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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Blähen eines blähfähigen
mineralischen Granulates, insbesondere von granulierten Silikaten
und Magnetsiten mit Schieferstruktur, wie Vermiculit, Perlit u. ä. Materialien,
durch thermische Behandlung und eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
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Es
ist bekannt, Minerale, insbesondere Tone, Silikate und Magnetsite
mit Schieferstruktur, durch Wärmebehandlung zu blähen.
Dabei wird das in die Schieferstruktur des Minerals eingelagerte
Wasser durch schockartige Wärmeeinwirkung erhitzt, wodurch
es schlagartig verdampft und das Mineral aufbläht. Der
Erfolg des Blähens hängt maßgeblich davon
ab, dass ein schockartiger Wärmeeintrag in das Mineral
erfolgt.
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Aus
dem Stand der Technik sind zwei technologische Prinzipien der thermischen
Behandlung zur Initiierung des Blähvorganges bekannt.
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So
werden in der
DE 829
567 C ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung
von Vermiculit beschrieben, bei denen vorgetrocknetes und gemahlenes
Vermiculit in loser Schüttung über eine beheizte
Fläche hinweggleitet. Der Wärmeeintrag in das
Vermiculit erfolgt bei diesem technologischen Prinzip überwiegend
durch den Kontakt des Minerals mit der beheizten Gleitfläche.
Er wird über die Temperatur der die Wärmeübergabe
auf die Mineralpartikel vollziehenden beheizten Fläche
sowie die Verweildauer des Vermiculit auf der Gleitfläche gesteuert.
Nachteilig hierbei ist, dass technologisch bedingt die Temperatur
der beheizten Gleitfläche in der Nähe unerwünschter
stofflicher Umwandlungstemperaturen liegt, so dass es zum Anschmelzen
mineralischer Stoffteilchen an der beheizten Gleitfläche kommen
kann. Technisch wird versucht, diesem Nachteil dadurch entgegenzuwirken,
dass die beheizte Platte in eine Rüttelbewegung versetzt
wird oder, wie ebenfalls bereits in der
DE 829 567 C beschrieben,
vorgewärmte bzw. erhitzte Luft in die Schüttung
eingeblasen wird, um die Mineralpartikel in eine wirbelnde Bewegung
zu versetzen. Der technische Aufwand dieser Lösungen ist
jedoch erheblich.
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Dem
gleichen technologischen Prinzip des Hinweggleitens des zu blähenden
Minerals über eine erhitzte Platte folgen auch die in der
DE 197 22 906 A1 ,
DE 298 03 450 U1 sowie
DE 299 03 861 U1 beschriebenen
Lösungen, ohne den beschriebenen Nachteil des Anschmelzens
mineralischer Stoffteilchen an der beheizten Platte zu beheben.
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Ein
anderes technologisches Prinzip besteht darin, das blähfähige
mineralische Granulat in einen schachtförmigen Ofen einzugeben
und es hier direkt dem Heißgasstrom eines Brenners auszusetzen. Das
Mineral kann den schachtförmigen Ofen im Gegenstromprinzip
unter Einwirkung der Schwerkraft durchlaufen, wie beispielsweise
in der
US 3,010,911 C oder
der
US 3,511,485 C dargelegt,
oder mit dem Heißgasstrom, wie beispielsweise in der
US 3,533,610 C oder
der
DE 31 51 164 A1 beschrieben. Dabei
wird in der
US 3,010,911
C ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Partikel
so wenig wie möglich Berührungskontakt mit heißen
Ofenteilen erfahren sollen, um ein Anschmelzen mineralischer Stoffteilchen
zu vermeiden. Zur Durchmischung und Verwirbelung der Mineralpartikel
werden z. B. in der
US 3,511,485
C , aber auch in der
DE 20 42 896 A1 eine drallförmige
Führung des Heißgasstromes vorgeschlagen. Die
zum Blähen der Mineralpartikel notwendige Wärmeenergie
wird den Mineralpartikeln direkt aus dem Heißgasstrom zugeführt.
