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Druckaustauscher ,Die Erfindung bezieht sich auf Drehdruckaustausch:er,
welche aus wenigstens einem Ring für die Kompression. oder Expansion von Gas bestehen
und Druckaustauschdurchlaßelemente oder -stutzen, welche die Verbindungen zwischen
den Zellenpaaren herstellen, zwischen denen der Druckaustausch durchgeführt werden
soll, aufweisen.
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Wenn die Verbindung zwischen den Zellen: eines Zellenpaares hergestellt
ist, expandiert das Gas in der Zelle höheren Drucks und bewirkt damit eine Kompression
des Gases in der anderen Zelle, derart, daß, ein .dauernder Gasstrom, der im folgenden
mit Übertragungsgas bezeichnet wird, durch die Durchlaßelemente oder -stutzen hindurch
entsteht.
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Bei der vorbeschriebenen Gattung von Druckaustauschern kann der Zellenring
(oder jeder der Zell:nringe) drehbar sein, und die Druckatistauschdurchlaßelemente
oder -stutzen können starr sein.; aber auch die umgekehrte Anordnung ist anwendbar;
wesentlich ist nur, @daß eine relative Drehung von Durchlaßelement und Zellenring
vorhanden ist.
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Bei den bereits bekannten Ausführungsformen von Druckaustauschern
ist der sogenannte Druckaustausch zwischen zwei beliebigen. Zellen mit Hilfe eines
Druckaustauschkanals, genau genommen, kein Druckaustausch in dem Sinn, daß, das
Gas in der Zelle mit dem anfänglich höheren Druck auf den Anfangsdruck des Gases
in der Niederdruckzelle expandiert wird, während das letztere gleichzeitig den Anfangsdruck
der Hochdruckzelle erreicht. Tatsächlich ist dieser Druckaustausch in den bekannten
Maschinen, nichts weiter als ein Druckausgleich zwischen den, in Verbindung stehenden
Zellen, wobei keine der Kompressionszellen den höchsten Druck des Kreislaufs erreichen
kann
(d. h. den Druck von Frischgas, .der bei der Hochdruckspülung zugeführt wird) und
keine Expansionszelle den niedrigsten Druck des. Kreislaufs erreichen kann (d. hi.
den Druck von Frischgas, der bei der Niederdruckspülung zugeführt wird).
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Zweck der Erfindung ist es, die bei diesen Maschinen unvermeidlichen
Verluste durch geeignete Mittel derart zu vermindern, daß ein vollständiger Druckaustausch
zwischen zwei beliebigen verbundenen Expansions- und Kompressionszellen nahezu erreicht
wird.
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Die Erfindung betrifft einen Druckaustauscher der vorbeschriebenern
Art, wobei die Druckaustauscherdurchlägse bzw. -stutzen getrennte Teildurchlässe
aufweisen, von denen jeder einen Kinetische-Energie-Speicherteil hat, entlang welchem
die Querschniittsfläche im wesentlichen unveränderlich ist und. welcher so bemessen,
ist, daß beim. Arbeiten der Strom des Übertragungsgases- gleichbleibt, nachdem der
Druck in den zwischengeschalteten Zellen im wesentlichen -ausgeglichen worden ist,
und da& die Verbindung zwischen einer Zelle und irgendeinem Durchlaß eingeschnürt,
verkleinert oder sonst-,vie erschwert ist, bevor die Richtung des. Gasflusses umgekehrt
wird.
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Beim Arbeiten ist jede Zelle, die am Druckaustauschprozeß, teilnimmt,
in Verbindung mit gleichzeitig einer Mehrzahl der Durchlässe.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Druckaustauschers gemäS der Erfindung
kann einen einzelnen Zellenring aufweisen, der einen Läufer bildet, und kann mit
einem feststehenden Druckaustauschdurchlaßelement oder -stützen versehen sein, wobei
jeder einzelne Teildurchlaß, der Durchlaßelemente zwei Kinetische-Energie-Speicherteile
enthält, die von dem Übertragungsgas hintereinander durchströmt werden, wobei jeder
Teil einen konvergenten Eintritt und/oder einen divergenten Austritt hat, und der
Auslaß des in Strömungsrichtung vornliegenden Teiles mit dem in Strömungsrichtung
hinten-liegenden Teil über einenVerbindungsdurchlaß. verbunden ist, der einen größeren,
Querschnitt als der Kinetische-,Energie-Speicherteil hat.
