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Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Teilverbrennung
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von Reaktionsnasen aus Stahlkonvertern Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zur Regelung der einem Stahlkonverter entweichenden Reaktionsgasehzugemischten
atmosphärischen Luft sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Dem beweglichen, chargenweise betriebenen Konverter zum Frischen von
Roheisen zu Stahl wird eine Anlage zur Erfassung, Konditionierung und Reinigung
der aus diesem Stahlkonverter austretenden heißen, staubbeladenen Reaktionsgase
zugeordnet. Die Bauweise des für eine Folge von metallurgischen Prozeßstufen konzipierten
Reaktionsgefäßes bewirkt, daß die nachgeschaltete Anlage mit einem gewissen räumlichen
Abstand zu ihm angeordnet ist und somit insgesamt kein geschlossenes System vorliegt.
Dieses System wiederum steht unter Unterdruck, der durch ein Gebläse erzeugt und
mittels Drosseleinrichtungen geregelt wird. Da die Anlage saugseitig offen ist,
erfaßt sie außer den Reaktionsgasen auch Luft aus der Umgebung des Spaltes, der
zwischen Tiegel und unterem Leitungsteil des Gasfanges wegen der Drehbewegungen
des Tiegels frei bleiben muß.
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Soll wie im vorliegenden Fall die Konditionierung der Reaktionsgase
durch Ansaugen einer kleinst möglichen Menge an Luft vorgenommen werden, wird der
Spalt durch einen muffenartigen, heb-und senkbaren Ring zum gegebenen Zeitpunkt
im Prozeßverlauf weitgehend geschlossen.
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Die in diesem Leitungssystem auftretenden strömungs-,wärme-und verbrennungstechnischen
Vorgänge sind von einer Vielzahl von Faktoren abhängig und geben wegen ihrer Komplexheit
Anlaß zu einer Reihe von Störungsmöglichkeiten.
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Nach den bekannten Verfahren (z.B. LD, OBM) wird Roheisen in einem
Tiegel mit Sauerstoff von oben oder unten beaufschlagt.
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Die daraufhin einsetzenden Reaktionen zwischen dem Sauerstoff und
den Eisenbegleitstoffen (C, Si, Mn, P, S, ...) wtrdevals Primärreaktiobezeichnet.
Noch innerhalb des Tiegels findet bereits als Sekundärreaktion die Verbrennung eines
Teils des primär entstandenen CO statt, da der Sauerstoff nicht restlos für die
Primärreaktion verbraucht wird. Bereits diese Primär- und die sich daran ansnhließende
Sekundärreaktion verläuft ungleichmäßig in Bezug auf die Gasentwicklung. Eine Folge
davon ist ein ungleichmäßiger Volumenstrom der den Tiegel verlassenden Gase.
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Nach Verlassen des Tiegels geraten die Gase für kurze Zeit in Kontakt
mit atmosphärischer Luft. Diese wird sowohl durch Unterdruck im System, als auch
durch Injektorwirkung des Gasstrahles angesaugt und mit diesem in das Leitungssystem
gefördert. Hier findet nun als Tertiärreaktion die Verbrennung des CO-Gases mit
dem Luftsauerstoff zu C02 statt. Die Verbrennung läßt sich im Hinblick auf eine
Speicherung und spätere Nutzung des CO in gewissen Grenzen regeln. Eine entsprechende
Vorrichtung dazu ist der bekannte höhenverstellbare Schließring.
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Die Menge der durch die verbleibenden Undichtheiten am Schließ ring
eingesaugten Luft ist außer vom freien Querschnitt dieser Spalten vom Unterdruck
im System abhängig. Der Unterdruck wird vom Gebläse erzeugt und über Regelglieder
eingestellt, ist Jedoch aufgrund der vorstehend beschriebenen unstetigen Primär-und
nachfolgenden Sekundärreaktion nicht auf einem konstanten Wert haltbar, sondern
zeitweilig von einer niederfrequenten Pulsation überlagert. Dadurch erfolgt auch
der Lufteintritt in das System und die sich anschließende Tertiärreaktion pulsierend.
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Es wird damit deutlich, daß die Zone im Bereich der Luft zum mischung
für einen geregelten Ablauf der Folgereaktion von größter Wichtigkeit ist.
