmolzen sein kann, womit es beschädigt ist. Wenn zwischen der
Kühlleitung
und dem Rest des Gusselementes darum keine metallische Verbindung
gebildet wird, ist der Wärmeübertrag
nicht ausreichend. Wenn andererseits die Kühlleitung vollständig schmilzt,
wird das die Strömung
von Kühlwasser
verhindern. Die Gusseigenschaften des Gussmaterials können verbessert
sein, indem beispielsweise Phosphor zu dem Kupfer gemischt wird,
um die metallische Verbindung zwischen der Leitung und dem Gussmaterial
zu verbessern, wobei in diesem Fall die Wärmeübertrag-Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit)
des Kupfers bereits durch eine geringfügige Zugabe beträchtlich
verschlechtert sind. Ein Vorteil, der es wert ist, hinsichtlich
dieses Verfahrens genannt zu werden, sind die vergleichsweise geringen
Herstellungskosten und die Unabhängigkeit
von Abmessungen.
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Ein
anderes Herstellungsverfahren wird verwendet, wobei eine Glasrohrleitung
in der Form eines Kanals in die Gussform des Kühlelements eingesetzt wird,
die nach dem Gießen
um einen Kanal innerhalb des Elements zu bilden.
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In
dem US-Patent 4,382,585 ist ein anderes, vielfach verwendetes Verfahren
zur Herstellung von Kühlelementen
beschrieben, dem gemäß das Element
beispielsweise aus einer gewalzten Kupferplatte hergestellt wird,
wobei die notwendigen Kanäle
darin eingefräst
werden. Der Vorteil eines derartig hergestellten Kühlelementes
ist seine dichte, starke Struktur und sein guter Wärmeübertrag
von dem Element auf ein Kühlmedium, wie
beispielsweise Wasser. Seine Nachteile liegen in den dimensionalen
Begrenzungen (Größe) und
den hohen Kosten.
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Ein
gut bekanntes Verfahren im Stand der Technik liegt in der Herstellung
eines Kühlelementes
für einen
pyrometallurgischen Reaktor, bei dem ein Hohlprofil mittels kontinuierlichem
Guss, d. h. Schlickerguss mittels Formkern gegossen wird. Das Element
wird aus einem thermisch hochleitfähigem Metall, wie beispielsweise
Kupfer hergestellt. Der Vorteil bei diesem Verfahren liegt in einer
dichten Guss-Struktur, ein guten Oberflächenqualität und darin, dass der gegossene
Kühlkanal
einen guten Wärmeübertrag
von dem Element auf das Kühlmedium
abgibt, so dass keine Einflüsse
auftreten, die den Wärmeübertrag
behindern könnten;
vielmehr wird die von dem Reaktor kommende Wärme ohne einem überschüssigen Wärmeübertragungswiderstand
auf das Kühlelement,
d. h. auf die Oberfläche
des Kanals und von dort auf das Kühlwasser übertragen. Im Querschnitt ist
der Kühlkanal
im Allgemeinen rund oder oval und der Formkern hat eine glatte Oberfläche. Dieser
Typ eines Kühlkanals
ist in dem US-Patent 5,772,955 erwähnt.
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Um
die Wärmeübertragungsfähigkeit
eines Kühlelementes
zu verbessern, ist es jedoch vorteilhaft, den Wärmeübertragungs-Oberflächenbereich
des Elementes zu erhöhen.
Wie durch die nachfolgende Erläuterung demonstriert,
erfolgt dies gemäß der vorliegenden
Erfindung durch Erhöhung
des Wand-Oberflächenbereiches
des Strömungskanals
ohne den Durchmesser zu vergrößern oder
die Länge
zu erhöhen.
Der Wand-Oberflächenbereich
des Kühlelement-Strömungskanals
ist erhöht,
indem Rillen in die Kanalwand während
dem Gießen
gebildet sind oder durch Fräsen
von Rillen oder Gewinden in den Kanal nach einem Guss, so dass der
Querschnitt des Kanals im Wesentlichen rund oder oval bleibt. Im
Ergebnis wird mit derselben Wärmemenge
eine geringere Temperaturdifferenz zwischen dem Wasser und der Strömungskanal-Wandung und
selbst auch eine geringere Kühlelement-Temperatur
erforderlich. Die Erfindung betrifft ferner Kühlelemente, die mittels diesem
Verfahren hergestellt sind. Die wesentlichen Merkmale der Erfindung
gehen aus den beigefügten
Patentansprüchen
hervor.
