KR20210008082A

KR20210008082A - 로터리 튜브 장치

Info

Publication number: KR20210008082A
Application number: KR1020207035707A
Authority: KR
Inventors: 니클라스 슐타이스
Original assignee: 그렌쩨바흐 베에스하 게엠베하
Priority date: 2018-05-14
Filing date: 2019-05-10
Publication date: 2021-01-20
Also published as: CA3099902A1; EP3794295A1; US20210215428A1; MX2020012246A; CL2020002937A1; JP7286901B2; EP3794295B1; EP3794295C0; ES2957358T3; PE20210532A1; US12000655B2; RU2771058C1; ZA202007283B; JP2021523339A; WO2019219233A1; AU2019268508A1

Abstract

본 발명은 열 전도를 증가시키 위해 벽에 부착된 구조를 갖는, 주입 가능한 벌크 재료를 냉각 또는 가열하기 위한 로터리 실린더 장치, 특히 주입 가능한 고체를 냉각하기 위한 섹션 냉각기(8)에 관한 것이다. 본 발명은 구조가 중공 실린더(10)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

로터리 튜브 장치

본 발명은 청구항 1의 전제부에 따라 열 전도를 증가시키기 위해 벽에 장착된 구조를 갖는, 유동성 입상 고체(flowable granular solid)를 냉각하기 위한 로터리 실린더 장치, 특히 섹션 냉각기(sectional cooler)에 관한 것이다. 로터리 실린더 장치의 목적은 유동성 입상 재료, 특히 입상 벌크 재료의 냉각 또는 가열이다. 로터리 실린더 장치는 프로세스 공학에서 연속 프로세스를 위해, 특히 섹션 냉각기 형태로 채용된다.

매우 뜨거운 제품의 냉각을 위한 여러 디바이스 및 방법이 종래 기술에 공지되어 있다. 특히, 야금, 화학 산업, 건축 재료 및 시멘트 산업 뿐만 아니라 재활용 산업과 같은 다양한 산업 분야에서, 예를 들어 소성 안료, 슬래그, 금속 산화물 및 수산화물, 시멘트 클링커, 철 스펀지, 스케일, 활성탄, 촉매, 코크스, 야금 잔류물 등과 같은 매우 뜨거운 제품의 냉각을 위해 냉각기가 요구된다. 매우 뜨거운 제품을 냉각하지 않으면, 추가 처리가 불가능한 경우가 많다. 많은 경우에, 고체에 포함된 열 에너지는 기술적으로 요구되는 냉각 프레임워크 내에서 적어도 부분적으로 복구되어야 한다.

따라서, 예를 들어 700℃내지 1,400℃의 초기 온도로부터, 예를 들어 80℃ 내지 200℃의 최종 온도로 냉각되어야 하는 그러한 입상 벌크 재료를 냉각하는 다양한 기술, 즉 디바이스 및 방법이 존재한다.

주변 공기와 냉각 대상 재료의 직접 접촉을 사용하는 냉각기의 사용에 추가하여, 공기 또는 물을 이용하여 간접적으로 작동하는 로터리 냉각기가 또한 이 작업에 사용되고 있다. "간접적으로"는, 냉각 매체, 예를 들어 물 또는 공기가 뜨거운 냉각 대상 제품과 직접 접촉하지 않고, 매체를 분리하는 장치 벽을 통해 뜨거운 제품으로부터 냉각 매체로 열 전달이 발생하는 것을 의미한다.

단일의 폐쇄 드럼 하우징 뿐만 아니라 드럼 내부의 복수의 실린더에서 고체 재료를 이송하는 그러한 냉각기와 함께 작동하는 공기를 이용하여 간접적으로 작동하는 고체 재료 냉각기는 US 1 218 873 A호, US 2 283 129 A호 및 US 2 348 446 A호에 개시되어 있다.

더욱이, 시멘트 산업에서 생산되는, 예를 들어 냉각 대상 고온 클링커와 같은 고온 입상 벌크 재료를 로터리 킬른의 출구 단부 둘레에 배치된 복수의 실린더에 도입하고 킬른 및 이에 따라 냉각 실린더를 회전시킴으로써 재료를 이송하는 것이 DE 44 06 382 C2호, DE 33 31 744 C2호, US 3 829 282 A호, US 3 920 381 A호; US 4 021 195 A호; US 4 089 634 A호 및 US 4 131 418 A호로부터 공지되어 있다. 이들 종류의 냉각기에서, 뜨거운 제품을 이송하는 냉각 실린더의 냉각은 주변 공기의 자연 대류에 의해 발생한다.

물을 이용하여 간접적으로 냉각되는 로터리 냉각기의 가장 단순한 설계에서, 로터리 실린더에는 외부로부터 물이 분사되거나; 또는 US 4 557 804 A호에 설명된 바와 같이 드럼이 수조를 통해 이동함으로써, 회전 드럼의 표면을 물에 담그고 장치 벽을 냉각하는 동시에, 드럼에 존재하는 뜨거운 제품이 차례로 냉각된 장치 벽과의 열 교환에 의해 냉각된다.

EP 0 567 467 B1호는 고정식 원주방향 재킷 내부에서 회전하고 냉각 매체, 예를 들어, 공기 또는 물이 로터리 실린더와 외부 재킷 사이에 형성된 공간에서 유동하는 로터리 실린더를 갖는 로터리 냉각기를 개시한다.

드럼 재킷이 냉각수가 유동하는 실린더 시스템에 의해 구성되는 유사한 해결책이 US 1 711 297 A호; US 4 711 297 A, EP 0 217 113 A2호 및 DE 35 34 991 A1호에 개시되어 있다. 그러한 단순한 드럼 설계는 열 교환을 위해 반드시 작은 표면을 가져야 하므로, 장치의 냉각 성능이 저하된다. US 특허 제2 362 539 A호는 원형으로 배치된 복수의 제품 이송 실린더와 함께 작동하는 냉각기를 설명하고, 실린더에는 위쪽으로부터 물이 분사되고 물은 아래의 트로프로 흘러 들어간다.

Grenzebach BSH GmbH를 통해 공지된 섹션 냉각기의 경우, 열 교환을 위한 표면적을 증가시키기 위해 회전 드럼 하우징에 복수의 챔버, 예를 들어 6개 또는 8개의 챔버, 소위 섹션이 제공되어, 챔버들 사이에 간극이 생성된다. 원통형 하우징의 단면과 관련하여, 각각의 챔버는 이에 따라 고리 또는 원형 단면의 섹터를 채운다.

챔버(섹션)에 존재하거나 이를 통해 이송되는 뜨거운 제품의 냉각을 위해, 냉각수가 섹션들 사이에서 드럼 하우징에 형성된 간극을 통해 안내된다. 냉각수의 유입 및 유출은 드럼의 제품 배출측에 있는 밀봉된 로터리 조인트 뿐만 아니라 개별 이중 실린더로/로부터의 실린더 연결부를 통해 발생한다.

그러한 섹션 냉각기는 특수한 설계를 가지고 있으며, 특히 필요한 광범위한 용접 작업으로 인해 제조에 투자되는 재료 및 작업의 측면에서 상당한 비용이 초래된다. 더욱이, 드럼 하우징은 드럼 및 챔버의 벽이 강도 때문에 두꺼운 벽으로 실현되어야 하므로 반드시 큰 중량을 갖는다. 이들 인자로 인해 장치의 전체 중량이 높아지지만, 또한 특히 효과적인 열 교환이 가능하게 된다.

섹션 냉각기는 본질적으로 보통 체인을 통해 구동되는 회전 로터로 구성된다. 고정식 하우징은 제품의 유입 및 유출을 위해 로터의 단부에 위치된다. 냉각기의 크기에 따라, 로터는 그 자체 샤프트(샤프트 냉각기)의 단부에 장착되거나 로터리 킬른의 통상적인 롤러-지탱 마운트를 갖는다. 로터의 내부는 중앙 중공 샤프트 둘레에 케이크 피스의 방식으로 배치된 복수의 섹션형 챔버로 구성된다. 이 배열은 외부 재킷에 의해 완전히 둘러싸여 있다. 이송 요소는 섹션형 챔버에 제공된다. 이송 요소는 요구 사항에 따라 삽 블레이드(shovel blade), 체인 등이 될 수 있다.

섹션 냉각기는 요구 사항에 따라 0.8 내지 4 m의 직경과 3 내지 30 m의 길이로 제조된다.

섹션 냉각기는 간접 수냉과 함께 작동한다. 냉각수는 내부 중앙 중공 샤프트를 통해 개별 섹션들 사이의 공간으로 들어가 섹션들 사이와 주변을 순환하고 외부 중앙 중공 샤프트를 통해 빠져나간다. 냉각 대상 제품은 통상적으로 제품 공급 하우징으로 직접 떨어지고 회전 운동 및 이송 요소에 의해 냉각기의 다른 단부로 운반된다. 회전을 통해, 섹션에서 제품의 영구적인 혼합 및 이에 따라 우수한 열 전달이 달성된다. 제품은 냉각 매체의 유동과 병행하거나 상반된 유동으로 이송될 수 있다.

