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Die Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung, insbesondere einen sog. Innenmischer, mit einem Gehäuse, einer mit einem Stempel verschließbaren Einfüllöffnung und einer Entleerungsklappe die zusammen eine Mischkammer umschließen, und zwei in der Mischkammer vorgesehenen Rotoren, wobei zumindest das Gehäuse über ein von außen mittels zumindest einer Pumpe eines Temperiergerätes zugeführtes Medium temperierbar ist.
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Es ist bekannt, insbesondere zur Mischung von kautschukhaltigen oder anderen zähen oder faserhaltigen Materialien, diskontinuierlich arbeitende Mischvorrichtungen einzusetzen, die eine geschlossene Mischkammer aufweisen, die nach Einfüllen der Bestandteile des zu mischenden Guts über einen Stempel unter Druck verschließbar ist. In der Mischkammer befinden sich zur guten Durchmischung zum Beispiel zwei knetende und walzenartig drehende, parallele Rotoren, die das Mischgut kneten und dabei vermischen. Eine solche Mischvorrichtung wird daher häufig auch als Stempelkneter bezeichnet. Durch die Walk- und Scherarbeit entsteht dabei Wärme, die je nach zu mischenden Materialien, beispielsweise Kautschukmaterialien, unterschiedlich hoch ausfallen kann.
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Die Wärmeentwicklung innerhalb der Mischung führt mit fortschreitenden Mischprozess zu einem Temperaturanstieg in der Mischung. Erreicht die Mischung eine obere Grenztemperatur, besteht die Gefahr einer Schädigung. Mischungen mit eingemischten Reaktionsmitteln beispielsweise, sogenannte Fertigmischungen, führen partiell zu einer ungewollten chemischen Reaktion, und somit zu einer ungewollten punktuellen Vulkanisation. Damit dies nicht geschieht, muss die Mischung frühzeitig, vor Erreichen ihrer Grenztemperatur, ausgeworfen werden. Demzufolge ergibt sich die maximale Mischzeit durch die sich in der Mischung entwickelnden Wärmemenge und das Erreichen der Grenztemperatur.
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Eine Verlängerung der Mischzeit und damit einhergehend eine Verbesserung der Mischungsqualität ist zu erreichen, wenn Wärme über den Innenmischer und ein angeschlossenes Temperiersystem aus der Mischung abgeführt werden kann. Dazu ist eine Temperierung, insbesondere eine Kühlung des Innenmischers vorgesehen. Gekühlt werden alle Bauteile der Maschine, die mit dem Mischgut in Berührung kommen. Dazu gehören die Mischkammer, die Rotoren, der Stempel, die stirnseitig angebrachten Verschleißplatten und die Entleerungsklappe. Um die einzelnen Bauteile des Innenmischers temperieren zu können, sind beispielsweise in der die Mischkammer umgebenden Wandung des Gehäuses mehrere Temperierkanäle vorgesehen, durch die ein Temperiermedium (z. B. Wasser) geleitet wird.
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Die einfachste Art und Weise einen Innenmischer zu kühlen ist, indem dieser an ein am Produktionsstandort vorhandenes Kühlsystem angeschlossen wird. Das Kühlwasser fließt durch den Innenmischer, entnimmt diesem Wärme und fließt mit einer höheren Temperatur als die Eingangstemperatur wieder zurück in das Kühlsystem. Die Eingangstemperatur am Kühlwassereintritt in den Innenmischer wird nicht geregelt. Sie ergibt sich aus den gegebenen Randbedingungen des Kühlsystems (z. B.: Umgebungsbedingungen wie Sommer oder Winterbetrieb, Anzahl der angeschlossenen Maschinen, abgenommene Wärmemenge, Rohrleitungssystem, Kühlwasserpumpe usw.) unter denen dieses betrieben wird. Von diesen Randbedingungen wird auch die durchfließende Kühlwassermenge beeinflusst. Je nach Menge des verbrauchten Kühlwassers aus dem Gesamtsystem schwanken die Drücke (z. B. Vordruck am Kühlwassereinlauf in den Innenmischer, Druck im Kühlwasserrücklauf) und somit auch die Kühlwassermengen, die durch den Innenmischer fließen. Eine derartige Konstellation der Kühlung von einem Innenmischer wird als direkte Kühlung bezeichnet.
