EP3794295B1 - Rotary tube apparatus - Google Patents

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EP3794295B1
EP3794295B1 EP19727590.2A EP19727590A EP3794295B1 EP 3794295 B1 EP3794295 B1 EP 3794295B1 EP 19727590 A EP19727590 A EP 19727590A EP 3794295 B1 EP3794295 B1 EP 3794295B1
Authority
EP
European Patent Office
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rotary tube
tube apparatus
welding
hollow tubes
sections
Prior art date
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Active
Application number
EP19727590.2A
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German (de)
French (fr)
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EP3794295A1 (en
EP3794295C0 (en
Inventor
Niclas SCHULTHEIS
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Grenzebach BSH GmbH
Original Assignee
Grenzebach BSH GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Grenzebach BSH GmbH filed Critical Grenzebach BSH GmbH
Publication of EP3794295A1 publication Critical patent/EP3794295A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP3794295B1 publication Critical patent/EP3794295B1/en
Publication of EP3794295C0 publication Critical patent/EP3794295C0/en
Active legal-status Critical Current
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27DDETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D15/00Handling or treating discharged material; Supports or receiving chambers therefor
    • F27D15/02Cooling
    • F27D15/0206Cooling with means to convey the charge
    • F27D15/028Cooling with means to convey the charge comprising a rotary drum
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27BFURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B7/00Rotary-drum furnaces, i.e. horizontal or slightly inclined
    • F27B7/20Details, accessories, or equipment peculiar to rotary-drum furnaces
    • F27B7/38Arrangements of cooling devices
    • F27B7/40Planetary coolers
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27DDETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
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    • F27D15/02Cooling
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    • F27D15/0273Cooling with means to convey the charge on a rotary hearth
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
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    • F27D9/00Cooling of furnaces or of charges therein
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27D2009/0002Cooling of furnaces
    • F27D2009/0051Cooling of furnaces comprising use of studs to transfer heat or retain the liner
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27D9/00Cooling of furnaces or of charges therein
    • F27D2009/007Cooling of charges therein
    • F27D2009/0072Cooling of charges therein the cooling medium being a gas
    • F27D2009/0078Cooling of charges therein the cooling medium being a gas in indirect contact with the charge
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D11/00Heat-exchange apparatus employing moving conduits
    • F28D11/02Heat-exchange apparatus employing moving conduits the movement being rotary, e.g. performed by a drum or roller
    • F28D11/04Heat-exchange apparatus employing moving conduits the movement being rotary, e.g. performed by a drum or roller performed by a tube or a bundle of tubes
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/40Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only inside the tubular element

