Zusammenfassung der Erfindung:
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Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Vorrichtung
zum Konditionieren von Feststoffmengen durch das Einblasen
von Gas. Der Zweck des Einblasens kann sein Erwärmen,
Trocknen, Reinigen der festen Stoffe eines Fluids oder von
Fluiden, Verursachen oder Stoppen einer chemischen Reaktion,
und/oder Steigern des Mengenausstosses an festen Stoffen.
Mehr im speziellen bezieht sich die Erfindung auf eine
Vorrichtung, mit der die Feststoffmengen dem eingeblasenen Gas
gleichmäßiger ausgesetzt werden können, während die festen
Stoffe durch das Gefäß unter Massenstrombedingungen strömen.
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Die Feststoffe für ein solches Konditionieren mit Gas können
eine Vielzahl von festen, teilchenförmigen Formen annehmen,
entweder körnig oder pulverförmig. Die Prozessbehälter
umfassen üblicherweise Bunker mit zylindrischen oder
rechteckigen, vertikalen Seitenteilen, die an den unteren Enden mit
Trichtern verbunden sind, die in Austragöffnungen,
Zufuhreinrichtungen oder Toren enden. Die Probleme mit dem
Fließverhalten der Feststoffmengen in solchen Gefäßen, die statisch
sind, d. h. nicht mit beweglichen Fließhilfen ausgerüstet
sind, und nicht für das Einblasen von Gas ausgerüstet sind,
sind intensiven Studien unterworfen worden. Unter diesen
Problemen befinden sich die Brückenbildung der festen Stoffe
oberhalb der Austragöffnung, Rattenlochbildung, das Erzeugen
von Bereichen innerhalb des Gefässes, wo sich die festen
Stoffe nicht zur Austragöffnung bewegen und das Absondern
von gemischten Teilchen, die sich in ihren physikalischen
Eigenschaften unterscheiden. Wie im US-Patent an Johanson
US-A 4 286 883, datiert 1. September 1981, angegeben, wurde
ein optimaler Fließzustand, bezeichnet als "Massenstrom"
(mass flow), als jener Zustand definiert, bei dem sich das
gesamte feste Material innerhalb des Bunkers in Bewegung
befindet, wann immer etwas davon abgezogen wird.
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Eine Grundbedingung für den Massenstrom, wie sie im obigen
Patent angegeben ist, besteht darin, dass die Trichterwand
einen von der Vertikalen gemessenen Winkel haben muss, der
einen vorbestimmten "Massenfließwinkel" nicht übersteigt.
Wenn diese Bedingung erfüllt wird, befinden sich die mit der
Trichterwandoberfläche in Berührung stehenden, festen Stoffe
in Bewegung, wann immer feste Stoffe aus dem Trichter
abgezogen werden.
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In der Vergangenheit wurden verschiedene Anstrengungen
gemacht, um Gas in die Feststoffmengen innerhalb von Gefäßen
einzubringen, die die obige Bedingung für den Massenstrom
nicht erfüllen. Die für das Gaseinblasen angewandten
Konstruktionen haben auch verschiedene Formen angenommen, die
dazu tendieren, die festen Stoffe dem Gas ungleichförmig
auszusetzen und Strömungsinstabilität, wie z. B.
Fluidisierung in örtlich begrenzten Bereichen, einen regellosen
Massenstrom und Taschen zu erzeugen, in denen die festen Stoffe
nicht in Bewegung sind. Beispielsweise wird Gas in einen
bekannten Behälter für Schüttgut (internationales
Veröffentlichungsdokument WO 90/08712, datiert 9. August 1990) von
einem Gleitkörper und von einem dachförmigen
Verteilungskreuz 18 (Fig. 9 und 10) in das Gut eingebracht, wobei beide
innerhalb der schräg abfallenden Wände des Trichters
angeordnet sind und beide schräg abfallende Seitenwände besitzen
und unten offen sind. Die äußeren Seitenwände des
Gleitkörpers sind kürzer als seine inneren Seitenwände und bewirken,
dass eine Oberfläche des Schüttgutes einen Böschungswinkel
quer über die offene Unterseite des Gleitkörpers bildet. Bei
beiden Flächen und unter dem dachförmigen Verteilungskreuz
wird der Druck der festen Stoffe dort verringert, wo das Gut
dem Gas ausgesetzt ist, woraus eine örtlich begrenzte
Fluidisierung des Gutes und ein regelloser Massenstrom aus dem
Behälter resultieren. Deshalb ist eine solche
Gaskonditioniervorrichtung für ein industrielles Verfahren nicht
geeignet, das sehr stark von der Gleichförmigkeit der
Massenströme aus dem Gefäß abhängt und auch davon, dass die festen
Stoffe dem Konditioniergas gleichförmig ausgesetzt werden.
