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Die Erfindung betrifft eine Luftheizeinrichtung, insbesondere für den Tieftemperatureinsatz, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Zur Bereitstellung von Warmluft zu Heizzwecken unter extremen Klimabedingungen, wie sie beispielsweise in bestimmten Ölfördergebieten wie Sibirien oder auf Ölbohrtürmen im Nordatlantik vorherrschen, ist es notwendig, einerseits eine große Temperaturdifferenz zwischen der angesaugten Frischluft und der erzeugten Warmluft zu realisieren und andererseits einen hohen Luftdurchsatz zu erzielen, um eine ausreichende Warmluftmenge bereitstellen zu können. Bekannte Luftheizeinrichtungen sind oftmals nicht in der Lage, diese beiden Bedingungen gleichzeitig zu erfüllen.
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Aus der
DE 195 03 426 A1 sind Warmlufterzeuger bekannt, die aus einer Warmlufterzeugungseinheit mit Gebläseeinheit, Brennkammer, Wärmetauscher, einer Abgaseinrichtung, einem Frischluftanschluss und einem Warmluftanschluss bestehen. Der Warmlufterzeuger ist in einem wetterfesten Gehäuse untergebracht und kann als eine Einheit, bestehend aus Wärmeerzeuger und Gehäuse, transportiert werden. Diese Warmlufterzeuger können einen Temperaturunterschied ΔT, gemessen zwischen der angesaugten Frischluft und der ausgeblasenen Warmluft, von maximal 45 Grad erzeugen.
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Bei einem Einsatz eines Warmlufterzeugers in Gebieten mit einer Frischlufttemperatur bis zu –40°C und einer geforderten Ausblastemperatur der Luft am Warmluftanschluss von +50°C muss ein Warmlufterzeuger jedoch ein ΔT von 90 Grad realisieren. Die beschriebenen Warmlufterzeuger sind konstruktiv nur für einen Einsatz bis –25°C ausgelegt, dass heißt bei niedrigeren Temperaturen lassen sich diese Warmlufterzeuger entweder keinesfalls in Betrieb nehmen oder fallen beispielsweise wegen Zerstörung des bei diesen Temperaturen sehr spröden Materials aus.
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Aus der
DE 201 16 186 U1 ist ein Warmlufterzeuger zur Erzeugung eines Temperaturunterschiedes zwischen Frisch- und Abluft ΔT von 90 Grad bekannt, der bei einer Umgebungstemperatur von –40°C gestartet und betrieben werden kann, und der wirtschaftlich herstellbar ist. Dazu ist dort zwischen Frischluftanschluss und Warmluftanschluss eine Temperaturdifferenz von 90 Grad einstellbar. Weiter ist vorgesehen, dass in einem Luftstrom zwei Warmlufterzeugungseinheiten hintereinander angeordnet sind, wobei die erste Warmlufterzeugungseinheit mit einem bis –40°C kaltstartfähigem Motor und Ventilator ausgestattet ist, und alle mit dem Brennstoff in Verbindung stehenden Teile auf dem Brennstoffweg mit einer Heizung versehen sind. Durch diese Anordnung der Warmlufterzeugungseinheiten muss nur die erste Einheit für den Einsatz bei Temperaturen bis –40°C ausgelegt werden. Die zweite Warmlufterzeugungseinheit ist bis zu einer Temperatur von –25°C funktionstüchtig, dies reicht aus, da sie vor der Inbetriebnahme durch die erste Einheit auf eine Temperatur größer gleich –25°C erwärmt wird. Da der zum Einsatz kommende Brennstoff bei Temperaturen unter Null Grad zur Paraffinbildung neigt und durch eine entsprechende Pumpe nicht zu den Brennern gefördert werden kann, sind alle auf dem Brennstoffweg liegenden Teile beheizbar.
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Nachteilig an der beschriebenen Lösung ist es, dass jede Gebläseeinheit mit der jeweiligen Brennkammer zu einer Warmlufterzeugungseinheit zusammengefasst ist, so dass die Gebläseeinheiten hintereinander angeordnet sind. Dadurch ist keine wesentliche Erhöhung des geförderten Luftvolumenstroms durch Zuschalten der zweiten Gebläseeinheit möglich. Ebenso ist es schwierig, die geförderte Luftmenge oder die Temperatur der erwärmten Luft zu regulieren.