Bei den nach dem Gegenstromprinzip arbeitenden Apparaturen ist es
nachteilig, dass die bereits expandierten Partikel in die Heißzone
der Brennerumgebung gelangen und so unerwünschte Temperaturüberhöhungen
erfahren können. Bei der Führung der Partikel
mit dem Heißgasstrom sind das Einbringen der Partikel in
den Heißgasstrom und die Steuerung der Verweildauer der
Partikel im Ofenraum mit vergleichsweise hohem technischen Aufwand
verbunden. Hinzu kommt eine erhebliche mechanische Beanspruchung
der Partikel infolge der ständigen Durchwirbelung und Durchmischung
noch ungeblähter Mineralpartikel mit den gewöhnlich
weniger festen bereits geblähten Partikeln, woraus beträchtliche
mechanische Belastungen und Abrasionen, insbesondere der geblähten
Partikel mit erheblicher Staubentwicklung, resultieren. Grundsätzlich
ist es darüber hinaus bei diesem Verfahrensprinzip von
Nachteil, dass die Partikel direkt die Brenngase kontaktieren. Gerade
die noch heißen, geblähten Mineralpartikel weisen
ein hohes Absorptionsvermögen auf, wodurch es leicht zur
Einlagerung von Schadstoffen aus den Brenngasen in das geblähte
Mineral kommen kann. Neben der Verunreinigung wird dadurch auch
das für eine Reihe von Anwendungsfällen erwünschte
Absorptionsvermögen vermindert, wenn beispielsweise absorptiv
stoffliche Veredelungsprodukte in die Mikroschichten der geblähten
Partikel eingelagert werden sollen.
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Aufgabe
der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens sowie die Entwicklung
einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit
denen die genannten Nachteile des Standes der Technik überwunden
werden. Das Verfahren soll technisch einfach realisierbar sein,
ohne dabei die Mineralpartikel thermisch oder mechanisch zu überlasten
und eine Schadstoffbelastung des geblähten Minerals vermeiden.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem 1.
Patentanspruch gelöst. Der 7. Patentanspruch beschreibt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens. In den abhängigen Ansprüchen 2
bis 6 sowie 8 bis 14 werden vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.
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Gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren wird blähfähiges
mineralisches Granulat durch einen Strahlungskanal bewegt und dabei
einer Wärmestrahlung ausgesetzt, wodurch schockartig thermische
Energie in die Mineralpartikel eingetragen und so der gewünschte
Bläheffekt bewirkt wird. Die Wärmeenergiestrahlung
wirkt durch die Führung des blähfähigen
mineralischen Granulates in einem über den Kanalquerschnitt
geschlossenen Strahlungskanal allseitig nahezu gleichmäßig
auf die Mineralpartikel ein. Dadurch wird ein besonders schonender, aber
hoch effektiver Wärmeenergieeintrag in die Mineralpartikel
erreicht, wodurch ein optimaler Expansionsprozess bewirkt wird,
ohne dass es zu einer örtlichen thermischen Überbelastung
der Mineralpartikel kommt.
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Die
Wärmestrahlung sollte eine Leistungsdichte zwischen 1,2
und 3,0 W/cm3 Strahlungskanalvolumen aufweisen.
Es ist zweckmäßig, wenn die Leistungsdichte der
Wärmestrahlung entlang des Weges, den die Mineralpartikel
durch den Strahlungskanal zurücklegen, abnimmt und zwar
bevorzugt stufenweise vom Eintrag des blähfähigen
mineralischen Granulates bis zum Austrag des geblähten Minerals
in 3 oder mehr als 3 Stufen um jeweils einen Faktor zwischen 0,65
bis 0,3.
