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Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiges Verfahren ist aus der Praxis bekannt. In einem dem Extruder nachgeschalteten Granulator erfolgt die Granulierung des extrudierten Materialstrangs, beispielsweise in Form einer Stranggranulierung, Wasserring-Granulierung oder Unterwasser-Granulierung. Zusätzlich dazu, den aus dem Extruder austretenden Materialstrang in eine Vielzahl der als Granulat bezeichneten Teilstücke zu zerteilen, wird im Bereich des Granulators das Kunststoffmaterial auch gekühlt, typischerweise mithilfe eines flüssigen Kühlmittels, wobei in der Praxis üblicherweise Wasser als Kühlmittel verwendet wird.
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Eine modellhaft angenommene Anlage zur Herstellung von Kunststoffgranulat weist beispielsweise folgende Eckdaten auf: ein Extruder erzeugt 1 t Kunststoffmaterial pro Stunde. Dieses Material verlässt den Extruder mit einer Temperatur von etwa 200°C. Es wird mithilfe einer Kühlflüssigkeit auf etwa 40°C heruntergekühlt, um seine Verpackungstemperatur zu erreichen, mit welcher das Material beispielsweise in Big Bags oder Oktabins verpackt werden kann und bei welcher ausgeschlossen ist, dass die einzelnen Granuli aufgrund der ihnen innewohnenden Restwärme miteinander verkleben können. In der zur Extrusion und Granulation verwendeten Anlage wird Wasser als Kühlflüssigkeit verwendet und im Kreislauf geführt, beispielsweise eine Wassermenge von etwa 500 bis 2.000 I. Um das Wasser, welches durch das extrudierte Kunststoffmaterial erwärmt wird, auf eine ausreichend niedrige Temperatur herunterzukühlen, welche die gewünschte Abkühlung des extrudierten Materials ermöglicht, muss in dieser modellhaften Anlage eine Kälteleistung von etwa 100 bis 140 kW installiert sein.
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Außerdem wird das zu extrudierende Rohmaterial üblicherweise von anhaftendem Wasser befreit, bevor es in den Extruder gelangt, um im Extruder die Bildung von Dampfblasen möglichst zu verhindern. In der Praxis ist zu beobachten, dass das angelieferte Rohmaterial eine Restfeuchte von etwa 10 % aufweisen kann. Häufig erfolgt die Trocknung mittels eines thermischen Trockners. Jeder Liter Wasser, der entfernt werden soll, erfordert eine installierte Trocknungsleistung von etwa 1 kW.
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Das Herstellen von Kunststoffgranulat besteht im Kern aus den beiden Verfahrensschritten des Extrudierens und anschließenden Granulierens. Über die für diese Kernprozesse notwenige Prozessenergie hinaus erfordert in der Praxis das Herstellen von Kunststoffgranulat einen erheblichen zusätzlichen Energieaufwand für Nebenprozesse, nämlich zum Trocknen des Rohmaterials und zum Kühlen des extrudierten und granulierten Materials.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren dahingehend zu verbessern, dass die Herstellung von Kunststoffgranulat mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad hinsichtlich der dazu erforderlichen installierten Leistung und mit einer möglichst geringen Umweltbelastung durchgeführt werden kann. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine zu Durchführung dieses Verfahrens geeignete Anlage anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine Anlage nach Anspruch 13.
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Die Erfindung schlägt mit anderen Worten vor, das Kühlmittel, welches im Granulator erwärmt worden ist, einer Wärmepumpe zuzuführen. Zu diesem Zweck kann das Kühlmittel in einer Ausgestaltung des Verfahrens unmittelbar der Wärmepumpe zugeführt werden, so dass es seinen Wärmeinhalt direkt an die Wärmepumpe übertragen kann. Alternativ können in einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens zwei Wärmeträger-Kreisläufe genutzt werden, so dass das den Granulator durchströmende und in einem ersten Kreislauf geführte Kühlmittel seinen Wärmeinhalt mittelbar an die Wärmepumpe abgeben kann, indem die Wärmepumpe beispielsweise an einen Wärmetauscher angeschlossen ist, der in den ersten Kreislauf eingebunden ist. Der zweite Kreislauf, nämlich der die Wärmepumpe durchströmende Wärmeträger, kann auf diese Weise frei von Belastungen gehalten werden, die möglicherweise den ersten Kreislauf belasten, nämlich beispielsweise Schmutzfrachten oder aus dem Granulierprozess resultierende Partikel.