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Aus
DE 20 2006 005 270 U1 ist ein Warmlufterzeuger mit einem Container bekannt, der einen Kaltlufteinlass und einen Warmluftauslass aufweist. Im Container sind zumindest zwei hintereinander angeordnete Wärmeübertrager vorhanden, die je mit einer Brennstelle mit einem Anschluss für eine Brennstoffzuleitung sowie eine Abgasableitung versehen sind. Ferner befindet sich in dem Container ein Gebläse zum Fördern der aufzuheizenden Nutzluft. Der Warmlufterzeuger zeichnet sich dadurch aus, dass jeder Wärmeübertrager in einem modularen Luftleitgehäuse angeordnet ist, welches an das jeweils benachbarte Luftleitgehäuse angesetzt ist, wobei an das in Strömungsrichtung der Nutzluft erste Luftleitgehäuse einlassseitig das Gebläse angesetzt und das in Strömungsrichtung letzte Luftleitgehäuse auslassseitig mit dem Warmluftanschluss des Containers verbunden ist.
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Nachteilig an dieser beschriebenen Lösung ist, dass lediglich ein Gebläse vorgesehen ist, wodurch die geförderte Luftmenge nur in engen Grenzen reguliert werden kann.
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Daher besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, bekannte Luftheizeinrichtungen dahingehend zu verbessern, dass es mit ihnen möglich ist, große Volumenströme erwärmter Luft zu erzeugen, wobei die erwärmte Luft eine große Temperaturdifferenz gegenüber der angesaugten Frischluft aufweist. Dabei sollen die erreichbare Temperaturdifferenz mindestens 75 K und der auf diese Weise erwärmbare Luftvolumenstrom mindestens 20.000 m3 pro Stunde betragen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Luftheizeinrichtung so zu gestalten, dass die Temperatur der erzeugten Warmluft und der geförderte Luftvolumenstrom steuerbar sind. Schließlich besteht eine weitere Aufgabe der Erfindung darin, die Luftheizeinrichtung so zu gestalten, dass eine kompakte Bauform erzielt werden kann, damit die Luftheizeinrichtung mobil einsetzbar ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Luftheizeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die erfindungsgemäße Luftheizeinrichtung, die insbesondere für den Tieftemperatureinsatz geeignet ist, umfasst einen Luftkanal, der an seinem einen Ende mindestens eine Einlassöffnung für Frischluft und an seinem anderen Ende mindestens eine Auslassöffnung für Warmluft aufweist, mindestens zwei Gebläseeinheiten zum Transport der Luft durch den Luftkanal, mindestens zwei Brennkammern mit je einem darin angeordneten Brenner sowie mindestens zwei im Luftkanal angeordnete Wärmetauscher zur Wärmeübertragung auf die Luft und mindestens eine Abgaseinrichtung, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Gebläseeinheiten in Strömungsrichtung vor der ersten Brennkammer angeordnet und parallel betreibbar sind.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik sind nach der Erfindung Brennkammer mit Brenner, Wärmetauscher und Gebläseeinheit nicht zu einer Warmlufterzeugungseinheit zusammengefasst. Stattdessen sind am Anfang des Luftkanals hinter der Einlassöffnung für die Frischluft zwei oder mehr Gebläseeinheiten angeordnet, die parallel zueinander betrieben werden können. Dadurch kann auf einfache Weise der Luftvolumenstrom, der durch den Luftkanal gefördert wird, reguliert werden. Beispielsweise können zwei parallel betreibbare Gebläseeinheiten gleicher Leistung vorgesehen sein. Alternativ ist es möglich, Gebläseeinheiten unterschiedlicher Leistung miteinander zu kombinieren. Hierdurch ergeben sich bessere Möglichkeiten der Variation des Luftvolumenstroms.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens ein Brenner in mindestens zwei Leistungsstufen betreibbar ist. Hierdurch ist die Temperatur der erwärmten Luft an der Auslassöffnung auf einfache Weise einstellbar. Sind beispielsweise drei Brennkammern hintereinander angeordnet und sind die darin befindlichen Brenner in jeweils vier Leistungsstufen betreibbar, so kann die Heizleistung der Luftheizeinrichtung auf einfache Weise in 12 Stufen eingestellt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eine Gebläseeinheit in mindestens zwei Leistungsstufen betreibbar ist. Hierdurch kann eine noch feinere Abstufung bei der Variation des geförderten Luftvolumenstroms erreicht werden. Wenn beispielsweise zwei Gebläseeinheiten nebeneinander angeordnet sind, die beide in drei Leistungsstufen betreibbar sind, ist eine Einstellung des Luftvolumenstroms bereits in sechs Stufen möglich.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass sich der Querschnitt des Luftkanals in Strömungsrichtung vor der Brennkammer verjüngt. Hierdurch kann erreicht werden, dass die durch den Luftkanal geförderte Luft, die die Brennkammer umströmt, in diesem Bereich eine relativ dünne Schicht bildet, so dass die Wärmeübertragung von der Brennkammer auf die vorbeiströmende Luft verbessert wird.