섹션 냉각기는 거의 모든 유동성 입상 벌크 재료의 냉각에 사용될 수 있다. 섹션 냉각기는 하소 프로세스 등에서 로터리 킬른 후방에서 흔히 볼 수 있다. 그 주 목적은 일반적으로 다른 장치(컨베이어, 밀 등)로 취급될 수 있는 정도로 제품을 냉각하는 것이다. 생산 프로세스에서 냉각 자체가 중요한 부분인 경우가 많다. 통상적인 제품은, 예를 들어 석유 코크스, 아연 칼신(zinc calcine), 소다회(soda ash), 안료 등이다. 제품의 유입 온도는 최대 1400℃에 이를 수 있다.

공기에 의해 직접 냉각되는 장치와 달리, 공기 유동에서 제품 방출에 의해 야기되는 문제는 분말 냉각시에 섹션 냉각기에서 발생하지 않는다. 견고한 설계로 인해, 더 큰 입자도 임의의 문제를 일으키지 않는다. 대응하는 밀봉부를 사용함으로써, 섹션에 불활성 공간을 생성하여 반응성 제품도 취급할 수 있다.

본 발명의 목적은 냉각 대상 재료로부터 냉각 매체로의 최적화된 열 전달을 달성하도록 전술한 유형의 로터리 실린더 장치, 특히 섹션 냉각기를 개선하는 것이다.

이 목적은 청구항 1에 나타낸 본 발명에 따라 달성된다.

추가의 유리한 실시예는 특히 도면과 함께 종속 청구항 및 설명에 나타낸다.

본 발명은 유동성 입상 재료의 냉각 또는 가열에 사용되는 임의의 로터리 실린더 장치에 관한 것이다. 다음에서는 그러한 로터리 실린더 장치의 일례로서 로터리 냉각기 및 그 냉각 기능을 참조한다; 그럼에도 불구하고, 본 발명은 그러한 로터리 냉각기에 도입되는 임의의 주입 가능한 입상 재료와 함께 사용하도록 제공된다. 중공 실린더는 바람직하게는 로터리 실린더 장치의 길이방향으로 연장되는 열로 배치된다.

유리하게는, 2개의 인접한 열의 중공 실린더는 각각 중공 실린더의 오프셋 배열을 갖는다.

중공 실린더는, 예를 들어 나사, 접착제 접합 또는 리벳에 의해 섹션의 벽 상에 장착될 수 있다.

예를 들어, 용접 방법, 특히 서브머지드 아크 용접, 금속 불활성 가스 용접, 마찰 용접 또는 스터드 용접이 또한 적합하다. 중공 실린더에 특히 적응되고 이에 따라 특히 적합한 방법은 MARC 용접이다.

중공 실린더의 길이는 10 cm 미만, 특히 5 cm 미만이다. 중공 실린더의 길이는 특히 바람직하게는 3.6 cm이다.

중공 실린더는 유리하게는 5 cm 미만, 특히 3.0 cm의 직경을 갖는다.

또한, 중공 실린더가 1 cm 이하, 특히 0.5 cm의 벽 두께를 갖는 것이 유리한 것으로 입증되었다.

로터리 냉각기는 바람직하게는, 반경방향 벽들 사이에 그리고 한편으로는 반경방향 벽과 다른 한편으로는 주변 벽 사이의 코너 영역보다는 반경방향 벽 및 주변 벽 상에 더 높은 밀도의 중공 실린더를 갖는 복수의 섹션을 갖는다.

유리하게는, 섹션은 로터리 냉각기의 길이의 미터당 약 500개의 리브 또는 500개의 중공 실린더를 각각 갖는 것이 제공된다.

본 발명은 또한 이전에 설명된 바와 같이 로터리 실린더 장치, 특히 로터리 냉각기를 작동시키는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 고체 재료가 난류에서 중공 실린더 둘레를 이동하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 도면의 도움으로 실시예에서 아래에 보다 상세하게 설명된다. 도면에서:
도 1은 구성요소, 예를 들어 로터리 실린더 장치의 마모(수직축)를, 구성요소의 재료의 경도 대 마모체, 예를 들어 산화 아연의 경도의 비율(수평축)의 함수로서 도시하고,
도 2는 구성요소, 예를 들어 로터리 실린더 장치의 마모(수직축)를, 구성요소의 재료의 경도 대 로터리 실린더 장치에 사용하기에 적합한 다양한 재료에 대한 산화 아연의 경도의 비율(수평축)의 함수로서 도시하며,
도 3은 로터리 실린더 장치에 사용하기에 적합한 다양한 재료에 대해, 특히 냉각 리브와 같은 냉각 기능을 수행하는 구성요소에 대해, [%]로 측정된 파단 연신율(수평축)의 함수로서, 브리넬 경도 [HBW](수직축)를 도시하고,
도 4는 다양한 재료의 [W/(m K)]로 측정된 열 전도율 λ(수직축)을, 이들 재료의 열팽창 계수와 로터리 실린더 장치의 섹션의 벽에 사용된 구조용 강철 lS235JR의 열팽창 계수 α [10^-6 K^-1] 사이의 차이(수평축)의 함수로서 도시하며,
도 5는 다양한 재료에 의해 전달된 열 유동 Q[W](수직축)을, 열 전도율 λ[W/(m K)](수평축)의 함수로서 도시하고,
도 6은 다양한 재료의 열 전도율(수직축)을, 열 확산율(수평축)의 함수로서 도시하며,
도 7은 나사 및 너트에 의해 섹션의 벽에 연결된 L 형상 리브를 갖는 섹션 냉각기의 섹션의 세그먼트의 단면도를 도시하고,
도 8은 단면에 파형 리브가 있는 섹션 냉각기의 섹션의 세그먼트의 단면도를 도시하며,
도 9는 섹션 냉각기의 섹션의 벽에 장착된 중공 리브 또는 실린더 리브의 단면도를 도시하고,
도 10은 유동성 입상 재료(흑색으로 표시)가 각각 부분적으로 채워진 8개의 섹션을 갖는 개략적으로 도시된 섹션 냉각기의 단면을 도시하며,
도 11은 열의 형태로 배치된 도 9에 따른 중공 리브가 장착된, 도 10에 따른 섹션 냉각기의 섹터의 등각 단면도를 도시하고,
도 12는 냉각 대상 재료가 더 높은 입자 속도를 갖는 구역 중 하나의 영역에서 섹션 냉각기의 섹터의 내부 벽 상에 열의 형상으로 배치된 실린더 리브의 평면도를 도시하며,
도 13은 냉각 대상 재료의 입자 유동에 의해 둘러싸인 실린더 리브를 도시한다.

본 발명에 따르면, 로터리 냉각기를 최적화할 때 복수의 기준이 고려된다. 재료, 결합 프로세스 및 기하형상의 최상의 가능한 조합이 결정된다. 그러나, 로터리 냉각기, 특히 섹션 냉각기의 열 전달의 최적화는 주로 냉각 리브의 구현 및 최적화를 통해 개선된다.

냉각 대상 기재는, 예를 들어 잠재적으로 950℃에 이르는 고온에서 로터리 냉각기, 예를 들어 섹션 냉각기에 도입된다. 냉각 유체, 예를 들어 물에 의한 섹션의 연속 냉각에 의해, 섹션의 온도가 저하된다. 그 기하형상에 따라, 제품의 입구 영역에서 섹션의 냉각 리브는 여전히, 예를 들어 550℃의 온도에 이를 수 있다. 그러나, 리브에 가해지는 기계적 응력은 낮다. 이 기계적 응력은 제품과의 접촉에 의해 유발되는 응력으로 제한된다. 리브는 섹션 냉각기의 내부에서 임의의 지지 또는 보강의 역할을 하지 않는다. 따라서, 작업 한계가 550℃ 미만인 재료가 또한 고려될 수 있다. 발생되는 주요 응력은 냉각 또는 가열 대상 기재, 예를 들어 분말 형태의 산화 아연에 의해 유발되는 내마모성이다. 섹션 냉각기 내부의 분위기 조성에 따라, 고온 부식 과정이 발생할 수도 있다.

발생하는 온도를 고려하여, 재료 선택은 금속 및 그 합금 뿐만 아니라 세라믹 재료로 제한된다. 내식성에 관한 우수한 특성에도 불구하고, 세라믹 재료는 열 전도율이 열악하다. 더욱이, 그 취성 거동은 중요하게 고려되어야 한다. 결과적으로, 금속 합금이 그러한 재료 선택에서 선호된다. 선택 가능한 재료는 표 1에 몇 가지 특성과 함께 나타낸다. 그 선택으로부터, 선택 과정에서 각기 상이한 범주의 재료가 포함되었음이 명백하다. 예를 들어, 모든 장착 구성요소를 갖는 섹션 냉각기는 주로 재료 식별 번호가 1.0038인 구조용 강철 S235JR로 구성된다. 그러나, 예를 들어 알루미늄 또는 마그네슘의 다른 합금 뿐만 아니라 상이한 강철 유형이 또한 적합하다.

