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Regenerative
thermische Oxidierer werden üblicherweise
verwendet, um flüchtige
organische Verbindungen (VOCs) in Emissionen mit größer Strömung und
geringer Konzentration zu zerstören,
die aus Industrieanlagen und Kraftwerken stammen. Bei solchen Oxidierern
sind normalerweise hohe Oxidationstemperaturen erforderlich, um
eine hohe VOC-Zerstörung
zu erreichen. Um eine hohe Wärmerückgewinnungseffizienz
zu erreichen wird das "schmutzige" Prozessgas, das
behandelt werden soll, vor der Oxidation vorgeheizt. Normalerweise
ist eine Wärmetauschersäule vorgesehen,
um diese Gase vorzuheizen. Die Säule
ist normalerweise mit einem Wärmetauschermaterial
gefüllt,
das eine gute thermische und mechanische Stabilität sowie
eine ausreichende thermische Masse hat. Bei Betrieb wird das Prozessgas
durch eine zuvor erhitzte Wärmetauschersäule geleitet,
die wiederum das Prozessgas auf eine Temperatur erhitzt, die dessen
VOC-Oxidationstemperatur angenähert
ist oder diese erreicht. Dieses vorgeheizte Prozessgas wird dann
in eine Verbrennungszone geleitet, wo eine unvollständige VOC-Oxidation üblicherweise
beendet wird. Das behandelte und jetzt "saubere" Gas wird dann aus der Verbrennungszone
heraus und zurück
durch die Wärmetauschersäule oder
durch eine zweite Wärmetauschersäule geleitet.
Wenn das heiße
oxidiertes Gas durch diese Säule
strömt, überträgt das Gas
seine Hitze auf die Wärmetauschermedien
in dieser Säule,
wodurch das Gas abgekühlt
und die Wärmetauschermedien
vorgeheizt werden, so dass ein weiteres Volumen an Prozessgas vor
der Oxidationsbehandlung vorgeheizt werden kann. Üblicherweise
hat ein regenerativer thermischer Oxidierer zumindest zwei Wärmetauschersäulen, die
abwechselnd Prozessgase und behandelte Gase empfangen. Dieser Prozeß wird kontinuierlich
durchgeführt,
wodurch ermöglicht
wird, dass ein großes
Volumen an Prozessgas effizient behandelt werden kann.
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Die
Leistungsfähigkeit
eines regenerativen Oxidierers kann optimiert werden, indem die
Effizienz der VOC-Zerstörung
erhöht
wird und indem die Betriebs- und Kapitalkosten vermindert werden.
Bisher hat man sich in der Literatur hinsichtlich der Erhöhung der
Effizienz der VOC-Zerstörung
beispielsweise mit der Verwendung von Einrichtungen beschäftigt, wie
zum Beispiel verbesserte Oxidationssysteme und Ausblassysteme (z.B.
Auffangkammern) sowie drei oder mehr Wärmetauscher, um das unbehandelte
Volumen an Gas in dem Oxidierer während des Umschaltens zu handhaben.
Die Betriebskosten können
reduziert werden, indem die Effizienz der Wärmerückgewinnung erhöht wird
und indem der Druckabfall über
dem Oxidierer reduziert wird. Die Betriebs- und Kapitalkosten können reduziert
werden, indem der Oxidierer korrekt konstruiert wird und indem geeignete
Materialien für
die Wärmetauscherpackung
ausgewählt
werden.
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Ein
wichtiges Element von einem effizienten Oxidierer sind die Ventile,
die verwendet werden, um die Strömung
des Prozessgases von einer Wärmetauschersäule zur
anderen umzuschalten. Jegliches Austreten von unbehandeltem Prozessgas
durch das Ventilsystem vermindert die Effizienz der Vorrichtung. Außerdem können während der
Ventilumschaltung Störungen
und Fluktuationen hinsichtlich des Drucks und/oder der Strömung in
dem System verursacht werden, was nicht gewünscht ist. Die Abnutzung der Ventile
ist ebenfalls problematisch, und zwar speziell hinsichtlich der
hohen Frequenz der Ventilumschaltung bei Anwendungen in einem regenerativen
thermischen Oxidierer.
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Bei
einer herkömmlichen
Konstruktion mit zwei Säulen
wird ein Paar Tellerventile verwendet, von denen eines mit einer
ersten Wärmetauschersäule in Beziehung
steht und eines mit einer zweiten Wärmetauschersäule in Beziehung
steht.
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Obwohl
Tellerventile eine schnelle Betätigung
zeigen, wenn die Ventile während
eines Zyklus umgeschaltet werden, findet unvermeidbar ein Auslecken
von unbehandeltem Prozessgas über
die Ventile statt. Beispielsweise gibt es bei einem Oxidierer mit
zwei Kammern während
eines Zyklus einen Zeitpunkt, zu dem sowohl das (die) Einlassventil(e) und
auch das (die) Auslassventil(e) teilweise geöffnet sind. An diesem Zeitpunkt
gibt es keinen Widerstand für
die Strömung
des Prozessgases, und diese Strömung
wird direkt vom Einlass zum Auslass weiter geleitet, ohne verarbeitet
zu werden. Da es auch Rohrleitungen gibt, die mit dem Ventilsystem
in Beziehung stehen, stellt das Volumen des unbehandelten Gases sowohl
in dem Tellerventilgehäuse
als auch in den zugehörigen
Rohrleitungen ein potentielles Leckvolumen dar. Da es bei einem
Lecken von unbehandeltem Prozessgas über die Ventile möglich ist,
dass Gas unbehandelt aus der Vorrichtung ausgestoßen wird,
wird durch ein solches Lecken die Effizienz der Zerstörung der
Vorrichtung wesentlich vermindert. Außerdem kommt es bei herkömmlichen
Ventilkonstruktionen zu einem Druckanstieg während des Umschaltens, wodurch
diese Möglichkeit
des Leckens noch verstärkt
wird.
