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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum einfachen Verflüssigen
von Bitumen.
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Stand der Technik
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Bitumen
ist in seiner Verarbeitung sehr temperaturabhängig, da
es bei höheren Temperaturen flüssig und bei niedrigen
Temperaturen starr vorliegt. Dazwischen ist ein breiter Übergangsbereich über zähflüssige
und pastöse Aggregatzustände vorhanden, wobei
sich über diesen Übergangsbereich von fest zu
flüssig die viskoelastischen Eigenschaften von Bitumen
stark verändern.
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Um
Bitumen auf weiten Strecken zu transportieren, ist es unwirtschaftlich,
dies in beheizten Transporttankwagen vorzunehmen, da das Bitumen ständig
auf einer Temperatur oberhalb der Pumpbarkeitstemperatur zu halten
ist. Außerdem bedarf es bei diesen Transportfahrzeugen
umfangreicher Sicherheitsvorkehrungen aus Umweltschutzgründen, da,
z. B. im Falle eines Unfalls, durch das ausfließende Bitumen
die Gefahr einer Schädigung der Umwelt gegeben ist. Im
Hinblick auf die Umweltgefährdung und den hohen Energieaufwand
für den Transport ist man daher immer mehr davon abgekommen,
Bitumen in flüssiger Form zu transportieren.
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Wenn
nun Bitumen über weite Entfernungen zu transportieren ist,
dann wird bis jetzt das Bitumen in heißer Form in Metallfässer
eingefüllt und auskühlen gelassen. Die Fässer
werden dann vor Ort entweder zerschnitten, um das Bitumen in kalter
Form herauszubekommen oder aber sie werden erhitzt, um das Bitumen
in flüssiger Form herausgießen zu können.
Beide Wege sind unbefriedigend, da in jedem Fall die Einwegbehälter
als Abfälle zurückbleiben, die aufgrund der Bitumenreste
nur schwer wiederverwertbar bzw. entsorgbar sind.
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Ein
weiteres System des Kalttransports sieht vor, das Bitumen in Tanks
in ISO-Transportcontainerabmessungen zu verfüllen, wobei
das Tankinnere von einem beidseitig ankoppelbaren Rohr durchdrungen
ist, welches zur Wiederverflüssigung entweder als Flammrohr
oder als Thermalölleitung zur Energiezufuhr in das Tankinnere
genutzt wird. Auch dieses Lager-, Transport- und Verflüssigungsverfahren
ist unzureichend, da oft Tage benötigt werden, dass gesamte
im Tank befindliche Bitumen auf eine Temperatur zu bringen, bei
der es pumpbar ist. Des Weiteren ist der Rücklauf der Transportcontainer
fast ebenso teuer, wie ihr Liefertransport.
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In
den letzten Jahren ist daher ein System (
WO 2004/048204 A1 ) auf
dem Markt erschienen, das eine spezielle Abpackstation erfordert.
In ihr wird das Bitumen bei ca. 110°C in eine doppelte
Kunststoffverpackung aus einer als Trennstoff wirkenden PE-Folie
und einer tragenden PP-Plane/Big Bag eingefüllt. Während
einer anschließenden bis zu sieben Tagen dauernde Lagerung
unter Luftzirkulation kann und darf das System/Bitumengebinde nicht
transportiert werden. Zur Wiederverflüssigung des Bitumens wird
eine große Menge an Bitumenschmelze bei 160°C
vorgehalten. Die PP-Säcke werden so aufgeschnitten, dass
das mit der PE-Folie verbackene Bitumen in diese Schmelze fällt
und sich dort im Laufe der folgenden Stunden verflüssigt.
Die PE-Folie soll sich dabei im Bitumen zersetzen.
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Dieses
System hat mehrere Nachteile:
- 1) Die Bitumenqualität
wird durch oxidative Alterung während der Wiederverflüssigung
verändert.
- 2) Die PE-Folie löst sich nicht vollständig
in der Bitumenschmelze auf und muss, damit sie Pumpen und eventuell
Rührwerke nicht beschädigt, wieder entnommen und
teuer entsorgt werden.
- 3) Die gelösten PE-Anteile in der Schmelze beeinflussen
die Bitumenqualität.
- 4) Das Abfüllen ist nur bei einer bestimmten Temperatur
möglich.
- 5) Die Wiederverflüssigung dauert sehr lange und hat
durch die Wärmeverluste an der freien Oberfläche
der Bitumenschmelze einen relativ geringen Wirkungsgrad.