표 1은 재료를 나타낸다.

사용될 재료의 선택은 복수의 기준에 기초하여 수행된다. 냉각 리브의 주요 응력은 산화 아연에 의해 유발되는 마모이므로, 이 마모를 최소로 유지해야 한다. 여기서 발생하는 마모의 유형은 활주 마모와 충격 마모이다. 마멸과 표면 파괴의 메커니즘으로 구성된 이들 2개의 유형에 대한 높은 저항은 높은 경도와 연성의 조합으로 실현될 수 있다. 마멸 메커니즘은 재료의 높은 경도에 의해 상쇄될 수 있다.

구성요소의 경도 대 마모체의 경도의 비율에 의해 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 마멸에 의한 마모는 3개의 구역으로 분할된다. 비율이 0.6 미만인 구역에서는, 구성요소의 경도가 낮기 때문에 가장 큰 마모가 발생한다. 2개의 구성요소의 경도 비율이 0.6 내지 1.2인 영역에서는, 높은 수준의 마모로부터 낮은 수준의 마모로의 천이가 발생한다. 1.2 값부터, 마모체가 그 낮은 경도로 인해 구성요소를 침투할 수 없기 때문에 마멸에 의한 마모가 최소로 감소된다.

산화 아연은 광물이다. 따라서, 산화 아연의 경도는 광물의 스트래치 내성을 기초로 하는 모스 경도계로 측정된다. 그 값은 약 4이다. 브리넬 경도 값을 기계 공학에서 통상적인 값으로 정확하게 변환하는 것은 불가능하지만, 산화 아연의 브리넬 경도에 대한 표준 값은 약 180 HBW(HBW = Haerte Brinell Wolframkarbid(경도 브리넬 텅스텐 카바이드))로 고려된다. 산화 아연의 경도에 대해 고려중인 재료의 경도의 비율을 형성하고 도 1에 표시된 그래프에 그 비율을 플롯하면, 다음의 그림이 나타난다: Q&T 강철 25CrMo4는 낮은 수준의 마모에서 발견되는 유일한 재료이다. 마그네슘 합금, 순수 니켈 및 탄소강은 마멸에 의한 최대 마모 범위에서 발견된다. 다른 모든 재료는 천이 범위에 위치된다(도 2).

마멸 메커니즘에 추가하여, 표면 파괴가 또한 중요하기 때문에, 재료는 또한 그러한 파괴에 대한 내마모성과 관련하여 평가된다. 파단 연신율은 이 저항에 대한 측정 가능한 변수로서 사용될 수 있다. 이 값은 크기에 비례하여 표면 파괴를 상쇄하는 재료의 연성을 반영한다. 도 3은 파단 연신율에 관하여 경도의 재료 특성을 도시하는데, 마모가 이들 2개의 특성의 조합에 따라 달라지기 때문이다.

따라서, 그래프의 우측 상부 영역에 위치된 재료는 경도와 파단 연신율의 조합으로 인해 로터리 냉각기에 사용하기에 바람직하다. 니켈과 같이 우측 하부 영역에서 발견되는 재료는 표면 파괴와 관련하여 내마모성이 우수하지만, 경도가 낮기 때문에 마멸에 취약하다. 알루미늄과 마그네슘의 2개의 합금은 2개의 메커니즘 중 하나에 대해 특히 우수한 저항을 나타내지 않는다. 그러나, 마멸의 비율이 표면 파괴의 비율보다 크다는 점을 고려해야 한다. 이는 산화 아연의 0 mm 내지 6 mm의 작은 입자 직경 때문이다. 그에 따라 도 3에서 고려되지 않은 가중치 인자를 적용해야 한다. 마멸 대 표면 파괴의 비율은, 예를 들어 2/3 내지 1/3로 정의된다.

본 발명에 따라 개선되는 것은 주로 섹션 냉각기의 열 전달이기 때문에, 개별 재료의 열 전도율이 주로 고려된다. 기하형상에 관계 없이, 증가된 열 유동은 열 전도율이 더 높은 특히 적합한 재료의 사용을 통해 달성될 수 있다. 그러나, 실행 가능한 재료의 수는 결합 프로세스의 함수로서 제한될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 더욱이, 열팽창 계수를 고려해야 한다. 섹션이 약 12×10^-6K^-1의 계수를 갖는 구조용 강철로 제조된 경우, 냉각 리브가 다른 재료로 제조될 때 응력이 발생할 수 있다. 결합 프로세스 중에 섹션과 냉각 리브는 실온에 있다. 냉각기가 시동되면, 그 온도가 상승하고 구성요소가 팽창한다. 재료들이 상이한 열팽창 계수를 가지면, 그에 따라 상이한 정도로 팽창한다. 이 팽창 차이의 결과로서, 조인트 구역의 영역에서 응력이 발생한다. 온도 및 열팽창 계수들 사이의 차이에 따라, 그러한 응력은 더 크거나 작을 수 있다. 결합 프로세스에 따라, 임계 응력이 초과되는 것이 가능하다. 도 4에서, 열 전도율은 고려중인 냉각 리브 재료의 열팽창 계수와 섹션에 사용된 구조용 강철 lS235JR 사이의 차이와 관하여 플롯된다.

알루미늄 합금은 열 전도율이 가장 높지만 구조용 강철의 열팽창 계수와는 상당한 차이가 있다. 알루미늄 합금과 비교하여 열 전도율이 훨씬 낮은 마그네슘 합금과 함께, 조인트 구역의 영역에서 가장 큰 응력이 예상된다. 다른 모든 재료는 그 열팽창 계수 및 열 전도율과 관련하여 유사한 범위에 있으며, 스테인리스 페라이트강 X6CrMoS17은 열 전도율이 가장 낮다.

단순히 다양한 재료를 사용하여 동일한 조건에서 전달된 열 유동을 비교하면 열 전도율의 함수로서 도 5에 나타낸 열 유동이 생성된다. 제곱근 함수와 유사한 곡선이 도시되어 있다. 열 전도율 값이 낮으면, 열 유동이 급격히 증가한다. 열 전도율이 증가하면, 열 유동이 계속 증가한다; 그러나, 곡선의 기울기는 크게 감소한다. 따라서, X6CrMoS17의 열 유동은 S235JR의 열 유동보다 약 20% 낮지만, 열 전도율은 후자보다 50% 이상 낮다. 알루미늄 합금의 열 전도율은 구조용 강철의 값을 200% 이상 초과한다. 그러나, 열 유동의 이득은 단지 20%이다. 따라서, 곡선은 최대 열 유동에 접근한다.

도 5는 열 전도율의 함수로서 전달된 열 유동을 도시한다. 추가 평가 기준은 설명된 열 피로에 관한 열 확산율이다. 섹션 냉각기는 적은 수의 작동 사이클을 갖지만, 유지 보수 및 수리를 위해서만 종료되고, 열 확산율이 너무 낮으면 냉각 리브의 열 피로가 여전히 발생할 수 있다. 구성요소의 균열과 피로의 발현을 방지하기 위해 재료 뿐만 아니라 기하형상의 더 높은 열 확산율이 바람직하다.

도 6은 열 확산율에 관하여 재료의 열 전도율을 그래프로 도시한다. 열적 특성과 관련하여, 알루미늄 합금은 높은 열 전도율과 확산율에 의해 다시 한번 최상의 결과를 달성한다. 열 확산율은 열 전도율, 밀도 및 비열 용량(specific heat capacity)의 복합이기 때문에, 밀도가 낮고 열 전도율이 높은 알루미늄 합금이 열 확산율이 높은 이유가 명백해진다. 마그네슘 합금은 또한 높은 열 확산율을 갖는다. 열 확산율과 관련하여, 합금 X6CrMoS17은 최악의 특성을 갖는다. 나머지 재료는 공지된 열 전도율의 차이와 함께 거의 동일한 열 확산율을 갖는다.

가장 적합한 재료를 식별하기 위해, 경도, 파단 연신율, 열 전도율, 팽창 계수, 열 확산율, 열 유동 및 비용과 같은 전술한 인자 또는 평가 기준이 평가된다. 개별 평가 기준에는, 예를 들어 그 중요도에 따라 가중치 인자가 제공된다(표 2 참조).

표 2: 평가 기준의 가중치 인자

열 전도율에 추가하여, 전달된 열 유동은 동일한 가중치 인자로 평가에서 고려되는데, 열 유동에 결정적이지만, 열 전도율이 선형 진행을 나타내지 않는 것으로 판명되었기 때문이다. 따라서, 결정된 열 유동의 목적은 그러한 비선형성을 보상하기 위해 추가 인자로 작용하는 것이다. 재료의 마모 또는 피로에 관한 기준이 또한 큰 영향을 미친다.

평가는 평가 기준의 가장 높은 값에 각각 값 1을 제공하여 수행된다. 값 0은 각각 하한을 구성한다. 높은 값과 낮은 값 사이에 선형 진행이 형성되어 나머지 값이 이들 2개의 한계 사이에 있게 된다. 결정된 값은 이후에 해당 가중치 인자에 의해 곱해진다. 이는 개별 결과를 최종적으로 합산하기 전에 상이한 평가 기준에 대해 수행된다. 따라서, 가능한 최상의 평가 합계는 값 1이다.