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Mittels der Wärmepumpe kann bei einem vergleichsweise geringen energetischen Aufwand ein vergleichsweise hohes Temperaturniveau eines in der Wärmepumpe erwärmten Wärmeträgers erreicht werden, das ansonsten einen höheren Einsatz separater Energieträger erfordern würde, beispielsweise durch die Verbrennung von endlichen Rohstoffen wie Gas oder Öl. Im Vergleich zu der Temperatur, die das erwärmte Kühlmittel aufweist, ermöglicht das deutlich höhere Temperaturniveau, welches der Wärmeträger aufweist, die Nutzung der Wärme als Prozess- oder Heizwärme.
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Die Prozesswärme kann beispielsweise in dem vorschlagsgemäßen Verfahren selbst genutzt werden, z. B. für eine Trocknung des eingesetzten Rohmaterials. Die Wärme kann in Form von Konvektions- und / oder Strahlungswärme genutzt werden, beispielsweise indem Gehäusewände, Rotorachse, Paddelarme und / oder Paddel des Trockners beheizt werden, oder indem Heißluft in den Trockner eingeblasen wird. Wenn ein flüssiger Wärmeträger verwendet wird, kann die Wärme des warmen Wärmeträgers zur direkten Erwärmung von Bestandteilen des Trockners genutzt werden, indem der flüssige Wärmeträger beispielsweise in die Gehäusewände, die Rotorachse, die Paddelarme und / oder die Paddel des Trockners geleitet wird. Oder die Wärme des warmen Wärmeträgers kann zur indirekten Erwärmung von Bestandteilen des Trockners genutzt werden, indem die im flüssigen Wärmeträger enthaltene Wärme an ein Gas übertragen wird, z. B. mittels eines Luft-/Wasser-Wärmetauschers, und dieses Gas in die jeweiligen Bestandteile des Trockners geleitet wird, um diese aufzuheizen.
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Insbesondere wenn kein jungfräuliches Kunststoffmaterial als Rohmaterial zur Herstellung des Granulats verwendet wird, sondern wenn das Rohmaterial vielmehr Recyclingmaterialien enthält, nämlich Recycling-Kunststoff, aber auch faserige Anteile, z.B. von Pflanzenfasern, hat das hergestellte Granulat einen geringeren wirtschaftlichen Wert als aus jungfräulichem Kunststoffmaterial erzeugtes Granulat. Mit der vorgeschlagenen Verfahrensweise können die Herstellungskosten verringert werden, da für die Nebenprozesse wie Trocknen oder Kühlen die ohnehin in den Kernprozessen anfallende Prozesswärme genutzt werden kann.
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Das vorschlagsgemäße Herstellungsverfahren bietet zwei Vorteile: die Belastung der Umwelt wird insofern verringert, als die Abwärme des extrudierten Materials nicht einfach in die Umwelt abgegeben wird, beispielsweise indem das Kühlmittel durch einen Kühler geführt wird, der von Umgebungsluft durchströmt wird und das Kühlmittel dadurch abgekühlt wird, dass dessen Wärme an die Umgebungsluft abgegeben wird. Vielmehr wird die vom Kühlmittel aufgenommene Wärme durch die vorschlagsgemäß vorgesehene Wärmepumpe nutzbar gemacht, wie nachfolgend noch näher erläutert wird. Ein zweiter Vorteil kann sich in wirtschaftlicher Hinsicht dadurch ergeben, dass durch die Nutzung der im Kühlmittel enthaltenen Wärme der Einsatz von separat erzeugter Prozesswärme an anderer Stelle erübrigt oder reduziert werden kann.
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Auch ist eine Nutzung der Wärme möglich, die in den Zonen entsprechender Temperatur, insbesondere beispielsweise in den heißen Zonen des Extruders, des Schmelzefilters oder ähnlichen Komponenten der Anlage entstehen und die in Form von Strahlungswärme abgegeben wird. Auch die Strahlungswärme kann zum Aufheizen eines Wärmeträgers genutzt werden, um beispielsweise Warmluft zu erzeugen, die ebenfalls z.B. für die Trocknung von feuchten Vormaterial genutzt werden kann.