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Zur weiteren Erläuterung des Problems ist es notwendig, auf den zeitlichen
Ablauf der quantitativen Entwicklung des CO-Gas es einzugehen. Davon abhängig wird
die Konditionierung der Reaktionsgase in zwei Prozeßabschnitten in unterschiedlicher
Weise vorgenoamen.
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Zu Beginn des Sauerstoifblasens setzt die Reaktion zwischen dem Sauerstoff
und dem ii Roheisen enthaltenen Kohlenstoff zu CO erst allmählich ein und steigert
sich stetig. Aufgrund der anfänglich geringen Menge findet eine vollständige Verbrennung
mit der angesaugten Luft aus der Umgebung statt. Die Vollverbrennung in dieser Phase
ist erwünscht und wird daher bei angehobenem Schließring vorgenommen.
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Mit fortschreitender.CO-Entuicklung fällt der Sauerstoffgehalt im
Leitungssystem, was durch ein entsprechendes Analysengerät angezeigt wird. Zu einem
bestimmten Zeitpunkt stehen die Mengen an CO und Luft in einem solchen Verhältnis
zueinander, daß ein Verbrennungsluftfaktor von n=l vorl iegt .In dieser Phase entsteht
als Verbrennungsprodukt ein inertes Gasgemisch aus CO2 und N2.
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Bei weiter steigendem CO-Gehalt fällt der Verbrennungsluftfaktor und
es setzt die Phase ein, bei der das Gas nach der Kühlung und Reinigung außerhalb
des Leitungssystems verbrannt (abgefackelt) oder in einem Gasometer gesammelt werden
kann; d.h.
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die Verbrennung innerhalb des Leitungssystems muß nun weitestgehend
unterdrUckt werden.
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Zua besagten Zeitpunkt der Inertisierungsphase erfolgt automatisch
eine Trennung des 02-haltigen von der CO-haltigen Gasschicht, so daß eine ungewollte
Reaktion verhindert wird. Dann wird zur Konditionierung der Reaktionsgase in der
zweiten Stufe der Spalt durch einen muffenartigen, heb- und senkbaren Ring weitgehend
geschlossen.
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Diese Phase ist deshalb so bedeutend, weil sie etwa 75 der gesamten
Blaszeit ausmacht.
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Das Ende wird angezeigt durch fallende CO-Entwicklung und bei
Erreichen eines Mintertes erfolgt umgekehrt der Ubergang zur Konditionierung im
Sinne einer Vollverbrennung mit Einschaltung der Inertisierungsschicht.
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Verfahren und Vorrichtung zur Lösung dieser Aufgaben sind trotz vieler
Bemühungen noch nicht frei von Mängeln. Insbesondere macht die Einhaltung eines
Soll-Unterdrucks innerhalb eines Toleranzbereiches Schwierigkeiten. Im Zusammenuirken
von unregelmäßiger Gasbildung im Konverter, Steuerung des Unterdrucks über Stellring
und weitere$ Stellgliederg innerhalb der Gasleitung und Gebläselei,<tung kann
die in das Leitungssystem eingesaugte Luftmenge nicht so geregelt werden, daß sie
je nach erreichter Phase innerhalb der Blasperiode auf einem Optium gehalten wird.
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Eine weit verbreitete Methode, den Unterdruck im Hinblick auf die
Teilverbrennung zu beeinflussen, ist die Verstellung der Spaltbreite zwischen Tt
gelmund und Gasfang-Unterteil mittels des Stellringes. Hierbei muß jedoch stets
ein erhebliches Gewicht bewegt werden und die Regelung ist wegen der großen Querschnitte
nur sehr grob.
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Eine weiter entwickelte Lösungsmöglichkeit, die sich im wesentlichen
bewährt hat, ist im deutschen Gebrauchsmuster 7.311.898 beschreiben. Hier wird zur
Begrenzung der durch Unterdruck eingesaugten Luft im zweiten Prozeßabschnitt der
höhenverstellbare Schließring auf den Tiegelmund aufgesetzt und lediglich ein labyrinthartiger
Spalt zwischen Gas fang und Schließring freigelassen, der die Luftmenge auf ca.
10* der theoretischen Verbrennungsluft begrenzt.
