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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und Verfahren zur Trocknung von Feststoff-Flüssigkeits- Gemischen, insbesondere von Ammoniumsulfat-Lösungen.
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Aus der älteren
deutschen Patentanmeldung 10 2017 118 344 ist eine Vorrichtung zum Aufschluss von organischen Substraten und zur Gewinnung einer Ammoniumsulfat-Lösung - im Folgenden mit ASL bezeichnet - bekannt. Das gewonnene ASL kann als Dünger in der Landwirtschaft verwendet werden.
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Das mit der genannten Vorrichtung gewonnene ASL liegt regelmäßig als flüssiger Mineraldünger vor, wodurch es aufwändig zu lagern und schwierig zu transportieren ist. Dies gilt entsprechend für alle Feststoff- Flüssigkeits- Gemische. Flüssiglagertanks für ASL erfordern hohe Investitionskosten und unterliegen Genehmigungs- und Prüfverfahren. Die „Flüssigausbringung“ ist aufwändig und die Düngergabe von Stickstoff und Schwefel ist nicht optimal an das Pflanzenwachstum anpassbar. Dabei ist lediglich der Feststoff-Anteil für die weitere Verwendung von Interesse.
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Aus der deutschen Patentanmeldung
DE 30 43 166 A1 ist ein Vakuumtrockner bekannt, der aus einem im wesentlichen luftdicht abgeschlossenen Gehäuse besteht, in welchem beheizte Rotationskörper um eine Welle drehen, auf die feststoffenthaltende Flüssigkeit aus wenigstens einer Sprüheinrichtung aufgebracht wird, welcher Schaborgane für das Abschaben der Rotationskörperoberfläche nachfolgen, wobei das die Rotationskörper beinhaltende Gehäuse über einen Filter mit einer Einrichtung in Verbindung steht, welche einen Kondensator aufweist.
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Aus der deutschen Patentschrift
DE 466 500 A ist eine schachtartige Trockenvorrichtung für feuchte Massengüter bekannt, bei der eine Mehrzahl von Rieselflächen übereinander angeordnet ist. Die Rieselflächen werden durch drehbare, in der Mitte gekröpfte Schaufeln gebildet, die an der Kröpfstelle mit Durchlassöffnungen für das Trockengut versehen sind. Die zur Verwendung kommenden Trockengase werden so geführt, daß sie entsprechend der jeweiligen Stellung der Schaufeln in der einen oder andern Richtung diagonal den Schacht durchströmen.
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Die britische Patentschrift
GB 277 652 A zeigt eine rotierende Abstreifvorrichtung; mit der z.B. Ammoniumsalze in einer Zentrifuge teilweise getrocknet werden und danach durch einen Trichter in eine Kammer geleitet und von rotierenden Abstreifern über übereinanderliegende Platten zu einer drehbaren Entladeplatte im Gegenstrom mit Heißluft getrocknet werden.
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Aus dem US-Patent
US 2 710 456 A Ist ein Verfahren und eine Vorichtung zur Trocknung, Neutralisierung und Ausbringung von Ammonium Salzen und anderen granulären Substraten bekannt. In einem Trockenschrank, wird eine milde, aber dennoch schnelle Trocknung empfindlicher Materialien durchgeführt, beispielsweise von Materialien zur Verwendung bei der Herstellung von Arzneimitteln. Der Trockenschrank und seine zugehörigen Schalen sind so angeordnet, dass die auf den Schalen ruhenden Materialien der Wärme durch Strahlung von oben und auch der Wärme von Heizelementen, die in den Böden der Schalen angeordnet sind, ausgesetzt sind, insbesondere einem Dampfmantel, der den Boden der Schale bedeckt, während gleichzeitig der Raum, in dem die Schale platziert ist, mit einem Vakuum verbunden ist, so dass der Dampf der Trockengüter schnell gezogen wird.