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Mit zusätzlichen Temperiergeräten, die zwischen dem Kühlwassernetz des Produktionsstandortes und dem Innenmischer geschaltet werden, kann die Maschine wesentlich kontrollierter temperiert werden. Die Vorlauftemperatur des Temperiermediums zum Mischer hin kann vom Betreiber der Anlage voreingestellt werden und bleibt ganzjährig konstant. Systembedingte Schwankungen der Kühlwassertemperatur im Kühlwassernetz des Produktionsstandortes werden durch Temperiergeräte ausgeglichen. Ein weiterer Vorteil eines Temperiergerätes ist eine nahezu konstante Kühlwassermenge, die durch den Mischer fließt. Somit sind die Kühlbedingungen innerhalb des Mischers wesentlich gleichmäßiger als bei einer direkten Kühlung durch das Kühlwassernetz des Unternehmens. Eine derartige Kühlung wird als indirekte Kühlung eines Innenmischers bezeichnet.
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Durch die Abführung von Wärme aus der Mischung an die metallischen Bauteile des Innenmischers (z. B.: Mischkammer, Rotoren usw.) stellt sich an der Oberfläche dieser Bauteile eine Oberflächentemperatur ein. Diese ist abhängig von Art der Mischung und dem Mischprozess, aber auch von der Wirksamkeit der Temperierung. Oberflächentemperaturen beeinflussen das Mitnahmeverhalten der Mischung, insbesondere bei Rotoren und sind für das Klebeverhalten von Mischungen auf der Oberfläche verantwortlich. Die Temperierung eines Innenmischers hat somit auch einen Einfluss auf das Mischverhalten und die Funktion der Maschine. Durch die Temperierung werden die Oberflächentemperaturen der einzelnen Bauteile eines Innenmischers, mit denen die Mischung in Berührung kommt, beeinflusst. Konstante Bedingungen in der Temperierung tragen somit wesentlich zu einer gleichmäßigen Mischungsqualität und einer störungsfreien Funktion des Mischers bei.
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Mit der Installation von mehreren Temperiergeräten an einem Innenmischer hat der Betreiber die Möglichkeit, das Verhalten der Maschine bzw. einzelner Komponenten der Maschine über die Temperierung zu beeinflussen. So ist es auch möglich, unterschiedliche Bereiche der Maschine mit verschiedenen Vorlauftemperaturen zu temperieren. Dies macht Sinn, um beispielsweise das Klebeverhalten einer Kautschukmischung an der Entleerungsklappe oder am Stempel positiv zu beeinflussen. Anklebende Mischung führt immer wieder zu Störungen an der Maschine, weil beispielsweise Mischungsreste, die noch an der Entleerungsklappe kleben geblieben sind, sich beim Zufahren zwischen Entleerungsklappe und Mischkammer einklemmen. Die Klappe kann nicht geschlossen werden und der Mischer schaltet auf Störung. In der Praxis werden in der Regel mindestens 3 Temperiergeräte an einem Mischer angeschlossen, die einzelne Bereiche der Maschine separat temperieren.
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Ein Temperiergerät besteht aus den folgenden Hauptkomponenten:
- 1. Umwälzpumpe
- 2. Wärmetauscher
- 3. Regelventil für Frischwasser
- 4. Vorratstank
- 5. Heizregister
- 6. Steuerung
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Zwischen einem Innenmischer und einem Temperiergerät wird ein geschlossener Kreislauf aufgebaut. Das im Kreislauf befindliche Wasser wird mit Hilfe der Umwälzpumpe durch den Mischer gefördert und fließt danach wieder zum Temperiergerät zurück. Um die vom Kühlmedium aus dem Mischer transportierte Wärme an das Kühlwassernetz abzuführen, ist das Temperiergerät mit einem Wärmetauscher ausgestattet. Die erforderliche Kühlwassermenge aus dem Kühlwassernetz wird über ein Ventil geregelt. Es wird nur so viel Wärme abgeführt, wie aus dem Mischer heraustransportiert wurde, so dass die eingestellte Vorlauftemperatur stets den gleichen Wert behält.
