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Regenerativ-Wärmeaustauschanlage mit einem Paar auf einem Drehgestell
angeordneten Regeneratoren, die durch absatzweises Verdrehen des Gestells ihre Plätze
miteinander wechseln. Die Erfindung betrifft eine Regenerativ-Wärmeaustauschanlage,
die nach dem üblichen Umkehrverfahren arbeitet, bei welchem die Speicherfüllung
des Regenerativ-Wärmespeichers abwechselnd und in entgegengesetzten Richtungen von
einem heißen Gas durchströmt wird, von dem sie die Wärme aufnimmt, und aufzuheizender
Luft bzw. einem Gas, an das die Wärme wieder abzugeben ist.
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Die Wärmeaustauschanlage nach der Erfindung kann wie üblich z. B.
zum Vorwärmen der einem Ofen zugeführten Verbrennungsluft und insbesondere zum Anheizen
von Gas oder auch bei Druckluftturbinen zur Anwendung kommen, die ihre Wärmezufuhr
von heißen, gasförmigen Verbrennungsprodukten erhalten, die Verunreinigungen aufweisen,
nämlich Staub oder andere Bestandteile, die mit heißen Metallen in chemische Reaktion
treten. Bei einer solchen Anlage wird - ohne daß ein Mischvorgang stattfindet -
Wärme an die die Turbine treibende Druckluft abgegeben; in diesem Fall arbeitet
der wärmeabgebende Regenerator unter einem beträchtlichen Innendruck.
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Der Einfachheit halber sei nachstehend das die Wärme abgebende Mittel
als »Gas« und das die Wärme aufnehmende Mittel als »Luft« bezeichnet.
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Es ist eine Regenerativ-Wärmeaustauschanlage bekannt, die mittels
heißer Gase aufheizbar ist und aus zwei gleichen Regeneratoren besteht, die Fülleinsätze
aus wärmespeichernden Elementen aufweisen und derart auf einem Drehgestell angeordnet
sind, daß sie durch absatzweise erfolgendes Verdrehen des Gestells .über eine halbe
Umdrehung (in gleicher oder wechselnder Richtung) ihre Plätze miteinander wechseln,
so daß die Öffnungen an beiden Enden der Regeneratoren abwechselnd mit dem Luftein-
und -auslaß bzw. mit dem Auslaß und dem Einlaß für das heiße Gas in Verbindung kommen.
Es ist andererseits bekannt, während dieses Umschaltvorganges die Regeneratoren
von den Luft- und Gasanschlüssen zu trennen, so daß deren Mündungen frei liegen.
Es müssen daher bei dieser bekannten Anlage nicht nur die offenen Rohrmündungen
verschlossen werden, sondern es muß auch zugleich für einen ungestörten, kontinuierlichen
Durcht> von Luft und Gas gesorgt werden. Dies erfordert bei der bekannten Anlage
eine schnell durchzuführende Bedienung mehrerer Ventile bzw. Schieber in ganz bestimmter
Reihenfolge.
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Gemäß der Erfindung wird demgegenüber die geschilderte Aufgabe dadurch
gelöst, daß einerseits die Luftzuführungsleitung und die Luftablaßleitung sowie
andererseits die Gaszuführungsleitung und die Gasaustrittsleitung durch Umleitrohre
miteinander verbunden sind und daß synchron mit dem Beginn und dem Ende der Bewegung
des Drehgestells der Regeneratoren steuerbare Ventile vorgesehen sind, mit deren
Hilfe die Umleitrohre verschließbar sind. und die Regeneratoren an die Gas- und
Luftleitungen anschließbar sind, wenn die Regeneratoren ortsfest stehen, hingegen
die Umleitrohre und die offenen Enden der Gas-und Luftleitungen geschlossen werden,
wenn die Regeneratoren ihren Platzwechsel vornehmen. Auf diese Weise wird ein kontinuierlicher
Durchfluß von Luft und Gas durch die Anlage erzielt, und zwar, ohne daß es notwendig
wäre, dem sich automatisch abspielenden Umschaltvorgang besondere Aufmerksamkeit
zu schenken.