예: 합금 25CrMo4는 216 HBW로 가장 높은 경도를 갖는다. 따라서, 이는 값 1에 대응한다. 결과적으로, 나머지 재료는 2.16 HBW 당 0.01의 평가 점수를 받는다. 따라서, 경도가 123 HBW인 구조용 강철 S235JR의 값은 0.57이다. 가중치 인자를 곱하면, 0.3 및 0.171 값이 생성된다.

전체 평가는 표 3에 나타낸다. 최상의 결과는 전체 점수가 0.8032인 Q&T 강철 25CrMo4에 의해 획득된다. 점수가 0.7972인 구조용 강철 S355JR이 그 뒤를 따른다. 이들 2개의 재료가 유사하게 양호한 결과를 얻었으므로, 재료 선택에 관한 최종 결정은 사용된 결합 프로세스에 기초하여 이루어진다.

Q&T 강철은, 용접의 경우에, 용접에 의해 유발되는 열 영향 구역 내부의 응력을 감소시키기 위해 최소 응력 하에 680℃ 내지 720℃의 고온으로 수 시간에 걸쳐 어닐링해야 한다는 큰 단점을 갖는다. 섹션 냉각기의 큰 구성요소를 고려할 때, 이는 시간 측면의 투자에 추가하여 상당한 기술 지출을 의미한다. 쉽게 용접 가능한 구조용 강철 S355JR은 그러한 시간- 및 비용-집약적인 후속 처리를 필요로 하지 않는다. 결과적으로, Q&T 강철 25CrMo4는, 취급 용이성 측면에서 구조용 강철의 이점이 우세한, 용접을 제외한 모든 결합 프로세스의 경우에 바람직하다.

섹션 냉각기의 섹션에 리브가 부착되는 방식은 서비스 수명 및 전달된 열 유동에 결정적인 영향을 미친다. 다음에서는, 개별 결합 프로세스의 장단점을 설명하고 각각 다른 방법과 비교한다.

접착제 접합의 큰 이점은 우수한 전처리로 모든 금속에 대해 균일한 결과를 얻을 수 있다는 것이다. 따라서, 다양한 재료 조합이 가능하다. 그러나, 사용되는 접착제의 유형에 따라 다른 인자를 고려해야 한다.

구조용 접착제는 최대 30 MPa의 하중을 흡수할 수 있다. 이는 다른 결합 프로세스보다 몇 배나 낮다. 그러나, 그러한 하중을 견딜 수 있도록 하려면 매우 힘든 작업편의 전처리가 필요한데, 그 이유는 접합부의 품질에 중요한 표면의 양호한 습윤을 보장하는 유일한 방식이기 때문이다. 접착제의 균일하고 얇은 층 두께도 중요하기 때문에, 섹션과 냉각 리브 모두가 높은 공차 요건을 충족해야 한다. 접착제의 낮은 열 전도율에도 불구하고, 열 유동은 낮은 층 두께로 인해 단지 미세하게만 변경된다.

시간-집약적인 건조 프로세스 중에 접착제에 균일한 압력을 가해야 한다는 점을 추가로 고려해야 한다. 더욱이, 섹션은 건조 프로세스 중에 완전히 가열되어야 한다. 이를 위해서는 많은 양의 에너지 뿐만 아니라 큰 기술 지출이 필요하다. 작동 온도가 1000℃ 초과인 접착제가 있지만, 이들은 모두 시효 프로세스를 받는다. 또한, 고온에서 연면 거리(creepage)가 발생할 위험이 있어, 섹션 냉각기의 서비스 수명을 크게 단축시킬 수 있다.

탄성 접착제의 경우, 층 두께가 커지므로 구성요소의 공차 요건이 낮아진다. 그러나, 전달된 열 유동은 결과적으로 급격히 가라앉는다. 더욱이, 견딜 수 있는 하중은 구조용 접착제의 경우보다 낮다. 동일한 힘을 흡수하기 위해서는, 더 큰 접촉 표면이 이에 따라 요구된다.

접착제 연결보다 훨씬 더 유리한 것은 다양한 재료를 또한 서로 연결할 수 있는 나사식 연결이다. 이들 연결은 물질적으로 접합된 유형이 아니라 힘으로 로킹된 종류이기 때문에, 열이 열 전도를 통해 전달되도록 리브 표면과 섹션 사이의 완전한 접촉을 확립하기 위해 높은 수준의 기하학적 정밀도가 또한 관찰되어야 한다. 섹션과 리브 사이의 공동은 2개의 구성요소 사이에 자연 대류를 초래한다. 이는 전달된 열 유동을 상당히 감소시킬 것이다.

접착제 연결과 달리, 나사식 연결은 나사 및 너트와 같은 사용된 구성요소를 조절하여 훨씬 더 높은 하중을 견딜 수 있다. 그러나, 나사가 관통 안내되는 복수의 구멍이 섹션에 드릴링되어야 한다. 섹션의 강도는 상기 구멍에 의해 감소된다. 더욱이, 이 영역은 밀봉되어야 한다. 이는 추가 구성요소의 사용을 필요로 한다.

구멍에 의해 섹션이 약해지는 것 외에도, 나사 헤드와 너트 사이의 클램핑력이 섹션에 응력을 생성하여 작동 중에 발생하는 응력을 합성시킨다.

섹션 냉각기의 섹션(1)(도 7)에서, 리브(2)는 L 형상(L 형상 리브)을 가지며 나사(3) 및 너트(4)를 통해 섹션(1)의 벽(5)에 연결된다. 이 방식으로, 리브(2)는 나사(3)의 나사 헤드를 위한 접촉 표면을 형성한다. 나사(3)를 사용함으로써, 리브(2)는 비파괴적인 방식으로 교체될 수 있다.

나사식 연결을 사용하는 대신에, 리벳식 연결을 사용할 수도 있다.

압입 연결 방법은 적어도 영역에서 섹션의 벽을 통해 푸시되는 리브의 사용을 필요로 한다.

삽입 후, 섹션의 벽과 해당 리브는 추가로 접착되거나 용접될 수 있다.

리브와 벽 사이의 연결을 생성하는 또 다른 방법은 용접에 의한 결합이며, 이는 2개의 범주로 세분된다. 서브머지드 아크 용접과 금속 불활성 가스 용접은 물론, 마찰 용접과 스터드 용접이 모두 사용된다.

서브머지드 아크 용접은 분말이 용접 구역에 느슨하게 놓이기 때문에 모든 용접 위치에 적합하지 않다. 결과적으로, 경사가 작은 용접 위치만 실현될 수 있다. 섹션 냉각기의 모든 섹션은 2개의 결합된 부품으로 구성된다. 이들은 캐치 스트립(catch strip)과 이송 블레이드를 설치한 후 함께 용접된다.

서브머지드 아크 용접과 비교하여, 자동화되고 및/또는 수동으로 수행될 수 있는 MIG 용접(MIG 금속 불활성 가스 용접)의 용접 토치는 치수가 훨씬 더 작다. 리브를 섹션에 용접하는 데에 필요한 준비물은 접합, 나사 체결 또는 리벳팅에 필요한 준비물보다 적다. 추가 충전 재료를 도입함으로써 부정확성을 보상할 수 있다. 열 유동과 관련하여, 리브에는 완전한 표면 접촉을 보장할 수 있도록 베벨이 제공되어야 한다. 용접부 내에서, 재료는 기본 재료와 거의 동일한 열 전도율을 갖는다. 리브와 섹션 사이에 완전한 표면 접촉이 있는 용접부에 의해, 2개의 구성요소 사이의 전달된 열 유동과 관련하여 매우 양호한 결과가 달성될 수 있다.

용접 중에 높은 열 응력에 의해 유발되는 구조에 미치는 영향에도 불구하고, 견딜 수 있는 하중은, 용접 프로세스에 내재된 응력에도 불구하고, 구조용 접착제에 의한 접합 또는 압입 연결의 결합과 비교하여 상당히 높다. 또한, 나사식 또는 리벳식 연결이 있는 경우보다 추가 접촉 표면적이 필요하지 않다. 리브가 용접부에 의해 완전히 경계를 이루기 때문에, 리브의 길이를 감소시키는 것만으로 충분하다. 따라서, 하나의 긴 리브 대신에, 3 내지 4개의 짧은 리브가 섹션을 따라 장착된다; 이는 또한 불연속 리브라고 명명될 수 있다. 이는 왜곡과 응력을 감소시킨다. 구조용 강철 S355JR이 쉽게 용접 가능하기 때문에, 용접부의 후속 처리가 필요하지 않으며, 장착 부위에서도 동일한 방식으로 수리를 수행할 수 있다. 추가 구성요소는 용접 와이어로 제한되므로, 조립이 나사식 연결의 경우보다 불필요하게 복잡하거나 오류에 더 취약하지 않다.

