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Die vorliegende Erfindung hat als
Gegenstand eine Universalvorrichtung zum Mischen zweier gasförmiger Fluide
und deren Anwendung bei unterschiedlichen Speiseanlagen für Mischungen
aus Luft und Brenngasen.
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Es ist häufig erforderlich, Mischungen
zweier unterschiedlicher Gase herzustellen.
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Insbesondere vollzieht sich die Nutzung
von Brenngasen wie Erdgas oder verflüssigten Erdölgase (GPL) in Prozessen des
Mischens mit Luft. Die Mischungen werden im Allgemeinen bei Drücken in
der Nähe
des Atmosphärendrucks
hergestellt.
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Für
diese Anwendungen wird das oft mit mittlerem Druck verfügbare Brenngas
auf einige Millibar entspannt, um es dann in Kontakt mit dem Sauerstoffträger-Gas,
das meistens Atmosphärenluft
ist, zu bringen.
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Die zahlreichen derzeit angewendeten Mischvorrichtungen
haben den Mangel einer zum Erhalten der besten Funktionsbedingungen
in dein ausgewählten
Bereich schmal bleibenden Anwendungsbreite. So wird die Verbrennung,
wenn es sich um Brenner oder Vergaser handelt, selten über die
gesamte Anwendungs-Bandbreite der Anlage stöchiometrisch gehalten. Ebenso
wird im Fall von Luft/GPL-Generatoren die Wärmeleistung des verteilten
Gases durch die mangelnde Präzision
der Mischvorrichtungen beeinträchtigt,
deren Dynamik bei den aktuellen Systemen 10 kaum überschreitet.
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Unter diesen bestehenden Mischvorrichtungen
unterscheidet man:
- – die Systeme mit diskreter
Wirkung, für
die die Mischung Luft/Gas vorgeregelt ist ausgehend von Öffnungen,
deren Strömungsquerschnitte
und deren Speisedrücke
so vordefiniert sind, dass im Falle eines Brenners die verlangte
Verbrennung erhalten wird oder im Fall eines Luft/GPL-Generators
eine erhöhte
konstante Wärmeleistung (PCS).
Diese Vorrichtungen sind die meistverwendeten insbesondere für die Brenner
von Dampfkesseln hoher und mittlerer Leistung, die über Voreinstellsysteme
mit einer, zwei oder drei Verhaltensregeln verfügen;
- – die
modulierenden Systeme, in denen die Luft/Gas-Mischung durch die
gemeinsame Betätigung
zweier Schieber mit synchronisierter Öffnung konstant gehalten wird,
wobei der eine für das
Gas, der andere für
das Luftregister vorgesehen ist. Auch diese Systeme sind voreingestellt mithilfe
von mechanischen Nocken-Systemen, die es erlauben, für jede Schieberposition
die gewünschte
Mischung einzustellen. Man findet dasselbe Wirkprinzip für Luft/GPL-Generatoren;
- – die
von Automaten und Rechnern gesteuerten modulierenden Systeme, welche
ausgehend von einer oder mehreren Informationen (Rauchgasanalyse,
Temperatur eines Verfahrens, Massenstrom eines Gases etc.) auf Luft-
und Gas-Einlassschieber einwirken.
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Was Generatoren für Luft/GPL-Mischungen, z. B.
Luft-Propan-Mischer angeht, sind derzeit zwei unterschiedliche Techniken
bekannt. Die erste, Hochdruck- oder Mitteldrucktechnik genannt,
verwendet Pressluft und GPL bei einem Druck von einigen bar, und
ermöglicht
die Bereitstellung ziemlich hoher Leistungen. Die zweite, Niederdruck-Technik genannt,
verwendet Atmosphärenluft
und GPL mit einem Druck von einigen bar.
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Die für Verteilernetze mittleren
Drucks (z. B. 2 bar) bestimmten Mischer verwenden Pressluft und GPL
mit einem im Allgemeinen zwischen 4 und 10 bar liegenden Druck.
Solche bekannten Mischer umfassen eine erste Leitung für die Pressluft
und eine zweite Leitung für
das GPL.
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Diese beiden Leitungen vereinen sich
in einem Verteiler, in dem sich die Mischung voll-zieht, bevor sie
unter einem zwischen einigen Millibar und 1 oder 2 bar liegenden
Druck verteilt wird. Die Begrenzung des Drucks hängt mit dem Risiko einer Kondensation
des GPL zusammen, wenn die klimatischen Bedingungen der Verteilungsstelle
zu niedere Temperaturen erreichen.
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Das Mischungsverhältnis wird mithilfe von pneumatischen
Proportional-Schiebern eingestellt. Jede Leitung ist mit einem Regelschieber
ausgestattet, dessen Steuerung durch eine pneumatische Vorrichtung
gewährleistet
ist, die eine gleichzeitige Reaktion beider Schieber bewirkt, deren
Querschnitte und Öffnungsverläufe im Voraus
definiert wurden. Die neueren Systeme verwenden Regelungssysteme,
die unter Beibehaltung der vorstehenden Konfiguration eine wesentliche
Verbesserung der Leistungen dieses Mischentyps ermöglichen,
was die Genauigkeit der konstanten Wärmeleistung PCS und der Dynamik
angeht. Diese Regelungssysteme verwenden Informationen über den
momentanen Massenstrom, die von Turbinenzählern geliefert werden, die
in jeder Leitung eingebaut sind, und die eines Wobbemeters, das
auf den Einstellwert des Verhältnisses
reagiert. Ein einem Rechner zugeordneter Automat stellt die Führung der
unterschiedlichen Parameter sicher.
