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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Reinigung oxidierter
oder korrodierter Bauteile in Gegenwart eines halogenhaltigen Gasgemisches,
mit einem Reinigungsreaktor, in den mittel- oder unmittelbar eine
Speiseleitung mündet,
die über eine
Durchflussregeleinrichtung mit einem das halogenhaltige Gasgemisch
bevorratenden Gasreservoir verbunden ist. Insbesondere kann es sich
bei diesen Bauteilen um von Heissgasen beaufschlagte Turbinenkomponenten,
insbesondere Gasturbinenschaufeln, handeln.
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Stand der Technik
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Turbinenkomponenten
für Triebwerke
oder stationäre
Gasturbinenanlagen, die mittel- oder unmittelbar Heissgasströmungen ausgesetzt
sind, wie beispielsweise Leit- oder Laufschaufeln, Wärmestausegmente
oder ähnliche
den Heissgaskanal begrenzende Bauteile oder Bauteilgruppen unterliegen betriebsbedingten
Materialdegradationen, die häufig zu
Rissen und damit verbunden zur mechanischen Schwächung der jeweiligen Komponenten
führen. Aufgrund
der in den Heissgaskanälen
vorherrschenden hohen Temperatur- und Druckbelastungen, denen die
entsprechenden zumeist aus Nickelbasiswerkstoffen gefertigten Bauteile
ausgesetzt sind, scheiden sich mit zunehmender Betriebsdauer durch äussere und
innere Oxidation komplexe chemisch und thermisch stabile Oxide an
den Bauteiloberflächen,
innerhalb der sich ausbildenden Rissöffnungen sowie in oberflächennahen
Bereichen innerhalb des Basismaterials ab.
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Ziel
ist es, die derart beanspruchten und zum Teil beschädigten Bauteile
mit einer speziellen Prozesskette in einen Zustand überführen, der
weitgehend dem Zustand eines neu gefertigten, vergleichbaren Bauteils
entspricht. Hierbei ist einer der Schritte, das zu überarbeitende
Bauteil sorgfältig
zu reinigen, d. h. die an der Bauteiloberfläche sowie in den sich ausgebildeten
Rissen abgeschiedene komplexe Oxidschicht zu beseitigen, ohne dabei
das Material des Bauteils selbst zu schädigen.
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In
der
DE 28 10 598 A1 ist
ein entsprechendes Reinigungsverfahren für die vorstehend bezeichneten
Bauteile beschrieben, die einer druckbehafteten Reinigungsatmosphäre bei Temperaturen
von über
1000°C ausgesetzt
werden, in der gasförmige, aktive
Fluoridionen enthalten sind. In Gegenwart einer derartigen Reinigungsatmosphäre setzt
sich das komplexe Oxid unter Bildung eines gasförmigen Fluorids mit den Fluoridionen
um, ohne dabei das Bauteilmaterial zu schädigen. Derartige auch allgemein als
FIC (Fluorid Ion Cleaning) bezeichnete Reinigungsverfahren sind
hinlänglich
bekannt und in vielfachen Publikationen beschrieben. Repräsentativ
sei in diesem Zusammenhang auf die
EP 0 209 307 B1 verwiesen, aus der eine beachtliche Übersicht
der bis dahin bekannten Reinigungstechnologien entnommen werden
kann.
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Weitgehend
allen Bestrebungen zur Verbesserung derartiger FIC-Verfahren ist
die Aufgabe gemeinsam, Oxidschichtanteile, die sich insbesondere in
rissbedingten Spalt- oder Grabenstrukturen abgeschieden haben, vollständig zu
beseitigen, zumal bereits geringste Restanteile oxidierter oder
korrodierter Oberflächen
nachhaltige Auswirkungen auf anschließende Reparaturmaßnahmen
haben. Typischerweise erfolgt zu Zwecken der Rissheilung an den
jeweils gereinigten Bauteilen ein Löt- oder Schweißvorgang
derart, dass über
einem gereinigten Riss eine Reparaturlegierung in Pulverform angehäuft wird,
die in Gegenwart von Vakuum und unter Hitzeinwirkung zum Schmelzen
und schließlich
zum Fließen
in den spaltförmigen
Riss gebracht wird. Hierbei bildet sich eine Benetzung der Risswand
mit der verflüssigten
Reparaturlegierung aus. Es liegt auf der Hand, dass entsprechende
Benetzungen an einer mit einer Oxidschicht behafteten Bauteiloberfläche nicht oder
in einem weit geringeren Maß erfolgen,
wodurch letztlich Reparaturschwachstellen entstehen, die es zu vermeiden
gilt.
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In
der vorstehend zitierten
EP
0 209 307 B1 wird zur Verbesserung des Reinigungserfolges
vorgeschlagen, den Druck innerhalb der reaktiven Reinigungsatmosphäre zyklisch
zu variieren, um auf diese Weise eine allgemeine Bewegung der reaktiven
gasförmigen
Fluoridionen im Bereich eines zu reinigenden Bauteils zu erzeugen
zu dem Zwecke eines innigen Inkontaktbringens der gasförmigen Reaktionsmittel
mit den Wandungen der Risse und Hohlräume innerhalb des geschädigten Bauteils.
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In
der
DE 10 2005
051 310 A1 wird vorgeschlagen, die Reaktionskammer, in
der zu Zwecken der Bauteilreinigung ein halogenhaltiges Gasgemisch
eingebracht wird, zeitweise mit einem nicht halogenhaltigen Gas
während
der Reinigung zu spülen.
