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Schleusenvorrichtung
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Die Erfindung betrifft eine Schleusenvorrichtung zum Eintragen von
in einer Flüssigkeit suspendierten körnigen Feststoffen aus einer Niederdruckzone
in eine Hochdruckzone mit einer Druckdifferenz zwischen den Zonen von mindestens
5 bar, mit einem kontinuierlich drehbaren Rotor mit mehrerer voneinander getrennten
Schleusenkammern zum Aufnehmen und Weiterleiten der suspendierten Feststoffe, mit
einem ortsfesten Gehäuse mit paarweisen Einlaßöffnungen für den Eintritt und den
Austritt der Suspension, und mit Flüssigkeitskreisläufen zum Einspülen der suspendierten
Feststoffe in eine Schleusenkammer im Niederdruckbereich, und zum Ausspülen aus
einer weiteren Schleusenkammer im Hochdruckbereich, wobei jeder Flüssigkeitskreislauf
eine Pumpe aufweist.
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Schleusenvorrichtungen dieser Art sind bekannt und in der deutschen
Offenlegungsschrift 25 03 400 sowie den US-Patenten 3 429 773 und 4 017 270 beschrieben.
Mit den bekannten Schleusen entstehen aber Probleme, wenn die Temperatur der Flüssigkeit,
bei der es sich im allgemeinen um Wasser handelt, im Hochdruckkreislauf über der
Siedetemperatur bei dem Druck liegt, der im Niederdruckkreislauf herrscht. Da jede
Kammer ständig mindestens teilweise mit Flüssigkeit gefüllt ist, verdampft aus der
Hochdruckzone in die Niederdruckzone kommende Flüssigkeit und macht dort das Einschleusen
von Feststoffen mit kalter Flüssigkeit zumindest zeitweise unmöglich. Aufgabe der
Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen.
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Bei der eingangs genannten Vorrichtung wird die Aufgabe dadurch gelöst,
daß die Zahl der Schleusenkammern im Rotor 3 oder ein ganzzahliges Vielfaches davon
beträgt, das Gehäuse 3 Paar Öffnungen aufweist, wobei jedem Öffnungspaar durch Drehen
des Rotors jede der Kammern fluchtend zuzuordnen ist, am ersten Öffnungspaar ein
Niederdruck-Kreislauf mit kalter Flüssigkeit, am zweiten Öffnungspaar ein Hochdruck-Kreislauf
mit heißer Flüssigkeit mit einer Temperatur über der Siedetemperatur der Flüssigkeit
im Niederdruckkreislauf, und am dritten Öffnungspaar ein Hochdruck-Kreislauf mit
kalter Flüssigkeit angeschlossen ist, und jede Kammer beim Drehen des Rotors nach
dem ersten Öffnungspaar das zweite und danach das dritte Öffnungspaar erreicht.
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Bei den zu schleusenden Feststoffen handelt es sich bevorzugt um körniges,
kohlenstoffhaltiges Material, insbesondere Brennstoffe, wie Kohle oder Braunkohle.
Die Anwendung der Schleuse ist jedoch darauf nicht beschränkt. Die Suspensionsflüssigkeit
wird häufig ganz oder teilweise aus Wasser bestehen, doch ist auch dies nicht zwingend
nötig.
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Der Rotor weist 3, 6, 9 usw., d.h. ein ganzzahliges Vielfaches von
3 Schleusenkammern auf. Aus fertigungstechnischen Gründen wird man die mögliche
Zahl der Kammern niedrig wählen. Wenn man mit 3 Schleusenkammern arbeitet, wird
es unmöglich, die Flüssigkeitskreisläufe voll kontinuierlich zu betreiben. Eine
Kammer darf sich nämlich nicht in 2 unterschiedlichen Druckzonen gleichzeitig befinden.
Ein kontinuierliches Arbeiten dieser Flüssigkeitskreisläufe wird aber ohne weiteres
möglich, wenn man den Rotor mit 6 Kammern ausstattet.