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Diese verschiedenen Systeme haben
folgende Mängel
gemeinsam: geringe Dynamik des Massenstroms, bei dem die konstante
Wärmeleistung PCS
stabil ist, denn diese hängt
in der Mehrzahl der Fälle
von der des Zählers
ab, die selten 20 überschreitet;
komplizierte Regelung des Drucks auf Stabilität, insbesondere bei Niederdruck,
denn die Steuerung muss ständig
die genaue Position der beiden Schieber (für die Luft und für das GPL)
einhalten;
- – mangelnde Anpassung an schnell
veränderliche Betriebsarten
wegen einer relativ langen Antwortzeit infolge der beiden zu steuernden
Schieber;
- – Energie
fressende Vorrichtungen (Erfordernis eines Kompressors für die Luft,
Erwärmung
der beiden Fluide, um Rekondensations-Erscheinungen zu vermeiden);
- – aufwendige
und deshalb sehr teure Anlagen, die spezialisierte Arbeitskräfte zur
Wartung und Bereitstellung erfordern.
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Die Luft/GPL-Generatoren für Niederdruck-Anwendungen
verwenden im Allgemeinen eine Batterie von Venturi-Düsen, deren
spezifischer Massenstrom eine arithmetische Progression ermöglicht (z.
B. 10–20–40–80 m3/h), wobei die Kombination unterschiedlicher
Düsen eine
Regelung durch diskrete Betätigung
ermöglicht.
Die Mischung wird durch Ansaugen von Atmosphärenluft durch Strahlpumpeneffekt
des GPL-Strahls erhalten, der die Luft in der Düse mitreißt. Die Funktionsweise „alles
oder nichts" der
verschiedenen Düsen
verlangt nach der Verwendung von Puffer-Gasometern, um den resultierenden
Druck im Netz zu „glätten".
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Das Interesse an diesem Generatortyp
liegt in der Tatsache begründet,
dass er energieautonom ist, denn er arbeitet ausschließlich unter
Verwendung des Drucks des GPL.
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Die Nachteile sind gebunden an das
Erfordernis eines Gasometers, der als solcher raumgreifend und teuer
ist, um die Druckregelung zu bewirken, welche grundsätzlich wegen
der zyklischen Arbeitsweise der Düsen instabil ist. Schließlich ist
die erhaltene Genauigkeit der „erhöhten Wärmeleistung" (PCS) gering, denn
dieser Anlagentyp umfasst im Allgemeinen Düsen, deren Regelung ein für alle Male eingestellt
wird, ohne dass man sich Vorrichtungen zum Korrigieren des Drucks
und der Temperatur bedienen würde.
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf
ab, den Nachteilen des Standes der Technik abzuhelfen und in bequemer,
einfacher und zuverlässiger
Weise mit bedeutenden Arbeitsdynamiken die Mischung zweier gasförmiger Fluide
zu ermöglichen.
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Diese Ziele werden erfindungsgemäß dank einer
Universalvorrichtung zum Mischen zweier unterschiedlicher gasförmiger Fluide
erreicht, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie einen Behälter mit einer
ersten und einer zweiten Kammer umfasst, die konzentrisch sind und
nicht miteinander kommunizieren, wobei eine erste Leitung in die
erste Kammer mündet,
um in diese ein erstes Gas bei mittlerem Druck einzuspeisen, und
eine zweite Leitung in die zweite Kammer mündet, um in diese ein zweites
Gas bei mittlerem Druck einzuspeisen, wobei eine erste Verengungs-Schalldüse mit variablem
Querschnitt in der ersten Kammer angeordnet und eine zweite Verengungs-Schalldüse mit variablem
Querschnitt in der zweiten Kammer angeordnet ist, dadurch, dass
die erste Verengungs-Schalldüse
ein erstes konvergent-divergentes Rotationshohlelement umfasst,
das als Sitz eines ersten Ventilkörpers in Spitzkegelform dient,
und dass die zweite Verengungs-Schalldüse ein zweites konvergentdivergentes
Rotationshohlelement umfasst, das als Sitz eines zweiten Ventilkörpers in
Spitzkegelform dient, dass der erste Ventilkörper eine Axialbohrung begrenzt
und zumindest teilweise die erste und zweite Kammer abteilt, dass
die zweite Verengungs-Schalldüse
im Innenraum der Axialbohrung angeordnet ist, dass die ersten und zweiten
konvergentdivergenten Rotationshohlelemente eine bezüglich des
Behälters
definierte Position aufweisen, während
der erste und zweite Ventilkörper
mechanisch miteinander verbunden und ei nem einzigen Antrieb zugeordnet
sind, der eine synchronisierte Verschiebung des ersten und des zweiten
Ventilkörpers
sicherstellt, und dass das erste und das zweite Gas nach dem Durchströmen der
ersten und der zweiten koaxialen und homothetischen Schalldüsen axial
in ein und dieselbe stromab liegende Kammer einströmen, in
der sich die Mischung des ersten und des zweiten Gases entsprechend
einem vorbestimmten Mischungsverhältnis voll-zieht, das durch die Abmessungen der
ersten und der zweiten Schalldüse
bestimmt ist.
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Jedes erste und zweite Gas wird jeweils
in die erste bzw. zweite Kammer mit einem Druck von gleich oder
mehr als 1,3 bar eingeführt.
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Mit der Maßgabe, dass die erste und die zweite
Düse mechanisch
verbundene Ventilkörper umfassen,
die von einem einzigen Antrieb gesteuerte genaue und gleichzeitige
Bewegungen ausführen, wird
eine kontinuierliche Veränderung
der Luft- und Gasströme
bewirkt, deren Verhältnis
dank der perfekten Gleichstellung der Düsen über den gesamten Arbeitsbereich
konstant gehalten wird. Die Arbeitsdynamik kann z. B. in der Größenordnung
von 50 : 1 liegen.