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Die
US 6,536,135 B2 beschreibt
ein FIC-Verfahren, bei dem eine verbesserte Oxidreinigung durch
Variation der Partialdrücke
des Reinigungsgasgemisches vorgenommen wird, indem der aus Fluorwasserstoff
(HF) und Wasserstoff (H
2) bestehenden Reinigungsgasmischung
als weitere Komponente Kohlenstoff zugegeben wird. Der Kohlenstoff
wird in Form verschiedener Verbindungen zugegeben, die während des
Prozesses ein kohlenstoffhaltiges Gas bilden.
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Ferner
ist der Druckschrift ein typischer Reinigungsreaktor zu entnehmen,
der ein zylinderförmiges
Gehäuse
vorsieht, das von oben gasdicht verschließbar ist und in einem geöffneten
Zustand von oben mit zu reinigenden Bauteilen bestückt werden kann.
Die zu reinigenden Bauteile werden auf vertikal übereinander vorgesehenen Ablageebenen,
sogenannten Böden,
untergebracht, die an einem im Reinigungsreaktor mittig angeordneten
Zentralrohr befestigt sind, durch das ein kohlenstoffangereichertes Fluorwasserstoff-Gasgemisch
dem Reinigungsreaktor zugeführt
wird. Das den Reaktorkopf gasdicht durchragende Zentralrohr erstreckt
sich vertikal innerhalb des Reinigungsreaktors nach unten in den Bereich
des sogenannten Reaktorsumpfes, in dem das Zentralrohr eine sich
im wesentlichen über
den ge samten Querschnitt des Reinigungsreaktors erstreckende Gasverteilerstruktur
mit Austrittsöffnungen
vorsieht, über
die das halogenhaltige Reinigungsgasgemisch von unten nach oben
aufsteigend in den Reinigungsreaktor eingespeist wird. Das Reinigungsgasgemisch
durchströmt
dabei das gesamte Reaktorvolumen vom Reaktorsumpf in Richtung des Reaktorkopfes,
an dem eine entsprechende Gasauslassöffnung vorgesehen ist.
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Die
Anmelderin hat darüber
hinaus jahrelange praktische Erfahrung auf dem Gebiet der Reinigung
betriebsbedingt verunreinigter, korrodierter, oxidierter und degradierter
Gasturbinenkomponenten der vorstehend erläuterten Art, insbesondere unter Verwendung
von FIC-Reinigungsverfahren sowie der hierfür erforderlichen Reinigungsanlagen.
Im langjährigen
Umgang mit einem diesbezüglichen
Reinigungsreaktor, der über
ein Zentralrohr mit einem Reinigungsgasgemisch gespeist wird, das
Fluorwasserstoff und Wasserstoff in wechselnden Verhältnissen enthält, hat
es sich gezeigt, dass erhebliche Störungen im Reinigungsprozess
durch Mengenschwankungen in der Zuführung des Reinigungsgases in
den Reinigungsreaktor verursacht werden, die fallweise bei Überschreiten
gewisser Ausmaße
bis zum Abbruch des gesamten Reinigungsprozesses führen können. Genauere
Untersuchungen zeigten überdies,
dass die Zuführung
schwankender Fluorwasserstoffgasmengen innerhalb des Reinigungsreaktors
zu Konzentrationsschwankungen führen,
die letztlich eine reduzierte Reinigungseffizienz und damit verbunden
eine nicht exakt steuerbare Reinigungsqualität zur Folge haben. Insbesondere
bei sehr stark geschädigten
Bauteilen mit einer großen Anzahl
von Materialrissen, die darüber
hinaus ein breites Spektrum hinsichtlich Tiefe, Breite und Länge der
einzelnen Risse aufweisen, kann ein angestrebter Reinigungsgrad
unter diesen Umständen
nicht mehr gewährleistet
werden. Auf die Konsequenzen einer unvollständigen Reinigung von mit einer Schicht
komplexer Oxide überzogenen
Bauteilen ist bereits vorstehend hingewiesen worden.
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Ein
weiterer nachteiliger und daher verbesserungsbedürftiger Aspekt bei den bislang
angewandten Reinigungspraktiken betrifft den Aufbau des Reinigungsreaktors.
Bereits in Verbindung mit der vorstehend zitierten
US 6,536,135 B2 sind einerseits auf
die Einströmung
des Reinigungsgases in den Reinigungsreaktor mittels des zentral
geführten
Zentralrohres und einer im Bodensumpfbereich des Reaktors vorgesehenen
Verteilerstruktur, als auch auf die Positionier- und Ablagemöglichkeiten
der einzelnen zu reinigenden Bauteile auf den längs des Zentralrohrs in vertikaler
Abfolge vorgesehenen Ablageböden
hingewiesen worden. Aufgrund einer derartigen bekannten Konstruktion
sind die Ablage- bzw. Positionierungsmöglichkeiten für die einzelnen
zu reinigenden Bauteile innerhalb des Reinigungsreaktors beschränkt. Hinzu
kommen die gleichfalls verbesserungsbedürftigen Anströmungsverhältnisse der
einzelnen zu reinigenden Bauteile innerhalb des Reinigungsreaktors,
zumal nicht ausgeschlossen werden kann, dass aufgrund einer gegenseitigen
Abschattung bestimmter Oberflächenbereiche
an den zu reinigenden Bauteilen nur eine unzureichende Beaufschlagung
mit Reinigungsgas erfolgt. So ist nicht auszuschließen, dass
sich durch eine ausschließlich im
Reaktorsumpfbereich vorgesehene Reinigungsgaseinspeisung Bereiche
mit vergleichsweise schlechten Strömungs- und Konzentrationsverhältnissen
bis hin zu Totwassergebieten ausbilden, durch die insbesondere in
Bereichen von Rissen ein geringerer Gasaustausch initiiert wird.