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Obwohl diese Version an sich weitgehend ihre Aufgaben erfüllt, ist
noch keine Möglichkeit gegeben, die Menge der zugeführten Verbrennungsluft in Abhängigkeit
von kurzzeitig auftretenden Druckschwankungen direkt zu regeln. Es bleibt eine unbeeinflußbare
Abhängigkeit von der festen Spaltbreite und dem mittleren, durch Regelglieder im
Leitungssystem eingestellten Unterdruck.
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Eine andere Einrichtung zur Beeinflussung des Zutritts an atmosphärischer
Luft ist in der OE PS 323.216 beschrieben. Aufgabe dieser Erfindung ist es, die
Abhängigkeit der Bauabmessungen des Gasfang-Unterteils von denen des Konverters
zu verringen, indem die den Spalt verschließende Blende eine ausgleichende Funktion
übernimmt. Ferner soll durch die Anordnung und Dimensionierung der Luftdurchtrittsöffnungen
sowie durch Verstellen einer Drosseleinrichtung die Verbrennung geregelt werden.
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Es wird Jedoch nichts darüber offenbart, in welchem Bereich die Verbrennung
geregelt werden soll, noch aufgrund welcher Meßkriterien die Regelung erfolgen soll.
Außerdem ist die Einrichtung nicht geeignet, kurzzeitige Schwankungen in der Gasentwicklung
auszugleichen.
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Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, in Fortführung der bekannten
Maßnahmen ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem die in das Leitungssystem eingeführte
Menge an Verbrennungsluft so geregelt wird, daß der Druck im Leitungssystem ständig
innerhalb des gewünschten Bereichs erhalten bleibt. Insbesondere sollen Ausschwallungen
vermieden werden.
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Ein weiteres Ziel ist es, bei beabsichtigter Gewinnung und Speicherung
des Reaktionsgases einen möglichst niedrigen Abbrand des CO-Gases zu bewirken. Es
wird ein Verbrennungsluft faktor n zwischen 0,03 und max. 0,15 angestrebt.
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Grundlage für die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist
die
Messung des Druckes, unter dem das Gas im Eingangsbereich des Leitungssystems steht.
Dieser Druck dient als Impuls für die Einstellung der zuzuführenden Luftmenge.
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Abweichungen von dem Toleranzbereich eines gewünschten Sollwertes
sind dabei als Kriterium für Unregelmäßigkeiten in der Gasbildung zu werten. Es
soll dabei ein Unterdruck zwischen -2 bis -20 mmWS eingehalten werden. Eine Mehr-
oder Minderbildung sind kurzfristige Erscheinungen, die bei einem starren System
als niederfrequente Pulsation feststellbar sind. Im Extremfall kommt es bei Eintritt
in den Uberdruckbereich zu den sog.
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Ausschwallungen von Reaktionsgasen. Zum Ausgleich der Druckabweichungen
wird Luft oder ein anderes Gas in höherem oder niedrigerem Maße dem System zugeführt.
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Drei Verfahrensmerkmale sind hier zu unterscheiden: - im Unterdruckbereich
innerhalb des Toleranzbereiches wird durch Verändern des freien Querschnitts die
Menge der angesaugten atmosphärischen Luft geregelt, - fällt der Druck (steigt der
Unterdruck) auf einen Wert außerhalb des Toleranzbereiches, ist die zuzumischende
Menge an Luft so groß, daß sie nicht mehr frei angesaugt werden kann und muß um
eine entsprechende Menge an Druckluft oder einem anderen unter Druck stehenden Gas,
z.B. Inertgas (N2, C02,...) ergänzt werden, - steigt der Druck in den positiven
Bereich, muß - damit kein Abgas außerhalb des Leitungssystems gelangt - im Bereich
der verbleibenden Spalten ein Gegendruck aufgebaut werden, der höher ist als der
Druck des Reaktionsgases dies wird durch Eindüsen von Druckluft oder einem anderen
unter Druck stehenden Gas z.B. Inertgas (N2, CO2,...) in entsprechender Menge erreicht.
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Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens besteht aus einem
Kühlring, der das untere Ende des Gas fang umschließt und mit diesem einen Ringraum
bildet. Der Kühlring ist aus von Kühlwasser durchströmten Rohren gewickelt und ist
nach oben hin
geschlossen und nach unten hin offen. Auf dem Umfang
dss Kühlringes verteilt sind Stutzen angebracht, deren freie Querschnitte jeweils
mittels eines Absperrorgans einstellbar sind.