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Bei
Spezialbitumen, z. B. polymermodifiziertem Bitumen oder Fugenvergussmassen,
ist man dazu übergegangen, Bitumen in kleineren Einheiten von
10 kg bis 40 kg in silikonierte Kartonagen zu verpacken. Aufgrund
einer dünnen Silikonschicht an der Innenseite der Kartons
ist das Herauslösen des Bitumens im festen Zustand problemlos
möglich. Die Verpackung kann dann problemlos entsorgt werden.
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Bisher
gibt es allerdings noch keine Vorrichtung dafür, das in
Kartonagen befindliche Kaltbitumen in einer Geschwindigkeit zu verflüssigen,
das z. B. die in der Straßenbauindustrie/Asphaltmischanlage
benötigten Durchsatzmengen in ausreichend kurzer Zeit zur
Verfügung stellt.
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Aufgabe der Erfindung
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Der
Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben,
mit der es möglich ist, große Bitumenmengen schnell
und mit einem hohen energetischen Wirkungsgrad zu verflüssigen.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch Einsatz eines speziell konzipierten Mikrowellenofens erreicht.
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Die
Verflüssigung des Bitumens erfolgt entweder
- a.) direkt in den Behältnissen, in die der Bitumen eingefüllt
ist. Dies können z. B. auch Kartonagen sein,
oder
- b.) nach der Entpackung des kalten Bitumens aus den Behältnissen.
Dieses wird der Verflüssigungsanlage dann unverpackt zugegeben.
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Um
eine ausreichend gleichmäßige Erwärmung
und Verflüssigung des Bitumens zu erreichen, sind geeignete
Ausbreitkegel und geeignete Hohlleitermündungsabstände
zu wählen. Außerdem ist eine geeignete Anordnung
von Magnetrons ausreichender Stärke nötig, um
das Aufschmelzen ausreichender Bitumenmengen zur Beschickung einer
Asphaltmischanlage zu ermöglichen.
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Eine
gebrauchsfähige Ausführung weist mehr als 10 Kilowatt,
bevorzugt mehr als 500 kW Leistung auf. Die Gesamtleistung verteilt
sich dabei auf mehrere/zahlreiche um das zu erwärmende
Bitumen angeordnete Einzelstrahler, z. B. von etwa 1 Kilowatt bei
kleinen Anlagen und 6 Kilowatt oder 12 Kilowatt bei Großanlagen.
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Pro
Kilowatt Leistung ist man in der Lage, mehr als 12 Kilogramm Bitumen
pro Stunde zu schmelzen und auf die erforderliche Temperatur zu bringen.
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Große
Anlagen oder eine größere Anzahl kleiner Anlagen
ermöglichen daher die Verflüssigung auch großer
Mengen Bitumen in sehr kurzer Zeit!
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Kartonagen
stellen ein mögliches Gebinde dar, in das Bitumen bei einem
relativ großen Temperaturspektrum z. B. bei der Bitumenlagertemperatur von
160°C, abgefüllt werden kann. Kartonagen sind einfach
und günstig in der Beschaffung und recyclebar. Der Karton
wird zwar durch seine Eigenfeuchte zu Anfang stark von der Mikrowellenstrahlung
angeregt, nach seiner Trocknung geht aber der Anteil an der Gesamtstrahlungsabsorption
zunehmend auf das Bitumen über, wodurch dieses sich erwärmt.
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Die
Vorteile der Erfindung sind gegenüber dem herkömmlichen
Verflüssigen einer Bitumenschmelze:
- – schonende
Erwärmung mit geringeren Qualitätsveränderungen
innerhalb des Kaltbitumens
- – es sind weder Rührwerk noch Umwälzpumpe nötig
- – die Anlagentechnik ist sehr kompakt
- – es herrscht keine Spritzgefahr, was die Sicherheit
des Bedienpersonals erhöht.
- – Ein erhöhter Wirkungsgrad gegenüber
herkömmlichen Heizsystemen bei denen größere konvektive
Verluste zu befürchten sind.
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Die
Vorrichtung kann verschiedentlich ausgeführt sein:
- 1.) Sie kann Mikrowellen von einer oder mehreren Seiten
auf das Bitumen strahlen und dieses inhomogen erwärmen,
wobei das inhomogen erwärmte und daher inhomogen verflüssigte
Bitumen von der Seite nach unten abläuft und dort aufgefangen wird.
- 1.a.) Diese Anwendung kann mit einer herkömmlichen
Bitumenheizung im Auffangbehälter als Hybridsysthem betrieben
werden, um die gesamte Temperaturerhöhung im Ausgangsbitumen
festzustellen.