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Versuche,
zur Begegnung der vorstehend aufgezeigten Probleme in Bezug auf
die Verbesserung der Reinigungsqualität die Reinigungszykluszeiten
zu erhöhen,
um eine längere
Wechselwirkungsdauer zwischen den zu reinigenden Bauteilen und dem
Reinigungsgasgemisch zu erhalten, erbrachten nur geringfügige Erfolge.
Zudem wurden Reinigungsprozesse mit einer erhöhten HF-Konzentration durchgeführt. Doch
zeigten diese Bestrebungen lediglich, dass sich die gesetzten Reinigungsziele
nicht in zufriedenstellendem Maße
einstellten. Vielmehr führten
diese Maßnahmen
zu einer Kostenerhöhung sowie
einem erhöhten
Materialangriff auf die zu reinigenden Bauteile.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Reinigung
oxidierter oder korrodierter Bauteile, insbesondere von Heissgasen
ausgesetzten Gasturbinenkomponenten, in Gegenwart eines halogenhaltigen
Gases, mit einem in der Regel kesselförmig ausgebildeten Reinigungsreaktor,
in den mittel- oder unmittelbar eine Speiseleitung einmündet, die über eine
Durchflussregeleinrichtung mit einem das halogenhaltige Gas bevorratenden
Reservoir verbunden ist, derart weiterzubilden, dass einerseits
dafür Sorge
getragen wird, dass die in Verbindung mit einer unzureichenden bzw.
schwankenden Reinigungsgaszufuhr in den Reinigungsreaktor verbundenen
Probleme vollständig
beseitigt werden. Andererseits gilt es, Maßnahmen zu treffen, die gewährleisten,
dass jedes einzelne in den Reinigungsreaktor einzubringende zu reinigende
Bauteil einer vorzugsweise unmittelbaren Anströmung mit dem Reinigungsgas
ausgesetzt wird, so dass sich möglichst
keine Abschattungseffekte sowie auch keine Strömungstoträume innerhalb der Gasströmung ausbilden
können.
Sämtliche
zu treffenden Maßnahmen sollen
zudem unter dem Aspekt wirtschaftlicher Überlegungen und einer möglichst
schonenden, aber effektiven Reinigung jedes einzelnen Bauteils getroffen
werden.
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Erfindungsgemäss wird
die Aufgabe durch eine Vorrichtung der in den Ansprüchen 1 oder
9 genannten Art gelöst.
Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Maßnahmen
sind Gegenstand der Unteransprüche,
darüber
hinaus der weiteren Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
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Die
lösungsgemäße Vorrichtung
gemäß den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruches 1 zeichnet sich dadurch aus, dass
die Durchflussregeleinrichtung in Abfolge längs der Durchströmungsrichtung
des die Speiseleitung durchströmenden
halogenhaltigen Gases ein Gasmengenregelventil, eine Wärmetauschereinheit
sowie eine Gasmengenmesseinheit vorsieht.
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Der
lösungsgemäßen Vorrichtung
liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich längs der Speiseleitung für die Zuführung des
halogenhaltigen Gases Kondensationen ausbilden, die insbesondere
im Bereich von Drosselstellen auftreten. Derartige Kondensationen
führen
im Bereich der Gasmengenregelung zu fehlerhaften Werten und können bis
hin zum Totalausfall der Mengenmessung führen. Das halogenhaltige Gas
wird vorzugsweise in Druckflaschen bevorratet. Unter den Lagerbedingungen
liegt es flüssig vor.
Durch Erhöhen
der Temperatur wird die Flüssig keit
verdampft, und es stellt sich der temperaturabhängige Dampfdruck des Stoffes
ein. Vor der Gasregelung herrschen somit Überdruckbedingungen. Der Druck
innerhalb des Reinigungsreaktors liegt typischerweise im Druckniveau
von 50 Torr bis 780 Torr. Deshalb bedarf es längs der Speiseleitung wenigstens
einer druckreduzierenden Drosselstufe. Bei dieser tritt die vorstehende
Kondensationsproblematik auf. Die lösungsgemäße Vorrichtung enthält als Drosselstelle
längs der
Speiseleitung wenigstens eine Durchflussregeleinrichtung, die ein
das Gas expandierendes Gasmengenregelventil vorsieht. Zur Begegnung
der sich hierbei ausbildenden Kondensation ist in Strömungsrichtung
dem Gasmengenregelventil unmittelbar nachfolgend eine Beheizungseinheit
vorgesehen, die vorzugsweise einen Gaserhitzer aufweist, wodurch
das Temperaturniveau in diesem Leitungsbereich über das Kondensationsniveau
des halogenhaltigen Gases, vorzugsweise von HF-Gas, gehoben wird.
Stromab längs
der Speiseleitung zum Wärmetauscher
schließt
sich unmittelbar die Gasmengenmesseinheit an. Mit Hilfe der lösungsgemäßen Maßnahme kann
wirkungsvoll die Bildung von HF-Kondensat vermieden werden. Fehlmessungen sowie
auch ein vollständiges
Versagen der Durchflussregeleinrichtung können hiermit vollständig ausgeschlossen
werden, wodurch sich zudem auch die Lebensdauer der einzelnen Komponenten
der Durchflussregeleinrichtung deutlich erhöht. Dies wiederum hat eine
positive Auswirkung auf die Anschaffungs- und Betriebskosten und
verbessert darüber
hinaus die Verfügbarkeit
derartiger Reinigungsanlagen.
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Grundsätzlich ist
eine Beheizung des Wärmtauschers
unter Einsatz verschiedenster Aufheiztechniken möglich. Als besonders vorteilhaft
hat sich der Einsatz einer elektrischen Beheizung erwiesen. Gleichsam
ist es jedoch ebenso möglich,
indirekt über
entsprechend erhitzte Wärmeträger oder
sonstige Heizmedien den Leitungsbereich stromab zum Gasmengenregelventil
zu erhitzen. Für
die in der Wärmetauschereinheit
verwendeten Materialien, die Kontakt mit den halogenhaltigen Gasen
haben, besteht die Forderung nach chemischer Beständigkeit gegenüber den
aggressiven halogenhaltigen Gasen, vorzugsweise HF-Gas.