Definitions

  • the invention relates to a rotary tube apparatus, in particular a sectional cooler for cooling a free-flowing solid, with structures attached to its walls to increase heat conduction.
  • a rotary tube apparatus is used to cool or heat a free-flowing material, in particular bulk material.
  • a rotary tube apparatus, particularly in its configuration as a sectional cooler, is used for continuous processes in chemical engineering.
  • coolers are required to cool very hot products such as burnt pigments, slag, metal oxides and hydroxides, cement clinker, sponge iron, scale, activated carbon, catalysts, coke, smelting works residues, etc. Further processing is often not possible without cooling the very hot products. In many cases, as part of the technologically necessary cooling, the thermal energy contained in the solid should be at least partially recovered.
  • rotary tube coolers operated indirectly with air or water are used for this task.
  • "Indirectly” means that the cooling medium, for example water or air, does not come into direct contact with the hot product to be cooled, but heat is exchanged from the hot product to the cooling medium via an apparatus wall separating the media.
  • a rotary tube is sprayed with water from the outside; or the drum is run through a water bath, as in U.S. 4,557,804 A described, whereby the surface of the rotating drum is wetted with water and cools the apparatus wall, while in turn the hot product located in the drum is cooled by heat dissipation to the cooled apparatus wall.
  • a rotary tube cooler with a rotary tube which rotates within a stationary, brick-lined enclosure and in which the cooling medium, for example air or water, flows in the cavity formed between the rotary tube and the lining.
  • the cooling medium for example air or water
  • U.S. 2,283,129 A and EP 2 889 569 A1 disclose rotary tube apparatus. Out of DE 160 351 C and U.S. 4,637,034 A stationary arrangements for improving the heat transfer are known.
  • each chamber thus fills out a sector of a circle or cross-section of a circle.
  • cooling water is passed through the cavities formed in the drum housing between the sections.
  • the cooling water is supplied and removed via a sealed swivel joint on the product discharge side of the drum and pipe connections to and from the individual double pipes.
  • sectional coolers have a special design that leads to high material and labor costs in production, especially due to the extensive welding work required.
  • the drum housing itself necessarily has a high weight, because the drum and the walls of the chambers must be made thick-walled for reasons of strength. Although both lead to a high overall weight of the apparatus, they permit particularly effective heat dissipation.
  • Sectional coolers essentially consist of a rotating rotor, which is usually driven by a chain. At the ends of the rotor are rigid housings for product infeed and outfeed. Depending on the size of the cooler, the rotor is either mounted on the ends of its own axis (axle cooler) or has a rotary tube typical race bearing. Inside, the rotor consists of several sectional chambers, which are arranged in the shape of a pie around a central hollow shaft. This arrangement is completely surrounded by the outer jacket. Conveying elements are located in the sectional chambers. Depending on the requirements, these can be shovels, chains or the like.
  • sectional coolers are built with diameters between 0.8 and 4 m and lengths of 3 to 30 m.
  • Sectional coolers work with indirect water cooling.
  • the cooling water passes through an inner central hollow shaft between the individual sections, flows around them and exits again through an outer central hollow shaft.
  • the product to be cooled usually falls directly into the product drop housing and is transported to the other end of the cooler by the rotary movement and the conveying elements.
  • the rotation ensures that the product is constantly mixed in the sections and thus good heat transfer is achieved.
  • the product can be conveyed in parallel or countercurrent to the cooling medium.
  • Sectional coolers can be used to cool almost all free-flowing bulk materials. They are often found behind rotary kilns in calcination processes or the like. Their main goal is usually to cool the products down enough so that they can be handled with other equipment (conveyors, mills, etc.). However, the cooling itself is often an important part of the manufacturing process. Typical products are e.g. B. petroleum coke, zinc blende roasted goods, soda, pigments and many more. The inlet temperatures of the products can be up to 1400 °C.
  • the invention relates to any rotary tube apparatus that is used to cool or heat a free-flowing material.
  • a rotary tube cooler and its cooling function as an example of such a rotary tube apparatus; nevertheless, the invention is intended to be used for any pourable material introduced into such a rotary tube cooler.
  • the hollow tubes are preferably arranged in rows, which extend in the longitudinal direction of the rotary tube apparatus.
  • two adjacent rows of hollow tubes each have a staggered arrangement of the hollow tubes.
  • the hollow tubes can be attached to the walls of sections by screwing, gluing or riveting, for example.
  • Welding methods are also suitable, for example, in particular submerged arc welding, gas metal arc welding, friction welding or stud welding.
  • a method that is particularly adapted to hollow pipes and is therefore particularly suitable is sleeve welding.
  • the hollow tubes have a length of less than 10 cm, in particular less than 5 cm. Most preferably they have a length of 3.6 cm.
  • the hollow tubes advantageously have a diameter of less than 5 cm, in particular 3.0 cm.
  • the hollow tubes have a wall thickness of 1 cm or less, in particular 0.5 cm.
  • the rotary tube cooler has a plurality of sections having a higher density of hollow tubes on the radial walls and on the circular arc wall exhibit than in the corner areas between the radial walls and between the radial walls on the one hand and the arc wall on the other hand.
  • the sections each have about 500 ribs or 500 hollow tubes per meter of length of the rotary tube cooler.
  • the invention also relates to a method for operating a rotary tube apparatus, in particular a rotary tube cooler, as described above.
  • the method is characterized in that the solid moves in a turbulent flow around the hollow tubes.
  • a large number of criteria are taken into account when optimizing a rotary tube cooler.
  • the best possible combination of material, joining process and geometry is determined.
  • the optimization of the heat transfer of the rotary tube cooler, in particular of the sectional cooler is mainly improved by the introduction and optimization of the cooling fins.
  • the substrate to be cooled is introduced into a rotary tube cooler, for example a sectional cooler, at a high temperature, for example at up to 950° C.
  • the temperatures of the sections are lowered by the constant cooling of the sections by a cooling fluid, for example water.
  • a cooling fluid for example water.
  • cooling fins in the sections can reach a temperature of 550 °C, for example, at the point at which the product enters.
  • the mechanical stresses on the ribs are low. They are limited to stress caused by contact with the product.
  • the ribs do not have a supporting or strength-enhancing role within the sectional cooler. Therefore, materials can also be considered whose application limit is below the mentioned 550 °C.
  • the main stress lies in the area of wear resistance due to the substrate to be cooled or heated, for example powdered zinc oxide. Depending on the composition of the atmosphere inside the sectional cooler, high-temperature corrosion processes can also take place.
  • the selection of the material to be used is made based on a number of criteria. Since the main stress on the cooling fins is the wear caused by the zinc oxide, it is important to keep this as low as possible.
  • the types of wear that occur are sliding wear and impact wear. High resistance to both types, composed of the mechanisms of abrasion and surface distress, can be achieved through a combination of high hardness and ductility. The abrasion mechanism can be counteracted by making the material very hard.
  • abrasion wear is divided into three zones. In the zone with a ratio of less than 0.6, the greatest wear occurs due to the low hardness of the component. In an area with a hardness ratio of the two components between 0.6 and 1.2, there is a transition from the high wear level to the low wear level. From a value of 1.2, wear from abrasion is minimized, since the wear body cannot penetrate the component due to its lower hardness.
  • Table 1 category short name material number Thermal conductivity [W/(mK)] Expansion coefficient [*10 ⁇ -6K ⁇ -1] Specific heat capacity [J/(kgK)] Modulus of elasticity [N/mm 2 ] Density [kg/m 3 ] Hardness Brinell [HBW] aluminum alloy AlMg1SiCu 3.3211 170 23.0 895 70,000 2,700 88 magnesium alloy AM50A (EN MCMgAl5Mn) EN-MC21220 65 14.0 1020 45,000 1,770 58 pure nickel nickel 201 2.4068 79 1, 8 456 205,000 8,900 95 Structural steel S355JR 1.0045 54 0.0 461 210,000 7,850 170 tempered steel 25CrMo4 1.7218 49 0.4 435 210,000 7,750 216 Structural steel S235 1.0038 54 0.0 461 210,000 7,850 123 carbon steel SAE AISI 1008 1008 65 13.1 470 190,000 7,900 97 High-temperature steel P235GH 1.0345 57
  • the heat-treated steel 25CrMo4 is the only material that is in the low wear zone. The magnesium alloy, the pure nickel and the carbon steel are in the area of maximum wear due to abrasion. All other materials are in the area of the transition ( 2 ).
  • materials that are in the upper right area of the diagram are preferable for use in a rotary tube cooler due to their combination of hardness and elongation at break.
  • Materials found in the lower right such as nickel, have good wear resistance to surface distress, but their low hardness makes them susceptible to abrasion.
  • the two alloys of aluminum and magnesium do not show particularly good resistance for either mechanism.
  • a weighting factor must be included, which is figure 3 is not taken into account. For example, the ratio of abrasion to surface distress is given by 2 3 to 1 3 fixed.
  • the thermal conductivity of the individual materials is primarily taken into account. Regardless of the geometry, increased heat flows can be achieved by using particularly suitable materials with higher thermal conductivity.
  • the number of materials that can be used may be limited depending on the joining process.
  • the coefficient of thermal expansion must be taken into account. If the sections are made of mild steel, which has a coefficient of about 12 ⁇ 10 -6 K -1 , if the cooling fins are made of other materials, stresses can arise. The sections and cooling fins are at room temperature during the joining process. If the cooler is now put into operation, the temperature rises and the components expand. Materials with different coefficients of thermal expansion therefore expand to different extents.
  • the aluminum alloy has the greatest thermal conductivity, but also a large difference in the thermal expansion coefficient of structural steel. Together with the magnesium alloy, which has a significantly lower thermal conductivity compared to the aluminum alloy, the greatest stresses are to be expected in the area of the joining zone. All other materials are in a similar range of thermal expansion coefficients and thermal conductivity, with the stainless ferritic steel X6CrMoS17 having the lowest thermal conductivity.
  • heat flow shown as a function of thermal conductivity A course is shown that is similar to that of a square root function. At low values of thermal conductivity increases the heat flow increases sharply. With increasing thermal conductivities, the heat flow continues to increase, but the slope of the curve decreases sharply. For this reason, the heat flow of X6CrMoS17 is about 20% lower than that of S235JR, although the thermal conductivity is over 50% lower. The thermal conductivity of the aluminum alloy exceeds that of mild steel by more than 200%. The gain in heat flow, on the other hand, is only 20%. The course therefore approaches a maximum heat flow.
  • figure 5 shows the transferred heat flow as a function of the thermal conductivity.
  • Another evaluation criterion is the thermal conductivity in relation to the explained thermal fatigue. Although the number of operating cycles of a sectional cooler is low, since they are almost exclusively taken out of service for maintenance and repair, thermal fatigue of the cooling fins can still occur if the temperature conductivity is too low. Therefore, higher thermal conductivity of the materials, as well as the geometries, are to be preferred in order to avoid cracks in the components and signs of fatigue.
  • the thermal conductivity of the materials in relation to the thermal conductivity shows the thermal conductivity of the materials in relation to the thermal conductivity.
  • the aluminum alloy again achieves the best result due to the high thermal conductivity as well as the thermal conductivity. Since the thermal conductivity is composed of the thermal conductivity, the density and the specific heat capacity, it becomes clear why the aluminum alloy with the low density and the high thermal conductivity has a high thermal conductivity.
  • the magnesium alloy also has a high thermal conductivity. In terms of thermal conductivity, the alloy X6CrMoS17 has the worst properties.
  • the other materials have approximately the same thermal conductivities, with the known differences in thermal conductivities.
  • the transferred heat flow is also included in the evaluation with the same weighting factor, since it has been shown that the thermal conductivity is crucial for the heat flow, but does not have a linear course. Accordingly, the determined heat flow serves as an additional factor to compensate for this non-linearity.
  • the criteria associated with wear and tear or fatigue of the materials also have a major influence.
  • the evaluation is carried out by assigning the value one to the highest value of an evaluation criterion.
  • the value zero forms the lower limit in each case.
  • a linear progression is formed between the upper and lower value, so that the remaining values lie between the two limits.
  • the determined values are then multiplied by the respective weighting factor. This is carried out for the various evaluation criteria and finally the individual results are summed up. The best possible evaluation of the total is therefore one.
  • the heat-treatable steel has the considerable disadvantage that in the case of a weld, it has to be stress-relieved for several hours at temperatures between 680 °C and 720 °C and then slowly cooled down in order to reduce stresses within the heat-affected zone by welding. In the case of the large components of a sectional cooler, this also means a great deal of technical effort in addition to the time.
  • the easy-to-weld structural steel S355JR does not require such a time-consuming, but also costly post-treatment.
  • the heat-treated steel 25CrMo4 is therefore to be preferred for all joining processes, except for welding, where the advantages of mild steel in terms of easier handling predominate.
  • a major advantage of bonding is that an equivalent result can be achieved with all metals with good pre-treatment. Accordingly, different material combinations are possible. However, depending on the type of adhesive used, there are other factors to consider.
  • Structural adhesives can absorb stresses of up to 30 MPa. Compared to the other joining methods, this is many times lower. However, in order to be able to withstand these stresses, very complex pre-treatment of the workpieces is necessary, since this is the only way to ensure good wetting of the surfaces, which is decisive for the quality of the bond. Since an even and thin layer thickness of the adhesive is also crucial, both sections and cooling fins must meet high tolerance requirements. Despite the low thermal conductivity of the adhesive, the heat flow is only imperceptibly changed due to the small layer thickness.
  • Screw connections which can also be used to connect different materials to one another, are even more advantageous than adhesive connections. Since the connections are not material-to-material but friction-locked, high dimensional accuracy must also be maintained in order to produce full-surface contact between the rib and the section so that the heat is transferred via thermal conduction. Voids between section and rib result in free convection between the two components. This would significantly reduce the transferred heat flow.
  • screw connections can withstand significantly higher stresses by adapting the components used, such as screws and nuts.
  • a large number of holes must be drilled into the sections through which the screws are guided. This reduces the rigidity of the sections.
  • this area must be sealed. This requires the use of additional components.
  • a section 1 ( 7 ) of a sectional cooler has a rib 2 with a rectangular shape (rectangular rib) and is connected to a wall 5 of the section 1 via a screw 3 and a nut 4 .
  • the rib 2 forms a bearing surface for the screw head of the screw 3.
  • Rivet connections can also be used as an alternative to using screw connections
  • the press connection method requires the use of ribs which are pushed through the wall of the section at least in some areas.
  • the wall of the section and the respective rib can also be glued or welded.
  • Another method of making a connection between the ribs and the wall is joining by welding, divided into two categories. Both submerged arc welding and metal inert gas welding are used, as well as friction welding and stud welding.
  • Submerged arc welding is not suitable for all welding positions because the powder lies loosely on the welding zone. This means that only welding positions with a low inclination can be realized.
  • Each section of a sectional cooler consists of two parts joined together. These are welded together after the turning bars and conveyor blades have been installed.
  • the welding torches for both automated and manual MSG welding have significantly smaller dimensions.
  • the preparations to weld the ribs to the sections are less than the preparations required when gluing, screwing or riveting. Inaccuracies can be compensated for by introducing additional filler metal.
  • the ribs With regard to the heat flow, the ribs only have to be provided with chamfers in order to be able to guarantee full-surface contact. Within the weld seam, the material's thermal conductivity is almost identical to that of the starting material. Thus, very good results can be achieved in terms of the heat flow transferred between the two components by welding with full-surface contact between the rib and the section.
  • Friction welding is opposed to stud welding. Friction welding is characterized by very good quality in the area of the welding zone. The strength is higher than that of the base material. The thermal load and the associated distortion and residual stresses are also lower than with a fusion welding process.
  • Stud welding is characterized by very short welding times. These are significantly below those of friction welding. Due to the short welding times, the thermal load is lower than, for example, with MSG welding. The strength of the material connection is higher than that of the base material. The connection is also not affected by aging processes, as is the case with adhesive bonds.
  • the preparation of the welding zone is identical to that of MSG or submerged arc welding (submerged arc welding) and therefore also significantly less compared to the other processes considered.
  • cutting the long rod to the desired length is sufficient as preparation in the area of the fins.
  • the sections do not have to be provided with complex bores with minimum tolerances. Welding fillers are not required, only shielding from the atmosphere with a protective gas is necessary.
  • the small dimensions of the welding gun of a stud welder allow easy attachment of the ribs in all areas of the section.
  • the manual skill required is very low due to the easy handling of the welding gun.
  • the maximum weldable diameter of the cooling fins is limited to 30 mm.
  • the blowing effect must also be taken into account in order to achieve full-surface contact and thus the best possible heat transfer.
  • the outer diameter is limited to 30 mm.
  • Stud welding offers the best compromise due to the good mechanical properties of the joining zone in combination with the easy handling of the welding gun and the very short welding times. Stud welding should therefore be used for round geometries of the cooling fins.
  • the structural steel S355JR is to be preferred over the heat-treated steel 25CrMo4, as it is very easy to weld and does not require any post-treatment. Since S355JR structural steel is a low-alloy structural steel, an active gas is recommended as the shielding gas because it is cheaper than an inert gas.
  • a geometry of the cooling fins is also created which satisfies a number of criteria, in particular with regard to the heat flow.
  • the heat flow based on the contact surface between the cooling fin and the section, is used to determine the heat flow, based on 1 mm 2 .
  • This allows the efficiency of the different geometries to be estimated independently of the size of the rib or its contact area with the section. Since some ribs, such as the bladed ribs, occupy a significantly larger area of the section than their contact area, this is accounted for by a projected area, ie the area covered by the contour of the rib
  • the heat flow is also related to the projected area.
  • the weight of the ribs is also included in the evaluation.
  • the heat flow serves as a further criterion for the efficiency of the geometry under consideration. With a high quotient from heat flow and weight, better use of resources is achieved, material consumption and the associated material costs are reduced.
  • Table 4 shows the weighting of the various criteria.
  • the two heat flows related to the surfaces are the decisive criteria of the geometries. For this reason, the weighting factors together are 0.65.
  • Relating heat flow to fin weight gives an indication of the efficiency of the fin, but is not a definitive indication of the overall improvement in heat flow to the currently used cooling fin.
  • the criterion should not be neglected, but with a weighting factor of 0.2 it is factored less than the heat flows, based on the areas. With a weighting factor of 0.15, thermal conductivity is below the other factors. This is justified because the ratio of the heat flows at different times is primarily decisive for thermal fatigue.
  • Table 4 Weighting factors of the geometry evaluation criteria evaluation criterion weight factor heat flow per area 0.4 Heat flow per projected area 0.25 heat flow per kilogram 0.2 thermal conductivity 0.15 total 1
  • the different geometries are evaluated in a similar way to the material pre-selection.
  • the highest value of an evaluation criterion is given the value 1.
  • a linear gradation down to the value 0 is then formed and the remaining geometries are provided with the corresponding value.
  • the values are multiplied by the weighting factors and then summed up.
  • the maximum achievable sum is therefore 1.
  • Table 5 shows the evaluation of the geometry.
  • the tubular geometry of the cooling fin is explained below using a standardized tube as an example.
  • the dimensions are taken from DIN EN 10220, for example.
  • the evaluation is carried out identically to the evaluation given above.
  • the same evaluation criteria with the same weighting factors are used.
  • another evaluation criterion, the heat flow is added. Since each is a tube rib, this addition is possible without further adjustments.
  • the heat flow is weighted with a factor of 0.3. The maximum achievable sum thus increases to a value of 1.3.
  • Table 6 shows the evaluation of the optimization of diameter and wall thickness.
  • Geometry determines the most preferred length of the rib.
  • the degree of filling ⁇ is determined. This is made up of the residence time, the volume flow of the zinc oxide and the volume of the sections.
  • the degree of surface coverage can be determined based on the degree of filling.
  • the graphical determination of the area coverage of a preferably inclined or alternatively horizontally mounted sectional cooler 8 is in 10 shown in cross section. It shows that each area of the section is covered for a similar period of time. There is therefore no area in which the attachment of cooling fins would not have a positive effect. If you take a closer look at the distribution of the zinc oxide, you will notice that the product has different speeds in the different areas. In the 10 Areas labeled A, A' and A" are the zones where the zinc oxide is flowing at lower velocities, while in areas B, B' and B" it is moving at higher velocities.
  • the main purpose of the turning bars is to reduce the speed of the product in order to reduce the wear of the sections.
  • an increased number of cooling fins in the areas is preferred B, B' and B" of the sections, on the one hand to take advantage of the flow in terms of heat transfer, but also to reduce the speed of the product to the extent that wear is kept low.
  • cooling ribs are also attached in areas A, A' and A", since the heat transfer through the ribs is also significantly improved at the lower speeds of the product.
  • the calculated temperature profile can be used to determine the positions within the cooler for the heat transfer coefficients.
  • the preferred number of cooling fins to be introduced is also determined.
  • the geometry of rectangular strips, for example with the dimensions 9.9 m ⁇ 0.01 m ⁇ 0.03 m, and the tube ribs used are considered.
  • the maximum number of fins per section is limited to 917 per meter of cooler. With this number of fins, a heat flux twice that of the prior art is achieved.
  • the geometry of the ribs in a section 9 of a sectional cooler 8 according to the invention is as shown in 9 is shown.
  • figure 12 shows the top view of the tube ribs 10 in one of the zones of higher particle velocity. Due to the offset of the ribs 10 between the rows of ribs 11, 12, the fine-grained zinc oxide constantly flows against them. On the one hand, this reduces the speed of the zinc oxide, but on the other hand, the deflection of the grains creates a turbulent flow, which improves the convective heat transfer.
  • the inside 12 The arrow shown indicates the direction of flow. An example of what the flow around one of the ribs 10 might look like is in 13 shown. Immediately in front of the rib, the particles are deflected outwards. Several turbulences arise behind the rib, which are characteristic of turbulent flows. It also shows that particles with lower speed are directly behind the rib.
  • conveyor blades are also provided within the sections.
  • Table 10 Adjustment and comparison of the residence time of the particles according to the invention (New) versus the prior art (Old) Surname Old New Length of cooling chamber LK 9.9 7:18 m number of bladed walls n Ws 3 2 - pumping efficiency n 0.3 0.3 - Number of blades per wall ns 15 11 - Offset blades axial ss 0.22 0.18 m number of revolutions n 4.7 4.7 min -1
  • the selected joining process is characterized by very short welding times, so that the many ribs can be welded in the shortest possible time. These short welding times are associated with lower thermal loads than with other fusion welding processes. This is also reflected in the low distortion of the sections and low residual welding stresses in the heat-affected zone.
  • Another advantage is the easy handling of the welding gun, so that even less trained personnel can carry out the welding; however, the welding can also be automated by a welding robot. through the The small dimensions of the welding gun also ensure accessibility to the sections.
  • the larger the diameter the better the results.
  • the mechanical properties of the material exceed those of the base material in the area of the joining zone. In combination with the material selected for the ribs 10, this results in a high resistance to the predominant proportionate abrasion in the area in which the product hits the ribs 10.
  • the hardness of S355JR mild steel exceeds that of the section by almost 40%. Due to the low weight of the selected geometry, the additional costs due to the higher-quality structural steel are negligible.
  • the walls of the section 8 and the ribs have at least substantially equal values. Due to the same thermal expansion coefficients, there are no stresses caused by different degrees of expansion of the components in the case of temperature differences. The problem of thermal fatigue also does not apply due to the same thermal conductivity of the two materials, since no signs of fatigue of this type have occurred in previous coolers with turning strips made of S235JR.
  • both materials are construction steel or low-alloy steels, they can be welded very well. In addition, no post-treatment of the joining zone is necessary.
  • the fins 10 are easily made by cutting through tubes. Another advantage is that the selected steel is a very common steel.
  • the geometry of the rib convinces with a very good result even without optimization.
  • the values exceed those of the optimized rectangular rib. Optimization achieves even better results.
  • the geometry is characterized by a large heat exchange surface with a low weight.
  • ribs 10 should preferably be arranged in a staggered manner. This means that the original task of the turning bars, which was to reduce wear on the sections, is fulfilled despite the new geometry.
  • the round geometry paired with the offset arrangement of the fins, creates a more turbulent flow, which improves heat transfer.
  • the outside of the rib is constantly in contact with the product to be cooled, which also ensures high heat transfer.
  • cooling fins to be installed has yet to be determined.
  • the considered value of 500 cooling fins 10 per section 8, based on a meter length, is just an example.
  • a reduction in the weight of the cooler is accompanied by further advantages.
  • the torque required to set the cooler in rotation is lower.
  • its load drops, or a cheaper motor with less power can be installed. This reduces the energy requirement of the system.
  • the mechanical loads in the area of the pinion and the ring gear for the transmission of the motor drive to the outer wall of the rotary tube cooler are reduced.
  • the loads acting on the bearings are reduced.
  • the load or dimensioning of the foundations can also be lower or designed to be smaller.
  • the sectional coolers are used all over the world. However, the coolers are always manufactured at the same location. Thanks to their lower weight and smaller dimensions, the sectional coolers require less effort to handle during transport and installation of the cooler. The space costs of the sectional cooler, which are incurred when calculating a system, are also lower.
  • Each of the eight sections of this cooler is provided with 16 turning strips, for example. Their task is to reduce the speed of the particles in order to minimize wear on the sections. Since it has been shown that more thermal energy is also transferred through the turning strips, they also serve as cooling fins. With regard to the optimization of this property, the turning bars are examined.
  • the material is determined by considering seven different relevant properties.
  • the wear mechanisms that stress the ribs are abrasion, which can be reduced by high hardness of the material, and surface distress, which is reduced by ductility.
  • the differences in the thermal expansion coefficients are also included in the evaluation.
  • the thermal conductivity and the heat flow are also included in the evaluation.
  • the evaluation of the ten materials provides the result that the structural steel S355JR is best suited for use as the material for the cooling fins, taking into account the joining process selected afterwards. Due to a higher hardness compared to the S235JR alloy, abrasion wear is reduced. Due to the identical values of the heat conduction and the heat flow of the structural steel S355JR to the structural steel S235JR, there are no losses in the area of heat transfer. Since both materials also have the same coefficient of thermal expansion, there are no stresses in the contact area between the rib and the section due to temperature differences between the condition when the cooler is in operation and when it is not in operation.
  • MAG welding is used for elongated cooling fins.
  • the cooling fins are to be provided with two chamfers and to be connected to the sections by a double HV seam over the entire surface.
  • Stud welding is suitable for round geometries due to its very short welding times and very good mechanical properties of the joining zone.
  • no additives are necessary. Preparation is limited to cutting the ribs to the required length and the manual skill required to operate a stud welder is minimal.
  • the other decisive factor of the cooling fin, the geometry is also achieved by evaluating different criteria.
  • the heat flow related to the contact area, the heat flow related to the projected area, the heat flow related to the weight of the cooling fin, and the thermal conductivity of the geometry are considered. After evaluating the various geometries, a bar rib with a hole is chosen.
  • the consideration of the material flow shows that there are areas with higher and lower particle velocities. Due to the more turbulent flow and the additional task of reducing the particle speed, more ribs are to be installed in the higher speed areas than in the lower particle speed area. In addition, the ribs are to be arranged in a staggered manner. This ensures that material flows directly against each rib. Another positive effect of the selected geometry is that turbulence of the product occurs behind the rib, which further improves the heat transfer through a more turbulent flow. With the help of the heat transfer coefficients determined for the different positions under temperatures within the cooler, it can be determined that the ribs have an almost identical positive influence on the transferred heat flow along the cooler.
  • a list of the weight difference depending on the number of cooling fins used shows the possible potential of the optimized tube fins.
  • the economic optimum can be determined from the costs due to the increasing assembly effort in relation to the material saved, the weight and the resulting further possible savings with an increasing number of cooling fins. As a result, the corresponding economic and technical design of the cooler must be carried out.

