EP3794295B1

EP3794295B1 - Drehrohrapparat

Info

Publication number: EP3794295B1
Application number: EP19727590.2A
Authority: EP
Inventors: Niclas SCHULTHEIS
Original assignee: Grenzebach BSH GmbH
Current assignee: Grenzebach BSH GmbH
Priority date: 2018-05-14
Filing date: 2019-05-10
Publication date: 2023-07-26
Anticipated expiration: 2039-05-10
Also published as: CL2020002937A1; EP3794295A1; RU2771058C1; CA3099902A1; ES2957358T3; KR20210008082A; MX2020012246A; PE20210532A1; ZA202007283B; JP7286901B2; EP3794295C0; JP2021523339A; AU2019268508A1; WO2019219233A1; US20210215428A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehrohrapparat, insbesondere einen Sektionalkühler zum Kühlen eines rieselfähigen Feststoffs, mit an seinen Wänden angebrachten Strukturen zur Erhöhung der Wärmeleitung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein Drehrohrapparat dient zum Kühlen oder Erwärmen eines rieselförmigen Guts, insbesondere eines Schüttguts. Ein Drehrohrapparat wird, insbesondere in seiner als Ausgestaltung als Sektionalkühler, für kontinuierliche Prozesse in der Verfahrenstechnik eingesetzt.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zum Kühlen von sehr heißen Produkten bekannt. In verschiedenen industriellen Bereichen, wie besonders der Metallurgie, der chemischen Industrie, der Baustoff- und Zementindustrie sowie der Recyclingindustrie werden Kühler zur Kühlung von sehr heißen Produkten wie beispielsweise gebrannten Pigmenten, Schlacken, Metalloxiden und -hydroxiden, Zementklinker, Eisenschwamm, Zunder, Aktivkohle, Katalysatoren, Koks, Hüttenwerks-Reststoffen, etc. benötigt. Ohne eine Kühlung der sehr heißen Produkte ist eine weitere Prozessführung häufig nicht möglich. Vielfach soll im Rahmen der technologisch notwendigen Kühlung die im Feststoff enthaltene Wärmeenergie wenigstens teilweise zurückgewonnen werden.
Es existieren daher verschiedene Technologien, d.h. Vorrichtungen und Verfahren zur Kühlung solcher Schüttgüter, die von einer Ausgangstemperatur von z.B. 700° C bis 1.400° C auf Endtemperaturen von z.B. 80° C bis 200° C abgekühlt werden müssen.
Neben der Verwendung von Kühlern, die einen direkten Kontakt von Umgebungsluft mit dem zu kühlenden Gut nutzen, werden für diese Aufgabe mit Luft oder mit Wasser indirekt betriebene Drehrohrkühler eingesetzt. "Indirekt" heißt, dass das Kühlmedium, beispielsweise Wasser oder Luft, nicht direkt mit dem zu kühlenden heißen Produkt in Berührung kommt, sondern ein Wärmeaustausch vom heißen Produkt über eine die Medien trennende Apparatewand an das Kühlmedium erfolgt.
Aus US 1 218 873 A , US 2 283 129 A und US 2 348 446 A sind indirekt mit Luft betriebene Feststoffkühler bekannt, die sowohl mit einem einzigen, geschlossenen Trommelgehäuse arbeiten, als auch solche, die den Feststoff in mehreren Rohren innerhalb einer Trommel führen.
Weiterhin ist es aus DE 44 06 382 C2 , DE 33 31 744 C2 , US 3 829 282 A , US 3 920 381 A ; US 4 021 195 A ; US 4 089 634 A und US 4 131 418 A bekannt, heißes Schüttgut, wie beispielsweise in der Zementindustrie anfallende, heiße und zu kühlende Klinker in mehreren, um ein Austragsende eines Drehrohrofens angeordnete Rohre einzuführen und durch die Drehung des Ofens und damit der Kühlrohre zu fördern. Bei derartigen Kühlern erfolgt die Kühlung der das heiße Produkt führenden Kühlrohre durch freie Konvektion der Umgebungsluft.
Bei den einfachsten Bauformen indirekt mit Wasser gekühlter Drehrohrkühler wird ein Drehrohr von außen mit Wasser besprüht; oder die Trommel läuft durch ein Wasserbad, wie in US 4 557 804 A beschrieben, wodurch die Oberfläche der drehenden Trommel mit Wasser benetzt wird und die Apparatewandung kühlt, während wiederum das heiße, in der Trommel befindliche Produkt durch Wärmeableitung an die gekühlte Apparatewand gekühlt wird.
Aus EP 0 567 467 B1 ist ein Drehrohrkühler mit einem Drehrohr bekannt, welches sich innerhalb einer feststehenden, gemauerten Umhüllung dreht und bei dem das Kühlmedium, beispielsweise Luft oder Wasser, in dem zwischen dem Drehrohr und der Ausmauerung gebildeten Hohlraum strömt.
Eine ähnliche Lösung, in der der Trommelmantel durch ein von Kühlwasser durchströmtes Rohrsystem gebildet wird, ist aus US 1 711 297 A ; US 4 711 297 A , EP 0 217 113 A2 und DE 35 34 991 AI bekannt. Die Bauform einer derartigen, einfachen Trommel bedingt eine geringe Oberfläche für den Wärmeaustausch und dadurch eine geringe Kühlleistung der Apparatur. In der Patentschrift US 2 362 539 A wird ein Kühler beschrieben, der mit mehreren auf einem kreisrunden Umfang angeordneten produktführenden Rohren arbeitet, wobei die Rohre zur Kühlung von oben mit Wasser besprüht werden und das Wasser in eine darunter liegende Wanne abläuft.
US 2 283 129 A und EP 2 889 569 A1 offenbaren Drehrohrapparate. Aus DE 160 351 C und US 4 637 034 A sind ortsfeste Anordnungen zur Verbesserung des Wärmeübergangs bekannt.
Im Falle von Sektionalkühlern, wie sie durch die Grenzebach BSH GmbH bekannt geworden sind, wird zur Erhöhung der Wärmetauscherfläche eine Mehrzahl von Kammern, beispielsweise sechs oder acht Kammern, den sogenannten Sektionen, geschaffen, die sich in einem Drehtrommel-Gehäuse befinden, wodurch ein Hohlraum zwischen den Kammern entsteht. Bezogen auf den Querschnitt eines zylinderförmigen Gehäuses füllt damit jede Kammer einen Kreissektor oder Kreisquerschnitt aus.
Zur Kühlung des in den Kammern (Sektionen) befindlichen oder durch die Kammern geförderten heißen Produktes wird Kühlwasser durch die im Trommelgehäuse gebildeten Hohlräume zwischen den Sektionen geleitet. Die Zu- und Abführung des Kühlwassers erfolgt über ein abgedichtetes Drehgelenk auf der Seite des Produktaustrages der Trommel und Rohrverbindungen zu bzw. von den einzelnen Doppelrohren.
Derartige Sektionalkühler weisen eine besondere Konstruktionsweise auf, die zu einem hohen Material- und Arbeitsaufwand in der Herstellung, speziell durch die erforderlichen umfangreichen Schweißarbeiten führen. Das Trommelgehäuse selbst hat außerdem notwendigerweise ein hohes Gewicht, weil die Trommel und die Wandungen der Kammern aus Festigkeitsgründen dickwandig ausgeführt werden müssen. Beides führt zwar zu einem hohen Gesamtgewicht der Apparatur, erlaubt jedoch eine besonders effektive Wärmeableitung.
Sektionalkühler bestehen im Wesentlichen aus einem sich drehenden Rotor, der meist über eine Kette angetrieben wird. An den Enden des Rotors befinden sich starre Gehäuse für die Produktzu- und abfuhr. Je nach Baugröße des Kühlers ist der Rotor entweder an den Enden der eigenen Achse gelagert (Achskühler) oder besitzt eine drehrohrtypische Laufringlagerung. Innen besteht der Rotor aus mehreren sektionsförmigen Kammern, die kuchenstückförmig um eine zentrale Hohlwelle angeordnet sind. Diese Anordnung wird komplett vom Außenmantel umgeben. In den sektionsförmigen Kammern befinden sich Förderelemente. Diese können je nach Anforderung Schaufeln, Ketten oder Ähnliches sein.
Je nach Anforderung werden Sektionalkühler mit Durchmessern zwischen 0,8 und 4 m und Längen von 3 bis 30 m gebaut.
Sektionalkühler arbeiten mit indirekter Wasserkühlung. Das Kühlwasser gelangt dabei durch eine innere zentrale Hohlwelle zwischen die einzelnen Sektionen, umströmt diese und tritt durch eine äußere zentrale Hohlwelle wieder aus. Das zu kühlende Produkt fällt meist direkt in das Produkteinfallgehäuse und wird durch die Drehbewegung und die Förderelemente zum anderen Ende des Kühlers transportiert. Durch die Rotation wird eine permanente Durchmischung des Produkts in den Sektionen und somit ein guter Wärmeübergang erreicht. Dabei kann das Produkt im Gleich- oder Gegenstrom zum Kühlmedium gefördert werden.
Sektionalkühler können zur Kühlung fast aller rieselfähiger Schüttgüter eingesetzt werden. Man findet sie häufig hinter Drehrohröfen bei Kalzinierungsprozessen oder Ähnlichem. Ihr Hauptziel ist es meist, die Produkte so weit herunterzukühlen, dass sie mit anderen Apparaten (Förderanlagen, Mühlen, etc.) gehandhabt werden können. Oft stellt aber auch das Abkühlen selbst einen wichtigen Teil im Herstellungsprozess dar. Typische Produkte sind z. B. Petrolkoks, Zinkblenderöstgut, Soda, Pigmente und viele mehr. Die Eintrittstemperaturen der Produkte können bis zu 1400 °C betragen.
Im Gegensatz zu direkt luftgekühlten Apparaten treten beim Kühlen von Pulvern im Sektionalkühler keine Probleme durch Produktaustrag im Luftstrom auf. Dank der robusten Bauweise bereiten aber auch größere Partikel keine Probleme. Durch Verwendung entsprechender Dichtungen ist es möglich, in den Sektionen einen inerten Raum zu schaffen, wodurch auch reaktive Produkte behandelt werden können.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Drehrohrapparat, insbesondere einen Sektionalkühler, der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass er einen optimierten Wärmeübergang von dem zu kühlenden Gut auf das Kühlmedium erreicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, wie in Patentanspruch 1 angegeben.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung, insbesondere in Verbindung mit den Figuren.
Die Erfindung bezieht sich auf jegliche Drehrohrapparate, die zum Kühlen oder Erwärmen eines rieselfähigen Guts eingesetzt werden. Nachstehend wird als Beispiel für einen derartigen Drehrohrapparat stets auf einen Drehrohrkühler und dessen Kühlfunktion Bezug genommen; gleichwohl ist die Erfindung zum Einsatz für jegliches, in einen derartigen Drehrohrkühler eingebrachtes schüttfähiges Gut vorgesehen. Vorzugsweise sind die Hohlrohre in Reihen angeordnet, die sich in Längsrichtung des Drehrohrapparats erstrecken.
Mit Vorteil weisen jeweils zwei benachbarte Reihen Hohlrohre eine versetzte Anordnung der Hohlrohre auf.
Die Hohlrohre lassen sich beispielsweise durch Schrauben, Kleben oder Nieten auf den Wänden von Sektionen aufbringen.
Geeignet sind beispielsweise auch Schweißverfahren, insbesondere Unterpulverschweißen, Metallschutzgasschweißen, Reibschweißen oder Bolzenschweißen. Ein besonders an die Hohlrohre angepasstes und daher besonders geeignetes Verfahren ist das Hülsenschweißen.
Die Hohlrohre weisen eine Länge von weniger als 10 cm, insbesondere von weniger als 5 cm, auf. Sie haben besonders bevorzugt eine Länge von 3,6 cm.
Mit Vorteil weisen die Hohlrohre einen Durchmesser von weniger als 5 cm auf, insbesondere von 3,0 cm.
Als vorteilhaft erweist es sich ebenfalls, wenn die Hohlrohre eine Wanddicke von 1 cm oder weniger, insbesondere von 0,5 cm, haben.
Vorzugsweise weist der Drehrohrkühler eine Mehrzahl von Sektionen auf, die auf den radialen Wänden und auf der Kreisbogenwand eine höhere Dichte von Hohlrohren aufweisen als in den Eckbereichen zwischen den radialen Wänden und zwischen den radialen Wänden einerseits und der Kreisbogenwand andererseits.
Mit Vorteil ist vorgesehen, dass die Sektionen jeweils etwa 500 Rippen oder 500 Hohlrohre je Meter Länge des Drehrohrkühlers aufweisen.
Ebenso bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zum Betreiben eines Drehrohrapparats, insbesondere eines Drehrohrkühlers, wie er oben beschrieben wurde. Das Verfahren ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Feststoff in einer turbulenten Strömung um die Hohlrohre herumbewegt.
Nachstehend wird die Erfindung in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine Darstellung des Verschleißes eines Bauteils (senkrechte Achse), beispielsweise des Drehrohrapparats, als Funktion des Verhältnisses der Härte des Werkstoffs des Bauteils zur Härte eines Verschleißkörpers (waagrechte Achse), beispielsweise von Zinkoxid,
Fig. 2: eine Darstellung des Verschleißes eines Bauteils (senkrechte Achse), beispielsweise des Drehrohrapparats, als Funktion des Verhältnisses der Härte des Werkstoffs des Bauteils zur Härte von Zinkoxid (waagrechte Achse) für verschiedene zum Einsatz in einem Drehrohrapparat verwendbare Materialien,
Fig. 3: eine Darstellung der Brinellhärte [HBW] (senkrechte Achse) als Funktion der Bruchdehnung, gemessen in [%], für verschiedene zum Einsatz in einem Drehrohrapparat verwendbare Materialien (waagrechte Achse), insbesondere für dessen eine Kühlfunktion ausübende Bauteile wie die Kühlrippen,
Fig. 4: eine Darstellung der Wärmeleitfähigkeit λ, gemessen in [W/(m K)], (senkrechte Achse) verschiedener Materialien in Abhängigkeit zur Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Materialien zu dem Wärmeausdehnungskoeffizienten α [10^-6 K^-1] des für die Wände der Sektionen des Drehrohrapparats eingesetzten Baustahls IS235JR (waagrechte Achse),
Fig. 5: den von verschiedenen Materialien übertragenen Wärmestrom Q [W] (senkrechte Achse) in Abhängigkeit von deren Wärmeleitfähigkeit A [W / (m K)] (waagrechte Achse),
Fig. 6: die Wärmeleitfähigkeit verschiedener Materialien (senkrechte Achse) als Funktion ihrer Temperaturleitfähigkeit (waagrechte Achse),
Fig. 7: eine Schnittansicht eines Ausschnitts einer Sektion eines Sektionalkühlers mit einer Rechteckrippe, die über eine Schraube und eine Mutter mit einer Wandung der Sektion verbunden ist,
Fig. 8: eine Schnittansicht eines Ausschnitts einer Sektion eines Sektionalkühlers mit einer im Querschnitt wellenförmigen Rippe,
Fig. 9: eine Schnittansicht einer auf der Wandung einer Sektion eines Sektionalkühlers aufgebrachten Hohlrippe oder Rohrrippe,
Fig. 10: einen Querschnitt durch einen schematisch dargestellten Sektionalkühler mit acht Sektionen, die jeweils teilweise mit einem rieselfähigen Gut (in Schwarz dargestellt) gefüllt sind,
Fig. 11: eine isometrische Querschnittsdarstellung eines Sektors eines Sektionalkühlers gemäß Fig. 10, der mit reihenförmig angeordneten Hohlrippen gemäß Fig. 9 ausgestattet ist,
Fig. 12: eine Draufsicht auf reihenförmig in auf einer inneren Wandung eines Sektors des Sektionalkühlers angeordnete Rohrrippen im Bereich einer der Zonen, in denen das zu kühlende Gut eine höhere Teilchengeschwindigkeit aufweist, und
Fig. 13: eine Darstellung einer von Teilchen eines zu kühlenden Guts umströmten Rohrrippe.