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Die
Wärmetauschereinheit
ist in Bezug auf ihre Wärmeabgabe
derart auszubilden bzw. auszuwählen,
dass ein Temperaturniveau zwischen 22°C und 75°C, bevor zugt 40°C bis 50°C und insbesondere
bevorzugt 44°C
bis 46°C
eingestellt werden kann.
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In
einer vorteilhaften Ausbildungsform ist stromauf und stromab zur
Durchflussregeleinrichtung in der Speiseleitung jeweils ein Absperrventil
vorgesehen, das bei einem eventuellen Ausfall der Durchflussregeleinrichtung
jeweils automatisch oder manuell betätigbar ist. Um zu gewährleisten,
dass der Reinigungsgaszufluss durch die Speiseleitung selbst in einem
derartigen Fall gewährleistet
bleibt, ist eine Bypass-Leitung zur Durchflussregeleinrichtung längs der
Speiseleitung vorgesehen, längs
der ein Regelventil, vorzugsweise ein Handregelventil, eingebracht
ist.
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Weitere
Einzelheiten einer bevorzugten Ausführungsform bleiben der Beschreibung
unter Bezugnahme auf die Figuren im Weiteren überlassen.
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Um
zu gewährleisten,
dass die einzelnen innerhalb des Reinigungsreaktors zu reinigenden
Bauteile im Interesse des Reinigungsprozesses von dem Reinigungsgas
optimal angeströmt
werden, zeichnet sich eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 9, die ein mit der wenigstens einen Speiseleitung
mittel- oder unmittelbar verbundenes Zentralrohr vorsieht, das sich
vom Reaktorkopf zum Reaktorsumpf innerhalb des Reinigungsreaktors
erstreckt und im Bereich des Reaktorsumpfes mit einer sich radial
zum Zentralrohr erstreckenden, ersten Verteilerstruktur verbunden
ist, die über
Austrittsöffnungen
für das
halogenhaltige Gas verfügt,
lösungsgemäß dadurch
aus, dass die erste Verteilerstruktur eine Auflageebene für die zu
reinigenden Bauteile aufweist, und eine zweite Verteilerstruktur
vorgesehen ist, die beabstandet zur ersten Verteilerstruktur am
Zentralrohr angebracht ist. Die erste Verteilerstruktur bildet zugleich
eine sich radial zum Zentralrohr erstreckende Auflageebene für die zu
reinigenden Bauteile, wobei die Verteilerstrukturen zumindest in
Richtung der auf ihnen aufliegenden Bauteile orientierte Austrittsöffnungen
für das
halogenhaltige Gas aufweisen.
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Das
neuartige Gasverteilungskonzept sieht die Anordnung von vorzugsweise
mehreren längs des
Zentralrohrs übereinander
angeordneten so genannten Ver teilerstrukturen vor, die entweder
selbsttragend am Zentralrohr angebracht sind oder mit geeignet ausgebildeten
Stützstrukturen
längs des
Zentralrohrs kombiniert sind.
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In
Abweichung zur bisherigen Reinigungsgaseinspeisung, die direkt aus
dem Zentralrohr radial nach aussen oder gemäss
US 6536135 B2 im Bereich
des Reaktorsumpfes erfolgt, sieht die neu konzipierte Gasverteilung
eine längs
des Zentralrohres jeweils in den Bereichen der Auflageebenen, auf
denen die einzelnen zu reinigenden Bauteile aufliegen, jeweils individuelle
Gaseinspeisungen vor. So dient die neuartige dezentrale Gasverteilung
im Reinigungsreaktor dazu, das Prozessgas möglichst optimal zu verteilen,
indem jeder einzelnen Komponente das Reinigungsgas unter weitgehend
identischen Bedingungen zu- und wieder abgeführt wird. Aufgrund einer individuellen
Reinigungsgaseinspeisung in jeder einzelnen Auflageebene für die zu
reinigenden Bauteile wird gewährleistet,
dass jedes einzelne Bauteil direkt und in geeigneter Weise mit Reinigungsgas
beaufschlagt wird. Die Anzahl sowie die Anordnung der in der jeweiligen
Verteilerstruktur vorgesehenen Austrittsöffnungen können grundsätzlich beliebig gewählt werden,
vorzugsweise jedoch unter Berücksichtigung
von Form, Größe und Anordnung der
zu reinigenden Bauteile.
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Die
jeweils längs
des Zentralrohrs mit axialem Abstand angebrachten Verteilerstrukturen,
die je nach Ausbildung in stabile Stützstrukturen integriert oder
in Form eigenstabiler Platten- oder Rohrkonstruktionen ausgebildet
sein können,
sind aus einem Material hergestellt, das beständig gegenüber dem in dem Reinigungsreaktor
herrschenden Prozessbedingungen ist, vorzugsweise bietet sich hierfür IN600 (Inconel
600) an.
