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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von gekühltem Frischbeton,
bei dem wenigstens ein Zugabestoff in einem Vorratssilo gespeichert und
aus dem Vorratssilo zu einer Mischeinrichtung transportiert wird,
in der der Zugabestoff mit einem oder mehreren weiteren Zugabestoffen
sowie mit Wasser zur Herstellung des Frischbetons zusammengeführt wird.
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Derartige
Verfahren sind bekannt. Bei der Herstellung von Frischbeton ist
es jedoch häufig
erforderlich, den Frischbeton selbst oder einen der Ausgangsstoffe
für die
Herstellung zu kühlen.
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Aus
der
WO 02/36523 A1 ist
dazu ein Verfahren bekannt, bei dem das zur Herstellung des Frischbetons
benötigte
Wasser zumindest teilweise in Form von unterkühlten Schneekristallen zugeführt wird.
Diese technische Lehre ist älteren
Verfahren überlegen,
bei denen das Wasser in Form von Scherbeneis zugeführt wurde,
was regelmäßig zu Wassereinschlüssen im
Beton führte.
Dennoch besteht bei all diesen Verfahren die Gefahr einer inhomogenen Temperaturverteilung
im fertigen Gemisch.
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Eine
alternative Vorgehensweise sieht daher vor, gekühlte Zugabestoffe zu verwenden.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der
DE 36 23 724 A1 bekannt.
Beim Gegenstand dieser Druckschrift wird zugleich mit der Zuführung des
Zements in ein Vorratssilo über
eine separate Zuleitung flüssiger
Stickstoff in das Zementsilo eingesprüht. Beim Kontakt mit dem Zement
verdampft der Stickstoff und wird als Gas mit dem Abluftstrom ausgetragen.
Mit diesem Verfahren kann jedoch eine ausreichende Kühlung des
Zements nicht erzielt werden, da bei der getrennten Zuführung von
Zement und Stickstoff ein nur unzureichender Wärmekontakt zwischen beiden Stoffen
hergestellt wird. Ein großer
Teil des eingesetzten Stickstoffs entweicht damit ungenutzt, und das
kalte Stickstoffabgas kann leicht eine Vereisung eines dem Silo
zugeordneten Entstaubungsfilters bewirken.
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Aus
der
US 4 479 362 ist
ein Verfahren zur Kühlung
von Zement bekannt, bei dem Zement pneumatisch über eine Förderleitung in das Vorratssilo eingespeist
und Flüssigstickstoff über einen
in der Zementleitung angeordneten Stutzen eingeleitet wird. Nachteilig
bei diesem Verfahren ist, dass auch hier kein homogener Wärmeaustausch
zwischen Zement und Stickstoff hergestellt und somit die Enthalpie
des Stickstoffs nur unzureichend genutzt wird.
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In
der
DE 40 10 045 A1 ist
ein weiteres Verfahren zur Kühlung
einer pulverförmigen
Substanz, insbesondere Zement, beschrieben, bei dem die Substanz über eine
Förderleitung
in ein Vorratssilo gefördert
wird. In der Förderleitung
ist eine Venturidüse
eingebaut. Der als Kältemittel
eingesetzte flüssige Stickstoff
wird durch ein in der Venturidüse
angeordnetes Mischrohr in den Förderstrom
der Substanz eingedüst.
Die mit dem Stickstoff vermischte und dadurch gekühlte Substanz
wird anschließend
zum Silo gefördert
und fällt
dort in den Lagerbereich des Silos hinab, während der Stickstoff durch
den dem Silo zugeordneten Entstaubungsfilter entweicht.
