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Dampf- oder Warmwasserkessel, Ofen od. dgl. für hohe Gasgeschwindigkeit
Ein in einem Gehäuse rotierendes Zellenrad wird bei Gasturbinen, Wärmepumpen usw.
benutzt, um Gas von einer niedrigeren Druckstufe heraufzufördern, das Gas zu verdichten
und in einer höheren Druckstufe gegen Gas in einem anderen Zustand und in anderer
Menge auszutauschen. Dieses Gas wird dann unter Ausdehnung nach der unteren Druckstufe
zurückgeführt, von welcher es im Austausch gegen das erstgenannte Gas abgegeben
wird. Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art, wobei vor allen Dingen an einen
Dampfkessel, Warmwasserkessel, einen Ofen od. dgl. gedacht ist, deren Feuerraum
unter Druck steht, rotiert ein Zellenrad in einem Gehäuse, welches mit zwei Paar
Öffnungen versehen ist. Das Zellenrad kann so ausgeführt sein, daß das Gas veranlaßt
wird, radial durch die Zellen des Rades zu strömen; doch können diese auch so angeordnet
sein, daß das Gas axial oder in anderer Weise hindurchströmt. Durch die eine Öffnung
des einen Offnungspaares des Rades strömt Luft in die Zellen ein, wobei die Luft
das Gas verdrängt, das sich schon in den Zellen befindet, und dieses strömt dann
durch die andere Öffnung des öffnungspaares aus. Bei seiner Drehung führt das Zellenrad
die in die Zellen hineingekommene Luft nach einer Öffnung des anderen öffnungspaares,
in der heiße Verbrennungsgase durch eine Leitung von dem Feuerraum hineinkommen.
Die aus der letztgenannten Öffnung kommenden Verbrennungsgase drängen die Luft durch
die andere dazugehörige Öffnung hinaus und nehmen die Stelle der Luft im Zellenrad
ein. Die Luft strömt darauf durch eine Leitung nach dem Feuerraum, in dem sie als
Verbrennungsluft dient. Die in das Zellenrad eingetretenen heißen Gase gehen mit
dem Zellenrad nach dem vorgenannten öffnungspaar und strömen dort durch
einen
Kanal nach einer wärmeaufnehmenden, z. B. aus wassergekühlten Kanälen bestehenden
Heizfläche.
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Die Luftmenge, die vom Zellenrad nach dem Feuerraum geleitet wird,
ist gleich der Gasmenge, die durch das Zellenrad von dem Feuerraum hinweggeführt
wird. Da jedoch die aus dem Feuerraum kommenden Gase eine höhere Temperatur und
infolgedessen bei demselben Druck ein niedrigeres spezifisches Gewicht als die zugeführte
Luft haben, steigt der Druck im Feuerraum, bis das spezifische Gewicht der entweichenden
Gase und der zugeführten Luft gleich wird. Bei den in Frage kommenden Temperaturen
erhält man dabei einige Atmosphären überdruck in dem Feuerraum.
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Bei dem Austausch von Luft gegen Verbrennungsgase, der im Zellenrad
an den mit dem Feuerraum in Verbindung stehenden Öffnungen erfolgt, wird die Luft
auf den Druck im Feuerraum verdichtet.
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Das Gas, das durch die mit den wärmeaufnehmenden Kanälen in Verbindung
stehende Öffnung ausströmt, hat teils eine hohe Geschwindigkeit, teils einen Druck,
der etwas höher als der atmosphärische Druck ist. Man kann nach dem Ausströmen auch
in einem Diffusor einen Teil der Geschwindigkeit in Druck umsetzen. Die indem Gas
enthaltene Kraft kann ausgenutzt werden, um mit hoher Geschwindigkeit das Gas durch
die Rauchkanäle zu treiben, die eine Heizfläche bilden. Hierbei erhält man eine
hohe Wärmeübertragung und für eine gewisse Wärmeleistung eine billige Heizfläche.