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Ein ähnliches
Leckpotential gibt es bei herkömmlichen
Rotationsventilsystemen. Außerdem
haben solche Rotationsventilsysteme normalerweise viele interne
Verteiler, die mit der Zeit lecken können, und deren Konstruktion
und Wartung teuer ist. Beispielsweise zeigt 1 des US-Patents
Nr. 5,871,349 einen Oxidierer mit zwölf Kammern, die zwölf Metallwände haben,
von denen jede eine Schwachstelle für das Lecken sein kann.
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Die
US 4,280,416 offenbart ein
Ventil mit einer kontinuierlich rotierenden Platte, das abwechselnd
Gas zu und von einem von einer Vielzahl von Wärmetauscherbetten leitet.
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Es
ist daher gewünscht,
einen regenerativen thermischen Oxidierer zur Verfügung zu
stellen, der die einfach Konstruktion und die Kosteneffizienz von einer
Vorrichtung mit zwei Kammern sowie die sanfte Steuerung und ein
hohes Ausmaß an
VOC-Entfernung eines Rotationsventilsystems hat, und zwar ohne deren
Nachteile.
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Die
Erfindung ist in den Patentansprüchen definiert.
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Die
Probleme des Standes der Technik wurden mit Hilfe der vorliegenden
Erfindung überwunden,
durch die ein einzelnes Schaltventil sowie ein regenerativer thermischer
Oxidierer zur Verfügung
gestellt wird, der das Schaltventil beinhaltet. Das Ventil der vorliegenden
Erfindung zeigt vorzugsweise sehr gute Dichtungscharakteristiken
und minimiert die Abnutzung. Das Ventil hat vorzugsweise eine Dichtungsplatte,
durch die zwei Kammern gebildet werden, wobei jede Kammer eine Strömungsöffnung ist, die
zu einem von zwei regenerativen Betten des Oxidierers führt. Das
Ventil beinhaltet außerdem
einen Umschaltströmungsverteiler,
durch den eine abwechselnde Kanalisierung der Einlass- oder Auslassprozessgase
zu jeder Hälfte
der Dichtungsplatte bewirkt wird. Das Ventil arbeitet zwischen zwei
Betriebsarten: einer stationären
Betriebsart und einer Ventilverlagerungsbetriebsart. In der stationären Betriebsart
wird eine dichte Gasdichtung verwendet, um das Auslecken von Prozessgas
zu minimieren oder zu verhindern. Die Gasdichtung dichtet ebenfalls während der
Ventilverlagerung. Das Ventil hat eine Kompakte Konstruktion, wodurch
Rohrleitungen vermieden wird, die bei herkömmlichen Konstruktionen normalerweise
erforderlich sind. Dadurch wird erreicht, dass während der Zyklen ein geringeres
Volumen an Prozessgas belegt ist, was dazu führt, dass während der Zyklen weniger schmutziges
Prozessgas unbehandelt entweicht. Durch zugehöriges Ableiten wird ein Auslecken
von unbehandeltem Prozessgas über
das Ventil während
des Umschaltens minimiert oder vermieden. Durch die Verwendung eines
einzelnen Ventils an der Stelle von zwei oder vier Ventilen, die üblicherweise
verwendet werden, wird das Gebiet deutlich vermindert, das abgedichtet
werden muss. Durch die Geometrie des Umschaltströmungsverteilers werden die
Distanz und die Anzahl von Umläufen
reduziert, die das Prozessgas durchlaufen muss, da der Strömungsverteiler
in der Nähe der
Wärmetauscherbetten
angeordnet sein kann. Dadurch wird das Volumen an eingeschlossenem, unbehandeltem
Gas während
des Ventilumschaltens vermindert. Da das Prozessgas durch die gleichen Ventilöffnungen
in dem Einlasszyklus wie in dem Auslasszyklus strömt, wird
die Gasverteilung auf die Wärmetauscherbetten
verbessert.
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Es
werden Ventilumschalten mit minimalen Druckfluktuationen, eine sehr
guter Abdichtung und minimale bzw. nicht vorhandene Umgehung während des
Umschaltens erreicht. Hinsichtlich der Vermeidung einer Umgehung
während
des Umschaltens können
die herkömmlichen
Auffangkammern, die während
des Umschaltens zum Speichern des Volumens an unbehandeltem Gas
in dem System verwendet werden, weggelassen werden, wodurch wesentliche
Kosten eingespart werden.
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Die
Erfindung wird anhand lediglich eines Beispiels unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben, in denen:
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1 eine
perspektivische Ansicht von einem regenerativen thermischen Oxidierer
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
perspektivische Explosionsdarstellung von einem Bereich eines regenerativen
thermischen Oxidierers gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist;
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3 eine
perspektivische Ansicht von dem Kaltflächen-Plenum gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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4 eine
perspektivische Ansicht von unten von den Ventilöffnungen gemäß der vorliegenden Erfindung
ist;
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5 eine
perspektivische Ansicht des Strömungsverteilerumschaltventils
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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5A eine
Querschnittsansicht des Strömungsverteilerumschaltventils
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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6 eine
perspektivische Ansicht des Umschaltventilantriebsmechanismus gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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7A, 7B, 7C und 7D schematische
Darstellungen der Strömung
durch das Umschaltventil gemäß der vorliegenden
Erfindung sind;
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8 eine
perspektivische Ansicht von einem Bereich des Strömungsverteilers
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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9 eine
Draufsicht von der Dichtungsplatte gemäß der vorliegenden Erfindung
ist;
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9A eine
Querschnittsansicht von einem Bereich der Dichtungsplatte aus 9 ist;
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10 eine
perspektivische Ansicht von der Welle des Strömungsverteilers gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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11 eine
Querschnittsansicht von der rotierenden Öffnung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist; und
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12 eine
Querschnittsansicht des unteren Bereichs der Antriebswelle gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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Es
wird zuerst auf 1 und 2 Bezug genommen,
in denen ein regenerativer thermischer Oxidierer 10 mit
zwei Kammern (katalytisch oder nicht-katalytisch) gezeigt ist, der
an einem Rahmen 12 abstützend
gehalten ist, wie gezeigt. Der Oxidierer 10 weist ein Gehäuse 15 auf,
in dem erste und zweite Wärmetauscherkammern
in Verbindung mit einer zentral angeordneten Verbrennungszone angeordnet sind.
