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Zellenrad-Druckaustauscher Die Erfindung betrifft Zellenrad-Druckaustauscher
mit einer Hochdruck- und einer Niederdruckspülzone, wobei die Heißgaszellen vor
ihrem Eintritt in die Niederdruckspülzone einen Vorauslaß aufweisen.
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In der Niederdruckspülzone wird das in den Zellen enthaltene heiße
expandierte Gas durch kühleres Frischgas ersetzt, was z. B. durch Spülen der Zellen
bewirkt wird. Das Entfernen des heißen Gases und sein Ersatz durch kühleres Gas
erfordert einen Arbeitsaufwand, der vorteilhaft zum Verbessern des Druckaustauscher-Wirkungsgrades
verwandt werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, den Arbeitsaufwand für die Niederdruckspülung
zu senken und Druckaustauscher zu erstellen, bei denen das in der Niederdruckspülzone
aus den Zellen entfernte heiße expandierte Gas selbst dazu verwendet wird, seinen
Ersatz durch kühles Gas zu unterstützen.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Ein- und Auslaßstutzen
der Niederdruckspülzone außerhalb des Zellenrades über eine Kühlvorrichtung, die
in einer Umlaufleitung angeordnet ist, miteinander verbunden sind.
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Auf diese Weise kann die Energie, die der Maschine in der Niederdruckspülzone
zugeführt werden muß, verglichen mit der bisher erforderlichen Energie, wesentlich
herabgesetzt werden. Weiterhin ist es möglich, den Druck in den Zellen, welche die
Niederdruckspülzone verlassen, gegenüber dem Einlaß- oder dem Umgebungsdruck zu
steigern, wobei diese Druckdifferenz für verschiedene Umstände vorteilhaft sein
kann.
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Im folgenden sind Druckaustauscher beschrieben, bei denen Zellen in
einem relativ zur Gasleitung drehbaren Läufer angeordnet sind. Damit soll jedoch
die Erfindung keineswegs auf solche Druckaustauscher beschränkt werden, sondern
sich auch auf Druckaustauscher mit feststehendem Zellenring und drehbaren Leitungen
beziehen. Weiterhin ist im folgenden unter »Verbindung« einer Zelle mit einer Spülzone
oder einer Leitung nicht eine rein geometrische Verbindung, sondern eine gasdynamisch
wirksame Verbindung zu verstehen, bei der unter Berücksichtigung der beim Gasdurchgang
durch die Zellen unvermeidlich entstehenden längenmäßigen und zeitlichen Verzögerungen
Verdichtungs- und Verdünnungswellen von einer Leitung zur anderen gelangen können.
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In Weiterentwicklung der Erfindung wird ein Druckaustauscher mit Erhitzen
des Gases vor dem Eintritt in die Hochdruckspülzone mittels innerer Verbrennung
in Vorschlag gebracht - bei dem, in der Drehrichtung des Zellenrades gesehen -,
nach der die geschlossene Umlaufleitung aufweisenden Niederdruckspülzone eine weitere
beiderseits zur Atmosphäre offene Spülzone angeordnet ist. Zwischen der Hochdruckspülzone
und der Niederdruckspülzone kann eine Leitung zur Entnahme von Nutzdruckgas vorlianden
sein.
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Für Druckaustauscher, bei denen die Zu- und Abführleitungen der Hochdruckspülzone
außerhalb des Zellenrades mit einer Umlaufleitung verbunden sind, wird erfindungsgemäß
vorgeschlagen, zwischen der Zuleitung zu der Hochdruckspülzone und dem Zuleitungsstutzen
zu der - in der Drehrichtung des Zellenrades gesehen - nach der ersten Niederdruckspülzone
liegenden weiteren Spülzone eine Verbindungsleitung anzuordnen.
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Zwischen der Entnahmeleitung und der Niederdruckumlaufleitung kann
eine Verbindungsleitung angeordnet sein. Und schließlich kann in den Verbindungsleitungen
eine Kraftmaschine angeordnet sein.
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Die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung zeigen
verschiedene Möglichkeiten für die Anordnung der stromaufwärts und stromabwärts
der Zellen liegenden Wärmeabfuhrleitungen.