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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.The invention relates to a rotary tube apparatus, in particular a sectional cooler for cooling a free-flowing solid, with structures attached to its walls to increase heat conduction. A rotary tube apparatus is used to cool or heat a free-flowing material, in particular bulk material. A rotary tube apparatus, particularly in its configuration as a sectional cooler, is used for continuous processes in chemical engineering.

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.Various devices and methods for cooling very hot products are known from the prior art. In various industrial sectors, such as metallurgy, the chemical industry, the building materials and cement industry as well as the recycling industry, coolers are required to cool very hot products such as burnt pigments, slag, metal oxides and hydroxides, cement clinker, sponge iron, scale, activated carbon, catalysts, coke, smelting works residues, etc. Further processing is often not possible without cooling the very hot products. In many cases, as part of the technologically necessary cooling, the thermal energy contained in the solid should be at least partially recovered.

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.There are therefore various technologies, i.e. devices and processes for cooling bulk materials that have to be cooled from an initial temperature of e.g. 700°C to 1,400°C to final temperatures of e.g. 80°C to 200°C.

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.In addition to the use of coolers that use direct contact between ambient air and the goods to be cooled, rotary tube coolers operated indirectly with air or water are used for this task. "Indirectly" means that the cooling medium, for example water or air, does not come into direct contact with the hot product to be cooled, but heat is exchanged from the hot product to the cooling medium via an apparatus wall separating the media.

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.Out of U.S. 1,218,873 A , U.S. 2,283,129 A and U.S. 2,348,446 A indirectly operated with air solids coolers are known that work both with a single, closed drum housing, as well as those that lead the solids in several tubes within a drum.

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.Furthermore it is over DE 44 06 382 C2 , DE 33 31 744 C2 , U.S. 3,829,282 A , U.S. 3,920,381A ; U.S. Patent No. 4,021,195 ; U.S. 4,089,634A and U.S. 4,131,418A known to introduce hot bulk material, such as in the cement industry accumulating, hot and to be cooled clinker in several tubes arranged around a discharge end of a rotary kiln and conveyed by the rotation of the kiln and thus the cooling tubes. In such coolers, the cooling tubes carrying the hot product are cooled by free convection of the ambient air.

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.In the simplest designs of rotary tube coolers indirectly cooled with water, a rotary tube is sprayed with water from the outside; or the drum is run through a water bath, as in U.S. 4,557,804 A described, whereby the surface of the rotating drum is wetted with water and cools the apparatus wall, while in turn the hot product located in the drum is cooled by heat dissipation to the cooled apparatus wall.

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.Out of EP 0 567 467 B1 a rotary tube cooler with a rotary tube is known, which rotates within a stationary, brick-lined enclosure and in which the cooling medium, for example air or water, flows in the cavity formed between the rotary tube and the lining.

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.A similar solution, in which the drum shell is formed by a pipe system through which cooling water flows, is out U.S. 1,711,297 A ; U.S. 4,711,297 A , EP 0 217 113 A2 and DE 35 34 991 AI known. The design of such a simple drum requires a small surface area for heat exchange and, as a result, a low cooling capacity of the apparatus. In the patent U.S. 2,362,539 A a cooler is described which works with a plurality of product-carrying pipes arranged on a circular circumference, the pipes being sprayed with water from above for cooling and the water running off into a trough underneath.