Erfindungsgemäß werden bei der Optimierung eines Drehrohrkühlers eine Vielzahl von Kriterien berücksichtigt. Es wird die bestmögliche Kombination aus Material, Fügeverfahren und Geometrie ermittelt. Dabei wird jedoch hauptsächlich die Optimierung des Wärmeübergangs des Drehrohrkühlers, insbesondere des Sektionalkühlers, durch die Einbringung und Optimierung der Kühlrippen verbessert.
Das zu kühlende Substrat wird bei einer hohen Temperatur, beispielsweise mit bis zu 950 °C, in einen Drehrohrkühler, beispielsweise einen Sektionalkühler, eingebracht. Durch die ständige Kühlung der Sektionen durch ein Kühlfluid, beispielsweise Wasser, werden die Temperaturen der Sektionen abgesenkt. Je nach Geometrie können Kühlrippen in den Sektionen anteilig am Eintritt des Produktes jedoch eine Temperatur von beispielsweise 550 °C erreichen. Die mechanischen Beanspruchungen der Rippen sind jedoch gering. Sie beschränken sich auf Belastungen durch den Kontakt mit dem Produkt. Die Rippen besitzen keine tragende oder festigkeitssteigernde Rolle innerhalb des Sektionalkühlers. Daher können auch Werkstoffe in Betracht gezogen werden, deren Einsatzgrenze unter den genannten 550 °C liegt. Die Hauptbeanspruchung liegt im Bereich des Verschleißwiderstands durch das zu kühlende oder zu erwärmende Substrat, beispielsweise pulverförmiges Zinkoxid. Je nach Zusammensetzung der Atmosphäre innerhalb des Sektionalkühlers können ebenfalls Prozesse der Hochtemperaturkorrosion stattfinden.
Aufgrund der auftretenden Temperaturen beschränkt sich die Werkstoffauswahl auf Metalle und deren Legierungen sowie keramische Materialien. Die keramischen Werkstoffe besitzen trotz ihrer guten Eigenschaften in Bezug auf die Korrosionsbeständigkeit eine schlechte Wärmeleitfähigkeit. Außerdem ist ihr sprödes Verhalten kritisch zu beurteilen. Somit wird metallischen Legierungen in der Materialauswahl der Vorzug gegeben. Die Werkstoffe, die zur Auswahl stehen sind mit einigen ihrer Eigenschaften in der Tabelle 1 dargestellt. Wie in der Auswahl ersichtlich, sind jeweils Werkstoffe unterschiedlicher Kategorien in den Prozess der Auswahl mit einbezogen. Beispielsweise besteht der Sektionalkühler mit all seinen Einbauten größtenteils aus dem Baustahl S235JR mit der Werkstoffnummer 1.0038. Geeignet sind jedoch auch andere Legierungen, beispielsweise von Aluminium oder Magnesium, sowie verschiedene Stahlsorten.
Tabelle 1 zeigt die Werkstoffe.
Die Auswahl des zu verwendenden Werkstoffes wird unter einer Mehrzahl an Kriterien getroffen. Da die Hauptbeanspruchung auf die Kühlrippen, der durch das Zinkoxid verursachte Verschleiß ist, gilt es, diesen möglichst gering zu halten. Bei dem auftretenden Verschleißarten handelt es sich um Gleitverschleiß und Prallverschleiß. Ein hoher Widerstand gegenüber den beiden Arten, die sich aus den Mechanismen der Abrasion und Oberflächenzerrüttung zusammensetzen, kann durch eine Kombination aus hoher Härte und Duktilität erzielt werden. Dem Mechanismus der Abrasion kann dabei durch eine hohe Härte des Werkstoffs entgegengewirkt werden.

Wie in Fig. 1 schematisch durch das Verhältnis der Härte des Bauteils zu der Härte des Verschleißkörpers dargestellt, wird der Verschleiß durch Abrasion in drei Zonen unterteilt. In der Zone mit einem Verhältnis von unter 0,6 entsteht der größte Verschleiß durch die geringe Härte des Bauteils. In einem Bereich mit einem Verhältnis der Härte der beiden Komponenten zwischen von 0,6 bis 1,2 findet ein Übergang von der Verschleiß-Hochlage zur Verschleiß-Tieflage statt. Ab einem Wert von 1,2 wird der Verschleiß durch Abrasion minimiert, da der Verschleißkörper aufgrund seiner geringeren Härte nicht in das Bauteil eindringen kann.