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Es ist ferner bei Regenerativ-Wärmeaustauschanlagen an sich bekannt,
sogenattnte TTmgehungsleitungen vorzusehen. Bei den bekannten Anlagen dient diese
Umgehungsleitung jedoch nicht dazu, einen kontinuierlichen Durchfluß von Luft und
Gas während des Umschaltvorganges zu erzielen, sondern sie hat die Aufgabe, das
in den Kammern der Anlage enthaltene Gas auszuspülen bzw. unmittelbar in den Kamin
zu leiten. Bei der Anlage nach der Erfindung erfüllen die Umleitrohre also einen
ganz anderen Zweck.
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Die Ventile, die bei der Anlage nach der Erfindung an den Anschlußstellen
der Luftzuführungsleitung mit
dem Umleitrohr für die Luft und des
Umleitrohres für das Gas mit dem Ablaßrohr vorgesehen sind, liegen in Zonen niedriger
Temperatur und können daher als einfache Kegel- oder Klappventile ausgebildet sein;
das Ventil hingegen, das an der Verbindungsstelle zwischen dem Luftumleitrohr mit
der Luftablaßleitung vorgesehen ist, liegt in einem Bereich hoher Temperatur und
wird daher zweckmäßig als Kolbenventil ausgebildet; vorteilhaft besteht es aus einer
einfachen Hülse mit einer einzigen Öffnung.
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Wird die zugeführte Luft umgeleitet und unmittelbar der Luftablaßleitung
zugeführt, so würde die abgegebene Luft kalt sein, wenn sie nicht besonders vorgeheizt
würde; daher ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Wärmespeicherkammer
vorgesehen, die einen Einsatz aus wärmespeicherndem Material enthält. Diese Wärmespeicherkammer
liegt hinter der Vereinigung des Luftumleitungsrohres mit dem Luftablaßrohr des
Regenerators. Diese Wärmespeicherkammer gibt Wärme, welche während des Ablassens
der heißen Luft aus dem wärmeabgebenden Regenerator aufgenommen und gespeichert
wurde, an die durch das Umleitrohr hindurchgeführte Luft ab, und zwar während der
Drehbewegung der Regeneratoren. Dieser Vorgang dauert nur kurze Zeit im Vergleich
mit der für den gesamten Arbeitsvorgang benötigten Zeit.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung
eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiels hervor.
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Fig. 1 zeigt in Seitenansicht eine für industrielle Zwecke bestimmte
Gasturbinenanlage mit einer Verbrennungskammer, in der pulverförmiger fester Brennstoff
zur Verbrennung gelangt. Die Anlage weist einen Regenerativ-Wärmeaustauscher auf,
mit dessen Hilfe die Wärme aus den Verbrennungsprodukten dem Arbeitsmittel, nämlich
Luft, zugeführt wird; Fig. 2 zeigt die Anlage im Grundriß; Fig. 3 ist ein Schnitt
nach der Linie 3-3 der Fig. 5 und zeigt einen Regenerativ-Wärmeaustauscher mit oszillierenden
oder rotierenden Regeneratoren, der bei einer Anlage nach den Fig. 1 und 2 zur Anwendung
gelangt; Fig. 4 ist ein Schnitt nach der Linie 4-4 der Fig. 3 ; Fig. 5 ist ein Querschnitt
nach der Linie 5-5 der F ig. 3, und Fig.6 zeigt in größerem Maßstab einen Teil des
Ouerschnittes der Linie 6-6 der Fig. 4.
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Die Gasturbinenanlage nach den Fig. 1 und 2 besteht aus mehreren Abschnitten.
