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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von gekühltem Frischbeton,
bei dem wenigstens ein Zugabestoff in einem Vorratssilo gespeichert und
aus dem Vorratssilo zu einer Mischeinrichtung transportiert wird,
in der der Zugabestoff mit einem oder mehreren weiteren Zugabestoffen
sowie mit Wasser zur Herstellung des Frischbetons zusammengeführt wird.
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Derartige
Verfahren sind bekannt. Bei der Herstellung von Frischbeton ist
es jedoch häufig
erforderlich, den Frischbeton selbst oder einen der Ausgangsstoffe
für die
Herstellung zu kühlen.
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Aus
der
WO 02/36523 A1 ist
dazu ein Verfahren bekannt, bei dem das zur Herstellung des Frischbetons
benötigte
Wasser zumindest teilweise in Form von unterkühlten Schneekristallen zugeführt wird.
Diese technische Lehre ist älteren
Verfahren überlegen,
bei denen das Wasser in Form von Scherbeneis zugeführt wurde,
was regelmäßig zu Wassereinschlüssen im
Beton führte.
Dennoch besteht bei all diesen Verfahren die Gefahr einer inhomogenen Temperaturverteilung
im fertigen Gemisch.
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Eine
alternative Vorgehensweise sieht daher vor, gekühlte Zugabestoffe zu verwenden.
Ein solches Verfahren wird beispielsweise in der
DE 36 23 724 A1 beschrieben.
Beim Gegenstand dieser Druckschrift wird zugleich mit der Zuführung des
Zements in ein Vorratssilo über
eine separate Zuleitung flüssiger
Stickstoff in das Zementsilo eingesprüht. Beim Kontakt mit dem Zement
verdampft der Stickstoff und wird als Gas mit dem Abluftstrom ausgetragen.
Mit diesem Verfahren kann jedoch eine ausreichende Kühlung des
Zements nicht erzielt werden, da bei der getrennten Zuführung von
Zement und Stickstoff ein nur unzureichender Wärmekontakt zwischen beiden
Stoffen hergestellt wird. Ein großer Teil des eingesetzten Stickstoffs
entweicht damit ungenutzt, und das kalte Stickstoffabgas kann leicht
eine Vereisung eines dem Silo zugeordneten Entstaubungsfilters bewirken.
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Aus
der
US 4 479 362 ist
ein Verfahren zur Kühlung
von Zement bekannt, bei dem Zement pneumatisch über eine Förderleitung in das Vorratssilo eingespeist
und Flüssigstickstoff über einen
in der Zementleitung angeordneten Stutzen eingeleitet wird. Nachteilig
bei diesem Verfahren ist, dass auch hier kein homogener Wärmeaustausch
zwischen Zement und Stickstoff hergestellt und somit die Enthalpie
des Stickstoffs nur unzureichend genutzt wird.
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In
der
DE 40 10 045 A1 ist
ein weiteres Verfahren zur Kühlung
einer pulverförmigen
Substanz, insbesondere Zement, beschrieben, bei dem die Substanz über eine
Förderleitung
in ein Vorratssilo gefördert
wird. In der Förderleitung
ist eine Venturidüse
eingebaut. Der als Kältemittel
eingesetzte flüssige Stickstoff
wird durch ein in der Venturidüse
angeordnetes Mischrohr in den Förderstrom
der Substanz eingedüst.
Die mit dem Stickstoff vermischte und dadurch gekühlte Substanz
wird anschließend
zum Silo gefördert
und fällt
dort in den Lagerbereich des Silos hinab, während der Stickstoff durch
den dem Silo zugeordneten Entstaubungsfilter entweicht.
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Als
Nachtteil dieser Kühlverfahren,
bei denen ein Kältemittel
in die Zuführleitung
des Zuschlagstoffes in das Vorratsilo eingeleitet wird, ist anzuführen, dass
der Verbrauch an eingesetztem Kältemittel sehr
hoch ist. Überdies
ist eine Kühlung
des gesamten gespeicherten Vorrats auch dann erforderlich, wenn
nur ein geringer Teil des gespeicherten Zuschlagstoffes tatsächlich in
gekühlter
Form benötigt wird.