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Innerhalb des Temperiergerätes kann die Temperatur des Kühlmediums im Vorlauf bei Bedarf durch ein Heizregister angehoben werden. Dies wird gern vor dem Start einer Mischerlinie gemacht, um die metallischen Bauteile des Innenmischers auf Betriebstemperatur zu bringen.
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Beim Betrieb von Temperiergeräten ist es bekannt, die Temperatur des eingeleiteten Temperiermediums voreinzustellen und das Temperiermedium mit der installierten Pumpe ständig mit einem konstanten Volumenstrom durch die Temperierkanäle zu fördern. Derartige Mischer arbeiten in der Regel vollautomatisch, 24 Stunden am Tage mehrere Jahre lang, ohne dass sich das Bedienpersonal um die Temperierung des Mischers kümmern muss. Dabei wird aus Sicherheitsgründen selbst bei stehenden Rotoren, z. B. wenn die Maschine aufgrund einer Störung nicht in Betrieb ist, das Temperiermedium mit konstantem Volumenstrom durch die Temperierkanäle gefördert.
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Bei einer derartigen Betriebsweise von Temperiervorrichtungen werden die für den „worst case” + Reserve ausgelegten Pumpen ständig mit voller Leistung betrieben, obwohl dies aus verfahrenstechnischer Sicht gar nicht notwendig wäre.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mischvorrichtung mit einer verbesserten, eine ausreichende Temperierung gewährleistende, Energie sparenden Temperiervorrichtung zu schaffen. Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Mischvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Hinsichtlich vorteilhafter Ausgestaltungen wird auf die abhängigen Ansprüche 2 bis 6 verwiesen.
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Durch die Erfindung ist in der Ausbildung nach Anspruch 1 eine Mischvorrichtung, insbesondere ein sog. Innenmischer, geschaffen, bei der die Drehzahl der Pumpe zur Zuförderung des Temperiermediums in Abhängigkeit von einer gemessenen Temperatur der Gehäuseinnenwand über eine Steuer/Regelvorrichtung variabel einstellbar ist. Ein variierender Volumenstrom, der in Anhängigkeit der abzuführenden Wärme geregelt wird, kann die verbrauchte Pumpenleistung erheblich reduzieren und somit zu einem geringeren Energieverbrauch und einer verbesserten Umwelt beitragen. Dabei kann die Oberflächentemperatur an der Innenwand der Mischkammer gemessen und dieses Signal als Stellgröße für eine Steuerung des Volumenstroms eines oder mehrerer Temperiergeräte verwendet werden, so dass eine geringstmögliche Energie zur Umwälzung des Temperiermediums im Umlaufkreislauf zwischen Innenmischer und Temperiergeräten verbraucht wird.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zur Steuerung/Regelung der Pumpendrehzahl Messwerte von zumindest einem, dem Gehäuse der Mischvorrichtung zugeordneten Temperatursensor herangezogen werden.
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Dabei können ein oder mehrere Temperatursensoren an einer Innenwandung des die Mischkammer umschließenden Gehäuses angeordnet sein, um damit eine schnelle und direkte Messung zu erhalten. Der eigentliche Temperatursensor kann nach innen zur Mischkammer hin beispielsweise von einer Schutzmembran überdeckt sein. Es ist auch möglich, dass die Innenwandung durchgehend ist und der Sensor direkt dahinter geschützt in der Wandung liegt. Zudem kann zumindest ein Temperatursensor von außen zugänglich und leicht auswechselbar sein, zum Beispiel über eine Einschraubung in eine Wanddurchführung. Etwa ein defekter oder verschmutzter Sensor kann damit leicht ausgewechselt werden, ohne die Mischkammer ansonsten öffnen oder gar demontieren zu müssen.