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Die
Fähigkeit
eines Kühlelementes
zur Aufnahme von Wärme
kann mit Hilfe der folgenden Formeln dargestellt werden: Q = a × A × ΔT, wobeiQ
= Betrag der übertragenen
Wärme [W]
a
= Wärmeübertrag-Koeffizient
zwischen der Strömungskanal-Wandung
und dem Wasser [W/Km2]
A = Wärmeübertragungsfläche [m2]
ΔT
= Temperaturdifferenz zwischen der Strömungskanal-Wandung und dem
Wasser [K]
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Der
Wärmeübertragungs-Koeffizient
kann theoretisch aus der Formel bestimmt werden: Nu
= a × D/λλ = thermische
Leitfähigkeit
von Wasser [W/mK]
D = hydraulischer Durchmesser [m] Oder Nu = 0.023 × Re^0.8Pr^0.4,wobei Re = w × D × ρ/μw =
Geschwindigkeit [m/s)
D = hydraulischer Durchmesser des Kanals
[m]
ρ =
Dichte von Wasser [kg/m3]
μ = dynamische
Viskosität
Pr
= Prandtl-Zahl []
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Gemäß obiger
Darstellung ist es somit möglich,
die Menge an übertragener
Wärme in
einem Kühlelement
durch Einwirkung auf die Temperaturdifferenz, den Wärmeübertragungs-Koeffizient oder
die Wärmeübertragungs-Fläche zu beeinflussen.
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Die
Temperaturdifferenz zwischen der Wand und der Rohrleitung ist durch
die Tatsache begrenzt, dass Wasser bei 100°C siedet, wenn die Wärmeübertragungs-Eigenschaften
bei Normaldruck aufgrund des Siedens außerordentlich schlecht werden.
In der Praxis ist es vorteilhafter, bei der möglichst geringsten Temperatur
der Strömungskanal-Wandung
zu arbeiten.
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Der
Wärmeübertragungs-Koeffizient
kann beträchtlich
durch Veränderung
der Strömungsgeschwindigkeit,
d. h. durch Einwirkung auf den Reynold-Zahl, beeinflusst werden.
Dies ist jedoch durch den erhöhten Druckverlust
in der Rohrleitung mit Ansteigen der Strömungsrate begrenzt, was die
Kosten eines Durchpumpens des Kühlwassers
und die Investitionskosten der Pumpe anhebt, die nach dem Übersteigen
eines bestimmten Schwellenwertes beträchtlich ansteigen.
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Bei
einer herkömmlichen
Lösung
kann die Wärmeübertragungs-Fläche entweder
durch Erhöhen
des Durchmessers des Kühlkanals
und/oder durch dessen Länge
beeinflusst werden. Der Kühlkanal-Durchmesser kann
innerhalb eines noch wirtschaftlich vernünftigen Rahmens nicht unbeschränkt erhöht werden,
da eine Erhöhung
im Kanaldurchmesser die Menge an Wasser erhöht, die erforderlich ist, um
eine bestimmte Strömungsrate
und überdies
die Energieleistung zum Pumpen zu erhalten. Auf der anderen Seite
ist der Kanaldurchmesser durch die bauliche Größe des Kühlelements begrenzt, das aus
Gründen
einer Minimierung von Investitionskosten vorzugsweise so klein und
leicht wie möglich
zu fertigen ist. Eine andere Begrenzung bezüglich der Länge ist die bauliche Größe des Kühlelements
selbst, d. h. die Quantität
des Kühlkanals,
der in einen gegebenen Bereich passt.
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Wenn
es erwünscht
ist, die Wärmeübertragungsfläche des
hier dargestellten Kühlelementes
zu erhöhen,
wird dies durch Veränderung
der Wandform des Schlickerguss-Kühlelement-Strömungskanals
vollzogen, um eine größere Wärmeübertragungsfläche zu erhalten,
die pro Strömungskanal-Längeneinheit
berechnet wird mit demselben Strömungs-Querschnitt
(dieselbe Rate wird erreicht mit derselben Menge an Wasser). Diese
Erhöhung
des Oberflächenbereiches
wird beispielsweise durch die folgende Maßnahme erreicht:
- – Zumindest
ein Strömungskanal,
der im Wesentlichen im Querschnitt rund ist, wird in dem Schlickerguss-Kühlelement
während
dem Vergießen
gebildet, wobei Gewinde in den Strömungskanal nach dem Guss eingearbeitet
werden.