Zudem kommt es infolge der starken Gasentwicklung und der damit
verbundenen starken turbulenten Gasströmung dazu, dass Zement vom
verdampfenden Kältemittel
mitgerissen und in den Umgebungsbereich ausgetragen wird. Hierdurch
geht Substanz verloren und es kommt zu einer nicht unerheblichen
Belastung von Mitarbeitern und Umwelt.
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Weiterhin
ist es nicht ohne weiteres möglich, das
Kältemittel
in die Zuführleitung
des Zugabestoffes zwischen Vorratssilo und Waage bzw. Mischer einzuleiten,
da es beim Auftreffen des flüssigen
Stickstoffs auf die Substanz zum Phasenübergang des Stickstoffs und
damit zu einer starken Gasentwicklung an der Einspeisestelle kommt.
Dies führt
zu einer kurzzeitigen Sperrung des Förderstroms der Substanz. Durch
den Stopp des Förderstroms
baut sich die Gasblase in der Förderleitung
ab und der Feststoffstrom wird wieder aufgenommen, um wiederum den
Kontakt der Substanz mit dem Flüssigstickstoff
und damit eine starke Gasentwicklung in der Förderleitung auszulösen. Dieser
Vorgang wiederholt sich laufend und führt zu einem unregelmäßigen Eintrag
der Substanz und damit in der Folge zu einem impulsartigen Abblasen
von Stäuben,
was wiederum Mitarbeiter und Umwelt erheblich belastet und darüber hinaus
eine genaue Dosierung des Zuschlagstoffes erschwert.
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Aufgabe
der Erfindung ist daher, ein Verfahren zum Herstellen von gekühltem Frischbeton
anzugeben, das sehr effizient arbeitet und die Belastung von Mensch
und Umwelt reduziert.
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Dieses
Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art und Zweckbestimmung
dadurch gelöst,
dass wenigstens ein Teilstrom des dem Vorratssilo entnommenen Zugabestoffes
in einem Wirbelbettreaktor mit einem Kältemittel in thermischen Kontakt
gebracht und anschließend
der Mischeinrichtung zugeführt
wird.
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Erfindungsgemäß wird also
zumindest ein Teilstrom des jeweiligen Zugabestoffes, der aus seinem
Vorratsbehälter
zur Mischeinrichtung gefördert wird,
entnommen und auf eine tiefe Temperatur gekühlt. Die Kühlung erfolgt dabei in einem
Wirbelbettreaktor, der in der Zuführleitung zwischen Vorratsbehälter und
Mischeinrichtung integriert ist. Dazu wird der Zugabestoff (Wirbelgut)
im Wirbelbettreaktor mit dem durch geeignete Düsen in flüssiger oder gasiger Form eingeblasenen
Kältemittel
(Wirbelmedium) verwirbelt. Durch den engen Kontakt des Wirbelgutes
mit dem Wirbelmedium und den lebhaften Platzwechseln der einzelnen
Partikel nach allen Richtungen kommt es zu einer außerordentlich
guten Wärmeübertragung
innerhalb der Wirbelschicht. Das erwärmte Kältemittel wird anschließend aus
dem Wirbelbettreaktor abgezogen und behindert den weiteren Transport
des Zugabestoffes nicht mehr. Es kommt somit nicht mehr zu dem aus
dem Stand der Technik bekannten, impulsartigen Abblasverhalten.