Tabelle 1

Kategorie	Kurzname	WerkstoffNummer	Wärmeleitfähigkeit [W/(mK)]	Ausdehnungskoeffizient [*10^-6K^-1]	Spez. Wärmekapazität [J/(kgK)]	E-Modul [N/mm²]	Dichte [kg/m³]	Härte Brinell [HBW]
Aluminiumlegierung	AlMg1SiCu	3.3211	170	23,0	895	70.000	2.700	88
Magnesiumlegierung	AM50A (EN MCMgAl5Mn)	EN-MC21220	65	14,0	1020	45.000	1.770	58
Reinnickel	Nickel 201	2.4068	79	1, 8	456	205.000	8.900	95
Baustahl	S355JR	1.0045	54	0,0	461	210.000	7.850	170
Vergütungsstahl	25CrMo4	1.7218	49	0,4	435	210.000	7.750	216
Baustahl	S235	1.0038	54	0,0	461	210.000	7.850	123
Kohlenstoffstahl	SAE-AISI 1008	1008	65	13,1	470	190.000	7.900	97
Warmfester Stahl	P235GH	1.0345	57	13,0	461	210.000	7.850	143
Warmfester Druckbehälterstahl	P265Gh	1.0425	51	13,0	461	210.000	7.850	155
Nichtrostender ferritischer Stahl	X6CrMoS17	1.4105	25	13,0	460	220.000	7.700	200

Bei Zinkoxid handelt es sich um ein Mineral. Demnach wird die Härte des Zinkoxids nach der Mohs-Härteskala, die auf der Ritzhärte der Mineralien basiert, eingeteilt. Der Wert beträgt ca. 4. Obwohl eine genaue Umrechnung in einen im Maschinenbau typischen Wert der Härte nach Brinell nicht möglich ist, gilt als Richtwert der Härte von Zinkoxid nach Brinell ca. 180 HBW (HBW = Härte Brinell Wolframkarbid). Bildet man das Verhältnis der Härte der betrachteten Werkstoffe zu der des Zinkoxids und trägt diese in den Graphen aus Fig. 1 ein, ergibt sich folgendes Schaubild: Der Vergütungsstahl 25CrMo4 ist das einzige Material, das sich in der Verschleiß-Tieflage befindet. Die Magnesiumlegierung, das Reinnickel und der Kohlenstoffstahl, befinden sich im Bereich maximalen Verschleißes durch Abrasion. Alle anderen Werkstoffe befinden sich im Bereich des Übergangs (Fig. 2).
Da neben dem Mechanismus der Abrasion ebenfalls die Oberflächenzerrüttung von Bedeutung ist, werden die Werkstoffe auch in Bezug auf ihren Verschleißwiderstand gegenüber dieser beurteilt. Als messbare Größe für den Widerstand kann die Bruchdehnung genutzt werden. Diese gibt die Duktilität der Werkstoffe wieder, die mit steigendem Maß der Oberflächenzerrüttung entgegenwirkt. Figur 3 stellt die Werkstoffeigenschaften der Härte gegenüber der Bruchdehnung gegenüber, da der Verschleiß abhängig von der Kombination aus beiden Eigenschaften ist.
Entsprechend sind Werkstoffe, die sich im oberen rechten Bereich des Diagramms befinden, aufgrund ihrer Kombination aus Härte und Bruchdehnung für den Einsatz in einem Drehrohrkühler zu bevorzugen. Werkstoffe, die im unteren rechten Bereich zu finden sind, wie Nickel, besitzen einen guten Verschleißwiderstand gegenüber Oberflächenzerrüttung, aber aufgrund der geringen Härte sind sie anfällig gegenüber Abrasion. Die beiden Legierungen aus Aluminium und Magnesium weisen für keinen der beiden Mechanismen einen besonders guten Widerstand vor. Jedoch ist zu berücksichtigen, dass der Anteil an Abrasion gegenüber dem der Oberflächenzerrüttung überwiegt. Dies liegt an den kleinen Partikeldurchmessern des Zinkoxids zwischen 0 mm und 6 mm. Demnach ist ein Gewichtungsfaktor mit einzubeziehen, der in Figur 3 nicht berücksichtigt ist. Das Verhältnis der Abrasion zur Oberflächenzerrüttung wird beispielsweise mit $\frac{2}{3}$
zu $\frac{1}{3}$
festgelegt.
Da erfindungsgemäß hauptsächlich der Wärmeübergang des Sektionalkühlers verbessert wird, wird vornehmlich die Wärmeleitfähigkeit der einzelnen Materialien berücksichtigt. Unabhängig von der Geometrie können so durch den Einsatz der besonders geeigneten Werkstoffe mit höherer Wärmeleitfähigkeit erhöhte Wärmeströme erzielt werden. Allerdings ist zu beachten, dass sich abhängig vom Fügeverfahren die Anzahl der verwendbaren Werkstoffe eingrenzen kann. Außerdem ist der Wärmeausdehnungskoeffizient zu berücksichtigen. Wenn die Sektionen aus Baustahl bestehen, der einen Koeffizienten von ca. 12 × 10^-6 K ^-1 besitzt, können, wenn die Kühlrippen aus anderen Materialien bestehen, Spannungen entstehen. Die Sektionen und Kühlrippen besitzen während des Fügeprozesses Raumtemperatur. Wird der Kühler nun in Betrieb genommen, steigt die Temperatur, und die Komponenten dehnen sich aus. Bei Materialien unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten dehnen sich diese demnach unterschiedlich stark aus. Durch diese Differenz der Ausdehnungen entstehen im Bereich der Fügezone Spannungen. Je nach Temperatur und Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten fallen diese größer oder kleiner aus. Je nach Fügeverfahren können demnach kritische Spannungen überschritten werden. In Fig. 4 ist daher die Wärmeleitfähigkeit gegenüber der Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem betrachteten Werkstoff der Kühlrippen und dem in den Sektionen eingesetzten Baustahl IS235JR aufgetragen.
Es zeigt sich, dass die Aluminiumlegierung die größte Wärmeleitfähigkeit besitzt, aber auch eine hohe Differenz zum thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Baustahl. Zusammen mit der Magnesiumlegierung, die gegenüber der Aluminiumlegierung eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit besitzt, sind im Bereich der Fügezone die größten Spannungen zu erwarten. Alle anderen Werkstoffe liegen in einem ähnlichen Bereich des Wärmeausdehnungskoeffizienten und der Wärmeleitfähigkeit, wobei der nichtrostende ferritische Stahl X6CrMoS17 die geringste Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Vergleicht man den übertragenen Wärmestrom unter gleichen Bedingungen lediglich mit den unterschiedlichen Materialien, ergibt sich der in Figur 5 dargestellte Wärmestrom in Abhängigkeit zur Wärmeleitfähigkeit. Es zeigt sich ein Verlauf, der dem einer Wurzelfunktion ähnelt. Bei niedrigen Werten der Wärmeleitfähigkeit steigt der Wärmestrom steil an. Mit steigenden Wärmeleitfähigkeiten nimmt der Wärmestrom weiterhin zu, jedoch nimmt die Steigung des Verlaufs stark ab. Aus diesem Grund ist der Wärmestrom von X6CrMoS17 ca. 20 % geringer als der von S235JR, obwohl die Wärmeleitfähigkeit über 50% unter dessen liegt. Die Wärmeleitfähigkeit der Aluminiumlegierung übersteigt den Wert des Baustahls um mehr als 200 %. Der Gewinn an Wärmestrom hingegen beträgt lediglich 20 %. Der Verlauf nähert sich demnach einem maximalen Wärmestrom.
Fig. 5 zeigt den übertragenen Wärmestrom in Abhängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit. Ein weiteres Bewertungskriterium ist die Temperaturleitfähigkeit in Bezug auf die erläuterte thermische Ermüdung. Obwohl die Anzahl der Betriebszyklen eines Sektionalkühlers gering ist, da sie fast ausschließlich zur Wartung und Reparatur außer Betrieb genommen werden, kann eine thermische Ermüdung der Kühlrippen bei zu geringer Temperaturleitfähigkeit trotzdem auftreten. Daher sind höhere Temperaturleitfähigkeiten der Materialien, wie auch der Geometrien zu bevorzugen um Risse in den Bauteilen und Ermüdungserscheinungen zu vermeiden.
Fig. 6 stellt die Wärmeleitfähigkeit der Werkstoffe gegenüber der Temperaturleitfähigkeit grafisch dar. In Bezug auf die thermischen Eigenschaften erfüllt die Aluminiumlegierung erneut das beste Ergebnis durch die hohe Wärmeaber auch Temperaturleitfähigkeit. Da sich die Temperaturleitfähigkeit aus der Wärmeleitfähigkeit, der Dichte und der spezifischen Wärmekapazität zusammensetzt, wird deutlich, wieso die Aluminiumlegierung mit der geringen Dichte und der hohen Wärmeleitfähigkeit eine hohe Temperaturleitfähigkeit besitzt. Auch die Magnesiumlegierung weist eine hohe Temperaturleitfähigkeit auf. In Bezug auf die Temperaturleitfähigkeit besitzt die Legierung X6CrMoS17 die schlechtesten Eigenschaften. Die übrigen Werkstoffe besitzen annähernd gleiche Temperaturleitfähigkeiten, bei den bekannten Differenzen der Wärmeleitfähigkeiten.

Um den am besten geeigneten Werkstoff zu ermitteln werden die zuvor dargestellten Faktoren bzw. Bewertungskriterien, wie Härte, Bruchdehnung, Wärmeleitfähigkeit, Ausdehnungskoeffizient, Temperaturleitfähigkeit, Wärmestrom und den Kosten ausgewertet. Entsprechend der Wichtigkeit der einzelnen Bewertungskriterien werden diese beispielsweise mit Gewichtungsfaktoren versehen (vgl. Tabelle 2).

Tabelle 2: Gewichtungsfaktoren der Bewertungskriterien

Bewertungskriterium	Gewichtungsfaktor
Härte	0,30
Bruchdehnung	0,20
Wärmeleitfähigkeit	0,20
Differenz Wärmeausdehnungskoeffizient	0,15
Temperaturleitfähigkeit	0,05
Wärmestrom	0,20
Summe:	1