Die erwähnteVorrichtung ist jedoch, hauptsächlich weil die Verluste sehr groß werden
und die beabsichtigte Leistung im großen und ganzen ausbleibt, nicht zur Anwendung
für den hier angegebenen Zweck gekommen. Bei Wärmepumpen und Gasturbinen ist sie
ebenfalls bekannt und auch angewendet worden.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Dampfkessel, Warmwasserkessel,
Ofen oder eine ähnliche Vorrichtung, bei denen die Verbrennungsgase im Feuerraum
einen höheren Druck als in den wärmeaufnehmenden Teilen haben. Der Druckunterschied
wird durch ein drehbares Zellenrad bewirkt, dessen Zellen während der Drehung heißes
Gas aus dem Feuerraum bei höherem Druck aufnehmen, dieses heiße Gas gegen dieselbe
Menge kälteres und schwereres Gas bei niedrigerem Druck austauschen und dieses kältere
Gas zu der höheren Druckstufe zurückführen. Hier wird der Gasinhalt der Zellen von
neuem gegen das heiße Gas aus dem Feuerraum ausgetauscht, so daß von der niedrigeren
Druckstufe nach der höheren eine größere Gewichtsmenge Gas als in umgekehrter Richtung
übergeführt wird. Der Gasüberschuß, der im Feuerraum durch die Förderung von Gas
von der niedrigeren zur höheren Druckstufe entsteht, wird unmittelbar von dem höheren
Druck im Feuerraum auf den niedrigeren Druck in den wärmeaufnehmenden Teilen der
Anlage zurückgebracht. Nach der Erfindung ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet,
daß der Gasüberschuß als treibendes Mittel in einer Strahlpumpe benutzt wird, um
die von dem Zellenrad kommenden heißen Gase anzusaugen und zu verdichten. Die gesamte
Gasmenge wird dann mit hoher Geschwindigkeit durch die Gaskanäle in die wärmeaufnehmenden
Teile der Anlage gedrückt.
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Diese Vorrichtung kann mit Mitteln zum Abzapfen von Gas aus dem Zellenrad
während der Bewegung der Zellen von der höheren zur niedrigeren Druckstufe versehen
sein, so daß dieses Gas nach der Ausdehnung auf die niedrigere Druckstufe sich dazu
verwenden läßt, mit einer Strahlpumpe das in einer niedrigeren Druckstufe aus dem
Zellenrad ausströmende heiße Gas vorzuverdichten.
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Die Vorrichtung kann so ausgeführt werden, daß der Druck im Feuerraum
höher als der atmosphärische Druck ist und in den Rauchkanälen atmosphärischer oder
etwa atmosphärischer Druck herrscht. Wahlweise kann auch atmosphärischer oder etwa
atmosphärischer Druck im Feuerraum aufrechterhalten werden, während der Druck in
den Rauchkanälen niedriger ist.
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Es ist angebracht, daß der Teil der Verbrennungsgase aus dem Feuerraum,
der am Zellenrad vorbeigeführt wird, eine höhere Temperatur hat als die Gase, 'die
durch das Zellenrad geleitet werden.
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Die Anordnung einer Strahlpumpe hat in diesem Zusammenhang wesentliche
Vorteile. Aus dem Zellenrad kommt das Gas bei niedrigerem Druck, etwa bei atmosphärischem
Druck, heraus und besitzt nur eine geringe Energie in Form einer gewissen Geschwindigkeit.
Wird dieses Gas durch wärmeaufnehmende Teile, z. B. Rauchgaskanäle, in einen Kessel
geleitet, so wird die Wärmeübertragung gering sein. Das unmittelbar vom Feuerraum
kommende Gas hat eine weit höhere Energie und gibt an das vom Zellenrad kommende
Gas Druck-bzw. Bewegungsenergie ab. Mittels der Strahlpumpe werden die Gase überdies
miteinander gemischt und mit hoher Geschwindigkeit durch die Rauchgaskanäle des
Kessels gepreßt, wobei die hohe Geschwindigkeit eine gute Wärmeübertragung sichert
und die erforderliche Heizfläche vermindert.