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Nach
dem Eintragen des blähfähigen mineralischen Granulates
in den Strahlungskanal sollte zunächst eine Wärmestrahlung
hoher Leistungsdichte auf das blähfähige mineralische
Granulat einwirken, um einen schockartigen Energieeintrag in die Mineralpartikel
und damit einen steilen Temperaturanstieg zu bewirken. Nach der
schockartigen Erwärmung sollte dann die Temperatur in den
Mineralpartikeln gehalten werden, um eine optimale Produktqualität
zu erreichen. Die Bewegungsgeschwindigkeit der Mineralpartikel und
die Leistungsdichte der Wärmestrahlung sind so aufeinander
abzustimmen, dass die zum Blähen notwendige Wärmeenergiemenge während
eines technologisch bestimmten optimalen Zeitfensters in die Mineralpartikel
eingetragen wird. Bei einer Leistungsdichte der Wärmestrahlung
zwischen 1,2 und 3,0 W/cm3 Strahlungskanalvolumen sollten
die Mineralpartikel zwischen 2 bis 5s der Wärmestrahlung
ausgesetzt sein. Für einen gleichmäßigen
Wärmeeintrag in möglichst alle Mineralpartikel
ist es zweckmäßig, den Partikelstrom im Strahlungskanal
mehrfach oder ständig zu bewegen bzw. zu durchmischen.
Sowohl die Fortbewegung der Mineralpartikel entlang dem Strahlungskanal
als auch die Durchmischung des Partikelstromes im Strahlungskanal
können mit Vorteil durch die Wirkung der Schwerkraft auf
die Mineralpartikel erfolgen.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung weist dazu einen
quer zu seiner Längsrichtung umlaufend geschlossenen Strahlungskanal
auf, der in einem Winkel α größer 40° zur
Senkrechten angeordnet ist. Die Querschnittsfläche des
Strahlungskanales kann rund, oval oder auch vieleckig sein. Die
Wandung des Strahlungskanales ist vollflächig als Wärmestrahler ausgebildet.
Am Strahlungskanal ist an seinem oberen Ende eine Einrichtung zur
dosierten Eingabe des blähfähigen mineralischen
Granulates in den Strahlungskanal angeordnet und an seinem unteren
Ende eine Einrichtung zum Austrag des geblähten Minerals
aus dem Strahlungskanal. Um den Strahlungskanal sind Elemente zur
Temperierung der Wandung des Strahlungskanales angeordnet. Der Strahlungskanal
weist darüber hinaus Mittel auf, durch die eine wiederholte
oder ständige Durchmischung des Mineralpartikelstromes
erfolgt. Die Mittel zur Durchmischung des Mineralpartikelstromes
bestehen bevorzugt aus einer mehrfachen Abwinklung des Strahlungskanales
um jeweils einen Winkel β zwischen 80° und 120°.
Es entsteht ein zick-zack-förmiger Strahlungskanalverlauf,
wobei jeder Abschnitt des Strahlungskanals einen Winkel α größer
40° zur Senkrechten aufweist.
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Zweckmäßig
und aus energetischer sowie steuerungstechnischer Sicht besonders
günstig ist die Verwendung elektrischer Heizelemente zur
Temperierung der Strahlungskanalwandung. Die elektrischen Heizelemente
sollten um die Strahlungskanalwandung angeordnet sein, um einen
möglichst vollflächigen, günstigen und
steuerbaren Energieeintrag in die Strahlungskanalwandung zu erreichen.
Die Leistung der Heizelemente kann entlang des Strahlungskanales
von der Einrichtung zur dosierten Eingabe des blähfähigen
mineralischen Granulates in Richtung der Einrichtung zum Austrag
des geblähten Minerales kontinuierlich oder stufenweise
abnehmen. Es kann vorteilhaft sein, bestimmte Bereiche der Strahlungskanalwandung
als Gleitflächen auszubilden und diese als Wärmestrahler
mit geringerer Leistung (geringere Wandtemperatur) als die übrigen Bereiche
der Strahlungskanalwandung auszuführen.