Zusätzlich zu der Wärmeleitfähigkeit wird auch der übertragene Wärmestrom mit demselben Gewichtungsfaktor in die Auswertung mit einbezogen, da sich gezeigt hat, dass die Wärmeleitfähigkeit zwar ausschlaggebend für den Wärmestrom ist, aber keinen linearen Verlauf besitzt. Demnach dient der ermittelte Wärmestrom als zusätzlicher Faktor um diese Nichtlinearität zu kompensieren. Einen weiteren großen Einfluss besitzen die Kriterien, die mit dem Verschleiß bzw. der Ermüdung der Werkstoffe in Zusammenhang stehen.
Die Auswertung erfolgt, indem jeweils der höchste Wert eines Bewertungskriteriums mit dem Wert Eins versehen wird. Der Wert Null bildet jeweils die Untergrenze. Zwischen dem oberen und unteren Wert wird ein linearer Verlauf gebildet, sodass die übrigen Werte zwischen den beiden Grenzen liegen. Anschließend werden die ermittelten Werte mit dem jeweiligen Gewichtungsfaktor multipliziert. Dies wird für die verschiedenen Bewertungskriterien durchgeführt und schließlich die einzelnen Ergebnisse aufsummiert. Die bestmögliche Bewertung der Summe liegt somit bei dem Wert Eins.
Beispiel: Die Legierung 25CrMo4 besitzt mit 216 HBW die größte Härte. Dies entspricht demnach dem Wert 1. Daraus folgt, dass je 2,16 HBW die übrigen Werkstoffe jeweils 0,01 Bewertungspunkte erhalten. Somit ergibt sich für den Baustahl S235JR mit einer Härte von 123 HBW ein Wert von 0,57. Multipliziert mit dem Gewichtungsfaktor, ergeben sich die Werte von 0,3 und 0,171.
Die vollständige Auswertung ist in Tabelle 3 dargestellt. Das beste Ergebnis erzielt der Vergütungsstahl 25CrMo4 mit einer Gesamtwertung von 0,8032. Mit 0,7972 Wertungspunkten folgt der Baustahl S355JR. Da die beiden Materialien ähnlich gute Ergebnisse erzielt haben, wird eine endgültige Entscheidung über die Wahl des Werkstoffs in Abhängigkeit des verwendeten Fügeverfahrens getroffen.
Der Vergütungsstahl besitzt den erheblichen Nachteil, dass im Falle einer Schweißung, dieser über mehrere Stunden spannungsarm bei Temperaturen zwischen 680 °C und 720 °C geglüht und anschließend langsam abgekühlt werden muss, um Spannungen innerhalb der Wärmeeinflusszone durch das Schweißen abzubauen. Bei den großen Bauteilen eines Sektionalkühlers bedeutet dies neben dem zeitlichen weiterhin einen großen technischen Aufwand. Der gut schweißbare Baustahl S355JR benötigt solch eine nicht nur zeit-, sondern auch kostenintensive Nachbehandlung nicht. Somit ist der Vergütungsstahl 25CrMo4 bei sämtlichen Fügeverfahren zu bevorzugen, außer bei dem Schweißen, dort überwiegen die Vorteile des Baustahls in Bezug auf die einfachere Handhabung.
Die Art und Weise, wie die Rippen an den Sektionen des Sektionalkühlers befestigt werden, hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Lebensdauer und den übertragenen Wärmestrom. Im Folgenden wird auf die Vor- und Nachteile der
einzelnen Fügeverfahren eingegangen und jeweils mit den übrigen Verfahren verglichen.
Ein großer Vorteil von Klebungen ist, dass bei allen Metallen bei einer guten Vorbehandlung ein gleichwertiges Ergebnis erzielt werden kann. Demnach sind unterschiedliche Materialkombinationen möglich. Allerdings sind abhängig vom verwendeten Klebstofftyp weitere Faktoren zu berücksichtigen.
Strukturklebstoffe können Spannungen bis zu 30 MPa aufnehmen. Dies ist im Vergleich zu den übrigen Fügeverfahren um ein Vielfaches geringer. Um diese Spannungen jedoch ertragen zu können, sind sehr aufwendige Vorbehandlungen der Werkstücke notwendig, da nur so eine gute Benetzung der Oberflächen stattfinden kann, die maßgeblich für die Güte der Klebung ist. Da ebenfalls eine gleichmäßige und dünne Schichtdicke des Klebstoffs entscheidend ist, müssen sowohl Sektionen als auch Kühlrippen hohen Anforderungen an die Toleranzen genügen. Trotz der geringen Wärmeleitfähigkeit des Klebstoffs wird der Wärmestrom aufgrund der geringen Schichtdicke nur unmerklich verändert.
Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass die Klebstoffe während des zeitintensiven Trocknens mit einem gleichmäßigen Druck beaufschlagt werden müssen. Außerdem müssen die Sektionen während des Trocknens vollständig erwärmt werden. Dies bedingt einen hohen Energiebedarf sowie einen hohen technischen Aufwand. Obwohl es Klebstoffe mit Einsatztemperaturen über 1000 °C gibt, sind all diese von Alterungsprozessen betroffen. Zusätzlich besteht bei hohen Temperaturen die Gefahr des Kriechens, was die Lebensdauer des Sektionalkühlers drastisch herabsetzen kann.
Bei elastischen Klebstoffen sind die Anforderungen an die Toleranzen der Bauteile aufgrund der größeren Schichtdicken geringer. Jedoch sinkt damit der übertragene Wärmestrom drastisch. Außerdem sind geringere Spannungen als bei Strukturklebstoffen ertragbar. Um eine identische Kraft aufnehmen zu können, wird demnach eine größere Kontaktfläche benötigt.
Noch vorteilhafter als Klebeverbindungen sind Schraubverbindungen, durch die ebenfalls unterschiedliche Materialien miteinander verbunden werden können. Da die Verbindungen nicht stoffschlüssig, sondern kraftschlüssig sind, müssen ebenfalls hohe Formgenauigkeiten eingehalten werden, um so einen vollflächigen Kontakt zwischen Rippe und Sektion herzustellen, damit die Wärme über Wärmeleitung übertragen wird. Hohlräume zwischen Sektion und Rippe führen zu freier Konvektion zwischen den beiden Komponenten. Diese würde den übertragenen Wärmestrom deutlich senken.
Im Gegensatz zu Klebverbindungen können Schraubverbindungen durch Anpassung der verwendeten Komponenten, wie Schrauben und Muttern, deutlich höhere Spannungen ertragen. Jedoch müssen in die Sektionen eine Vielzahl an Bohrungen eingebracht werden, durch welche die Schrauben geführt werden. Durch diese nimmt die Steifigkeit der Sektionen ab. Außerdem muss dieser Bereich abgedichtet werden. Dies erfordert den Einsatz weiterer Komponenten.
Die Klemmkraft zwischen Schraubenkopf und Mutter erzeugt zusätzlich, zu der Schwächung der Sektionen durch die Bohrungen, Spannungen in den Sektionen, die sich mit den während des Betriebs auftretenden Spannungen überlagern.
In einer Sektion 1 (Fig. 7) eines Sektionalkühlers hat eine Rippe 2 eine Rechteckform (Rechteckrippe) und ist über eine Schraube 3 und eine Mutter 4 mit einer Wandung 5 der Sektion 1 verbunden. Auf diese Weise bildet die Rippe 2 eine Auflagefläche für den Schraubenkopf der Schraube 3. Durch den Einsatz von Schrauben 3 lassen sich die Rippen 2 zerstörungsfrei austauschen.

Alternativ zum Einsatz von Schraubverbindungen lassen sich auch Nietverbindungen einsetzen

Die Methode der Pressverbindung erfordert den Einsatz von Rippen, die durch die Wandung der Sektion wenigstens bereichsweise hindurchgesteckt sind.
Nach dem Einpressen können die Wandung der Sektion und die jeweilige Rippe zusätzlich verklebt oder verschweißt werden.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen den Rippen und der Wandung ist das Fügen durch Schweißen unterteilt in zwei Kategorien. Es wird sowohl Unterpulverschweißen als auch Metallschutzgasschweißen eingesetzt, ebenso wie Reibschweißen und das Bolzenschweißen.
Das Unterpulverschweißen eignet sich nicht für alle Schweißpositionen, da das Pulver lose auf der Schweißzone liegt. Somit können nur Schweißpositionen mit geringer Neigung realisiert werden. Jede Sektion eines Sektionalkühlers besteht aus zwei zusammengefügten Teilen. Diese werden nach dem Einbringen der Wendeleisten und Förderschaufeln zusammengeschweißt.
Im Vergleich zum Unterpulverschweißen besitzen die Schweißbrenner des sowohl automatisierbaren, als auch manuell durchführbaren MSG-Schweißens (MSG-Metallschutzgasschweißen) deutlich geringere Abmessungen. Die Vorbereitungen, um die Rippen an die Sektionen zu schweißen, sind geringer als die beim Kleben, Schrauben oder Nieten erforderlichen Vorbereitungen. Ungenauigkeiten können durch Einbringen von zusätzlichem Schweißzusatz ausgeglichen werden. In Bezug auf den Wärmestrom müssen die Rippen lediglich mit Fasen versehen werden, um den vollflächigen Kontakt gewährleisten zu können. Innerhalb der Schweißnaht besitzt das Material eine annähernd identische Wärmeleitfähigkeit wie das Ausgangsmaterial. Somit können durch Schweißungen mit vollflächigem Kontakt zwischen Rippe und Sektion sehr gute Ergebnisse in Bezug auf den übertragenen Wärmestrom zwischen den beiden Komponenten erzielt werden.
Trotz der Beeinflussung des Gefüges durch die hohe thermische Belastung während des Schweißens sind die ertragbaren Spannungen trotz der Schweißeigenspannungen deutlich höher im Vergleich zum Kleben mit Strukturklebstoff oder denen einer Pressverbindung. Auch sind keine zusätzlichen Auflageflächen wie beim Schrauben und Nieten notwendig. Da die Rippen komplett mit Schweißnähten umrandet werden, ist es lediglich erforderlich, die Länge der Rippen zu verringern. Statt einer langen Rippe werden demnach drei bis vier kürzere Rippen entlang der Sektionen eingebracht; man kann dies auch als eine durchbrochene Rippe bezeichnen. Dies senkt Verzug und Spannungen. Nachbehandlungen der Schweißnähte sind nicht notwendig, da der Baustahl S355JR sehr gut schweißbar ist und Reparaturen ebenfalls an den Einsatzorten auf dieselbe Art und Weise durchgeführt werden können. Zusätzliche Komponenten beschränken sich auf den Schweißdraht, wodurch die Fertigung nicht unnötig komplexer oder fehleranfälliger ist als bei Schraubverbindungen.
Für rotationssymmetrische Kühlrippen hingegen steht das Reibschweißen dem Bolzenschweißen gegenüber. Das Reibschweißen zeichnet sich durch eine sehr gute Qualität im Bereich der Schweißzone aus. Die Festigkeit liegt über der des Grundwerkstoffes. Auch die thermische Belastung und, damit verbunden, Verzug und Eigenspannungen sind geringer als bei einem Schmelzschweißverfahren.
Dies zeigt, dass das Metallschutzgasschweißen die bevorzugte Option für das Fügen von Kühlrippen darstellt.
Das Bolzenschweißen zeichnet sich durch sehr kurze Schweißzeiten aus. Diese liegen deutlich unter denen des Reibschweißens. Die thermische Belastung ist aufgrund der geringen Schweißzeiten geringer als beispielsweise beim MSG-Schweißen. Die Festigkeit der stoffschlüssigen Verbindung liegt über der des Grundwerkstoffs. Auch ist die Verbindung nicht von Alterungsprozessen, wie es bei Klebungen der Fall ist, betroffen.
Die Vorbereitung der Schweißzone ist identisch zu der des MSG- oder des Unterpulverschweißens (UP-Schweißens) und demnach ebenfalls deutlich geringer gegenüber den anderen betrachteten Verfahren. Bei einem runden Querschnitt der Kühlrippen ist das Trennen des langen Stabs auf die gewünschte Länge als Vorbereitung im Bereich der Rippen ausreichend. Die Sektionen müssen nicht mit aufwendigen Bohrungen mit minimalen Toleranzen versehen werden. Schweißzusatzstoffe werden nicht benötigt, lediglich eine Abschirmung gegenüber der Atmosphäre durch ein Schutzgas ist notwendig.
Die geringen Abmessungen der Schweißpistole eines Bolzenschweißgeräts ermöglichen eine einfache Anbringung der Rippen in allen Bereichen der Sektion. Außerdem ist die erforderliche Handfertigkeit durch die einfache Handhabung der Schweißpistole sehr gering.
Jedoch ist zu beachten, dass der maximal schweißbare Durchmesser der Kühlrippen auf 30 mm beschränkt ist. Ebenfalls ist die Blaswirkung zu berücksichtigen, um den vollflächigen Kontakt und damit die bestmögliche Wärmeübertragung zu erzielen. Trotz der Beschränkung des Außendurchmessers auf 30 mm bietet das Bolzenschweißen aufgrund der guten mechanischen Eigenschaften der Fügezone in Kombination mit der einfachen Handhabung der Schweißpistole und den sehr kurzen Schweißzeiten den besten Kompromiss. Für runde Geometrien der Kühlrippen soll folglich das Bolzenschweißen angewandt werden.
Die Kühlrippen werden demnach unabhängig von ihrer Geometrie mit den Sektionen verschweißt. Daher ist der Baustahl S355JR gegenüber dem Vergütungsstahl 25CrMo4 zu bevorzugen, da er sehr gut schweißbar ist und keine Nachbehandlung benötigt. Da es sich bei dem Baustahl S355JR um einen niedrig legierten Baustahl handelt, wird als Schutzgas ein Aktivgas empfohlen, da dieses kostengünstiger als ein inertes Gas ist.
Gemäß der Erfindung wird auch eine Geometrie der Kühlrippen geschaffen, die einer Mehrzahl von Kriterien genügt, insbesondere in Hinblick auf den Wärmestrom.
Der Wärmestrom, bezogen auf die Kontaktfläche zwischen Kühlrippe und der Sektion dient zur Ermittlung des Wärmestroms, bezogen auf 1 mm². Dadurch lässt sich die Effizienz der unterschiedlichen Geometrien unabhängig von der Größe der Rippe oder deren Kontaktfläche mit der Sektion abschätzen. Da manche Rippen, wie beispielsweise die schaufelförmigen Rippen, einen deutlich größeren Bereich der Sektion belegen als deren Kontaktfläche, wird dies durch eine projizierte Fläche berücksichtigt, d. h. die Fläche, die durch die Kontur der Rippe überdeckt wird
Dies ist in Bezug auf die zu verbauende Anzahl der Rippen zu berücksichtigen, da die mögliche Anzahl stark von der projizierten Fläche abhängt. Aus diesem Grund wird der Wärmestrom ebenfalls auf die projizierte Fläche bezogen. Neben den Flächen wird auch das Gewicht der Rippen mit in die Auswertung mit einbezogen. Der Wärmestrom, bezogen auf das Gewicht der Kühlrippe, dient als weiteres Kriterium der Effizienz der betrachteten Geometrie. Durch einen hohen Quotienten aus Wärmestrom und Gewicht werden daher eine bessere Nutzung der Ressourcen erzielt, der Materialverbrauch und die damit verbundenen Werkstoffkosten verringert. Als weiteres Kriterium wird das Verhältnis des Wärmestroms zu einem Zeitpunkt t, beispielsweise t = 28s, mit dem stationären Wärmestrom gegen Ende der Simulation verglichen. Durch dieses Verhältnis kann die Temperaturleitfähigkeit der Geometrie ermittelt werden. Eine hohe Temperaturleitfähigkeit der Geometrie verhindert oder verringert ebenfalls das Risiko der thermischen Ermüdung.
Die Gewichtung der verschiedenen Kriterien ist Tabelle 4 zu entnehmen. Die beiden auf die Flächen bezogenen Wärmeströme sind die entscheidenden Kriterien der Geometrien. Aus diesem Grund betragen die Gewichtungsfaktoren zusammen 0,65. Der Bezug des Wärmestroms auf das Gewicht der Rippe gibt einen Aufschluss über die Effizienz der Rippe, aber keinen ausschlaggebenden Aufschluss über die allgemeine Verbesserung des Wärmestroms zu der momentan verwendeten Kühlrippe. Aus diesem Grund ist das Kriterium nicht zu vernachlässigen, aber mit einem Gewichtungsfaktor von 0,2 geringer faktorisiert, als die Wärmeströme, bezogen auf die Flächen. Mit einem Gewichtungsfaktor von 0,15 liegt die Temperaturleitfähigkeit unter den übrigen Faktoren. Begründet wird dies, da das Verhältnis der Wärmeströme zu unterschiedlichen Zeiten vor allem für die thermische Ermüdung entscheidend ist. Tabelle 4: Gewichtungsfaktoren der Bewertungskriterien der Geometrie