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Um diese Verjüngung des Querschnitts des Luftkanals zu erzielen kann vorgesehen sein, dass vor der Brennkammer Strömungsleitbleche vorgesehen sind. Mit Hilfe von Strömungsleitblechen ist es auf besonders einfache Weise möglich, den Querschnitt des Luftkanals zu verringern, ohne Änderungen am Luftkanal selbst vorsehen zu müssen. Dazu werden die Strömungsleitbleche im Innern des Luftkanals so angeordnet, dass sie für die Luft eine Passage mit verringertem Strömungsquerschnitt bilden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass sich der Querschnitt des Luftkanals in Strömungsrichtung vor dem Wärmetauscher erweitert und hinter dem Wärmetauscher verjüngt. Dadurch verringert sich die Strömungsgeschwindigkeit der Luft im Bereich des Wärmetauschers, so dass die Wärmeübertragung vom Wärmetauscher auf die vorbeiströmende Luft verbessert wird.
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Diese Verjüngung des Querschnitts des Luftkanals kann ebenfalls dadurch erreicht werden, dass vor oder/und hinter dem Wärmetauscher Strömungsleitbleche vorgesehen sind. In gleicher Weise wie oben bereits beschrieben, können diese Strömungsleitbleche im Innern des Luftkanals so angeordnet werden, dass sie für die Luft eine Passage mit zunächst erweitertem, dann verringertem Strömungsquerschnitt bilden.
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Um zu verhindern, dass sich durch Kondensation im Innern der Wärmetauscher Kristalle von in den Abgasen enthaltenen Mineralien absetzen, die den Wirkungsgrad des Wärmetauschers herabsetzen, kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Wärmetauscher mit mindestens einem Kondensatablaufanschluss versehen ist. Je nach Bauweise des Wärmetauschers kann es auch sinnvoll sein, an einem Wärmetauscher mehrere Kondensatablaufanschlüsse vorzusehen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Luftkanal mindestens zwei Teilabschnitte aufweist, die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und in denen die Luft im Betrieb der Luftheizeinrichtung mit entgegengesetzter Strömungsrichtung strömt. Hierdurch kann eine besonders platzsparende Konfiguration erzielt werden, so dass die Luftheizeinrichtung eine kompakte Bauweise aufweist.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Einlassöffnung oder Einlassöffnungen in unmittelbarer Nähe der Auslassöffnung oder Auslassöffnungen angeordnet sind, so dass der Luftkanal einen fast geschlossenen Kreislauf bildet. Diese Maßnahme trägt nochmals zu einer kompakten Bauweise der Luftheizeinrichtung bei.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Luftkanal in einem wetterfesten Gehäuse untergebracht. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn die Luftheizeinrichtung unter extremen Klimabedingungen betrieben werden muss.
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Dieses wetterfeste Gehäuse kann vorteilhaft ein transportabler Container sein. Hierdurch ergibt sich zusätzlich der Vorteil der mobilen Einsetzbarkeit der Luftheizeinrichtung, so dass der Transport zu einem anderen Einsatzort wesentlich erleichtert wird.