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Jede der Schleusenkammern führt quer durch den Rotor hindurch und
besitzt damit zwei Mündungen. Es ist theoretisch möglich, 6 Kammern mit ihren 12
Mündungen so in einem Rotor zu verteilen, daß sich alle Mündungen auf derselben
Achsenhöhe befinden.
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Dabei müssen jedoch einzelne der Kammern stark gekrümmt geführt
werden,
weil keine der Kammern eine andere berühren oder durchdringen darf. Um die Durchführung
der verschiedenen Kammern durch den Rotor zu erleichtern, ordnet man bevorzugt die
Mündungen von mindestens zwei oder auch drei der Kammern auf gleicher Achsenhöhe
auf der Rotorfläche an.
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Ausführungsbeispiele der Schleusenvorrichtung werden mit Hilfe der
Zeichnung erläutert. Es zeigt: Fig. 1 einen Querschnitt durch eine schematisch dargestellte
Schleusenvorrichtung mit zugehörigen Flüssigkeitskreisläufen, Fig. 2 die Oberseite
des Schleusenrotors und die Gehäuseinnenseite der Schleuse gemäß Fig. 1 in abgewickelter
Darstellung, Fig. 3 eine Darstellung entsprechend Fig. 2 einer weiteren Ausführungsform
einer Schleuse, Fig. 4 eine Darstellung entsprechend Fig. 2 einer dritten Ausführungsform
einer Schleuse.
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Die Schleuse der Fig. 1 und 2 weist ein ortsfestes Gehäuse 11 auf,
das einen Rotor 12 umschließt. Das Gehäuse 11 enthält 3 Paare von einander gegenüberliegenden
Öffnungen A, A', B, B', C, C'. Der Rotor 12 besitzt 6 Schleusenkammern 1, 2, 3,
4, 5, 6, von denen in Fig. 1 der besseren tibersichtlichkeit wegen nur die Kammern
1 und 5 eingezeichnet sind. Die Kammern verlaufen quer und zueinander versetzt durch
den Rotor 12, ohne sich zu berühren oder zu durchdringen.
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Die linke Figurenhälfte der Fig. 2 zeigt die abgewickelt dargestellte,
an sich zylindrisch gekrümmte Oberseite des Rotors 12.
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Die Auftrennung dieser Oberseite für die Darstellung der Fig. 2 erfolgt
entlang der achsparallelen Schnittlinie 11-11 in Fig. 1.
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Die Schnittlinie II-II stellt deshalb in Fig. 2 die obere und untere
Begrenzung dar.
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Der Rotor 12, wie er in Fig. 1 und 2 dargestellt ist, besitzt nur
senkrecht zur Drehachse des Rotors verlaufende Schleusenkammern 1 bis 6. Zur Kammer
1 gehören ihre beiden Mündungen la und 1b, zur Kammer 2 gehören die Mündungen 2a
und 2b usw. Auf der in Fig. 2 dargestellten Rotoroberseite sind diese Mündungen
la, 2a, 6a und 1b, 2b, ..., 6b der Kammern zu sehen. Die Mündung 6a der Kammer 6
wurde durch die Schnittlinie II-II halbiert und findet sich deshalb am unteren und
oberen Ende von Fig. 2 wieder.
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Die zylindrische Innenseite des Gehäuses 11 der Fig. 1 ist in der
rechten Figurenhälfte der Fig. 2 ebenfalls entlang der Linie II-II aufgeschnitten
und abgewickelt wiedergegeben. In regelmäßigen Abständen weist die Innenseite des
Gehäuses 11 die bereits erwähnten Öffnungen A, B, C, A', B' und C' auf. Zwischen
den Öffnungen sind im allgemeinen Dichtungen nicht erforderlich, weil der Spalt
zwischen Rotor und Gehöuse durch präzise mechanische Bearbeitung möglichst gering
gehalten wird. Leckverluste werden dadurch vernachlässigbar klein gehalten.