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Die Vorrichtung ist an einigen in der Zeichnung schematisch dargestellten
Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
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Fig. i zeigt ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung; Fig. -, zeigt
eine andere Ausführungsform der Vorrichtung; Fig. 3 und 4 zeigen Einzelheiten des
Zellenrades; Fig. 5 zeigt eine Ausführung des Zellenrades in einem Querschnitt längs
dessen Welle; Fig.6 zeigt dasselbe Zellenrad in einem Querschnitt, winkelrecht zu
der Welle.
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Bei der in Fig. i gezeigten Vorrichtung dreht sich ein Zellenrad in
einem Gehäuse z, welches öffnungen 3, 4, 5 und 6 aufweist. Das Zellenrad ist so
ausgeführt, daß das Gas radial durch die Zellen des Rades strömen kann. Durch die
Öffnung 3 im Gehäuse strömt Luft in die Zellen ein und verdrängt dabei das in den
Zellen befindliche Gas
durch die Öffnung 4. Das Zellenrad dreht
sich in Pfeilrichtung und nimmt die in die Zellen eingetretene Luft mit zur Öffnung
5, durch welche heiße Verbrennungsgase vom Feuerraum 7 eintreten. Der Feuerraum
kann wassergekühlt oder die Temperatur der Rauchgase einer dem Kessel nachgeschalteten
Heizfläche angepaßt sein. Die von der Öffnung 5 kommenden Verbrennungsgase drängen
die Luft durch die Öffnung 6 hinaus und nehmen die Stelle der Luft im Zellenrad
ein. Die Luft strömt weiter durch die Leitung 8 zum Feuerraum 7, in dem sie als
Verbrennungsluft benutzt wird. Die in das Zellenrad bei 5 hereinkommenden heißen
Gase gehen im Zellenrad mit bis 4 und entweichen dort durch einen Kanal 9 nach einer
wärmeaufnehmenden, z. B. aus wassergekühlten Kanälen bestehenden Heizfläche 1o.
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Beim Austausch von Luft gegen Verbrennungsgase, der im Zellenrad bei
den Öffnungen 5 und 6 erfolgt, wird Luft auf den Druck im Feuerraum verdichtet.
Fig. 3 zeigt im einzelnen, wie diese Verdichtung durchgeführt werden kann. Wenn
die Zellen nach der Kanalmündung 5 zu an der Kante 1 i geöffnet werden, strömt das
unter Druck stehende Gas von 5 in die Zellen hinein und verdichtet die Luft.
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Eine Druckwelle entsteht, die, wenn die Zelle sich dreht, die punktierte
Linie 11-12 entlang läuft. Wenn die Druckwelle an der Außenseite des Rades angelangt
ist, öffnen sich die Zellen an der Kante 12. Nach der Druckwelle, die mit einer
größeren Geschwindigkeit als die Schallgeschwindigkeit fortschreitet, strömt das
Gas mit einer niedrigeren Geschwindigkeit als die Druckwelle ein. Die Umdrehungsgeschwindigkeit
des Zellenrades und die Größe der Öffnung 6 sind so zur Strömungsgeschwindigkeit
des Gases abgepaßt, daß, wenn das Gas durch die Zellen hindurchgegangen ist und
die Luft vollständig verdrängt hat, die Ausströmseite der Zellen durch die Kante
13 geschlossen wird. Kurz bevor die Ausströmöffnung der Zellen durch die Kante 13
geschlossen wird, wird die Einströmöffnung durch die Kante 14 geschlossen. Dabei
entsteht eine Verdünnungswelle, die die Linie 1d.-13 entlang läuft und die die Ausströmseite
der Zellen gerade erreicht, wenn die Auströmöffnung geschlossen wird. Nachdem die
Zellenausströmöffnung bei 13 geschlossen ist, befindet sich der Zelleninhalt in
Ruhe bei einem Druck, der niedriger als der Druck im Feuerraum ist. Wahlweise kann
auch Kante 13 vor Kante 14 schließen. Dann erhält man eine Verdichtungswelle, die
das Gas in den Zellen verdichtet. In diesem Fall ist es gleichgültig, welchen Verlauf
man wählt, wenn nur die Bewegungsenergie des Gases benutzt wird, bevor die Zellen
sich ganz schließen. Beim Gasaustausch wird die Luft teils bis auf den im Feuerraum
herrschenden Druck verdichtet, teils erhält die Luft die Bewegungsenergie, die zum
Überwinden des Widerstandes im Kanal 8 und im Feuerraum erforderlich ist.
