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Die Erfindung betrifft Zellenrad-Druckaustauscher mit Hochdruck- und
Niederdruckspälzone.
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Bekanntlich sind während bestimmter Betriebsphasen eines Zellenrad-Druckaustauschers
in den einzelnen Zellen Arbeitsmittel unterschiedlicher Eigenschaften anwesend.
Eine gegenseitige Durchmischung dieser Arbeitsmittel soll soweit wie möglich vermieden
werden. Beispielsweise tritt bei Druckaustauschern in Gasgeneratoren ein Strahl
heißen Gases längs der Vorderwand einer in den Bereich der Einlaßöffnung gelangenden
Zelle in diese ein, da sich nicht das gesamte Zellenende sofort der Einlaßöffnung
gegenüber befindet. Hierdurch entsteht c;ne schräge Grenzschicht, und die dabei
auftretende Durchwirbelung führt zumindest in einer Grenzzone zwischen dem jeweils
neu eingeführten und dem ursprünglichen Zelleninhalt zu einer Durchmischung. Außerdem
bewirken die starken Geschwindigkeitsunterschiede zwischen dem bereits vorhandenen
Zelleninhalt und dem in die betreffende Zelle eingeführten Arbeitsmittelstrom ein
sehr starkes Eindringen des letzteren in die jeweiligen Zellen und eine verstärkte
Verrnischung.
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Ferner ist zu beobachten, daß eine bereits innerhalb einer Zelle vorhandene
Grenzschicht zwischen einem Arbeitsmittel höherer Dichte und einem Arbeitsmittel
geringerer Dichte dann labil wird, wenn sich eine Kompressionswelle von dem weniger
dichten zu dem dichteren Arbeitsmittel hin bewegt bzw. wenn sich eine Expansionswelle
in der jeweils umgekehrten Richtung bewegt.
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Diese Durchmischungserscheinungen treten bei einer Reihe von Druckaustauscherbauarten
auf.
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Aus der deutschen Patentschrift 255 177 ist bereits eine Druckaustauscherbauart
bekannt, bei welcher im Bereich der Hochdruckspülstufe sowohl die Einlaßöffnung
als auch die Auslaßöffnung derart in eine bestimmte Anzahl von öffnungen unterteilt
sind, so daß sich jeweils neben einer Hauptöffnung eine Reihe von Nebenöffnungen
befindet. Die mit Bezug auf die relative Zellenbewegung sämtlich vor der Haupteinlaßöffnung
gelegenen Nebeneinlaßöffnungen sind mit den in bezug auf die relative Zellenbewegung
hinter der Hauptaüslaßöffnung gelegenen Nebenauslaßöffnungen über Kanäle in jeweils
umgekehrter Reihenfolge derart verbunden, daß jeweils die unmittelbar vor der Haupteinlaßöffnung
gelegene Nebeneinlaßöffnung mit der unmittelbar nach der Hauptauslaßöffnung gelegenen
Nebenauslaßöffnung verbunden ist.
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Die soeben kurz beschriebene bekannte Anordnung von Nebenöffnungen
dient zur stufenweisen Expansion des einen Arbeitsmittels unter entsprechender stufenweiser
Kompression des anderen ArbeitsmittC1S zur Verbesserung des Wirkungsgrades.
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Sie ermöglicht es jedoch nicht, die oben angegebenen Ursachen für
eine Durchmischung des bereits in den betreffenden Zellen befindlichen Arbeitsmittels
mit dem in diese eingeführten Arbeitsmittel unterschiedlicher Eigenschaften zu verhindern.
Insbesondere findet bei der bekannten Anordnung auf Grund der Verbindung über die
Nebenöffnungen eine Kompressionswellenwanderung von dem weniger dichten zu dem dichteren
Arbeitsmittel hin statt, wobei es zu einer stark-en Vermischung der unterschiedlichen
Arbeitsmittel kommt.