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Die Höhe H der Öffnungen A bis C' ist so groß gewählt, daß beim Drehen
des Rotors 12 in Richtung des Pfeils P alle Mündungen 1a bis 6a und 1b bis 6b der
verschiedenen Schleusenkammern an diesen Gehäuseöffnungen vorbeikommen. Die Breite
e der Gehäuseöffnungen entspricht etwa der Summe der Breite a einer Kammermündung
und der Stegbreite b zwischen benachbarten Mündungen, vgl. die linke älfte der Fig.
1. Aus e = a + b ergibt sibh, daß die in einer Gehäuseöffnung A bis C' erscheinende
Fläche einer oder zweier Kammermündungen la bis 6b stets so groß ist wie eine Mündungsfläche.
Bei der betriebsbereiten Schleuse überdeckt ja das Gehäuse 11 den Rotor 12 (vgl.
Fig. 1), wobei diese beiden Teile in Fig. 2 allerdings der besseren Übersichtlichkeit
wegen nebeneinander gezeichnet wurden. In der linken Hälfte der Fig. 2 ist die Überdeckung
der Mündungen 1a bis 6b und die momentan dabei auftretende Zuordnung von Kammern
und Gehäuseöffnungen durch die gestrichelt eingezeichneten Öffnungen A unc C angedeutet.
Die Schnittlinie I-I in
Fig. 2 bezeichnet die Querschnittsfläche
durch den Rotor und das Gehäuse gemäß Fig. 1; die Querschnittsfläche verläuft durch
die Schleusenkammer 5 hindurch.
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Beim Betrieb der Schleuse, wenn der Rotor 12 in Richtung des Pfeils
P gedreht wird, verschieben sich die Kammermündungen in dieser Richtung gegenüber
dem feststehenden Gehäuse. Die Gehäuseöffnungen A, B und C gehören zu Leitungen
15, 16 und 17, vgl.
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Fig. 1, die in Richtung von den Leitungen und durch das Gehäuse bis
in die jeweils in den Öffnungen anstehenden Kammern durchflossen werden. In der
linken Seite der Fig. 2 wurden die Mündungen solcher Kammern mit 1a bis 6a bezeichnet.
Die Mündungen jener Kammern, die von der Kammer zum Gehäuse hin durchflossen werden,
sind mit Ib bis 6b bezeichnet. Nach höchstens einer halben Umdrehung des Rotors
12 ändert sich die Durchflußrichtung in jeder Kammer.
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Die Schleusenvorrichtung von Fig. 1 und 2 macht es möglich, in Wasser
suspendierte Feststoffe, z.B. körnige Braunkohle, kontinuierlich in einen Hochdruckreaktor
20 zu überführen.
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Die Feststoffe werden in der Leitung 19 einem Vorratsbehälter 18 aufgegeben.
Kontinuierlich wird ein Vorrat an Suspension aus dem Vorratsbehälter 18 durch die
Leitung 17 zunächst der Gehäuseöffnung C zugeführt. Unter der Saugwirkung der Kreislaufpumpe
21, die über die Leitung 22 an der gegenüberliegenden Gehäuseöffnung C' angreift,
wird in der zwischen C und C' anstehenden Schleusenkammer (bzw.
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den beiden teilweise anstehenden Schleusenkammern) zunächst noch vorhandene
Flüssigkeit entnommen und die zuzuführende Suspension in die Kammer (bzw. die beiden
Kammern) eingespült. Die Gehäuseöffnung C' weist ein Sieb 23 auf. Dieses Sieb läßt
die Flüssigkeit passieren, nicht jedoch die Feststoffe, so daß die Kammer mit Feststoffen
gefüllt wird. Die über die Kammer angesaugte Flüssigkeit wird von der Pumpe 21 durch
die Leitung 24 zum Vorratsbehälter 18 gefördert. überschüssige Flüssigkeit wird,
falls nötig, in der Leitung 25 abgezogen.