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Um die Temperierung eines Innenmischers auf Energie sparende Weise durchführen zu können wird vorgeschlagen, dass die Drehzahl der Pumpe zur Zuförderung des Mediums stufenlos steuer/regelbar ist. Dadurch ist eine besonders schnelle und feinfühlige Anpassung der tatsächlichen Temperatur an eine Solltemperatur zu erreichen, und vorteilhaft wird dabei nur so viel Energie verbraucht, wie tatsächlich nötig. Die auf den „worst case” ausgelegten Pumpen müssen damit nicht immer mit voller Drehzahl und somit voller Leistung laufen. Dadurch wird nicht nur der Verschleiß der Pumpen gemindert, sondern auch über die Zeit erhebliche Energie eingespart.
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Dabei dienen zur Steuerung/Regelung der Pumpendrehzahl Eingangsdaten aus dem zumindest einen Temperatursensor im Gehäuse der Mischvorrichtung, so dass das feine und schnelle Reaktionsvermögen der Pumpe auch auf schnell gewonnenen und zuverlässigen Daten beruht, und stets eine sichere, optimale Temperierung erfolgt.
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Von Vorteil ist, wenn das Temperiergerät sowohl zur Temperierung des Gehäuses als auch des Stempels und der Entleerungsklappe als auch der Rotoren dient. Damit lässt sich die Temperatur in der Mischkammer noch besser und dennoch Energie sparend regeln. Dabei können Temperatursensoren nicht nur im Gehäuse sondern auch im Stempel und/oder in der Entleerungsklappe und/oder in den Rotoren vorgesehen sein.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn die Steuer/Regelvorrichtung jeweils die Pumpendrehzahl einer Pumpe zur Temperierung des Gehäuses, einer zweiten Pumpe zur Temperierung des Stempels und der Entleerungsklappe sowie einer dritten Pumpe zur Temperierung der Rotoren steuert, und wenn gegebenenfalls jedem Temperierkreis ein Temperatursensor zugeordnet ist, die alle mit der Steuer/Regelvorrichtung des Temperiergerätes verbunden sind.
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Damit lassen sich die Volumenströme der einzelnen Pumpen individuell steuern, und gegebenenfalls die Temperaturen der einzelnen zu temperierenden Teile der Mischvorrichtung individuell einstellen.
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Sofern als Steuer/Regelvorrichtung ein Temperiergerät als Bestandteil der Vorrichtung vorgesehen ist, das in Abhängigkeit von den Eingangsdaten der Ist-Temperatur in der Mischkammer eine Steuerung der Pumpendrehzahl während des Mischungsprozesses selbständig vornimmt, kann der Prozess voll automatisiert und mit zuverlässigen und schnell erhaltenen Daten gespeist sicher geführt werden. Alarmregelungen, zum Beispiel bei plötzlich auftretender Temperaturerhöhung, die dann z. B. die Pumpen auf volle Drehzahl und somit maximaler Leistung hochfahren, können zusätzlich vorgesehen sein.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus in der Zeichnung dargestellten und nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen des Gegenstandes der Erfindung.
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In der Zeichnung zeigt die Figur eine schematische Ansicht einer Mischvorrichtung, die ein Temperiergerät enthält.
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In der Figur ist eine Mischvorrichtung 1 dargestellt, die aus einem Gehäuse 2 besteht, welches eine Einfüllöffnung 3 aufweist, die durch einen Stempel 4 verschließbar ist. Am unteren Ende des Gehäuses ist eine Entleerungsklappe 5 vorgesehen. Das Gehäuse 2 mit Stempel 4 und Entleerungsklappe 5 schließt eine Mischkammer 6 dicht ab. In der Mischkammer sind Rotoren 7 angeordnet, welche über die Einfüllöffnung 3 eingebrachtes, nicht gezeigtes Mischgut unter entsprechendem Druck des Stempels 4 bei geschlossener Entleerungsklappe 5 mischt und knetet. Über die Entleerungsklappe 5 kann das fertiggestellte Mischgut aus der Mischvorrichtung entnommen werden.