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Schließlich offenbart die deutsche Patentanmeldung
DE 10 2010 052 640 A1 ein Verfahren zur Sorptionstrocknung, bei dem das zu trocknende Gute einer Wärmebehandlung unterzogen und der entstehende Brüden über ein Sorbens aus einer wässrigen Alkalisalzlösung, bevorzugt einer konzentrierten, wässrigen Lösung von Kaliumcarbonat mit 50-100% Sättigung geleitet wird, wobei die Grenzfläche zwischen Brüden und Alkalisalzlösung durch technische Maßnahmen flächenmäßig großgehalten wird, wobei die erhaltenen Wertstoffe zu Wirtschaftsdünger, Ammoniumhydrogencarbonat, Wasser, CO2 weiterverarbeitet werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Trocknung von Feststoff- Flüssigkeits- Gemischen (die zum Beispiel als Suspensionen und Lösungen vorliegen können), insbesondere von Ammoniumsulfat-Lösungen zur Verfügung zu stellen, mit der die Flüssigkeit weitgehend entzogen werden kann. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, ein streufähiges Trockenprodukt mit annähernd standardisierter Korngröße aus einer Ammoniumsulfat - Lösung zu gewinnen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Trocknung von Feststoff- Flüssigkeits-Gemischen gelöst, mit einer Trockenkammer, die im unteren Bereich mindestens eine Öffnung aufweist, wobei die mindestens eine Öffnung von einem Auffangbehälter luftdicht umfasst ist, wobei die Trockenkammer ferner einen Dampfauslass, sowie eine über einen Aktuator reversierend drehbare Welle W aufweist, wobei die Welle zentrisch in der Trockenkammer angeordnet ist, wobei an der Welle beheizbare Wannen befestigt sind und wobei ein Heißwasser- oder Dampfkreislauf mit Vor- und Rücklauf vorgesehen ist, der über die Welle und die beheizbaren Wannen geschlossen ist und wobei eine Befüllungsvorrichtung für die Wannen vorgesehen ist.
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Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, dass im Auffangbehälter eine Zerkleinerungsvorrichtung angeordnet ist. Dadurch kann der gewonnene Feststoff beliebig fein zerkleinert werden.
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Zur Ausschleusung der Feststoffe ist es vorteilhaft, eine Vakuumschleuse vorzusehen. Diese Maßnahme stellt sicher, dass das zerkleinerte Material möglichst ohne Unterdruckverluste ausgebracht werden kann.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, dass die Zerkleinerungsvorrichtung eine Austragsschnecke ist. Bestimmte Feststoffe, insbesondere Amoniumsulfat, zerfallen nach der Trocknung so leicht, dass die mechanische Einwirkung durch eine Schnecke ausreicht, sie fein zu zermahlen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist am Ende der Austragschnecke ein mit einer Schließvorrichtung verschließbarer Austragbereich vorgesehen, der so ausgestaltet ist, dass sich zwischen der Schließvorrichtung und dem Ende der Austragschnecke ein annähernd vakuumdichter Pfropfen bildet. Durch diese Maßnahme kann auf eine gesonderte Vakuumschleuse verzichtet werden, da der Pfropfen für die Luftdichtheit sorgt. Selbstverständlich kann aber auch eine Luftschleuse am Ende der Austragschnecke vorgesehen werden, wenn zum Beispiel bei bestimmten Feststoffen der Pfropfen nicht luftdicht genug ist.
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Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, dass am Dampfauslass der Trockenkammer ein Kondensator und eine Vakuumpumpe angeschlossen sind. Dadurch kann die Trocknung optimiert unter Vakuum erfolgen.
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Schließlich ist es vorteilhaft, Mittel zur Einleitung einer Vibration an die Wannen (W1 - W4) vorzusehen, damit der Feststoff leichter abfällt, bzw. abgerüttelt werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch das in den Verfahrensansprüchen definierte Verfahren gelöst.
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Dabei besteht eine vorteilhafte Ausbildung des Verfahrens darin, dass der Feststoff in einer Pelletieranlage pelletiert wird. Die Pellets können dabei in eine streufähige Größe gebracht werden, so dass der Feststoff, beispielsweise Ammoniumsulfat mit einem Streuwagen oder einer anderen Streuvorrichtung zur Düngung ausgebracht werden kann.
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Die Vorrichtung und das Verfahren werden im Folgenden näher beschrieben. Dabei zeigen:
- 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Vakuumschleuse
- 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Austragschnecke SE
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Dabei ist mit PT ein Puffertank bezeichnet, der eine zu trocknende Ammoniumsulfat-Lösung ASL enthält. - Im Folgenden wird auf die Trocknung einer Ammoniumsulfat-Lösung Bezug genommen, jedoch kann die Vorrichtung und das Verfahren für jedes Feststoff- Flüssigkeits- Gemisch oder jede Feststoff- Flüssigkeits-Lösung/Suspension verwendet bzw. durchgeführt werden. Die Ammoniumsulfat-Lösung kommt beispielsweise aus einem Gärresteverdampfer GRV, beispielsweise aus einer in der Eingangs genannten Patentanmeldung beschriebenen Vorrichtung. Die Ammoniumsulfat-Lösung gelangt über einen Verteiler VT und die Leitungen L1 bis L4 in die Trockenkammer T.