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Die Erfindung soll nun an Hand von Beispielen nur einiger in den Zeichnungen
dargestellter Ausführungsformen beschrieben werden, und zwar zeigt Fi.l eine schaubildliche
Umfangsabwicklung eines' Druckaustauschers mit einem drehbaren Zellenrad und festen
Endplatten, an welche Leitungen angeschlossen sind, die eine gleichzeitige
Kompression
und Expansion des Gases in den Zellen bewirken, .
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Fig.2 eine Variante des in der Fig. 1 gezeigten Druckaustauschers
mit äußerer Erhitzung des Gases sowie mit Einschaltung einer Turbine in die Nutzgasentnahmeleitung,
Fig. 3 eine Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung, mit Nutzgasentnahme
zwischen der Hochdruck- und der Niederdruckspülzone, Fig.4 nur die Niederdruckspülzone
eines Druckaustauschers, in der eine Waben- oder Rieselkühleinrichtung angeordnet
ist, und Fig.5 einen Druckaustauscher mit Nutzgasentnahme und Nutzgasverwertung
in einer Turbine sowie mit Rückführung des Turbinenabgases in den Kreislauf der
Niederdruckspülzone.
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Gemäß der Fig. 1 sind in einem Zellenrad 2, das in einer Umfangsabwicklung
dargestellt ist, Zellen 1 vorhanden. Das Zellenrad 2 dreht sich und führt jede Zelle
1 in der Richtung des Pfeiles 3 an Zu-und Abführleitungen entlang. Die Hochdruckspülzone
ist in der Fig. 1 links und die Niederdruckspülzone rechts.
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Die Wärmezufuhr in eine Zelle 1 hinein wird durch heißes Gas bewirkt,
das aus dem stromaufwärtigen Ende 4 der Heißgaszuleitung der Hochdruckspülzone in
eine Zelle 1 eintritt. Auf der anderen Seite des Zellenrades 2 ist das stromabwärtige
Ende 5 der Hochdruckspülzonenableitung angeordnet, und das stromaufwärtige Ende
4 ist mit dem stromabwärtigen Ende 5 über eine Zwischenleitung 6 verbunden. Die
Wärmezufuhr erfolgt durch Verbrennen von Öl in einer Brennkammer 7. Die Leitungen,
durch die der Hochdruckspülzone heißes Nutzdruckgas entnommen werden kann, sind
mit 9 und 10 bezeichnet. Diese Leitungen vereinigen sich zu einer gemeinsamen Leitung
11, von der das Gas zu einem Nutzdruckgasverbraucher gelangen kann. Drosseln
12 und 13 in den Leitungen 9 und 10 steuern die Menge
des außerhalb des Druckaustauschers verbrauchten Gases.
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Übertragungskanäle 14 und 15 verbinden die Zellen für heißes Hochdruckgas
mit den Zellen für nicht komprimiertes Gas. Es sind nur zwei übertragungskanäle
dargestellt. Es kann aber auch eine größere Anzahl vorhanden sein. Mit 16 und 17
sind die vorderen Steuerkanten der Zu- und Ableitungen 4 und 5 der Hochdruckspülzone
bezeichnet. Diese Kanten sind so angeordnet, daß jede Zelle 1 bei der Drehbewegung
des Zellenrades 2 die Kante 16 zeitlich vor der Kante 17 erreicht. Daher fließt
das Gas in der Hochdruckspülzone in der Richtung des Pfeils 18 in die Zelle.
Bei dieser Ausführung wird demnach jede Zelle 1, welche die Hochdruckspülzone erreicht,
zuerst an der stromaufwärtigen Seite der Heißgaszuleitung 4 geöffnet und ebenfalls
am gleichen Ende auch zuerst geschlossen.
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Die Niederdruckspülzone des Druckaustauschers ist in der Fig. 1, rechts,
dargestellt, wobei die Zuleitung 19 und die Ableitung 20 der Niederdruckspülzone
über eine Zwischenleitung 21 miteinander verbunden sind. In diesem geschlossenen
Leitungssystem 19, 20, 21 ist eine Kühleinrichtung 22 angeordnet. Das Gas in diesem
geschlossenen System gibt Wärme an einen Kühler 22 ab, und von dort wird sie durch
ein in der Richtung der Pfeile 23 durch den Kühler 22 strömendes Kühlmittel weggeführt.