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Da
der Zugabestoff in der Mischeinrichtung auf eine beliebig tiefe
und nur durch die Temperatur des Kältemittels begrenzte Temperatur
gekühlt
werden kann, genügt
es in der Regel bereits einen geringen Teilstrom zu kühlen, um
ein effizientes Kühlergebnis
zu bewirken. Bei dem zu kühlenden
Zugabestoff kann es sich dabei um Zement, Sand oder einen sonstigen
rieselfähigen
Zuschlagstoff handeln. Der gekühlte
Zugabestoff wird anschließend
entweder dem ungekühlten
Teilstrom des gleichen Zugabestoffs zugeführt oder, ggf. nach einer Wägung, unmittelbar
der Mischeinrichtung zugeführt,
in der der Frischbeton hergestellt wird. Die Kühlung erfolgt somit erst unmittelbar
vor der Zubereitung des Frischbetons und nicht bereits bei der Bereitstellung
eines Vorrats in einem Vorratssilo. Durch das erfindungsgemäße Verfahren
gelingt eine genaue Dosierung und Temperierung des betreffenden
Zugabestoffes. Durch erst unmittelbar vor dem Mischprozess stattfindende
Kühlung
kann sehr flexibel auf die jeweiligen Erfordernisse reagiert und
die Kühlung
entsprechend angepasst werden.
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Vorteilhafterweise
kommt als Kältemittel
ein kryogenes Kältemittel,
beispielsweise Stickstoff oder Kohlendioxid zum Einsatz, das dem
Wirbelbettreaktor in flüssigem
oder kaltem gasförmigem
Zustand zugeführt
und dort mit dem Teilstrom des zu kühlenden Zugabestoffes innig
durchmischt wird. Das bei der Durchmischung im Wirbelbettreaktor
verdampfende und/oder bereits erwärmte Kältemittel wird aus dem Kopfraum
des Wirbelbettreaktors abgeführt
und anschließend
gefiltert. Die Wahl des kryogenen Kältemittels hängt dabei
von den jeweiligen Umständen ab:
Stickstoff, der im flüssigen
oder kalten gasförmigen
Zustand in den Wirbelschichtreaktor eingedüst wird, ermöglicht die
Kühlung
des Zugabestoffes auf Temperaturen von bis zu minus 193°C. Kohlendioxid ermöglicht lediglich
eine Abkühlung
auf ca. minus 78,5°C,
hat jedoch gegenüber
Stickstoff den Vorteil einer etwa doppelt so großen Sublimationsenhalpie. Bei
der Zuführung
von Kohlendioxid im flüssigen
Zustand kann zudem auf aufwändige
wärmeisolierte Zuleitungen
verzichtet werden. Verflüssigtes
Kohlendioxid besitzt eine kritische Temperatur von 31°C und einen
kritischen Druck von 7,4 MPa, und kühlt sich bei seiner Entspannung
infolge des Joule-Thomson-Effektes unter Bildung von kaltem Kohlendioxidgas
und Kohlendioxidschnee stark ab. Es kann daher in einer Druckleitung
bei Umgebungstemperatur herangeführt
werden. Der Kohlendioxidschnee sublimiert im Laufe der Reaktion
und trägt
gleichfalls zur Kühlung
bei. Gasförmiges
Kohlendioxid als Kühlmedium
für Zement
sollte vorzugsweise eine Temperatur von –78°C bis +5°C, bevorzugt von –78 bis –25°C, aufweisen.
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In
einer abermals vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die
Temperatur des Endprodukts dadurch beeinflusst, dass entweder der
im Teilstrom enthaltene Mengenanteil des zu kühlenden Zugabestoffes, die
pro Menge des Zugabestoffes eingesetzten Kältemittelmenge und/oder die
Zeitdauer, innerhalb der der zu kühlende Zugabestoff mit dem
Kältemittel
in Kontakt ist, variiert wird. Die Temperatur des Endprodukts kann
dabei auch als Regelgröße verwendet
werden, auf die einer oder mehrere der genannten Parameter eingestellt
wird.