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In einer besonderen Ausführungsform
umfasst die Mischvorrichtung außerdem
eine dritte Kammer, die über Öffnungen
mit der ersten Kammer kommuniziert, und eine dritte Verengungs-Schalldüse mit veränderlichem
Querschnitt in der dritten Kammer; die dritte Verengungs-Schalldüse umfasst
ein drittes konvergent-divergentes Rotationshohlelement, das identisch
mit dem besagten ersten Rotationshohlelement ist, ist jedoch in
axialer Ausrichtung diesem entgegengesetzt in einer im Verhältnis zum Behälter vorbestimmten
Stellung angeordnet und dient als Sitz für einen dritten Spitzkegel-Ventilkörper, dessen
Form und Abmessungen identisch mit denen des ersten Ventilkörpers sind;
der dritte Ventilkörper ist
mechanisch mit dem ersten und dem zweiten Ventilkörper verbunden,
jedoch entgegengesetzt zu diesen angeordnet, derart, dass die dritte
Verengungs-Schalldüse
als Antagonist der ersten Verengungs-Schalldüse wirkt und die dritte Schalldüse in Öffnungsstellung
ist, während
die erste Schalldüse
in Schließstellung
ist und umgekehrt, und die dritte Kammer umfasst Öffnungen,
die stromab der dritten Schalldüse
so angeordnet sind, dass ein Übermaß des ersten
Gases, das aus der dritten Schalldüse austritt, aus dem Behälter abgeführt werden
kann.
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Das erste Gas wird der ersten Kammer
mit einem Druck von größer oder
gleich 150 mbar zugeführt,
und das zweite Gas wird der zweiten Kammer mit einem Druck von größer oder
gleich 1,3 bar zugeführt.
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Mit Vorteil ist jede der Schalldüsen modular ausgeführt und
umfasst einen demontierbaren Ventilkörper, was es ermöglicht,
durch Modifikation der Konizität
des Ventilkörpers
die Kapazität
oder das Mischungsverhältnis
der Mischvorrichtung zu verändern.
Der feststehende Teil der Schalldüsen kann selbst demontierbar
ausgeführt
sein.
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Das Vorhandensein einer dritten Düse als Antagonist
zur ersten Düse
mit identischen Eigenschaften wie diese erlaubt es, unabhängig von
den momentanen Stellungen des Mischers eine automatische Regelung
des Drucks des ersten Gases zu erhalten, und mit Gasen mit vergleichsweise
geringen Drücken
zu arbeiten (einige zig mbar bis einige hundert mbar).
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Andere Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung sowie weitere Anwendungen der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung
werden sich aus der folgenden Beschreibung von besonderen Ausführungsformen
ergeben, die hiernach als Beispiele unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
gegeben wird.
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Es zeigen:
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1 eine
axiale Schnittansicht eines ersten Beispiels einer erfindungsgemäßen Gasmischvorrichtung
mit zwei Schalldüsen,
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2 eine
axiale Schnittansicht eines zweiten Beispiels einer erfindungsgemäßen Gasmischvorrichtung
mit drei Schalldüsen,
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3 eine
schematische Darstellung eines Einbaubeispiels eines erfindungsgemäßen Mischers, und
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4 eine
axiale Schnittansicht eine Variante der zweiten Ausfuhrungsform
mit drei Schalldüsen.
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Im Beispiel der 1, das bei der Mischung von Luft und
einem Brenngas angewendet wird, umfasst die Mischvorrichtung 100 einen
zylindrischen Behälter 110,
in dessen Innenraum zwei koaxiale konzentrische Kammern 111, 121 definiert
sind. Eine seitliche Speiseleitung 112 für Verbrennungsluft mündet in
die äußere Kammer 111,
während
eine seitliche Speiseleitung 122 für Brenngas in die innere Kammer 121 mündet.
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Eine erste Verengungs-Schalldüse 130 mit veränderlichem
Querschnitt ist in der ersten Kammer 111 stromab einer
perforierten Platte 113 angeordnet, die zum Gleichrichten
des Luftstroms dient, der durch die Leitung 112 in die
Kammer 111 eingeführt wird.
Die Düse 130 umfasst
ein konvergent-divergentes Rotations-Hohlelement 131, das
als Sitz eines Ventilkörpers 132 in
Spitzkegelform dient.
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Eine zweite Verengungs-Schalldüse 140 mit veränderlichem
Querschnitt ist im Innenraum des Ventilkörpers 132 der ersten
Düse 130 angeordnet. Die
Düse 140 umfasst
ein konvergent-divergentes Rotations-Hohlelement 141, das
mit dem Behälter 110 mittels
eines Flansches 116 fest verbunden ist. Es befindet sich
in einer Bohrung des Ventilkörpers 132 sowie
vermittels einer Dichtung in Kontakt mit dieser Bohrung derart,
dass der Ventilkörper 132 sich,
gegenüber
dem Hohlelement 141 abgedichtet, relativ zum Hohlelement 131 verschieben
kann. Das Hohlelement 141 dient als Sitz eines spitzkegelförmigen Ventilkörpers 142,
dessen stromauf gelegenes Ende 144 mit einem Gewinde versehen
ist, damit es nach Bedarf mit einem im Ventilkörper 132 ausgebildeten
Gewinde verschraubt werden kann. Die Ventilkörper 132 und 142 sind
folglich fest miteinander verbunden und an das stromab liegende
Ende einer Axial-Steuerstange 145 gekuppelt, die selbst
mittels eines Kupplungsmechanismus 146 mit einem Antrieb 150 verbunden
ist, der pneumatisch, elektrisch oder hydraulisch sein kann.