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Je
nach Reinigungsaufgabe sowie Größe und Anzahl
der zu reinigenden Bauteile ist der Reinigungsreaktor mit einer
geeigneten Anzahl längs
zum Zentralrohr verteilt anzuordnender Verteilerstrukturen zu bestücken, auf
die die zu reinigenden Bauteile aufzubringen sind.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die einzelnen Verteilerstrukturen modulartig und unter Berücksichtigung
der vorstehend beschriebenen Reinigungsaufgabe einbringbar. Hierzu
weisen die Verteilerstrukturen eine mittige Manschette mit einer Manschettenöffnung zur
Aufnahme des Zentralrohres auf. Mit Hilfe der Manschette lassen
sich die einzelnen Verteilerstrukturen längs des Zentralrohrs positionieren
und fixieren. Um den Abstand zwischen zwei längs des Zentralrohrs anzubringenden
Verteilerstrukturen geeignet zu wählen, ist eine entsprechende
Anzahl von zylinderförmigen
Distanzmanschetten vorzusehen, die als Abstandshalter längs über das
Zentralrohr geschoben werden und die mit den Verteilerstrukturen
versehenen Manschetten längs
des Zentralrohes voneinander beabstandet fixieren.
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Grundsätzlich lassen
sich die jeweils radial von der Manschette erstreckenden Verteilerstrukturen
in unterschiedlicher Weise ausbilden bzw. ausführen. Als besonders vorteilhaft
haben sich platten- oder gitterförmige
bzw. rohrförmige
Ausbildungen für die
Verteilerstruktur erwiesen. Im Falle der Ausbildung einer aus einzelnen
Rohrstücken
bzw. Rohrleitungen zusammengesetzten Verteilerstruktur ist wenigstens
eine von dem Zentralrohr radial verlaufende Stichleitung vorgesehen,
von der radial zum Zentralrohr beabstandet wenigstens eine das Zentralrohr ringförmig umlaufende
Ringleitung angebracht ist. Die jeweiligen Austrittsöffnungen
sind längs
der wenigstens einen Stichleitung sowie der wenigstens einen Ringleitung
beborzugt jeweils nach oben orientiert angebracht, so dass die auf
der Verteilerstruktur aufliegenden Bauteile von dem aus den Austrittsöffnungen
austretenden Reinigungsgas unmittelbar beaufschlagt werden. Zur
Versorgung der Verteilerstrukturen mit dem Reinigungsgas weisen
die vorstehend beschriebenen Manschetten, mit denen die Verteilerstruktur
verbunden ist, radial zum Zentralrohr orientierte Gasöffnungen
auf, durch die das aus dem Zentralrohr über entsprechende Gasaustrittsöffnungen
radial austretende Reinigungsgas in die jeweiligen Verteilerstrukturen
gelangen kann. Einzelheiten hierzu können der weiteren Beschreibung
unter Bezugnahme auf die Figuren entnommen werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
sind die jeweiligen Verteilerstrukturen scheibenartig ausgebildet
und weisen jeweils eine obere und eine untere Scheibenplat te auf,
die einen Zwischenraum einschließen, der zudem von einem die
beiden Scheibenplatten an ihrem Umfangsrand fluiddicht verbindenden
Scheibenrand gasdicht umschlossen wird. Das auf diese Weise begrenzte
Scheibenvolumen wird über
eine dem Zentralrohr zugewandte Öffnung mit
dem halogenhaltigen Reinigungsgas gespeist, das zumindest über in der
oberen Scheibenplatte eingebrachte Austrittsöffnungen aus dem Scheibenvolumen
entweichen kann. Die Anzahl, Anordnung bzw. Ausrichtung sowie die
Durchmesser der einzelnen Austrittsöffnungen sind grundsätzlich in
weiten Bereichen variabel einstellbar. So sind beispielsweise pro Verteilerstruktur
zwischen 100 und 10000 Bohrungen bzw. Austrittsöffnungen jeweils mit Durchmessern zwischen
0,1 mm bis 5 mm vorgesehen.
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Je
nach Dimensionierung des Reinigungsreaktors sowie der innerhalb
des Reinigungsreaktors zu reinigenden Bauteile haben sich in der
Praxis bevorzugte Dimensionen für
die Austrittsöffnungen
erwiesen, die pro Verteilerstruktur 1000 bis 5000 Austrittsöffnungen
jeweils mit Durchmessern zwischen 0,5 und 2,5 mm vorsehen.
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Zu
Zwecken einer verbesserten, an die Form und Größe der jeweils zu reinigenden
Bauteile angepassten Anströmung
mit Reinigungsgas gilt es, die Austrittsöffnungen bezüglich der
in der Regel kreisrunden Auflageebene sektoral geeignet anzuordnen bzw.
zu verteilen, beispielsweise in Form radial verlaufender Linien
oder radial und in Umfangsrichtung geordneter Feldmuster, in denen
die Austrittsöffnungen
gruppenweise zusammengefasst angeordnet sind.
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Neben
der Ausbildung der Austrittsöffnungen
in Form konventioneller Bohrungen ist es besonders vorteilhaft,
die Austrittsöffnungen
düsenartig
zu konfektionieren, so dass die einzelnen aus den Austrittsöffnungen
austretenden Gasströmungen
mit einer optimierten Strömungsgeschwindigkeit
sowie mit einer vorgebbaren Ausströmungsrichtung auf das jeweils
zu reinigende Bauteil auftreffen. In besonders vorteilhafter Weise
dienen hierzu die Gasaustrittsrichtung pro Austrittsöffnung beeinflussende
Strömungsleitelemente,
die bereits bei der Herstellung der Austrittsöffnungen in geeigneter Weise
ausgebildet werden können,
beispielsweise im Rahmen formgebender Stanzprozesse.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante
sehen die Verteilerstrukturen nicht nur Austrittsöffnungen
für das
Reinigungsgas an der der Auflageebene zugewandten Oberseite vor,
um die auf den jeweiligen Verteilerstrukturen aufliegenden Bauteile
mit Reinigungsgas zu beaufschlagen, sondern darüber hinaus sind auch an der
gegenüberliegenden
Unterseite entsprechende Austrittsöffnungen vorgesehen, um einen
Teil des über
die Verteilerstruktur austretenden Reinigungsgases auf jene Bauteile
zu richten, die auf der unmittelbar darunter befindlichen Auflageebene
aufliegen.