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Die Einstellung des freien Querschnitts erfolgt in Abhängig keit vom
Druck im Leitungssystem über ein entsprechendes Regelglied. Fdr die Druckmessung
ist in erster Linie der Zustand im Gasfang-Unterteil maßgebend. In diesem Bereich
erfolgt auch die Druckmessung zur eingangs erwähnten Voiumens tromregelung über
entsprechende Stelleinrichtungen, z.B.mit verstellbaren Klappen eines Venturi-Abscheiders.
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In Ergänzung zu dieser an sich bekannten Einrichtung erfolgt eine
weitere Druckmessung im Ringraum zwischen Gasfang-Unterteil und Kühlring. In diesem
Bereich werden kurzzeitige Schwankungen besonders schnell erfaßt und können durch
die erfindungsgemäßen Maßnahmen mit minimaler Verzögerung ausgeglichen werden. Abweichend
von der Druckmessung im Gasfang-Untertell wird im genannten Ringraum der Zustand
erfaßt,in dem sich die eingesaugte Luft befindet, d.h. im Normalfall bei Unterdruck
im Sollwertbereich oder in einem Zustand, der eine Korrektur erforderlich macht.
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Ein häufig wiederkehrender Sonderfall besteht dann, wenn im Reaktionagefäß
die auf dem Roheisenbad liegende Schlacke stark aufschäumt, und - da der Schließring
auf dem Tiegelmund aufsitzt - bis in den Bereich des Spaltes zwischen Gasfang-Unter~
teil und Schließring gelangt und denselben verschließt. Hierbei wird dann durch
rasches Schließen der Absperrorgane und Eindüsen von Druckgas ein Überdruck im Ringraum
hergestellt, der das weitere Eindringen von Schaumschlacke verhindert.
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Die Zuführung des Druckgases erfolgt zum entsprechenden Zeitpunkt,
wobei die Freigabe des Leitungsweges über ein Schnellschlußventil erfolgt, das über
einen Impuls von einem Geber betätigt wird. Bei Betrieb dieser Druckgasanlage wird
der Druck im Ringraum unmittelbar beeinflußt und damit die Funktion der Druckmessung
irrelevant. Das Abschalten der Druckgas anlage erfolgt daher über die Druckmessung
im Gasfang-Unterteil
Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die Abdichtung
der oberen Kante des beweglichen Schließringes gegen die untere Seite des Kühiringes.
Hierbei wird sichergestellt, daß die Luftmenge für die Teilverbrennung sowie der
Druckausgleich bei Schwankungen nahezu ausschließlich über den einstellbaren Querschnitt
der auf dem Kühlring angebrachten Stutzen erfolgt.
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Zur Erläuterung der Erfindung wird das Verfahren und die Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens auf den Zeichnungen dargestellt und im folgenden
näher beschrieben.
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Fig. 1 zeigt einen senkrechten Schnitt durch den oberen Teil eines
Tiegels, Schließring sowie Gasfang-Unterteil mit Kühlring und einer beispielsweisen
Anordnung der Vorrichtung zur Regelung der Luftzufuhr und des Druckgases.
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Fig. 2 zeigt einen waagerechten Schnitt A-A durch die Anordnung gemäß
Fig. 1 (ergänzt durch den nicht vom Schnitt A-A erfaßten Druckgas-Ringsammler) Fig.
3 zeigt in Abänderung von Fig. 1 eine weitere Ausgestal tungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
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Im einzelnen zeigen in den Figuren die Oberkante des aufgerichteten
Tiegels (1) und Gasfang-Unterteils (2). Der zwischen Oberkante des Tiegels (1) und
Unterkante des Gasfangs (2) verbleibende Spalt ist offen, wenn der Schließring (3)
angehoben ist, wie in der linken Bildhälfte dargestellt.Nach Erreichen der entsprechenden
Abgaskennwerte wird der Schließring abgesenkt, wie in der rechten Bildhälfte dargestellt.