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Beim Mischvorgang entsteht durch die Knetarbeit Wärme, die möglichst aus dem Mischgut abgeführt werden muss, damit dieses nicht zu schnell eine zu hohe Temperatur erlangt. Zum Abführen der Wärme ist das Gehäuse 2 mit Temperierkanälen 8 versehen, die von einem durch ein Temperiergerät 9 bereitgestellte Temperierflüssigkeit durchströmbar sind.
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Auch der Stempel 4, die Entleerungsklappe 5 und die Rotoren 7 können nicht gezeigte Temperierkanäle aufweisen, die an das Temperiergerät 9 angeschlossen sein können, wobei das Temperiergerät 9 für diese weiteren, nicht gezeigten Temperierkanäle auch weitere Temperierkreise aufweisen kann. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass alle Temperierkanäle nur von einem Temperierkreis bedient werden.
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Das Temperiergerät 9 umfasst einen Primärtemperierkreis 10 sowie einen Sekundärtemperierkreis 11 der mit dem nicht gezeigten Kühlmittelnetz in Verbindung steht, wobei der Primärtemperierkreis 10 und der Sekundärtemperkreis 11 über einen Wärmetauscher 12 zum Kühlen des Primärtemperierkreises 10 gekoppelt sind. Im Primärtemperierkreis 10, der mit den Temperierkanälen 8 verbunden ist, sorgt eine Pumpe 13 für die notwendige Umwälzung des Temperiermittels mit entsprechendem Volumenstrom. Ein Temperaturfühler 14 im Primärtemperierkreis 10 misst die Temperatur des den Temperierkanälen 8 zugeleiteten Temperiermediums. Dieser Messwert wird auf einen Regelkreis 15 mit entsprechendem Regelventil gegeben, der den Sekundärtemperierkreis 11 des Wärmetauschers 12 derart steuert, dass am Temperaturfühler 14 die Solltemperatur eingehalten wird.
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Zum Temperiergerät 9 gehört weiterhin mindestens ein Temperatursensor 16, der in der Wandung des Gehäuses 2 der Mischvorrichtung 1 angeordnet ist. Über den Temperatursensor 16 wird die Temperatur an der Innenwandung des Gehäuses 2 ermittelt. Dieser Temperatursensor 16, beispielsweise ein Halbleitersensor, kann möglichst nahe der Innenwandung des Gehäuses 2 angeordnet sein. Er kann aber auch zur Mischkammer 6 hin offen bzw. von einer Schutzmembran oder ähnlichem überdeckt sein. Ebenfalls günstig, jedoch nicht zwingend, ist der Temperatursensor 16 von außen zugänglich und auswechselbar. Hier ist zu diesem Zweck eine gedichtete Wanddurchführung vorgesehen, in die ein Halter den Sensors 16 von außen eingeschraubt ist.
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Im Stempel 4, der Entleerungsklappe 5 sowie in den Rotoren 7 bzw. deren nicht dargestellten Temperierkanälen zugeordnet, können weitere Temperatursensoren vorgesehen sein, die dann ebenfalls, nicht dargestellt, mit dem Temperiergerät 9 verbunden sind.
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Der Temperatursensor 16 ist mit einer Steuer/Regelvorrichtung 17 verbunden, welcher Sollwerte für die Gehäuseinnenwandungstemperatur vorgebbar sind. Die Steuer/Regelvorrichtung 17 macht mit den vorgegebenen Sollwerten und den von dem Temperatursensor 16 und/oder Temperaturfühler 14 stammenden Temperaturistwerten einen Soll-Ist-Vergleich und steuert/regelt die Drehzahl der Pumpe 13 gemäß einem vorgebbaren Temperatur/Drehzahl-Kennfeld so, dass für eine optimale Kühlung eine möglichst minimale Pumpendrehzahl eingestellt wird.