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Die Demontierbarkeit der spitzkegelförmigen Ventilkörper 132 und 142 verleiht
der Vorrichtung einen modularen Aufbau. Durch das einfache Austauschen
der Ventilkörper 132, 142 gegen
spitzkegelförmige
Ventilkörper
mit anderer Konizität
ist es möglich,
die Kapa zität
oder das Mischungsverhältnis
der Mischvorrichtung zu modifizieren. Das feste Hohlelement 131,
das in den rohrförmigen
Behälter 110 eingeschraubt
ist, kann ebenfalls in einfacher Weise ausgetauscht werden.
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Der stromauf liegende Teil 133 des
Ventilkörpers 132 hat
Hohlzylinderform und ist axial gleitfähig und abgedichtet in die
Bohrung eines Zylinders 123 eingesetzt, der eine Begrenzungswand
zwischen der zentralen Kammer 121 für die Brenngaszufuhr und der
ringförmigen äußeren Kammer 111 für die Luftzufuhr
bildet. Das durch die radiale Leitung 122 in die Kammer 121 zugeführte Brenngas
kann den stromauf gelegenen hohlen Abschnitt 133 des Ventilkörpers 132 durchfließen und
durch in den Ventilkörper 132 eingearbeitete
Durchlässe 143 in
den konvergent-divergenten Raum der Düse 140 gelangen.
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Der Behälter 110 der Mischvorrichtung
kann die Form einer Manschette mit einer zylindrischen Außenwand 114 und
ebenen, Flansche bildenden Abschluss-Querwänden 115, 116 haben.
Die stromab gelegene Abschlusswand 116, die insbesondere als
Träger
des feststehenden, jedoch demontierbaren Teils 141 der
Düse 140 dient,
kann mit dem stromauf gelegenen Flansch 161 eines Elements verbunden
sein, das eine Mischkammer bildet und einerseits den Brenngas-Strom
aus dem divergenten Abschnitt der inneren Schalldüse 140 und
andererseits den Luftstrom aus dem divergenten ringförmigen Raum
der äußeren Schalldüse 130 aufnimmt. Die
innere Wand der stromab liegenden Mischkammer 160 kann
mit einem Schall dämmenden
Material 163 ausgestattet sein. Dieses Material 163,
wie auch ein Material 162, das zwischen die Flanschelemente 116, 161 des
Behälters 110 und
der stromab liegenden Mischkammer 160 eingesetzt ist, bilden
eine Schalldämmvorrichtung
am Ausgang der beiden konzentrischen Schalldüsen 130, 140,
welche Schalldämmvorrichtung
die mit der Entspannung verbundenen akustischen Emissionen reduziert
und die Durchmischung der Mischung fördert.
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Man wird feststellen, dass im Stand
der Technik Verengungs-Schalldüsen
mit veränderlichem
Querschnitt generell in einer Gaszufuhrleitung verwendet werden,
um die dreifache Aufgabe der Entspannung des Gases, der Gasmassenmessung und
der Regelung des Gasstroms oder der von einem Brenngas transportierten
Wärmeleistung
sicherzustellen.
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Beispiele von Regel- und Strommessvorrichtungen
unter Verwendung von Schalldüsen
mit veränderlicher
Verengung werden z. B. in den Dokumenten FR-A-2341131, FR-A-2514163, FR-A-2580803
und FR-A-2630184 angegeben. Die Technologie der in den vorstehenden
Dokumenten beschriebenen Schalldüsen
ist auf die erfindungsgemäße Mischvorrichtung
anwendbar. Im Stand der Technik speist im Falle der Verwendung konzentrischer
Düsen wie
im Dokument FR-A-2514163 ein und dasselbe Gas beide Düsen. Die
zentrale Hilfsdüse
dient einfach zum Aufnehmen eines geringen, vom zu regelnden Hauptgasstrom
abgeführten
Stromes, und die Hilfsdüse
mündet
in eine gesonderte Leitung, die zu einem Zähler führt. Wenn die in dem Dokument
FR-A-2514163 dargestellte Architektur auch in keiner Weise die Aufgabe
hat, eine Mischung von Gasen unterschiedlicher Natur sicherzustellen, so
ist es gleichwohl möglich,
im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Herstelltechnologie von
insbesondere aus den vorgenannten Dokumenten bekannten Schalldüsen anzuwenden.
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Die Vorrichtung aus 1 ist nicht auf die Herstellung von Mischungen
aus Luft und Brenngas beschränkt
und kann bei diversen Paaren von gasförmigen Fluiden angewendet werden.
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Jedoch gibt es interessante Anwendungen, wenn
das in der Leitung 112 geführte Gas Luft ist und das in
der Leitung 122 geführte
Gas ein Brenngas wie Erdgas oder ein Erdölgas ist, wie Propan, Butan oder
eine Mischung aus Propan und Butan.
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Um Schallströmungsbedingungen in der Verengung
der Düsen 130 und 140 zu
erreichen, müssen
die Luft und das Gas in den Leitungen 112, 122 einen
Mindestdruck von 1,3 bar absolut haben.
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Die Brenngase werden im Allgemeinen
mit Drücken
zwischen 1,3 und 4 bar (Erdgas) und zwischen 2 und 7 bar (Erdölgas, GPL)
verteilt. In diesem Fall ist es nicht notwendig, zwischen der Brenngas-Lieferquelle
und dem Gaseintritt 122 ein Aufladegebläse zu schalten. Andererseits
ist nicht immer eine Pressluftquelle mit Mitteldruck verfügbar. Im
Falle der Lieferung von Atmosphärenluft
mittels eines Gebläses,
dessen Staudruck beispielsweise zwischen 20 und 50 mbar liegt, muss
ein Aufladegebläse zwischen
das Gebläse
und den Lufteintritt 112 geschaltet werden, oder eine Mischvorrichtung
mit drei Düsen
verwendet werden, die später
unter Bezug auf 2 beschrieben
wird.