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. U.S. 2,283,129 A and EP 2 889 569 A1 disclose rotary tube apparatus. Out of DE 160 351 C and U.S. 4,637,034 A stationary arrangements for improving the heat transfer are known.

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.In the case of sectional coolers, as they have become known from the Grenzebach BSH GmbH, a plurality of chambers, for example six or eight chambers, the so-called sections, are created to increase the heat exchanger surface, which are located in a rotary drum housing, creating a cavity between the chambers. In relation to the cross-section of a cylindrical housing, each chamber thus fills out a sector of a circle or cross-section of a circle.

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.To cool the hot product in the chambers (sections) or conveyed through the chambers, cooling water is passed through the cavities formed in the drum housing between the sections. The cooling water is supplied and removed via a sealed swivel joint on the product discharge side of the drum and pipe connections to and from the individual double pipes.

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.Such sectional coolers have a special design that leads to high material and labor costs in production, especially due to the extensive welding work required. In addition, the drum housing itself necessarily has a high weight, because the drum and the walls of the chambers must be made thick-walled for reasons of strength. Although both lead to a high overall weight of the apparatus, they permit particularly effective heat dissipation.

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.Sectional coolers essentially consist of a rotating rotor, which is usually driven by a chain. At the ends of the rotor are rigid housings for product infeed and outfeed. Depending on the size of the cooler, the rotor is either mounted on the ends of its own axis (axle cooler) or has a rotary tube typical race bearing. Inside, the rotor consists of several sectional chambers, which are arranged in the shape of a pie around a central hollow shaft. This arrangement is completely surrounded by the outer jacket. Conveying elements are located in the sectional chambers. Depending on the requirements, these can be shovels, chains or the like.

Je nach Anforderung werden Sektionalkühler mit Durchmessern zwischen 0,8 und 4 m und Längen von 3 bis 30 m gebaut.Depending on the requirements, sectional coolers are built with diameters between 0.8 and 4 m and lengths of 3 to 30 m.

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.Sectional coolers work with indirect water cooling. The cooling water passes through an inner central hollow shaft between the individual sections, flows around them and exits again through an outer central hollow shaft. The product to be cooled usually falls directly into the product drop housing and is transported to the other end of the cooler by the rotary movement and the conveying elements. The rotation ensures that the product is constantly mixed in the sections and thus good heat transfer is achieved. The product can be conveyed in parallel or countercurrent to the cooling medium.

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.Sectional coolers can be used to cool almost all free-flowing bulk materials. They are often found behind rotary kilns in calcination processes or the like. Their main goal is usually to cool the products down enough so that they can be handled with other equipment (conveyors, mills, etc.). However, the cooling itself is often an important part of the manufacturing process. Typical products are e.g. B. petroleum coke, zinc blende roasted goods, soda, pigments and many more. The inlet temperatures of the products can be up to 1400 °C.

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.In contrast to directly air-cooled devices, there are no problems with product discharge in the air flow when cooling powders in the sectional cooler. Thanks to the robust construction, even larger particles do not cause any problems. By using appropriate seals, it is possible to create an inert space in the sections, which means that reactive products can also be treated.

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.It is the object of the invention to improve a rotary tube apparatus, in particular a sectional cooler, of the type mentioned at the outset in such a way that it achieves optimized heat transfer from the material to be cooled to the cooling medium.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, wie in Patentanspruch 1 angegeben.According to the invention, this object is achieved as specified in patent claim 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung, insbesondere in Verbindung mit den Figuren.Advantageous developments result from the dependent claims and the description, in particular in connection with the figures.

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.The invention relates to any rotary tube apparatus that is used to cool or heat a free-flowing material. In the following, reference is always made to a rotary tube cooler and its cooling function as an example of such a rotary tube apparatus; nevertheless, the invention is intended to be used for any pourable material introduced into such a rotary tube cooler. The hollow tubes are preferably arranged in rows, which extend in the longitudinal direction of the rotary tube apparatus.

Mit Vorteil weisen jeweils zwei benachbarte Reihen Hohlrohre eine versetzte Anordnung der Hohlrohre auf.Advantageously, two adjacent rows of hollow tubes each have a staggered arrangement of the hollow tubes.

Die Hohlrohre lassen sich beispielsweise durch Schrauben, Kleben oder Nieten auf den Wänden von Sektionen aufbringen.The hollow tubes can be attached to the walls of sections by screwing, gluing or riveting, for example.

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.Welding methods are also suitable, for example, in particular submerged arc welding, gas metal arc welding, friction welding or stud welding. A method that is particularly adapted to hollow pipes and is therefore particularly suitable is sleeve welding.

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.The hollow tubes have a length of less than 10 cm, in particular less than 5 cm. Most preferably they have a length of 3.6 cm.

Mit Vorteil weisen die Hohlrohre einen Durchmesser von weniger als 5 cm auf, insbesondere von 3,0 cm.The hollow tubes advantageously have a diameter of less than 5 cm, in particular 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.It also proves to be advantageous if the hollow tubes have a wall thickness of 1 cm or less, in particular 0.5 cm.

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.Preferably, the rotary tube cooler has a plurality of sections having a higher density of hollow tubes on the radial walls and on the circular arc wall exhibit than in the corner areas between the radial walls and between the radial walls on the one hand and the arc wall on the other hand.

Mit Vorteil ist vorgesehen, dass die Sektionen jeweils etwa 500 Rippen oder 500 Hohlrohre je Meter Länge des Drehrohrkühlers aufweisen.It is advantageously provided that the sections each have about 500 ribs or 500 hollow tubes per meter of length of the rotary tube cooler.

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.The invention also relates to a method for operating a rotary tube apparatus, in particular a rotary tube cooler, as described above. The method is characterized in that the solid moves in a turbulent flow around the hollow tubes.

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.
The invention is explained in more detail below in exemplary embodiments with reference to the drawings. Show it:
1
a representation of the wear of a component (vertical axis), for example the rotary kiln, as a function of the ratio of the hardness of the material of the component to the hardness of a wear body (horizontal axis), for example zinc oxide,
2
a representation of the wear of a component (vertical axis), for example the rotary kiln, as a function of the ratio of the hardness of the material of the component to the hardness of zinc oxide (horizontal axis) for various materials that can be used in a rotary kiln,
3
a representation of the Brinell hardness [HBW] (vertical axis) as a function of the elongation at break, measured in [%], for various materials that can be used in a rotary tube apparatus (horizontal axis), in particular for components that perform a cooling function, such as the cooling fins,
4
a representation of the thermal conductivity λ, measured in [W/(m K)], (vertical axis) of various materials as a function of the difference in the coefficient of thermal expansion of these materials to the coefficient of thermal expansion α [10 -6 K -1 ] of the for the walls of the IS235JR structural steel (horizontal axis) used in rotary kiln sections
figure 5
the heat flow Q [W] (vertical axis) transferred by different materials as a function of their thermal conductivity A [W / (m K)] (horizontal axis),
6
the thermal conductivity of different materials (vertical axis) as a function of their thermal diffusivity (horizontal axis),
7
a sectional view of a detail of a section of a sectional cooler with a rectangular rib which is connected to a wall of the section via a screw and a nut,
8
a sectional view of a detail of a section of a sectional cooler with a rib that is wavy in cross section,
9
a sectional view of a hollow rib or tubular rib applied to the wall of a section of a sectional cooler,
10
a cross section through a diagrammatically shown sectional cooler with eight sections, each of which is partially filled with a free-flowing material (shown in black),
11
an isometric cross-sectional view of a sector of a sectional cooler according to FIG 10 , according to the hollow ribs arranged in rows 9 Is provided,
12
a top view of tube ribs arranged in rows on an inner wall of a sector of the sectional cooler in the area of one of the zones in which the material to be cooled has a higher particle velocity, and
13
a representation of a pipe fin around which particles of a material to be cooled flow.

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.According to the invention, a large number of criteria are taken into account when optimizing a rotary tube cooler. The best possible combination of material, joining process and geometry is determined. However, the optimization of the heat transfer of the rotary tube cooler, in particular of the sectional cooler, is mainly improved by the introduction and optimization of the cooling fins.

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.The substrate to be cooled is introduced into a rotary tube cooler, for example a sectional cooler, at a high temperature, for example at up to 950° C. The temperatures of the sections are lowered by the constant cooling of the sections by a cooling fluid, for example water. Depending on the geometry, cooling fins in the sections can reach a temperature of 550 °C, for example, at the point at which the product enters. However, the mechanical stresses on the ribs are low. They are limited to stress caused by contact with the product. The ribs do not have a supporting or strength-enhancing role within the sectional cooler. Therefore, materials can also be considered whose application limit is below the mentioned 550 °C. The main stress lies in the area of wear resistance due to the substrate to be cooled or heated, for example powdered zinc oxide. Depending on the composition of the atmosphere inside the sectional cooler, high-temperature corrosion processes can also take place.

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.Due to the temperatures that occur, the choice of materials is limited to metals and their alloys as well as ceramic materials. Despite their good properties in terms of corrosion resistance, ceramic materials have poor thermal conductivity. In addition, their brittle behavior must be assessed critically. Thus, preference is given to metallic alloys in the selection of materials. The materials that can be selected are shown in Table 1 with some of their properties. As can be seen in the selection, materials from different categories are included in the selection process. For example, the sectional cooler with all its Built-ins mostly made of structural steel S235JR with the material number 1.0038. However, other alloys, for example aluminum or magnesium, and various types of steel are also suitable.

Tabelle 1 zeigt die Werkstoffe.Table 1 shows the materials.

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.The selection of the material to be used is made based on a number of criteria. Since the main stress on the cooling fins is the wear caused by the zinc oxide, it is important to keep this as low as possible. The types of wear that occur are sliding wear and impact wear. High resistance to both types, composed of the mechanisms of abrasion and surface distress, can be achieved through a combination of high hardness and ductility. The abrasion mechanism can be counteracted by making the material very hard.

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 As in 1 represented schematically by the ratio of the hardness of the component to the hardness of the wear body, abrasion wear is divided into three zones. In the zone with a ratio of less than 0.6, the greatest wear occurs due to the low hardness of the component. In an area with a hardness ratio of the two components between 0.6 and 1.2, there is a transition from the high wear level to the low wear level. From a value of 1.2, wear from abrasion is minimized, since the wear body cannot penetrate the component due to its lower hardness. Table 1 category short name material number Thermal conductivity [W/(mK)] Expansion coefficient [*10^-6K^-1] Specific heat capacity [J/(kgK)] Modulus of elasticity [N/mm 2 ] Density [kg/m 3 ] Hardness Brinell [HBW] aluminum alloy AlMg1SiCu 3.3211 170 23.0 895 70,000 2,700 88 magnesium alloy AM50A (EN MCMgAl5Mn) EN-MC21220 65 14.0 1020 45,000 1,770 58 pure nickel nickel 201 2.4068 79 1, 8 456 205,000 8,900 95 Structural steel S355JR 1.0045 54 0.0 461 210,000 7,850 170 tempered steel 25CrMo4 1.7218 49 0.4 435 210,000 7,750 216 Structural steel S235 1.0038 54 0.0 461 210,000 7,850 123 carbon steel SAE AISI 1008 1008 65 13.1 470 190,000 7,900 97 High-temperature steel P235GH 1.0345 57 13.0 461 210,000 7,850 143 Heat-resistant pressure vessel steel P265Gh 1.0425 51 13.0 461 210,000 7,850 155 Stainless ferritic steel 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).Zinc oxide is a mineral. Accordingly, the hardness of zinc oxide is classified according to the Mohs hardness scale, which is based on the scratch hardness of minerals. The value is approx. 4. Although an exact conversion into a Brinell hardness value that is typical in mechanical engineering is not possible, the guide value for the hardness of zinc oxide according to Brinell is approx. 180 HBW (HBW = Brinell tungsten carbide hardness). If you form the ratio of the hardness of the materials under consideration to that of the zinc oxide and enter this in the graph 1 the following diagram results: The heat-treated steel 25CrMo4 is the only material that is in the low wear zone. The magnesium alloy, the pure nickel and the carbon steel are in the area of maximum wear due to abrasion. All other materials are in the area of the transition ( 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.Since surface distress is also important in addition to the mechanism of abrasion, the materials are also assessed in relation to their resistance to wear. The elongation at break can be used as a measurable variable for the resistance. This reflects the ductility of the materials, which counteracts the increasing degree of surface distress. figure 3 compares the material properties of hardness versus elongation at break, since wear depends on the combination of both properties.