Ein Brenner (nicht gezeigt) kann mit der Verbrennungszone in Beziehung
stehen, und ein Verbrennungsgebläse
kann an dem Rahmen 12 abstützend gehalten sein, um Verbrennungsluft
zu dem Brenner zu liefern. Die Verbrennungszone beinhaltet eine
Umgehungsauslass 14 in Fluid-Verbindung mit dem Auslass-Schornstein 16,
der normalerweise zur Atmosphäre
geführt
ist. Ein Steuerschrank 11 beinhaltet die Steuerungen für die Vorrichtung
und ist vorzugsweise ebenfalls ab dem Rahmen 12 angeordnet. Gegenüber dem
Steuerschrank 11 befindet sich ein Lüfter (nicht gezeigt), der an
dem Rahmen 12 abstützend
gehalten ist, um das Prozessgas in den Oxidierer 10 zu
transportieren. Das Gehäuse 15 hat
eine obere Kammer bzw. ein Dach 17 mit einer oder mehreren
Zugangstüren 18,
durch die der Bediener Zugang in das Gehäuse 15 hat. Für den Fachmann
ist offensichtlich, dass die vorgehende Beschreibung des Oxidierers
lediglich darstellender Natur ist; andere Konstruktionen fallen
natürlich
in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, einschließlich Oxidierer
mit mehr oder weniger als zwei Kammern, Oxidierer mit horizontal
ausgerichteten Kammern bzw. einer horizontal ausgerichteten Kammer
sowie katalytische Oxidierer.
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Ein
Kaltflächen-Plenum 20 bildet
die Basis des Gehäuses 15,
wie am besten in 2 zu sehen ist. Ein geeignetes
Stützgitter 19 ist
an dem Kaltflächen-Plenum 20 vorgesehen
und hält
abstützend
die Wärmetauschermatrix
in jeder Wärmetauschersäule, wie
nachfolgend im größeren Detail
diskutiert wird. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Wärmetauscherkammern
durch Trennwände 21 getrennt, die
vorzugsweise isoliert sind. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel
verläuft
die Strömung
durch die Wärmetauscherbetten
vertikal; Prozessgas tritt in die Betten von den Ventilöffnungen
ein, die in dem Kaltflächen-Plenum 20 angeordnet
sind, strömt
nach oben gerichtet (in Richtung auf das Dach 17) in ein erstes
Bett, tritt in die Verbrennungszone ein, die mit dem ersten Bett
verbunden ist, strömt
aus der Verbrennungszone heraus und in eine zweite Kammer, in der
es nach unten gerichtet durch ein zweites Bett in Richtung auf das
Kaltflächen-Plenum 20 strömt. Für den Fachmann
ist jedoch offensichtlich, dass andere Ausrichtungen geeignet sind,
einschließlich
einer horizontalen Anordnung, wir zum Beispiel eine solche, in der
die Wärmetauschersäulen einander zugewandt
und durch eine zentral angeordnete Verbrennungszone getrennt sind.
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Es
wird nun auf 3 Bezug genommen, anhand derer
Details des Kaltflächen-Plenums 20 diskutiert
werden. Das Plenum 20 hat einen Boden 23, der
vorzugsweise von den Außenseitenwänden 20A, 20B in
Richtung auf die Ventilöffnungen 25 nach unten
geneigt ist, um die Gasströmungsverteilung
zu unterstützen.
An dem Boden 23 ist eine Vielzahl von Trennmittelablenkplatten 24 und
Kammertrennmitteln 124 abstützend gehalten. Die Trennmittelablenkplatten 24 trennen die
Ventilöffnungen 25 und
tragen dazu bei, Druckfluktuationen während des Ventilumschaltens
zu reduzieren. Die Kammertrennmittel 24 trennen die Wärmetauscherkammern.
Kammertrennmittel 124A und 124D sowie 124E und 124H können jeweils
miteinander verbunden oder separat vorgesehen sein. Die Ventilöffnung 25A ist
zwischen dem Kammertrennmittel 124A und der Ablenkplatte 24B gebildet;
die Ventilöffnung 25B ist
zwischen den Ablenkplatten 24B und 24C gebildet;
die Ventilöffnung 25C ist
zwischen der Ablenkplatte 24C und dem Kammertrennmittel 124D gebildet;
die Ventilöffnung 25D ist
zwischen dem Kammertrennmittel 124E und der Ablenkplatte 24F gebildet;
die Ventilöffnung 25E ist
zwischen den Ablenkplatten 24F und 24G gebildet;
und die Ventilöffnung 25F ist
zwischen der Ablenkplatte 24G und dem Kammertrennmittel 124H gebildet.
Die Anzahl an Trennmittelablenkplatten 24 ist eine Funktion
der Anzahl der Ventilöffnungen 25. In
dem gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel gibt
es sechs Ventilöffnungen 25,
obwohl mehr oder weniger verwendet werden können. Beispielsweise ist in
einem Ausführungsbeispiel,
in dem lediglich vier Ventilöffnungen
verwendet werden, lediglich eine Trennmittelablenkplatte erforderlich.
Unabhängig von
der Anzahl der Ventilöffnungen
und der entsprechenden Trennmittelablenkplatten haben die Ventilöffnungen
aus Gründen
der Symmetrie vorzugsweise eine gleiche Form.
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Die
Höhe der
Ablenkplatten ist vorzugsweise so, dass die oberen Flächen der
Ablenkplatten zusammen eine ebene, horizontale Ebene bilden. In dem
gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der Bereich der Ablenkplatten, der an weitesten von den Ventilöffnungen
entfernt ist, der kürzeste,
um den Boden 23 des Kaltflächen-Plenum aufzunehmen, der
geneigt ist, wie vorstehend erläutert
wurde. Die so gebildete ebene, horizontale Ebene ist zur abstützenden
Halterung der wärmetauschermedien
in jeder Wärmetauschersäule geeignet,
wie nachfolgend im größeren Detail
erläutert
wird. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel
mit sechs Ventilöffnungen
sind die Ablenkplatten 24B, 24C, 24F und 24G vorzugsweise
mit einem Winkel von etwa 45° bezüglich der
längsgerichteten
Mittellinie L-L des Kaltflächen-Plenums 20 angeordnet,
wenn sie sich von den Ventilöffnungen 25 erstrecken,
und verlaufen dann im Wesentlichen parallel bezüglich der längsgerichteten Mittellinie
L-L weiter, wenn sie in Richtung auf die Außenseitenwände 20A bzw. 20B zulaufen.
