DE102009014010A1

DE102009014010A1 - Brenner für festes, stückiges Brennmaterial

Info

Publication number: DE102009014010A1
Application number: DE102009014010A
Authority: DE
Inventors: Joachim Walz
Original assignee: FISCHER GEORG & CO KG GmbH; Georg Fischer GmbH
Current assignee: FISCHER GEORG & CO KG GmbH; Georg Fischer GmbH
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2010-10-07
Anticipated expiration: 2029-03-20
Also published as: DE102009014010B4

Abstract

Bei einem Brenner für festes, stückiges Brennmaterial, insbesondere Pelletsbrenner, mit einer nach oben offenen Brennkammer, die mit Brennmaterial und Luft beaufschlagbar ist, wobei im unteren Bereich der Brennkammer (13) Durchtrittsöffnungen (22, 25) für Primärluft und im oberen Bereich der Brennkammer (13) wandseitige Auslässe für Sekundärluft vorgesehen sind, lässt sich dadurch ein hoher Gesamtwirkungsgrad bei geringsten Emissionswerten erreichen, dass die nach oben weisende Öffnung der Brennkammer (13) in eine dieser nachgeordnete Nachverbrennungskammer (14) mündet, die mit bezüglich ihrer Achse rotierender Tertiärluft beaufschlagbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner für festes, stückiges Brennmaterial, insbesondere einen Pelletsbrenner, mit einer nach oben offenen Brennkammer, die mit Brennmaterial und Verbrennungsluft beaufschlagbar ist, wobei im unteren Bereich der Brennkammer Durchtrittsöffnungen für Primärluft und im oberen Bereich der Brennkammer wandseitige Auslässe für Sekundärluft vorgesehen sind.
Eine Anordnung dieser Art ist aus der EP 1 452 801 A1 bekannt. Bei dieser bekannten Anordnung wird die Öffnung der Brennkammer durch einen schrägen Kragen gebildet, der mit stirnseitigen Auslassöffnungen für die Sekundärluft versehen ist. Die Strömungsrichtung der Sekundärluft entspricht der Richtung der über die Öffnung aus der Brennkammer austretenden Flamme bzw. Gase. Diese durchströmen daher eine an die Brennkammer sich anschließende Ausbrandzone auf vergleichsweise kurzem Weg und gelangen in vergleichsweise kurzer Zeit in einen Bereich, in dem keine weitere Verbrennung mehr möglich ist. Hierbei besteht die Gefahr, dass das brennbare Gas nicht vollständig verbrannt wird, sondern dass eine Teilmenge an brennbarem Gas unverbrannt über den Kamin ausgestoßen wird. Diese unvollständige Verbrennung wirkt sich ungünstig auf den erzielbaren Wirkungsgrad sowie den Staubanteil im Abgas aus.
Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brenner eingangs erwähnter Art mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, dass ein vergleichsweise hoher Wirkungsgrad bei niedrigen Staubwerten im Abgas erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die nach oben weisende Öffnung der Brennkammer in eine dieser nachgeordnete Nachverbrennungskammer mündet, die mit bezüglich ihrer Achse rotierender Tertiärluft beaufschlagbar ist.
Diese Maßnahmen bewirken in vorteilhafter Weise eine Rotation der in die Nachverbrennungskammer gelangenden Flamme und Gase, so dass sich zusammen mit dem nach oben gerichteten Zug eine schraubenförmige Vorwärtsbewegung der Flamme und Gase ergibt. Dadurch wird die Verweilzeit der brennbaren Gase in der Nachverbrennungskammer und damit in dem Bereich in dem eine Verbrennung möglich ist, verlängert, was eine vollständige Verbrennung ermöglicht und damit zu einem vergleichsweise guten Wirkungsgrad und einem verringerten Staubanteil im Abgas führt. Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen werden daher die Nachteile des eingangs geschilderten Standes der Technik vollständig beseitigt und die oben genannte Aufgabe auf höchst einfache und kostengünstige Weise gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorteilhaft ist der Nachverbrennungskammer wenigstens eine mit Tertiärluft beaufschlagbare Düse zugeordnet, die wandnah angeordnet und tangential gerichtet ist. Hiermit lassen sich eine unerwünschte Verwirbelung der Flamme und Gase vermeiden und dennoch eine zuverlässige Rotation anschieben.