- – Mindestens
ein Strömungskanal,
der im Wesentlichen im Querschnitt rund ist, ist in dem Schlickerguss-Kühlelement
während
dem Schlickergießen
gebildet, wobei rillenförmige
Vertiefungen in den Strömungskanal
nach einem Guss eingearbeitet sind. Die Vertiefungen werden vorteilhafterweise
unter Verwendung eines sogenannten Spreizdorns gefertigt, der durch
den Strömungskanal
gezogen wird. Eine Einrillung kann beispielsweise an einem Loch
nahe eines Endes gefertigt werden, in welchem Fall der Spreizdorn
nach außen
gezogen wird. Eine in dem Kanal gefertigte Bohrung, die an beiden
Enden offen ist, wird durch entweder Schieben oder Ziehen eines
zum Zweck geeigneten Werkzeuges durch den Kanal gefertigt.
- – Die
vorteilhafteste Erhöhung
im Oberflächenbereich
wird durch Ausbilden eines oder mehrerer mit Rillen versehenen,
vorzugsweise geradlinig gerillten Strömungskanals während dem
Vergießen
in dem Kühlelement
erhalten, wobei ein zweckdienlicher ver rillter Guss-Formkern verwendet
wird. Ungeachtet der Verrillung ist die Form des Strömungskanals
im Wesentlichen rund oder oval im Querschnitt. Unter Verwendung dieses
Verfahrens werden mechanische Verarbeitungs-Phasen nach dem Gießen vermieden.
Bei all den oben beschriebenen Verfahren ist offensichtlich, dass
im Falle von Kanalteilen in dem Strömungskanal quer zur Gießrichtung
diese Teile durch eine mechanische Bearbeitung, zum Beispiel durch
Bohren gefertigt sind, wobei die nicht zu dem Kanal gehörenden Öffnungen
mit Stopfen verschlossen werden.
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Der
Nutzen des Verfahrens zur Erhöhung
der Wärmeübertragungs-Fläche nach
Beschreibung dieser Erfindung wurde mit einem Verfahren im Stand
der Technik mit Hilfe des folgenden Beispieles verglichen. Bezüglich des
Beispieles werden einige Diagramme dargestellt, die die Erfindung
darstellen, wobei
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1 eine Prinzipzeichnung
des in den Tests verwendeten Kühlelements
ist,
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2 ein Querschnittsprofil
des getesteten Kühlelements
zeigt,
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3a–3d die
Temperatur innerhalb des Elements bei verschiedenen Messpunkten
als Funktion der Schmelztemperatur aufzeigen,
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4 den Wärmeübertragungs-Koeffizient darstellt,
der aus den Messungen als eine Funktion der Schmelze berechnet wurde,
und
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5 die Temperaturdifferenzen
des Kühlwassers
und der Kanal-Wandung bei verschiedenen Kühlniveaus von normalisierten
Kühlelement
darstellt.
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Beispiel
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Die
auf die vorliegende Erfindung bezogenen Kühlelemente wurden in praktischen
Tests getestet, wobei die Elemente A, B, C und D in geschmolzenes
Blei mit einer Tiefe von 1 cm von der Grundoberfläche eingetaucht
wurden. Das Kühlelement
A hatte einen herkömmlichen
Kanal mit glatter Oberfläche,
wobei dieses Element für
Vergleichsmessungen verwendet wurde. Die Menge an Kühlwasser
und die Temperaturen sowohl vor dem Zuführen des Wassers in das Kühlelement
als auch danach wurden in den Tests sorgfältig gemessen. Die Temperatur
des geschmolzenen Bleis und die Temperaturen innerhalb des Kühlelements
selbst wurden ebenso sorgfältig
bei sieben verschiedenen Messpunkten gemessen.
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1 zeigt das Kühlelement,
wie es in den Tests verwendet wurde, mit dem Strömungskanal 2 darin. Die Abmessungen
des Kühlelements
waren wie folgt: Höhe
300 mm, Breite 400 mm und Dicke 75 mm. Das Kühlrohr oder der Strömungskanal
wurde innerhalb des Elementes wie in 1 angeordnet,
so dass das Zentrum des horizontalen Teils des Rohres in der Figur
87 mm vom Boden des Elements oder jedes vertikale Teilstück 50 mm
vom Rand der Platte entfernt lag. Der horizontale Teil des Rohres
wurde mittels Bohrens gefertigt, wobei ein Ende der horizontalen Öffnung verschlossen
wurde (im Detail nicht gezeigt). 1 zeigt
ferner die Platzierung der Temperaturmesspunkte T1–T7. 2 zeigt die Flächenformen
des Kühlkanals
und Tabelle 1 enthält
die Abmessungen der Test-Kühlelement-Kanäle und die
berechneten Wärmeübertragungs-Flächen pro
Meter, wie auch die relativen Wärmeübertragungs-Flächen.