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Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst wer-den, eine Durchnlischung
an der Grenzschicbt zwisehen unterschiedlichen Arbeitsmitteln innerhalb der Zellen
von Druckaustauschern mit Hochdruck- und Niederdruckspülzone zu verhindern.
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Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe beinhaltet die Erfindung einen
Zellenrad-Druckaustauscher mit Hochdruck- und Niederdruckspülzone, welcher dadurch
gekennzeichnet ist, daß bei einer an sich bekannten Anordnung, bei welcher die relativ
zu den Einlaß- und Auslaßöffnungen der Niederdruck- und Hochdruckspülstufen umlaufenden
Radzellen mit ihren stirnseitigen öffnungen an einer Radseite zuerst an einer Niederdruckspülstufenöffnung,
dann an einer zusätzlichen Einlaßöffnung, deren in Zellenlaufrichtung gelegene Kante
nur durch einen Zwischensteg von der entgegen der Zellenlaufrichtung gelegenen Kante
der Hochdruckspülstufen-Einlaßöffnung getrennt ist, und schließlich an dieser letztgenannten
öffnung selbst vorbeilaufen, diese zusätzliche Einlaßöffnung und der entgegen der
Zellenraddrehrichtung gelegene Teil der Hochdruckspülstufen-Auslaßöffnung durch
eine Verbindungsleitung miteinander verbunden sind.
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Hierdurch wird erreicht, daß ein Teil des Strömungsmittels aus den
Zellen abströmen kann, bevor dieselben mit dem in Strömungsrichtung gelegenen Teil
der Hochdruckspülstufen-Auslaßöffnung in Verbindung kommen. Dieser abgezweigte Teil
des Strömun-smittels wird den Zellenradzellen zugeführt, bevor das Arbeitsmittel
aus der Hochdruckspülstufen-Einlaßöffnung in die Zellen eintritt. Auf Grund der
Gleichartigkeit des Arbeitsmittelstromes durch die zusätzliche Einlaßöffnung mit
dem bereits in den Zellenradzellen befindlichen und über die Auslaßöffnung der Hochdruckspülstufe
abzuführenden Arbeitsmittel ist dessen Durchmischung mit dem genannten zusätzlichen
Arbeitsmittelstrom nicht schädlich, und außerdem wird eine Vorbeschleunigung des
Arbeitsmittels in Richtung auf die Hochdruckspülstufen-Auslaßöffnung erzielt, wodurch
eine wesentliche Beeinflussung der Grenzschicht durch das über die Hochdruckspülstufen-Einlaßöffnung
in die Zelle eintretende Arbeitsmittel im Sinne einer von der Kompressionswelle
verursachten Durchmischung vermieden wird.
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Die Erfindung ist ferner auf Zellenrad-Druckaustauscher anwendbar,
bei welchen über Verbindungs- bzw. überbrückungsleitungen eine Vorkompression eines
Arbeitsmittels stattfindet.
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Ein derartiger Zellenrad-Druckaustauscher, welcher wiederum eine Hochdruck-
und eine Niederdruckspülzone besitzt, ist erfindungsgemäß durch zwischen diesen
Stufen angeordnete, zusätzliche, durch eine Verbindungsleitung miteinander verbundene
Ein- und Auslaßöffnungen gekennzeichnet, wobei die in Zellenraddrehrichtuhg gelegene
Kante der zusätzlichen Einlaßöffnung nur durch einen Zwischensteg von der entgegen
der Zellenraddrehrichtung gelegenen Kante der öffnung einer weiteren Verbindungsleitung
getrennt ist.
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Aus der deutschen Patentschrift 724 998 sind außerdem Druckaustauscher
bekanntgeworden, bei weichen die Hochdruckspülstufen-Einlaßöffnung mit dem Ausgang
einer ein Flammrohr enthaltenden Brennkammer verbunden ist, so daß die heißen Gase
der Brennkammer dazu dienen, das in den Zellen befindliche Gas zu komprimieren und
durch die Hochdruckspülstufen-Auslaßöffnung auszutreiben.