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Mit einem Blick auf die Überwindung der voranstehenden
Probleme hat die in den Ansprüchen 1 und 7 niedergelegte
Erfindung als grundlegende Aufgabe das Vorsehen eines
Konditionierungsgefässes mit einem Gasverteiler, wobei das
Konditionierungsgefäß Wände besitzen kann, die so gebaut sind, dass sie
den Bedingungen für den Massenstrom genügen.
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Eine zweite Aufgabe ist es, Formen von Gasverteilern
vorzusehen, die für das Einblasen von Gas in die sich unter
Massenstrom bewegenden Feststoffmengen mit minimaler Störung
dieses Stromes geeignet sind.
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Eine weitere Aufgabe ist es, die vorangehenden Ergebnisse
mit Hilfe von Gasverteilern zu erreichen, die so gestaltet
sind, dass sie die sich bewegenden, festen Stoffe dem
Konditioniergas gleichförmig aussetzen.
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Mit einem Blick auf die vorangehenden und andere, nachher
aufscheinenden Aufgaben besteht eine grundlegende Aufgabe
dieser Erfindung im Einführen des Gases durch einen Hohlraum
oder Hohlräume, der (die) so konstruiert ist (sind), dass
der Druck der festen Stoffe in den örtlich begrenzten
Bereichen der Gaseinblasung maximiert wird, wodurch eine
Fluidisierung in diesen Bereichen verhindert wird und die
Erzeugung von Strömungsinstabilitäten infolge von
Spannungszu
ständen an irgendeinem Punkt innerhalb des
Konditionierungsgefässes verhindert wird.
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Für das Erreichen solcher Zwecke besteht ein konstruktives
Merkmal der Erfindung darin, einen Hohlraum oder Hohlräume
mit vertikalen Seiten oder Wänden am unteren Ende
vorzusehen, wobei diese unteren Enden oder Öffnungen die
grundlegenden Mittel enthalten, durch die Gas in das Gefäß eingeblasen
wird.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die
verbesserten Gasverteiler innerhalb des Trichterabschnittes des
Konditionierungsgefässes und/oder innerhalb des über diesem
angeordneten, zylindrischen oder mit vertikalen Seitenwänden
versehenen Abschnittes angeordnet sein können, und zwar auf
jedem gewünschten Niveau jedes Abschnittes.
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Der Gasverteiler kann einen Ring umfassen, der der Innenwand
des Konditionierungsgefässes benachbart angeordnet ist und
einen ringförmigen Hohlraum definiert, oder ein oder mehrere
innere Ringe, oder einen oder mehrere, Querträger
definierende Hohlräume, oder eine Kombination von einem oder mehreren
Ringen mit einem oder mehreren Querträgern.
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Die Konstruktion der Erfindung kann jede Anzahl von
möglichen Verbindungen zu einer Gasquelle haben, wie hier nachher
beschrieben.
Beschreibung der Zeichnungen:
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Fig. 1 ist ein Aufriß mit einem Schnitt entlang der Linie
1-1 von Fig. 2 von einer ersten Ausführungsform eines
Konditionierungsgefässes, das mit einer ersten und zweiten
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasverteilers ausgerüstet
ist.
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Fig. 2 ist eine mit Fig. 1 korrespondierende Draufsicht.
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Fig. 3 ist ein Aufriß mit einem Schnitt entlang der Linie
3-3 von Fig. 2, welcher auch ein perforiertes
Gasverteilerrohr mit einem alternativen Mittel für die Verteilung des
Gases in die Hohlräume zeigt.
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Fig. 4 ist eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform
eines Konditionierungsgefässes mit einem Innenkonus für die
Erzielung des Massenstromes.
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Fig. 5 ist ein Aufriß mit einem Schnitt entlang der Linie
5-5 von Fig. 4.