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Trotz
der Vielzahl an möglichen
Ausbildungsvarianten für
eine jeweilige Verteilerstruktur kann es bei einzelnen zu reinigenden
Komponenten dennochvorkommen, dass diese nicht optimal vom Reinigungsgas
beaufschlagt werden. Um diesen Nachteil zu beseitigen, bietet es
sich an, zusätzliche Abdeck-,
Ablenk- bzw. Schutzbleche vorzusehen, deren Aufgabe es ist, Gasströme innerhalb
des Reinigungsreaktors entsprechend umzulenken. Derartige auch als
Gasleitbleche bezeichnete optionale Zusatzkomponenten lassen sich
vorzugsweise zwischen den jeweiligen Verteilerstrukturen oder unmittelbar
an den zu reinigenden Bauteilen anbringen, um bestimmte Bereiche
von Komponenten in besonderer Weise mit dem Reinigungsgas zu beaufschlagen
oder aber bestimmte Bereiche gegenüber dem Reinigungsgas abzuschirmen,
um einen direkten Kontakt mit dem Reinigungsgas zu vermeiden.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
schematisierte Darstellung des Aufbaus eines lösungsgemäß ausgebildeten Reinigungsreaktors,
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2 eine
perspektivische Darstellung einer Verteilerstruktur,
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3 eine
Verteilerstruktur mit plattenförmiger
Ausbildung,
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4 eine
Teilschnittdarstellung einer plattenförmig ausgebildeten Verteilerstruktur,
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5 eine
Verteilerstruktur mit segmentartig angeordneten Austrittsöffnungen,
sowie
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6 eine
Illustration von Austrittsöffnungen mit
Strömungselementen.
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Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
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1 illustriert
einen schematischen Aufbau eines Reinigungsreaktors (rechte Figurenhälfte), der über ein
Reinigungsgasleitungssystem (linke Figurenhälfte) mit einer Reinigungsgasmischung
versorgt wird. Der Reinigungsreaktor weist ein im wesentlichen zylinder-
oder tonnenförmig
ausgebildetes Reaktorgehäuse 11 auf,
das an seiner oberen Seite mit einem Reaktordeckel 14 gasdicht
verschlossen ist. Das Reaktorgehäuse 11 ist
von einem Heizungsmantel 12 umgeben, in dem Heizeinrichtungen 13 für eine Reinigungsprozesstemperatur
im Inneren des Reinigungsreaktors von bis zu 1200°C sorgen.
Innerhalb des Reinigungsreaktors ist mittig ein Zentralrohr 23 vorgesehen,
das den Reaktordeckel 14 gasdicht nach außen durchstösst, und
in das über
eine Speiseleitung 10 Reinigungsgas eingespeist wird. Zudem ist
ein Reaktorauslass 24 innerhalb des Reinigungsreaktors
vorgesehen, über
den verbrauchtes Reinigungsgas über
eine entsprechende Abgasleitung 25 nach außen zur
weiteren Ver- bzw. Entsorgung gebracht wird.
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Zur
Bereitstellung von Reinigungsgas sind in dem in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel
zwei Gasreservoire 1, 1' vorgesehen, nämlich ein Gasreservoir zur
Bereitstellung von Fluorwasserstoff (HF) und ein Gasreservoir zur
Bereitstellung von Wasserstoffgas (H2).
Beide Gassorten gilt es, in geeigneter Weise vor Einspeisung in
die Speiseleitung 10 mit einem vorgegebenen Mischungsverhältnis zu
mischen. Hierzu schließt
sich längs
einer Speiseleitung unmittelbar stromab des HF-Gasreservoirs 1 eine Durchflussregeleinrichtung
an, die aus einem Gasmengenregelventil 5, einer Wärmetauschereinheit 9, vorzugsweise
in Form eines Gas erhitzers sowie einer Gasmengenmesseinheit 6 besteht.
Die sich unmittelbar stromab zum Gasmengenregelventil 5 anschließende Wärmetauschereinheit 9 sorgt
für eine
markante Temperaturerhöhung über die
Kondensationstemperatur des HF-Gases, so dass eine von jedweden
Kondensationsprozessen nicht beeinträchtigte HF-Gasversorgung mit
Hilfe der Durchflussregeleinrichtung gewährleistet werden kann. Zur Überwachung
und Ansteuerung der Wärmetauschereinheit 9 dient
ein Gastemperaturregelkreis 8. Zur kontrollierten Durchführung der
Gasmengenmessung ist ein geeigneter Gasmengenregelkreis 7 vorgesehen.
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Um
bei einem eventuellen Ausfall der automatischen Regelung hinsichtlich
der Gastemperatur und/oder der Gasmenge einen damit verbundenen Prozessabbruch
zu vermeiden, ist zusätzlich
eine Bypassleitung 2 vorgesehen, in der ein Absperrventil, vorzugsweise
ein Handregelventil 4, angebracht ist. Die Bypassleitung 2 wird
in jenem Fall genutzt, bei dem die Durchflussregeleinrichtung, bestehend
aus dem Gasmengenregelventil 5 der Wärmetauschereinheit 9 und
der Gasmengenmesseinheit 6, stromauf und stromab mit Hilfe
zweier Blockventile 3 von der Gaszufuhr abgetrennt wird.
Die eingesetzten Blockventile 3 können vorzugsweise in Form von Ventilen,
Hähnen
oder Schiebern ausgebildet sein, die sowohl von Hand als auch automatisch
angetrieben werden können.