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In Anwendung der Erfindung auf solche Anordnungen
ist
erfindungsgemäß der das Flammrohr der Brenrikammer umgebende, von Frischluft durchströmte
Raum mit der zusätzlichen Einlaßöffnung verbunden, so daß wiederum ein zusätzlicher,
der Durchmischung entgegenwirkender Arbeitsmittelstrom erhalten wird.
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Die jeweilige Auslaßöffnung ist dabei vorzugsweise größer als die
zusätzliche Eintrittsöffnung. Vorzugsweise erfolgt die Lieferung des zusätzlichen
Arbeitsmittels durch einen Kanal hindurch, welcher am Umfang mindestens so weit
ist wie die Breite der Zellen. Außerdem wird die Anordnung am besten so getroffen,
daß das die zusätzliche Einlaßöffnung durchströmende Arbeitsmittel mit einer anderen
Geschwindigkeit eintritt als das darauffolgende Hauptarbeitsmittel, Ist beispielsweise
das zusätzliche Arbeitsmittel leichter, dann sollte es mit einer etwas (Yeringeren
Geschwindigkeit einströmen. Dem Strom des Hauptarbeitsmittels kann man zweckmäßigerweise
ein Druckgefälle über seine Kanalbreite erteilen, so daß die Einström-eschwindigkeit
in der Richtung der Rotordrehung abnimmt.
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Bei einem Druckaustauscher mit vielen überleitungskanälen ist es von
größter Wichti gkeit, Vorsorge zu treffen, um die Vermischung an dem ersten überleitungskanal
nach der Niederdruckspülung einzuschränken, denn gerade dort erfolgt die Berührung
zwischen der Frischluft und den Verbrennungsgasen. Die Strahlvermischung an den
folgenden Einlaßöffnungen ist vergleichsweise wenig nachteilig, weil lediglich die
eintretenden Verbrennungsgase mit den an jenem Ende der Zellen bereits vorhandenen
Gasen vermischt werden.
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Es kann zwar nicht angenommen werden, daß die erfindungsgemäßen Druckaustauscher
ganz ohne Abschrägung der Grenzflächen arbeiten, da auf jeden Fall eine an einem
Heißgaskanal vorbeilaufende Vorderwand einer Zelle auf diesen Kanal vor der Hinterwand
dieser Zelle trifft, jedoch nimmt dabei eine geringe Schräge nicht mehr zu, und
da die Geschwindigkeitsgradienten sehr viel geringer sind, wird eine Durchwirbelung
entsprechend vermindert.
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Es sollen nunmehr, lediglich als Beispiel, gewisse Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden.
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F i g. 1. derselben zeigt eine Teilabwicklung des Umfanges
eines Druckaustauscher-Hochdruckspülkanalsysteins; F i g. 2 zeigt eine Abwicklung
des Umfanges eines Druckaustauschergaserzeugers, einschließlich einer besonderen
Brennkammeranordnung an der Hochdruckspillstufe; F i g. 3 zeigt eine Abwicklung
des Umfanges eines Druckaustauschergaserzeugers mit einem überleitungskanal und
besonderer Kanalanordnung am stromabwärts gelegenen Ende des Kanals.
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In den Figuren haben jeweils gleiche Teile gleiche Bezugsnummern.
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F i g. 1 zeigt ein Zellenrad 1, das sich zwischen den
Endplatten 2 und 3 in der Richtung des Pfeiles 4 dreht. Die Kanäle
5 und 6 sind ein Teil der Hochdruckspülzone, wobei das heiße Gas durch
den Kanal 5 in die Zellen einströmt, während die verdichtete Luft die Zellen
durch den Kanal 6 verläßt. Die Kanäle 5 und 6 sind miteinander
über eine Heizvorrichtung, beispielsweise eine Brennkammer, verbunden; es kann auch
ein Anschluß für die Entnahme von verdichtetem Gas aus dem Verbindungsstück vorgesehen
sein.