Die Steuerkanten 24 und 25 der Zu- und der Ableitung 19 und 20 der Niederdruckspülzone
sind so angeordnet, daß eine Zelle 1, welche die Niederdruckspülzone erreicht, zunächst
beim Passieren der Kante 25 an ihrem Ausströmende geöffnet wird. Erst danach wird
sie durch Passieren der Kante 24 an ihrem Einströmende zur Zuleitung hin geöffnet.
Das Schließen einer jeden Zelle erfolgt umgekehrt, d. h. zunächst zur Zuleitung
19 hin und erst später am Abströmende zur Ableitung 20 hin. Dichtungssektoren 26
und 26' trennen die Hochdruckspülzone von der Niederdruckspülzone.
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Ein weiterer Endplatten-Dichtungssektor 27 trennt die Zuleitung 19
der Niederdruckspülzone von einer weiteren Zuleitung 28, die, in der Drehrichtung
des Zellenrades 2 gesehen, hinter der Niederdruckspülzone angeordnet ist und als
Einlaßleitung zum Einführen kalten Gases, z. B. atmosphärischer Luft, in die Zellen
1 dient. Die Steuerkanten 29 und 30 der Frischluftzuleitung 28 sind so angeordnet,
daß eine beim Passieren der Kante 29 entstehende Verdichtungswelle sich zum anderen
Ende der Zelle fortpflanzen kann, bevor die Zelle nach einem der Frischluftzuleitung
28 gegenüber angeordneten Spülauslaßstutzen 40 geöffnet wird. In gleicher Weise
ist die Stufung oder Staffelung der Steuerkanten 24 und 25 vorzugsweise solcherart,
daß eine durch Passieren der Kante 25 bewirkte Verdünnungswelle das entgegengesetzte
Ende der Zelle erreicht, wenn die Zelle die Kante 24 erreicht, so daß dort der Druck
bereits vermindert wurde.
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Dieses Öffnen oder Schließen einer Zelle 1 durch die Kanten einer
Leitung ist nicht genau bestimmbar. Für praktische Zwecke kann jedoch eine Zelle
1
gegen eine Leitung als offen angenommen werden, wenn wenigstens ein Viertel
bis zur Hälfte der Zellenendfläche von der Leitungskante geöffnet ist, und als geschlossen,
wenn höchstens ein Viertel bis ein Drittel ihrer Endfläche frei ist.
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Die prinzipielle Arbeitsweise des dynamischen Druckaustauschers wird
als bekannt vorausgesetzt. Im Betrieb bewegt sich eine Zelle 1 in der Richtung des
Pfeils 3. Anfangs ist sie mit kaltem Gas niederen Drucks gefüllt. Die Zelle
1 bewegt sich nun an den linken Enden der Übertragungskanäle 15 und
14
vorbei bis schließlich zur Kante 16 der Hochdruckspü]zone, wobei der Druck
in der Zelle 1 dadurch gesteigert wird, daß das Innere der Zelle mit den Leitungen
14 und 15 in Verbindung gebracht wird. Wenn die Zelle 1 dann die Kante
16 passiert, kommt das Zelleninnere mit der Zu- und mit der Ableitung der Hochdruckspülzone
in Verbindung. Das beim Passieren der Kante 16 relativ kalte und vorverdichtete
Gas der Zelle 1 wird durch in der Brennkammer 7 erhitztes Gas noch höher komprimiert,
verdrängt und ausgespült. Wie bereits zuvor erläutert, kann mittels der Leitungen
9, 10 und 11 Nutzdruckgas für anderweitige Verwendung aus der Hochdruckspülzone
abgenommen werden.