다른 한편으로, 회전 대칭성 냉각 리브의 경우, 마찰 용접 또는 스터드 용접이 있다. 마찰 용접은 용접 구역의 영역에서 매우 우수한 품질을 특징으로 한다. 강도는 기본 재료의 강도보다 우수하다. 열 응력 및 결과적으로 왜곡과 고유 응력은 융합 용접 방법의 경우보다 낮다.

이는 금속 불활성 가스 용접이 냉각 리브를 결합하는 데에 바람직한 옵션임을 나타낸다.

스터드 용접은 매우 짧은 용접 시간을 특징으로 한다. 스터드 용접의 용접 시간은 마찰 용접보다 상당히 짧다. 용접 시간이 짧기 때문에, 열 응력은, 예를 들어 MIG 용접의 경우보다 낮다. 물질적으로 접합된 연결의 강도는 기본 재료의 강도보다 우수하다. 또한, 그 연결은 접착제 접합의 경우처럼 시효 프로세스를 받지 않는다.

용접 구역의 준비는 MIG 또는 서브머지드 아크 용접(submerged arc welding)(SAW)의 준비와 동일하므로 다른 고려 방법에 비해 상당히 짧다. 냉각 리브가 원형 단면을 가지면, 긴 로드를 원하는 길이로 절단하는 것으로 리브 영역의 준비에 충분하다. 섹션에는 최소의 공차로 힘들게 드릴링된 구멍이 제공될 필요가 없다. 추가 충전 재료가 요구되지 않는다; 불활성 가스에 의한 분위기로부터의 차폐만 필요하다.

스터드 용접 유닛의 용접 건은 치수가 작기 때문에 섹션의 모든 영역에서 리브를 쉽게 장착할 수 있다. 더욱이, 용접 건의 용이한 취급으로 인해 필요한 수동 기술 수준이 매우 낮다.

그러나, 냉각 리브의 최대 용접 가능한 직경은 30 mm로 제한된다는 점에 유의해야 한다. 완전한 표면 접촉 및 이에 따라 최상의 가능한 열 전달을 달성하기 위해서는 버블링도 고려해야 한다.

외경이 30 mm로 제한됨에도 불구하고, 스터드 용접은 용접 건의 용이한 취급과 매우 짧은 용접 시간과 조합하여 조인트 구역의 우수한 기계적 특성의 관점에서 최상의 절충안을 제공한다. 따라서, 스터드 용접이 냉각 리브의 원형 기하형상에 대해 구현되어야 한다.

따라서, 냉각 리브는 그 기하형상에 관계 없이 섹션에 용접된다. 그러므로, 구조용 강철 S355JR은 쉽게 용접할 수 있고 임의의 후속 처리가 필요하지 않기 때문에 Q&T 강철 25CrMo4보다 선호된다. 구조용 강철 S355JR은 저합금 구조용 강철이기 때문에, 불활성 가스보다 가격이 저렴하므로 활성 가스를 보호 가스로 사용하는 것이 권장된다.

본 발명에 따르면, 특히 열 유동과 관련하여 복수의 기준을 충족하는 냉각 리브의 기하형상이 또한 제공된다.

냉각 리브와 섹션 사이의 접촉 표면에 관하여 열 유동의 목적은 1 mm²당 열 유동을 결정하는 것이다. 이 방식으로, 리브의 크기 또는 단면과의 그 접촉 표면에 관계 없이 다양한 기하형상의 효율성을 추정될 수 있다. 예를 들어, 블레이드 형상의 리브와 같은 일부 리브는 접촉 표면보다 섹션의 훨씬 더 큰 영역을 차지하므로, 이는 돌출된 표면적, 즉 리브의 윤곽으로 덮힌 표면적에 의해 고려된다.

가능한 수량은 돌출된 표면적에 따라 크게 달라지므로, 설치될 리브의 수량과 관련하여 이 점을 고려해야 한다. 결과적으로, 돌출된 표면적에 관한 열 유동이 또한 조사된다. 표면적에 추가로, 리브의 중량도 평가에서 고려된다. 냉각 리브의 중량에 관한 열 유동은 고려중인 기하형상의 효율성의 추가 기준으로 작용한다. 열 유동과 중량의 높은 지수에 의해, 자원의 더 우수한 사용이 달성되고 재료 소비 및 관련 재료 비용이 감소된다.

추가 기준으로서, 시간 t에서의 열 유동 비율(예를 들어, t = 28s)은 시뮬레이션이 종료될 때까지 정상 상태 열 유동과 비교된다. 이 비율에 의해, 기하형상의 열 확산율을 결정할 수 있다. 기하형상의 높은 열 확산율은 또한 열 피로의 위험을 방지하거나 감소시킨다.

다양한 기준의 가중치를 표 4에 나타낸다. 표면적에 관한 2개의 열 유동은 기하형상의 결정적인 기준이다. 따라서, 이들의 가중치 인자는 0.65이다. 열 유동과 리브 중량의 관계는 리브의 효율성을 나타내지만, 현재 사용중인 냉각 리브에 관한 열 유동의 일반적인 개선에 대한 결정적인 정보는 없다. 무시해서는 안되지만, 이 기준은 표면적에 관하여 열 유동보다 0.2 낮은 가중치 인자로 고려된다. 0.15의 가중치 인자의 경우, 열 확산율이 다른 인자보다 열등하다. 이는 무엇보다도 열 피로에 결정적인 상이한 시간에 열 유동의 비율이기 때문에 정당화된다.

표 4: 기하형상에 대한 평가 기준의 가중치 인자

다양한 기하형상의 평가는 재료의 예비 선택과 유사한 방식으로 발생한다. 평가 기준의 가장 높은 값에는 각각 값 1이 제공된다. 그 후, 값 0까지의 선형 그라데이션이 생성되고 나머지 기하형상에 해당 값이 제공된다. 값에 가중치 인자를 곱한 다음 함께 합산한다. 따라서, 얻을 수 있는 최대 합계는 값 1이다.

평가는 표 5에 나타낸다. 0.859 점과의 합계에서 최상의 결과는 파형 리브(6)(도 8)(표 5에서 단순히 "파형"으로 나타냄)에 속한다. 이는 그 기하형상에 의해 얻어지는 넓은 표면적 때문이다. 그러나, 세장형 리브가 MIG 용접을 통해 섹션에 부착되어야 한다는 점을 고려해야 한다. 리브와 섹션 사이의 완전한 표면 접촉을 보장하기 위해 그 윤곽으로 인해 필요한 베벨을 실현하는 것은 가능하지만, 곡률 때문에 리브(도 8)의 좌측에 용접 토치를 사용하는 것은 불가능하다. 용접성을 보장하기 위해 기하형상을 기하학적으로 변경한 결과, 점수는 0.672로 거의 0.2 점 감소된다. 그러한 리브(6)의 단면의 "반파장"만이 단면으로 도 8에 도시되어 있지만, 각각의 리브(6)는 본 발명에 따라 복수의 파봉 및 파곡을 가질 수 있음이 이해된다.

표 5는 기하형상의 평가를 나타낸다.

0.084 점의 차이에 의해 변경되지 않은 파형 리브를 따라 최적화된 직사각형 리브가 있다. 이 리브는 최적으로 계산된 높이로 인해 가능한 최상의 결과를 이미 갖고 있지만, 다른 기하형상이 추가 변경을 통해 더 나은 결과를 달성할 잠재성을 갖고 있다. 최적화된 직사각형 리브의 우수한 결과에 대한 또 다른 이유는 낮은 인자 m×h에 의해 설명되는 기하형상의 높은 효율성이다.

차선의 결과는 원형 중공 리브(7)의 내부 반경 R_i 대 외부 반경 R_a의 비율(도 9 참조)이 2 내지 3인 오목부를 갖는 원형 기하형상에 속한다. 점수가 0.765인 경우, 최적화된 직사각형 리브 값보다 점수 0.009 만큼 후방에 있다. 각각의 리브(7)에는 중간에 구멍이 제공된다. 상당한 추가 작업 외에도, 이는 또한 도구 비용 증가와 관련이 있다.

그러나, 생산 비용이 현저히 낮고 천공된 리브의 직경이 동일한 실린더의 시뮬레이션은 이 기하형상의 잠재성을 나타낸다. 이 기하형상은

의 열 유동에서 0.787의 점수를 얻는다. 이 점수는 기하형상의 완전한 잠재성을 소모하지 않고 최적화된 직사각형 리브의 점수를 초과한다. 실린더 리브를 섹션에 부착하는 것과 관련하여, 비교적 최근에 개발된 스터드 용접의 변형인 자기 회전 아크(Magnetic Rotating Arc)(MARC) 용접이 사용될 수 있다.

자기 회전 아크 용접은 스터드 용접과 거의 동일한 특성을 가지며 주로 아크 형태가 상이하다. 자기적으로 이동된 원호가 리브와 섹션 사이에 생성된다. 원호는 2개의 구성요소의 환형 용접 풀이 형성될 수 있게 한다. 매우 짧은 용접 시간의 이점도 이 방법으로 유지된다. 용접부의 품질은 기본 재료보다 우수한 강도로 매우 우수하다. 더욱이, MARC 용접은 버블링이 발생하기 쉽지 않다.