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Die
effektive Querschnittsfläche des Strahlungskanales sollte
von seinem oberen Ende, an dem die Einrichtung zur dosierten Eingabe
des blähfähigen mineralischen Granulates angeordnet
ist, in Richtung zu seinem unteren Ende, d. h. zur Einrichtung zum
Austrag des geblähten Minerales, zunehmen, um den sich
aufblähenden und damit in ihrem Volumen erheblich vergrößerten
Mineralpartikeln ausreichend Möglichkeit für eine
abrasionsarme Bewegung sowie zum bestmöglichen Eintrag
der Wärmestrahlung in die Mineralpartikel zu geben. Zur
Unterstützung der Bewegung der Mineralpartikel im Strahlungskanal
kann die Anordnung von Elementen zum Eintrag zusätzlicher
kinetischer Energie in den Mineralpartikelstrom zweckmäßig
sein. Dies können beispielsweise gasmechanisch wirkende
Ventilatioranordnungen oder Düsen zur Erzeugung gerichteter Gasströmungen
oder Wirbel sein, die eine zusätzliche Bewegungskomponente,
beispielsweise in Form einer zusätzlichen Verwirbelung
der Mineralpartikel, bewirken. Zur Abführung der während
des Blähvorganges entstehenden und aus den Mineralpartikeln austretenden
Blähgase, insbesondere Wasserdampf, sollten in die Strahlungskanalwandung
vorzugsweise in den nach oben weisenden Wandbereichen Auslassöffnungen
eingebracht sein.
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Darüber
hinaus kann es zweckmäßig sein, vorzugsweise im
unteren Bereich des Strahlungskanales ein oder mehrere Injektionssysteme
zur Injektion von Gasen oder Aerosolen vorzusehen, um ggf. zur funktionellen
Qualitätsverbesserung der geblähten Mineralpartikel
zweckmäßige Substanzen direkt auf die geblähten
Mineralpartikel aufzutragen bzw. in die infolge des Blähprozesses
entstandenen Mikrohohlräume in die geblähten Mineralpartikel
einzubetten.
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In
den Strahlungskanal eingegebenes blähfähiges mineralischen
Granulat bewegt sich infolge der Schwerkraftwirkung im Wesentlichen
zunächst gleitend auf dem in Richtung der Schwerkraftwirkung unten
liegenden Strahlungskanalwandbereich. Die mineralischen Granulatpartikel
sind dabei allseitig einer von allen Seiten der Strahlungskanalwand
ausgehenden Wärmestrahlung ausgesetzt. Gelangt der Mineralpartikelstrom
zur ersten Abwinklung des Strahlungskanales, bewegen sich die mineralischen Partikel
für einen kurzen Wegabschnitt im weitgehend freien Fall
und treffen auf der gegenüberliegenden Seite der Strahlungskanalwandung
des abgewinkelten Strahlungskanalabschnittes auf. Dabei wird der
Partikelstrom intensiv aufgewirbelt. Die mineralischen Partikel
setzen ihre Bewegung durch den Strahlungskanal sodann unregelmäßig
taumelnd fort. Unterstützt wird diese unregelmäßig
taumelnde Bewegung der Partikel durch die einsetzende impulsartige
Volumenexpansion einzelner oder Gruppen von sich aufblähenden
mineralischen Partikeln. Insgesamt geht die Bewegung des Mineralpartikelstromes durch
den Wechsel von gleitend-taumelnder Bewegung und freiem Fall infolge
wiederholter Abwinklung des Strahlungskanales in einen wirbelschichtartigen Zustand
bei weitgehend gleichmäßiger Verteilung der mineralischen
Partikel im Strahlungskanalraum über, woraus ein besonders
homogener Wärmeeintrag in alle mineralischen Partikel resultiert.
Eine hohe Blähwirkung verbunden mit einer nahezu vollständigen
Ausbeute an geblähten Mineralpartikeln sind die angestrebte
Folge.