Die Ablenkplatten 24A, 24D, 24E und 24H sind
vorzugsweise mit einem Winkel von etwa 22,5° bezüglich der Breiten-Mittellinie H-H
des Kaltflächen-Plenum 20 angeordnet,
wenn sie sich von den Ventilöffnungen 25 erstrecken,
und verlaufen dann im Wesentlichen parallel zu der Breiten-Mittellinie
H-H weiter, wenn sie in Richtung auf die Außenseitenwände 20C bzw. 20D verlaufen.
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Vorzugsweise
haben die Ablenkplatten 24B, 24C, 24F und 24G sowie
die Wände 20A, 20B, 20C und 20D des
Kaltflächen-Plenums 20 eine
Lippe 26, die etwas tiefer als die horizontale Ebene verläuft, die durch
die oberen Flächen
der Ablenkplatten 25 gebildet ist. Durch die Lippe 26 wird
ein optionales Kaltflächen-Haltegitter 19 (2)
aufgenommen und abstützend
gehalten, durch das wiederum die Wärmetauschermedien in jeder
Säule abstützend gehalten werden.
In dem Fall, dass die Wärmetauschermedien
zufällig
gepackte Medien enthalten, wie beispielsweise keramische Sättel, Sphären oder
andere Formen, können
sich die Ablenkplatten 24 höher erstrecken, um die Medien
zu trennen. Jedoch ist eine perfekte Abdichtung zwischen den Ablenkplatten
nicht notwendig, wie dies bei herkömmlichen Rotationsventilkonstruktionen
der Fall ist.
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4 ist
eine Ansicht der Ventilöffnungen 25 von
der Unterseite. Die Platte 28 hat zwei gegenüberliegende
symme trische Öffnungen 29A und 29B,
die mit den Ablenkplatten 26 die Ventilöffnungen 25 bilden.
In jeder Ventilöffnung 25 befindet
sich eine optionale Drehschaufel 27. Jede Drehschaufel 27 hat
ein erstes Ende, das an der Platte 28 befestigt ist, und ein
zweites Ende, das von dem ersten Ende beabstandet und an jeder Seite
an der Ablenkplatte 24 befestigt ist (am besten in 3 zu
sehen). Jede Drehschaufel 27 wird von ihrem ersten Ende
in Richtung auf ihr zweites Ende breiter und ist nach unten gerichtet
mit einem Winkel angewinkelt und flacht dann in Richtung auf die
Horizontale bei 27A ab, wie in 3 und 4 gezeigt.
Die Drehschaufeln 27 dienen dazu, die Prozessgasströmung, die
aus den Ventilöffnungen
austritt, von den Ventilöffnungen
wegzuleiten, um während
des Betriebs die Verteilung entlang des Kaltflächen-Plenums zu unterstützen. Eine gleichmäßige Verteilung
im Kaltflächen-Plenum 20 trägt dazu
bei, dass eine gleichmäßige Verteilung durch
die Wärmetauschermedien
für eine
optimale Wärmetausch-Effizienz
gewährleistet
wird.
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5 und 5A zeigen
den Strömungsverteiler 50,
der in einem Verteiler 51 enthalten ist, der einen Prozessgaseinlass 48 und
einen Prozessgasauslass 49 aufweist (obwohl das Element 48 der Auslass
und das Element 49 der Einlass sein kann, wobei aus Gründen der
Darstellung hier das frühere Ausführungsbeispiel
verwendet wird). Der Strömungsverteiler 50 hat
eine vorzugsweise hohle zylindrische Antriebswelle 52 (5A, 10),
die mit einem Antriebsmechanismus gekoppelt ist, der nachfolgend
im größeren Detail
beschrieben wird. Mit der Antriebswelle 52 ist ein teilweise
kegelstumpfförmig gestaltetes
Bauteil 53 gekoppelt. Das Bauteil 53 hat eine
zusammenpassende Platte, die aus zwei gegenüberliegenden tortenförmigen Abdichtflächen 55, 56 gebildet
ist, die jeweils durch eine kreisförmige äußere Kante 54 verbunden
sind und sich von der Antriebswelle 52 mit einem Winkel
von 45° nach
außen erstrecken,
so dass der Freiraum, der durch die beiden Dichtungsflächen 55, 56 und
die äußere Kante 54 gebildet
ist, einen ersten Gasweg oder Durchgang 60 definiert. Auf ähnliche
Weise wird ein zweiter Gasweg oder Durchgang 61 durch die
Dichtungsflächen 55, 56 gegenüber dem
ersten Durchgang und durch drei abgewinkelte Seitenplatten, nämlich die
gegenüberliegenden
abgewinkelten Seitenplatten 57A, 57B sowie die
mittlere abgewinkelte Seitenplatte 57C definiert. Die abgewinkelten
Seitenplatten 57 trennen den Durchgang 60 vom
Durchgang 61. Die Oberseite dieser Durchgänge 60, 61 ist
konstruiert, um mit der Konfiguration der symmetrischen Öffnungen 29A, 29B in
der Platte 28 zusammen zu passen, und in einem zusammengebauten
Zustand ist jeder Durchgang 60, 61 mit einer jeweiligen Öffnung 29A, 29B ausgerichtet.
Der Durchgang 61 befindet sich in Fluid-Verbindung mit lediglich dem Einlass 48,
und der Durchgang 60 befindet sich über das Plenum 47 in Fluid-Verbindung
mit lediglich dem Auslass 49, und zwar unabhängig von
der Ausrichtung des Strömungsverteilers 50 zu
einem gegebenen Zeitpunkt. Daher strömt Prozessgas, das durch den
Einlass 48 in den Verteiler 51 eintritt, nur durch
den Durchgang 61, und Prozessgas, das von den Ventilöffnungen 25 in
den Durchgang 60 eintritt, strömt über das Plenum 47 lediglich
durch den Auslass 49.