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Eine andere Ausführungsform einest Druckaustauschers gemäß, der Erfindung
besteht aus zwei gegenläufigen, im wesentlichen gleichachsigen Läufern, von denen
jeder einen Zellenring au .weist, und aus einem nichtdrehbaren Druckaustauschstutzenteil,
der einen Bauteil bildet, welcher die beiden Läufer voneinander trennt, wobei der
Stutzenteil, der einen bestimmten Bogen des Läufers umfaßt, aus Durchlässen besteht,
welche für einen Gasstrom in der einen Richtung bemessen sind, während die übrigen,
Durchlässe, welche sich über einen in Umfangsrichtung relativ zum ersteren versetzten
Bogen erstrecken, für einen Gasfluh in der entgegengesetzten Richtung bemessen sind.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht die Maschine
aus zwei gegenläufigen, im wesentlichen axial gleichgerichteten Läufern, die dicht
nebeneinander angeordnet sind, ohne daß ein fester Bauteil oder Ständer dazwischen
angeordnet ist, wobei jeder Läufer einen Zellenring trägt. In einem solchen Druckaustauscher
können die Durchlaßelemente zweiteilig ausgeführt sein, wobei jeder Teil eine bauliche
Einheit mit einem der - Läufer bildet, derart, daß die beiden Teile während der
Drehung der Läufer wie Durchlaßelemente arbeiten und das Durchströmen des übertragungsgases
über den schmalen Schlitz zwischen den. beiden Läufern hinweg regulieren.
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iBei Druckaustauschern- gemäß der Erfindung, bei denen eine Zelle
mit höherem Druck mit einer Zelle unter niederem Druck in Verbindung tritt, wird
während des erstenTeiles desDruckaustauschprozesses die Geschwindigkeit des Übertragungsgases,
welches in die betreffenden Durchlässe fließt, ständig je nach dem Druckunterschied
steigen, bis sich die Drücke in den Zellen ausgeglichen haben. Danach setzt sich
infolge des andauernden Gasflusses in den Energiespeicherteil des Durchlasses oder-
der Durchlässe der Energieaustauschprozeß fort; aber -da jetzt der Druckunterschied
gegen den Gasflußi oder -strom gerichtet ist, nimmt die Geschwindigkeit des Flusses
oder Stromes ab, bis sie ihren geringsten Wert erreicht, b, -i dem der Druckaustausch
der betreffenden Zellen beendet ist, soweit überhaupt ein vollständiger Austausch
wegen der unvermeidlichen Verluste möglich ist.
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Im Idealfall, also bei Vermeidung jeglicher Verluste, wäre es möglich,
das Gas in den Kompressionszellen bis zum Anfangsdruck der expandierenden Zellen
zu komprimieren., wobei das letztere Gas auf den Anfangsdruck in der Kompressionszelle
expandiert wird (vorausgesetzt, die Zelleninhalte sind gleich groß).
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Von besonderer Wichtigkeit ist .es, die Teile so anzuordnen, daß;
die Durchlässe, soweit wie möglich, in dauernder Verbindung mit den Zellen bleiben,
damit die Geschwindigkeit in den Kanälen erhalten bleibt.
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Um einen Druckaustausch, über den, Ausgleichspunkt hinaus durchzuführen,
muß die Verbindung von Zellen und Durchlässen, auch nachdem der Druckausgleich gtattgefundern
hat, erhalten bleiben. Es kann. bei plötzlichem Öffnen und Schließen (einem vollständigen
oder teilweisen) der Durchlaßenden geschehen, daß Druck- oder Sogwellen durch den
oder die Durchlässe hindurchschießen; doch ändert dieses nicht grundsätzlich, oder
wesentlich den Druckaustauschprozeß, insbesondere; wenn gute .Diffusoren an den
Auslaßenden der Durchlässe vorhanden. sind. Die Druck- und Sogwellen tragen ihren
Teil zum Prozeß der Energiespeicherung und -riickgewinnung bei.
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Für ein geeignetes Arbeiten, inlsbesondere für die Vermeidung von,
Umkehrflüssen oder -strömen in .den Druckaustauschkanälen, ist es von Vorteil, daß
die Bemessung .des Druckaustauschers der folgenden Gleichung genügt:
worin bedeutet a Schallfortpflanzgeschwind.igkeit im Energielspeicherteil des Durchlasses,
t Zeit, während welcher ein: Durchlaß, in Kontakt mit
einer Zelle
ist, Z Länge des oder der Energiespeicherteile des Durchlasses, h Volumen einer
Zelle, he Summe der Volumen der Energiespeicherteile der ;Durchlässe in Verbindung
mit einer Zelle, C Konstante, die etwa gleich 2,5 ist.