Bewertungskriterium Gewichtungsfaktor

Wärmestrom pro Fläche 0,4

Wärmestrom pro projizierter Fläche 0,25

Wärmestrom pro Kilogramm 0,2

Temperaturleitfähigkeit 0,15

Summe 1
Die Auswertung der unterschiedlichen Geometrien erfolgt auf ähnliche Art und Weise wie die der Materialvorauswahl. Der höchste Wert eines Bewertungskriteriums wird jeweils mit dem Wert 1 versehen. Anschließend wird eine lineare Abstufung bis zum Wert 0 gebildet und die übrigen Geometrien mit dem entsprechenden Wert versehen.
Die Werte werden mit den Gewichtungsfaktoren multipliziert und anschließend aufsummiert. Die maximal erreichbare Summe beträgt demnach den Wert 1.
Die Auswertung ist in Tabelle 5 dargestellt. Das beste Ergebnis in der Summe mit 0,859 Punkten erzielt eine wellige Rippe 6 (Fig. 8) (in der Tabelle 5 nur mit "Wellig" wiedergegeben). Dies ist auf die große Fläche, die durch die Geometrie erzielt wird, zurückzuführen. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass längliche Rippen durch das MSG-Schweißen an den Sektionen befestigt werden sollen. Jedoch ist durch die Kontur ein Anbringen der benötigten Fase, um einen vollflächigen Kontakt zwischen Rippe und Sektion zu gewährleisten, zwar möglich, dennoch ist aufgrund der Wölbung auf der linken Seite der Rippe (Fig. 8) ein Zuführen des Schweißbrenners nicht möglich. Durch eine geometrische Anpassung der Geometrie, um die Schweißbarkeit gewährleisten zu können, reduziert sich die Punktzahl um nahezu 0,2 Punkte auf 0,672. Obwohl in Fig. 8 im Querschnitt nur eine "Halbwelle" eines Querschnitts einer derartigen Rippe 6 dargestellt ist, versteht es sich, dass erfindungsgemäß jede Rippe 6 eine Vielzahl von Wellenbergen und Wellentälern aufweisen kann.
Tabelle 5 zeigt die Auswertung der Geometrie.

Mit einer Differenz von 0,084 Punkten folgt an die unangepasste wellige Rippe die optimierte Rechteckrippe. Diese besitzt aufgrund der optimal berechneten Höhe

Tabelle 5

		Wärme- strom pro Fläche	Verrechnung mit Gewichtungsfaktor	Wärmestrom pro proj Fläche	Verrechnung mit Gewichtungsfaktor	Wärmestrom pro kg	Verrechnung mit Gewichtungsfaktor	Temperatur leitfähigkeit	Verrechnung mit Gewich-tungsfaktor	SUMME
Konvex umgekehrt	rund	1, 000	0, 400	0,343	0, 086	0, 330	0,066	0,879	0,132	0,684
Wellig		0,	0, 322	0,769	0,192	0,973	0,195	1,000	0,150	0,859
Baum		0, 796	0,319	0,327	0, 082	0,736	0,147	0,958	0,144	0,691
Trapez umgekehrt		0,767	0, 307	0, 404	0,101	0,512	0,102	0,827	0,124	0,634
Baum umgekehrt		0,761	0, 305	0,313	0, 078	0, 704	0,141	0,959	0,144	0,667
Schaufel verh 0, 75		0,727	0,291	0,319	0, 080	0,542	0,108	0, 925	0,139	0,618
Konvex umgekehrt		0,699	0,279	0,383	0, 096	0,361	0, 072	0,711	0,107	0,554
Gabel		0,664	0,266	0,520	0,130	0,843	0,169	0,942	0,141	0, 705
Schaufel verh 1		0,643	0,257	0,211	0, 053	0,412	0, 082	0,931	0,140	0,532
Schaufel verh 0,5		0, 630	0,252	0,414	0,103	0, 560	0, 112	0,912	0,137	0, 604
Rechteck		0,608	0,243	1,000	0,250	0,754	0,151	0,867	0,130	0,774
Rechteck gezackt		0,588	0,235	0,9661	0,2421	0,752	0,150	0,876	0, 131	0, 758
Rund hohl 1 zu 3	rund	0,551	0,220	0, 906	0,226	0,698	0,140	0,872	0,131	0,717
Rund hohl 1,5 zu 3	rund	0,549	0, 220	0, 903	0,226	0,792	0,158	0, 926	0,139	0,743
Eckig	rund	0,542	0,217	0,892	0,223	0,579	0,116	0,774	0, 116	0,672
Rund hohl 2 zu 3	rund	0,527	0,211	0, 867	0,217	0,944	0,189	0, 990	0,149	0, 765
Parabel		0,524	0,210	0,861	0,215	0,776	0,115	0,827	0,124	0,704
Rechteck Standard		0,523	0, 209	0, 859	0,215	1,000	0, 200	0,797	0,120	0,743
Trapez		0,508	0,203	0, 835	0,209	0,944	0,189	0,862	0,129	0,730
Rund	rund	0, 463	0,185	0, 761	0,190	0,534	0,107	0, 729	0,109	0,592
Dreieck spitz		0,4411	0,177	0, 725	0,181	0,923	0,185	0,794	0,119	0,662
Konvex		0, 430	0,172	0, 707	0,177	0,606	0,121	0,721	0,108	0,578
Kralle		0, 409	0,164	0, 270	0,067	0,539	0,108	0,709	0,106	0, 445
Konvex	rund	0,396	0,158	0,651	0,1631	0,679	0,136	0, 671	0, 101	0, 557

bereits das bestmögliche Ergebnis, wohingegen die anderen Geometrien das Potential besitzen, durch weitere Anpassungen noch bessere Ergebnisse zu erzielen. Ein weiterer Grund für das gute Ergebnis der optimierten Rechteckrippe ist, dass der hohe Wirkungsgrad der Geometrie, der durch den geringen Faktor m × h begründet ist.