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Eine
Dichtungsplatte 100 (9) ist mit
der Platte 28 gekoppelt, um die Ventilöffnungen 25 zu bilden
(4). Vorzugsweise wird eine Luftdichtung zwischen
der oberen Fläche
des Strömungsverteilers 50 und
der Dichtungsplatte 100 verwendet, die nachfolgend im größeren Detail
beschrieben wird. Der Strömungsverteiler
ist über
die Antriebswelle 52 bezüglich der stationären Platte 28 um
eine vertikale Achse drehbar. Durch eine solche Drehung werden die
Dichtungsflächen 55, 56 in
und aus einer blockierenden Ausrichtung mit Bereichen der Öffnungen 29A, 29B bewegt,
wie nachfolgend erläutert
wird.
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Es
wird nun auf 6 Bezug genommen, in der ein
geeigneter Antriebsmechanismus zum Antreiben des Strömungsverteilers 50 gezeigt
ist. Der Antriebsmechanismus 70 hat eine Basis 71 und
ist an dem Rahmen 12 abstützend gehalten (1).
Ein Paar Zahnstangenhalterungen 73A, 73B und eine Zylinderhalterung 74 sind
mit der Basis 74 gekoppelt. Die Zylinder 75A, 75B sind
durch die Zylinderhalterung 74 abstützend gehalten und betätigen eine
zugehörige
Zahnstange 76A, 76B. Jede Zahnstange hat eine
Vielzahl von Nuten, die hinsichtlich der Gestalt den Zähnen 77A an
einem Zahnrad 77 entsprechen. Die Antriebswelle 52 des
Strömungsverteilers 50 ist
mit dem Zahnrad 77 gekoppelt. Durch eine Betätigung der
Zylinder 75A, 75B wird eine Bewegung der jeweiligen
daran angebrachten Zahnstange 76 bewirkt, die wiederum
eine Rotationsbewegung des Zahnrades 77 bewirkt, das die
Antriebswelle 52 und den daran angebrachten Strömungsverteiler 50 um eine
vertikale Achse dreht. Die Konstruktion von Zahnstange und Zahnrad
ist konfiguriert, um eine 180° Vor/Zurück-Drehung
der Antriebswelle 52 zu bewirken. Weitere geeignete Antriebsmechanismen beinhalten
hydraulische Betätigungsmittel
und Impulsgeber.
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7A–7D zeigen
schematisch die Strömungsrichtung
während
eines typischen Schaltzyklus für
ein Ventil mit zwei Einlassöffnungen
und zwei Auslassöffnungen.
In diesen Darstellungen sind die Kammer A die Einlasskammer und
die Kammer B die Auslasskammer von einem Oxidierer mit zwei Säulen. 7A zeigt
das Ventil in seiner vollständig geöffneten,
stationären
Stellung. Daher befinden sich die Ventilöffnungen 25A und 25B in
der vollständig geöffneten
Einlass-Betriebsart, und die Ventilöffnungen 25C und 25D befinden
sich in der vollständig
geöffneten
Auslass-Betriebsart.
Prozessgas tritt in die Kammer A durch Ventilöffnungen 25A und 25B ein, strömt durch
die Wärmetauschermedien
in Kammer A, wo es erhitzt wird, strömt durch eine Verbrennungszone
in Verbindung mit der Kammer A, wo flüchtige Komponenten die nicht
bereits oxidiert sind, oxidiert werden, wird abgekühlt, wenn
es durch die Kammer B in Verbindung mit der Verbrennungszone strömt, und
strömt
dann aus den Ventilöffnungen 25C und 25D in
einen Auslass-Schornstein, der beispielsweise zur Atmosphäre geöffnet ist.
Die typische Dauer dieser Betriebsart beträgt zwischen etwa eine Minute
und etwa vier Minuten, wobei etwa drei Minuten bevorzugt sind.
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7B zeigt
den Beginn eines Betriebsartwechsels, bei dem eine Ventildrehung
von 60° erfolgt,
die allgemein etwa 0,5 bis etwa 2 Sekunden dauert. In der gezeigten
Stellung ist die Ventilöffnung 25B geschlossen,
und daher wird eine Strömung
zu und aus der Kammer A durch diese Öffnung blockiert, und die Ventilöffnung 25C ist
geschlossen, und daher wird eine Strömung zu und aus der Kammer
B durch diese Öffnung
blockiert. Die Ventilöffnungen 25A und 25D bleiben
offen.
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Wenn
die Drehung des Strömungsverteilers um
weitere 60° fortgesetzt
wird, zeigt 7C, dass nun die Ventilöffnungen 25A und 25D blockiert
sind. Jedoch ist die Ventilöffnung 25B nun
geöffnet,
befindet sich aber in einer Auslass-Betriebsart, in der lediglich
ermöglicht
wird, dass Prozessgas von der Kammer A durch die Öffnung 25B ausströmt und in einen
Auslass-Schornstein oder ähnliches
strömt. Auf ähnliche
Weise ist die Ventilöffnung 25C nun
geöffnet,
befindet sich aber in einer Einlass-Betriebsart, in der lediglich
ermöglicht
wird, dass Prozessgas in die Kammer B strömt (und nicht aus der Kammer
B, wie dies der Fall ist, wenn die Auslass-Betriebsart von 7A vorliegt).
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Die
letzte Drehung um 60° des
Strömungsverteilers
ist in 7B dargestellt. Die Kammer A
befindet sich nun in der vollständig
geöffneten
Auslass-Betriebsart, und die Kammer B befindet sich in der vollständig geöffneten
Einlass-Betriebsart.
Daher sind die Ventilöffnungen 25A, 25B, 25C und 25D alle vollständig geöffnet, und
der Strömungsverteiler
befindet sich in einer Ruheposition. Wenn die Strömung nun
wieder umgekehrt wird, dann kehrt der Strömungsverteiler durch eine Rückdrehung
von 180° aus
der Richtung, aus der er kam, zurück in die Stellung in 7A.