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Die Düsen 130, 140 haben
Abmessungen und Formen (insbesondere den Konuswinkel der Ventilkörper 132, 142 und
der festen konvergent-divergenten Teile 131, 141),
die im Vorhinein definiert werden, um ein Öffnungsverhältnis zu erhalten, das in einer
ersten Näherung
dem gewünschten
Mischungsverhältnis
entspricht. So kann z. B. im Falle einer Anwendung eines Luft-Propan-Generators
das Mischungsverhältnis
bei 30% GPL und 70% Luft liegen. Dieses Verhältnis wird bestimmt unter Berücksichtigung
der Speisedruck-Bedingungen
und der gewünschten
maximalen Leistung.
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Ausgehend von den durch die Geometrie
der Düsen
vorbestimmten Anfangsbedingungen, die im Hinblick auf die modulare
Konzeption der Schalldüsen
leicht angepasst oder modifiziert werden können, erbringt die Verschiebung
der beiden Ventilkörper 132, 142 der
Düsen 130, 140 durch
den Antrieb 150 eine kontinuierliche Variation der Luft-
und Gas-Massenströme, deren
Verhältnis über den
gesamten Arbeitsbereich konstant gehalten wird dank der perfekten
Gleichpositionierung der beiden Düsen 130, 140. Man
kann so Arbeitsdynamiken erhalten, die denen bekannter Systeme hoch überlegen
sind, z. B. von 50 : 1.
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Die erfindungsgemäße, mit Bezug auf die 1 beschriebene Gasmischvorrichtung
kann im Rahmen unterschiedlicher Anwendungen benutzt werden.
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In einer besonderen Anwendung kann
der erfindungsgemäße Mischer
in eine Anlage zum Speisen eines industriellen Prozesses, wie eines
Ofens für
eine Wärmebehandlung
mit mehreren Brennern, mit einer Mischung aus Luft und Brenngas
integriert werden.
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In bestimmten Wärmebehandlungsöfen sind mehrere
Brenner räumlich
im Innenraum des Ofens verteilt. Wenn diese verschiedenen Brenner
aus einem konventionellen Luft-Gas-Mischer gespeist werden, werden die
anfängliche
Leistung und folglich die Mischungsqualität beeinträchtigt, wenn die Luft den Massenstrom
eines oder mehrerer Brenner des Ofens verändert.
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Demgegenüber ist es dank der vorliegenden Erfindung
möglich,
einen Luft-Gas-Mischer mit Schalldüsen anzuwenden, mit dem jede
Veränderung
des Massenstroms eines oder mehrerer Brenner des Ofens eine automatische Übertragung
des zusätzlichen
oder verringerten Massenstroms auf die nicht veränderten Brenner bewirkt, und
die globale Leistung des Ofens und die Qualität der Mischung unverändert hält.
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Die 3 zeigt
ein Anlagenbeispiel, das einen erfindungsgemäßen Mischer umfasst und das beispielsweise
zum Einspeisen einer Luft-Gas-Mischung in einen industriellen Prozess
wie eine Gruppe von Brennern ein und desselben Ofens dienen kann,
wobei die verschiedenen Brenner geregelt werden können, um
Flammen sehr variabler Formen und Charakteristiken zu produzieren,
ohne dass dies die Qualität
der Luft-Gas-Mischung beeinflusst, die den verschiedenen Brennern
zugeführt
wird.
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In der Anlage gemäß 3 sieht man eine Leitung 11 zum
Liefern von Pressluft und eine Leitung 21 zum Liefern von
Brenngas bei Mitteldruck von mehr als 1,3 bar.
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In der Luftzufuhrleitung 11 ist
ein Gebläse 12 einem
Niederdruck-Druckpuffer 13, einem Druckregler 14 und
Instrumenten 15 zum Messen von Druck und Temperatur zugeordnet.
Der geregelte Luftstrom wird dem Mischer 100 am Einlass 112 für das erste gasförmige Fluid
(1) zugeführt.
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In der Leitung 21 für die Zufuhr
von Brenngas mit mittlerem Druck finden sich nacheinander ein Vierteldrehungs-Schieber 22,
ein Filter 23, eine Gruppe von Sicherheits-Magnetventilen 24, 25,
ein Druckregler 26 und Instrumente 27 zum Messen
von Druck und Temperatur. Der geregelte Gasstrom wird dem Mischer 100 am
Einlass 122 für
das zweite gasförmige
Fluid (1) zugeführt.
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Der Ausgang des Mischers 100 ist
mit einem Hochdruck-Druckpuffer 9 und einem Sicherheits-Magnetventil 8 ausgestattet.
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Die Luft-Gas-Mischung ist in einer
Leitung 31 verfügbar,
um dem zu speisenden industriellen Prozess, wie einer Gruppe von
Brennern, zugeführt
zu werden. Ein Modul 7 erlaubt das Steuern der Stellung der
Ventilkörper 132, 142 der
Schalldüsen 130, 140 des
Mischers 100. Insbesondere kann der Modul 7 mit
einem Sensor für
die Stellung der Ventilkörper 132, 142 ausgestattet
sein.
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Die Druckregler 14, 26 regeln
die Drücke
der Luft und des Gases zum Speisen des Mischers auf die gewünschten
Werte, um die benötigte
Mischung zu erhalten. Ein PID-Regler (Proportional-Integral-Differential-Verhalten),
der vom konventionellen Typ sein kann, ist in den Modul 7 integriert,
um die Stellung der Ventilkörper 132, 142 des
Mischers 100 auf die für
das Verfahren benötigte
Leistung einzustellen.