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Generell
führen
solche Kühlverfahren,
bei denen Zuschlagsstoffe bei der Zuführung in das Vorratssilo gekühlt werden,
zu einem hohen Verbrauch an eingesetztem Kältemittel. Überdies ist eine Kühlung des
gesamten gespeicherten Vorrats auch dann erforderlich, wenn nur
ein geringer Teil des gespeicherten Zuschlagstoffes tatsächlich in
gekühlter Form
benötigt
wird. Die Anwendung dieser Verfahren auf den Produktstrom des Zugabestoffes
zwischen Vorratssilo und Waage bzw. Mischer scheitert jedoch regelmäßig daran,
dass es beim Auftreffen des flüssigen
Stickstoffs auf die Substanz zum Phasenübergang des Stickstoffs und
damit zu einer starken Gasentwicklung an der Einspeisestelle kommt.
Dies führt zu
einer kurzzeitigen Sperrung des Förderstroms der Substanz. Durch
den Stopp des Förderstroms
baut sich die Gasblase in der Förderleitung
ab und der Feststoffstrom wird wieder aufgenommen, um wiederum den
Kontakt der Substanz mit dem Flüssigstickstoff
und damit eine starke Gasentwicklung in der Förderleitung auszulösen. Dieser
Vorgang wiederholt sich laufend und führt zu einem unregelmäßigen Eintrag
der Substanz und damit in der Folge zu einem impulsartigen Abblasen
von Stäuben.
Zudem kommt es infolge der starken Gasentwicklung und der damit
verbundenen starken turbulenten Gasströmung dazu, dass Zement vom
Stickstoffgas mitgerissen und in den Umgebungsbereich ausgetragen wird.
Hierdurch geht Substanz verloren und es kommt zu einer nicht unerheblichen
Belastung von Mitarbeitern und Umwelt. Diese mit einer starken Gasentwicklung
in der Förderleitung
verbundenen Nachteile bestehen im Übrigen unabhängig davon, ob
die Eindüsung
des flüssigen
Stickstoffs bereits vor der Zuführung
des Zements an das Vorratssilo oder beim Transport vom Vorratssilo
zur Waage bzw. Mischer erfolgt.
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Aufgabe
der Erfindung ist daher, ein Verfahren zum Herstellen von gekühltem Frischbeton
anzugeben, das sehr effizient arbeitet und die Belastung von Mensch
und Umwelt reduziert.
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Dieses
Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art und Zweckbestimmung
dadurch gelöst,
dass wenigstens ein Teilstrom des dem Vorratssilo entnommenen Zugabestoffes
in einer Kühleinrichtung
mit einem Kältemittel
in thermischen Kontakt gebracht und anschließend der Mischeinrichtung zugeführt wird.
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Erfindungsgemäß wird also
zumindest ein Teilstrom des jeweiligen Zugabestoffes, der aus seinem
Vorratsbehälter
zur Mischeinrichtung gefördert wird,
entnommen und auf eine tiefe Temperatur gekühlt. Da der Zugabestoff in
der Mischeinrichtung auf eine beliebig tiefe und nur durch die Temperatur
des Kältemittels
begrenzte Temperatur gekühlt
werden kann, genügt
es in der Regel bereits einen geringen Teilstrom zu kühlen, um
ein effizientes Kühlergebnis zu
bewirken. Bei dem zu kühlenden
Zugabestoff kann es sich dabei um Zement, Sand oder einen sonstigen
rieselfähigen
Zuschlagstoff handeln. Der gekühlte
Zugabestoff wird anschließend
entweder dem ungekühlten
Teilstrom des gleichen Zugabestoffs zugeführt oder unmittelbar, ggf.
nach einer Wägung,
unmittelbar der Mischeinrichtung zugeführt, in der der Frischbeton
hergestellt wird. Die Kühlung
erfolgt somit unmittelbar vor der Zubereitung des Frischbetons und
nicht bereits bei der Bereitstellung eines Vorrats in einem Vorratssilo.
Die Kühlung
kann dabei indirekt, also beispielsweise in einem Wärmetauscher,
oder direkt, also durch direkten Kontakt des Zugabestoffes mit dem
Kältemittel
erfolgen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren gelingt eine genaue Dosierung
und Temperierung des betreffenden Zugabestoffes. Durch erst unmittelbar
vor dem Mischprozess stattfindende Kühlung kann sehr flexibel auf
die jeweiligen Erfordernisse reagiert und die Kühlung entsprechend angepasst
werden.