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Nachdem das Gas ganz eingeschlossen ist, ereignet sich nichts, bevor
die Zellen die Öffnungen 3 und 4 erreichen. Der Verlauf an diesen Öffnungen geht
aus Fig. 4 hervor. Wenn die Zellen an der Kante 15 vorbeikommen, werden sie gegen
den niedrigeren Druck hin in Öffnung 4 geöffnet. Eine Verdünnungswelle läuft durch
die Zellen die Linie 15-r6 entlang, und das Gas strömt durch Öffnung aus. Wenn die
Zellen an Kante 16 vorbei sind, ist der ganze Zelleninhalt in Bewegung gekommen,
weshalb das Gas anfängt, die Zellen zu verlassen und durch Luft über Öffnung 3 ersetzt
wird. Der Druck in Öffnung 4 ist etwas höher als in Öffnung 3, so daß das Gas allmählich
verzögert wird. Bei der Kante 17 sind die Zellen ganz mit Luft gefüllt; deren Austrittsseite
wird geschlossen. Wenn der Luftstrom plötzlich gebremst wird, entsteht eine Druckwelle,
die an der Linie 17-18 rückwärts läuft. Bei 18 ist der ganze Zelleninhalt auf einen
Druck verdichtet, der etwas höher als der atmosphärische Druck ist. Die Kante 18
schließt die Einströmseite der Zellen, und die Zellen bewegen sich weiter nach den
Öffnungen 5 und 6, wobei der Vorgang sich wiederholt.
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Indessen strömen nicht alle Verbrennungsgase vom Feuerraum 7 durch
das Zellenrad 1 bei der Vorrichtung, sondern ein Teil der Gase strömt durch die
Leitung 19 nach einer Strahlpumpe 2o, die aus einem Mundstück 21 besteht, durch
das .sich die Verbrennungsgase bei Geschwindigkeitszunahme auf einen Druck ausdehnen,
der dem atmosphärischen Druck nahe kommt. Ein Mischteil 22 und ein Diffusor 25 gehören
ferner zur Strahlpumpe, die durch eine Leitung 24 die vom Zellenrad durch die Öffnung
4 ausströmenden heißen Gase ansaugt. Im Mischteil 22 werden die aus dem Zellenrad
und unmittelbar aus dem Feuerraum kommenden Gase gemischt, und die Geschwindigkeit
wird dann zum größten Teil im Diffusor 23 in Druck umgesetzt. Die Gase werden dann
unter großer Geschwindigkeit durch die Kanäle 1o gedrückt, die die Heizfläche bilden.
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Die Vorrichtung nach Fig. 1 weist mehrere Verbesserungen der bekannten
Vorrichtung dieser Art auf. Bei dieser Vorrichtung gehen alle Verbrennungsgase durch
das Zellenrad. Der Überdruck wird im Feuerraum hoch und bei einer Abgastemperatur
von iooo° C zwischen 3 und 4 Atm. betragen. Dieser hohe Überdruck ist mit Rücksicht
auf Leckverluste ungünstig. Bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung kann hingegen
der Überdruck im Feuerraum verändert werden. Das günstigste Betriebsergebnis wird
bei einem Überdruck von etwa 1 Atrn. erzielt.
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Bei der bekannten Vorrichtung müssen die Gase beim Durchgang durch
die Anlage Verdichtungs-oder Ausdehnungswellen viermal nacheinander durchlaufen.