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In der Trockenkammer T sind vier Wannen W1 bis W4 übereinander angeordnet. Sie sind an der Welle W starr befestigt. Die Welle W kann über einen hier nicht näher gezeigten Aktuator reversierend gedreht werden. Die Wannen können ähnlich wie herkömmliche Heizkörper beheizt werden. Dazu sind sie über einen Heiz- oder Dampfkreislauf mit Vor- und Rücklauf VL, RL angeschlossen. Dieser Heizkreislauf wird von außen in die Trockenkammer T über die Welle W mittels Drehdurchführungen und von dieser über die starre Wannenverbindung WV an die Wannen W1-W4 geführt. Die Anzahl der Wannen ist natürlich vom Fachmann frei wählbar und hängt nicht zuletzt auch von den Abmessungen bzw. vom Durchmesser der Trockenkammer ab. Der Übersichtlichkeit halber ist der jedem Fachmann bekannte Heizkreislauf nicht detaillierter beschrieben. Das Heißwasser kann beispielsweise von einem Blockheizkraftwerk BHKW zur Verfügung gestellt werden.
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Im Ausführungsbeispiel ist die Trockenkammer T rohrförmig dargestellt. Es könnte aber auch eine rechteckförmige Trockenkammer verwendet werden. Die Wannen müssen sich mit der Welle um mindestens 90Grad drehen lassen, was durch den Umkreis um die Wannen, der den Freiheitsgrad der Drehbewegung darstellt, symbolisiert ist.
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Die Trockenkammer T weist in ihrem unteren Bereich mindestens eine Öffnung OE auf (gestrichelt gezeichneter Rohrumfang der Trockenkammer T; die „Strichelung“ symbolisiert lediglich die Öffnung OE und nicht deren konstruktive Gestaltung). Diese Öffnung OE wird luftdicht von einem Auffangbehälter B abgedeckt, der beispielsweise angeschweißt oder luftdicht angeschraubt oder genietet, etc. sein kann.
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Die Öffnung OE kann sich dabei nahezu über die Länge der Trockenkammer T erstrecken und soll so groß ausgeführt sein, dass möglichst der getrocknete Feststoff in den Auffangbehälter B fallen kann. Soweit die Größe der Öffnung OE die Trockenkammer T mechanisch instabil machen könnte, kann diese zum Beispiel mit Metall-Reifen oder anderen Mitteln stabilisiert werden. Beispielsweise könnte der Behälter B, entsprechend stabil ausgelegt werden, so dass er die nötige Stabilität auch für die Trockenkammer T gibt. Es können aber auch mehrere Öffnungen OE in die Unterseite der Trockenkammer eingebracht werden, so dass das zwischen den Öffnungen OE verbleibende Material der Wand der Trockenkammer T für die nötige Stabilität sorgt.
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Im Auffangbehälter B befindet sich eine Zerkleinerungsvorrichtung Z, die hier nur symbolisch dargestellt ist. Am unteren Ende ist des Behälters B ist eine Vakuumschleuse mit den Klappen K1, K2, der Schleusenkammer SK und dem Ventil V angebracht. Über das Ventil V kann in der Schleusenkammer SK der gleiche Unterdruck wie in der Einheit aus Behälter B und der Trockenkammer T erzeugt werden, so dass beim Ausschleusen des Feststoffes in die Schleusenkammer SK kein Vakuumverlust entsteht.
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Die Trockenkammer T verfügt weiter über einen Dampfauslass DA, an dem ein Kondensator KS und eine Vakuumpumpe VP1 angeschlossen sind. Der Kondensator KS kann über die Leitung KW mit Kühlwasser gekühlt werden. Über die Leitung L5 wird das Kondensat in einen nicht dargestellten Ausschleustank geführt.
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Es ist sinnvoll, die Trockenkammer T sowie den Auffangbehälter von außen zu isolieren oder sogar zu beheizen um die Entstehung von Kondensat zu verhindern, das ansonsten dem Trocknungsprozess zuwiderlaufen würde. Dazu könnte die Trockenkammer T und der Auffangbehälter aus sogenannten Pillow Plates hergestellt werden oder es könnten Heiztaschen aufgeschweißt werden.