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Fig. 6 ist eine teilweise schematische Draufsicht, die eine
erste alternative Form der Verbindung mit einer Gasquelle
zeigt.
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Fig. 7 ist eine teilweise schematische Draufsicht, die eine
zweite alternative Form der Verbindung mit einer Gasquelle
zeigt.
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Fig. 8 ist ein fragmentarischer Aufriß mit einem Schnitt
entlang der Linie 8-8 von Fig. 7.
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Fig. 9 ist eine teilweise schematische Draufsicht, die eine
dritte alternative Form der Verbindung mit einer Gasquelle
zeigt.
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Fig. 10 ist ein fragmentarischer Aufriß mit einem Schnitt
entlang der Linie 10-10 von Fig. 9.
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Fig. 11 ist eine Draufsicht auf ein
Gaskonditionierungsgefäß, das mit einer anderen Ausführungsform des Gasverteilers
ausgerüstet ist.
Detaillierte Beschreibung
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Bezugnehmend auf die Fig. 1 bis 3 ist ein
Gaskonditionierungsgefäß für Feststoffmengen gemäß dieser Erfindung ein
Bunker, der allgemein bei 12 gezeigt ist. In Übereinstimmung
mit der üblichen Konstruktion umfaßt das Gefäß einen
Abschnitt 14 mit vertikalen Wänden 15, im vorliegenden Fall
von zylindrischer Form, einen Trichterabschnitt 16 und
Aus
tragmittel 18, die beispielsweise als ein Ventil 20
dargestellt sind, das zum Austragen der festen Stoffe aus der
Austragöffnung 22 geschlossen, geöffnet oder teilweise
geöffnet werden kann. Alternativ kann das Ventil 20 durch eine
geeignete Zufuhreinrichtung ersetzt werden. In dieser
Ausführungsform ist sowohl der Trichterabschnitt 16 als auch der
Zylinderabschnitt 14 über die gesamte vertikale Höhe im
horizontalen Querschnitt kreisförmig. Alternativ dazu kann
der Trichterabschnitt 16, in Übereinstimmung mit der
üblichen Praxis, eine pyramidenförmige oder andere Gestalt
besitzen und der Zylinderabschnitt 14 kann einen quadratischen,
rechteckigen oder anderen horizontalen Querschnitt haben.
Die hier für den Abschnitt 14 verwendeten Bezeichnungen
"Zylinder" und "Zylinderabschnitt" sind zum Umfassen aller
Konstruktionen vorgesehen, die eine konstante, horizontale
Querschnittsfläche besitzen. Für jede Gestalt des Bunkers
besitzt die nachstehend beschriebene Konstruktion des
Gasverteilers eine entsprechende Gestalt, um sich an die
Innenwände des Bunkers anzupassen.
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Der Bunker 12 von Fig. 1 ist mit zwei Ausführungsformen von
erfindungsgemäßen Gasverteilern 24 und 26 ausgerüstet
dargestellt, wobei der Gasverteiler 24 in einer ausgewählten Höhe
innerhalb des Trichterabschnittes 16 und der Gasverteiler 26
in einer ausgewählten Höhe innerhalb des Zylinderabschnittes
14 angeordnet ist.
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Der Trichterabschnitt 16 umfaßt konische Wände 28 und 30,
die durch eine zylindrische Wand 32 getrennt sind, die den
Verteiler 24 umgibt. Beide Wände 28 und 30 haben ein
Gefälle, das mit der Vertikalen einen Winkel bildet, der kleiner
ist als der Massenfließwinkel der Feststoffmengen, die in
dem Gefäß enthalten sein sollen und mit Gas konditioniert
werden sollen. Somit erfüllt der Bunker 12 die Bedingungen
für den Massenstrom.
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Der Gasverteiler 24c umfaßt einen Ring 34, der vorzugsweise
aus Blech geformt ist und einen geschlossenen, umgekehrten
und abgeschnittenen konischen Abschnitt 36 und einen
geschlossenen, vertikalen, zylindrischen Abschnitt 38 besitzt,
der am Umfang mit dem unteren Ende des Abschnittes 36
verbunden ist. Die Abschnitte 36 und 38 können perforiert oder
unperforiert sein, obwohl sie vorzugsweise unperforiert
sind. Das obere Ende des Abschnittes 36 befindet sich am
Umfang im Eingriff mit der Wand des Abschnittes 32 und fällt
von dort schräg nach unten und innen ab, um einen
ringförmigen Hohlraum 40 zu bilden. Der Hohlraum 40 mündet an seinem,
durch den ringförmigen Rand 42 definierten, unteren
Gaseinblasende in das Gefäß 12.