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Trotz
der überwiegend taumelnden Bewegung der mineralischen Partikel
im Strahlungskanal kontaktieren die Partikel naturgemäß den
in Richtung der Wirkung der Schwerkraft unteren Bereich der Strahlungskanalwandung
intensiver als die übrigen Bereiche. Es kann daher zweckmäßig
sein, die Strahlungskanalwandung so zu temperieren, dass der in
Richtung der Wirkung der Schwerkraft untere Bereich der Strahlungskanalwandung
eines Strahlungskanalabschnittes mit geringerer Leistungsdichte
an Wärmeenergie strahlt, und damit eine geringere Wandtemperatur
aufweist als die übrigen Bereiche. Eine Steuerung der Leistungsdichte
der Wärmeenergiestrahlung ist darüber hinaus auch
entlang des Strahlungskanales zweckmäßig, weil,
wie bereits erwähnt, unmittelbar nach der Eingabe des blähfähigen mineralischen
Granulates in den Strahlungskanal ein schockartiger Energieeintrag
in die zunächst noch kalten mineralischen Partikel verbunden
mit einem steilen Temperaturanstieg bewirkt werden soll, während
im Weiteren der Energieeintrag in die Mineralpartikel abnehmen sollte,
um eine thermische Überlastung der Mineralpartikel während
ihres Durchlaufs durch den Strahlungskanal sowie Energieverluste
zu vermeiden.
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles weiter
erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen
zeigen in
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1 einen
Längsschnitt durch eine Vorrichtung zum Blähen
eines blähfähigen mineralischen Granulates (Exfolationskonverter)
und in
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2 eine
schematische Darstellung der Anordnung von elektrischen Heizelementen
im Exfolationskonverter mit einem Diagramm der Strahlungswandund
Partikeltemperatur.
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Bei
dem in 1 dargestellten Exfolationskonverter 1 ist
innerhalb eines wärmegedämmten Gehäuses 2 ein
mehrfach abgewinkelter, in der Vertikalen zick-zack-förmig
verlaufender Strahlungskanal 3 angeordnet. Am oberen Ende
des Strahlungskanales 3 befindet sich eine Zellradschleuse 4 mit Eignung
zur Dosierung des Granulates 5, bei gleichzeitiger Verhinderung
der Befeuchtung des Granulates 5 durch aufsteigende Brüden-Gase,
in den Strahlungskanal 3. An das untere Ende des Strahlungskanales 3 schließt
sich eine Einrichtung 6 zum Austrag des geblähten
Minerals 7 an. Die einzelnen Abschnitte des Strahlungskanales
sind jeweils gegeneinander um einen Winkel β von ca. 90° abgewinkelt.
Sie liegen somit in einem Winkel α von ca. 45° zur
Senkrechten. Der Strahlungskanal 3 ist im Querschnitt quadratisch
und allseitig geschlossen ausgeführt, wobei die einzelnen
gegeneinander um einen Winkel β von ca. 90° abgewinkelten
Abschnitte des Strahlungskanales 3 so angeordnet sind,
dass sich jeweils eine ebene Seitenfläche des Strahlungskanales 3 in Richtung
der Schwerkraft unten befindet. Die Querschnittsfläche
Q des Strahlungskanales 3 erweitert sich kontinuierlich
vom oberen Ende mit einer Querschnittsfläche Q1 ,
d. h. dem Ort des Eintragens des blähfähigen mineralischen
Materiales 5 in Richtung unteres Ende mit einer Querschnittsfläche
Q2, d. h. dem Austrag des geblähten
Minerales 7 um 80%. Die Querschnittsfläche Q2 des unteren Endes des Strahlungskanales 3 ist
also um den Faktor 1,8 größer als die Querschnittsfläche
Q1 des oberen Endes. An den Oberseiten des
Strahlungskanales 3 sind Auslassrohre 8 angebracht,
die durch das Gehäuse 2 des Exfolationskonverters 1 führen
und dem Auslass von beim Blähen des blähfähigen
mineralischen Granulates 5 entstehenden Brüden-Gasen
dienen. Am unteren Ende des Strahlungskanales 3 sind in
den Strahlungskanal ragend Düsen 9 zur Eindüsung
einer Suspension angeordnet. An den Innenseiten der Seitenwände
des wärmegedämmten Gehäuses 2 sind
allseitig den Strahlungskanal 3 umgebend elektrische Heizelemente 10 angebracht.