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die beim kontinuierlichen Drehen des Rotors 12 gefüllte Schleuenkammer,
in Fig. 1 und 2 ist dies die Schleusenkammer 5 mit uhren Mündungen 5a und 5b, gelangt
beim Weiterdrehen des Rotors -tn den Wirkungsbereich der Gehäuseöffnungen A und
A'. Das ÖfftXungspaar A, A' gehört zu einem Hochdruck-Flüssigkeitskreislauf.
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Hilfe der Pumpe 26 wird hier heiße Flüssigkeit durch die leitung 15
und die Gehäuseöffnung A in die anstehende Schleusenzimmer (bzw. in die beiden anstehenden
Schleusenkammern) ge-Drückt und der dort vorhandene Feststoff aus der Kammer hinaus,
lurch die Öffnung A' und in die Leitung 27 gefördert. Die Flüssigkeit sowonl in
der Leitung 15 als auch in der Leitung 27 steht unter einem Druck, der mindestens
um 5 bar höher ist als der Druck in den Leitungen 17 und 22. Die Temperatur der
Flüssigin in den Leitungen 15 und 27 ist höher als die Siedetemperatur der Flüssigkeit
beim Druck in den Leitungen 17 und 22. Die mit Hilfe der heißen Flüssigkeit durch
die Leitung 27 gedrückden Feststoffe werden dem Hochdruckreaktor 20 aufgegeben.
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Qie Schleusenkammern, die vom Öffnungspaar A, A' kommen, sind mit
heißer, unter hohem Druck stehender Flüssigkeit gefüllt.
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Beim Weiterdrehen des Rotors 12 gelangen diese Kammern zum Öff-Qungspaar
B, B' und werden durch die Leitung 16 mit Hilfe der ;reislaufpumpe 33 mit relativ
kalter Flüssigkeit gefüllt. Die @@usgeschleuste heiße Flüssigkeit wird im Kühler
34 auf die 9er4ünschte niedrigere Temperatur gebracht. Der Druck in der Leitung
16 ist etwa der gleiche wie im Hochdruckkreislauf der Leitungen 15 und 27. Die Temperatur
der Flüssigkeit, die in der Leitung 16 durch die Gehäuseöffnung B tritt, ist jedoch
so niedrig, daß bei einer Entspannung auf den in den Leitungen 17 U-r.d 22 herrschenden
Druck praktisch keine Dampfbildung mehr azurtritt. Für Wasser als Transportflüssigkeit
bedeutet dies, t-aB die Temperatur stromabwärts vom Kühler 34 im allgemeinen unter
100°C liegt, denn im Vorratsbehälter 18 und den zugehörigen Leitungen des Niederdruckkreislaufs
herrscht üblicherweise etwa Atmosphärendruck. Eine Kammer, die vom Öffnungspaar
B, B' Weitergedreht wird, gelangt zum Öffnungspaar C, C' und wird Chart wieder mit
suspendierten Feststoffen gefüllt.
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Im Hochdruckkreislauf ist es möglich, zumindest einen Teil der Flüssigkeit
mittels eines nicht dargestellten Siebes in der Leitung 27 von den Feststoffen abzutrennen
und die Flüssigkeit über die gestrichelt eingezeichnete Bypaßleitung 28 wieder in
die Leitung 15 zurückzuführen. Eine geeignete Siebvorrichtung, von der aus die abgetrennten
Feststoffe in den Reaktor 20 gelangen, ist in der US-PS 4 017 270 beschrieben.