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Um
den Kontakt des Zugabestoffes mit feuchter Außenluft zuverlässig zu
vermeiden ist es zweckmäßig, beim
Eindüsen
des Kältemittels
in den Wirbelbettreaktor einen Überdruck
zu erzeugen.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine Vorrichtung zum Herstellen
von gekühltem Frischbeton
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist also mit wenigstens einem Vorratsbehälter für einem Zugabestoff ausgestattet,
wobei der Vorratsbehälter über wenigstens
eine Zuführleitung
mit einer Mischeinrichtung strömungsverbunden
ist. In der Zuführleitung
ist ein Wirbelbettreaktor integriert, der mit einer Zuführung für ein kryogenes
Kältemittel
strömungsverbunden
ist.
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Vorteilhafterweise
ist der Vorratsbehälter
mit der Mischeinrichtung über
wenigstens zwei Zuführleitungen
strömungsverbunden,
wobei in einer der Zuführleitungen
zwecks Kühlung
eines Teilstroms eine Kühleinrichtung
in Gestalt eines Wirbelbettreaktors vorgesehen ist. Mittels einer
geeigneten Wahl der über
beide Zuführleitungen
geführten
Teilströme kann
so die Temperatur des insgesamt zugeführten Zuschlagstoffs und damit
des Frischbetons gezielt beeinflusst werden.
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Als
Wirbelbettreaktor kann im Prinzip jeder Reaktortyp zum Einsatz kommen,
in dem eine gute Durchmischung von Zugabestoff (Wirbelgut) und dem
gasförmigen
oder flüssigen
Kältemittel
(Wirbelmedium) erfolgt. Ein bevorzugter Wirbelbettreaktor umfasst
eine mit der Zuführleitung
für Zugabestoff strömungsverbundene
Feststoffzuführung,
die im Kopfbereich des Wirbelbettreaktors angeordnet ist, einen
mit seitlichen Düsen
zum Einsprühen
eines kryogenen Kältemittels
ausgerüsteten
Wirbelbettbereich und einen im unteren Abschnitt des Wirbelbettreaktors
angeordneten Auffangbereich zum Auffangen des gekühlten Zugabestoffes.
Vom Auffangbereich wird der Zugabestoff beispielsweise an die Mischeinrichtung
oder eine zwischengeschaltete Waage weitergeleitet. Gasförmiges,
erwärmtes
Kühlmittel
wird im Kopfbereich des Wirbelbettreaktors über eine Filtereinrichtung
abgezogen.
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In
dem Fall, dass der der Zugabestoff mit Hilfe eines Fördermediums
pneumatisch durch die Zuführleitung
gefördert
wird, dass also der Zuführleitung
eine pneumatische Fördereinrichtung
zugeordnet ist, ist es vorteilhaft, dass dem Wirbelbettreaktor eine
Trenneinrichtung zum Trennen des Zugabestoffes vom Fördermedium
vorgeschaltet ist.
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Für die Regelung
der Temperatur des Frischbetons ergeben sich im Rahmen der Erfindung
verschiedene vorteilhafte Möglichkeiten.
Zum einen kann die Menge des der Nebenleitung zugeführten Teilstroms
und damit der Anteil des Zugabestoffes, der gekühlt wird, verändert werden.
Zum zweiten kann die pro Menge des zu kühlenden Zugabestoffes eingesetzte
Kältemittelmenge
verändert
werden. Drittens kann die Temperatur des Kältemittels verändert werden.
Insbesondere beim Einsatz von Kohlendioxid als Kältemittel, das in flüssigem Zustand
unter Druck herangeführt
und beim Eintritt in den Wirbelbettreaktor entspannt wird, kann
die Temperatur des entspannten Kohlendioxids durch eine geeignete Wahl
des Drucks und der Temperatur des zugeführten flüssigen Kohlendioxids festgelegt
werden. Der bei der Entspannung anfallende Trockeneisschnee sublimiert
entweder oder mischt sich mit den gekühlten Partikeln des Zugabestoffes
und kühlt
diesen weiter. Viertens kann die Temperatur durch die Menge und
Strömungsgeschwindigkeit
des dem Wirbelbettreaktor zugeführten
Kältemittels
beeinflusst werden. Je mehr Kältemittel mit
dem Zugabestoff in Kontakt kommt und je inniger die Verwirbelung
ist, desto niedriger ist die Temperatur des sich ergebenden Endprodukts.