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Das Kühlmittel, z.B. Wasser, verlässt beispielsweise mit einer Temperatur von 40 °C den Granulator, denn das im Kreislauf geführte Wasser dient dazu, dass im Granulator erzeugte Kunststoffgranulat auf die Verpackungstemperatur von 40 °C zu kühlen, so dass der Kühlmittelstrom dementsprechend eingestellt ist, diese Temperatur nicht zu überschreiten. Das Wasser wird dementsprechend mit einer Temperatur von 40 °C in die Wärmepumpe eingeleitet, um mittels der Wärmepumpe ein Temperaturniveau von 60 °C oder mehr, vorteilhaft 80 bis 90 °C, zu erzeugen. Um das hohe Temperaturniveau zu ermöglichen, kann die Wärmepumpe mehrstufig ausgestaltet sein, also zwei oder mehr hintereinandergeschaltete Wärmepumpenstufen umfassen.
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Das bei der Granulierung verwendete Medium, beispielsweise Wasser, kann in einem eigenen, geschlossenen Kreislauf geführt werden, wobei mittels eines Wärmetauschers die in diesem Medium enthaltene Wärmeenergie auf ein zweites Medium übertragen wird, welches in einem zweiten Kreislauf geführt wird und die Wärmepumpe durchströmt. Diese Trennung der Wärmeträger in zwei separaten Kreisläufen stellt sicher, dass das Aggregat, das den zweiten Kühlkreislauf herunter kühlt, nicht mit Feinstpartikeln belastet wird, die aus der Granulierung stammen und beim Granulierprozess erzeugt werden. Um auch den Wärmetauscher im ersten Kühlkreislauf möglichst gering durch Partikel zu belasten, kann im Granulierwasser ein Filter dem Wärmetauscher vorgeschaltet werden. Hierdurch wird eine bessere Wärmeübertragungseffizienz auch für längere Zeit gewährleistet.
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In der Wärmepumpe wird ein Wärmeträger auf das erwähnte Temperaturniveau von 60 °C oder mehr, vorteilhaft 80 bis 90 °C, erwärmt. Bei dem Wärmeträger kann es sich um ein Gas oder um eine Flüssigkeit handeln, insbesondere um Luft oder Wasser als wirtschaftlich verfügbare und hinsichtlich ihrer chemischen und gesundheitlichen Eigenschaften unbedenkliche Wärmeträger. Der mittels der Wärmepumpe erwärmte Wärmeträger kann die Wärme dorthin transportieren, wo sie entweder für die Herstellung des Kunststoffgranulats oder auch anderweitig verwendet werden kann, um ansonsten erforderliche Wärmeenergie, die separat bereitgestellt werden müsste, zu ersetzen:
- 1. beispielsweise kann die Wärme dazu genutzt werden, das bereitgestellte Rohmaterial thermisch zu trocknen, bevor es in den Extruder gelangt,
- 2. die Wärme kann dazu genutzt werden, das bereitgestellte Rohmaterial vorzuwärmen, bevor es in den Extruder gelangt, so dass die Energiemenge reduziert werden kann, die erforderlich ist, um das Material im Extruder zu plastifizieren,
- 3. die Wärme kann dazu genutzt werden, das Kunststoffmaterial olfaktorisch zu reinigen, indem organische Anhaftungen denaturiert werden. Dies kann beispielsweise zu Beginn des Verfahrens dadurch erfolgen, dass das bereitgestellte Rohmaterial mittels einer Heißwäsche unter Verwendung von Natronlauge und / oder anderen geeigneten Mitteln behandelt wird, bevor das Rohmaterial in den Extruder gelangt. Alternativ dazu, oder auch zusätzlich, kann die Wärme zum Ende des Verfahrens dazu genutzt werden, das erzeugte Granulat zu erwärmen und für eine bestimmte Zeitdauer, z. B. über mehrere Stunden (beispielsweise 8 - 30 h) auf oder oberhalb einer bestimmten Mindesttemperatur zu halten, so dass flüchtige Stör- und Geruchsstoffe ausdiffundieren können, so dass das Granulat olfaktorisch eine Endreinigung erfährt,
- 4. die Wärme kann dazu genutzt werden, ein Gebäude zu beheizen, beispielsweise das Gebäude, in dem sich die Anlage befindet, so dass der Bedarf an externen Energieträgern wie Gas oder Öl für die Gebäudeheizung verringert werden kann,
- 5. die Wärme kann zur Gebäudeheizung von nahe benachbarten Gebäuden verwendet werden, beispielsweise von Produktionshallen oder Verwaltungsgebäuden, die sich auf demselben Grundstück befinden wie das Gebäude, in dem sich die Anlage befindet, so dass durch entsprechend kurze Leitungswege Wärmeverluste des Wärmeträgers möglichst gering gehalten werden können,
- 6. oder die Wärme kann für andere Prozesse verwendet werden, die nicht die Herstellung von Kunststoffgranulat betreffen, und die in demselben Gebäude oder einem nahe benachbarten Gebäude durchgeführt werden. In diesem Fall liegt der energetische Vorteil des vorschlagsgemäßen Verfahrens nicht in einer unmittelbaren Energieeinsparung bei der Herstellung von Kunststoffgranulat, sondern in einer mittelbaren Energieeinsparung, nämlich an anderer Stelle. Ein für die Umwelt positiver Aspekt bei der Herstellung von Kunststoffgranulat ergibt sich auch in diesem Fall daraus, dass die bei diesem Herstellungsverfahren anfallende Abwärme, nämlich beim Abkühlen des extrudierten Kunststoffmaterials unmittelbar hinter dem Extruder und im Granulator nicht als Wärmebelastung in die Umwelt abgegeben wird, sondern anderweitig verwertet wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der rein schematischen Darstellung näher erläutert, in welcher einige Komponenten - beispielsweise Pumpen - aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt sind.