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Falls im Reaktor 20 eine Wasserdampfbehandlung von eingeschleuster
körniger Braunkohle durchgeführt werden soll, wird dem Reaktor Wasserdampf durch
die Leitung 29 zugeführt. In diesem Fall können im Reaktor 20 und gleichermaßen
auch in den Leitungen 15 und 27 Temperaturen von etwa 250 bis 3000C und ein Druck
im Bereich von etwa 40 bis 80 bar herrschen. In diesem Fall ist die Bypaßleitung
28 überflüssig. Behandelte Braunkohle, deren Wassergehalt auf diese Weise stark
zurückgeht, wird aus dem Reaktor durch die Leitung 30 abgezogen. Diese Trocknung
der Braunkohle unter hohem Druck in einer Wasserdampfatmosphäre ist als Fleissner-Verfahren
bekannt. Überschüssiges Wasser verläßt hierbei den Reaktor 20 durch die Leitung
31 und wird in der Leitung 15 zurück zur Schleuse geführt. Ein eventueller Wasserverlust
wird aus der Leitung 32 ergänzt.
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Falls jedoch körnige Kohle in einen Reaktor für die Druckvergasung
eingeschleust wird, soll mit der Kohle nur möglichst wenig Wasser in die Vergasungszone
eingebracht werden. In diesem Fall ist die bereits erläuterte Abtrennung von Flüssigkeit
in der Leitung 27 und die Verwendung der Bypaßleitung 28 geboten. Die Schleusenvorrichtung
ist jedoch nicht auf die Verwendung im Fleissner-Verfahren oder bei der Druckvergasung
körniger Kohle beschränkt, sie hat vielmehr einen breiten Anwendungsbereich.
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Wie bereits eingangs erläutert, ist es möglich, die Mündungen sämtlicher
Schleusenkammern eines Rotors auf derselben Achsenhöhe anzuordnen. Die Ächsenhöhe"
wird parallel zur Schnittlinie
II-II in Fig. 2 gemessen. In diesem
mehr theoretischen Fall könnte die Höhe H der Gehäuseöffnungen und die entsprechende
Höhe der Kammermündungen gleich groß sein, was aus einigen Gründen vorteilhaft wäre.
In diesem Fall müßten jedoch einige der sechs Kammern äußerst gekrümmt durch den
Rotor geführt werden, um das Durchdringen anderer Kammern zu vermeiden.
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Die Erzeugung solcher gekrümmter Kammern ist aber aufwendig.
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Ein Kompromiß zwischen dieser Möglichkeit und der Forderung, die sechs
Schleusenkammern nicht allzu gekrümmt im Rotor verlaufen zu lassen, wird mit Hilfe
der Fig. 3 erläutert. Die linke Hälfte der Fig. 3 zeigt die Oberseite eines Rotors
12a und der rechte Teil der Fig. 3 stellt die Innenseite des zugehörigen Gehäuses
11a dar. Für Fig. 3 wurde dieselbe abgewickelte Darstellung von achsparallel aufgeschnittenen
Zylindermantelflächen wie in Fig. 2 gewählt.
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Zwischen der Gehäuseinnenseite der Fig. 3 und der Gehäuseinnenseite
der Fig. 2 bestehen keine grundsätzlichen Unterschiede.
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Der Rotor der Fig. 3 weist ebenfalls sechs Kammern auf, wobei sich
die Mündungen von jeweils zwei Kammern auf der gleichen Achsenhöhe befinden. In
Fig. 3 sind das zunächst die beiden Kammern mit den Mündungen 41a und 41b sowie
44a und 44b, sie gehören zu ansonsten nicht dargestellten Kammern 41 und 44.
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Dazu versetzt, aber untereinander ebenfalls auf gleicher Achsenhöhe,
befinden sich die beiden weiteren Kammern 42 und 45 mit ihren Mündungen 42a und
42b sowie 45a und 45b. Auf einer dritten Achsenhöhe liegen die beiden letzten Kammern
43 und 46 mit den Mündungen 43a und 43b sowie 46a und 46b. Aus dem Vergleich der
Fig. 2 und 3 erkennt man, daß der Rotor gemäß Fig. 3 dichter von Schleusenkammern
durchzogen ist, so daß sein Volumen besser ausgenutzt wird. Dadurch kann die Gesamthöhe
des Rotors gegenüber dem Rotor der Fig. 2 verkürzt werden oder es wird möglich,
den Rotor der Fig. 3 mit im Querschnitt
größeren Kammern auszustatten.