Der erste Abschnitt 10 ist das Einführungsrohr für die Luft; in dem Abschnitt 12
befindet sich der Verdichter; der nächste Abschnitt enthält den Auslaßkrümmer 14
des Verdichters und endet in einem Anschlußflansch 16. Der Abschnitt 18 enthält
den Einlaßkrümmer der Turbine und weist einen äußeren Anschlußflansch 20 auf; der
letzte Abschnitt 22 enthält die Turbine bzw. die Turbinen.
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Luft, welche durch den Einlaß 10 angesaugt worden ist, im Verdichter
12 verdichtet und durch den Auslaßkrümmer 14 abgegeben wird, wird indirekt beheizt
mittels eines Regenerativ-Wärmeaustauschers, der seine Wärme von den Verbrennungsprodukten
enthält, die in einer, Brennkammer 24 entstehen; in dieser Brennkammer wird ein
minderwertiger, pulverisierter, fester Brennstoff, wie beispielsweise feingemahlener
Torf, verbrannt.
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Der Regenerativ-Wärmeaustauscher (der in seinem allgemeinen Aufbau
in den Fig. 1 und 2 und in seiner baulichen Ausgestaltung in den Fig. 3 bis 6 dargestellt
ist) besteht aus einem Paar Regeneratoren 26 und 28. Diese Regeneratoren erhalten
abwechselnd ihre Wärme von heißen Gasen (im vorliegenden Falle von den Verbrennungsprodukten,
die aus der Brennkammer 24 austreten), die durch eine Leitung 30 zugeführt werden.
Die Regeneratoren geben ihre Wärme an Luft ab, die durch eine Leitung 32 strömt
(diese Luftleitung ist im vorliegenden Falle an den Kupplungsflansch 16 des Verdichterauslasses
14 angeschlossen). Die angeheizte Luft wird durch eine Leitung 34 geführt, die mit
dem Kupplungsflansch 20 des Turbineneinlasses verbunden ist. Haben die heißen Gase
den die Wärme aufnehmenden Regenerator 26 durchströmt, so werden sie durch das Rohr
36 mittels eines Gebläses 38 abgezogen und durch einen Schornstein 39 in die freie
Luft abgelassen.
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Die Regeneratoren 26 und 28 sind mit ihren Längsachsen senkrecht angeordnet.
Die heißen Verbrennungsgase treten am unteren Ende ein und verlassen die Regeneratoren
an ihren oberen Enden. Die aufzuheizende Luft tritt dagegen oben ein und am Boden
der Regeneratoren aus; das heißere Ende der Regeneratoren liegt also an ihrem Boden.
Die Regeneratoren sind in Rahmengestellen 40 gelagert, die von einer senkrechten
Strebe 42 gehalten werden. Auf beiden Seiten dieser Strebe sind die Regeneratoren
symmetrisch angeordnet. Die Strebe 42 ruht in Lagern einer ortsfesten Gerüststütze
44, die außerdem zur Unterstützung der offenen Enden der Leitungen 30, 36, 32 und
34 dient. In der Zeichnung nicht veranschaulichte Einrichtungen sind dazu vorgesehen,
die Stützstrebe 42 absatzweise um jeweils 180° zu drehen; diese Drehung findet entweder
stets in gleicher Richtung (absatzweise Drehung) oder abwechselnd in entgegengesetzten
Richtungen (Schwingbewegung) statt, urn jeden der Regeneratoren abwechselnd mit
den Rohrleitungen 30 und 36 bzw. mit den Rohren 32 und 34 zu verbinden. Während
der eine Regenerator also Wärme abgibt, nimmt der andere Wärme auf.