Eine weitere zweckmäßige Maßnahme kann darin bestehen, dass jede mit Tertiärluft beaufschlagbare Düse eine schlitzförmige Düsenöffnung aufweist. Über diese tritt die Tertiärluft praktisch in Form eines breiten Bands aus, wodurch die obigen Vorteile verstärkt werden.
In weiterer Fortbildung der übergeordneten Maßnahmen kann zumindest eine mit Tertiärluft beaufschlagbare Düse vom oberen Ende der Brennkammer distanziert angeordnet sein. Hierdurch wird sichergestellt, dass die im Bereich des oberen Endes der Brennkammer zugeführte Sekundärluft voll zum Tragen kommen kann und erst nach Erschöpfung der Sekundärluft weitere Luft zugeführt wird.
Zweckmäßig kann die Tertiärluft von der an den Durchtrittsöffnungen für Sekundärluft anstehenden Luft abgezweigt werden. Auf diese Weise erübrigt sich eine eigene Luftversorgung für Tertiärluft.
Eine weitere, besonders zu bevorzugende Maßnahme kann darin bestehen, dass die Brennkammer zylindrisch ausgebildet und mit im Wesentlichen stehender Achse angeordnet ist. Auf diese Weise wird die erwünschte Bündelung der Flamme und Brenngase begünstigt, was die in der Nachverbrennungskammer erfolgende Rotierung erleichtert. Zweckmäßig kann diese ebenfalls zylindrisch ausgebildet und mit zur Achse der Brennkammer koaxialer Achse angeordnet sein.
In weiterer Fortbildung der übergeordneten Maßnahmen kann der die Brennkammer umlaufend begrenzende Mantel im Bereich seines unteren Endes mit Durchtrittsöffnungen für zusätzliche Primärluft versehen sein. Hierdurch wird sichergestellt, dass das im Bodenbereich der Brennkammer sich bildende Glutbett mit reichlich Verbrennungsluft versorgt wird, was eine zuverlässige Ausgasung der im Brennmaterial enthaltenen, brennbaren Gase bewirkt.
Zweckmäßig wird das Brennmaterial über die nach oben weisende Öffnung der Brennkammer in diese eingeworfen. Hierzu kann zweckmäßig eine in die Nachverbrennungskammer seitlich eingeführte, oberhalb der Brennkammer endende Versorgungseinrichtung vorgesehen sein.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher entnehmbar.
In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen:
1: Einen Vertikalschnitt durch einen mit einem erfindungsgemäßen Brenner versehenen Heizkessel,
2: eine gegenüber 1 um 90° versetzte Ansicht und
3: den Brenner der Anordnung gemäß 1 und 2 in vergrößerter Darstellung.
Der den 1 und 2 zugrundeliegende Heizkessel 1 enthält einen Wasserspeicher 2 für zu erwärmendes Wasser, der in seinem unteren Bereich mit einem Füll- und Entleerungsstutzen 3 versehen ist und dessen oberer Bereich an einen Warmwasserkreislauf 4 mit Vor- und Rücklauf angeschlossen ist. Der untere, ringförmige Bereich des Wasserspeichers 2 umfasst einen Brennerraum 5, von dem Rauchgaszüge 6 nach oben abgehen, die in einen Sammelraum 7 münden, von dem ein mit einem Kamin etc. verbundener Auslassstutzen 8 abgeht.
Im Brennerraum 5 ist ein Brenner 9 für festes, stückiges Brennmaterial angeordnet. Dieser ist im dargestellten Beispiel als Pelletsbrenner ausgebildet, der mit stückigem Brennmaterial in Form von Pellets und mit Verbrennungsluft beaufschlagbar ist. Unterhalb des Brennerraums 5 befindet sich ein Ascheaufnahmeraum 10, in den im Brenner 9 entstehende Asche abgeworfen werden kann. Hierzu ist, wie am besten aus 3 ersichtlich ist, im Bereich des Brennerbodens eine durch einen mit einer Betätigungsstange verbundenen Schieber 11 verschließbare Abwurföffnung 12 vorgesehen.