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Eine mit Luft angefüllte Zelle 7 nähert sich beispielsweise
der Hochdruckspülzone. Sobald die Zelle die Stellung 8 erreicht, wird eine
Kompressionswelle durch die Zelle hindurch übertragen, wobei die Luft verdichtet
wird. Unter den sich aus der Konstruktion ergebenden Nenn-Betriebsverhältnissen
erreicht diese Welle das andere Ende der Zelle in einem Augenblick, in dem die Zelle
an der Kante 9 des Entnahmekanals 10 vorbeiläuft. An diesem letztgenannten
Kanal wird verdichtete Luft abgenommen und einem zusätzlichen Eintrittskanal
11 am entgegengesetzten bzw. am gegenüberliegenden Ende des Zellenrades zugeführt.
Der Eintritt dieser verdichteten Luft in die Zellen löst die vorerwähnte Kompressionswelle
aus.
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Der anfängliche Eintritt der Luft in das teilweise versperrte Zellenende
erfolgt- in der Form eines Strahles; da jedoch die Eigenschaften des eintretenden
und des bereits in der Zelle vorhandenen Arbeitsmittels nahezu gleich sind, ergeben
sich keine nachteiligen Folgen. Beim Fortschreiten der Zelle auf ihrem Wege an dem
Kanal 11 vorbei wird jenes Ende der Zelle mehr und mehr freigegeben, und
ihr Inhalt wird ganz in Bewegung gesetzt, so daß, wenn die Zelle an der Kante des
Zwischensteges 12, welcher die zusätzliche Einlaßöffnung 11 von dem Haupteinlaßkanal
5 trennt, vorbeiläuft, kein plötzliches Einströmen eines heißen Gasstrahles
in die Zelle erfolgen kann.
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Bei der Weiterbewegung der Zelle an dem Kanal 5
vorbei strönit
stetig heißes Gas ein, aber dieses bleibt durch eine Pufferschicht verdichteter
Luft, die über den Zusatzkanal 11 eingeführt wurde, von der ursprünglich
in den Zellen enthaltenen verdichteten Luft getrennt. Die Pufferschicht wandert
allmählich längs der Zelle und tritt durch den Kanal 6 aus, wie bei
13 durch die gestrichelten Linien angedeutet ist.
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Bei der oben beschriebenen Anordnung findet die anfängliche Vermischung
des ursprünglichen Zelleninhalts mit dem einströmenden Arbeitsmittel zwischen verdichteter
Luft und weiterer verdichteter Luft statt, die durch den Kanal 11 einströmt.
Daher ist dieses Vermischen ohne nachteilige Folgen. Die Vermischung, welche zwischen
der durch den Kanal 11
einströmenden Luft und dem durch den Kanal
5 einströmenden Gas stattfindet, ist von geringerer Bedeutung, da die durch
den Kanal 11 ein' strömende Luft eine höhere Geschwindigkeit besitzt als
das durch den Kanal 5 einströmende Gas. Die Anordnung ermöglicht eine Verzögerungswirkung
in der Nähe der Grenzfläche von Gas und Luft, wodurch unstabile Zustände'auf ein
Mindestmag herabgesetzt werden.
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Außerdem kann es erwünscht sein, in dem durch den Kanal
5 eintretenden Strom heißen Gases ein stetiges Druckgefälle herbeizuführen,
so daß die Geschwindigkeit des Gasstroms in der Richtu " ng der Zellenraddrehung
abnimmt. Dies kann beispielsweise durch geeignete Einstellung der Druckverluste
im Heizkreis erreicht werden. Eine Möglichkeit ist.der Einsatz einer geeigneten
Drosselvorrichtung oder eines Prallbleches 14 in den Kanal.