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Die Zellen 1 treten demnach durch die Hochdruckspülzone hindurch und
verlassen diesen Bereich angefüllt mit heißem komprimiertem Gas. Darauf kommen sie
mit den Übertragungskanälen 14 und 15 in Verbindung, so daß der Zellendruck steil
abfällt. Bei der weiteren Bewegung in der gleichen Richtung erreicht die Zelle 1
die Steuerkante 25 der Niederdruckspülzonenableitung 20. Der dort herrschende
Druck ist niedriger als der einer in dieser Zone ankommenden Zelle 1, so daß in
der Zelle 1 eine Verdünnungswelle
entsteht, die das andere Ende
der Zelle 1. erreicht, wenn dieses Ende die Kante 24 passiert. Das Gas fließt
in der Pfeilrichtung aus der Zelle 1 in die Leitung 20. Bei der weiteren Bewegung
der Zelle 1 an der Leitung 19 vorbei steigert dieser Gasstrom durch die Zelle 1
seine Geschwindigkeit, so daß die Zelle 1 diese Zone angefüllt mit kaltem
Gas niederen Druckes verläßt. Dieser Spülstrom durch die Zelle 1 hindurch bewirkt
einen Gasstrom durch die Leitung 21 und den Kühler 22. Damit ergibt sich ein Absenken
der Gastemperatur in der Zelle 1. Der Gasdruck in der Zelle 1 ist vor und
nach dem Verlassen der Wärmeabfuhrzone unterschiedlich, während das Volumen des
Gases in der Zelle 1 in beiden Fällen im wesentlichen gleich ist. Wenn die Zelle
1 die Leitung 28 erreicht, ist der Zellendruck weitaus niedriger als im ganzen Kreislauf
zuvor. Die Leitung 28 steht mit einer Gasquelle in Verbindung, die höheren Druck
aufweist, als in der Zelle 1 herrscht. Diese Gasquelle kann z. B. die .Atmosphäre
sein. Demgemäß strömt Gas in die Zelle ein, die dadurch dynamisch aufgeladen und
vielleicht sogar überladen wird, d. h. einen höheren Druck erhält, als in der Leitung
28 herrscht.
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Gleichzeitig wird der auf Unterdruck expandierte Zelleninhalt, der
aus dem aus der Brennkammer 7 stammenden Gas besteht, auf Atmosphärendruck verdichtet
und durch die Leitung 40 ins Freie ausgeschoben.
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In der Fig. 2 ist eine Alternativanordnung dargestellt. Heißes Gas
wird von der Hochdruckspülzone 4, 5, 18 durch die Leitungen 11 und 32 zu einer Kraftmaschine
31 geführt und dort expandiert. Die Kraftmaschine 31 kann eine Turbine sein. Das
Abgas der Turbine 31 wird über die Leitung 33 durch eine Kühleinrichtung 34 der
Leitung 28 zugeführt. Da hier ein vollständig geschlossener Kreislauf vorhanden
ist, wird die Wärme durch indirekte Beheizung zugeführt, und die Heizvorrichtung
8 ersetzt in diesem Fall die in der Fig. 1 gezeigte Brennkammer 7. Durch die Wärmezufuhr
mittels der Heizvorrichtung 8 wird das bei 18 zugeführte Gas isochor verdichtet
und über die Leitung 9, die hinter der Heizvorrichtung 8 von der Leitung 4 abzweigt,
zu Nutzzwecken entnommen.
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In der Fig. 3 ist wiederum ein Zellenrad 2 gezeigt, das sich in der
Richtung des Pfeils 3 an Endplatten vorbei dreht. Die Zu- und Ableitungen 4 und
5 der Hochdruckspülzone sind außerhalb des Druckaustauschers durch eine Leitung
6 verbunden, in der eine Brennkammer 7 angeordnet ist, so daß sich ein geschlossener
Hochdruckspülkreis 7, 4, 5, 6, 7 mit Erhitzung des Hochdruckgases ergibt. Durch
Erhitzung, die sich praktisch bei konstantem Volumen abspielt, wird der Druck des
Gases erhöht. Heißes Gas zur Verwendung außerhalb des Druckaustauschers wird über
eine Leitung 35 entnommen und einer gestrichelt gezeichneten Expansionsturbine zugeführt.
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Die Niederdruckspülzone weist eine Zuleitung 19
und eine Ableitung
20 auf, die durch eine Leitung 21 miteinander verbunden sind. In der Leitung 21
ist ein Kühler 36 angeordnet.
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Die Steuerkanten derLeitungen in dieserAusführung der Erfindung sind
in der gleichen Weise wie bei der Ausführung nach der Fig. 1 angeordnet. Die hinteren
Kanten 37 und 38 sind aber bei diesem Beispiel so gegeneinander versetzt, daß das
Ausströmende der Zelle 1 vor dem Einströmende schließt. Die Versetzung der Kanten
37 und 38 entspricht nahezu der Strecke, die das Zellenrad 2 bei normaler Drehgeschwindigkeit
zurücklegt, wenn eine an der Kante 38 ausgelöste Verdichtungswelle nach dem Durchqueren
der Zelle 1 deren anderes Ende erreicht.