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Die Formel hat die physikalische Bedeutung"daß die Zeit, während welcher
ein Kanal in. Verbindung mit einer Zelle bleibt, nicht länger als die Zeit für einen
vollen Kreislauf des Resonanzsystems sein darf, das aus den betreffenden Zellen
und dem oder den Kanälen, die mit ihnen verbunden sind, gebildet wird.
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Falls die Zeiten die vorgenannte Grenze überschreiten, wachsen die
Verluste sehr schnell an. Einige Auisführungsbeispiele der Erfindung sollen nunmehr
an Hand der Zeichnung ausführlicher beschrieben werden, und zwar zeigt Fig, i einen
Längsschnitt durch einen Druckaustauscher mit einem Zellenläufer, Fig. 2 einen Schnitt
nach der Schnittlinie A-A in Fig. 1, Fig.3 in vergrößertem Maßstab eine Ansicht
eines der Kanäle, die in Fig. i gezeigt sind, Fig.4 einen Schnitt entsprechend der
Schnittebene B-B in Fig.3. Fig. 5 eine Darstellung ähnlich .derjenigen nach Fig.
4, jedoch für einen Druckaustauscher mit zwei Zellenläufern, Fig. 6 einen Schnitt
nach! der Schnittlinie C-C in Fig. 5, Fig. 7 einen Schnitt gemäß der Schnittebene
D-D in Fig. 5, während Fig. 8 und 9 Abwicklungen in die Umfangsebene von zwei Läufermaschinen
wiedergeben zu dem Zweck, die verschiedenen Abänderungen oder Abwandlungen in rein
schaubildlicher Weise zu verdeutlichen.
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Der in den Fig. i und 2 dargestellte Druckaustauscher besteht aus
einem einzigen Läufer i mit einer Reihe von Zellen, die im Kreis angeordnet sind
und durch Trennwände 5 gebildet werden, welche sich in allgemein radialer Richtung
zwischen einer Außentrommel 5a und einer Innentrommel 5b erstrecken. Der Läufer
sitzt drehbar in Lagern bei 3, 3', die von ortsfesten Endplatten 2, 2' gehalten
sind, und dreht sich in Richtung des Pfeiles io in. Fig. 2. Die Spüldurchlässe oder
-stutzen für die Hochdruckspülzone 4 st:hen über die Endplatten mit den Zellen in
Verbindung, und das gleiche gilt für den Niederdruckspülraum 6. Wenn die Maschine
in Tätigkeit ist, findet Kompression in Zellen des Sektors 7 und Expansion in Zellen
des Sektors..8 (Fig. 2) statt. Um die Verbindung zwischen Kompressionszellen und
Expansionszellen herzustellen, derart, daß der Druck zwischen ihnen ausgetauscht
werden kann, sind Rohre oder Durchlässe 9 vorgesehen, so daß ein Ende derselben
mit Zellen über dem Kompressionssektor und das andere Ende mit Zellen über den Expansionssektor
in Verbindung stehen. Jedes Rohr oder jeder Durchlaß weist gerade Teile ii, i i'
mit praktisch gleichbleibendem Querschnitt, Diffusoren 12, 12' und konvergierende
Teile 13, 13' auf. Zur Vermeidung von Stoßverlusten sind die Teile 12' und 13, wo
sie sich in die Zellen hinein öffnen, so geformt, daß die Tangentialkomponente der
Geschwindigkeit des Übertragungsgases beseitigt oder zugebracht wird. Ein Abschnitt
9a mit gleichbleibendem, aber größerem Querschnitt verbindet Teil 12 mit Teil 13'.
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In Fig.2 ist die Abstandhaltung der Rohre etwas übertrieb:rn dargestellt.
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Die Maschine arbeitet wie folgt: Wenn der Läufer sich dreht, kommen
die Zellen, welche die Niederdruckspülzone 6 verlassen, in Kontakt mit den Enden
i2' der Rohre 9, und Gas tritt in diese Zellen ein, wobei ihre Inhalte eine Kompression
erfahren. Andererseits kommen die Zellen, welche die Hochdruckspülzone 4 verlassen,
in Kontakt mit den Rohrenden 13 und fördern in die Rohre Gas, welches in, die Kompressionszellen
fließt. Infolge des Arbeitens der Rohre oder Durchlässe enthalten die Zellen, welche
in der Hochdruckzone 4 ankommen, Gas mit nahezu dem Hochdruck, der bei 4 herrscht;
dieses Gas wird je nach Verwendung des Druckaustauschers benutzt. Im allgemeinen
wird es für die Erzeugung von Druckgas benutzt; dann wird Wärme zugeführt (z. B.