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Das Schaubild verdeutlicht ein Verfahren und eine Anlage 1 zur Herstellung von Kunststoffgranulat. Recyclingmaterial, welches Kunststoffanteile, aber auch Anteile aus Pflanzenfasern enthält, wird als Rohmaterial 2 - durch einen Pfeil angedeutet - in einen Trockner 3 gegeben, um die Feuchte des Rohmaterials 2 zu verringern. Der Trockner 3 weist ein doppelwandiges Gehäuse 17 auf und in seinem Inneren eine drehbare Welle 18, die auch als Rotorachse bezeichnet wird und mit mehreren Paddeln 19 bestückt ist, um das im Trockner 3 befindliche Recyclingmaterial zu lockern, umzuwälzen und möglichst allseitig zu belüften.
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Das getrocknete Rohmaterial 2 wird von dem Trockner 3 in einen Extruder 4 geführt, plastifiziert und zu einem Materialstrang extrudiert, der in einem dem Extruder 4 nachgeschalteten Granulator 5 granuliert wird, also in eine Vielzahl kleiner Körperchen zerteilt wird. Das so hergestellte Kunststoffgranulat 6 - ebenfalls durch einen Pfeil angedeutet - wird in Großbehälter abgepackt und kann ähnlich wie jungfräuliches Kunststoffgranulat in der kunststoffverarbeitenden Industrie als Rohstoff verwendet und weiterverarbeitet werden.
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Ein flüssiges Kühlmittel, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel Wasser, wird durch den Extruder 4 und den Granulator 5 im Kreislauf geführt. In dem Schaubild ist das kalte Kühlmittel mit 7 gekennzeichnet, welches mit seiner niedrigen Temperatur dem Extruder 4 und dem Granulator 5 zugeführt wird. Im Bereich des Extruders 4 können beispielsweise ein Antriebsmotor, ein Getriebe, eine Vakuum-Entgasung oder dergleichen gekühlt werden. Nachdem sich das kalte Kühlmittel 7 erwärmt und das Kunststoffmaterial sowie ggf. Anlagenkomponenten gekühlt hat, tritt es aus dem Extruder 4 und dem Granulator 5 aus und ist in dem Schaubild als warmes Kühlmittel mit 8 gekennzeichnet. Es strömt von dem Extruder 4 und dem Granulator 5 in einen ersten Wärmetauscher 20, gibt dort Wärme ab, und wird anschließend als wiederum kaltes Kühlmittel 7 erneut dem Extruder 4 und dem Granulator 5 zugeführt. Eine Wärmepumpe 9, in welcher ein flüssiger Wärmeträger erwärmt wird, ist durch Verbindungsleitungen 21 an den ersten Wärmetauscher 20 angeschlossen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel dient Wasser als Wärmeträger, der die Wärmepumpe 9 durchströmt.
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Die Verbindungsleitungen 21 bewirken einerseits eine Wärmeübertragung vom ersten Wärmetauscher 20 zur Wärmepumpe 9, andererseits schaffen sie zwei getrennte Wärmeträger-Kreisläufe, von denen einer den ersten Wärmetauscher 20 und der andere die Wärmepumpe 9 durchströmt. So wird verhindert, dass Restpartikel aus dem Granulierprozess, die in dem warmen Kühlmittel 8 des ersten Kreislaufs enthalten sein können, in die Wärmepumpe 9 oder überhaupt in den zweiten Kreislauf gelangen können. Im ersten Kreislauf, insbesondere in dessen Leitungsstrang, der das warme Kühlmittel 8 führt, kann ein Filter angeordnet sein, um die erwähnten Restpartikel aus dem Granulierprozess aus dem ersten Kreislauf auszuschleusen. Die Restpartikel können beispielsweise dem Rohmaterial 2 zugegeben werden.