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Das
in der Bypassleitung 2 vorgesehene Handregelventil ist
vorzugsweise als Nadeldurchgangsventil ausgebildet, das eine sehr
fein dosierte Einstellung des HF-Gasflusses
ermöglicht.
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Das
längs der
Speiseleitung 10 in das Zentralrohr 23 eingespeiste
HF-Reinigungsgasgemisch tritt
innerhalb des Prozessraumes 16 des Reinigungsreaktors über in verschiedenen
Ebenen längs des
Zentralrohrs 23 angebrachte Verteilerstrukturen 20 aus,
auf denen die jeweils zu reinigenden Bauteile 26 aufliegen.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind
die im Prozessraum 16 vorgesehenen Verteilerstrukturen 20 getrennt
zu gleichfalls radial am Zentralrohr 23 angebrachten Stützstrukturen 19 ausgeführt, auf
denen sich die Verteilerstrukturen 20 abstützen. Das
Reinigungsgas gelangt über
das Zentralrohr 23 jeweils in die Verteilerstrukturen 20,
von denen es unmittelbar auf die zu reinigenden Bauteile 26 ge richtet
austritt. Zusätzliche
innerhalb des Prozessraums 16 vorgesehene Gasleitbleche 27, 28 und 29 sorgen
für eine
individuelle Anströmung
der einzelnen zu reinigenden Bauteile 26 mit Reinigungsgas.
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Im
Bereich des Reaktorsumpfes 17 befindet sich die unterste
Verteilerstruktur 20, die in einen stabilen Bodenträger 21 integriert
ist, der vorzugsweise fest mit dem Zentralrohr 23 verbunden
ist.
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Um
den Bereich des Reaktorkopfes 15, insbesondere den Reaktordeckel 14 gegenüber einer
zu starken Hitzebelastung zu bewahren, ist ein Hitzeschild 22 im
oberen Bereich innerhalb des Reinigungsreaktors am Zentralrohr 23 angebracht.
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In 2 ist
in perspektivischer Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform
einer Verteilerstruktur 20 dargestellt. Die Verteilerstruktur 20 weist eine
mittige Manschette 43 auf, die über das nicht weiter dargestellte
Zentralrohr zwangsgeführt
geschoben werden kann. Nur der Vollständigkeit sei darauf hingewiesen,
dass anstelle der Manschette die Verteilerstruktur 20 auch
direkt mit dem Zentralrohr 23 verbunden sein kann, in diesem
Fall entspricht die Komponente 43 dem Zentralrohr.
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Radial
von der Manschette 43 ausgehend schließen an diese vier Stichleitungen 40 an,
mit denen jeweils konzentrische Ringleitungen 41 verbunden
sind. Die Stichleitungen 40 sowie Ringleitungen 41 bilden
ein miteinander kommunizierendes Rohrleitungssystem, das von dem
nicht dargestellten Zentralrohr 23 mit Reinigungsgas versorgt
wird. Hierzu weist die Manschette 43 Öffnungen auf (nicht dargestellt) über die
das vom Zentralrohr 23 bereitgestellte Reinigungsgas in
das Verteilersystem eingespeist werden kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist
die Verteilerstruktur 20 eigentragfähig und robust ausgebildet
und fest genug mit der Manschette 43 verbunden, um sowohl
das Eigengewicht der Verteilerstruktur 20 sowie auch das
Gewicht der auf die Verteilerstruktur 20 aufzubringenden
zu reinigenden Bauteile 26 aufzunehmen.
-
Nicht
in 2 dargestellt sind die längs der Stichleitungen 40 sowie
Ringleitungen 41 vorgesehenen Austrittsöffnungen, über die das Reinigungsgas in
Richtung der auf der Verteilerstruktur 20 aufliegenden
Bauteile austritt.
-
3 illustriert
stark schematisiert ein alternatives Ausführungsbeispiel für eine Verteilerstruktur,
die plattenförmig
ausgebildet ist. Die Verteilerstruktur weist in diesem Fall eine
obere 50 und untere 51 Scheibenplatte auf, beide
Platten 50 und 51 sind von einem umlaufenden Scheibenrand 52 begrenzt und
schließen
ein innenliegendes Volumen ein. Zusätzlich ist die Verteilerstruktur
mit einer mechanisch stabilen Stützstruktur 54 verbunden.
Die obere Scheibenplatte 50 weist Sektoren auf, gekennzeichnet
durch Begrenzungslinien 55, die im dargestellten Falle
längs jeweils
radial verlaufen. Die einzelnen Sektoren können ausgetauscht werden, um
den Reaktor möglichst
variabel an unterschiedliche Komponententypen anzupassen. Mittig
wird die plattenförmig
ausgebildete Verteilerstruktur von dem Zentralrohr 23 durchsetzt,
an dem die Verteilerstruktur 20 fest angebracht ist. Alternativ
ist die Verteilerstruktur mit einer vorstehend beschriebenen Manschette
verbunden, die über
das Zentralrohr 23 gefädelt
ist.
-
In 4 ist
eine perspektivische Querschnittsdarstellung durch eine plattenförmig ausgebildete
Verteilerstruktur dargestellt. In diesem Falle sei angenommen, dass
die obere und die untere Scheibenplatte 50, 51 unmittelbar
an dem zentralen Zentralrohr 23 angebracht sind. Ebenfalls
kann es sich bei 23 um eine Manschette handeln. Über entsprechende
Verbindungsöffnungen 55 gelangt
durch das Zentralrohr bzw. Manschette 23 zugeführtes Reinigungsgas
in den Zwischenraum zwischen der oberen und unteren Scheibenplatte 50, 51. Über entsprechende
Austrittsöffnungen 56,
die in der oberen Scheibenplatte 50 eingearbeitet sind,
tritt das Reinigungsgas schließlich
in den Prozessraum aus. Die Austrittsöffnungen 56 werden
vorzugsweise unter Berücksichtigung
der zu reinigenden Bauteile, die auf der oberen Scheibenplatte 50 aufzubringen
sind, entsprechend angeordnet. Das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel
sieht sektoral feldartige Ordnungsmuster für die Austrittsöffnungen 56 vor.