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Das
System mit sechs Ventilöffnungen
aus 3 arbeitet in einer analogen Weise. Daher liegt jede
Ventilöffnung
bei 45° statt
bei 60°.
Es sei angenommen, dass sich die Ventilöffnungen 25A, 25B und 25C in 3 in
der Einlass-Betriebsart befinden und vollständig geöffnet sind und dass sich die
Ventilöffnungen 25D, 25E und 25F in
der Auslass-Betriebsart befinden und vollständig geöffnet sind, wobei der erste
Schritt in dem Zyklus eine Ventildrehung um 45° ist (in Uhrzeigerrichtung),
wodurch die Strömung
zu der Ventilöffnung 25C und
von der Ventilöffnung 25F blockiert
wird. Die Ventilöffnungen 25A und 25B bleiben
in der geöffneten
Einlass-Stellung, und die Ventilöffnungen 25D und 25E bleiben
in der geöffneten
Auslass-Stellung. Wenn sich der Strömungsverteiler um weitere 45° in Uhrzeigerrichtung
dreht, befindet sich die Ventilöffnung 25C nun
in der geöffneten
Auslass-Stellung, die Ventilöffnung 25B ist
blockiert, und die Ventilöffnung 25A bleibt
in der geöffneten
Einlass-Stellung.
Auf ähnliche
Weise befindet sich die Ventilöffnung 25F nun
in der geöffneten
Einlass-Stellung, die Ventilöffnung 25E ist
blockiert, und die Ventilöffnung 25D bleibt
in der geöffneten
Auslass-Stellung. Wenn der Strömungsverteiler
um weitere 45° gedreht
wird, befinden sich die Ventilöffnungen 25C und 25B nun
in der geöffneten
Auslass-Stellung, und die Ventilöffnung 25A ist
blockiert. Auf ähnliche
Weise befinden sich die Ventilöffnungen 25F und 25E nun
in der geöffneten
Einlass-Stellung, und die Ventilöffnung 25F ist
blockiert. In der endgültigen Position
ist der Strömungsverteiler
um weitere 45° gedreht
und kommt zu einem Anschlag, wo sich alle Ventilöffnungen 25A, 25B und 25C in
einer geöffneten
Auslass-Stellung
befinden, und alle Ventilöffnungen 25D, 25E und 25F befinden
sich in der geöffneten
Einlass-Stellung.
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Wie
aus dem Vorhergehenden gesehen werden kann, besteht ein wesentlicher
Vorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber herkömmlichen Rotationsventilen
darin, dass sich der Strömungsverteiler die
meiste Zeit in einer stationären
Position befindet. Es bewegt sich lediglich während eines Einlass-zu-Auslass-Zykluswechsels,
und diese Bewegung dauert nur Sekunden (allgemein insgesamt etwa
0,5 bis etwa 4 Sekunden) verglichen mit den Minuten, während derer
er stationär
ist, während
sich eine der Kammer A oder Kammer B in der Einlass-Betriebsart
und sich die andere in der Auslass-Betriebsart befindet. Im Gegensatz
dazu werden viele der herkömmlichen
Rotationsventile konstant bewegt, wodurch eine Abnutzung der verschiedenen Komponenten
der Vorrichtung beschleunigt wird und es zu einem Lecken kommen
kann. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist der große physikalische
Raum, durch den das Gas, das gereinigt wurde, von dem noch nicht
gereinigten Prozessgas getrennt wird, und zwar in sowohl dem Ventil
selbst als auch in der Kammer (der Raum 80 (3)
zwischen den Kammertrennmittel 124E und 124D sowie
den Trennmitteln 124H und 124A) sowie in der doppelten Wand,
die durch die Kammertrennmittel 124E, 124H sowie 124A, 124D gebildet
ist. Außerdem,
da das Ventil nur ein Betätigungssystem
hat, funktioniert das Ventil auch dann erfolgreich, wenn es sich
schnell oder langsam bewegt, im Gegensatz zum Stand der Technik,
wo mehrere Betätigungssysteme
zusammenarbeiten müssen.
Wenn im Stand der Technik ein Tellerventil relativ zueinander schwergängig wird, kann
beispielsweise ein Lecken oder ein Verlust an Prozessgas oder ein
großer
Druckimpuls erzeugt werden.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist der Widerstand,
der während
des Umschaltvorgangs vorliegt. Bei herkömmlichen Ventilen, wie zum
Beispiel bei den oben genannten Tellerventilen, nähert sich
der Widerstand auf die Strömung
dem Wert Null an, wenn beide Ventile teilweise offen sind (d.h.
wenn sich ein Ventil schließt
und das andere öffnet).
Als Ergebnis kann die Gasströmung
per Zeiteinheit tatsächlich
ansteigen, wodurch das Lecken des Gases entlang der beiden teilweise
geöffneten
Ventile während
des Umschaltens verstärkt
wird. Im Gegensatz dazu, da der Strömungsverteiler der vorliegenden
Erfindung einen Einlass (oder einen Auslass) schrittweise schließt, indem
lediglich Bereiche zu einem Zeitpunkt geschlossen werden, sinkt
der Widerstand während
eines Umschaltvorgangs nicht auf Null ab und wird tatsächlich erhöht, wodurch
die Strömung
des Prozessgases über
die Ventilöffnungen während des
Umschaltens begrenzt werden und ein Lecken minimiert wird.
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Das
bevorzugte Verfahren zum Abdichten des Ventils wird nun zunächst unter
Bezugnahme auf 5, 8 und 9 beschrieben.
Der Strömungsverteiler 50 bewegt
sich auf einem Luftkissen, um die Abnutzung zu minimieren oder zu
vermeiden, wenn sich der Strömungsverteiler
bewegt. Für
den Fachmann ist offensichtlich, dass andere Gase als Luft verwendet
werden können,
obwohl Luft bevorzugt ist und hier aus Gründen der Darstellung beschrieben
wird. Durch ein Luftkissen wird nicht nur das Ventil abgedichtet,
sondern auch eine reibungslose oder im Wesentlichen reibungslose
Bewegung des Strömungsverteilers
bewirkt. Ein Druckluftzufuhrsystem, wie zum Beispiel ein Lüfter oder ähnliches,
das gleich oder verschieden sein kann von dem Lüfter, der verwendet wird, um
die Verbrennungsluft in den Brenner der Verbrennungszone zu liefern,
liefert Luft zur Antriebswelle 52 des Strömungsverteilers 50 durch
geeignete Rohrleitungen (nicht gezeigt) und das Plenum 64.