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Vorteilhafterweise
kommt als Kältemittel
ein kryogenes Kältemittel,
beispielsweise Stickstoff oder Kohlendioxid zum Einsatz, das mit
dem Teilstrom des Zugabestoffes innig durchmischt wird, um einen
maximalen Wärmeübertrag
vom Zugabestoff auf das Kältemittel
zu gewährleisten.
Das bei der Durchmischung verdampfende Kältemittel wird bevorzugt bereits
im Bereich der Kühleinrichtung
abgeführt
und führt
damit nicht mehr zu dem aus dem Stand der Technik bekannten, impulssartigen
Abblasverhalten. Die Wahl des kryogenen Kältemittels hängt dabei
von den jeweiligen Umständen
ab: Stickstoff ermöglicht die
Kühlung
des Zugabestoffes auf Temperaturen von bis zu minus 193°C. Kohlendioxid
ermöglicht
lediglich eine Abkühlung
auf ca. minus 78,5°C,
hat jedoch gegenüber
Stickstoff den Vorteil einer etwa doppelt so großen Sublimationsenhalpie. Bei
der Zuführung
von Kohlendioxid im flüssigen
Zustand kann zudem auf aufwändige
wärmeisolierte
Zuleitungen verzichtet werden. Verflüssigtes Kohlendioxid besitzt eine
kritische Temperatur von 31°C
und einen kritischen Druck von 7,4 MPa, und kühlt sich bei seiner Entspannung
infolge des Joule-Thomson-Effektes unter Bildung von kaltem Kohlendioxidgas
und Kohlendioxidschnee stark ab. Es kann daher in einer Druckleitung
bei Umgebungstemperatur herangeführt
werden. Gasförmiges
Kohlendioxid als Kühlmedium
für Zement
sollte vorzugsweise eine Temperatur von –78°C bis 5°C, bevorzugt von –78 bis –25°C, aufweisen.
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In
einer abermals vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die
Temperatur des Endprodukts dadurch beeinflusst, dass entweder der
im Teilstrom enthaltene Mengenanteil des zu kühlenden Zugabestoffes, die
pro Menge des Zugabestoffes eingesetzten Kältemittelmenge und/oder die
Zeitdauer, innerhalb der der zu kühlende Zugabestoff mit dem
Kältemittel
in Kontakt ist, variiert wird. Die Temperatur des Endprodukts kann
dabei auch als Regelgröße verwendet
werden, auf die einer oder mehrere der genannten Parameter eingestellt
wird.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine Vorrichtung zum Herstellen
von gekühltem Frischbeton
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist dabei
eine Vorrichtung zum Herstellen von gekühltem Frischbeton mit wenigstens
einem Vorratsbehältern
für einem
Zugabestoff, der mit einer Mischeinrichtung in Strömungsverbindung
steht, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter über wenigstens
zwei Zuführleitungen
mit der Mischeinrichtung in strömungsverbunden ist,
wobei in einer der Zuführleitungen
zwecks Kühlung
eines Teilstroms eine Kühleinrichtung
vorgesehen ist. Mittels einer geeigneten Wahl der über beide Zuführleitungen
geführten
Teilströme
kann so die Temperatur des insgesamt zugeführten Zuschlagstoffs und damit
des Frischbetons gezielt beeinflusst werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei der
Kühleinrichtung
um einen ein Wirbelschneckenkühler.
Ein Wirbelschneckenkühler
umfasst eine Förderstrecke,
in der ein pulverförmiges
Produkt mechanisch, insbesondere mit Hilfe einer Förderschnecke
oder einer Förderspirale, gefördert wird.
Längs der
Förderstrecke
sind Düsen zum
Eintragen eines kryogenen Kältemittels
in oder auf das geförderte
Produkt vorgesehen. Durch die Bewegung der Förderschnecke bzw. der Förderspirale
wird das Kältemittel
mit dem Produkt durchmischt, wodurch dieses effizient gekühlt wird.