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Eine Zufuhrleitung 28, z. B. für frische Luft, ist durch einen Dichtungsendplattensektor
39 von der Leitung 19 getrennt. Gegenüber dieser Leitung 28 ist auf der anderen
Seite des Zellenrades 2 eine Leitunga0 angeordnet, durch die das aus Brennkammergas
bestehende expandierte Restgas aus der Zelle 1 ausgespült wird. Die Leitung 40 ist
durch den Endplattensektor 39' von der Leitung 20 der Niederdruckspülzone getrennt.
Die Versetzung der vorderen Steuerkanten 29 und 29' und der hinteren Kanten 30 und
30' der Leitungen 28 und 40 der zusätzlichen weiteren Spülzone ist so groß, daß
das Abströmende einer Zelle 1 durch die Kante 29' geöffnet wird, wenn die Verdichtungswelle,
die sich beim Öffnen des Einströmendes der Zelle 1 durch die Kante 29 bildet, das
Zellenende nahe der Kante 29' erreicht. Ähnlich erreicht die Verdichtungswelle,
die von der Kante 30' ausgelöst wird, das Einströmende der Zelle 1, wenn dieses
die Kante 30 passiert.
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Im Betrieb werden die Zellen 1 in der Hochdruckspützone mit Hochdruckgas
gefüllt. Alsdann wird der Zelle hinter der Hochdruckspülzone Nutzgas durch die Leitung
35 entnommen. Dadurch sinkt der Zellendruck, bleibt aber noch auf einem Wert, der
höher als der Druck in der Leitung 20 ist. Wenn eine Zelle die Kante 25 passiert,
entsteht eine Verdünnungswelle, die sich durch die Zelle 1 hindurchbewegt und in
der Zelle einen Gasstrom auslöst, so daß in die Leitung 20 Gas austritt. Dieser
Gasstrom setzt sich auch nach dem Passieren der Kante 24 der Leitung 19 fort, und
das heiße Gas in den Zellen 1 wird daher durch vom Kühler 36 gekühltes Gas ersetzt.
Die von der Kante 38 ausgehende Verdichtungswelle verhindert weitere Gasbewegungen
in der Zelle 1, und der Zellendruck wird etwas erhöht. Nach diesem Spülprozeß ist
der Zellendruck niedriger als vor dem Erreichen der Niederdruckspülzone. Da dieser
Druck niedriger ist als der Druck in der Leitung 28, d. h. als der atmosphärische
Druck, strömt Gas, z. B. frische Luft, in die Zelle 1, wenn sie die Kante 29 passiert.
Für einen kurzen Zeitraum ist die Zelle 1 an beiden Enden geöffnet, und eine weitere
Spülung findet statt, so daß das expandierte Restgas durch die Leitung 40 ins Freie
abströmt, bis die durch die Kante 30' verursachte Verdichtungswelle in der
Zelle eine weitere Gasbewegung abstoppt. Die Zelle 1 kann dabei sogar im Vergleich
zu dem Druck in der Leitung 28 überladen werden.
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In der Fig. 4 ist nur die Niederdruckspülzone eines Druckaustauschers
dargestellt. Auch hier ist die Zuleitung 19 mit der Ableitung 20 der Niederdruckspülzone
zu einem geschlossenen Kreislauf mittels der Leitung 21 verbunden, in der eine Kühleinrichtung
41 aus einer Waben-, Filter- oder Rieselbauart angeordnet ist. Das Kühlmittel wird
über ein Rohr 42 zugeführt und über einen Ablauf 43 abgeführt. Es kann eine Rieseleinrichtung
beliebiger Bauart verwandt werden, z. B. ein Tafelblechriesler oder eine mit Kiesel
oder einer anderen geeigneten Masse, z. B. einer porösen Masse angefüllte Einrichtung.