Wie am besten in 8 zu sehen, strömt die Luft
von der Rohrleitung in die Antriebswelle 52, und zwar über eine
oder mehrere Öffnungen 81,
die in dem Körper
der Antriebswelle 52 über
der Basis 82 der Antriebswelle 52 gebildet sind, die
mit dem Antriebsmechanismus 70 gekoppelt ist. Die genaue
Anordnung der Öffnung(en) 81 ist
nicht besonders eingeschränkt,
obwohl es bevorzugt ist, dass die Öffnungen 81 symmetrisch
um die Welle 52 herum angeordnet und gleichmäßig bemessen
sind. Die Druckluft strömt
in der Welle nach oben, wie durch die Pfeile in 8 dargestellt,
und ein Teil tritt in einen oder mehrere radiale Kanäle 83 ein,
die mit einem oder mehreren Kolbenringen in Verbindung stehen, die
sich an der ringförmigen
rotierenden Öffnung 90 befinden,
wie nachfolgend im größeren Detail
beschrieben wird. Ein Teil der Luft, der nicht in die radialen Kanäle 83 eintritt,
strömt
weiter nach oben entlang der Antriebswelle 52, bis er die
Durchgänge 54 erreicht,
die die Luft in einen Kanal mit einem halbringförmigen Bereich 95 und
einen Bereich verteilen, der durch die tortenförmige Keile 55, 56 definiert
ist.
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Die
zusammenfassende Fläche
des Strömungsverteilers 50,
insbesondere die zusammenfassenden Flächen der tortenförmigen Keile 55, 56 und die äußere ringförmige Kante 54 sind
mit einer Vielzahl von Öffnungen 96 ausgebildet,
wie in 5 gezeigt. Die Druckluft von dem Kanal 95 entweicht
aus dem Kanal 95 durch diese Öffnungen 96, wie durch die
Pfeile in 8 gezeigt ist, und erzeugt ein
Luftkissen zwischen der oberen Fläche des Strömungsverteilers 50 und
der stationären
Dichtungsplatte 100, wie in 9 gezeigt.
Die Dichtungsplatte 100 hat eine ringförmige äußere Kante 102 mit
einer Breite, wie der Breite der oberen Fläche 54 des Strömungsverteilers 50 entspricht,
und ein Paar tortenförmige Elemente 105, 106,
die hinsichtlich ihrer Form den tortenförmigen Keilen 55, 56 des
Strömungsverteilers 50 entsprechen.
Sie entspricht der Platte 28 (4) (und
ist damit gekoppelt) der Ventilöffnung. Die Öffnung 104 nimmt
einen Wellenstift 59 (8) auf,
der mit dem Strömungsverteiler 50 gekoppelt
ist. Die Unterseite der ringförmigen äußeren Kante 102, die
dem Strömungsverteiler
zugewandt ist, weist eine oder mehrere ringförmige Nuten 99 auf
(9A), die mit den Öffnungen 96 in der
zusammenpassenden Fläche
des Strömungsverteilers 50 ausgerichtet
sind. Vorzugsweise gibt es zwei konzentrische Reihen von Nuten 99 sowie
zwei entsprechende Reihen von Öffnungen 96.
Daher tragen die Nuten 99 dazu bei, dass bewirkt wird,
dass Luft aus den Öffnungen 96 in
der oberen Fläche 54 entweicht,
um zwischen der zusammenfassenden Fläche 54 und den ringförmigen äußeren Kante 102 der
Dichtungsplatte 100 ein Luftkissen zu bilden. Außerdem wird
durch die Luft, die aus den Öffnungen 56 in
den tortenförmigen
Bereichen 55, 56 entweicht, ein Luftkissen zwischen
den tortenförmigen
Bereichen 55, 56 und den tortenförmigen Bereichen 105, 106 der
Dichtungsplatte 100 gebildet. Diese Luftkissen minimieren
oder verhindern das Auslecken von Prozessgas, das nicht gereinigt ist,
in die Strömung
des sauberen Prozessgases. Die relativ großen tortenförmigen Keile von sowohl dem Strömungsverteiler 50 als
auch der Dichtungsplatte 100 bilden einen langen Pfad entlang
der Oberseite des Strömungsverteilers 50,
so dass ungereinigtes Gas in Querrichtung strömen muss, um ein Lecken zu
bewirken. Da der Strömungsverteiler
während
der meisten Zeit während
des Betriebs stationär
ist, wird zwischen allen zusammenpassenden Ventilflächen ein
undurchdringbares Luftkissen erzeigt. Wenn sich der Strömungsverteiler
bewegen muss, wirkt das Luftkissen, das zum Abdichten des Ventils
verwendet wird, nun auch, um zu verhindern, dass durch hohe Kontaktdrücke zwischen
dem Strömungsverteiler 50 und
der Dichtungsplatte 100 Abnutzungen erzeugt wurden.
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Vorzugsweise
wird die Druckluft von einem Lüfter
geliefert, der verschieden ist von dem, durch den das Prozessgas
zu der Vorrichtung geleitet wird, in der das Ventil verwendet wird,
so dass der Druck der abdichtenden Luft größer ist als der Druck des eingeleiteten
oder ausgeleiteten Prozessgases, wodurch eine positive Dichtung
bewirkt wird.
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Der
Strömungsverteiler 50 hat
eine rotierende Öffnung,
wie am besten in 10 und 11 zu sehen
ist. Der kegelstumpfförmige
Abschnitt 53 des Strömungsverteilers 50 rotiert
um eine ringförmige zylindrische
Wand 110, die als eine äußere Ringdichtung
wirkt. Die Wand 110 weist einen äußeren ringförmigen Flansch 111 auf,
der verwendet wird, um die Wand 110 zu zentrieren und sie
an dem Verteiler 51 festzuklemmen (siehe auch 5).