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Die Steuer/Regelvorrichtung 17 beeinflusst dabei einen Frequenz-Umrichter, über den die Pumpe 13 in ihrer Drehzahl eingestellt werden kann. Dabei wird der Frequenz-Umrichter egal ob es sich um einen zwei- oder vierpoligen oder noch mehrpoligeren Motor handelt in der Regel nur die Frequenz vermindern, so dass normalerweise die Motoren z. B. mit 50 Hertz mit einer entsprechenden Drehzahl laufen und bei dieser Drehzahl in ihrer Förderleistung auf den Worst Case ausgelegt sind. Obwohl für den Frequenz-Umrichter auch höhere Frequenzen einstellbar und damit höhere Drehzahlen des Motors erreicht werden können, wird in der Regel nur nach unten umgerichtet, so dass die Drehzahl des Motors der Pumpe 13 abnimmt. Da die Leistungsaufnahme des Motors der Pumpe in der dritten Potenz von der Drehzahl abhängig ist, wird damit bei Verminderung der Frequenz und der damit verbundenen Verminderung der Drehzahl erheblich Energie eingespart.
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So kann die Pumpe, z. B. die bisher Jahre lang mit voller Leistung durchbetrieben wurde, im Falle des Befüllens der Mischvorrichtung 1 auf einer Minimaldrehzahl laufen und dabei erheblich Energie sparen. Aus Sicherheitsgründen, und um beim jeweiligen Einschalten der Pumpe 13 den hohen Anlaufstrom zu vermeiden, soll die Pumpe 13 auch beim Befüllen der Mischvorrichtung 1 nicht ausgeschaltet werden. Aber auch während des Betriebs kann, je nachdem welche Materialien gemischt werden und wieviel Wärme dabei aus der Mischkammer 6 abgeführt werden muss, die Drehzahl der Pumpe 13 reduziert werden, so dass es auch während des Betriebes zu erheblichen Energieeinsparungen kommt.
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Da je nach Größe der Temperierkreisläufe Pumpen mit Anschlussleistungen von 6 KW und mehr Anwendung finden, lässt sich hier schon allein beim Herunterfahren der Drehzahl während des Be- bzw. Entladevorgangs der Mischvorrichtung 1 über die Jahre erhebliche Energiemengen einsparen, so dass verglichen mit einer stets auf voller Drehzahl laufender Pumpe in der Regel weniger als 50% der Energie benötigt wird.
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Bei längeren Stillstandzeiten, z. B. bei Wartung der Mischvorrichtung 1 kann die Pumpe 13 ganz abgeschaltet, und nach Abschluss der Wartung mit geringst möglicher Drehzahl wieder angefahren werden. Dies führt zudem zu einem geringeren Anlaufstrom als wenn mit voller Drehzahl angefahren würde. Aus diesem Grunde kann auch die maximale Anschlussleistung geringer gewählt werden.
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Es versteht sich, dass eine derartige Mischvorrichtung 1 für verschiedene Materialien einsetzbar ist, insbesondere auch für schwere, zähe, kautschukhaltige Stoffe, wie sie etwa in der Reifenindustrie zu mischen sind, wobei das Temperiergerät 9 auch bei unterschiedlichen Anforderungen eine optimale, Energie sparende Temperierung gewährleistet. Dabei kann sogar, für das Anfahren der Mischvorrichtung 1 mit bestimmten Mischungen über ein im Primärkreislauf 10 angeordnetes Heizregister 18 zunächst eine Heizung der Mischerwandung vorgenommen werden. Das Heizregister 18 kann dann während des Betriebes abgeschaltet und der Primärkreislauf 10 zum oben beschriebenen Kühlen verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mischvorrichtung
- 2
- Gehäuse
- 3
- Einfüllöffnung
- 4
- Stempel
- 5
- Entleerungsklappe
- 6
- Mischkammer
- 7
- Rotoren
- 8
- Temperierkanäle
- 9
- Temperiergerät
- 10
- Primärtemperierkreislauf
- 11
- Sekundärtemperierkreislauf
- 12
- Wärmetauscher
- 13
- Pumpe
- 14
- Temperaturfühler
- 15
- Regelkreis
- 16
- Temperatursensor
- 17
- Steuer/Regelvorrichtung
- 18
- Heizregister