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 2 3

Figure imgb0001
zu 1 3
Figure imgb0002
festgelegt.Correspondingly, materials that are in the upper right area of the diagram are preferable for use in a rotary tube cooler due to their combination of hardness and elongation at break. Materials found in the lower right, such as nickel, have good wear resistance to surface distress, but their low hardness makes them susceptible to abrasion. The two alloys of aluminum and magnesium do not show particularly good resistance for either mechanism. However, it must be taken into account that the proportion of abrasion outweighs that of surface distress. This is due to the small particle diameters of zinc oxide between 0 mm and 6 mm. Accordingly, a weighting factor must be included, which is figure 3 is not taken into account. For example, the ratio of abrasion to surface distress is given by 2 3
Figure imgb0001
to 1 3
Figure imgb0002
fixed.

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.Since according to the invention mainly the heat transfer of the sectional cooler is improved, the thermal conductivity of the individual materials is primarily taken into account. Regardless of the geometry, increased heat flows can be achieved by using particularly suitable materials with higher thermal conductivity. However, it should be noted that the number of materials that can be used may be limited depending on the joining process. In addition, the coefficient of thermal expansion must be taken into account. If the sections are made of mild steel, which has a coefficient of about 12 × 10 -6 K -1 , if the cooling fins are made of other materials, stresses can arise. The sections and cooling fins are at room temperature during the joining process. If the cooler is now put into operation, the temperature rises and the components expand. Materials with different coefficients of thermal expansion therefore expand to different extents. This difference in expansion creates stresses in the area of the joining zone. Depending on the temperature and the difference in thermal expansion coefficients, these are larger or smaller. Depending on the joining method, critical stresses can be exceeded. In 4 Therefore, the thermal conductivity is plotted against the difference in the coefficient of thermal expansion between the considered material of the cooling fins and the structural steel IS235JR used in the sections.

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.It turns out that the aluminum alloy has the greatest thermal conductivity, but also a large difference in the thermal expansion coefficient of structural steel. Together with the magnesium alloy, which has a significantly lower thermal conductivity compared to the aluminum alloy, the greatest stresses are to be expected in the area of the joining zone. All other materials are in a similar range of thermal expansion coefficients and thermal conductivity, with the stainless ferritic steel X6CrMoS17 having the lowest thermal conductivity.

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.If one compares the transferred heat flow under the same conditions only with the different materials, the result is in figure 5 heat flow shown as a function of thermal conductivity. A course is shown that is similar to that of a square root function. At low values of thermal conductivity increases the heat flow increases sharply. With increasing thermal conductivities, the heat flow continues to increase, but the slope of the curve decreases sharply. For this reason, the heat flow of X6CrMoS17 is about 20% lower than that of S235JR, although the thermal conductivity is over 50% lower. The thermal conductivity of the aluminum alloy exceeds that of mild steel by more than 200%. The gain in heat flow, on the other hand, is only 20%. The course therefore approaches a maximum heat flow.

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. figure 5 shows the transferred heat flow as a function of the thermal conductivity. Another evaluation criterion is the thermal conductivity in relation to the explained thermal fatigue. Although the number of operating cycles of a sectional cooler is low, since they are almost exclusively taken out of service for maintenance and repair, thermal fatigue of the cooling fins can still occur if the temperature conductivity is too low. Therefore, higher thermal conductivity of the materials, as well as the geometries, are to be preferred in order to avoid cracks in the components and signs of fatigue.

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. 6 shows the thermal conductivity of the materials in relation to the thermal conductivity. With regard to the thermal properties, the aluminum alloy again achieves the best result due to the high thermal conductivity as well as the thermal conductivity. Since the thermal conductivity is composed of the thermal conductivity, the density and the specific heat capacity, it becomes clear why the aluminum alloy with the low density and the high thermal conductivity has a high thermal conductivity. The magnesium alloy also has a high thermal conductivity. In terms of thermal conductivity, the alloy X6CrMoS17 has the worst properties. The other materials have approximately the same thermal conductivities, with the known differences in thermal conductivities.

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 In order to determine the most suitable material, the factors and evaluation criteria presented above, such as hardness, elongation at break, thermal conductivity, coefficient of expansion, thermal conductivity, heat flow and costs are used evaluated. Depending on the importance of the individual evaluation criteria, these are given weighting factors, for example (see Table 2). Table 2: Weighting factors of the evaluation criteria evaluation criterion weight factor hardness 0.30 elongation at break 0.20 thermal conductivity 0.20 Difference in thermal expansion coefficient 0.15 thermal conductivity 0.05 heat flow 0.20 Total: 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.In addition to the thermal conductivity, the transferred heat flow is also included in the evaluation with the same weighting factor, since it has been shown that the thermal conductivity is crucial for the heat flow, but does not have a linear course. Accordingly, the determined heat flow serves as an additional factor to compensate for this non-linearity. The criteria associated with wear and tear or fatigue of the materials also have a major influence.

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.The evaluation is carried out by assigning the value one to the highest value of an evaluation criterion. The value zero forms the lower limit in each case. A linear progression is formed between the upper and lower value, so that the remaining values lie between the two limits. The determined values are then multiplied by the respective weighting factor. This is carried out for the various evaluation criteria and finally the individual results are summed up. The best possible evaluation of the total is therefore one.

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.Example: The alloy 25CrMo4 has the highest hardness with 216 HBW. This corresponds to the value 1. It follows that the other materials each receive 0.01 evaluation points for every 2.16 HBW. This results in a value of 0.57 for the structural steel S235JR with a hardness of 123 HBW. Multiplied by the weighting factor, the values are 0.3 and 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.The full evaluation is presented in Table 3. The heat-treated steel 25CrMo4 achieved the best result with an overall rating of 0.8032. S355JR mild steel follows with 0.7972 points. Since the two materials have achieved similarly good results, a final decision is made on the choice of material depending on the joining process used.

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.The heat-treatable steel has the considerable disadvantage that in the case of a weld, it has to be stress-relieved for several hours at temperatures between 680 °C and 720 °C and then slowly cooled down in order to reduce stresses within the heat-affected zone by welding. In the case of the large components of a sectional cooler, this also means a great deal of technical effort in addition to the time. The easy-to-weld structural steel S355JR does not require such a time-consuming, but also costly post-treatment. The heat-treated steel 25CrMo4 is therefore to be preferred for all joining processes, except for welding, where the advantages of mild steel in terms of easier handling predominate.

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

Figure imgb0003
einzelnen Fügeverfahren eingegangen und jeweils mit den übrigen Verfahren verglichen.The manner in which the fins are attached to the sections of the sectional cooler has a significant impact on the service life and the transferred heat flow. Below is the pros and cons of the
Figure imgb0003
individual joining processes and compared with the other processes.

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.A major advantage of bonding is that an equivalent result can be achieved with all metals with good pre-treatment. Accordingly, different material combinations are possible. However, depending on the type of adhesive used, there are other factors to consider.

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.Structural adhesives can absorb stresses of up to 30 MPa. Compared to the other joining methods, this is many times lower. However, in order to be able to withstand these stresses, very complex pre-treatment of the workpieces is necessary, since this is the only way to ensure good wetting of the surfaces, which is decisive for the quality of the bond. Since an even and thin layer thickness of the adhesive is also crucial, both sections and cooling fins must meet high tolerance requirements. Despite the low thermal conductivity of the adhesive, the heat flow is only imperceptibly changed due to the small layer thickness.

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.It must also be taken into account that the adhesives must be subjected to even pressure during the time-consuming drying process. In addition, the sections must be fully heated during drying. This requires a high energy requirement and high technical complexity. Although there are adhesives that can be used at temperatures above 1000 °C, all of these are affected by aging processes. In addition, there is a risk of creeping at high temperatures, which can drastically reduce the service life of the sectional cooler.

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.In the case of elastic adhesives, the requirements for the tolerances of the components are lower due to the larger layer thicknesses. However, the transferred heat flow decreases drastically. In addition, lower stresses can be tolerated than with structural adhesives. In order to be able to absorb an identical force, a larger contact area is therefore required.

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.Screw connections, which can also be used to connect different materials to one another, are even more advantageous than adhesive connections. Since the connections are not material-to-material but friction-locked, high dimensional accuracy must also be maintained in order to produce full-surface contact between the rib and the section so that the heat is transferred via thermal conduction. Voids between section and rib result in free convection between the two components. This would significantly reduce the transferred heat flow.

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.In contrast to adhesive connections, screw connections can withstand significantly higher stresses by adapting the components used, such as screws and nuts. However, a large number of holes must be drilled into the sections through which the screws are guided. This reduces the rigidity of the sections. In addition, this area must be sealed. This requires the use of additional components.

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 addition to the weakening of the sections by the bores, the clamping force between the screw head and the nut generates stresses in the sections which are superimposed on the stresses occurring during operation.

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.In a section 1 ( 7 ) of a sectional cooler has a rib 2 with a rectangular shape (rectangular rib) and is connected to a wall 5 of the section 1 via a screw 3 and a nut 4 . In this way, the rib 2 forms a bearing surface for the screw head of the screw 3. By using screws 3, the ribs 2 can be exchanged without being destroyed.

Alternativ zum Einsatz von Schraubverbindungen lassen sich auch Nietverbindungen einsetzenRivet connections can also be used as an alternative to using screw connections

Die Methode der Pressverbindung erfordert den Einsatz von Rippen, die durch die Wandung der Sektion wenigstens bereichsweise hindurchgesteckt sind.The press connection method requires the use of ribs which are pushed through the wall of the section at least in some areas.

Nach dem Einpressen können die Wandung der Sektion und die jeweilige Rippe zusätzlich verklebt oder verschweißt werden.After pressing in, the wall of the section and the respective rib can also be glued or welded.

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.Another method of making a connection between the ribs and the wall is joining by welding, divided into two categories. Both submerged arc welding and metal inert gas welding are used, as well as friction welding and stud welding.

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.Submerged arc welding is not suitable for all welding positions because the powder lies loosely on the welding zone. This means that only welding positions with a low inclination can be realized. Each section of a sectional cooler consists of two parts joined together. These are welded together after the turning bars and conveyor blades have been installed.