Die weiteren, für die Schleusenvorrichtung der Fig. 1 und 2 gegebenen Erläuterungen
gelten auch für die Anordnung der Fig. 3.
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In Fig. 4 ist die zylindrische Oberseite eines Rotors 12b sowie die
zugehörige Gehäuseinenseite 11b dargestellt, wobei der Rotor nur mit drei Schleusenkammern
50, 51 und 52 ausgerüstet ist.
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Wie in den Fig. 2 und 3 wurde auch für Fig. 4 die achsparallel geschnittene
und abgewickelte Darstellung der Zylinderflächen gewählt. Die Drehrichtung des Rotors
ist wieder durch den Pfeil P angedeutet.
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Da der Rotor der Fig. 4 nur drei Kammern aufweist, die in Fig. 4 durch
ihre Mündungen 50a und 50b, 51a und 51b sowie 52a und 52b zu sehen sind, können
alle Kammermündungen auf gleicher Achsenhöhe angeordnet werden. In Fig. 4 liegen
deshalb die Kammermündungen 50a bis 52b senkrecht untereinander.
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Die Innenseite des Gehäuses 11b weist keine prinzipiellen Unterschiede
zu den Gehäusen 11 und 11a der Fig. 1 bis 3 auf, auch die Leitungen und Pumpen sind
die gleichen. Bei drei Schleusenkammern, die insgesamt sechs Kammermündungen haben,
ist die Zahl der Kammermündungen gleich der Zahl der Gehäuseöffnungen A bis C'.
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Um das gleichzeitige Einwirken zweier unterschiedlicher Druckzonen
auf eine Kammer zu vermeiden, muß die Stegbreite zwischen benachbarten Gehäuseöffnungen
mindestens so groß wie die Mündungsbreite a sein. Daraus folgt auch, daß die Strömung
durch eine Kammer dann unterbrochen ist, wenn ihre Mündungen von den Stegen zwischen
den Gehäuseöffnungen ganz abgedeckt sind.
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In Fig. 4 ist eine Phase der Zuordnung von Schleusenkammern und Gehäuseöffnungen
dargestellt, wo alle Mündungen der Kammern voll in einer Öffnung erscheinen. Der
Flüssigkeitsdurchgang durch die Kammern und in die jeweiligen Flüssigkeitskreisläufe
ist in diesem Fall am günstigsten. Beim Weiterdrehen des Rotors 12b, d.h. bei einer
Verschiebung in Richtung des Pfeils P, wird
die in den Öffnungen
A bis C' erscheinende Fläche der Mündungen aber wieder kleiner, bis sie schließlich
ganz verschwindet.
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Beim Weiterdrehen des Rotors 12b wird die in den Gehäuseöffnungen
jeweils erscheinende Mündungsfläche wieder größer. Aus diesen Erläuterungen ergibt
sich, daß bei der Schleusenvorrichtung gemäß Fig. 4 mit drei Schleusenkammern nur
eine diskontinuierliche Flüssigkeitsströmung durch die Kammern möglich ist.
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Wenn jedoch auf einfache Weise ein kontinuierlicher Flüssigkeitsstrom
in den Kammern und den verschiedenen Flüssigkeitskreisläufen aufrechterhalten werden
soll, bieten sich die bereits zuvor erläuterten Schleusenvorrichtungen mit mindestens
sechs Kammern an.
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Die Querschnittsform einer jeden Schleusenkammer kann im Innern der
Kammer anders als an der Mündung sein. Solche Änderungen der Form des Kammerquerschnitts
können vor allem für die Rotoren gemäß Fig. 3 und 4 Vorteile bei der Herstellung
bringen, wenn eine ziemlich zusammengedrängte Anordnung der Kammern vorgesehen ist.
Es ist aber zweckmäßig, die Querschnittsfläche einer Kammer im Innern und an der
Mündung nur möglichst wenig zu verändern, damit die Suspension ohne störende Verengungen
hindurchfließen kann.