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Um die Reibungsverluste in dem Kanal 15, welcher die Kanäle
10 und 11 miteinander verbindet, auszugleichen, muß der Staudruck
der Luft in dem Kanal 10 höher sein als in dem Kanal 11, weshalb der
erstere
größeren Querschnitt hat als der letztere. Man wird bemerken, daß die Öffnung, durch
welche hindurch der Kanal 11 mit den Zellen in Verbindung steht, mindestens so weit
sein muß wie die Zellen, damit das Profil des Strahles der einströmenden Luft bei
der endlichen Zellengröße stabil geworden ist, bevor das heiße Gas durch den Kanal
5 einzuströmen beginnt. Es ist klar, daß der Umlauf der verdichteten Luft
in der oben beschriebenen Weise in erster Näherung keine Wirkung auf das Betriebsverhalten
des Druckaustauschers hat, doch ist infolge der zusätzlichen Kanaloberfläche wohl
eine leichte Zunahme der Druckverluste zu erwarten. Ferner ist darauf hinzuweisen,
daß die Pufferschicht verdichteter Luft zwischen den Linien 13 nicht über
das vollständige Arbeitsspiel mitgenommen wird, sondern nur in der betreffenden
Stufe vorhanden ist.
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F i g. 2, welche eine vollständige Abwicklung eines Druckaustauschers
mit Hoch- und Niederdruckspülzonen darstellt, zeigt eine andere Möglichkeit, die
Pufferschicht zwischen der verdichteten Luft einer Zelle, die an der Hochdruckspülzone
ankommt, und dem heißen Gas, welches in dieser Zone eingeführt wird, zu errichten.
Das Zellenrad 1 dreht sich wiederum zwischen den Endplatten 2 und
3 in der Richtung des Pfeiles 4. Eine Niederdruckspülstufe enthält einen
Einlaßkanal 16 und einen Auslaßkanal 17, wobei dem ersteren Frischluft
zugeführt wird, welche in dieser Stufe die Zellen völlig durchspült. Innerhalb der
Zellen kommen in bekannter Weise Expansions- und Kompressionswellen 18 bzw.
19 zustande. Die Hochdruckspülstufe besteht aus einem Einlaßkanal 20, einem
Auslaßkanal 21 und einem Verbindungskanal 22. An das hierdurch gebildete Kanalsystem
ist ein Entnahmestutzen 23 angesetzt, welcher die Entnahme einer nutzbaren
Menge heißen Gases, beispielsweise zur Expansion in einer Turbine für die Krafterzeugung,
gestattet. In dem Einlaßkanal 20 befindet sich ein Flammrohr 24, in welches über
ein Rohr 25
Brennstoff eingeführt und verbrannt wird. Das Flammrohr ist von
üblicher Bauart, jedoch mit Ausnahme des stromabwärts gelegenen Endes
26, welches mit Bezug auf die Achse des Kanals 20 etwas versetzt ist, so
daß der größte Teil der Luft, welche das Flammrohr24 umströmt und an der Verbrennung
bzw. Mischung der darin befindlichen Gases nicht teilnimmt, durch die Öffnung27
in die Zellen hindurch einströmen kann, bevor die heißen Gase durch die Öffnung
28 hindurch einströmen. Wenn sich nun eine mit frischer, verdichteter Luft gefüllte
Zelle der Hochdruckspülzone nähert, trifft die verdichtete Luft auf die Kompressionswelle
29 und wird dadurch noch weiter verdichtet. Die Zelle kommt dann in Verbindung
mit der Öffnung des Auslaßkanals 21, und der Inhalt der Zelle wird in den Auslaßkanal
und von dort entweder in den Entnahmestutzen23 oder in den Verbindungskanal 22 gefördert.