Die elektrischen Heizelemente 10 sind in Gruppen ansteuerbar,
wie dies in 2 veranschaulicht ist.
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Zum
Blähen von Vermiculit wird dieses in granulierter Form
dosiert mittels der Zellradschleuse 4 in den Strahlungskanal 3 eingetragen.
Die Vermiculitpartikel 5 gleiten durch die Wirkung der
Schwerkraft zunächst auf der Unterseite des ersten Strahlungskanalabschnittes
bis zum ersten Knick des Strahlungskanales 3. Sie bewegen
sich dann weitgehend im freien Fall, bis sie auf der gegenüberliegenden
Seitenwand des Strahlungskanales 3 auftreffen und großteils
in den Strömungsraum des Strahlungskanals 3 zurückprallen.
Danach bewegen sich die Vermiculitpartikel 5 taumelnd und
springend weiter durch den Strahlungskanal 3. Die taumelnde,
springende Fortbewegung der Vermiculitpartikel 5 wird zum
einen durch die ständige Umlenkung des Partikelstromes
an den Knickstellen des Strahlungskanales 3 und zum anderen
durch zunehmende impulsartige Expansion einzelner Vermiculitpartikel 5 bewirkt.
Insgesamt verweilt ein Vermiculitpartikel ca. 4 s im Strahlungskanal 3 und
ist während dieser Zeit der von der Wandung des Strahlungskanales 3 ausgehenden
Wärmestrahlung ausgesetzt.
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Die
Strahlungstemperatur TS der Kanalwand des
Strahlungskanales 3 beträgt im oberen Teil des Strahlungskanales 3 ca.
650°C. Die Leistungsdichte der Wärmestrahlung
beträgt hier ca. 1,8 W/cm3 Strahlungskanalvolumen.
Die eingetragenen Vermiculitpartikel 5 erfahren einen schockartigen
Wärmeenergieeintrag, verbunden mit einem schnellen Anstieg
der Partikeltemperatur TV, erfolgt. Bereits
im oberen Abschnitt des Strahlungskanales 3 setzt eine impulsartige
Expansion einzelner Vermiculitpartikel 5 ein, die sich
sukzessiv fortsetzt, bis nach und nach alle Vermiculitpartikel 5 expandiert
sind. Die Strahlungstemperatur TS der Kanalwand
wird nach einem ersten Abschnitt, in dem sie konstant hoch gehalten wurde,
stufenweise entlang des Strahlungskanales 3 reduziert,
wie in 2 gezeigt. Sie beträgt am unteren Ende
des Strahlungskanales 3 noch ca. 340°C. Nach einem
schnellen Temperaturanstieg auf die zur Expansion notwendige Partikeltemperatur
werden die Vermiculitpartikel ca. 1,5 s auf dieser Temperatur gehalten.
im letzten Abschnitt des Strahlungskanales erfolgt dann bereits
ein langsames Abkühlen der Vermiculitpartikel.
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Der
erfindungsgemäße Eintrag von Strahlungswärme
in die sich taumelnd und springend bewegenden Vermiculitpartikel 5 ist
besonders schonend und verhindert weitgehend eine Überhitzung des
Minerales sowie Abrasionen an den geblähten Vermiculitpartikeln.
Ungeachtet dessen ist dieser Wärmeenergieeintrag besonders
effektiv, was sich in einer nahezu vollständigen Expansion
des gesamten in den Strahlungskanal 3 eingetragenen Vermiculitgranulates 5 bei
optimiertem Aufwand an elektrischer Prozessenergie niederschlägt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 829567
C [0004, 0004]
- - DE 19722906 A1 [0005]
- - DE 29803450 U1 [0005]
- - DE 29903861 U1 [0005]
- - US 3010911 C [0006, 0006]
- - US 3511485 C [0006, 0006]
- - US 3533610 C [0006]
- - DE 3151164 A1 [0006]
- - DE 2042896 A1 [0006]