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Die Rohre 44 sind durch die Wand des Abschnittes 32 hindurch
mit dem Hohlraum 40 verbunden und erstrecken sich außerhalb
des Gefässes 12 zu einer Druckgasquelle (nicht gezeigt).
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Der Gasverteiler 26 umfaßt einen Ring 46 mit ähnlicher
Ausführung wie Ring 34, welcher einen schräg abfallenden
Abschnitt 48, von gleicher Form und Gestalt wie der Abschnitt
36, und einen vertikalen, zylindrischen Abschnitt 50 von
ähnlicher Gestalt wie der Abschnitt 38 umfaßt. Zusätzlich
umfaßt der Verteiler 26 vier einander gegenseitig
schneidende Querträger 52, die jeweils einen vertikalen Querschnitt
besitzen, wie er in Fig. 3 gezeigt ist, und sich auf einer
Sehne, in diesem Fall einem Durchmesser, der Wand 15
horizontal erstrecken. Jeder Querträger umfaßt ein Paar von schräg
abfallenden Seiten 54, die an ihren oberen Enden verbunden
sind und nach unten in entgegengesetzte Richtungen schräg
abfallen, um dazwischen einen Hohlraum 56 zu bilden. Ein
Paar ebener, vertikaler Seiten 58 sind mit den
entsprechenden unteren Rändern der schräg abfallenden Seiten 54
verbunden, um den Hohlraum auszudehnen und mit ihren. Rändern 60
ein in das Gefäß 12 mündendes, unteres Gaseinblasende zu
definieren. Die Seiten 54 und 58 können Perforationen
besitzen, sind aber vorzugsweise, wie dargestellt, unperforiert.
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Ein Ende jedes Querträgers schneidet den Ring 46, wobei die
entsprechenden schräg abfallenden und vertikalen Seiten von
Ring und Querträger so verbunden sind, dass die Hohlräume 56
der Querträger mit dem ringförmigen Hohlraum 62
kommunizieren. Die Querträger schneiden sich auch gegenseitig, sodass
ihre jeweiligen Hohlräume in gegenseitiger gasleitender
Verbindung stehen. Die Rohre 66 verbinden den Hohlraum 62
mit einer äußeren Druckgasquelle. Dadurch sind alle
Hohlräume mit Gas gefüllt und das Gas wird an den unteren Enden
oder Rändern 60 der Querträger und den entsprechenden
Rändern 67 der vertikalen Abschnitte 50 des Ringes 46 in die
festen Stoffe geblasen.
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Wie früher angegeben, ist das Gefäß so konstruiert, dass es
den Massenstrom der festen Stoffe zuläßt, wenn das Ventil 20
geöffnet ist, ob jetzt Gas durch die Rohre 44 und 66 in die
Hohlräume 40, 56 und 62 eingeblasen wird oder nicht. Die
Gasverteiler 24 und 26 sind so konstruiert, dass das
Einführen von Gas in die Hohlräume eine gleichmäßigere Verteilung
in den festen Stoffen bewirkt, ohne den Massenstrom in
Unordnung zu bringen.
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Durch das Einführen des Gases durch mit vertikalen Seiten
versehene Hohlräume wird an und außerhalb der unteren Ränder
42, 60 und 67 Druck auf die festen Stoffe aufgebracht und
dieser Druck minimiert die Möglichkeit einer örtlich
begrenzten Fluidisierung in den Bereichen, wo das Gas eingeführt
wird.