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Zur Trocknung der Ammoniumsulfat-Lösung ASL wird diese aus dem Puffertank PT über den Verteiler VT und die Leitungen L1 - L4 in die Wannen W1 bis W4 verbracht. In den Leitungen L1 - L4 sind jeweils ein Ventil und ein Durchflussmesser angebracht. Im Ausführungsbeispiel sind diese Komponenten V4, D4 der Übersichtlichkeit halber nur an der Leitung L4 dargestellt. Damit kann die Befüllung der Wannen W1 bis W4 gesteuert werden.
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In einer bevorzugten Ausführung können im Verteiler VT für jede der Leitungen L1 - L4 - hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellte - Behältnisse vorgesehen sein, deren Fassungsvermögen dem der jeweiligen Wanne W1 - W4 entsprechen. Diese Behältnisse werden dann mit der Ammoniumsulfat-Lösung aus dem Puffertank PT befüllt, wobei mit einem Füllstandsmesser (Niveausonde) oder mit einem Überlaufdetektor die Füllgrenze detektiert wird und der weitere Zufluss gestoppt wird. Bei dieser Ausführung kann auf die Ventile V4 und Durchflussmesser D4 in allen Leitungen L1-L4 verzichtet werden. Die Befüllung der Wannen W1 - W4 vom Puffertank PT über den Verteiler VT soll möglichst ohne Pumpe mittels potentieller Energie erfolgen.
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Die Wannen W1 - W4 werden so entsprechend ihres Fassungsvermögens mit ASL befüllt, und die ASL wird durch das Beheizen der Wannen W1 - W4 getrocknet. Der entstehende Dampf wird durch die Vakuumpumpe VP1 über den Dampfauslass und den Kondensator abgesaugt, wobei gleichzeitig ein Unterdruck in der Trockenkammer T erzeugt wird. Dadurch wird der Trocknungsprozess beschleunigt. Wenn die ASL ausreichend getrocknet ist, wird die Welle W um mehr als 90 Grad gedreht, so dass das getrocknete Ammoniumsulfat über die Wannenränder von den Wannen W1-W4 fällt. Damit das Ammoniumsulfat nicht anbackt, können die Wannen beschichtet sein, beispielsweise mit einer Fluorpolymerbeschichtung. Weiter können Mittel zur Einleitung einer Vibration an die Wannen (W1 - W4) vorgesehen werden. Über die Welle W kann beispielsweise ein mechanischer Impuls, wie eine reversierende und/oder eine axiale Rüttelbewegung eingeleitet werden, damit das AS leichter abfällt. Es kann aber auch ein Vibrationsmotor vorgesehen werden, der den ganzen Trockner durchrüttelt, und/oder es könnten Anschläge vorgesehen werden, gegen die die Wannen beim (reversierenden) Drehen stoßen.
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Die dünnen, getrockneten Feststoff-Platten, die während der Trocknung ähnlich wie eine trockene Erdkrumme gerissen sind, fallen durch die Öffnung(en) OE, in den Auffangbehälter B und von dort in bzw. auf die Zerkleinerungsvorrichtung Z. Im Auffangbehälter B, der durch die Öffnung(en) OE quasi mit der Trockenkammer T eine Einheit bildet, herrscht derselbe Unterdruck wie in der Trockenkammer T.
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Der getrocknete Feststoffanteil kann mit der Zerkleinerungsvorrichtung Z in eine gewünschte Korngröße zerkleinert werden. Handelt es sich um getrocknetes Ammoniumsulfat - im Folgenden mit AS bezeichnet - oder um andere Feststoffe, die leicht zerfallen, dann zerfallen diese mehr oder weniger von selbst und können direkt über eine Austragschnecke SE in mehr oder weniger pulvriger Form ausgebracht werden, d. h. die Austragschnecke SE wirkt durch ihre Dreh- und Förderbewegung wie eine Zerkleinerungsvorrichtung.
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Das Ammoniumsulfat bzw. der Feststoff wird dann über die Vakuumschleuse K1, K2, SK, V, ausgeschleust und fällt bedingt durch die Schwerkraft zuletzt über die Klappe K2 in eine hier nicht dargestellte Pelletieranlage oder einen weiteren ebenfalls nicht dargestellten Auffangbehälter.
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2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Austragschnecke SE. Auf die Darstellung der bereits aus 1 bekannten Elemente, wird der Übersichtlichkeit halber verzichtet.