Als Kältemittel
kommt bevorzugt flüssiger
Stickstoff zum Einsatz oder Kohlendioxid, das in flüssiger Form
unter Druck herangeführt
wird und sich beim Eintragen unter starker Abkühlung entspannt. Verdampfendes bzw.
erwärmtes
Kühlmittel
wird über
einem der Kühleinrichtung
zugeordneten Gasauslass abgeleitet, es kommt daher nicht zu pulsartigen
Störungen
der Förderung
aufgrund der starken Gasentwicklung bei der Verdampfung des Kältemittels.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Kühleinrichtung
ein thermisch isolierter Vorratsbehälter zur Aufnahme des gekühlten Teilstroms
nachgeschaltet ist, aus dem mittels einer Absperreinrichtung eine
dosierte Menge des gekühlten
Zusatzstoffes einer Waage oder einer Mischeinrichtung zuführbar ist.
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Der
gekühlte
Anteil des Zugabestoffes steht somit bei der Wägung sofort in der benötigten Menge zur
Verfügung,
wodurch sich der Kühlverlust
minimiert.
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Für die Regelung
der Temperatur des Frischbetons ergeben sich im Rahmen der Erfindung
verschiedene vorteilhafte Möglichkeiten.
Zum einen kann die Menge des der Nebenleitung zugeführten Teilstroms
und damit der Anteil des Zugabestoffes, der gekühlt wird, verändert werden.
Zum zweiten kann die pro Menge des zu kühlenden Zugabestoffes eingesetzte
Kältemittelmenge
verändert
werden. Drittens kann die Temperatur des Kältemittels verändert werden.
Insbesondere beim Einsatz von Kohlendioxid als Kältemittel, das in flüssigem Zustand
unter Druck herangeführt
und beim Eintritt in den Wirbelschneckenkühler entspannt wird, kann die
Temperatur des entspannten Kohlendioxids durch eine geeignete Wahl
des Drucks und der Temperatur des zugeführten flüssigen Kohlendioxids festgelegt
werden. Viertens kann die Temperatur durch die Geschwindigkeit des
Wirbelschneckenkühlers
beeinflusst werden. Je schneller der Transport des Zugabestoffes durch
den Wirbelschneckenkühler
erfolgt, desto weniger Wärme
wird an das Kältemittel
abgegeben und desto höher
ist die Temperatur des sich ergebenden Endprodukts.
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Anhand
der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
erläutert
werden. Die einzige Zeichnung (1) zeigt
schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Herstellung von gekühltem
Frischbeton.
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Die
Vorrichtung 1 umfasst in üblicher Weise ein Vorratssilo 2 für einen
Zugabestoff, im Ausführungsbeispiel
für Zement.
Das Vorratssilo 2 ist über eine
Förderleitung 3 mit
einer Waage 5 verbunden, an der sich eine Mischeinrichtung 4 anschließt, die der
Anmischung des Fertigbetons dient und in die weitere Zuführungen
für andere
Zugabestoffe, wie Sand, Zuschlagstoffe oder Wasser einmünden. Bei der
Förderleitung 3 kann
es sich sowohl um eine pneumatische Förderleitung als auch um eine
mechanische Fördereinrichtung,
beispielsweise ein Förderband,
handeln. Zur Dosierung des Zugabestoffes ist in der Förderleitung 3 in
an sich bekannter Weise ein Dosierelement 6 angeordnet,
bei dem es sich beispielsweise um einen Schieber oder eine Dosierschnecke
handelt.
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Am
Ausgang des Vorratssilos 2 zweigt des Weiteren eine Nebenleitung 8 ab,
die gleichfalls mit der Waage 5 verbunden ist, und in der
ebenfalls ein Transport von Zement aus dem Vorratssilo 2 auf pneumatischem
oder mechanischem Wege erfolgt. Mittels eines Ventils 9 wird
der durch die Nebenleitung 8 geführte Stoffstrom reguliert.