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Um die Kontinuität des Durchflusses sicherzustellen und ein Herausdringen
von Verbrennungsgasen und Druckluft während der Schwingperiode zu verhindern, in
der die Regeneratoranordnung 26, 28, 40, 42 um 180° verdreht wird, sind Umleitrohre
46 und 48 vorgesehen., von denen das Rohr 46 die Leitungen 30 und 36 und das Rohr
48 die Leitungen 32 und 34 miteinander verbindet. Diese Umleitrohre sind durch Ventile
steuerbar, welche synchron mit der absatzweise erfolgenden Drehung der Stützstrebe
42 betätigt werden. Stehen die Regeneratoren fest, so sind sie an die Leitungen
30, 36, 32 und 34 angeschlossen, und die Umleitrohre 46 und 48 sind abgeschaltet;
während des Drehvorganges sind die offenen Enden der Rohre 32, 34 und 36 geschlossen,
und die Umleitrohre 46 und 48 sind angeschlossen. Das offene Ende der Leitung 30
braucht nicht geschlossen zu werden, denn wenn das Gebläse 38 an das Rohr 46 angeschlossen
ist, wird das offene Ende der Leitung 30 unter einem Unterdruck gehalten. Eindringen
von Luft nach innen in diesem Zeitpunkt der Drehbewegung ist unschädlich, da diese
Luft wieder durch das Umleitrohr 46 ins Freie gelangt.
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Damit die Regeneratoren rotieren können, müssen natürlich zwischen
den offenen Enden der Leitungen 30, 36, 32, 34 einerseits und den Regeneratoren
andererseits Abstände vorgesehen. sein. Werden die Abstände an den Enden der Leitungen
30 und 36 hinreichend klein gehalten, so braucht sie nicht weiter abgedichtet zu
werden, und zwar wegen der vom Gebläse 38 ausgeübten Saugwirkung. Leckverluste an
diesen
Stellen sind nach innen gerichtet und die Temperatur, bei welcher die heißen Verbrennungsprodukte
aus der Brennkammer abgegeben. werden, läßt sich regeln, so daß die geringfügige
Abkühlung durch kalte Luft kompensiert werden kann, die durch den Spalt zwischen
der Leitung 30 und dem wärmeaufnehmenden Regenerator eintritt. Die Luft hingegen,
welche dem wärmeabgebenden Regenerator zugeführt wird, kann unter Überdruck stehen
(dies im vorliegenden Falle insbesondere, da die Luft durch den Verdichter der Anlage
unter einem Druck von mehreren Atmosphären geliefert wird; andererseits ist der
Wirkungsgrad der Anlage sehr empfindlich gegenüber Druckverlusten zwischen Verdichter
und Turbine) ; aus diesem Grunde ist es wichtig, die Verbindungen zwischen den Leitungen
32, 34 einerseits und dem wärmeabgebenden Regenerator andererseits so vollständig
wie nur möglich abzudichten. Aus diesem Grunde sind die Enden der Leitungen 32 und
34 mit beweglichen Dichtungsringen 50, 52 ausgestattet, welche mit Dichtungsringen
54, 56 zusammenarbeiten, die an den Regeneratoren, und zwar an ihren oberen und
unteren Öffnungen, vorgesehen sind. Die Dichtungsringe 50, 52 sind mittels biegsamer
Bälge 58, 60 gasdicht mit den Rohren 32, 34 verbunden. In der Zeichnung nicht veranschaulichte
Einrichtungen sind vorgesehen, um die Dichtungsringe 50, 52 in Richtung der Längsachsen
der Regeneratoren zu verstellen, und zwar in zeitlicher Übereinstimmung mit der
absatzweise erfolgenden Drehung der Regeneratoranlage. Diese Einrichtung dient dazu,
die Dichtungsringe 50, 52 von den ortsfesten Dichtungsringen 54, 56 während des
Drehvorganges abgehoben zu halten und andererseits die Dichtungsringe 50, 52 mit
den Dichtungsringen 54, 56 in gasdichter Berührung zu halten, wenn die Regeneratoranlage
ortsfest steht.