Bei einem Druckverhältnis von i : 4 ist der Druckverlust in jeder Druckwelle etwa
20°/0. Es muß außerdem mit bedeutenden Verlusten im Einlaß und Auslaß des Zellenrades
und in den er forderlichen Diffusoren usw. gerechnet werden. Der Wirkungsgrad, den
man mit dem bisher angewandten Verfahren erzielen kann, ist daher niedrig. Er wird
etwa unter 400/0 liegen.
Mit der Vorrichtung nach Fig. i werden
bessere Ergebnisse schon deshalb erzielt, weil der Druck im Feuerraum niedriger
ist. Das Druckverhältnis in den Verdichtungs- und Ausdehnungswellen wird kleiner,
was die Verluste in diesen stark vermindert. Der hauptsächliche Gewinn liegt jedoch
darin, daß nur ein kleinerer Teil der Gase durch das Zellenrad geht. Die übrigen
gehen durch die Leitung i9 und in der Strahlpumpe unmittelbar in hohe Geschwindigkeit
über. Strahlpumpen arbeiten in den meisten Fällen mit schlechtem Wirkungsgrad; doch
liegen nach der Erfindung die Verhältnisse günstig, weil man mit verhältnismäßig
hoher Geschwindigkeit bei dem durch die Leitung 24 ankommenden getriebenen Mittel
rechnen kann. In der Annahme, daß die treibende und die getriebene Gasmenge gleich
groß sind und daß das Verhältnis zwischen den Geschwindigkeiten des treibenden und
des getriebenen Gases gleich zwei ist, was ungefähr den wirklichen Verhältnissen
entspricht, wird der Wirkungsgrad der Strahlpumpe ausschließlich der Diffusorverluste
über 70 (/o. Man kann also mit der Vorrichtung nach Fig. i einen bedeutend besseren
Wirkungsgrad erhalten, als dies mit der früher benutzten Vorrichtung möglich ist.
Wenn nur ein kleinerer Teil des Gases durch das Zellenrad geht, ist man nicht mehr
davon abhängig, ob die Verdichtungs- und Ausdehnungswellen in richtiger Weise verlaufen.
Es stellt sich heraus, daß man sogar ganz von diesem Verlauf absehen kann und gute
Ergebnisse erhält, auch wenn das Zellenrad als einfache Gasschleuse arbeitet, die
das heiße Gas von der höheren Druckstufe nach der niedrigeren und dieselbe Menge
kaltes Gas in entgegengesetzter Richtung durchschleust.
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Die Anwendung einer Strahlpumpe nach Fig. i bringt jedoch noch andere
Vorteile mit sich. Das Zellenrad hält nicht allzu hohe Temperaturen aus, so daß
Gase von einem größeren Feuerraum nicht unmittelbar in das Zellenrad eingelassen
werden können, ohne herabgekühlt zu sein. Es braucht dabei nur ein kleinerer Teil
der Gase aus den angegebenen Gründen herabgekühlt zu werden. Die Tatsache, daß durch
die Strahlpumpe Gase mit höherer Temperatur gehen können als durch das Zellenrad,
ist ein weiterer Vorteil. Die ganze ausgewertete Energiemenge, d. h. der -Jberdruck,
der vor der Heizfläche io zur Verfügung steht, steigert sich sehr schnell, wenn
die Temperatur in Leitung ig steigt.
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Bauliche und andere Schwierigkeiten können vorkommen beim Ausnutzen
der Geschwindigkeit der vom Zellenrad durch die Öffnung 4 ausströmenden Gase. Dafür
kann die.Energie des Gases in den ankommenden Zellen dadurch ausgenutzt werden,
daß unter Ausgleich des Druckes Gas von den Zellen durch eine Leitung 25 abgezapft
und über die Leitung 24 in eine Strahlpumpe ausgeblasen wird, die das bei 4 herauskommende
Gas ansaugt und ihm eine gewisse Geschwindigkeit vor dem Eintritt in die Strahlpuznpe
2o gibt.