열 유동과 관련하여 최상의 결과에 가깝게 제공하기 때문에, MARC 용접과 조합하여 실린더의 기하형상은 예시적인 실시예의 도움으로 다음에서 상세히 설명될 것이다.

냉각 리브의 실린더 형상의 기하형상은 표준화된 실린더의 예를 사용하여 다음에서 설명된다. 측정값은, 예를 들어 DIN EN 10220에 나타낸다. MARC 용접 방법이 가능한 직경은 스터드 용접과 마찬가지로, 예를 들어 약 d = 30 mm이다. 예를 들어, 가장 작은 선택된 직경은 d = 25 mm이다. 벽의 두께는 T = 6.3 mm 내지 T = 5 mm에서 달라진다.

평가는 위에서 설명한 평가와 동일한 방식으로 수행된다. 동일한 평가 기준이 동일한 가중치 인자로 사용된다. 그러나, 추가 평가 기준인 열 유동이 추가된다. 리브는 여기서 항상 실린더 리브이므로, 추가 조절 없이 이 추가가 가능하다. 열 유동은 인자 0.3으로 가중된다. 결과적으로, 얻을 수 있는 최대 합계는 점수 1.3으로 증가된다. 리브의 길이는 직경과 벽 두께에 관계 없이 L = 50 mm로 고정된다.

표 6은 직경 및 벽 두께의 최적화 평가를 나타낸다.

표 6에 나열된 평가는 벽 두께가 T = 5 mm인 기하형상이 주로 더 나은 결과를 얻는다는 것을 나타낸다. 이는 열 교환을 위한 더 큰 표면적 때문이다. 더 작은 벽 두께에도 불구하고, 실린더 리브는 그 원형 기하형상으로 인해 두께가 T = 10 mm인 비슷한 직사각형 리브와 유사한 강도를 달성한다.

직경 d = 30 mm, 벽 두께 T = 5 mm에서 최상의 결과를 얻을 수 있다. 그러한 기하형상의 고정된 특성에 기초하여, 리브의 특히 바람직한 길이가 결정된다. 리브의 길이는 L = 30 mm 내지 L = 60 mm의 범위에서 2 mm의 거리만큼 달라진다. 표면적과 돌출된 표면적이 동일하기 때문에, 평가 기준은 열 유동(가중치 인자 0.65), 중량에 관한 열 유동(가중치 인자 0.2) 및 열 확산율(가중치 인자 0.15)로 제한된다.

표 7: 길이 최적화의 평가

리브의 길이에 관한 평가 결과를 표 7에 나타낸다. 길이가 L = 36 mm이면 최대 결과가 초래된다는 것을 보여준다. 길이가 증가함에 따라, 열 유동은 증가하는 질량에 관하여 훨씬 적은 정도로 최대로 증가한다. 결과적으로 그래프의 곡선이 최대값으로부터 떨어진다. 이에 따라 길이가 L = 36 mm인 리브가 선택된다. 이는 고려된 기준의 최상의 절충안을 제공한다.

용접 프로세스에 의해 리브 길이가 약 L = 1.5 mm 정도 단축되기 때문에, 리브의 최적 길이에 이 값을 합산해야 한다. 이는 L = 37.5 mm의 길이를 초래한다.

따라서, 최적화 치수는 사용된 결합 프로세스 및 관련된 길이 감소를 고려하여 벽 두께가 T = 5 mm이고 길이가 L = 36 mm 또는 L = 37.5 mm인 실린더의 외경 d = 30 mm을 산출한다.

이미 결정되고 최적화된 리브의 기하형상 외에도, 수량과 조합하여 그 배열이 또한 전달된 열 유동에 결정적이다.

냉각될 재료, 예를 들어 산화 아연의 섹션 내부의 분포를 결정하고 따라서 동일한 섹션 내에서 리브의 분포를 정의하기 위해, 충전율 φ가 결정된다. 이는 체류 시간, 산화 아연의 체적 유동 및 섹션의 체적으로 구성된다. 충전율에 기초하여, 표면적 커버리지 비율을 결정할 수 있다. 표면적 커버리지 비율은 제품으로 덮힌 섹션의 표면적을 나타낸다. 이는 충전율에 대해 φ = 4.17%를 산출하고 표면적 커버리지 비율에 대해 λ_A = 17.61&를 산출한다. 이는 챔버(섹션)의 단면 표면적이 Q_K = 0.342 m²인 A = 0.060 m²의 표면적 커버리지에 대응한다. θ_dyn = 40°의 산화 아연의 동적 안식각(dynamic angle of repose)과 조합하여, 상이한 위치의 섹션에서 산화 아연의 분포가 결정될 수 있다.

바람직하게는 경사지게 장착되거나 대안적으로 수평으로 장착되는 섹션 냉각기(8)의 표면적 커버리지의 그래픽 결정이 단면으로 도 10에 도시되어 있다. 섹션의 각각의 영역이 유사한 시간 간격에 걸쳐 덮여 있음을 나타낸다. 따라서, 냉각 리브의 설치가 긍정적인 효과를 발생시키지 않는 영역은 없다. 산화 아연의 분포를 보다 면밀히 고려하면, 제품은 상이한 영역에서 상이한 속도를 갖는다는 점이 분명해진다. 도 10에서 A, A' 및 A"로 지정된 영역은 산화 아연이 저속으로 유동하는 구역인 반면, B, B' 및 B"영역에서는 산화 아연이 더 빠른 속도로 이동한다.

더 빠른 속도로 더 많은 난류가 발생하여, 대류 열 전달이 개선된다. 캐치 스트립의 주요 중요성은 섹션의 마모를 감소시키기 위해 제품의 속도를 감소시키는 데에 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 냉각 리브의 증가된 수량이 바람직하게는 섹션의 B, B' 및 B" 영역에 장착되어 열 전달에 대한 유동의 이점을 활용하는 동시에 제품의 속도를 마모가 최소로 유지되는 정도로 감소시킨다. 그럼에도 불구하고, 냉각 리브는 또한 본 발명에 따라 A, A' 및 A" 영역에도 설치되는데, 이는 제품의 저속에서 열 전달이 리브에 의해 상당히 개선되기 때문이다.

계산된 온도 진행에 의해, 냉각기 내의 위치가 열 전달 계수에 관하여 결정될 수 있다.

열 전달 계수를 제외하고 경계 조건이 동일한 시뮬레이션은 냉각 리브가 있는 경우에 한 번 그리고 냉각 리브가 없이 한 번 수행된다. 냉각 리브가 없는 열 유동에 관하여 냉각 리브가 있는 열 유동의 지수를 형성함으로써, 냉각기의 상이한 영역에서의 효율성이 결정될 수 있다. 시뮬레이션 결과는 표 8에 나타낸다.

표 8: 냉각 리브가 있는 경우와 없는 경우에 상이한 열 전달 계수에서 열 유동의 비율

냉각 리브가 있는 경우와 없는 경우 열 유동 사이의 결과적인 비율은 다음과 같다:

비율에서 알 수 있듯이, 전달된 열 유동의 이득은 냉각기의 모든 영역에서 관찰될 수 있다. 온도가 떨어지고 그와 함께 열 전달 계수가 떨어짐에 따라, 리브가 있는 표면과 리브가 없는 표면 사이의 열 유동의 비율은 15% 만큼 더 증가한다. 비율이 여전히 모두 비슷한 범위에 있기 때문에, 냉각기 길이에 걸쳐 리브의 분포가 균등하게 실현되어야 한다. 냉각 리브의 균일한 분포에 의해, 동일한 설치가 단순할 수 있다. 그러한 이점은 저온 영역에서 증가된 열 유동 비율의 약간의 이점보다 크다.

본 발명에 따르면, 설치될 냉각 리브의 바람직한 수량도 결정된다. 이를 위해, 냉각 리브와의 접촉 영역의 열 유동과 리브를 둘러싼 베이스 판의 열 유동이 모두 고려된다. 예를 들어, 측정값이 9.9 m x 0.01 m x 0.03 m인 직사각형 기하형상과 사용된 실린더 리브의 기하형상이 고려된다. a = 18 mm인 2개의 실린더 리브 사이의 최소 거리를 관찰하기 위해, 섹션 당 리브의 최대 수량은 냉각기 미터 당 917개로 제한된다. 이 수량의 리브로 종래 기술에 따른 열 유동의 2 배만큼 높은 열 유동이 달성된다.

971개의 실린더 리브와 L = 1 m의 냉각기 길이를 사용한 열 유동은 섹션 당

이다. 연속적으로 용접되지 않은 16개의 캐치 스트립을 사용하면, 동일한 조건에서

의 열 유동이 달성된다.

실린더 리브의 수량에 기초하여 열 유동을 결정하는 수학식이 공식화될 수 있다:

직사각형 리브의 열 유동은 이미 205개의 실린더 리브 수량으로 달성된다.