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Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann allerdings auch vorgesehen sein, das warme Kühlmittel 8 direkt in die Wärmepumpe 9 zu führen, beispielsweise falls aufgrund einer entsprechenden Filtrierung oder aufgrund des angewendeten Granulierverfahrens die Problematik einer Partikelbelastung und eines dadurch verschlechterten Wirkungsgrades der Wärmepumpe 9 nicht zu erwarten ist.
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In der Wärmepumpe 9 wird der Wärmeträger erwärmt, wobei der warme Wärmeträger in dem Schaubild mit 10 gekennzeichnet ist. In einem ersten Leitungsstrang wird der warme Wärmeträger 10 in einen zweiten Wärmetauscher 11 geführt wird, der als Luft/Wasser-Wärmetauscher ausgestaltet ist. Kaltluft 12 strömt in den zweiten Wärmetauscher 11 ein, wird dort erwärmt, und die so erzeugte Heißluft 14 wird mittels eines Gebläses 15 in den Innenraum des Trockners 3 geblasen, um das im Trockner 3 befindliche Rohmaterial 2 thermisch zu trocknen. Um die Feuchtigkeit abzuführen, kann ein Teil der mit Feuchtigkeit beladenen und nun abgekühlten Heißluft 14 ins Freie geblasen werden, es kann jedoch auch eine Lufttrocknung vorgesehen sein, beispielsweise in Form eines Kondensattrockners oder dergleichen.
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Die Kaltluft 12 kann als Frischluft von außen in den zweiten Wärmetauscher 11 angesaugt werden. In dem Schaubild ist allerdings dargestellt, dass die Kaltluft 12 aus dem Trockner 3 angesaugt wird, so dass eine intensive Luftdurchströmung des Rohmaterials 2 im Trockner 3 bewirkt wird, welche die Trocknungsleistung verbessert. Auch wird die energetische Bilanz verbessert, da die Heißluft 14 im Kreislauf geführt wird und eine Restwärme enthält, wenn sie, nun abgekühlt, als Kaltluft 12 aus dem Trockner 3 angesaugt wird. Die Kaltluft 12 wird durch einen in der Zeichnung nicht dargestellten Kondensatabscheider geführt, bevor sie in den zweiten Wärmetauscher 11 gelangt. Zudem ist eine Misch-Betriebsweise in der Art möglich, dass als Kaltluft 12 teilweise Frischluft und teilweise aus dem Trockner 3 angesaugte, im Kreislauf geführte Luft verwendet wird.
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In einem zweiten Leitungsstrang wird der warme Wärmeträger 10 aus der Wärmepumpe 9 in das doppelwandige Gehäuse 17 des Trockners 3 geführt. Auch die Welle 18 und die Paddel 19 können durchströmbar ausgestaltet sein, so dass sie von dem warmen Wärmeträger 10 aufgeheizt werden können und durch die abgegebene Wärmestrahlung den Trocknungsprozess des Rohmaterials 2 unterstützen.
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Dem warmen Wärmeträger 10 wird im zweiten Wärmetauscher 11 sowie im doppelwandige Gehäuse 17 und ggf. in der Welle 18 und den Paddeln 19 Wärme entzogen, so dass der Wärmeträger als kalter Wärmeträger 16 zur Wärmepumpe 9 zurückströmt, um dort erneut aufgeheizt zu werden.
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Bezugszeichen:
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- 1
- Anlage
- 2
- Rohmaterial
- 3
- Trockner
- 4
- Extruder
- 5
- Granulator
- 6
- Kunststoffgranulat
- 7
- Kaltes Kühlmittel
- 8
- Warmes Kühlmittel
- 9
- Wärmepumpe
- 10
- Warmer Wärmeträger
- 11
- zweiter Wärmetauscher
- 12
- Kaltluft
- 14
- Heißluft
- 15
- Gebläse
- 16
- Kalter Wärmeträger
- 17
- Gehäuse
- 18
- Welle
- 19
- Paddel
- 20
- erster Wärmetauscher
- 21
- Verbindungsleitung