Ein E-förmiges, inneres
Ringdichtungselement 116 (vorzugsweise aus Metall hergestellt)
ist mit dem Strömungsverteiler 50 gekoppelt
und weist ein Paar beabstandete, parallele Nuten 115A, 115B auf,
die darin ausgebildet sind. Ein Kolbenring 112A sitzt in
der Nut 115A, und ein Kolbenring 112B sitzt in
der Nut 115B, wie gezeigt ist. Jeder Kolbenring 112 drückt gegen
die äußere Ringdichtungswand 110 und
bleibt auch dann stationär,
wenn sich der Strömungsverteiler 50 dreht. Druckluft
(oder Gas) strömt
durch die radial verlaufenen Kanälen 83,
wie durch Pfeile in 11 gezeigt, durch Öffnungen 84,
die mit jedem radial verlaufenden Kanal 83 kommunizieren,
und in den Kanal 119 zwischen den Kolbenringen 112A, 112B,
sowie in den Spalt zwischen jedem Kolbenring 112 und der
inneren Ringdichtung 116. Da der Strömungsverteiler bezüglich der
stationären
zylindrischen Wand 110 (und der Kolbenringe 112A, 112B)
rotiert, erzeugt die Luft in dem Kanal 119 einen Druck
in dem Raum zwischen den beiden Kolbenringen 112A, 112B,
wodurch eine durchgehende und nicht-reibende Dichtung bewirkt wird.
Der Spalt zwischen den Kolbenringen 112 und der inneren
Kolbendichtung 116 sowie der Spalt 85 zwischen
der inneren Kolbendichtung 116 und der Wand 110 kompensieren
eine Bewegung (axial oder anders) der Antriebswelle 52 in
Folge thermischer Ausdehnung oder anderer Faktoren. Für den Fachmann
ist offensichtlich, dass, obwohl eine doppelte Kolbenringdichtung
gezeigt ist, für
eine weitere Abdichtung drei oder mehr Kolbenringe verwendet werden
können.
Ein positiver oder negativer Druck kann zwecks Abdichtung verwendet
werden.
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12 zeigt,
wie das Plenum 64, durch das die Welle 82 mit
Druckluft gespeist wird, gegenüber der
Antriebswelle 52 abgedichtet ist. Die Dichtung erfolgt
in eine Weise, die ähnlich
der bei der rotierenden Öffnung
ist, wie vorstehend erläutert,
mit der Ausnahme, dass die Dichtungen nicht unter Druck stehen und
dass lediglich ein Kolbenring für
jede Dichtung oberhalb und unterhalb des Plenums 64 verwendet werden
muss. Die Verwendung der Dichtung über dem Plenum 64 ist
beispielsweise eine C-förmige,
innere Ringdichtung 216, die durch Bohren einer mittleren
Nut darin gebildet ist. Eine stationäre, ringförmige, zylindrische Wand, die
als äußere Ringdichtung wirkt,
weist einen äußeren ringförmigen Flansch 211 auf,
der verwendet wird, um die Wand 210 zu zentrieren und sie
an dem Plenum 64 festzuklemmen. Ein stationärer Kolbenring 212 sitzt
in der Nut, die in der C-förmigen
inneren Ringdichtung 216 gebildet ist, und drückt gegen
die Wand 210. Der Spalt zwischen dem Kolbenring 212 und
der Bohrung der C-förmigen,
inneren Dichtung 216 sowie der Spalt zwischen der C-förmigen,
inneren Dichtung 216 und der äußeren zylindrischen Wand 210 kompensieren
eine Bewegung der Antriebswelle 52 in Folge thermischer Ausdehnung
oder Ähnlichem.
Eine ähnliche
zylindrische Wand 310, eine C-förmige, innere Dichtung 316 und
ein Kolbenring 312 werden an der gegenüberliegenden Seite des Plenums 64 verwendet,
wie in 12 gezeigt.
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Bei
Betrieb strömt
in einer ersten Betriebsart unbehandeltes ("dreckiges") Prozessgas in den Einlass 48,
durch den Durchgang 61 des Strömungsverteilers 50 und
in eine der jeweiligen Ventilöffnungen 25,
die sich mit dem Durchgang 61 in dieser Betriebsart in
einer offenen Verbindung befindet. Das unbehandelte Prozessgas strömt dann
nach oben durch die heißen
Wärmetauschermedien,
die durch das Kaltflächen-Plenum 20 abstützend gehalten
werden, und durch die Verbrennungszone, wo es behandelt wird, und
das nun saubere Gas wird dann abgekühlt, wenn es nach unten gerichtet
durch die kalten Wärmetauschermedien
in einer zweiten Säule
strömt, durch
die Ventilöffnungen 25 in
Verbindung mit dem Durchgang 60 sowie nach außen durch
das Plenum 47 und den Auslass 49. Da die kalten
Wärmetauschermedien
relativ heiß werden
und die heißen Wärmetauschermedien
relativ kalt werden, wird der Zyklus durch Aktivieren des Antriebsmechanismus 70 umgekehrt,
um die Antriebswelle 52 und den Strömungsverteiler 50 zu
drehen. In dieser zweiten Betriebsart strömt unbehandeltes Prozessgas
wieder an den Einlass 48, durch den Durchgang 61 des
Strömungsverteilers 50,
wobei sich der Durchgang nun in Verbindung mit anderen Ventilöffnungen 25 befindet, die
sich zuvor lediglich in Fluid-Verbindung mit dem Durchgang 60 befanden,
wodurch das unbehandelte Prozessgas in die nun heiße Wärmetauschersäule und
dann durch die Verbrennungszone geleitet wird, wo das Prozessgas
behandelt wird. Das gereinigte Gas wird dann abgekühlt, wenn
es nach unten durch die nun kalten Wärmetauschermedien der anderen Säule, durch
die Ventilöffnungen 25,
die sich nun mit dem Durchgang 60 in Verbindung befinden,
und nach außen
durch das Plenum 47 und den Auslass 49 strömt. Dieser
Zyklus wiederholt sich selbst, falls erforderlich, und zwar normalerweise
alle 1–4
Minuten.