표 9: 직사각형 리브가 장착된 종래의 냉각기와 비교한 500개 실린더 리브가 있는 냉각기의 데이터

500개의 수량에서, 리브는 미터 당 16개의 장착된 직사각형 캐치 스트립과 거의 동일한 중량을 달성한다. 열 유동이 약 38% 만큼 증가한 결과로서, 섹션 냉각기의 길이를 크게 감소시킬 수 있다. L = 9.8 m의 냉각 챔버의 순 길이에 기초하여, 2.7 m을 이미 절약할 수 있으므로 L = 7.1 m의 새로운 냉각 챔버의 순 길이가 초래된다. 냉각 리브의 중량을 고려하면, 약 8.5 톤의 재료를 절약할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 이는 도 9에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 섹션 냉각기(8)의 섹션(9)에서 리브의 기하형상을 초래한다.

리브(10)의 기하형상, 상이한 구역 A, A', A"; B, B', B" 및 리브(10)의 수량에 관하여 획득한 통찰력을 고려하여, 다음의 초안 설계가 초래된다. 도 11에서 명백한 바와 같이, 훨씬 더 많은 리브(10)가 3개의 코너(A, A', A")보다 섹션(9)의 세장형 구역(B, B', B")에 위치된다. 이는 입상 벌크 재료의 속도가 상이하기 때문이다. 세장형 구역 B, B', B"에서는, 이들 영역에서 열 전달이 증가되기 때문에 속도가 더 빨라지는데, 열전달은 냉각 리브(10)의 증가된 수량에 의해 더욱 개선될 수 있다. 더욱이, 섹션(9)의 마모가 최소로 유지되는 정도로 섹션의 벽 근방에 있는 입자의 속도는 감소되어야 한다. 도시된 섹션(9)은 1 미터 길이에 걸쳐 약 500개의 리브(10)를 포함한다.

도 12는 입자 속도가 더 빠른 구역 중 하나에서 실린더 리브(10)의 평면도를 도시한다. 리브 열(11, 12) 사이에서 리브(10)를 오프셋시킴으로써, 리브는 미세한 입상 산화 아연의 유동에 의해 지속적으로 충돌된다. 결과적으로, 산화 아연의 속도가 감소되고, 입자의 편향에 의해 난류가 달성되어 대류 열 전달이 개선된다. 도 12에 표시된 화살표는 유동 방향을 나타낸다. 리브(10) 중 하나 둘레의 유동이 어떻게 보일 수 있는 지의 예가 도 13에 도시되어 있다. 입자는 리브 바로 전방에서 외향으로 편향된다. 난류의 통상적인 복수의 소용돌이가 리브 후방에 생성된다. 또한, 속도가 느린 입자는 리브 바로 후방에서 찾을 수 있는 것으로 보여진다. 그러한 리브(10)의 분포로 인해, 리브(10) 후방에 후류(slipstream)가 없다. 산화 아연은 그 주변 둘레에서 리브(10)와 완전히 접촉한다. 본 발명에 따르면, 이송 블레이드가 또한 섹션 내에 제공된다. 예를 들어, 냉각기의 각각의 섹션에서 t = 5.32 분의 입자의 체류 시간을 얻기 위해서는, 이송 블레이드도 조절해야 한다. 이는 블레이드의 감소, 하나의 더 적은 블레이드 벽 및 블레이드의 축방향 오프셋 변경에 의해 달성될 수 있다.

표 10: 종래 기술(구)과 비교하여 본 발명(신규)에 따른 입자의 체류 시간의 조절 및 비교

이들 조절은 전진 속도 s = 0,47 m, 따라서 체류 시간 t = 5.49 분을 산출한다. 이는 이전의 체류 시간과 근소하게만 상이하다. 장착된 리브(10)는 이송 블레이드의 용접을 위한 부착 지점으로서 기능할 수 있다. 냉각기의 하나의 벽에 더 이상 블레이드가 제공될 필요가 없기 때문에, 이 영역의 장착 비용이 감소된다.

선택된 재료, 구조용 강철 S355JR, 및 스터드 용접의 특수 변경을 통한 결합과 조합하여 선택되고 최적화된 기하형상은 종래 기술로부터 공지된 설계와 비교하여 섹션 냉각기의 열 전달을 크게 개선시킨다.

선택된 결합 프로세스인 MARC 용접은 복수의 리브의 용접이 가능한 한 짧은 시간에 완료될 수 있도록 매우 짧은 용접 시간을 특징으로 한다. 그러한 짧은 용접 시간은 다른 융합 용접 방법의 경우보다 낮은 열 응력과 관련된다. 이는 또한 열 영향 구역의 영역에서 섹션의 낮은 왜곡 및 낮은 용접 고유 응력에 반영된다. 또한, 이점은 용접 건을 쉽게 취급하여 덜 훈련된 직원도 용접을 수행할 수 있다는 것이다; 그러나, 용접은 용접 로봇에 의해 완전히 자동화된 방식으로 수행될 수도 있다. 용접 건의 작은 치수는 또한 섹션에 대한 접근성을 허용한다.

리브(10)의 직경은, 예를 들어 d = 30 mm이다. 그러나, 표 6의 결과를 고려하면, 직경이 증가할수록 더 양호한 결과를 얻을 수 있음이 분명하다.

재료의 기계적 특성은 조인트 구역의 영역에서 기본 재료의 기계적 특성보다 우수하다. 리브(10)에 대해 선택된 재료와 조합하여, 우세한 비례 마멸에 대한 높은 저항이 따라서 제품이 리브(10)에 부딪히는 영역을 초래한다. 구조용 강철 S355JR의 경도는 섹션의 경도보다 거의 40% 우수하다. 선택된 기하형상의 낮은 중량으로 인해, 고급 구조용 강철로부터 생기는 추가 비용을 무시할 수 있다. 열 전도율과 관련하여, 섹션(8)의 벽과 리브는 적어도 본질적으로 동일한 값을 갖는다. 유사한 열팽창 계수로 인해, 온도 변화시에 다양한 정도로 팽창하는 구성요소로부터 생기는 응력이 발생하지 않는다. S235JR로 제조된 캐치 스트립을 갖는 종래 냉각기에서의 피로 징후가 없었기 때문에, 2개의 재료의 동일한 열 확산율의 결과로서 열 피로 문제는 더 이상 관련이 없다.

두 재료 모두 구조용 강철 또는 저합금강이므로, 쉽게 용접할 수 있다. 더욱이, 조인트 구역의 후속 처리가 필요하지 않다. 리브(10)는 실린더를 절단함으로써 쉽게 생산될 수 있다. 선택된 강철이 매우 일반적인 강철인 경우에도 유리하다.

리브의 기하형상은 임의의 최적화 없이도 매우 좋은 결과를 얻었기 때문에 이미 인상적이다. 그 값은 최적화된 직사각형 리브의 값보다 우수하다. 최적화를 통해, 더욱 더 양호한 결과를 얻을 수 있다. 기하형상은 큰 열 전달 표면적과 낮은 중량을 특징으로 한다. 해당 냉각기에 대한 리브(10)의 최적 길이는 l = 36 mm이다. 이 값은 최적의 직사각형 리브의 값보다 약 10 mm 낮다. 따라서, 이들 특성을 통해 재료와 중량도 절약할 수 있다.

사용되는 리브(10)의 수량에 관계 없이, 리브는 바람직하게는 오프셋 방식으로 배치된다. 이러한 수단에 의해 새로운 기하형상에도 불구하고 캐치 스트립의 원래 임무인 섹션 마모의 감소가 충족된다. 리브의 오프셋 배열과 결합된 원형 기하형상을 통해, 더 많은 난류가 생성되어 열 전달이 개선된다. 더욱이, 리브 후방에 후류가 생성되지 않는다. 따라서, 리브의 외부는 냉각될 제품과 지속적으로 접촉하여, 또한 높은 열 전달을 보장한다.

그러나, 장착할 냉각 리브의 수는 아직 결정되지 않았다. 길이 미터 당 섹션(8) 당 500개의 냉각 리브(10)의 고려된 값은 예일뿐이다.

냉각기의 중량 감소는 추가적인 이점과 관련이 있다. 스타터의 경우, 냉각기를 회전으로 설정하는 데에 필요한 토크가 더 낮다. 모터의 필요한 출력의 감소 정도에 따라, 부하가 감소하거나 더 적은 전력으로 더 저렴한 모터를 사용할 수 있다. 이는 시스템에 필요한 에너지의 양을 감소시킨다. 또한, 로터리 냉각기의 외부 벽으로 모터 드라이브를 전달하기 위한 피니언 및 스프로켓 영역의 기계적 부하가 감소된다. 더욱이, 베어링에 작용하는 하중이 감소된다. 리브의 수에 따라 기저부의 하중 또는 치수가 또한 감소되거나 더 작게 설계될 수 있다. 섹션 냉각기는 전 세계에 걸쳐 모든 현장에서 작동된다. 그러나, 냉각기의 생산은 항상 동일한 장소에서 이루어진다. 더 낮은 중량과 더 작은 치수에 의해, 냉각기의 운송 및 설치 중에 섹션 냉각기를 취급하는 데에 드는 노력이 줄어든다. 플랜트 비용을 계산할 때 발생하는 섹션 냉각기가 점유하는 공간 측면에서의 비용도 더 낮다.