durch Verbrennung) und Gas abgezogen; wenn hingegen nach Art einer Wärmepumpe gearbeitet
wird, dann wird Gas zugeführt und Wärme abgenommen. Im vorliegenden Fall (als Druckgasquelle
benutzt) wird unterstellt, daß das Gas, das bei 4 abgenommen wird, Wärmeenergie
durch Verbrennung aufgenommen hat, und ein Teil solchen Gases wird zu den Zellen
für die Expansion zurückgebracht. Die Zellen, die an der Unterdruckspülzone 6 ankommen,
enthalten Gas, das nahezu herunter auf den Druck expandiert ist, welcher in der
Zone 6 herrscht, und dieses Gas wird dann je nach derVerwendung des Druckaustauschers
weiterbehandelt. Im vorliegenden Fall wird unterstellt, daß dieses Gas abgeführt
und durch Frischgas ersetzt wird, welches komprimiert werden soll.
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Die -Arbeitsweise der Rohre oder Durchlässe g ist folgende: Wenn eine
Zelle, welche bestimmt ist, sich einer Expansion zu unterziehen, in Kontakt mit
einem Rohr oder einem Durchlaß, 9 kommt, dann ist im allgemeinen der Druck in dieser
Zelle höher als der Druck am anderen Ende des Rohres. Infolgedessen fließt Übertragungsgas
durch den Kanal infolge des :Druckunterschieds, wird dabei beschleunigt, und dadurch
wird kinetische Energie gespeichert. Das Aufspeichern findet überwiegend im Kinetische-Energie-Speicherteil
i i oder i i* statt, in, welchem die Geschwindigkeit am größten ist. Der konvergierende
Teil 13 sorgt für einen glatten Eintritt und richtet den Strom in der erforderlichen
Weise aus. Am Ende des. Kinetische-Energie-Speicherteiles verringert der Diffusor
die Geschwindigkeit des austretenden Gases, so daß eine möglichst kleine kinetische
Energie den Kanalteil i i verläßt. Der Teil 9a verbleibt bei konstantem Zwischendruck.
Der Gasstrom wird dann wiederum in 13' und i i' beschleunigt, wobei eine Speicherung
von kinetischer Energie darin stattfind
-t. Der Diffusor 12' verringert
den Betrag an kinetischer Energie, die diese Speicherstelle verläßt, und zwar durch
Rückumwandlung irr .Druckenergie. Die Gasgeschwindigkeiten in. i i und i i' nehmen
nur so lange zu, bis die Drücke in den angeschalteten Zellen gleiche dem Druck in
ga werden, woraufhin .die Geschwindigkeit abnimmt und Energie dadurch zurückgewonnen
bzw. gewandelt wird-, daß, die Zelle, die unter Kompression ist, über den Druck
der expandierenden Zellen hinaus komprimiert wird.
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Bei einer abgewandelten Ausführungsform .de: Erfindung kann ein Energiespeicherteil
(entsprechend. i i oder i i') an Stelle des Teiles 911 vorgesehen werden. Die Kanäle
i i usw. können auch geneigt in bezug auf die Endplatte verlaufen (wie b°i 41 in
Fig. 8).
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Es ist möglich, Rohre oder Durchlässe an beiden Enden desselben Läufers
vorzunehmen:. Labyrinth- oder sonstige Dichtungen, wie beispielsweise 14, sind vorgesehen,
um Leckwirkungen rund um die Kanten der Zellwandung zu reduzieren.
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.Die Einlaßr und Auslaßenden können an die Endplatten bei verschiedenen
Halbmessern angeschlossen werden.
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In den Fig. 5, 6 und 7 besteht die Maschine aus zwei Zeilenläufern
15 und 16 (von denen jeder im wesentlichen gleich dem vorbeschriebenen Läufer i
ist), die sich in Gegenrichtung drehen und in Lagern bei 18, i9, 2o, 2i in den ortsfesten:
Endplatten, 22, 23, 24, 25 sitzen, wobei die beiden letzteren Endplatten über den
Zwischenteil 26 miteinander in Verbindung stehen. Die Drehrichtung eines jeden Läufers,
ist in Füg. 7 durch Pfeile angedeutet. Zwischen den beiden Läufern sind Druckaustauschrohre
oder -durchlässe 27, 28 vorgesehen, welche es ermöglichen, daß1 Übertragungsgase
von denExpansionszellen des einenLäufers in die Kompressionszellen des anderen gelangen
können.