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.In comparison to submerged arc welding, the welding torches for both automated and manual MSG welding (MAG gas-shielded metal arc welding) have significantly smaller dimensions. The preparations to weld the ribs to the sections are less than the preparations required when gluing, screwing or riveting. Inaccuracies can be compensated for by introducing additional filler metal. With regard to the heat flow, the ribs only have to be provided with chamfers in order to be able to guarantee full-surface contact. Within the weld seam, the material's thermal conductivity is almost identical to that of the starting material. Thus, very good results can be achieved in terms of the heat flow transferred between the two components by welding with full-surface contact between the rib and the section.

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.Despite the influence of the high thermal load on the structure during welding, the tolerable stresses are significantly higher in comparison to bonding with structural adhesive or those of a press connection, despite the welding residual stresses. Also, no additional contact surfaces are necessary as with screws and rivets. Since the ribs are completely surrounded by welds, it is only necessary to reduce the length of the ribs. Accordingly, instead of one long rib, three to four shorter ribs are introduced along the sections; this can also be referred to as a broken rib. This reduces distortion and stress. Subsequent treatment of the welds is not necessary, since the mild steel S355JR is very easy to weld and repairs can also be carried out on the job sites in the same way. Additional components are limited to the welding wire, which means that production is not unnecessarily more complex or error-prone than with screw connections.

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.For rotationally symmetrical cooling fins, on the other hand, friction welding is opposed to stud welding. Friction welding is characterized by very good quality in the area of the welding zone. The strength is higher than that of the base material. The thermal load and the associated distortion and residual stresses are also lower than with a fusion welding process.

Dies zeigt, dass das Metallschutzgasschweißen die bevorzugte Option für das Fügen von Kühlrippen darstellt.This shows that gas metal arc welding is the preferred option for joining cooling fins.

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.Stud welding is characterized by very short welding times. These are significantly below those of friction welding. Due to the short welding times, the thermal load is lower than, for example, with MSG welding. The strength of the material connection is higher than that of the base material. The connection is also not affected by aging processes, as is the case with adhesive bonds.

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.The preparation of the welding zone is identical to that of MSG or submerged arc welding (submerged arc welding) and therefore also significantly less compared to the other processes considered. With a round cross-section of the cooling fins, cutting the long rod to the desired length is sufficient as preparation in the area of the fins. The sections do not have to be provided with complex bores with minimum tolerances. Welding fillers are not required, only shielding from the atmosphere with a protective gas is necessary.

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.The small dimensions of the welding gun of a stud welder allow easy attachment of the ribs in all areas of the section. In addition, the manual skill required is very low due to the easy handling of the welding gun.

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.However, it should be noted that the maximum weldable diameter of the cooling fins is limited to 30 mm. The blowing effect must also be taken into account in order to achieve full-surface contact and thus the best possible heat transfer. Despite the limitation of the outer diameter to 30 mm, stud welding offers the best compromise due to the good mechanical properties of the joining zone in combination with the easy handling of the welding gun and the very short welding times. Stud welding should therefore be used for round geometries of the cooling fins.

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.The cooling fins are therefore welded to the sections regardless of their geometry. Therefore, the structural steel S355JR is to be preferred over the heat-treated steel 25CrMo4, as it is very easy to weld and does not require any post-treatment. Since S355JR structural steel is a low-alloy structural steel, an active gas is recommended as the shielding gas because it is cheaper than an inert gas.

Gemäß der Erfindung wird auch eine Geometrie der Kühlrippen geschaffen, die einer Mehrzahl von Kriterien genügt, insbesondere in Hinblick auf den Wärmestrom.According to the invention, a geometry of the cooling fins is also created which satisfies a number of criteria, in particular with regard to the heat flow.

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 wirdThe heat flow, based on the contact surface between the cooling fin and the section, is used to determine the heat flow, based on 1 mm 2 . This allows the efficiency of the different geometries to be estimated independently of the size of the rib or its contact area with the section. Since some ribs, such as the bladed ribs, occupy a significantly larger area of the section than their contact area, this is accounted for by a projected area, ie the area covered by the contour of the rib

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.This must be taken into account with regard to the number of ribs to be installed, since the possible number depends heavily on the projected area. For this reason, the heat flow is also related to the projected area. In addition to the areas, the weight of the ribs is also included in the evaluation. The heat flow, related to the weight of the cooling fin, serves as a further criterion for the efficiency of the geometry under consideration. With a high quotient from heat flow and weight, better use of resources is achieved, material consumption and the associated material costs are reduced. As a further criterion, the ratio of the heat flow at a point in time t, for example t = 28s, is compared with the stationary heat flow towards the end of the simulation. This ratio can be used to determine the thermal conductivity of the geometry. A high thermal conductivity of the geometry also prevents or reduces the risk of thermal fatigue.

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 Table 4 shows the weighting of the various criteria. The two heat flows related to the surfaces are the decisive criteria of the geometries. For this reason, the weighting factors together are 0.65. Relating heat flow to fin weight gives an indication of the efficiency of the fin, but is not a definitive indication of the overall improvement in heat flow to the currently used cooling fin. For this reason, the criterion should not be neglected, but with a weighting factor of 0.2 it is factored less than the heat flows, based on the areas. With a weighting factor of 0.15, thermal conductivity is below the other factors. This is justified because the ratio of the heat flows at different times is primarily decisive for thermal fatigue. Table 4: Weighting factors of the geometry evaluation criteria evaluation criterion weight factor heat flow per area 0.4 Heat flow per projected area 0.25 heat flow per kilogram 0.2 thermal conductivity 0.15 total 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.The different geometries are evaluated in a similar way to the material pre-selection. The highest value of an evaluation criterion is given the value 1. A linear gradation down to the value 0 is then formed and the remaining geometries are provided with the corresponding value.

Die Werte werden mit den Gewichtungsfaktoren multipliziert und anschließend aufsummiert. Die maximal erreichbare Summe beträgt demnach den Wert 1.The values are multiplied by the weighting factors and then summed up. The maximum achievable sum is therefore 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.The evaluation is shown in Table 5. The best total score of 0.859 points is achieved by a wavy rib 6 ( 8 ) (shown only as "Wavy" in Table 5). This is due to the large area achieved by the geometry. However, it must be taken into account that elongated ribs are to be attached to the sections by MIG welding. However, due to the contour, it is possible to apply the required chamfer to ensure full-surface contact between the rib and the section, but due to the curvature on the left side of the rib ( 8 ) it is not possible to feed the welding torch. By adapting the geometry to ensure weldability, the score is reduced by almost 0.2 points to 0.672. Although in 8 only a "half wave" of a cross section of such a rib 6 is shown in cross section, it is understood that according to the invention each rib 6 can have a large number of wave crests and wave troughs.

Tabelle 5 zeigt die Auswertung der Geometrie.Table 5 shows the evaluation of the geometry.

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.The unadapted wavy rib is followed by the optimized rectangular rib with a difference of 0.084 points. This has due to the optimally calculated height <b>Table 5</b> Heat flow per area Calculation with weighting factor heat flow per proj area Calculation with weighting factor heat flow per kg Calculation with weighting factor temperature conductivity Calculation with weighting factor TOTAL Convex reversed around 1,000 0, 400 0.343 0.086 0, 330 0.066 0.879 0.132 0.684 Wavy 0, 0, 322 0.769 0.192 0.973 0.195 1,000 0.150 0.859 Tree 0.796 0.319 0.327 0.082 0.736 0.147 0.958 0.144 0.691 reverse trapezoid 0.767 0, 307 0, 404 0.101 0.512 0.102 0.827 0.124 0.634 tree reversed 0.761 0, 305 0.313 0.078 0.704 0.141 0.959 0.144 0.667 Shovel ratio 0.75 0.727 0.291 0.319 0.080 0.542 0.108 0.925 0.139 0.618 Convex reversed 0.699 0.279 0.383 0.096 0.361 0.072 0.711 0.107 0.554 Fork 0.664 0.266 0.520 0.130 0.843 0.169 0.942 0.141 0.705 Shovel connected 1 0.643 0.257 0.211 0.053 0.412 0.082 0.931 0.140 0.532 Shovel ratio 0.5 0.630 0.252 0.414 0.103 0.560 0, 112 0.912 0.137 0.604 rectangle 0.608 0.243 1,000 0.250 0.754 0.151 0.867 0.130 0.774 jagged rectangle 0.588 0.235 0.9661 0.2421 0.752 0.150 0.876 0, 131 0.758 Round hollow 1 to 3 around 0.551 0.220 0.906 0.226 0.698 0.140 0.872 0.131 0.717 Round hollow 1.5 to 3 around 0.549 0, 220 0.903 0.226 0.792 0.158 0.926 0.139 0.743 Square around 0.542 0.217 0.892 0.223 0.579 0.116 0.774 0, 116 0.672 Round hollow 2 to 3 around 0.527 0.211 0.867 0.217 0.944 0.189 0.990 0.149 0.765 parabola 0.524 0.210 0.861 0.215 0.776 0.115 0.827 0.124 0.704 rectangle default 0.523 0, 209 0.859 0.215 1,000 0, 200 0.797 0.120 0.743 trapeze 0.508 0.203 0.835 0.209 0.944 0.189 0.862 0.129 0.730 Around around 0.463 0.185 0.761 0.190 0.534 0.107 0.729 0.109 0.592 triangle pointed 0.4411 0.177 0.725 0.181 0.923 0.185 0.794 0.119 0.662 Convex 0.430 0.172 0.707 0.177 0.606 0.121 0.721 0.108 0.578 claw 0.409 0.164 0.270 0.067 0.539 0.108 0.709 0.106 0.445 Convex around 0.396 0.158 0.651 0.1631 0.679 0.136 0.671 0, 101 0.557 already the best possible result, whereas the other geometries have the potential to achieve even better results through further adjustments. Another reason for the good result of the optimized rectangular rib is that the high efficiency of the geometry is due to the low factor m × h .

Das nächstbeste Ergebnis erzielt die runde Geometrie mit einer Vertiefung mit dem Verhältnis zwischen Innenradius Ri einer kreisförmigen Hohlrippe 7 zu einem Außenradius Ra (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.The next best result is achieved by the round geometry with an indentation with the ratio between the inner radius R i of a circular hollow rib 7 and the outer radius R a (cf. 9 ) from 2 to 3. With a score of 0.765, this is 0.009 rating points below the value of the optimized rectangular rib. Each of the ribs 7 is provided with a hole in the middle. In addition to the considerable additional effort, this is associated with increased tool costs.

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 = 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.However, the simulation of a tube, the production effort for which is significantly lower, with the identical diameter of the drilled rib shows the potential of this geometry. With a heat flow of = 62.2 W , this geometry achieves a value of 0.787. This exceeds the value of the optimized rectangular rib without having exhausted the full potential of the geometry. In relation to attaching tube fins to the sections, a relatively newly developed modification of stud welding, Magnetic Rotating Arc (MARC) also called sleeve welding, can be used.

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.This has almost identical properties to stud welding and differs primarily in the shape of the arc. A magnetically moved circular arc is generated between the rib and the section. This ensures a ring-shaped weld pool of the two components. The advantage of the extremely short welding times is also not lost with this process. The quality of the weld is very good with strengths exceeding those of the base materials. In addition, sleeve welding is not as susceptible to the blowing effect.