결합 프로세스, 냉각 리브의 재료 및 기하형상의 선택된 조합에 관하여 얻은 통찰력은 위에서 언급한 결과로 인해 종래 기술에 비해 분명한 이점을 제공한다.

개선된 열 전달을 위한 또 다른 결정적인 인자는 리브(10)가 전체 지지 표면에 걸쳐 섹션(9)에 부착되어야 한다는 점이다. 이는 제품에서 리브로 전달된 에너지가 가능한 한 효율적인 방식으로 수냉식 표면으로 전달되는 것을 보장한다. 예를 들어, 냉각기의 길이는 l = 10.5 m이다. 외경 d = 2.3 m이고 중량 m = 35,000 kg인 경우, 입상 기재는 T = 700℃ 초과의 온도로부터 T = 150℃까지 8개 섹션에서 냉각된다. 냉각기의 공지된 값에 기초하여, 온도 진행 및 열 전달 계수는 냉각기의 여러 위치에서 결정될 수 있다.

이 냉각기의 8개 섹션 각각에는, 예를 들어 16개의 캐치 스트립이 각각 제공된다. 그의 임무는 입자의 속도를 감소시키고 섹션의 마모를 최소로 유지하는 것이다. 더 많은 열 에너지가 또한 캐치 스트립에 의해 전달되어, 결과적으로 냉각 리브의 역할도 한다는 것을 알았다. 캐치 스트립은 이 특성의 최적화를 위해 연구된다.

섹션 냉각기의 지배적인 조건을 고려하면서 리브와 단면 사이의 완전한 표면 접촉을 보장하고 높은 열 유동을 달성하기 위해, 결합 프로세스 외에도 가장 적합한 재료를 결정해야 한다.

재료의 결정은 7개의 상이한 관련 특성을 고려하여 발생한다. 리브에 영향을 미치는 마모 메커니즘은 재료의 높은 경도에 의해 감소될 수 있는 마멸, 및 연성에 의해 감소되는 표면 파괴이다. 비용 및 열 확산율 외에도, 열팽창 계수 사이의 차이가 또한 평가에서 고려된다. 열 전달 개선이라는 목표를 달성하기 위해, 열 전도율 및 열 유동이 또한 평가에 포함된다.

10개 재료를 평가한 결과, 이후에 선택된 결합 프로세스를 고려하면서, 구조용 강철 S355JR이 냉각 리브의 재료로서 사용하기에 가장 적합하다는 결과를 얻었다. 합금 S235JR과 비교하여 더 높은 경도에 의해, 마멸에 의한 마모가 감소된다. 구조용 강철 S355JR과 구조용 강철 S235JR의 열 전도율 및 열 유동의 값이 동일하기 때문에, 열 전달 영역에 손실이 없다. 두 재료 모두 동일한 열팽창 계수를 또한 갖기 때문에, 작동 상태와 냉각기가 작동하지 않는 시간 사이의 온도 변화의 결과로서 리브와 섹션 사이의 접촉 영역에 응력이 발생하지 않는다.

완전한 표면 접촉으로 섹션에 리브를 부착하기 위해, 리브의 기하형상을 기초로 사용되는 2개의 결합 프로세스가 특히 적합하다. MAG 용접이 세장형 냉각 리브와 함께 사용된다. 냉각 리브에는 2개의 베벨이 제공되고 이중 HV 심을 통해 물질적으로 접합된 방식으로 전체 표면에 걸쳐 섹션에 부착되어야 한다. 원형 기하형상의 경우, 용접 시간이 매우 짧고 조인트 구역의 기계적 특성이 매우 우수하기 때문에 스터드 용접이 적합하다. 더욱이, 추가 재료가 필요하지 않다. 준비는 필요한 길이로 리브를 절단하는 것으로 제한되며 스터드 용접 디바이스를 취급하는 데에 필요한 기술이 낮다.

냉각 리브의 추가 결정적인 인자인 기하형상도 상이한 기준의 평가를 통해 획득된다. 접촉 표면적에 관한 열 유동, 돌출된 표면적에 관한 열 유동, 냉각 리브의 중량에 관한 열 유동, 및 기하형상의 열 확산율이 고려된다. 다양한 기하형상을 평가한 후, 구멍이 제공된 로드 리브를 선택한다.

그러나, 이 기하형상은 생산 측면에서 상당한 비용과 관련이 있으므로, 실린더 형상의 리브가 시뮬레이션되어 훨씬 더 나은 결과를 얻는다. 개방형 기하형상은 스터드 용접에 의해 결합될 수 없으므로, MARC 용접의 변형을 사용해야 한다. 실린더의 선택된 기하형상은 그 외경 및 내경과 관련하여 최적화된다. 비용 상의 이유로, 표준화된 직경만 고려된다. 직경 d = 30 mm, 벽 두께 T = 5 mm에서 최적의 결과가 획득된다. 일련의 추가 시뮬레이션과 그 평가는 길이가 l = 36 mm인 냉각 리브가 가능한 최상의 결과를 산출한다는 결과를 가져온다.

재료 유동을 고려하면 입자 속도가 높고 낮은 영역이 있음을 알 수 있다. 더 많은 난류 유동과 입자 속도를 감소시키는 추가 목적으로 인해 입자 속도가 낮은 영역보다 속도가 빠른 영역에 더 많은 리브를 장착해야 한다. 더욱이, 리브는 오프셋 방식으로 배치되어야 한다. 이 의미에 의해, 각각의 리브가 재료 유동에 의해 부딪히는 것이 달성된다. 선택된 기하형상의 추가적인 긍정적인 효과는 리브 후방에서 제품의 소용돌이가 발생하는 것이고, 이에 의해 더 많은 난류를 통해 열 전달이 더욱 개선된다. 냉각기 내의 온도 하에서 상이한 위치에 대해 결정된 열 전달 계수를 기초로 하여, 리브가 냉각기를 따라 전달되는 열 유동에 거의 동일한 긍정적인 영향을 미치는 것으로 결정될 수 있다.

설치된 냉각 리브의 수량의 함수로서 중량 차이의 목록은 최적화된 실린더 리브의 잠재성을 나타낸다; 이와 관련하여, 냉각 리브의 수가 증가함에 따라, 절약된 재료, 중량 및 결과적인 추가의 잠재적인 절약에 관하여 조립 비용을 고려해야 한다.

Claims

열 전달 표면적 뿐만 아니라 열 전도를 증가시키기 위해 벽에 장착된 구조를 갖는, 유동성 입상 재료를 냉각 또는 가열하기 위한 로터리 실린더 장치, 특히 유동성 입상 고체 재료를 냉각하기 위한 섹션 냉각기에 있어서, 상기 구조는 중공 실린더(10)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 로터리 실린더 장치.
제1항에 있어서, 상기 중공 실린더(10)는 로터리 실린더의 길이방향으로 연장되는 열로 배치되는 것을 특징으로 하는, 로터리 실린더 장치.
제2항에 있어서, 중공 실린더(10)의 2개의 인접한 열은 각각 중공 실린더(10)의 오프셋 배열을 갖는 것을 특징으로 하는, 로터리 실린더 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중공 실린더(10)는 섹션(9)의 벽에 나사, 접착제 접합 또는 리벳에 의해 장착되는 것을 특징으로 하는, 로터리 실린더 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중공 실린더(10)는 용접 프로세스, 특히 서브머지드 아크 용접, 금속 불활성 가스 용접, 마찰 용접, 스터드 용접 또는 MARC 용접에 의해 장착되는 것을 특징으로 하는, 로터리 실린더 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중공 실린더(10)는 10 cm 미만, 특히 5 cm 미만의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는, 로터리 실린더 장치.
제6항에 있어서, 상기 중공 실린더(10)는 3.6 cm의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는, 로터리 실린더 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중공 실린더(10)는 5 cm 미만, 특히 3.0 cm의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는, 로터리 실린더 장치.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중공 실린더(10)는 1 cm 이하, 특히 0.5 cm의 벽 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 로터리 실린더 장치.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 3개의 섹션(9)으로 세분되고, 섹션은 반경방향 벽들 사이에서 그리고 한편으로는 반경방향 벽과 다른 한편으로는 주변 벽 사이서 코너 영역(A, A', A")보다는 반경방향 벽 및 주변 벽(B, B', B") 상에 더 높은 밀도의 중공 실린더(10)를 갖는 것을 특징으로 하는, 로터리 실린더 장치.
제10항에 있어서, 섹션(9)은 각각 로터리 냉각기의 길이의 미터 당 약 500개의 리브 또는 500개의 중공 실린더(10)를 갖는 것을 특징으로 하는, 로터리 실린더 장치.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 로터리 실린더 장치를 작동하는 방법에 있어서, 고체 재료는 난류로 중공 실린더(10)의 둘레에서 이동하는 것을 특징으로 하는, 방법.