- 2.) Sie kann Mikrowellen einer solchen Frequenz verwenden, daß die
Absorbtion im Bitumen nur gering ist, wodurch eine relativ gleichmäßige
Erwärmung des gesamten Blocks erfolgt und dieser in seiner
Gesamtheit erweicht und verflüssigt wird.
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Das
Behältnis, in dem sich das Bitumen befindet, wird entweder
aus einem mikrowellendurchlässigen Material hergestellt,
oder aus einem mikrowellenreflektierenden Material. Im letzteren
Fall erfolgt die Einstrahlung nur über die offene Seite
des Behältnisses und die Effizienz wird durch die Reflexion
nicht absorbierter Strahlung zurück in das Bitumen erhöht.
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Es
können auch die Teile der Wandung des Behältnisses,
die dem Mikrowellensender zugewandt sind, aus mikrowellendurchlässigem
Material bestehen und die anderen Teile aus mikrowellenreflektierendem
Material, um die Mikrowellenenergie größtmöglich
im Bitumen zu behalten.
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Um
eine homogene Erwärmung des Bitumens zu gewährleisten,
müssen
- 1) das elektromagnetische Feld
soweit als möglich homogenisiert werden
- 2) das zugegebene Bitumen relativ zum Mikrowellensender (z.
B. auf Drehteller oder auf Förderband) bewegt werden.
- 3) die Hohlleitermündungen versetzt so angeordnet werden,
dass die Ausbreitungskegel der Mikrowelle sich möglichst
nur gering überlappen.
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Bevorzugt
wird das Bitumen relativ zum Mikrowellensender bewegt (z. B. auf
Drehteller oder auf Förderband), um Inhomogenitäten
der Erwärmung auszugleichen, oder aber es wird der Mikrowellensender
relativ zum ortsfesten Bitumen bewegt, um diesen Effekt zu erzielen.
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Es
können auch sowohl das Bitumen als auch die Mikrowellensender
bewegt werden, oder es können die Leistungen der einzelnen
Mikrowellensender zeitabhängig so verändert werden,
daß insgesamt eine gleichmäßige Erwärmung
des Bitumen erfolgt.
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Bei
einer von vielen möglichen Ausführungen der Erfindung
als Großanlage, die in den Figuren dargestellt ist, wird
das Bitumen auf einem Band durch einen Tunnel gefahren und dabei
von mehreren Seiten von Mikrowellen erwärmt. Der Tunnel weist
in diesem speziellen Fall 120 Mikrowellenstrahler von je 6 oder
12 Kilowatt Leistung auf, die in 8 ringförmigen Gruppen
von je 15 Einzelstrahlern um ein Förderband herum angeordnet
sind. Das Bitumen befindet sich in diesem Beispiel in Kartonagen.
Andere Behältnisse mit mikrowellendurchlässigen
Wandungen sind aber auch möglich.
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Die
verwendete Frequenz der Mikrowellen betrug in diesem Falle 915 MHz.
(Andere geeignete Frequenzen lassen sich für die jeweils
gewählten Einsatzarten experimentell leicht bestimmen.)
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Das
Transportband, auf dem die bitumengefüllten Kartonagen
in den Mikrowellentunnel einfahren, ist mit einer Geschwindigkeit
von 0,05 bis 3 Meter/Minute steuerbar, um die Aufheizung durch die Transportgeschwindigkeit
regeln zu können.
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Die
Aufheizung läßt sich aber in einer anderen Ausführung
der Erfindung auch über eine Steuerung der Leistung der
Strahler regulieren.
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Der
Tunnel wird weiterhin vorzugsweise von konventionellen Heizmitteln
mit Heißluft erwärmt. Dabei hat sich eine Temperatur
von etwa 80°C im Tunnel als günstig erwiesen.
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Pyrometer
messen die Oberflächentemperatur des Bitumens.
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Diese
beschriebene mögliche Ausgestaltung des Mikrowellentunnels
ist sehr kompakt und weist eine Länge des Mikrowellentunnels
von weniger als 3 Metern auf. Breite und Höhe liegen in
der Größenordnung von etwa 1 Meter.
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Die
Figuren zeigen beispielhaft eine mögliche Anordnung von
Mikrowellenstrahlern um einen tunnelartigen Raum herum, der ein
durchlaufendes Band zum Transport von bitumengefüllten
Behältnissen aufweist.
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1 zeigt
eine seitliche Ansicht
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2 zeigt
eine Draufsicht von oben
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3 zeigt
einen Querschnitt
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- 1
- Magnetron
- 2
- Ofenwand
- 3
- Hohlleiter
- 4
- Hohlleiteranschluß
- 5
- Rahmen
- 6
- Ofenwand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2004/048204
A1 [0006]