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Um den Luftvolumenstrom oder/und die Temperatur der erwärmten Luft an den augenblicklichen Bedarf anpassen zu können, kann vorgesehen sein, dass in dem transportablen Container weiterhin Steuerungseinrichtungen zur Steuerung des oder der Gebläseeinheiten und/oder des oder der Brenner vorgesehen sind. Hierdurch sind der gewünschte Luftvolumenstrom sowie die Temperatur der erwärmten Luft auf komfortable Weise wählbar. Selbstverständlich kann auch vorgesehen sein, dass die Steuerung der Luftheizeinrichtung in Abhängigkeit von zuvor gewählten Einstellungen automatisch erfolgt, das heißt, dass die Steuerungseinrichtung Teil einer Regeleinrichtung ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Brennstofftank, die Tankentnahmeeinrichtung, die Brennstoffpumpe und Brennstoffleitungen innerhalb des Gehäuses oder Containers angeordnet sind. Hieraus ergeben sich mehrere Vorteile: Erstens entfällt die Notwendigkeit, die Luftheizeinrichtung bei jedem Ortswechsel erneut mit Hilfe von Brennstoffleitungen mit einem externen Brennstofftank zu verbinden. Zweitens ist der Betrieb der Heizeinrichtung nicht vom Vorhandensein eines solchen externen Brennstofftanks am Einsatzort abhängig. Drittens wird ein Einfrieren des Brennstofftanks und der Brennstoffleitungen durch ihre Anordnung im Inneren des Gehäuses oder Containers dadurch erschwert, dass die unvermeidlich vorhandene Abwärme der Brennkammern auch die brennstoffführenden Teile mit erwärmt.
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Um ein Einfrieren der brennstoffführenden Teile sicher zu verhindern, kann vorgesehen sein, dass alle mit dem Brennstoff in Verbindung stehenden Teile auf dem Brennstoffweg mit einer Heizung versehen sind. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Tankentnahmeeinrichtung beheizbar ist und die Brennstoffpumpe, die Brennstoffleitungen und/oder der Brenner mit Heizbändern beheizbar sind.
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Um Korrosionserscheinungen wirksam zu verhindern, ist vorteilhaft mindestens eine Abgaseinrichtung mit einem Kondensatablaufanschluss versehen. Diese Maßnahme ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Abgaseinrichtung nicht aus korrosionsbeständigem Material besteht.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels sowie einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige 1 den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Luftheizeinrichtung.
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Die dargestellte Luftheizeinrichtung ist in einem transportablen Container 11 untergebracht, der einerseits ein wetterfestes Gehäuse zum Schutz vor Klimaeinflüssen bildet und andererseits den Transport der Luftheizeinrichtung von einem Einsatzort zu einem anderen Einsatzort erleichtert. Innerhalb des Containers 11 ist ein Luftkanal 13 angeordnet, durch den die zu erwärmende Luft geführt wird. Dabei ist der Weg der strömenden Luft durch den Luftkanal 13 in der Figur durch Pfeile angedeutet. Der Luftkanal 13 weist an seinem einen Ende zwei Einlassöffnungen 1 zum Ansaugen der Frischluft und an seinem anderen Ende zwei Auslassöffnungen 8 zum Ausblasen der Warmluft auf.
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Der Luftkanal 13 weist drei parallel verlaufende Abschnitte auf. Dabei durchströmt die Luft den ersten Abschnitt, in dem die Einlassöffnungen 1 angeordnet sind, und den dritten Abschnitt, in dem die Auslassöffnungen 8 angeordnet sind, in der gleichen Richtung und den zweiten Abschnitt, in dem hintereinander zwei Brennkammern 4 mit je einem Brenner 6 sowie zwei Wärmetauscher 5 angeordnet sind, in der entgegengesetzten Richtung. Dabei sind die Einlassöffnungen 1 und die Auslassöffnungen 8 unmittelbar nebeneinander angeordnet, so dass der Luftkanal 13 einen fast geschlossenen Kreislauf bildet. Hierdurch weist die Luftheizeinrichtung eine besonders kompakte Bauform auf, die die Unterbringung in dem transportablen Container 11 erleichtert.