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3a–3d demonstrieren,
dass die Temperaturen der Kühlelemente
B, C und D bei allen Kühlwasserströmungsraten
geringer waren als die Bezugsmessungen bei dem Kühlelement A. Da jedoch die
Strömungsquerschnitte
der Teststücke
mit verschiedenen Abmessungen aus Gründen einer technischen Herstellung
gefertigt wurden, kann die Wirkung der Wärmeübertragung aus den Ergebnissen
in den 3a–3d nicht direkt miteinander
verglichen werden. Daher wurden die Testergebnisse wie folgt normalisiert:
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Ein
stationärer
Wärmeübertrag
zwischen zwei Punkten kann dargestellt werden als: Q
= S × λ × (T1 – T2), wobei
Q = die Menge des Wärmeübertrags
zwischen den Punkten [W]
S = Formfaktor (abhängig von
der Geometrie) [m]
λ =
thermische Leitfähigkeit
des Mediums [W/mK]
T1 = Temperatur
am Punkt 1 [K]
T2 = Temperatur am Punkt
2 [K]
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Die
Anwendung der obigen Gleichung auf die Testergebnisse lieferte folgende
Quantitäten:
Q
= gemessene thermische Arbeit, die auf das Kühlwasser übertragen wurde
λ = die thermische
Leitfähigkeit
von Kupfer [W/mK]
T1 = Temperatur am
Boden des Elements, wie berechnet aus den Tests [K]
T2 = Temperatur der Wasserkanal-Wandung, wie
berechnet aus den Tests [K]
S = Formfaktor für einen
finiten Zylinder in einem einseitig-unendlichen Element (Länge L, Durchmesser
D), wobei der Formfaktor gemäß der Gleichung
bestimmt werden kann S = 2πL/1n(4z/D),
mit Z > 1.5D,
z
= Eintauchtiefe gemessen von der Mittellinie des Zylinders [m].
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Die
auf obige Weise bestimmten Wärmeübertragungs-Koeffizienten
sind in 4 dargestellt.
Gemäß einer
Mehrfachanalyse wurde eine sehr gute Korrelation zwischen dem Wärmeübertragungs-Koeffizient
und der Wasserströmungsrate
wie auch der an das Wasser übertragenen
Wärmemenge
erhalten. Die Wärmeübertragungs-Koeffizienten
der Regressionsgleichung für
jedes Kühlelement
sind in Tabelle 2 dargestellt. Folglich ist α [W/m2K] = c + a × v [m/s] + b × Q [kW].
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Um
die Ergebnisse vergleichbar zu machen, wurden die Querschnitts-Flächen der
Strömungskanäle normalisiert,
so dass die Menge an Strömungswasser
derselben Strömungsrate
entspricht. Die Dimensionen des Strömungskanals und die Wärmeübertragungs-Flächen, die
gemäß der Strömungsmenge
und -rate normalisiert wurden, sind in Tabelle 3 dargestellt. Unter
Verwendung der Abmessungen, wie sie in Tabelle 3 für die Fälle A', B', C' und D' verwendet wurden,
sowie die gemäß obiger
Ausführung
bestimmten Wärmeübertragungs-Koeffizienten,
die Temperaturdifferenz von Wand und Wasser für normalisierte Fälle hinsichtlich
der Strömungsmenge
wurden als eine Funktion der Wasserströmungsrate für 5, 10, 20 und 30 kW Wärmemengen mit
der Gleichung ΔT
= Q/(α × A)berechnet.
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Die
Ergebnisse sind in 5 dargestellt.
Die Figur zeigt, dass all die gemäß der Erfindung hergestellten
Kühlelemente
eine bestimmte Wärmeübertragungs-Menge
mit einer geringeren Temperaturdifferenz zwischen dem Wasser und
der Kühlkanal-Wandung
erreichen, was die wirksame Arbeitsweise des Verfahrens veranschaulicht.
Beispielsweise ist bei einer Kühlleistung
von 30 kW und einer Wasserströmungsrate
von 3 m/s die Temperaturdifferenz zwischen der Wand und dem Wasser
in verschiedenen Fällen:
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Wenn
diese Ergebnisse mit den Wärmeübertragungsflächen verglichen
werden, ist zu ersehen, dass die Temperaturdifferenz zwischen der
Wand und dem Wasser, die zum Übertragen
derselben Menge an Wärme
erforderlich ist, umgekehrt proportional zur relativen Wärmeübertragungs-Fläche ist.
Das bedeutet, dass die Veränderungen
in der Oberfläche
gemäß Erfindungsbeschreibung
die Leistung des Wärmeübertrags
beträchtlich
beeinflussen kann.