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Anhand
der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
erläutert
werden. Die einzige Zeichnung (1) zeigt
schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Herstellung von gekühltem
Frischbeton.
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Die
Vorrichtung 1 umfasst in üblicher Weise ein Vorratssilo 2 für einen
Zugabestoff, im Ausführungsbeispiel
für Zement.
Das Vorratssilo 2 ist über eine
Förderleitung 3 mit
einer Waage 5 verbunden, an der sich eine Mischeinrichtung 4 anschließt, die der
Anmischung des Fertigbetons dient und in die weitere Zuführungen
für andere
Zugabestoffe, wie Sand, Zuschlagstoffe oder Wasser, einmünden. Bei der
Förderleitung 3 kann
es sich sowohl um eine pneumatische Förderleitung als auch um eine
mechanische Fördereinrichtung,
beispielsweise ein Förderband,
handeln. Zur Dosierung des Zugabestoffes ist in der Förderleitung 3 in
an sich bekannter Weise ein Dosierelement 6 angeordnet,
bei dem es sich beispielsweise um einen Schieber oder eine Dosierschnecke
handelt.
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Am
Ausgang des Vorratssilos 2 zweigt des Weiteren eine Nebenleitung 8 ab,
die gleichfalls mit der Waage 5 verbunden ist, und in der
ebenfalls ein Transport von Zement aus dem Vorratssilo 2 auf pneumatischem
oder mechanischem Wege erfolgt. Mittels eines Ventils 9 wird
der durch die Nebenleitung 8 geführte Stoffstrom reguliert.
Durch die Betätigung
des Dosierelements 6 sowie des Ventils 9 kann der
Stoffstrom so ganz oder teilweise durch die Förderleitung 3 und/oder
durch die Nebenleitung 8 geführt werden.
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Der
durch die Nebenleitung 8 geführte Stoffstrom wird in der
im Folgenden beschriebenen Weise gekühlt. Die Nebenleitung 8 mündet in
eine Kühleinrichtung
ein, bei der es sich im Ausführungsbeispiel
um einen Wirbelbettreaktor 10 handelt, in dem der Zement
mit einem Kältemittel
in Kontakt gebracht und dadurch gekühlt wird. Erfolgt der Transport
des Zements in der Nebenleitung 8 auf pneumatischem Wege,
ist dem Wirbelbettreaktor 10 eine Trenneinheit 13,
beispielsweise ein Zyklon, vorgeschaltet, in der das Fördermedium,
beispielsweise Luft oder ein inertes Gas, vom Zement getrennt wird. Beim
Kältemittel
handelt es sich im Ausführungsbeispiel
um flüssigen
Stickstoff, der in einem Tank 11 bevorratet und über eine
thermisch isolierte Kältemittelzuleitung 12 zum
Wirbelbettreaktor 10 gefördert wird.
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Zur
Kühlung
wird der – gegebenenfalls
in der Trenneinheit 13 vom Fördermedium getrennte – Zement
aus der Förderleitung 8 im
Kopfraum 14 des Wirbelbettreaktors 10 eingespeist.
In einem sich unterhalb des Kopfraums 14 befindlichen Abschnitt
des Wirbelbettreaktors 10 wird das Kältemittel an seitlich in der
Wand des Wirbelbettreaktors 10 angeordneten Düsen 15 eingebracht.
Um eine effektive Verwirbelung des Zements zu bewirken, sind dabei
mehrere Düsen 15 in
gleichmäßigen Winkelabständen am Wirbelbettreaktor 10 angeordnet.