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Die Zuordnung einer Steuerung zum
einen oder anderen Regler oder zu beiden zugleich erlaubt es außerdem,
durch einfache Modifikation des anfänglich festgelegten Drucks
für die
Speisung mit Luft bei Mitteldruck oder für die Speisung mit Gas bei
Mitteldruck, den Luftgehalt der Flamme zu verändern, in dem Fall, wo man
reduzierende oder oxidierende Atmosphären benötigt, und dies, ohne die Stellung
der spitzkegelförmigen
Ventilkörper 132, 142 des Mischers 100 zu
verändern.
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Man kann noch bemerken, dass die
Verwendung der Düsen 132, 142 mit
veränderlicher
Verengung im Schallbetrieb es erlaubt, an deren Ausgang in der stromab
gelegenen Kammer 160 Diffusoren mit hohem Ladungsverlust
anzuordnen, deren Formen die Verwirbelung und Homogenität der Mischung
herbeiführen.
Dies wird ohne Einfluss auf die Flüsse und die Leistung der Anlage
umgesetzt.
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Die Mischvorrichtung gemäß 1 kann auch im Rahmen eines
Luft-GPL-Generators gebraucht werden, der eine Mischung aus Luft
und Erdölgas
(Butan, Propan oder Butan-Propan-Mischung) in
sehr präzisen
Verhältnissen
erzeugt, um ein Gas zu erhalten, dessen Wärmeleistung bei einem konstanten
Wert vorbestimmt ist und als Ersatzgas für Erdgas dienen kann. Als Beispiel
hat eine Mischung von ungefähr
55% Propan mit 45% Luft Verbrennungscharakteristika, die jenen von
Erdgas für
eine große
Gruppe von Verbrennungsanlagen ähnlich sind.
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In dein Fall, wo Pressluft mit einem
Druck von mehr als etwa 3 bar verfügbar ist, kann der Mischer
aus 1, z. B. mit ergänzenden
Elementen wie in 3 gezeigt,
zum Speisen einerseits mit Pressluft über die Leitung 11 und
andererseits mit Erdölgas über die
Leitung 21 eingesetzt werden, und am Ausgang in die Leitung 31 eine
Mischung Luft-GPL mit vorbestimmten Charakteristika liefern, mit
einem Druck, der z. B. 2 bar oder weniger betragen kann.
Das Mischungsverhältnis
und die Kapazität
der Anlage werden grundsätzlich
vorab definiert durch die Abmessungen der Düsen 130, 140,
und durch den Speisedruck, über
den man in den Leitungen 11 für die Luft und 21 für das Erdölgas verfügt.
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Die Stromab-Druckregelung wird mithilfe
des Steuermoduls 7 bewirkt, der es erlaubt, auf die Stellung
der spitzkegelförmigen
Ventilkörper 132, 142 der
Düsen des
Mischers 100 einzuwirken.
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Der Steuermodul 7 kann eine
vollständig pneumatische
Betätigungsmimik
umfassen, wobei die beiden Ventilkörper 132, 142 mit
einem Stellantrieb des direkten oder des Servotyps fest verbunden werden,
entsprechend der gewünschten
Genauigkeit oder Schnelligkeit bei der Druckregelung.
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Als Variante kann der Steuermodul 7 auch andere
Regelungstypen umfassen, zu denen Regler vom PID-Typ und elektrische
Stellantriebe wie Schrittmotoren oder elektropneumatische Antriebe gehören.
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Ein erfindungsgemäßer Mischer 100 kann auch
in einen für
Niederdruck-Anwendungen bestimmten Luft/GPL-Generator eingegliedert
werden, wenn keine Pressluftquelle mit einem Druck von mehr als
1,3 bar verfügbar
ist. In diesem Fall hat der Mischer 100 die in der 2 dargestellte Konfiguration
und umfasst eine zusätzliche
Düse 170.
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In 2 haben
alle Elemente, die denen in 1 entsprechen,
dieselben Bezugszeichen und werden nicht noch einmal beschrieben.
Insbesondere können
die Zufluss-Leitungen 112, 122, die konzentrischen
Kammern 111, 121 und die Düsen 130, 140 in
den Ausführungsformen
gemäß 1 und 2 in gleichartiger Weise ausgeführt werden.
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In der Ausführungsform gemäß 2 sieht man, dass der Behälter 110 über die
radiale Wand 115 hinaus durch einen Behälterabschnitt 117 verlängert ist,
z. B. in Form einer an die radiale Wand 115 angeschlossenen
Manschette, welcher Behälterabschnitt 117 eine
dritte Kammer 181 umgrenzt, die über in die radiale Wand 115 eingebrachte Öffnungen 182 mit
der ersten Kammer 111 kommuniziert. Die zusätzliche
Verengungs-Schalldüse 170 mit
veränderlichem
Querschnitt ist in der Kammer 181 angeordnet und umfasst
ein konvergentdivergentes Rotationshohlelement 171, dessen
Form- und Abmessungs-Merkmale mit denen des Hohlelements 131 der
Düse 130 identisch
sind, das jedoch in axialer Ausrichtung und umgekehrter Anordnung
zu dem Hohlelement 131 angeordnet ist, in einer bezüglich des
den Behälter 110 verlängernden
Behälterabschnitts 117 vorbestimmten
Stellung. Das Hohlelement 171 dient als Sitz für einen
Ventilkörper 172 in Spitzkegelform,
dessen Form und Abmessungen identisch mit denen des ersten Ventilkörpers 132 sind.
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Der Ventilkörper 172 ist mechanisch
mit den Ventilkörpern 132, 142 durch
die Steuerstange 145 verbunden, ist jedoch derart umgekehrt
bezüglich
der Ventilkörper 132, 142 angeordnet,
dass die Schalldüse 170 gegenläufig im
Verhältnis
zur ersten Schalldüse 130 arbeitet,
und dass die Düse 170 in Öffnungsstellung
ist, wenn die Düse 130 in
Schließstellung
ist (wie in der 2 dargestellt)
und umgekehrt.