Diese Rieselanlage kann aber auch ganz weggelassen werden, wobei dann das Kühlmittel
einfach im Gegenstrom durch das Gas rieselt. Ähnlich wie in der Fig. 1 hat
auch
diese Anordnung eine Kühlgasleitung 28. Diese Einrichtungen unterscheiden sich jedoch
dadurch, daß hier eine Gasentnahmeleitung 44 vorhanden ist, deren vordere und hintere
Kanten 45 und 46 derart einander zugeordnet sind, daß bei normaler Geschwindigkeit
oder Drehung des Zellenrades 2 und beim Öffnen einer Zelle 1 an der vorderen Kante
45 eine Verdünnungswelle sich vom Abströmende der Zelle zu ihrem Einströmende und
wieder zurück bewegen kann, bevor die Zelle 1 durch die hintere Kante 46 wieder
geschlossen wird. Bei einem Alternativvorschlag kann auf der entgegengesetzten Fläche
des Zellenrades 2, also gegenüber der Leitung 44, eine weitere Leitung 44'
vorhanden sein, wie dies in der Fig. 4 gestrichelt angedeutet ist.
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Beim Erreichen der Leitung 44 passiert demnach die Zelle 1 bei dieser
Ausführungsform zunächst die Kante 45, worauf sich eine Verdünnungswelle vor und
zurück über die Länge der Zelle 1 hinweg bewegt und einen Strom heißen expandierten
Gases in die Leitung 44 hinein verursacht. Das Entnahmegas kann mit verschiedenem
Druck abgeführt werden, und zwar je nach der Auslegung des Druckaustauschers und
nach der Lage der Entnahmeleitung. Der Entnahmedruck kann gleich dem Druck in der
Zuleitung 28, z. B. gleich dem Atmosphärendruck sein. Das Gas kann aber auch mit
Überdruck entnommen und einer Kraftmaschine zugeführt werden. Da das Gas aus der
Zelle 1 ausgeströmt ist, hat die Zelle nach dem Passieren der Kante 46 einen
beträchtlich niedrigeren Druck, so daß bei diesem Beispiel in der Niederdruckspülzone
nur wenig Gas gekühlt werden kann. Der Druck ist niedriger als bei den zuvor beschriebenen
Ausführungsformen, so daß ein höheres Druckgefälle erreicht werden kann. Auch bei
dieser Ausführung kann dadurch ein geschlossener Kreislauf erzielt werden, daß die
Leitung 44 oder die Austrittsleitung der Expansionsmaschine mit der Leitung 28 über
eine Kühleinrichtung verbunden wird.
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Desgleichen kann bei der Ausführung nach Fig. 3 das aus der Leitung
35 über eine Turbine geführte Entnahmegas zur Zuleitung 28 rückgeführt werden.
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Nach der Fig. 5 wird das heiße Niederdruckgas für äußere Verwendung,
z. B. in einer Kraftmaschine 31' dem Zellenrad 2 über die Leitung 35 entnommen,
wogegen in der Fig. 1 Nutzdruckgas der Hochdruckspülzone 4, 5, 6 bei 11 entnommen
wird. Auch in der Fig. 5 ist die Einrichtung zum Ausnutzen des heißen Gases wiederum
als Turbine 31' dargestellt, der das heiße Gas durch die Leitung 32' zugeführt wird.
Das Abgas der Turbine 31' gelangt über eine Leitung 33' und einen Kühler 34 zu einem
Rohr 47, das in den Kreislauf der Niederdruckspülzone führt. Anderes Gas wird von
einer Zwischendruckstufe der Turbine 31' über eine Leitung 49 zum Einlaß 28 der
zusätzlichen weiteren Spülzone geführt, mit dem die Zellen 1 verbunden sind, wenn
sie die Niederdruckspülzone 19, 20 passiert haben. Die Niederdruckspülzone
19, 20 enthält die Kühleinrichtung 36, die mit Kühlmittel aus Rohren 50 über
Ventile 51 versorgt wird, wobei die Rohre 50 und die Ventile 51 auch
den Kühler 34 für das Gas in der Leitung 47 und einen Kühler 52 für das Gas in der
Leitung 49 versorgen. Bei dieser Ausbildung kann die Hochdruckspülzone von außen
her indirekt beheizt werden. Der niedrigste Druck liegt tiefer als bei dem Ausführungsbeispiel
nach der Fig. 1, so daß sich ein größeres nutzbares Druckgefälle ergibt.