In 5 ist die Draufsicht einer Segmentfläche der
oberen Scheibenplatte 50 dargestellt, in der eine Vielzahl von
Feldern 57 angeordnet sind, die sich jeweils aus einer
Vielzahl einzelner Austrittsöffnungen 56 zusammensetzen.
Die Anordnung sowie die Anzahl der Austrittsöffnungen 56 innerhalb
der einzelnen Felder 57 können jeweils identisch oder
unterschiedlich, vorzugsweise in Abhängigkeit an die jeweils zu
reinigenden Bauteile gewählt
werden.
-
6 zeigt
schematisiert eine vergrößerte Darstellung
eines Feldes 57, in dem eine Vielzahl einzelner Austrittsöffnungen 56 vorgesehen
ist. Anhand der Schnittbilddarstellungen A-A sowie B-B sind die
Konturen der einzelnen Austrittsöffnungen ersichtlich.
Insbesondere kann aus der Schnittdarstellung A-A ersehen werden,
dass jede einzelne Austrittsöffnung 56 von
einem Strömungsleitelement 58 überdeckt
ist, wodurch die Austrittsströmung räumlich gerichtet
auf das jeweilige Bauteil auftreffen kann.
-
Mit
den vorstehend beschriebenen Maßnahmen
bezüglich
einer optimierten Gasmengenregulierung sowie einer optimierten Gasverteilung
ist eine Anzahl von Vorteilen im Hinblick auf die Reinigung von
insbesondere heissgasbeaufschlagten Gasturbinenkomponenten verbunden.
So bildet sich aufgrund der optimierten Gasmengenregelung ein konstanter Gasvolumenstrom
aus, der mit einer geringen Schwankungsbreite in den Reinigungsreaktor
eingespeist werden kann. Die Gasverteilung innerhalb des Reinigungsreaktors
ist deutlich homogener und gleichmäßiger. Die einzelnen Bauteile
werden besser und in einer definierten Weise von dem Reinigungsgas
angeströmt,
so dass eine gleichmäßige Anströmung in
allen zu reinigenden Oberflächenbereichen an
den Bauteilen erreicht werden kann. Insbesondere entstehen durch
die getroffenen Maßnahmen
keine Toträume,
in denen die zu reinigenden Bauteile schlechter oder gar nicht umströmt bzw.
angeströmt werden.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Reinigungskonzepts
kann insbesondere eine deutlich bessere Tiefenreinigung, d. h. bessere
Oxidentfernung, von Rissen erreicht werden.
-
Zudem
hilft die optimierte Regelung und Gasverteilung, die zu Reinigungszwecken
einzuspeisende Menge an HF-Gas deutlich zu reduzieren. Dies verringert
zum einen das Risiko einer Schädigung
der einzelnen Komponenten bei gleichzeitig verbesserter Reinigungswirkung.
Zum anderen können
hierdurch überätzte Oberflächenbereiche
an den Bauteilen sicher vermieden werden. Darüber hinaus wird die Gesamtanlage
weniger durch das chemisch hochreaktive Reinigungsgas be lastet,
so dass die Stand- und Benutzungsdauer derartiger Anlagen und deren
Komponenten deutlich verlängert
werden kann. Insgesamt verhelfen die erfindungsgemäßen Maßnahmen,
Ressourcen wie beispielsweise die Prozessgase, Energie und darüber hinaus
erforderliche Betriebsmittel deutlich zu reduzieren. So führt die Reduzierung
des Reinigungsgases automatisch zur Reduktion der anfallenden zu
entsorgenden Austrittsstoffströme
und damit zur deutlichen Reduzierung des Abfalls. Insgesamt lassen
sich die Betriebskosten derartiger Anlagen mit dem lösungsgemäßen Konzept
erheblich reduzieren. Dazu trägt
auch eine höhere
Beladungsdichte des Reaktors, sowie eine Reduktion der Prozesszeiten
bei.
-
- 1
- Gasreservoir
- 2
- Bypassleitung
- 3
- Blockventil
- 4
- Handregelventil
- 5
- Gasmengenregelventil
- 6
- Gasmengenmesseinheit
- 7
- Regelkreis
für Gasmenge
- 8
- Regelkreis
für Gastemperatur
- 9
- Wärmetauschereinheit
- 10
- Speiseleitung
- 11
- Reinigungsreaktor
- 12
- Heizungseinheit
- 13
- Heizungen
- 14
- Reaktordeckel
- 15
- Reaktorkopf
- 16
- Prozessraum
- 17
- Reaktorsumpf
- 18
- Reaktorboden
- 19
- Stützstruktur
- 20
- Verteilerstruktur
- 21
- Stützstruktur-Bodenträger
- 22
- Hitzeschild
- 23
- Zentralrohr
- 24
- Reaktorauslass
- 25
- Abgasleitung
- 26
- Bauteil
- 27,
28, 29
- Gasleitbleche
- 40
- Stichleitung
- 41
- Ringleitung
- 42
- Verbindungsstellen
- 43
- Manschette
- 50
- obere
Scheibenplatte
- 51
- untere
Scheibenplatte
- 53
- Scheibenrahmen
- 54
- Stützstruktur
- 55
- Verbindungsöffnung
- 56
- Austrittsöffnungen
- 57
- Feld
von Austrittsöffnungen 56
- 58
- Strömungsleitelement
- 59
- Sektorblech