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In der Seitenansicht der 2 ist die Einspeisung der Amoniumsulfatlösung aus dem Puffertank PT (1) über die Leitungen L1 - L4 nochmals dargestellt. Die Leitungen L1 - L4 führen hier von der Stirnseite der Trockenkammer T in diese hinein. Die Wannen W1 - W4 sind dabei so angebracht, dass sie sich möglichst dicht an der inneren Stirnseite der Trockenkammer T befinden, so dass sie über die Leitungen L1 - L4 möglichst verlustfrei befüllt werden können. Es ist auch möglich, die Wannen über ein Rohrsystem zu befüllen, dass wie der Heizungsvor- und Rücklauf über die Welle an die Wannen W1-W4 gebracht wird.
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Unterhalb der Öffnung(en) OE (auch hier gibt die Strichelung nicht die tatsächliche Gestaltung der Öffnung(en) OE wieder) der Trockenkammer T ist ein konischer Auffangbehälter B angeordnet, in dessen unteren Ende sich die Austragschnecke SE befindet, die über die ganze oder einen Teil der Länge der Trockenkammer T verläuft und in den rohrförmigen Austragbereich AB hineinreicht. Der Feststoff fällt durch die Öffnung(en) OE direkt auf die Austragschnecke SE und wird von dieser - angetrieben durch den Motor M - in den Austragbereich AB gefördert. Dabei reicht die Bewegung der Austragschnecke SE aus, um den Feststoff weiter zu pulverisieren bzw. zu zerkleinern. Am Ende des Austragbereiches AB ist ein Schieber als Schließvorrichtung S angeordnet, mit dem der Austragbereich AB verschlossen und geöffnet werden kann. Bei verschlossenem Schieber S bildet sich im Austragbereich, also zwischen dem Schieber S und dem Ende der Austragschnecke SE ein Pfropfen P, durch den ein weitgehend luftdichter Abschluss gewährleistet wird, so dass das Vakuum in der Trockenkammer T und dem Behälter B erhalten bleibt. Bei geöffneter Schließvorrichtung S wird nur so viel Feststoff ausgebracht, dass immer noch ein luftdichter Pfropfen im Austragbereich AB verbleibt.
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Anstelle der Schließvorrichtung S und des Austragbereiches AB kann am Ende der Austragschnecke SE auch die aus 1 bekannte Vakuumschleuse mit den Klappen K1, K2, der Schleusenkammer SK und dem Ventil V vorgesehen werden.
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Das getrocknete Ammoniumsulfat kann dann einer Pelletier Vorrichtung zugeführt werden, die Pellets in gewünschter Größe herstellen kann, so dass ein in Form von Pellets streufähiger Dünger vorliegt, der - ähnlich wie im Winter das Streusalz auf den Straßen - mit einer Streuvorrichtung ausgebracht werden kann. Für die Pelletierung kann dem Feststoff, hier dem Ammoniumsulfat, wieder Feuchtigkeit zugeführt werden, damit die Pellets gut zusammenbacken. Vorteilhaft ist es aber, den Trocknungsprozeß so zu steuern, dass der Feststoff noch genügend Feuchtigkeit für eine optimale Pelletierung enthält.
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Soweit eine zu trocknende Ammoniumsulfat-Lösung ASL aus einer Gäresteverdampfungsanlage GRV kommt, kann die Trocknungsanlage in die Gäresteverdampfungsanlage GRV eingebunden werden. Das heißt, dass sie von der GRV die Heizenergie bezieht, dass bestehende Vakuumpumpen und Kondensatoren verwendet werden können und eine gemeinsame Steuerung vorgesehen ist.
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Durch beim Trocknungsvorgang verspritzendes ASL (das ASL wird quasi gekocht) kann ASL an alle Stellen im Innenraum gelangen. Die verdunstende Flüssigkeit kann dann Salzkristalle hinterlassen. In diesem Fall kann auf empfindliche Punkte (Lager, Durchführungen, Sensoren) im Innenbereich Düsen, beispielsweise Vollkegeldüsen, gerichtet werden, die in automatisierten Intervallen Wasser versprühen. Das Wasser kann aufgefangen werden und anschl. im Trockner regulär verdampft werden.
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Die gesamte Vorrichtung kann samt Peripherie in einen Standard-20 ft Container montiert werden. Der Container soll vorne und hinten zu öffnen sein.