Das nächstbeste Ergebnis erzielt die runde Geometrie mit einer Vertiefung mit dem Verhältnis zwischen Innenradius R_i einer kreisförmigen Hohlrippe 7 zu einem Außenradius R_a (vgl. Fig. 9) von 2 zu 3. Mit einer Punktzahl von 0,765 liegt dies 0,009 Bewertungspunkte unter dem Wert der optimierten Rechteckrippe. Jede der Rippen 7 ist in der Mitte mit einer Bohrung versehen. Neben dem erheblichen Mehraufwand ist dies mit erhöhten Werkzeugkosten verbunden.
Die Simulation eines Rohres, dessen Fertigungsaufwand deutlich geringer ist, mit den identischen Durchmessern der aufgebohrten Rippe zeigt allerdings das Potential dieser Geometrie. Mit einem Wärmestrom von Q̇ = 62,2 W erzielt diese Geometrie einen Wert von 0,787. Dieser übersteigt den Wert der optimierten Rechteckrippe, ohne das volle Potential der Geometrie ausgeschöpft zu haben. In Bezug auf das Befestigen von Rohrrippen an die Sektionen kann eine relativ neu entwickelte Abwandlung des Bolzenschweißens verwendet werden, das Magnetic Rotating Arc (MARC) auch Hülsenschweißen genannt.
Dieses besitzt nahezu identische Eigenschaften wie das Bolzenschweißen und unterscheidet sich vor allem in der Form des Lichtbogens. Es wird ein magnetisch bewegter kreisförmiger Lichtbogen zwischen Rippe und Sektion erzeugt. Dieser sorgt für ein ringförmiges Schmelzbad der beiden Komponenten. Der Vorteil der extrem kurzen Schweißzeiten, geht ebenfalls mit diesem Verfahren nicht verloren. Die Qualität der Schweißnaht ist sehr gut mit Festigkeiten, die über denen der Grundwerkstoffe liegen. Zusätzlich ist das Hülsenschweißen nicht so anfällig gegenüber der Blaswirkung.
Da die Geometrie des Rohres in Bezug auf den Wärmestrom nahezu die besten Ergebnisse liefert, wird diese in Kombination mit dem MARC-Schweißen nachfolgend im Detail anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.
Die rohrförmige Geometrie der Kühlrippe wird nachstehend am Beispiel eines genormten Rohrs erläutert. Die Maße sind beispielsweise aus der DIN EN 10220 entnommen. Der Durchmesser, bei dem MARC-Schweißverfahren möglich ist, beträgt wie beim Bolzenschweißen beispielsweise ca. d = 30 mm. Der geringste beispielsweise gewählte Durchmesser beträgt d = 25 mm. Die Dicke der Wandung wird zwischen T = 6,3 mm und T = 5 mm variiert.
Die Auswertung wird identisch zu der oben wieder gegebenen Auswertung durchgeführt. Es werden dieselben Bewertungskriterien mit den gleichen Gewichtungsfaktoren verwendet. Allerdings wird ein weiteres Bewertungskriterium, der Wärmestrom, hinzugefügt. Da es sich jeweils um eine Rohrrippe handelt, ist diese Ergänzung ohne weitere Anpassungen möglich. Gewichtet wird der Wärmestrom mit dem Faktor 0,3. Die maximal erreichbare Summe steigt somit auf den Wert 1,3. Die Länge der Rippen ist unabhängig von den Durchmessern und Wanddicken auf L = 50 mm festgelegt.
Tabelle 6 zeigt die Auswertung der Optimierung von Durchmesser und Wanddicke.
Die in Tabelle 6 aufgeführte Auswertung zeigt, dass grundsätzlich die Geometrien mit einer Wanddicke von T = 5 mm bessere Ergebnisse erzielen. Dies lässt sich auf die größere Wärmeaustauschfläche zurückführen. Trotz der geringeren Wanddicke erzielen die Rohrrippen aufgrund ihrer runden Geometrie ähnliche Festigkeiten wie eine vergleichbare Rechteckrippe mit einer Dicke von T = 10 mm.

Das beste Ergebnis wird mit einem Durchmesser von d = 30 mm und einer Wanddicke von T = 5 mm erzielt. Anhand dieser festgelegten Charakteristiken der

Tabelle 6

Durchmesser [mm]	Wanddicke [mm]	Wärmestrom pro Fläche	Wärmestrom pro proj Fläche	Wärmestrom pro kg	Temperaturleitfähigkeit	Wärmestrom	SUMME
30, 0	6, 3	0, 129	0, 086	329, 249	0, 816	60, 620	1, 109
30, 0	5, 0	0, 145	0, 081	369, 210	0, 864	56, 910	1, 146
26, 9	6, 3	0, 129	0, 093	329, 317	0, 816	52, 700	1, 089
26, 9	5, 0	0, 147	0, 089	373, 267	0, 864	50, 400	1, 142
25, 4	6, 3	0, 129	0, 096	329, 096	0, 816	48, 830	1, 080
25, 4	5, 0	0, 146	0, 093	372, 885	0, 864	46, 900	1, 135
25, 0	6, 3	0, 129	0, 097	328, 978	0, 816	47, 790	1, 078
25, 0	5, 0	0, 146	0, 094	373, 037	0, 865	46, 000	1, 134

Geometrie wird die besonders bevorzugte Länge der Rippe bestimmt. Die Länge der Rippe wird mit einem Abstand von 2 mm in einem Bereich zwischen L = 30 mm und L = 60 mm variiert. Da sowohl die Fläche, als auch projizierte Fläche identisch sind, werden die Bewertungskriterien auf den Wärmestrom (Gewichtungsfaktor 0,65), den Wärmestrom, bezogen auf das Gewicht (Gewichtungsfaktor 0,2) und die Temperaturleitfähigkeit (Gewichtungsfaktor 0,15), beschränkt.
In Tabelle 7 sind die Ergebnisse der Auswertung über die Länge der Rippe aufgetragen. Es zeigt sich, dass sich bei einer Länge von L = 36 mm ein Maximum ergibt. Mit größer werdender Länge steigt der Wärmestrom ab dem Maximum im Verhältnis zu der steigenden Masse deutlich geringer. Aus diesem Grund fällt der Verlauf des Graphen ab dem Maximum. Folglich wird die Rippe mit der Länge von L = 36 mm gewählt. Diese bietet den besten Kompromiss der betrachteten Kriterien. Da durch den Prozess des Schweißens die Rippe um etwa eine Länge von L = 1,5 mm gestaucht wird, ist dieser Betrag an die optimale Länge der Rippe hinzuzufügen. Somit ergibt sich eine Länge von L = 37,5 mm.
Die Abmessungen der Optimierung ergeben somit einen Außendurchmesser des Rohres von d = 30 mm bei einer Wanddicke von T = 5 mm und einer Länge von L = 36 mm bzw. L = 37,5 mm unter Berücksichtigung des verwendeten Fügeverfahrens und der damit verbundenen Abnahme der Länge.
Neben der bereits bestimmten und optimierten Geometrie der Rippen ist die Anordnung in Kombination mit der Anzahl ebenfalls entscheidend für den übertragenen Wärmestrom.
Um die Verteilung des zu kühlenden Guts, beispielsweise von Zinkoxid, innerhalb der Sektionen zu ermitteln und somit die Verteilung der Rippen in diesen festlegen zu können, wird der Füllungsgrad ϕ bestimmt. Dieser setzt sich aus der Verweilzeit, dem Volumenstrom des Zinkoxids und dem Volumen der Sektionen zusammen. Anhand des Füllungsgrades lässt sich der Flächenbedeckungsgrad ermitteln. Der Flächenbedeckungsgrad gibt die Fläche der Sektionen an, die mit dem Produkt bedeckt sind. Es ergeben sich für den Füllungsgrad: ϕ = 4,17 % und für den Flächenbedeckungsgrad: λ_A = 17,61 %. Dies entspricht bei einer Querschnittsfläche der Kammer (Sektion) von Q_K = 0,342 m ² einer Flächenbedeckung von A = 0,060 m ². In Kombination mit dem dynamischen Schüttwinkel des Zinkoxids von θ_dyn = 40° kann die Verteilung des Zinkoxids innerhalb der Sektionen in den verschiedenen Lagen, ermittelt werden.
Die grafische Ermittlung der Flächenbedeckung eines vorzugsweise geneigt gelagerten oder alternativ waagrecht gelagerten Sektionalkühlers 8 ist in Fig. 10 im Querschnitt dargestellt. Es zeigt sich, dass jeder Bereich der Sektion über einen ähnlichen Zeitraum bedeckt ist. Somit gibt es keinen Bereich, in dem eine Anbringung von Kühlrippen keinen positiven Effekt erzielen würde. Betrachtet man die Verteilung des Zinkoxids genauer, fällt auf, dass das Produkt in den verschiedenen Bereichen unterschiedliche Geschwindigkeiten aufweist. Die in Fig. 10 mit A, A' und A" gekennzeichneten Bereiche sind die Zonen, in denen das Zinkoxid mit niedrigeren Geschwindigkeiten fließt, während es sich in den Bereichen B, B' und B" mit höherer Geschwindigkeit bewegt.
Mit höheren Geschwindigkeiten folgen auch turbulentere Strömungen, die wiederum einen besseren konvektiven Wärmeübergang zur Folge haben. Die hauptsächliche Bedeutung der Wendeleisten liegt darin, die Geschwindigkeit des Produkts zu reduzieren, um den Verschleiß der Sektionen zu reduzieren. Somit wird erfindungsgemäß bevorzugt eine vermehrte Anzahl an Kühlrippen in den Bereichen B, B' und B" der Sektionen angebracht, um einerseits den Vorteil der Strömung in Bezug auf den Wärmeübergang zu nutzen, aber auch die Geschwindigkeit des Produkts insofern zu reduzieren, dass der Verschleiß geringgehalten wird. Nichtsdestotrotz werden erfindungsgemäß auch in den Bereichen A, A' und A" Kühlrippen angebracht, da auch bei den niedrigeren Geschwindigkeiten des Produkts der Wärmeübergang durch die Rippen erheblich verbessert wird.
Durch den berechneten Temperaturverlauf lassen sich zu den Wärmeübergangskoeffizienten die Positionen innerhalb des Kühlers bestimmen.

Simulationen, deren Randbedingungen, bis auf die Wärmeübergangskoeffizienten, identisch sind, werden einmal mit und einmal ohne Kühlrippe durchgeführt. Durch Bilden der Quotienten zwischen Wärmestrom mit Kühlrippe zu dem Wärmestrom ohne Kühlrippe, kann die Effizienz in den unterschiedlichen Bereichen des Kühlers ermittelt werden. Die Ergebnisse der Simulation sind in Tabelle 8 dargestellt.

Tabelle 8: Verhältnis Wärmeströme bei unterschiedlichen Wärmeübergangskoeffizienten mit und ohne Kühlrippe

Temperatur T [°C]	Wärmeübergangskoeffizient α [W/(mK)]	Wärmestrom mit Kühlrippe Q̇ [W]	Wärmestrom ohne Kühlrippe Q̇ [W]
817	225,67	1268,3	245,8
600	200,46	872,1	160,1
280	156,95	337,9	55,9

Die Verhältnisse zwischen den Wärmeströmen mit und ohne Kühlrippen ergeben sich zu: $X_{1} = \frac{{\dot{Q}}_{Rippe 1}}{{\dot{Q}}_{1}} = \frac{1268,3}{245,8} = 5,2$
$X_{2} = \frac{{\dot{Q}}_{Rippe 2}}{{\dot{Q}}_{2}} = \frac{872,1}{160,1} = 5,4$
$X_{3} = \frac{{\dot{Q}}_{Rippe 3}}{{\dot{Q}}_{3}} = \frac{337,9}{55,9} = 6,0$
Wie die Verhältnisse zeigen, ist der Mehrgewinn an übertragenem Wärmestrom in allen Bereichen des Kühlers deutlich zu sehen. Mit sinkender Temperatur und somit sinkendem Wärmeübergangskoeffizienten steigt das Verhältnis des Wärmestroms zwischen berippter und unberippter Oberfläche um weitere 15 %. Da sich die Verhältnisse allerdings alle in einem ähnlichen Bereich befinden, soll die Verteilung der Rippen über die Länge des Kühlers gleichmäßig erfolgen. Durch eine gleichmäßige Verteilung der Kühlrippen kann die Montage selbiger einfach gehalten werden. Dieser Vorteil überwiegt den geringen Vorteil des erhöhten Verhältnisses des Wärmestroms im Bereich geringerer Temperatur.
Erfindungsgemäß wird auch die bevorzugte Anzahl der einzubringenden Kühlrippen ermittelt. Hierbei werden sowohl die Wärmeströme der Kontaktfläche zu der Kühlrippe, aber auch die Wärmeströme der Bodenplatte, die die Rippe umgeben, mit einbezogen. Betrachtet werden dabei die Geometrie rechteckiger Leisten, beispielsweise mit den Maßen 9,9 m × 0,01 m × 0,03 m und die der verwendeten Rohrrippen. Um den Mindestabstand zwischen zwei Rohrrippen von a = 18 mm einzuhalten, ist die maximale Anzahl der Rippen pro Sektion auf 917 pro Meter Kühler begrenzt. Bei dieser Anzahl an Rippen wird ein Wärmestrom erreicht, der doppelt so hoch ist wie der nach dem Stand der Technik.
Der Wärmestrom bei 971 Rohrrippen bei einer Länge des Kühlers von L = 1 m beträgt pro Sektion Q̇ = 126.182 W. Bei 16 Wendeleisten die nicht durchgehend verschweißt sind, wird unter identischen Bedingungen ein Wärmestrom von Q̇ = 63.146 W erzielt.
Es lässt sich eine Gleichung aufstellen, die den Wärmestrom in Abhängigkeit der Anzahl an Rohrippen bestimmt: $\dot{Q} = 46.287 W + x_{Rippen} \times 82,23 W$

Der Wärmestrom der rechteckigen Rippen wird bereits ab einer Anzahl von 205 Rohrrippen erzielt.