Durch die Betätigung
des Dosierelements 6 sowie des Ventils 9 kann der
Stoffstrom so ganz oder teilweise durch die Förderleitung 3 oder
durch die Nebenleitung 8 geführt werden.
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Der
durch die Nebenleitung 8 geführte Stoffstrom wird in der
im Folgenden beschriebenen Weise gekühlt. Die Nebenleitung 8 mündet in
eine Kühleinrichtung
ein, bei der es sich im Ausführungsbeispiel
um einen Wirbelschneckenkühler 10 handelt.
Im Wirbelschneckenkühler 10 wird
der Zement innig mit einem Kältemittel
durchmischt und dadurch gekühlt.
Beim Kältemittel
handelt es sich im Ausführungsbeispiel
um flüssigen
Stickstoff, der in einem Tank 11 bevorratet und über eine
thermisch isolierte Kältemittelzuleitung 12 zum
Wirbelschneckenkühler 10 gefördert wird.
Durch die gute Durchmischung mit dem flüssigen Stickstoff im Wirbelschneckenkühler 10 kann
der Zugabestoff auf Temperaturen bis hinab zu –193°C abgekühlt werden. Der beim Kühlprozess verdampfende
Stickstoff wird über
eine Gasableitung 13 aus dem Wirbelschneckenkühler 10 abgeführt. Im Transportverlauf
kommt es daher nicht zu Störungen aufgrund
der beim Verdampfen des Kältemittels
auftretenden Gasentwicklung. Anstelle von flüssigem Stickstoff kann im Übrigen auch
ein anderes kryogenes Kältemittel
zum Einsatz kommen, beispielsweise Kohlendioxid, das im festen,
flüssigen
oder kalten gasförmigen
Zustand herangeführt
und mit dem Zement im Wirbelschneckenkühler 10 durchmischt wird.
Der gekühlte
Zement wird anschließend
entweder – hier
nicht gezeigt – über ein
geeignetes Dosierelement unmittelbar der Waage 5 zugeführt oder,
wie im Ausführungsbeispiel,
in einem isolierten Vorratsbehälter 14 zwischengelagert.
Mittels eines am Vorratsbehälter 14 angeordneten
Sperrglieds 15, beispielsweise ein Schieber, wird der im
Vorratsbehälter 14 befindliche
gekühlte
Zement ganz oder in einer vorbestimmten Menge der Waage 5 zugeführt. Gekühlter Zement
aus dem Vorratsbehälter 14 und
ungekühlter
Zement aus der Förderleitung 3 können dabei
entweder gemeinsam oder unabhängig
voneinander in der Waage 5 gewogen und anschließend in die
Mischeinrichtung 4 eingemischt werden. Durch die Einstellung
der Menge an gekühltem
bzw. ungekühltem
Zement kann die Temperatur des Frischbetons den jeweiligen Erfordernissen
bzw. Kundenwünschen
angepasst werden. Insbesondere ist es möglich, auch kleinere Chargen
von Frischbeton, die nur einen Teil des im Vorratsilo 2 gespeicherten
Zements benötigen,
mit der gewünschten
Temperatur herzustellen. Weiterhin ist es möglich, während des Mischvorgangs in
der Mischeinrichtung 4 die Temperatur des Frischbetons
durch die Variation der Zufuhr an gekühltem bzw. ungekühltem Zuschlagstoff
zu regeln. Hierfür
kann auch eine automatisierte Regeleinrichtung vorgesehen sein.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 sorgt
für eine
effektive Kühlung
bei der Herstellung des Frischbetons und mindert die Belastungen
für Mensch
und Umwelt bei der Betonherstellung.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Vorratssilo
- 3
- Förderleitung
- 4
- Mischeinrichtung
- 5
- Waage
- 6
- Dosierelement
- 7
- -
- 8
- Nebenleitung
- 9
- Ventil
- 10
- Wirbelschneckenkühler
- 11
- Tank
- 12
- Kältemittelzuleitung
- 13
- Gasableitung
- 14
- Vorratsbehälter
- 15
- Sperrglied