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Um die Gleichförmigkeit der Verteilung des Gases in den
festen Stoffen zu steigern, ist der Ring des Gasverteilers
mit Querträgern 52 kombiniert, von denen vier im
Ausführungsbeispiel 26 gezeigt sind. Es kann eine größere oder kleinere
Anzahl von Querträgern vorgesehen sein, von denen jeder
vorzugsweise auf einem Durchmesser des Ringes angeordnet
ist, wenn letzterer, wie gezeigt, eine kreisförmige Gestalt
besitzt. Durch das Variieren der Größe und der Anzahl der
Querträger, welche wie die Speichen eines Rades angeordnet
sind, ist es möglich, die Querschnittsfläche über die Gas
eingeführt werden soll zu variieren. Dies bewirkt die
Gleichförmigkeit der Gasverteilung innerhalb der festen Stoffe.
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Die Fig. 1 zeigt ein Gefäß, das für die Einführung von Gas
in die festen Stoffe auf einem ausgewählten Niveau innerhalb
des Trichterabschnittes 16 modifiziert wurde. Ein konischer
Trichter wurde in einer horizontalen Ebene 68 geschnitten,
um die Hinzufügung des zylindrischen Abschnittes 32, wie
gezeigt, zu ermöglichen. Die vertikale Seite dieses
Abschnittes, in Verbindung mit dem schräg abfallenden Abschnitt 26
und dem vertikalen Abschnitt 38 des Verteilers 24 definieren
den ringförmigen Hohlraum 40. Falls gewünscht, können
Querträger zu dem Ring, wie beschrieben, hinzugefügt werden.
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Der Verteiler 26 kann, wenn er in den Zylinderabschnitt 14
installiert ist, an jeder Position entlang der vertikalen
Achse 70 des Bunkers angeordnet werden.
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Wie oben beschrieben, kann das Konditioniergas nur von den
Innenwänden der betreffenden Hohlräume begrenzt werden.
Alternativ können, wie in Fig. 3 gezeigt, Gas führende
Leitungen oder Rohre 72 sich innerhalb und durch das System von
miteinander in Verbindung stehenden Hohlräumen hindurch
erstrecken. Die Leitungen oder Rohre können perforiert sein,
in welchem Fall die Größen und die Verteilung der
Perforation an verschiedenen Stellen variiert werden kann, sodass
in Verbindung mit dem Gasdruck in den Leitungen oder Rohren
über den gesamten Querschnitt des Gefässes ein
gleichförmiger Gasaustritt erreicht wird.
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Die Fig. 4 und 5 zeigen die Installation eines Gasverteilers
74 in einem Bunker 76 mit einem Trichterabschnitt 78 mit
einer konischen Wand 80, die die Bedingungen für einen
Massenstrom nicht erfüllt. Somit bildet die Wand 80 mit der
Vertikalen einen Winkel "a", der größer ist als der
kritische Massenfließwinkel für die mit Gas zu konditionierenden
festen Stoffe. Bei dieser Ausführungsform ist ein
abgeschnittener, umgekehrter, konischer Einsatz 82 innerhalb des
Bunkers 76 gemäß dem oben genannten Patent US-A 4 286 883
abgestützt. Die Innenfläche der Wand des Einsatzes 82 besitzt
einen Winkel "b" zur Vertikalen, der kleiner ist als der
kritische Massenfließwinkel für die festen Stoffe, und der
zwischen der Wand 80 und dem Einsatz gebildete Winkel (a-b)
ist ebenfalls kleiner als der kritische Massenfließwinkel.
Mit dem gezeigten Einsatz erfüllt der Bunker 76 die
Bedingungen für den Massenstrom.
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Der Gasverteiler 74 der Fig. 4 und 5 ist direkt oberhalb dem
Einsatz 82 im Zylinderabschnitt 84 des Bunkers montiert.
Diese Ausführungsform ist mit einem äußeren Ring 86 von der
gleichen Form wie die Ringe 34 und 46 von Fig. 1 und mit
einem inneren Ring 88 versehen, der eine ähnliche Ausführung
wie die Querträger der Fig. 2 und 3 aufweist, außer dass die
schräg abfallenden Wände 90 und die vertikalen Wände 92 in
Draufsicht kreisförmig sind. Die äußeren und inneren Ringe
86 und 88 werden von einer Vielzahl an Querträgern 94 der in
Verbindung mit Fig. 3 beschriebenen Form geschnitten.
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Der Einsatz 82 kann durch die Gasverteileranordnung 74
getragen werden, oder durch geeignete, sich in den
Zylinderabschnitt 84 erstreckende Stützen (nicht gezeigt) getragen
werden.