Tabelle 9: Daten des Kühlers bei 500 Rohrrippen im Vergleich zu einem herkömmlichen, mit rechteckigen Rippen ausgestatteten Kühler

Anzahl Rippen	500
Steigerung Wärmestrom	38,41 %
Längenverhältnis L_neu zu L	0,722
Nettolänge Kühlkammer neu [m]	7,080
Gewichtsänderung ohne Einbauten durch neue Nettolänge des Kühlers [kg]	-8.484
Gewicht Rippen gesamt [kg]	3.274
Gewichtsdifferenz zu verbauten Wendeleisten [kg]	24,5
Gewichtsdifferenz gesamt [kg]	-8.460

Bei der Anzahl von 500 Rippen erreichen diese nahezu das identische Gewicht, wie 16 der verbauten rechteckigen Wendeleisten, bezogen auf einen Meter. Durch die Steigerung des Wärmestroms um ca. 38 % kann der Sektionalkühler deutlich verkürzt werden. Bei einer Nettolänge der Kühlkammer von L = 9,8 m können bereits 2,7 m eingespart werden, so dass sich eine neue Nettolänge der Kühlkammer von L = 7,1 m ergibt. Unter Berücksichtigung des Gewichts der Kühlrippen können ca. 8,5 Tonnen an Material eingespart werden.
Gemäß einer Ausführungsform ergibt sich eine Geometrie der Rippen in einer Sektion 9 eines erfindungsgemäßen Sektionalkühlers 8, wie sie in Fig. 9 dargestellt ist.
Unter Berücksichtigung der erlangten Kenntnisse bezüglich der Geometrie von Rippen 10, der unterschiedlichen Zonen A, A', A"; B, B', B" und der Anzahl der Rippen 10 ist der folgende Grobentwurf entstanden. Wie in Fig. 11 ersichtlich ist, befinden sich in den länglichen Zonen B, B', B" der Sektionen 9 deutlich mehr Rippen 10 als in den drei Ecken A, A', A". Dies geht auf die unterschiedlichen Geschwindigkeiten des Schüttguts zurück. In den länglichen Zonen B, B', B" ist die Geschwindigkeit höher, weshalb in diesen Bereichen ein erhöhter Wärmeübergang stattfindet, der durch eine erhöhte Anzahl an Kühlrippen 10 weiter verbessert werden kann. Außerdem muss die Geschwindigkeit der Partikel in der Nähe der Wandung der Sektion insofern gesenkt werden, um den Verschleiß der Sektion 9 gering zu halten. Die dargestellte Sektion 9 enthält ca. 500 Rippen 10 über eine Länge von einem Meter.

Figur 12 stellt die Draufsicht auf die Rohrrippen 10 bei einer der Zonen höherer Teilchengeschwindigkeit dar. Durch den Versatz der Rippen 10 zwischen den Rippenreihen 11, 12 werden diese durch das feinkörnige Zinkoxid stets angeströmt. Dadurch verringert sich einerseits die Geschwindigkeit des Zinkoxids, aber andererseits wird durch die Ablenkung der Körner eine turbulente Strömung erzielt, durch die sich der konvektive Wärmeübergang verbessert. Der in Fig. 12 dargestellte Pfeil bezeichnet die Fließrichtung. Ein Beispiel, wie die Strömung um eine der Rippen 10 herum aussehen könnte, ist in Fig. 13 dargestellt. Unmittelbar vor der Rippe werden die Partikel nach außen abgelenkt. Hinter der Rippe entstehen mehrere Verwirbelungen, die charakteristisch für turbulente Strömungen sind. Es zeigt sich ebenfalls, dass sich Teilchen geringerer Geschwindigkeit direkt hinter der Rippe befinden. Bei dieser Verteilung der Rippen 10 entsteht kein Wurfschatten hinter den Rippen 10. Das Zinkoxid hat komplett um die Rippe 10 herum Kontakt mit dieser. Erfindungsgemäß sind auch Förderschaufeln innerhalb der Sektionen vorgesehen. Um eine Verweilzeit der Partikel von beispielsweise t = 5,32 Minuten in der jeweiligen Sektion des Kühlers zu erzielen, müssen die Förderschaufeln ebenfalls angepasst sein. Durch eine Reduktion der Schaufeln, eine beschaufelte Wand weniger und eine Anpassung des axialen Versatzes der Schaufeln kann dies erzielt werden.

Tabelle 10: Anpassung und Vergleich der Verweilzeit der Partikel gemäß der Erfindung (Neu) gegenüber dem Stand der Technik (Alt)

Name		Alt	Neu
Länge Kühlkammer	L_K	9,9	7,18	m
Anzahl beschaufelte Wände	n_Ws	3	2	-
Förderwirkungsgrad	η	0,3	0,3	-
Anzahl Schaufeln pro Wand	ns	15	11	-
Versatz Schaufeln axial	ss	0,22	0,18	m
Drehzahl	n	4,7	4,7	min^-1