Die durch die öffnung 27 einströmende Luft ist etwas wärmer als diejenige,
welche durch den Verbindungskanal 22 einströmt, weil die erstere dazu benutzt wurde,
die Außenseite des Flammrohres 24 zu kühlen. An dieser Stelle tritt daher ein Strahl
wariner verdichteter Luft in das teilweise noch versperrte Zellenende ein. Indessen
sind die Eigenschaften dieser Luft den Eigenschaften der verdichteten Luft in den
Zellen, welche sich der Hochdruckspülstufe nähern. viel ähnlicher als den Eigenschaften
des heißen Gases. welches aus dem Flammrohr 24 durch die Öffnung 28 hindurch
in die Zellen einströmt, und es ergeben sich dem. zufolge keine Nachteile. Innerhalb
der Zellen werder. zwei Grenzflächen gebildet, die schematisch durcl. die strichpunktierten
Linien 30 und 31 angedeutei sind. Die Grenzfläche 30 befindet
sich zwischen den. ursprünglichen Zelleninhalt an verdichteter Luft und der durch
die Öffnung 27 eingeströmten Luft, während sich die zweite Grenzfläche
31 zwischen dei durch die Öffnung 27 eingeströmten Luft und deni durch
die Öffnung 28 eingeströmten Gas befindet. Zwischen den Grenzflächen
30 und 31 ist also eint Pufferschicht zu den gleichen Zwecken, wie
sie weitei oben ausführlich beschrieben wurden, errichtet.
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Der in der F i g. 3 dargestellte Druckaustauscher ist wiederum
vo - der Gaserzeugerbauart, wobei die nutzbare Gasmenge an dem Entnahmestutzen
23 abgenommen wird. Der Druckaustauscher hat eine Niederdruckspülzone ähnlich
der mit Bezug auf die in F i g. 2 beschriebenen und ferner eine Hochdruckspülzone
üblicher Form. In diesem Falle ist jedoch ein überleitungskanal 32 eingebaut,
welcher dem bekannten Zwecke dient, etwas heißes Hochdruckgas an der Öffnung
33 zu entnehmen und durch die öffnung 34 wieder einzuführen, um die Luft,
welche in den Druckaustauscher an der Niederdruckspülzone eingeführt wird, vorzuverdichten.
Da an der Öffnung 34 das heiße Gas zuerst in eine Zelle eingeführt wird, welche
vorher an der Niederdruckspülzone gespült wurde, wird die vorher beschriebene Pufferschicht
an dieser Stelle am meisten benötigt, denn die Zellen erreichen diese Station angefüllt
mit teilweise verdichteer Luft. In ähnlicher Weise wie in F i g. 1 ist hier
an dem der Mündung des überleitungskanals gegenüberliegenden Zellenende ein Anzapfrohr
35
vorgesehen, welches durch ein Rohr 36 mit einer Zusatzeinlaßöffnung
37 verbunden ist, die unmittelbar neben der überleitungskanaleintrittsöffnung
34 liegt. Die verdichtete Luft wird durch das Anzapfrohr 35
entnommen und
strömt durch das 'N"erbindungsrohr 36, um durch die Zusatzeinlaßöffnung
37 in die Zelf len einzutreten. Wie oben unter Bezugnahme auf die F i
g. 2 beschrieben, werden zwei Grenzflächen aufgebaut, die schematisch durch
die strichpunktierten Linien 38 und 39 angedeutet sind. Zwischen den
Grenzflächen befindet sich die Pufferschicht, welche die innerhalb der Zelle in
dieser Stufe ankommende Luft von dem heißen Gas trennt, das durch den überleitungskanal
32 eingeführt wird. Bei der Fortbewegung der Zelle aus dieser Stellung enthalten
die jeweils linken Zellenenden, wie aus F i g. 3 ersichtlich ist, heißes
Gas. Es ist daher nicht erforderlich, eine weitere Pufferschicht aufzubauen, wo
die Hochdruckspillstufe erreicht wird. Man kann daher ein übliches Flammrohr 40
und eine Hochdruckheißgaseintrittsöffnung 41 vorsehen.