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Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung der Erfindung arbeitet in der
gleichen Weise wie die Vorrichtung nach Fig. i mit einem höheren Druck im Feuerraum
und einem niedrigeren Druck in den Rauchgaskanälen, die die Heizfläche bilden. Während
aber bei der Vorrichtung nach Fig. i die Rauchgaskanäle mit der Außenluft verbunden
sind, ist nach Fig. 2 der Feuerraum 7 durch eine Einströmöffnung 26 unmittelbar
mit der Außenluft verbunden, so daß im Feuerraum atmosphärischer Druck und in den
Rauchgaskanälen io Unterdruck herrscht.
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Die Vorrichtung nach Fig.2 arbeitet in folgender Weise. Die Verbrennungsluft
kommt durch die Einlaßöffnung 26 in den Feuerraum. Von hier geht ein Teil der Verbrennungsgase
durch die Öffnung 5 nach dem Zellenrad i. Dabei wird das vorher im Zellenrad befindliche
Gas durch die Öffnung 6 ins Freie verdrängt. Das Gas geht dann mit dem drehbaren
Zellenrad nach Öffnung 4, von der es unter Ausdehnung auf den niedrigeren Druck
ausströmt, der in den Rauchgaskanälen herrscht. Ein anderer Teil der Rauchgase strömt
durch die Leitung ig nach der Strahlpumpe 2o. Mit Hilfe der in der Strahlpumpe 2o
erzeugten Drucksteigerung wird das Gas mit hoher Geschwindigkeit durch die eine
Heizfläche bildenden Kanäle io gedrückt, in denen das Gas auf niedrigeTemperatur,
z. B. 15o-- C, abgekühlt wird. Das Gas strömt dann durch eine Leitung 27 und die
Öffnung 3 nach dem Zellenrad, in dem es das bei 4 aus dem Zellenrad entweichende
Gas ersetzt. Die abgekühlten Rauchgase gehen dann mit dem Zellenrad nach Stellung
5, 6, in der Gas mit höherem Druck eindringt und das Gas auf atmosphärischen Druck
verdichtet und durch die Öffnung 4 ins Freie hinausdrängt.
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Der eigentliche Unterschied zwischen den Vorrichtungen nach Fig. i
und .2 besteht darin, daß die bei der ersten Vorrichtung bei 3 einströmende Luft
in der letzten durch abgekühltes Rauchgas ersetzt wird. Wenn bei der Vorrichtung
nach Fig.2 die Rauchgase in den Kanälen der Heizfläche auf die Temperatur der Außenluft
herabgekühlt werden könnten, würden beide Vorrichtungen dieselbe Leistung hergeben.
Dadurch, daß die Temperatur der durch die Öffnung 3 in das Zellenrad eintretenden
Gase höher ist als die Temperatur der Außenluft, wird die nützliche Drucksteigerungsleistung
bei der Vorrichtung nach Fig.2 etwas niedriger als bei der nach Fig. i. Mit angemessenen
und brauchbaren Werten für die Gastemperaturen kann bei der Vorrichtung nach Fig.
i für die Kanäle der Heizfläche ein Druck von jooo mm Wassersäule erreicht werden,
während bei der Vorrichtung nach Fig. 2 der entsprechende Druck nur eine Höhe von
iöoo mm Wassersäule erreicht.
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Die Strahlpumpen, die Leitungen, das Gehäuse um das Zellenrad usw.
können luft- oder wassergekühlt sein. Das Zellenrad kann aus feuerfestem Werkstoff
hergestellt und ganz oder wenigstens die Welle durch durchströmendes Wasser oder
Luft gekühlt sein.
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Fig. 5 und 6 zeigen eine Ausführungsform der Zellenradvorrichtung.
In dieser ist i das drehbare Zellenrad, 2 das Gehäuse mit Einström- und Ausströmöffnungen
3,
4, 5 und 6; 28 sind mit umlaufendem Kühlwasser gefüllte Hohlräume.