Durch die Düsen 15 wird
das Kältemittel
mit hohem Druck in den Wirbelbettreaktor eingedüst und trifft auf den von oben herabfallenden
Zement trifft. Bei der Verwirbelung des Zements erfolgt eine innige
Durchmischung von Zement und Kältemittel
und damit eine sehr effektive Wärmeübertragung.
Durch das mit hohem Druck eingetragene Kältemittel besteht während der
Reaktion im Wirbelbettreaktor 10 ein Überdruck, der das Eindringen
von feuchter Außenluft
zuverlässig
unterbindet. Das durch den Kontakt mit dem Zement erwärmte Kältemittel
steigt in den Kopfraum 12 des Wirbelbettreaktors 10,
wo es über
eine Filtereinheit 17 und eine sich daran anschließende Gasableitung
abströmt.
Im weiteren Transportverlauf des Zements kommt es daher nicht zu
Störungen
aufgrund der beim Verdampfen des Kältemittels auftretenden Gasentwicklung.
Durch die gute Durchmischung im Wirbelbettreaktor 10 mit
flüssigen
Stickstoff als Kältemittel
kann der Zugabestoff auf Temperaturen bis hinab zu –193°C abgekühlt werden.
Anstelle von flüssigem Stickstoff
kann im Übrigen
auch ein anderes kryogenes Kältemittel
zum Einsatz kommen, beispielsweise Kohlendioxid, das im kalten gasförmigen Zustand
in den Wirbelbettreaktor 10 eingedüst wird, oder das flüssig herangeführt wird
und beim Eintritt in den Wirbelbettreaktor unter Bildung von Kohlendioxidgas und
Kohlendioxidschnee entspannt.
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Der
gekühlte
Zement sinkt schließlich
in eine Lagerzone 18 des Wirbelbettreaktors 10,
in dem der gekühlte
Zement für
zumindest eine kurze Zeitdauer bevorratet werden kann, und wird
anschließend über eine
Förderleitung 19,
in der geeignetes Dosierelement 20 angeordnet ist, der
Waage 5 zugeführt.
Gekühlter
Zement aus dem Wirbelbettreaktor 10 und ungekühlter Zement
aus der Förderleitung 3 können dabei
entweder gemeinsam oder unabhängig
voneinander in der Waage 5 gewogen und anschließend in die
Mischeinrichtung 4 eingemischt werden. Durch die Einstellung
der Menge an gekühltem
bzw. ungekühltem
Zement kann die Temperatur des Frischbetons den jeweiligen Erfordernissen
bzw. Kundenwünschen
angepasst werden. Insbesondere ist es möglich, auch kleinere Chargen
von Frischbeton, die nur einen Teil des im Vorratsilo 2 gespeicherten
Zements benötigen,
mit der gewünschten
Temperatur herzustellen. Weiterhin ist es möglich, während des Mischvorgangs in
der Mischeinrichtung 4 die Temperatur des Frischbetons
durch die Variation der Zufuhr an gekühltem bzw. ungekühltem Zuschlagstoff
zu regeln. Hierfür
kann auch eine – hier
nicht gezeigte – automatisierte
Regeleinrichtung vorgesehen sein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 sorgt
für eine effektive
Kühlung
bei der Herstellung des Frischbetons und mindert die Belastungen
für Mensch
und Umwelt bei der Betonherstellung.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Vorratssilo
- 3
- Förderleitung
- 4
- Mischeinrichtung
- 5
- Waage
- 6
- Dosierelement
- 7
-
- 8
- Nebenleitung
- 9
- Ventil
- 10
- Wirbelbettreaktor
- 11
- Tank
- 12
- Kältemittelzuleitung
- 13
- Trenneinheit
- 14
- Kopfraum
- 15
- Düsen
- 16
-
- 17
- Filtereinheit
- 18
- Lagerbereich
- 19
- Förderleitung
- 20
- Sperrglied