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Während der Drehung wird die unter Druck zugeführte Luft, welche durch
das Umleitrohr 48 geführt wird, nicht von den Regeneratoren 26, 28 aufgeheizt; um
dennoch während dieser Zeit der Luft weiterhin Wärme zuzuführen, ist eine Wärmespeicherkammer
62 vorgesehen; diese Kammer ist mit wärmespeichernden, zweckmäßig aus Metall bestehenden
Füllelementen ausgestattet und liegt in der Leitung 34 zwischen ihrem Anschluß an
das Umleitrohr 48 und dem Kupplungsflansch 26 des Turbinenkrümmers. Während der
verhältnismäßig kurzen Zeiten, in denen die Leitung 34 aufgeheizte Luft aus dem
Umleitrohr 48 enthält, wird diese Luft durch die Speicherelemente der Kammer 62
aufgeheizt. Die von den Füllelementen abgegebene Wärme wird während der verhältnismäßig
langen Zeiten wieder gespeichert, in denen durch die Leitung 34 Luft hindurchtritt,
die durch den wärmeabgebenden Regenerator aufgeheizt worden ist. Die Wärmekapazität
der Wärmespeicherkammer 62 ist groß genug bemessen, um sicherzustellen, daß der
Temperaturabfall der Füllelemente dieser Kammer während der Dauer der Wärmeabgabe
nicht so groß ist, daß in irgendwie nennenswertem Umfange eine schädliche Wirkung
eintritt.
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Weitere Einzelheiten der Regenerativ-Wärmeaustauschanlage nach der
Erfindung sind in den Fig. 3 bis 6 veranschaulicht. Die Rohre 36 und 46 sind über
ein kurzes T-Stück mit einem- mittleren Abschnitt verbunden, an den das Sauggebläse
38 angeschlossen ist. An beiden Enden des T-Stückes sind Klappenventile 64, 66 vorgesehen,
die einerseits das Rohr 36 steuern, durch welches das heiße Gas aus dem Regenerator
zuströmt, und andererseits das Umleitrohr 46. In dem Rohr 46 ist ein weiteres Klappenventil
68 vorgesehen. Die Ventile 64, 66 und 68 sind durch Hebel 70, 72, 74, 76
und Stangen 78, 80 derart miteinander verbunden, daß die Ventile 66 und 68 geschlossen
sind (Fig" 3), wenn das Ventil 64 sich in der Offenlage befindet, und umgekehrt.
Der Grund für die doppelte Ventilanordnung in dem Umführungsrohr 46 ist das Vorhandensein
einer nicht abgedichteten Dehnungsverbindung an der Stelle, wo das obere Ende des
Rohres 46 mit dem Krümmer zusammenstößt, der die Verbindung mit dem Sauggebläse
herstellt. Die Ventile 64, 66 und 68 werden vermittels eines Hebels 82 durch eine
gemeinsame, hydraulisch betätigte Zylinderanordnung 84 bewegt.
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An der Stelle, an der die Leitung 32 mit dem Umleitrohr 48 zusammenstößt,
ist ein Doppelkegelventil 86 vorgesehen, das zwei Schließstellungen einnehmen kann.
In der einen Schließstellung verschließt das Ventil das obere Ende des Rohres 48
und läßt die Leitung 32 unverschlossen, während in der anderen Stellung der zum
Generator 28 (oder 26) führende Krümmer der Leitung 32 geschlossen und die Leitung
32 mit dem Rohr 48 verbunden ist. Das Ventil 86 wird vermittels einer Stange von
einem hydraulischen Zylinder 88 aus betätigt.