Der Brenner 9 enthält eine über der Abwurföffnung 12 errichtete, mit stehender Achse angeordnete, zylindrische Brennkammer 13, die unten durch den Schieber 11 verschließbar und nach oben offen ist. Über die obere Öffnung kommuniziert die Brennkammer 13 mit einer nach oben nachgeordneten Nachverbrennungskammer 14. Die Brennkammer 13 wird umfangsseitig durch einen umlaufenden, doppelwandigen Mantel 15 begrenzt, der einen geschlossenen Ringraum 16 enthält. Zur Bildung der Nachverbrennungskammer 14 kann ein nach oben offenes Rohr 17 vorgesehen sein, dessen unterer Bereich den Mantel 15 der Brennkammer 13 umfasst. Das stückige Brennmaterial wird von oben in die Brennkammer 13 eingeworfen. Hierzu ist eine zweckmäßig ansteigend angeordnete, von außen kommende Versorgungsschnecke 18 vorgesehen, die das Rohr 17 der Nachverbrennungskammer 14 durchgreift und oberhalb der Brennkammer 13 endet. Die erstmalige Zündung des Brennmaterials kann durch Heissluft erfolgen, die über eine von außen kommende, den Mantel 15 durchgreifende Zündleitung 19 heranführbar ist.
Die Verbrennungsluft wird der Brennkammer 13 als Primärluft und Sekundärluft und der Nachverbrennungskammer 14 als Tertiärluft zugeführt. Die Primärluft wird in erster Linie von unten zugeführt. Hierzu ist der oben erwähnte Schieber 11 doppelwandig ausgebildet, so dass sich ein Hohlraum ergibt, der über eine durch den den Schieber 11 aufnehmenden, nach außen führenden Kanal gebildete Zuführleitung 20 mit Luft beaufschlagbar ist. Der Hohlraum des Schiebers 11 ist gegenüber dem die Zuführleitung 20 bildenden Kanal, wie aus 1 und 2 ersichtlich ist, vorne und hinten offen. Die obere Wand 21 des doppelwandigen Schiebers 11, die praktisch als der Brennkammer 13 zugeordnete Bodenplatte fungiert, ist, wie aus 3 anschaulich erkennbar ist, mit Durchtrittsöffnungen 22 versehen, über die Primärluft von unten in die Brennkammer 13 einströmen kann. Die untere Wand des doppelwandigen Schiebers 11 ist mit einem in den Ascheaufnahmeraum 10 hineinragenden Verteilorgan 23 versehen, welches bei einer Hin- und Herbewegung des Schiebers 11 eine Verteilung der Asche im Ascheaufnahmeraum 11 bewirkt.
Der Ringraum 16 des die Brennkammer 13 umgebenden, doppelwandigen Mantels 15 ist durch ein weiteres, von außen kommendes Zuführrohr 24 mit Luft versorgbar. Die innere Wand des doppelwandigen Mantels 15 ist in ihrem unteren, bodennahen Bereich mit über den Umfang verteilten, zweckmäßig durch radiale Bohrungen gebildeten Durchtrittsöffnungen 25 versehen, über die der untere Bereich der Brennkammer 13 mit zusätzlicher Primärluft versorgbar ist. Auf diese Weise wird das im unteren Bereich der Brennkammer 13 sich bildende Glutbett zuverlässig mit Sauerstoff versorgt, so dass das zum Glühen gebrachte Brennmaterial zuverlässig ausgast.
Die innere Wand des doppelwandigen Mantels 15 ist ferner mit einem ihrem oberen Ende benachbarten Bereich zugeordneten Durchtrittsöffnungen 26 versehen, über die dem oberen Bereich der Brennkammer 13 Sekundärluft zugeführt wird. Zur Bildung der Durchtrittsöffnungen 26 sind zweckmäßig mehrere parallele Reihen von gleichmäßig über den Umfang verteilten radialen Bohrungen vorgesehen.