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Die Arbeitsweise von Maschinen. dieser Art ist sehr ähnlich der vorbeschriebenen,
jedoch mit der Abweichung, daß, in der Zweiläufermaschine die Expansionszellen des
einen Läufers mit den Kompressionszellen des anderen Läufers zusammen arbeiten,
eine bauliche Anordnung, welche eine bedeutend vereinfachte Gestaltung und Ausbildung
d:r Druckaustauschdurchlässe oder -stutzen ermöglicht und überdies den großen Vorteil
hat, daß@ die Durchtrittsfläche für die Spülung an den Druckextremen nicht so sehr
durch bauliche Teile verkleinert, gehindert oder sonstwie benachteiligt wird:. In
Fig. 7 ist eine Kanalanordnung dargestellt, welche die Tangentialkomponenten d°_r
Geschwindigkeit berücksichtigt und gleichzeitig auch für die Energiespeicherung
während des Druckaustausches geeignet ist. Die Durchlässe haben an dem einen Ende
einen konvergierenden Teil und an dem anderen einen Diffusor, Die Arbeitsweise der
Durchlässe selbst ist grundsätzlich die gleiche wie diejenige gemäß den Fig. i bis
4.
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Die Durchlässe 27 können ein;- größere Querschnittsfläche im Niederdruckgebiet
als im Hochdruckgebiet haben, wie .dies durch gestrichelte Linien in Fig. 6 angedeutet
ist.
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In Fig. 8 sind 15 und 16 die Zellenläufer, 30', 31', 29' die Hochdruckspüldurchlässe
oder -stutzen, 38 Führungsleitbleche, um den Spülstrom zu richten. 39, 39'
sind Dichtstücke am Zwischenteil 26.
Als sBeispiele sind .mehrere einer Vielzahl
von m5jlichen Ausführungsformen der Durchlässe in Fig. 8 dargestellt. 27 sind Durchlässe
ähnlich denjenigen, wie sie in bezug auf Fig. 7 vorbeschrieben worden sind; 4o sind
Durchlässe, welche eine solche Ausbildung haben, daß sie Stoßbeanspruchung-,n infolge
der Umfangsgeschwindigkeit der Zellenläufer vermeiden, jedoch keine besondere Diffusoren
oder konvergente Teile aufweisen. Diese Durchlässe haben nahezu die gleiche radiale
Abmessung wie die Zellen der Räder oder Trommeln, und daher tritt keine größere
Geschwindigkeitsänderung ein,, wenn Gas in -sie eintritt oder sie v erläßt. Durchlässe
41 haben einen. konvergenten Eingangsteil, der in der Richtung der Geschwindigkeit
des Gases liegt, das den Zellenläufer verläßt, einen.Diffusor 43 und einen kurvenförmigen
Auslaß, 42, um eine geeignete Umfangsgeschwindigkeit zu übermitteln. Das Spülen
findet im Parallelbetrieb statt, wobei das Gas an jeder Seite eintritt, wie dies
durch die Pfeile X angedeutet ist, und zentral über dem Durchlaßt 31 austritt.
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In Fig.9 werden die Zellen durch schraubenlinienförmige Teile 44 .gebildet.
Diese können eine solche Richtung haben, daß das Gas, welches eine Zelle in Richtung
auf die Druckaustauschdurchlässe hin verläßt, in. der Hauptsache nur eine axial
gerichtete Geschwindigkeit aufweist, wobei die Umfangskomponente entsprechend verringert
ist. Die Durchlässe bei 45 haben einen kurvenförmigen Einlaß, während die Durchlässe
46 ein:n kurvenförmigen Aüslaß aufweisen.
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Die Führungsleitbleche 38 können ebenfalls in den Zellenläufern vorgesehen
werden., oder die Enden. der Trennwände der Zellen können die erforderliche Kurvenform
aufweisen.
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Es ist möglich, mehr als zwei im wesentlichen gleichachsige Zellenläufer
zu verwenden, wobei abwechselnd Läufer sich in der einen Richtung, die anderen sich
in entgegengesetzter Richtung drehen. Durchlässe können zwischen, jedem benachbarten
Läuferpaar für den Druckaustauschprozeß vorgesehen werden, und 'Stutzen oder sonstige
Führungsteile können zwischen den Läufern als Einlaß oder Auslaß, zu den Hoch- und
Niederdruckspülräumen angebracht werden.
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.Bei jeder der vorbeschriebenen Ausführungsformen können die radialen
Zellenwandungen so geformt sein, daß. die Spülgase, die in die Zellen eintreten
oder sie verlassen, eine Turbinenwirkung haben, wodurch der oder die Läufer in Umdrehung
versetzt werden können.