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.Since the geometry of the pipe delivers almost the best results in terms of heat flow, this is explained in detail below in combination with MARC welding using an exemplary embodiment.

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.The tubular geometry of the cooling fin is explained below using a standardized tube as an example. The dimensions are taken from DIN EN 10220, for example. The diameter for which the MARC welding process is possible is approx. d = 30 mm, for example, as with stud welding. The smallest diameter chosen, for example, is d=25 mm. The wall thickness is varied between T=6.3 mm and T=5 mm.

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.The evaluation is carried out identically to the evaluation given above. The same evaluation criteria with the same weighting factors are used. However, another evaluation criterion, the heat flow, is added. Since each is a tube rib, this addition is possible without further adjustments. The heat flow is weighted with a factor of 0.3. The maximum achievable sum thus increases to a value of 1.3. The length of the ribs is fixed at L = 50 mm, regardless of the diameters and wall thicknesses.

Tabelle 6 zeigt die Auswertung der Optimierung von Durchmesser und Wanddicke.Table 6 shows the evaluation of the optimization of diameter and wall thickness.

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.The evaluation listed in Table 6 shows that the geometries with a wall thickness of T = 5 mm generally achieve better results. This can be attributed to the larger heat exchange surface. Despite the lower wall thickness, the tubular ribs achieve similar strengths to a comparable rectangular rib with a thickness of T = 10 mm due to their round geometry.

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 The best result is achieved with a diameter of d = 30 mm and a wall thickness of T = 5 mm. Based on these specified characteristics of the <b>Table 6</b> diameter [mm] wall thickness [mm] heat flow per area heat flow per proj area heat flow per kg thermal conductivity heat flow TOTAL 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.

Figure imgb0004
Geometry determines the most preferred length of the rib. The length of the rib is varied with a pitch of 2 mm in a range between L = 30 mm and L = 60 mm. Since both the area and the projected area are identical, the evaluation criteria are limited to the heat flow (weighting factor 0.65), the heat flow related to the weight (weighting factor 0.2) and the thermal diffusivity (weighting factor 0.15).
Figure imgb0004

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.In Table 7, the results of the evaluation are plotted against the length of the rib. It can be seen that there is a maximum at a length of L = 36 mm. With increasing length, the heat flow increases significantly less from the maximum in relation to the increasing mass. For this reason, the course of the graph falls from the maximum. Consequently, the rib with the length of L = 36 mm is chosen. This offers the best compromise of the considered criteria. Since the rib is compressed by about a length of L = 1.5 mm during the welding process, this amount must be added to the optimal length of the rib. This results in a length of 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.The dimensions of the optimization result in an outer diameter of the tube of d = 30 mm with a wall thickness of T = 5 mm and a length of L = 36 mm or L = 37.5 mm, taking into account the joining method used and the associated reduction in length.

Neben der bereits bestimmten und optimierten Geometrie der Rippen ist die Anordnung in Kombination mit der Anzahl ebenfalls entscheidend für den übertragenen Wärmestrom.In addition to the already determined and optimized geometry of the fins, the arrangement in combination with the number is also decisive for the transferred heat flow.

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: λA = 17,61 %. Dies entspricht bei einer Querschnittsfläche der Kammer (Sektion) von QK = 0,342 m 2 einer Flächenbedeckung von A = 0,060 m 2. In Kombination mit dem dynamischen Schüttwinkel des Zinkoxids von θdyn = 40° kann die Verteilung des Zinkoxids innerhalb der Sektionen in den verschiedenen Lagen, ermittelt werden.In order to determine the distribution of the material to be cooled, for example zinc oxide, within the sections and thus to be able to define the distribution of the ribs in these, the degree of filling φ is determined. This is made up of the residence time, the volume flow of the zinc oxide and the volume of the sections. The degree of surface coverage can be determined based on the degree of filling. The degree of area coverage indicates the area of the sections that are covered with the product. This results in the degree of filling: ϕ = 4.17% and for the degree of area coverage: λ A = 17.61%. With a cross-sectional area of the chamber (section) of Q K = 0.342 m 2 , this corresponds to a surface coverage of A = 0.060 m 2 . In combination with the dynamic angle of repose of the zinc oxide of θ dyn = 40°, the distribution of the zinc oxide within the sections in the different layers can be determined.

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.The graphical determination of the area coverage of a preferably inclined or alternatively horizontally mounted sectional cooler 8 is in 10 shown in cross section. It shows that each area of the section is covered for a similar period of time. There is therefore no area in which the attachment of cooling fins would not have a positive effect. If you take a closer look at the distribution of the zinc oxide, you will notice that the product has different speeds in the different areas. In the 10 Areas labeled A, A' and A" are the zones where the zinc oxide is flowing at lower velocities, while in areas B, B' and B" it is moving at higher velocities.

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.Higher speeds also result in more turbulent flows, which in turn result in better convective heat transfer. The main purpose of the turning bars is to reduce the speed of the product in order to reduce the wear of the sections. Thus, according to the invention, an increased number of cooling fins in the areas is preferred B, B' and B" of the sections, on the one hand to take advantage of the flow in terms of heat transfer, but also to reduce the speed of the product to the extent that wear is kept low. Nevertheless, according to the invention, cooling ribs are also attached in areas A, A' and A", since the heat transfer through the ribs is also significantly improved at the lower speeds of the product.

Durch den berechneten Temperaturverlauf lassen sich zu den Wärmeübergangskoeffizienten die Positionen innerhalb des Kühlers bestimmen.The calculated temperature profile can be used to determine the positions within the cooler for the heat transfer coefficients.

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 [W] Wärmestrom ohne Kühlrippe [W] 817 225,67 1268,3 245,8 600 200,46 872,1 160,1 280 156,95 337,9 55,9 Simulations whose boundary conditions are identical except for the heat transfer coefficients are carried out once with and once without cooling fins. The efficiency in the different areas of the cooler can be determined by forming the quotients between the heat flow with cooling fins and the heat flow without cooling fins. The results of the simulation are shown in Table 8. Table 8: Ratio of heat flows with different heat transfer coefficients with and without cooling fins Temperature T [°C] Heat transfer coefficient α [W/(mK)] Heat flow with cooling fin [W] Heat flow without cooling fins [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 = Q ˙ Rippe 1 Q ˙ 1 = 1268,3 245,8 = 5,2

Figure imgb0005
X 2 = Q ˙ Rippe 2 Q ˙ 2 = 872,1 160,1 = 5,4
Figure imgb0006
X 3 = Q ˙ Rippe 3 Q ˙ 3 = 337,9 55,9 = 6,0
Figure imgb0007
The ratios between the heat flows with and without cooling fins result in: X 1 = Q ˙ rib 1 Q ˙ 1 = 1268.3 245.8 = 5.2
Figure imgb0005
X 2 = Q ˙ rib 2 Q ˙ 2 = 872.1 160.1 = 5.4
Figure imgb0006
X 3 = Q ˙ rib 3 Q ˙ 3 = 337.9 55.9 = 6.0
Figure imgb0007

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.As the conditions show, the additional gain in transferred heat flow can be clearly seen in all areas of the cooler. With decreasing temperature and thus decreasing heat transfer coefficient, the ratio of the heat flow between finned and non-finned surface increases by a further 15%. However, since the conditions are all in a similar area, the distribution of the ribs over the length of the cooler should be even. An even distribution of the cooling fins means that assembly can be kept simple. This benefit outweighs the small benefit of the increased heat flow ratio in the lower temperature region.

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.According to the invention, the preferred number of cooling fins to be introduced is also determined. Here, both the heat flows from the contact surface to the cooling rib, but also the heat flows from the base plate surrounding the rib, are included. The geometry of rectangular strips, for example with the dimensions 9.9 m × 0.01 m × 0.03 m, and the tube ribs used are considered. In order to comply with the minimum distance between two tube fins of a = 18 mm, the maximum number of fins per section is limited to 917 per meter of cooler. With this number of fins, a heat flux twice that of the prior art is achieved.

Der Wärmestrom bei 971 Rohrrippen bei einer Länge des Kühlers von L = 1 m beträgt pro Sektion = 126.182 W. Bei 16 Wendeleisten die nicht durchgehend verschweißt sind, wird unter identischen Bedingungen ein Wärmestrom von = 63.146 W erzielt.The heat flow at 971 tube ribs with a length of the cooler of L = 1 m is = 126,182 W per section. With 16 turning strips that are not continuously welded, a heat flow of = 63,146 W is achieved under identical conditions.

Es lässt sich eine Gleichung aufstellen, die den Wärmestrom in Abhängigkeit der Anzahl an Rohrippen bestimmt: Q ˙ = 46.287 W + x Rippen × 82,23 W

Figure imgb0008
An equation can be set up that determines the heat flow as a function of the number of tube fins: Q ˙ = 46,287 W + x ribs × 82.23 W
Figure imgb0008

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 Lneu 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 The heat flow of the rectangular fins is already achieved from a number of 205 tube fins. Table 9: Radiator data at 500 tube fins compared to a conventional rectangular fin radiator number of ribs 500 increase in heat flow 38.41% Length ratio L new to L 0.722 Net length of cooling chamber new [m] 7,080 Change in weight without internals due to the new net length of the cooler [kg] -8,484 Total weight of ribs [kg] 3,274 Weight difference to built-in turning bars [kg] 24.5 Total weight difference [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.With the number of 500 ribs, these achieve almost the same weight as 16 of the built-in rectangular turning strips, based on one meter. By increasing the heat flow by approx. 38%, the sectional cooler can be significantly shortened. With a net length of the cooling chamber of L = 9.8 m, 2.7 m can already be saved, resulting in a new net length of the cooling chamber of L = 7.1 m. Considering the weight of the cooling fins, around 8.5 tons of material can be saved.

Gemäß einer Ausführungsform ergibt sich eine Geometrie der Rippen in einer Sektion 9 eines erfindungsgemäßen Sektionalkühlers 8, wie sie in Fig. 9 dargestellt ist.According to one embodiment, the geometry of the ribs in a section 9 of a sectional cooler 8 according to the invention is as shown in 9 is shown.