Weiter oben im Bereich der Nachverbrennungskammer 14 wird der aus der Brennkammer 13 aufsteigenden Flamme bzw. den noch nicht verbrannten Gasen Tertiärluft zugeführt. Die Zuführung der Tertiärluft erfolgt im Bereich der Peripherie der zylindrischen Nachverbrennungskammer 14 mit zu einer Tangente an die umlaufende Begrenzung der Nachverbrennungskammer 14 paralleler Richtung, was vereinfacht als tangential gerichtet bezeichnet wird. Hierdurch wird bewirkt, dass die zugeführte Tertiärluft bezüglich der gemeinsamen Achse a der Nachverbesserungskammer 14 und Brennkammer 13 rotiert und dementsprechend auch die hiermit beaufschlagte Flamme und die in dieser enthaltenen Gase zu einer Rotation bezüglich der Achse a anregt. Zur Zufuhr der Tertiärluft ist wenigstens eine mit Luft beaufschlagbare, wandnah angeordnete Düse 27 vorgesehen. Zweckmäßig können mehrere Düsen 27 am Umfang vorgesehen sein.
Die Rotation der Flamme und der Gase führt zusammen mit dem nach oben gerichteten Gaszug zu einer nach oben gehenden, schraubenförmigen Bewegung der Flamme und der Gase, wie in 3 durch Bewegungspfeile schematisch angedeutet ist. Diese schraubenförmige Bewegung führt im Vergleich zu einer reinen Axialbewegung zu einem vergleichsweise langen Weg, wodurch sich die Verweilzeit der Flamme und der brennbaren Gase in der Nachverbrennungskammer 14 entsprechend verlängert. Den brennbaren Gasen wird dementsprechend genügend Zeit gelassen, um restlos bzw. nahezu restlos zu verbrennen, bevor die Nachverbrennungskammer 14 verlassen wird. Hierdurch ist sichergestellt, dass die in den Brennerraum 5 austretenden Abgase den größtmöglichen Energiegehalt und dementsprechend die größtmögliche Wärme aufweisen, was zu einer zuverlässigen Erwärmung des Wassers im Wasserspeicher 2 führt und dabei insgesamt eine gute Ausnutzung des zugeführten Brennmaterials und damit einen hohen Gesamtwirkungsgrad bei geringsten Emissionen gewährleistet.
Die über die Düse bzw. Düsen 27 zugeführte Tertiärluft wird ebenfalls aus dem Ringraum 16 des doppelwandigen Mantels 15 entnommen, also von der an den Durchtrittsöffnungen 26 für Sekundärluft anstehenden Luft abgezweigt. Hierzu kann die obere Stirnseite des doppelwandigen Mantels 15 mit geeigneten, in die Nachverbrennungskammer 14 ausmündenden Düsen versehen sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Düse bzw. Düsen 27 vom oberen Ende der Brennkammer 13 distanziert. Jeder Düse 27 ist im dargestellten Beispiel ein vom Ringraum 16 abzweigendes, wandnah angeordnetes oder in die Umfassungswand der Nachverbrennungskammer 14 integriertes Versorgungsrohr 28 zugeordnet, an dessen oberem Ende die jeweils zugeordnete Düse 27 angeordnet ist. In einfachen Fällen genügt, wie schon angedeutet, eine Düse 27. Zweckmäßig können jedoch zwei oder mehrere, gleichmäßig am Umfang der Peripherie der Nachverbrennungskammer 14 angeordnete Düsen 27 vorgesehen sein. Diese sind zweckmäßig kiemenartig ausgebildet. Hierzu besitzen die Düsen 27 schlitzförmige Ausblasöffnungen 29, wodurch sich ein Luftstrahl in Form eines vergleichsweise breit gefächerten Bandes ergibt, was die Bündelung der Flamme begünstigt und eine zuverlässige Luftversorgung gewährleistet.
Die Position der Düse bzw. Düsen 27 in der Höhe hängt vom Einzelfall ab und muss empirisch ermittelt werden. Zweckmäßig kann der Abstand der Düse bzw. der Düsen 27 vom oberen Ende der Brennkammer 13 wenigstens der Höhe der Brennkammer 13 entsprechen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß 3 entspricht der Abstand der Düse 27 vom oberen Ende der Brennkammer 13 etwa dem mittleren Abstand der Durchtrittsöffnungen 26 für Sekundärluft vom Boden der Brennkammer 13. Die Höhe der Nachverbrennungskammer 14 kann so bemessen sein, dass der Abstand der Düse bzw. Düsen 27 vom oberen Ende der Nachverbrennungskammer 14 größer als ihr Abstand vom oberen Ende der Brennkammer 13 ist. Zweckmäßig kann das Verhältnis dieser Abstände im Bereich von 1,3 bis 1,9 vorzugsweise bei 1,65 liegen.