Durch diese Anpassungen ergibt sich ein Vorschub von s = 0,47 m und folglich eine Verweilzeit von t = 5,49 min. Diese unterscheidet sich nur unwesentlich von der bisherigen Verweilzeit. Die verbauten Rippen 10 können als Befestigungspunkte zum Verschweißen der Förderschaufeln dienen. Da die Beschaufelung an einer Wand des Kühlers entfällt, wird in diesem Bereich der Montageaufwand gesenkt.
Die gewählte und optimierte Geometrie in Kombination mit dem gewählten Material, dem Baustahl S355JR und dem Fügen durch die spezielle Abwandlung des Bolzenschweißens verbessern den Wärmeübergang in einem Sektionalkühler deutlich gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen.
Das gewählte Fügeverfahren, das MARC-Schweißen, zeichnet sich durch sehr kurze Schweißzeiten aus, so dass das Verschweißen der vielen Rippen in möglichst geringer Zeit erledigt werden kann. Mit diesen kurzen Schweißzeiten gehen geringere thermische Belastungen einher als bei anderen Schmelzschweißverfahren. Dies spiegelt sich auch in geringem Verzug der Sektionen und geringen Schweißeigenspannungen im Bereich der durch Wärme beeinflussten Zone wieder. Ebenfalls von Vorteil ist die einfache Handhabung der Schweißpistole, so dass auch weniger geschultes Personal die Schweißungen durchführen kann; jedoch kann die Verschweißung auch automatisiert durch einen Schweißroboter erfolgen. Durch die geringen Abmessungen der Schweißpistole ist die Zugänglichkeit zu den Sektionen ebenfalls gewährt.
Beispielsweise beträgt der Durchmesser der Rippen 10 d = 30 mm. Bei der Betrachtung von den Ergebnissen in Tabelle 6 zeigt sich jedoch, dass mit steigendem Durchmesser bessere Ergebnisse erzielt werden.
Die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs übertreffen im Bereich der Fügezone die des Grundwerkstoffs. In Kombination mit dem gewählten Werkstoff für die Rippen 10, ergibt sich somit in dem Bereich, in dem das Produkt auf die Rippen 10, auftritt ein hoher Widerstand gegenüber der vorwiegenden anteiligen Abrasion. Die Härte des Baustahls S355JR übertrifft die der Sektion um fast 40 %. Aufgrund des geringen Gewichts der gewählten Geometrie sind die Mehrkosten durch den höherwertigen Baustahl vernachlässigbar. In Bezug auf die Wärmeleitfähigkeiten besitzen die Wände der Sektion 8 und die Rippen wenigstens im Wesentlichen gleiche Werte. Aufgrund der gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten entstehen bei Temperaturunterschieden keine Spannungen durch unterschiedlich starke Ausdehnungen der Komponenten. Die Problematik der thermischen Ermüdung entfällt aufgrund der gleichen Temperaturleitfähigkeit der beiden Werkstoffe ebenfalls, da bei bisherigen Kühlern mit Wendeleisten aus S235JR ebenfalls keine Ermüdungserscheinungen dieser Art aufgetreten sind.
Da es sich bei beiden Materialien um Baustahl oder um niedrig legierte Stähle handelt, lassen diese sich sehr gut verschweißen. Außerdem sind keine Nachbehandlungen der Fügezone notwendig. Die Rippen 10 lassen sich leicht durch das Durchschneiden von Rohren herstellen. Ebenfalls von Vorteil ist, dass es sich bei dem ausgewählten Stahl um einen sehr weit verbreiteten Stahl handelt.
Die Geometrie der Rippe überzeugt bereits ohne Optimierung durch ein sehr gutes Ergebnis. Die Werte übertreffen die der optimierten Rechteckrippe. Durch die Optimierung werden nochmals bessere Ergebnisse erzielt. Die Geometrie kennzeichnet sich durch eine große Wärmeaustauschfläche bei einem geringen Gewicht. Die optimale Länge der Rippe 10 beträgt für den betrachteten Kühler I = 36 mm. Dieser Wert liegt ca. 10 mm unter dem Wert der optimalen Rechteckeckrippe. Somit kann durch diese Eigenschaften ebenfalls Material und Gewicht eingespart werden.
Unabhängig von der Anzahl der zu verwendenden Rippen 10, sind diese vorzugsweise versetzt anzuordnen. Dadurch wird erzielt, dass die ursprüngliche Aufgabe der Wendeleisten, den Verschleiß der Sektionen zu reduzieren, trotz der neuen Geometrie erfüllt wird. Durch die runde Geometrie, gepaart mit der versetzten Anordnung der Rippen, wird eine turbulentere Strömung erzeugt, durch welche die Wärmeübertragung verbessert wird. Außerdem entsteht hinter den Rippen kein Wurfschatten. Somit ist die Außenseite der Rippe stetig in Kontakt mit dem zu kühlenden Produkt, was ebenfalls eine hohe Wärmeübertragung gewährleistet.
Die Anzahl der zu verbauenden Kühlrippen muss allerdings noch bestimmt werden. Der betrachtete Wert von 500 Kühlrippen 10 pro Sektion 8, bezogen auf einen Meter Länge, stellt nur ein Beispiel dar.
Mit einer Gewichtsreduktion des Kühlers gehen weitere Vorteile einher. Zum einen ist das benötigte Drehmoment, um den Kühler in Rotation zu versetzen, geringer. Je nach dem Grad der Verringerung der benötigten Leistung des Motors sinkt dessen Belastung, oder es kann ein in der Anschaffung günstigerer Motor mit weniger Leistung verbaut werden. Damit verbunden sinkt der Energiebedarf der Anlage. Zusätzlich sinken die mechanischen Belastungen im Bereich des Ritzels und des Zahnkranzes für die Übertragung des Motorantriebs auf die Außenwandung des Drehrohrkühlers. Des Weiteren sinken die Belastungen, die auf die Lager einwirken. Auch die Belastung oder Dimensionierung der Fundamente kann je nach Anzahl der Rippen geringer ausfallen oder kleiner ausgelegt werden. Die Einsatzorte der Sektionalkühler sind auf der ganzen Welt verteilt. Die Fertigung der Kühler findet jedoch immer an demselben Standort statt. Durch ein geringeres Gewicht und kleinere Abmessungen ist die Handhabung der Sektionalkühler während des Transports und der Installation des Kühlers mit weniger Aufwand verbunden. Geringer fallen auch die Raumkosten des Sektionalkühlers, die bei der Kalkulation einer Anlage anfallen, aus.
Die gewonnenen Kenntnisse über die gewählte Kombination aus Fügeverfahren, Material und Geometrie der Kühlrippe bieten dank der genannten Folgen einen deutlichen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik.
Ein weiterer entscheidender Faktor für einen verbesserten Wärmeübergang ist, dass die Rippen 10 über ihre komplette Auflagefläche mit der Sektion 9 verbunden werden müssen. Dadurch wird gewährleistet, dass die Energie, die von dem Produkt an die Rippen übertragen wird, möglichst effizient an die von Wasser gekühlte Oberfläche transportiert wird. Ein Kühler besitzt beispielsweise eine Länge von I = 10,5 m. Mit einem Außendurchmesser von d = 2,3 m und einem Gewicht von m = 35.000 kg wird ein körniges Substrat in 8 Sektionen von Temperaturen über T = 700 °C auf T = 150 °C herabgekühlt. Anhand der bekannten Daten des Kühlers lassen sich der Temperaturverlauf und die Wärmeübergangskoeffizienten an verschiedenen Stellen des Kühlers bestimmen.
Jede der acht Sektionen dieses Kühlers ist jeweils beispielsweise mit 16 Wendeleisten versehen. Deren Aufgabe besteht darin, die Geschwindigkeit der Partikel zu senken um den Verschleiß der Sektionen zu minimieren. Da sich gezeigt hat, dass durch die Wendeleisten ebenfalls mehr Wärmeenergie übertragen wird, dienen sie folglich auch als Kühlrippen. In Bezug auf die Optimierung dieser Eigenschaft werden die Wendeleisten untersucht.
Um sowohl den vollflächigen Kontakt zwischen Rippe und Sektion zu gewährleisten, aber auch einen hohen Wärmestrom unter Berücksichtigung der in dem Sektionalkühler herrschenden Bedingungen zu erzielen, gilt es, neben dem Fügeverfahren, das am besten geeignete Material zu ermitteln.
Die Ermittlung des Materials erfolgt durch Betrachtung sieben verschiedener relevanter Eigenschaften. Die Verschleißmechanismen, durch die die Rippen belastet werden, sind einerseits Abrasion, die durch eine hohe Härte des Werkstoffs verringert werden kann, und Oberflächenzerrüttung, die durch die Duktilität gesenkt wird. Neben den Kosten und der Temperaturleitfähigkeit werden die Differenzen der Wärmeausdehnungskoeffizienten mit in die Auswertung einbezogen. Um das Ziel, den Wärmeübergang zu verbessern, zu erzielen, sind ebenfalls die Wärmeleitfähigkeit und der Wärmestrom in der Auswertung enthalten.
Die Auswertung der zehn Materialien liefert das Ergebnis, dass sich der Baustahl S355JR unter Berücksichtigung des im Anschluss gewählten Fügeverfahrens am besten für den Einsatz als Werkstoff der Kühlrippen eignet. Durch eine höhere Härte im Vergleich zu der Legierung S235JR wird der Verschleiß durch Abrasion gesenkt. Durch identische Werte der Wärmeleitung und des Wärmestroms des Baustahls S355JR zu dem Baustahl S235JR sind im Bereich des Wärmeübergangs keine Einbußen zu vermerken. Da ebenfalls beide Werkstoffe den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, entstehen im Kontaktbereich zwischen Rippe und Sektion keine Spannungen aufgrund von Temperaturunterschieden zwischen dem Zustand im Betrieb und zu Zeitpunkten, wo sich der Kühler nicht im Betrieb befindet.
Um die Rippen vollflächig an den Sektionen zu befestigen, eignen sich besonders zwei Fügeverfahren, die je nach der Geometrie der Rippe einzusetzen sind. Das MAG-Schweißen wird bei länglichen Kühlrippen eingesetzt. Die Kühlrippen sind mit zwei Fasen zu versehen und durch eine Doppel-HV-Naht über die komplette Fläche mit den Sektionen stoffschlüssig zu verbinden. Bei runden Geometrien eignet sich das Bolzenschweißen aufgrund seiner sehr kurzen Schweißzeiten bei sehr guten mechanischen Eigenschaften der Fügezone. Außerdem sind keine Zusatzstoffe notwendig. Die Vorbereitung beschränkt sich auf das Trennen der Rippen auf die erforderliche Länge und die erforderliche Handfertigkeit der Bedienung eines Bolzenschweißgeräts ist gering.
Der weitere entscheidende Faktor der Kühlrippe, die Geometrie, wird ebenfalls durch die Beurteilung unterschiedlicher Kriterien erzielt. Betrachtet werden der Wärmestrom, bezogen auf die Kontaktfläche, der Wärmestrom, bezogen auf die projizierte Fläche, der Wärmestrom, bezogen auf das Gewicht der Kühlrippe, und die Temperaturleitfähigkeit der Geometrie. Nach Bewertung der verschiedenen Geometrien wird eine mit einer Bohrung versehene Stabrippe gewählt.
Da diese Geometrie allerdings mit einem hohen Fertigungsaufwand verbunden ist, wird eine rohrförmige Rippe simuliert, die ein noch besseres Ergebnis erzielt. Da offene Geometrien nicht mit dem Bolzenschweißen gefügt werden können, muss eine Abwandlung das MARC-Schweißen verwendet werden. Die gewählte Geometrie des Rohres wird in Bezug auf Außen- und Innendurchmesser optimiert. Betrachtet sind dabei aus Kostengründen lediglich genormte Durchmesser. Das Optimum ergibt sich bei einem Außendurchmesser von d = 30 mm und einer Wanddicke von T = 5 mm. Eine weitere Reihe von Simulationen und deren Beurteilung liefert das Ergebnis, dass die Kühlrippe mit einer Länge von I = 36 mm das bestmögliche Ergebnis liefert.
Die Betrachtung des Materialflusses zeigt, dass es Bereiche höherer und niedrigerer Teilchengeschwindigkeit gibt. In den Bereichen höherer Geschwindigkeit sind aufgrund der turbulenteren Strömung und der zusätzlichen Aufgabe die Teilchengeschwindigkeit zu reduzieren mehr Rippen, als im Bereich niedrigerer Teilchengeschwindigkeit anzubringen. Außerdem sind die Rippen versetzt anzuordnen. Dadurch wird erzielt, dass jede Rippe direkt mit Material angeströmt wird. Ein weiterer positiver Effekt der gewählten Geometrie liegt darin, dass hinter der Rippe Verwirbelungen des Produkts auftreten, wodurch der Wärmeübergang durch eine turbulentere Strömung weiter verbessert wird. Mit Hilfe der bestimmten Wärmeübergangskoeffizienten für die unterschiedlichen Positionen unter Temperaturen innerhalb des Kühlers lässt sich ermitteln, dass entlang des Kühlers die Rippen einen nahezu identischen positiven Einfluss auf den übertragenen Wärmestrom haben.
Eine Aufstellung der Gewichtsdifferenz unter Abhängigkeit der Anzahl der eingebrachten Kühlrippen zeigt das mögliche Potenzial der optimierten Rohrrippen. Das wirtschaftliche Optimum ist aus den Kosten durch den steigenden Montageaufwand im Verhältnis zu dem eingesparten Material, dem Gewicht und den daraus folgenden weiteren möglichen Einsparungen, bei steigender Anzahl an Kühlrippen zu ermitteln. Daraus folgend ist die entsprechende wirtschaftliche und technische Auslegung des Kühlers durchzuführen.

Claims

Drehrohrapparat zum Kühlen oder Erhitzen von rieselfähigen Schüttgütern mit an seinen Wänden angebrachten Strukturen zur Erhöhung der wärmeübertragenden Fläche sowie der Wärmeleitung, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehrohrapparat Sektionen aufweist und dass in den Sektionen Hohlrohre (10) angeordnet sind.
Drehrohrapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlrohre (10) in Reihen angeordnet sind, die sich in Längsrichtung des Drehrohrs erstrecken.
Drehrohrapparat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei benachbarte Reihen Hohlrohre (10) eine versetzte Anordnung der Hohlrohre (10) aufweisen.
Drehrohrapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlrohre (10) durch Schrauben, Kleben oder Nieten auf den Wänden von Sektionen (9) aufgebracht sind.
Drehrohrapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlrohre (10) durch ein Schweißverfahren, insbesondere durch Unterpulverschweißen, Metallschutzgasschweißen, Reibschweißen, Bolzenschweißen oder Hülsenschweißen aufgebracht sind.
Drehrohrapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlrohre (10) eine Länge von weniger als 10 cm aufweisen.
Drehrohrapparat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlrohre (10) eine Länge von 3,6 cm aufweisen.
Drehrohrapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlrohre (10) einen Durchmesser von weniger als 5 cm aufweisen.
Drehrohrapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlrohre (10) eine Wanddicke von 1 cm oder weniger haben.
Drehrohrapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass er in wenigstens drei Sektionen (9) aufgeteilt ist und dass die Sektionen auf den radialen Wänden und auf der Kreisbogenwand (B, B', B") eine höhere Dichte von Hohlrohren (10) aufweisen als in den Eckbereichen (A, A', A") zwischen den radialen Wänden und zwischen den radialen Wänden einerseits und der Kreisbogenwand andererseits.
Drehrohrapparat nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sektionen (9) jeweils etwa 500 Rippen oder 500 Hohlrohre (10) je Meter Länge Drehrohrkühlers aufweisen.
Verfahren zum Betreiben eines Drehrohrapparats nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der rieselfähige Feststoff während der Drehung des Drehrohrapparats an den Hohlrohren (10) verwirbelt wird.