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.Taking into account the knowledge gained regarding the geometry of ribs 10, the different zones A, A', A"; B, B', B" and the number of ribs 10, the following rough draft has been created. As in 11 As can be seen, there are significantly more ribs 10 in the elongated zones B, B', B" of the sections 9 than in the three corners A, A', A". This is due to the different speeds of the bulk material. In the elongated zones B, B', B" the speed is higher, which is why there is an increased heat transfer in these areas takes place, which can be further improved by an increased number of cooling fins 10. In addition, the speed of the particles in the vicinity of the wall of the section must be reduced in order to keep the wear on section 9 low. The section 9 shown contains about 500 ribs 10 over a length of one 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 LK 9,9 7,18 m Anzahl beschaufelte Wände nWs 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 figure 12 shows the top view of the tube ribs 10 in one of the zones of higher particle velocity. Due to the offset of the ribs 10 between the rows of ribs 11, 12, the fine-grained zinc oxide constantly flows against them. On the one hand, this reduces the speed of the zinc oxide, but on the other hand, the deflection of the grains creates a turbulent flow, which improves the convective heat transfer. the inside 12 The arrow shown indicates the direction of flow. An example of what the flow around one of the ribs 10 might look like is in 13 shown. Immediately in front of the rib, the particles are deflected outwards. Several turbulences arise behind the rib, which are characteristic of turbulent flows. It also shows that particles with lower speed are directly behind the rib. With this distribution of the ribs 10, there is no cast shadow behind the ribs 10. The zinc oxide is in contact with the rib 10 all around. According to the invention, conveyor blades are also provided within the sections. In order to achieve a dwell time of the particles of, for example, t = 5.32 minutes in the respective section of the cooler, the conveying blades must also be adapted. This can be achieved by reducing the number of blades, one less bladed wall and adjusting the axial offset of the blades. Table 10: Adjustment and comparison of the residence time of the particles according to the invention (New) versus the prior art (Old) Surname Old New Length of cooling chamber LK 9.9 7:18 m number of bladed walls n Ws 3 2 - pumping efficiency n 0.3 0.3 - Number of blades per wall ns 15 11 - Offset blades axial ss 0.22 0.18 m number of revolutions 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.These adjustments result in a feed of s = 0.47 m and consequently a dwell time of t = 5.49 min. This differs only slightly from the previous dwell time. The installed ribs 10 can serve as attachment points for welding the conveyor blades. Since there is no blading on one wall of the cooler, the assembly work is reduced in this area.

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.The selected and optimized geometry in combination with the selected material, the structural steel S355JR and the joining through the special modification of stud welding improve the heat transfer in a sectional cooler significantly compared to designs known from the prior art.

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.The selected joining process, MARC welding, is characterized by very short welding times, so that the many ribs can be welded in the shortest possible time. These short welding times are associated with lower thermal loads than with other fusion welding processes. This is also reflected in the low distortion of the sections and low residual welding stresses in the heat-affected zone. Another advantage is the easy handling of the welding gun, so that even less trained personnel can carry out the welding; however, the welding can also be automated by a welding robot. through the The small dimensions of the welding gun also ensure accessibility to the sections.

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.For example, the diameter of the ribs is 10 d = 30 mm. However, looking at the results in Table 6, it can be seen that the larger the diameter, the better the results.

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.The mechanical properties of the material exceed those of the base material in the area of the joining zone. In combination with the material selected for the ribs 10, this results in a high resistance to the predominant proportionate abrasion in the area in which the product hits the ribs 10. The hardness of S355JR mild steel exceeds that of the section by almost 40%. Due to the low weight of the selected geometry, the additional costs due to the higher-quality structural steel are negligible. With regard to the thermal conductivities, the walls of the section 8 and the ribs have at least substantially equal values. Due to the same thermal expansion coefficients, there are no stresses caused by different degrees of expansion of the components in the case of temperature differences. The problem of thermal fatigue also does not apply due to the same thermal conductivity of the two materials, since no signs of fatigue of this type have occurred in previous coolers with turning strips made of S235JR.

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.Since both materials are construction steel or low-alloy steels, they can be welded very well. In addition, no post-treatment of the joining zone is necessary. The fins 10 are easily made by cutting through tubes. Another advantage is that the selected steel is a very common steel.

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.The geometry of the rib convinces with a very good result even without optimization. The values exceed those of the optimized rectangular rib. Optimization achieves even better results. The geometry is characterized by a large heat exchange surface with a low weight. The optimum length of the rib 10 for the cooler under consideration is I=36 mm. This value is approx. 10 mm below the value of the optimal one rectangular corner rib. Material and weight can thus also be saved as a result of these properties.

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.Regardless of the number of ribs 10 to be used, they should preferably be arranged in a staggered manner. This means that the original task of the turning bars, which was to reduce wear on the sections, is fulfilled despite the new geometry. The round geometry, paired with the offset arrangement of the fins, creates a more turbulent flow, which improves heat transfer. In addition, there is no cast shadow behind the ribs. Thus, the outside of the rib is constantly in contact with the product to be cooled, which also ensures high heat transfer.

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.However, the number of cooling fins to be installed has yet to be determined. The considered value of 500 cooling fins 10 per section 8, based on a meter length, is just an example.

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.A reduction in the weight of the cooler is accompanied by further advantages. On the one hand, the torque required to set the cooler in rotation is lower. Depending on the degree of reduction in the required power of the motor, its load drops, or a cheaper motor with less power can be installed. This reduces the energy requirement of the system. In addition, the mechanical loads in the area of the pinion and the ring gear for the transmission of the motor drive to the outer wall of the rotary tube cooler are reduced. Furthermore, the loads acting on the bearings are reduced. Depending on the number of ribs, the load or dimensioning of the foundations can also be lower or designed to be smaller. The sectional coolers are used all over the world. However, the coolers are always manufactured at the same location. Thanks to their lower weight and smaller dimensions, the sectional coolers require less effort to handle during transport and installation of the cooler. The space costs of the sectional cooler, which are incurred when calculating a system, are also lower.

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.The knowledge gained about the selected combination of joining process, material and geometry of the cooling fin offers a clear advantage over the prior art thanks to the consequences mentioned.

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.Another decisive factor for improved heat transfer is that the ribs 10 must be connected to the section 9 over their entire contact surface. This ensures that the energy transferred from the product to the fins is transported to the water-cooled surface as efficiently as possible. For example, a cooler has a length of I = 10.5 m. With an outer diameter of d = 2.3 m and a weight of m = 35,000 kg, a granular substrate is cooled in 8 sections from temperatures above T = 700 °C to T = 150 °C. Based on the known data of the cooler, the temperature curve and the heat transfer coefficients can be determined at different points of the cooler.

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.Each of the eight sections of this cooler is provided with 16 turning strips, for example. Their task is to reduce the speed of the particles in order to minimize wear on the sections. Since it has been shown that more thermal energy is also transferred through the turning strips, they also serve as cooling fins. With regard to the optimization of this property, the turning bars are examined.

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.In order to ensure full-surface contact between the fin and section, but also to achieve a high heat flow, taking into account the conditions prevailing in the section cooler, it is important to determine the most suitable material in addition to the joining process.

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.The material is determined by considering seven different relevant properties. The wear mechanisms that stress the ribs are abrasion, which can be reduced by high hardness of the material, and surface distress, which is reduced by ductility. In addition to the costs and the thermal conductivity, the differences in the thermal expansion coefficients are also included in the evaluation. To the goal to improve the heat transfer, the thermal conductivity and the heat flow are also included in the evaluation.

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.The evaluation of the ten materials provides the result that the structural steel S355JR is best suited for use as the material for the cooling fins, taking into account the joining process selected afterwards. Due to a higher hardness compared to the S235JR alloy, abrasion wear is reduced. Due to the identical values of the heat conduction and the heat flow of the structural steel S355JR to the structural steel S235JR, there are no losses in the area of heat transfer. Since both materials also have the same coefficient of thermal expansion, there are no stresses in the contact area between the rib and the section due to temperature differences between the condition when the cooler is in operation and when it is not in operation.

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.In order to attach the ribs to the sections over their entire surface, two joining processes are particularly suitable, which are to be used depending on the geometry of the rib. MAG welding is used for elongated cooling fins. The cooling fins are to be provided with two chamfers and to be connected to the sections by a double HV seam over the entire surface. Stud welding is suitable for round geometries due to its very short welding times and very good mechanical properties of the joining zone. In addition, no additives are necessary. Preparation is limited to cutting the ribs to the required length and the manual skill required to operate a stud welder is minimal.

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.The other decisive factor of the cooling fin, the geometry, is also achieved by evaluating different criteria. The heat flow related to the contact area, the heat flow related to the projected area, the heat flow related to the weight of the cooling fin, and the thermal conductivity of the geometry are considered. After evaluating the various geometries, a bar rib with a hole is chosen.

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.However, since this geometry is associated with high manufacturing costs, a tubular rib is simulated, which achieves an even better result. Since open geometries cannot be joined with stud welding, a modification, MARC welding, must be used. The chosen geometry of the tube is optimized with regard to the outside and inside diameter. For reasons of cost, only standardized diameters are considered. The optimum results with an outside diameter of d = 30 mm and a wall thickness of T = 5 mm. Another series of simulations and their evaluation gives the result that the cooling fin with a length of I = 36 mm delivers the best possible result.

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.The consideration of the material flow shows that there are areas with higher and lower particle velocities. Due to the more turbulent flow and the additional task of reducing the particle speed, more ribs are to be installed in the higher speed areas than in the lower particle speed area. In addition, the ribs are to be arranged in a staggered manner. This ensures that material flows directly against each rib. Another positive effect of the selected geometry is that turbulence of the product occurs behind the rib, which further improves the heat transfer through a more turbulent flow. With the help of the heat transfer coefficients determined for the different positions under temperatures within the cooler, it can be determined that the ribs have an almost identical positive influence on the transferred heat flow along the cooler.

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.A list of the weight difference depending on the number of cooling fins used shows the possible potential of the optimized tube fins. The economic optimum can be determined from the costs due to the increasing assembly effort in relation to the material saved, the weight and the resulting further possible savings with an increasing number of cooling fins. As a result, the corresponding economic and technical design of the cooler must be carried out.

Claims (12)

  1. A rotary tube apparatus for cooling or heating flowable granular materials, with structures mounted on its walls for increasing the heat-transferring surface area as well as the thermal conduction, characterized in that the rotary tube apparatus has sections and that hollow tubes (10) are arranged in the sections.
  2. The rotary tube apparatus according to claim 1, characterized in that the hollow tubes (10) are arranged in rows extending in the longitudinal direction of the rotary tube apparatus.
  3. The rotary tube apparatus according to claim 2, characterized in that two adjacent rows of hollow tubes (10) respectively have an offset arrangement of the hollow tubes (10).
  4. The rotary tube apparatus according to one of claims 1 to 3, characterized in that the hollow tubes (10) are mounted by screws, adhesive bonding or rivets on the walls of sections (9).
  5. The rotary tube apparatus according to one of claims 1 to 3, characterized in that the hollow tubes (10) are mounted by a welding process, in particular submerged arc welding, metal inert gas welding, friction welding, stud welding or MARC welding.
  6. The rotary tube apparatus according to one of claims 1 to 5, characterized in that the hollow tubes (10) have a length of less than 10 cm.
  7. The rotary tube apparatus according to claim 6, characterized in that the hollow tubes (10) have a length of 3.6 cm.
  8. The rotary tube apparatus according to one of claims 1 to 7, characterized in that the hollow tubes (10) have a diameter of less than 5 cm.
  9. The rotary tube apparatus according to one of claims 1 to 8, characterized in that the hollow tubes (10) have a wall thickness of 1 cm or less.
  10. The rotary tube apparatus according to one of claims 1 to 9, characterized in that it is subdivided into at least three sections (9) and in that the sections have a higher density of hollow tubes (10) on the radial walls and on the peripheral wall (B, B', B") than in the corner areas (A, A', A") between the radial walls and between the radial walls on the one hand and the peripheral wall on the other.
  11. The rotary tube apparatus according to claim 10, characterized in that the sections (9) respectively have approximately 500 ribs or 500 hollow tubes (10) per metre of length of the rotary cooler.
  12. A method for operating a rotary tube apparatus according to one of claims 1 to 11, characterized in that the free-flowing solid material is fluidized on the hollow tubes (10) during rotation of the rotary tube apparatus.
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