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Ein flanschförmiges Endstück 174 ist
bezüglich
der zylindrischen Wand des Behälterabschnitts 117 radial
und gegenüber
der radialen Wand 115 stromab der Düse 170 angeordnet
und umfasst Öffnungen 175,
so dass der Luftüberschuss,
der von der Düse 170 abströmt, aus
dem Behälter 110, 117 abgeführt werden
kann.
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Die Steuerstange 145 als
mechanische Verbindung der Ventilkörper 172 und 132, 142 ist
durch eine zusätzliche
Stange 173 verlängert,
die den Ventilkörper 172 durchquert,
wobei sie fest mit diesem verbunden ist, und sie durchquert auch
in abgedichteter, verschiebbarer Weise das Endstück 174, um dort an
einen Stellantrieb angeschlossen zu werden, der in 2 nicht dargestellt ist, der aber dem
Stellantrieb 150 in der 1 entsprechen
kann, und von dem ein Beispiel in 4 dargestellt
ist.
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Die Verwendung einer dritten Düse 170 als Antagonist
zu der ersten Düse 130 erlaubt
es, den erfindungsgemäßen Mischer 100 in
seiner Konfiguration gemäß 2 und mit den zusätzlichen,
in 3 dargestellten Elementen,
als Luft/GPL-Generator im Rahmen einer Niederdruck-Anwendung in
dem Fall einzusetzen, wo keine Hochdruck-Pressluftquelle verfügbar ist.
In diesem Fall genügt
es, wenn das in der Luftleitung 11 angeordnete Zentrifugal-Gebläse 12 einen
Minimaldruck von 150 mbar liefert, der die Untergrenze
für das
Einstellen einer Schallströmung bildet.
Es ist natürlich
möglich,
ein Gebläse
zum Liefern eines höheren
Luftdrucks, z. B. 300 mbar, vorzusehen, aber dies erhöht den für den Betrieb
des Gebläses
erforderlichen Verbrauch an elektrischer Energie.
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In einem Mischer 100 mit
drei Düsen 130, 140, 170,
deren spitzkegelförmige
Ventilkörper 132, 142 und 172 fest
miteinander verbunden und deren Bewegungen synchronisiert sind,
fließt
der konstante, vom Gebläse
gelieferte Luftstrom, sei es durch die Mischkammer 160,
sei es durch den Atmosphärenausgang 175,
sei es schließlich,
und dies ist der häufigste
Fall, in beide Richtungen zugleich, wenn die Ventilkörper 132, 172 der
Düsen 130, 170 identischer Abmessungen
und gegenläufiger
Anordnung in Zwischenstellungen sind.
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Der Speisedruck mit Erdölgas in
Höhe des Zuflusses 122 kann
in der Größenordnung
einiger 100 mbar liegen.
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Der Steuermodul 7 umfasst
einen Geber für die
Stellung der Ventilkörper 132, 142, 172 der
variablen Schalldüsen 130, 140 und 170.
Wie bereits unter Bezug auf die 3 angegeben,
sind stromauf der Kammer 111, 121 Mittel 15, 27 zum
Messen der Temperatur und des Drucks des Fluids vorgesehen, sind
stromab des Mischers 100 Mittel 9 zum Messen des
Drucks der Mischung von Luft und Erdölgas vorgesehen, und Regelmittel
wirken auf den Druckregler 26 der Gaslieferquelle oder
auf eine Einrichtung zum Einstellen der Ventilkörper 132, 142, 172 der
Düsen 130, 140, 170 ein,
um einen vorbestimmten Stromabdruck der Mischung von Luft und Gas
von vorbestimmter Wärmeleistung
aufrechtzuerhalten.
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Die Druckregelung stromab kann mithilfe
von Servokreisen ausgeführt
werden, in analoger Weise zu dem, was mit Bezug auf einen Luft/GPL-Generator
mit einem Mischer mit zwei Düsen 130, 140 ausgeführt wurde.
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Ein besonderer Vorteil, der sich
aus der Verwendung dreier Düsen 130, 140 und 170 ergibt,
von denen zwei konzentrisch sind, besteht in der Tatsache, dass
die vom Gebläse 12 gelieferte
Luft eine Erwärmung
erfährt,
die direkt dazu wiederverwendbar ist, die Verdampfung des GPL zu
fördern
und die Kondensationsprobleme zu vermeiden, denen man bei den konventionellen
Systemen begegnet, und was die Anwendung von Heizeinrichtungen für die beiden
Fluide verlangt, um diesem Nachteil abzuhelfen. Die koaxiale Anordnung
der beiden Düsen 130, 140 begünstigt wirksam
den Temperaturaustausch zwischen der Luft und dem GPL. Außerdem ermöglicht es
die permanente Abfuhr der vom Gebläse 12 durch die eine
oder andere der beiden gegenläufig wirkenden
Düsen 130, 170 gelieferten
Luft, die Temperatur stromauf der Luft-Düse 130 über der
Zeit stabil zu halten.
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In der Ausführungsform der 2 kann man wie mit der der 1 eine Schalldämpfervorrichtung 163 am
Ausgang der Düsen 130, 140 in
der Mischkammer 160 anordnen. Die Düse 170, durch welche Luft
in die Atmosphäre
entweicht, kann ebenfalls mit einem Schalldämpfer 179 versehen
werden, der die Geräusche
an dem Ort reduzieren kann, wo der Luft/GPL-Generator eingebaut ist (s. 4).
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Ein Mischer 100 für gasförmige Fluide
mit drei Düsen 130, 140 und 170 wie
der in 2 dargestellte,
der mit externen Elementen zusammenwirkt, die in 3 dargestellt sind, kann auch im Rahmen anderer
Anwendungen gebraucht werden, z. B. in einer Anlage zum Speisen
eines Gebläseluft-Brenners für einen
Kessel mit einer Luft-Gas-Mischung.