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Das mit dem Regenerator 28 (oder 26) in Verbindung stehende Ende der
Leitung wird von einem mit einem Futter ausgekleideten Rohrzweig 340 gebildet, der
sich von einer in der Leitung 34 vorgesehenen Öffnung 341 aus in senkrechter Richtung
erstreckt. Die Leitung 34 ragt über die Öffnung 341 hinaus. Diese Fortsetzung der
Leitung ist blind, weist jedoch eine Öffnung 96 auf, die mit dem Rohr 48 in Verbindung
steht. In dem Ansatz der Leitung 34 ist ein Schieberventil 90 verstellbar gelagert,
das eine Öffnung 94 aufweist. Das Schieberventil wird unter Vermittlung einer Stange
mittels eines hydraulischen Zylinders 92 bewegt. In der mit voll ausgezogenen Linien
veranschaulichten Lage verschließt der Schieber 90 das untere Ende des Rohres 48,
indem die Öffnung 96 verschlossen wird; dabei wird eine Verbindung zwischen dem
Leitungsansatz 340 und der Leitung 34 hergestellt, da die Öffnung 341 nicht abgedeckt
wird. Bei der mit strichpunktierten Linien veranschaulichten Stellung verschließt
der Schieber 90 die Öffnung 341 und stellt eine Verbindung her zwischen der Leitung
34 und dem Umleitrohr 48, indem die Öffnung 94 mit der Öffnung 96 zur Deckung gebracht
wird.
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Der bewegliche Dichtungsring 50 wird mittels eines hydraulischen Zylinders
98 unter Vermittlung eines Hebels 100 bewegt. Der bewegliche Dichtungsring 52 wird
über einen Hebel 104 von einem ähnlichen Zylinder 102 gesteuert. Die Stützstrebe
42 weist ein Kronrad 106 auf, das mit einem Ritzel kämmt, welches mittels eines
Motors antreibbar ist. Das Ritzel, der Motor und die zweckmäßig elektrischen Steuerungsmittel,
mit deren Hilfe die Arbeitszeiten des Motors sowie der Zylinder 84, 88, 92, 98 und
102 zeitlich aufeinander abgestimmt werden, sind in der Zeichnung nicht veranschaulicht.
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Die Regeneratoren 26, 28 haben aus Metall bestehende Fülleinsätze,
die von einer großen Anzahl senkrecht gehaltener Stäbe 108, 110 gebildet werden.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel haben diese Stäbe 108, 110 einen quadratischen
Querschnitt; sie sind aus einem Gitter aus Querstäben aufgehängt und erstrecken
sich über die ganze Höhe des Fülleinsatzes; wie insbesondere Fig. 6 erkennen läßt,
sind die Stäbe in enger Packung angeordnet. Stäbe 108, die gerade ausgestaltet sind,
wechseln sich ab mit Stangen 110, die gedreht bzw. gewunden sind, und zwar ähnlich,
wie
dies vielfach bei Stahlbetonstäben der Fall ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Verdrehungsgrad so gewählt, daß auf der ganzen Stablänge vollständige Verwindung
besteht. Dieses Verwinden benachbarter Stäbe ist vorteilhaft, aber nicht unbedingt
notwendig.
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Ein solcher Fülleinsatz bewirkt ein Durchfließen der Luft bzw. des
Gases in einzelnen ungeteilten Strömen. Auf diese Weise wird der längs des Regenorators
entstehende Druckverlust der Luft auf ein Mindestmaß herabgesetzt.
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Um .nach Möglichkeit zu verhindern, daß störende Staubteilchen sich
aus den Verbrennungsgasen beim Durchgang durch den wärmeaufnehmenden Regenorator
an den Stäben 108, 110 ansetzen und von der beim Wärmeabgabevorgang durch diesen
Regenorator hindurchströmenden Luft wieder aufgenommen werden, können Hilfseinrichtungen
vorgesehen werden, um den Fülleinsatz eines jeden Regenorators in Schwingungen zu
setzen; beispielsweise kann ein Vibrator 114 bekannter Bauart, zweckmäßig ein Überschallschwinger,
vorgesehen sein, der mit den Querstäben 112 über eine Stange 116 verbunden ist,
die durch eine gasdichte Abdichtung 118 hindurchgeführt ist.