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Bei der Ausführungsform von Fig. 4 und 5 wird Gas in den
Strom von festen Stoffen eingeblasen, der sowohl durch den
innerhalb des Einsatzes 82 angeordneten Raum 96 als auch
durch den, den Einsatz umgebenden, ringförmigen Raum 98
fließt.
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Wie oben angegeben, können die Verbindungen zu einer äußeren
Quelle von unter Druck stehendem Gas verschiedene Formen
annehmen. Bei der Ausführungsform der Fig. 4 und 5 verbinden
die Rohre 100 durch die Wand des Zylinderabschnittes 84
hindurch zu diametral gegenüberliegenden Punkten im
ringförmigen Hohlraum 102, wie bei den Ausführungsformen der Fig. 1
bis 3. Fig. 6 zeigt schematisch eine andere Anordnung mit
vier Rohren 104, die in ähnlicher Weise in den ringförmigen
Hohlraum zu den Verbindungspunkten eines Ringes 106 mit den
Querträgern 108 verbinden.
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Die Ausführungsformen der Fig. 7 und 8 umfassen einen
Gasverteiler 110 ähnlich dem Verteiler 26 der Fig. 1 bis 3. Eine
Ringleitung 112 umgibt den Zylinderabschnitt 114 des Bunkers
und ist an diesem angeschweißt. In dieser Ausführungsform
ist die Ringleitung in Draufsicht kreisförmig und besitzt
einen rechteckigen Querschnitt, obwohl auch Querschnitte mit
kreisförmiger, quadratischer oder anderer Gestalt verwendet
werden können. Diametral gegenüberliegende Rohre 116
verbinden den Innenraum 118 der Ringleitung mit einer Quelle von
unter Druck stehendem Gas. Vier Einlassöffnungen 120
verbinden den Innenraum der Ringleitung mit dem ringförmigen
Hohlraum 122 an in Fig. 7 schematisch dargestellten Positionen.
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Die Ausführungsformen der Fig. 9 und 10 verwenden zwei
Ringleitungen 124 und 126. Ein einzelnes Rohr 128 verbindet die
Ringleitung 126 mit einer Quelle von unter Druck stehendem
Gas und ein Rohr 130 führt in ähnlicher Weise Gas der
Ring
leitung 124 zu. Die jeweils zwischen den Ringleitungen 126
und 124 und dem ringförmigen Hohlraum 134 verbindenden
Einlässe 131 und 132 sind um letzteren Hohlraum herum
gleichmäßig verteilt, wie in Fig. 9 gezeigt.
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Eine alternative Ausführungsform ist ähnlich der der Fig. 9
und 10, außer dass der Hohlraum 134 eine von den Hohlräumen
135 getrennte Gaszufuhr hat. Dies wird dadurch
bewerkstelligt, dass die Gasverbindungen zwischen den vom Ring und von
den Querträgern definierten Hohlräumen abgeschlossen wird,
dass die Ringleitung 124 so verbunden wird, dass sie nur mit
dem Hohlraum 134 verbunden ist, und dass die Ringleitung 126
so verbunden wird, dass sie nur mit dem Hohlraum 135
verbunden ist.
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Zu den Ausführungsformen, die Ringleitungen verwenden, sei
angemerkt, dass die Querschnittsfläche dieser Leitungen
deutlich größer ist als die Flächen der in die Hohlräume
führenden Einlässe 120, 130 und 132. Der begrenzte
Gasdurchfluß durch diese Einlässe ermöglicht es daher, dass die Luft
durch die Ringleitung zu anderen Einlässen zirkuliert,
wodurch ein einfaches Mittel zum Erreichen eines relativ
gleichförmigen Gasdurchflusses durch jede Öffnung vorgesehen
wird.
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Die Fig. 11 und 12 zeigen eine andere Ausführungsform eines
Gasverteilers mit Querträgern 136, die sich auf Durchmessern
eines zylindrischen Bunkerabschnittes 138 erstrecken. Die
Konstruktion dieser Querträger ist ähnlich der in den Fig. 1
bis 3 gezeigten, außer dass der Umfangsring des
Gasverteilers weggelassen ist. Vier Rohre 140 verbinden durch die
Wand des Zylinderabschnittes 138 hindurch zu den Enden der
durch diese Querträger definierten Hohlräume.