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Mit Brennern dieses Typs sind üblicherweise Kessel
zum Erzeugen von Heißwasser
für die
Zentralheizung ausgestattet, mit Leistungen von einigen zig kW bis
hin zu mehreren tausend kW.
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Die Kessel verwenden ein Gas aus
dem Netz (Erdgas), das mit einem Druck in der Größenordnung von einigen hundert
mbar geliefert wird, z. B. mit 300 mbar, und Luft, die
von einem Gebläse
mit einem Druck von einigen zig mbar geliefert wird. Diese Kessel
arbeiten im Modus „alles
oder nichts" oder „alles oder
wenig", ausgehend
von festen Regelungen (kleiner/großer Durchsatz).
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In diesem Fall kann ein Mischer mit
drei Düsen 130, 140, 170 wie
der in 2 dargestellte
in vorteilhafter Weise verwendet werden, wobei die Luft durch die
Leitung 112 und das Gas aus dem Netz durch die Leitung 122 zugeführt wird.
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Die Summe der Luftströme der ersten
und dritten gegenläufig
wirkenden Schalldüsen 130, 170 ist
gleich dem konstanten Gebläsestrom,
der dem Strom bei voller Öffnung
einer einzelnen der Schalldüsen 130, 170 entspricht,
woraus sich ergibt, dass für
eine gegebene Leistung eines Nennstroms der Gas-Speisequelle eine
automatische Regelung des Luftdrucks bewirkt wird.
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Für
eine gegebene Leistung des Aufladegebläses oder bei Nennstrom erhält man mit
der Anordnung zweier gegenläufig
wirkender Düsen
eine automatische Regelung des Luftdrucks bei dem gewünschten
Wert, und dies für
alle Stellungen der Ventilkörper 132, 142 und 172 des
Mischers 100. Außerdem
bleibt die Temperatur stromauf der Luftdüse wegen der ständigen Abfuhr
von Pressluft, die vom Gebläse
in die Leitung 112 geliefert wird, über der Zeit stabil.
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Dank der Stabilität der Regelung der Luft ist es
mit diesem System möglich,
eine modulierende Leistungsregelung einzusetzen, die sich der Nachfrage
perfekt und progressiv anpasst. Demgegenüber verläuft diese Regelung mit den
konventionellen Systemen nach dem Modus „alles oder nichts" oder „alles
oder wenig", woraus
sich bestimmte Fehlfunktionen im Bereich der Entspannungs-/Zählstation
des Verteilers ergeben (Überdruck
beim Schließen, Überzählung bei
bestimmten Zählertypen,
die gegen zyklische Schwankungen des Massenstroms besonders empfindlich
sind, etc.).
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Die 4 zeigt
eine Ausführungsvariante der
zuvor unter Bezug auf 2 beschriebenen Gas-Mischvorrichtung.
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Die Variante gemäß 4 ist vollständig modular. So sind die feststehenden
Bauteile 131, 171 der Düsen 130, 170 nicht
als ein Block mit dem Behälter 110 wie
entsprechend der Konstruktion der 2 ausgeführt, sondern
sind durch getrennte Rotationsstücke
gebildet, die demontierbar sind und mit der Innenwand des rohrförmigen Behälters 110 über Gewinde-Abschnitte
in Kontakt kommen. Eine solche Bauart des feststehenden Teils der
Düse 130 wurde schon
in 1 bei der Ausführungsform
mit zwei konzentrischen Düsen
gezeigt.
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Man sieht außerdem in 4 in der stromab liegenden Mischkammer
eine Querplatte 164, die mit Perforierungen 165 versehen
ist und auf ihrer Vorderseite eine Platte 166 aus porösem Material
trägt.
Die Baugruppe 164, 166, die demontierbar ist,
da sie sandwichartig zwischen den Flanschen 116, 161 eingespannt
ist, spielt die Rolle eines Gleichrichters, der die Abströmung der
Mischung vergleichmäßigt, um die
Bildung von Wirbeln zu vermeiden, wobei sie auch eine Schalldämpfer-Funktion
ausübt,
die zum Verringern des bei der Entspannung des Gases entstehenden
Lärms beiträgt. Die
Baugruppe 164, 166 könnte, falls notwendig, auch
in der Ausführungsform gemäß 1 angewendet werden.
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In gleicher Weise umfasst eine mit
dem Flansch 174 verschraubte Manschette 177 eine
Leitung für
das Abführen
von Luft in die Atmosphäre,
die mit einem Schall absorbierenden Material 179 ausgerüstet ist,
das vorteilhaft einen Kanal bildet, dessen Abschnitt in der Nähe des Austritts
konisch ist und sich zum Austritt hin erweitert.
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In der 4 ist
auch noch ein Beispiel für
einen Stellantrieb 150 dargestellt, der einen Servo des pneumatischen
Typs bildet, und auf eine axiale Stange 176 einwirkt, die
mit der zusätzlichen
Stange 173 verbunden ist.
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Der in 4 gezeigte
pneumatische Stellantrieb 150 umfasst als Beispiel eine
stromab liegende Kammer 154, die über einen Anschluss 153 mit
einer Quelle für
ein unter Druck stehendes gasförmiges Fluid
kommuniziert, und die einerseits durch eine feste Querplatte 155 begrenzt
ist, und andererseits durch eine flexible Membran 151,
die von einer starren, mit der axialen Stange 176 fest
verbundenen Platte gestützt
ist, auf welche eine Feder 152 einwirkt. Die Servosteuerung
des Stellantriebs 150 kann natürlich komplexer sein, oder
von anderer als pneumatischer Bauart sein.