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Im ersten Abschnitt des Luftkanals 13, in der Nähe der Einlassöffnungen 1, sind zwei Gebläseeinheiten 3 nebeneinander angeordnet, die parallel betreibbar sind. Hierzu weist jede Gebläseeinheit 3 einen eigenen, separat steuerbaren Elektromotor 2 zum Antrieb auf. Der von den Gebläseeinheiten 3 geförderte Luftstrom durchläuft den Luftkanal 13 und wird dabei im zweiten Abschnitt des Luftkanals 13 nacheinander an den beiden Wärmetauschern 5 vorbeigeführt, die jeweils unmittelbar hinter der zugehörigen Brennkammer 4, die den jeweiligen Wärmetauscher 5 mit Wärme versorgt, angeordnet sind. Dadurch wird der Luft nacheinander Wärme von der ersten Brennkammer 4, dem ersten Wärmetauscher 5, der zweiten Brennkammer 4 und schließlich dem zweiten Wärmetauscher 5 zugeführt. Anschließend strömt die erwärmte Luft weiter zum dritten Abschnitt des Luftkanals 13, wo sie die Luftheizeinrichtung durch die Auslassöffnungen 8 verlässt.
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Zur Erhöhung der Effektivität der Luftheizeinrichtung verjüngt sich der Luftkanal 13 unmittelbar vor jeder Brennkammer 4, so dass die Übertragung der Wärme von der Brennkammer 4 auf die Luft verbessert wird. Hinter den Brennkammern 4 erweitert sich der Luftkanal 13 wieder, so dass die Strömungsgeschwindigkeit der Luft vor dem Kontakt mit dem jeweiligen Wärmetauscher 5 gesenkt wird. Dadurch kann die Luft beim Durchströmen des Wärmetauschers 5 eine größere Wärmemenge aufnehmen. Um diesen Effekt zu verstärken, verjüngt sich der Querschnitt des Luftkanals 13 hinter dem ersten Wärmetauscher 5, so dass ein Staudruck entsteht, der die Verlangsamung der Strömungsgeschwindigkeit unterstützt. Die Verjüngung des Querschnitts des Luftkanals 13 an den erwähnten Stellen wird dadurch bewirkt, dass vor den Brennkammern 4 und hinter dem ersten Wärmetauscher 5 Strömungsleitbleche 14 angeordnet sind.
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Die in den Brennkammern 4 durch die Brenner 6 erzeugte Heißluft, das heißt, die Abgase der in der Brennkammer 4 stattfindenden Verbrennung von Brennstoff, wird durch die Wärmetauscher 5 geführt, wo sie den größten Teil der enthaltenen Wärme an die im Luftkanal 13 vorbeiströmende Luft abgibt. Jeder dieser Wärmetauscher 5 weist einen Kondensatablaufanschluss 7 auf, durch den Kondenswasser aus dem Wärmetauscher ablaufen kann, um die Bildung mineralischer Ablagerungen in den Wärmetauschern 5 zu verhindern. Anschließend werden die Abgase aus jedem Wärmetauscher 5 durch je eine dafür vorgesehene Abgaseinrichtung 9 aus der Heizeinrichtung und dem Container 11 hinaus ins Freie geleitet. Jede dieser Abgaseinrichtungen 9 weist ebenfalls einen Kondensatablaufanschluss 7 auf, durch den Kondenswasser aus der Abgaseinrichtung 9 ablaufen kann, um Korrosion der Abgaseinrichtungen 9 zu verhindern.
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Im Inneren des Containers 11 ist weiterhin ein Brennstoffbehälter 10 mit einer (nicht dargestellten) Brennstoffpumpe angeordnet, die über (nicht dargestellte) Brennstoffleitungen mit den Brennern 6 verbunden ist. Sowohl der Brennstoffbehälter 10 wie auch die Brennstoffpumpe und die Brennstoffleitungen sind beheizbar, um ein Einfrieren zu verhindern. Weiterhin ist im Innern des Containers 11 eine Steuerungseinrichtung 12 angeordnet, die der separaten Ansteuerung der Elektromotoren 2 der Gebläseeinheiten 3 sowie der Brenner 6 dient.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einlassöffnung
- 2
- Elektromotor
- 3
- Gebläseeinheit
- 4
- Brennkammer
- 5
- Wärmetauscher
- 6
- Brenner
- 7
- Kondensatablaufanschluss
- 8
- Auslassöffnung
- 9
- Abgaseinrichtung
- 10
- Brennstoffbehälter
- 11
- Container
- 12
- Steuerungseinheit
- 13
- Luftkanal
- 14
- Strömungsleitblech