Dabei erfolgt die Abdichtung zur Tiegel-Oberkante durch unmittelbares Aufsetzen
der unteren Umlenkbögen (25) auf den Tiegelmund. Verbleibende Undichtigkeiten durch
ungleichmäßige Ausformung der einander berührenden Ebenen sind geringfügig und üben
keinen entscheidenden Einfluß auf den Ablauf des Verfahrens aus. Die Abdichtung
zum Gasfang-Unterteil erfolgt durch Anpressen der oberen Umlenkbögen (24) des Schließringes
(3) an ein am unteren Ende des KUhlringes (19) angebrachtes feuerfestes, elastisch
wirkendes
Dichtungsmaterial (22).
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Der Gasfang-Unterteil (2) wird von der Unterkante bis etwa zum Kiihlwassersammler
(12) vom Kiihlring (in)) umschlossen, der aus von Kühlwasser durchströmten Rohren
gewickelt wird.
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Zwischen Gasfang-Unterteil (2) und Kühlring (19) bleibt ein Ringraum
(20) frei, in dem sich der Schließring (3) bei angehobenem Zustand befindet. In
abgesenktem Zustand bleibt als Verbindung zwischen Ringraum (20) und dem Inneren
des Gasfang-Unterteils (2) ein Ringspalt (21) frei, durch den die Luft strömen kann.
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In den Ring raum (20) münden über den Umfang verteilt Stutzen (18),
deren freier QuerschnittUber Absperrorgane einstellbar sind. Diese Absperrorgane
können beispielsweise wie in Fig. 1 als Regelklappe (15) oder wie in Fig. 3 als
einz in einem Gehäuse (17) befindliche Schieberplatte (16) ausgefflhrt werden.
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Die Betätigung dieser Absperrorgane erfolgt mechanisch, z.B.
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elektromotorisch oder hydraulisch, wobei der Impuls zum Regeln des
freien Querschnitts von einem Geber (8) über eine Druckmeßeinrichtung (10) im Gasfang-Unterteil
(2) oder über (11) im Ringraum (20) erhalten wird. Vom gleichen Geber (8) wird der
Impuls zur Bestätigung eines Ventils (6) zur Freigabe des Drucgases benutzt. Das
Druckgas kann, wie beispielhaft in Fig.1 dargestellt, aus der Zuleitung (5) über
einen Ringsarmler (4), Ausblaseleitung (13) in die einzelnen Düsen (14) geleitet
werden. Es sind aber auch hier mehrere Möglichkeiten gegeben.
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So wird gemäß Anordnung in Fig. 1 bei Unterschreiten eines Max-Unterdrucks
zusätzlich zum vollen Öffnen der Klappen eine Menge des Druckgases eingedüst, um
den Unterdruck wieder in den Toleranzbereich einzuregeln. Ein weiterer Weg ist gemäß
Anordnung in Fig. 3 aufgezeigt, in der die Schieberbetätigung mit der Freigabe des
Druckgases gekoppelt ist. Hier befinden sich die Düsen in der Schieberplatte, so
daß sie im angehobenen Zustand derselben vom Schiebergehäuse (17) verdeckt sind
und erst im abgesenkten Zustand freigegeben werden. Es erfolgt der Druckausgleich
bei Melden eines erheblichen Unterdrucks durch Eindüsen
von großen
Mengen des Druckgases.
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Bei Auftreten eines Überdrucks im Gasfang-Unterteil (2) kommt es zum
Auströmen von Reaktionsgasen in den Ringraum (20), so daß auch hier Überdruck angezeigt
wird. In diesem Fall werden die Absperrorgane (15) oder (16) vollständig geschlossen
und das Druckgasventil (6) geöffnet, so daß das Druckgas in den Ringraum (20) einströmt,
um einen Gegendruck aufzubauen, der größer ist als der Druck im Gas fang.
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Auf diese Weise wird verhindert, daß Reaktionsgase vom Leitungssystem
emittieren. Der Überdruck, der stoßweise auftritt, wird vom großen Volumen des Leitungssystems
kompensiert. Da die Druckmeßeinrichtung (11) durch das Eindüsen von Druckgas unmittelbar
beeinflußt wird, wird der Impuls zum Schließen des Druckgasventils über die Druckmeßeinrichtung
(10) im Gasfang-Unterteil (2) erfolgen. Erst bei geschlossenem Druckgasventil (6)
tritt auch die Regelung über die Druckmessung (11) im Ringraum (20) wieder in Kraft.
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PATENTANSPRÜCHE