Die Luftversorgung des Brenners 9 kann mit Saugzug und/oder mit Druck erfolgen. Zur Bewerkstelligung eines Saugzugs kann im Bereich des Sammelraums 7 oder des Auslassstutzens 8 ein entsprechender Ventilator vorgesehen sein. Die Luftzuführrohre 20, 24 können in einem derartigen Fall einfach als mit ihrem hinteren Ende im Freien endende Saugrohre ausgebildet sein, wie in 1 angedeutet ist. Zusätzlich oder alternativ zum genannten Saugzug-Ventilator können auch ein oder mehrere Druckgebläse vorgesehen sein, durch die die Luft-Zuführrohre 20, 24 mit Luft versorgbar sind. Hierzu können die genannten Luft-Zuführrohre 20, 24 einfach an den Ausblasstutzen eines jeweils zugeordneten Druckgebläses oder eines gemeinsamen Druckgebläses angeschlossen sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1452801 A1 [0002]

Claims

Brenner für festes, stückiges Brennmaterial, insbesondere Pelletsbrenner, mit einer nach oben offenen Brennkammer, die mit Brennmaterial und Verbrennungsluft beaufschlagbar ist, wobei im unteren Bereich der Brennkammer (13) Durchtrittsöffnungen (22, 25) für Primärluft und im oberen Bereich der Brennkammer (13) wandseitige Auslässe für Sekundärluft vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die nach oben weisende Öffnung der Brennkammer (13) in eine dieser nachgeordnete Nachverbrennungskammer (14) mündet, die mit bezüglich ihrer Achse rotierender Tertiärluft beaufschlagbar ist.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachverbrennungskammer (14) wenigstens eine Tertiärluft abgebende Düse (27) zugeordnet ist, die wandnah angeordnet und tangential gerichtet ist.
Brenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, gleichmäßig über den Umfang der Nachverbrennungskammer (14) verteilte, mit Tertiärluft beaufschlagbare Düsen (27) vorgesehen sind.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse bzw. Düsen (27) für Tertiärluft jeweils eine schlitzförmige Austrittsöffnung (29) aufweisen.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse bzw. Düsen (27) für Tertiärluft vom oberen Ende der Brennkammer (13) distanziert ist bzw. sind.
Brenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Düse bzw. Düsen (27) für Tertiärluft vom oberen Ende der Brennkammer (13) höchstens der Höhe der Brennkammer (13) entspricht.
Brenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Düse bzw. Düsen (27) für Tertiärluft vom oberen Ende der Brennkammer (13) etwa dem mittleren Abstand der Durchtrittsöffnungen (26) für Sekundärluft vom Boden der Brennkammer (13) entspricht.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Düse bzw. Düsen (27) für Tertiärluft vom oberen Ende der Nachverbrennungskammer (14) größer als der Abstand vom oberen Ende der Brennkammer (13) ist.
Brenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Abstands der Düse bzw. Düsen (27) für Tertiärluft vom oberen Ende der Nachverbrennungskammer (14) zum Abstand vom oberen Ende der Brennkammer (13) im Bereich von 1,3 bis 1,9 liegt, vorzugsweise 1,65 beträgt.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse bzw. Düsen (27) für Tertiärluft jeweils am oberen Ende einer zugeordneten Versorgungsleitung (28) angeordnet ist bzw. sind.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der Düse bzw. den Düsen (27) zuführbare Tertiärluft von der an den Durchtrittsöffnungen (26) für Sekundärluft anstehenden Luft abzweigbar ist.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (13) zylindrisch ausgebildet und mit im Wesentlichen stehender Achse (a) angeordnet ist.
Brenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (13) radial durch einen umlaufenden Mantel (15) begrenzt ist, der in einem seinem oberen Ende vorgeordneten Bereich mit über den Umfang verteilten Durchtrittsöffnungen (26) für Sekundärluft versehen ist.
Brenner nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachverbrennungskammer (14) ebenfalls zylindrisch ausgebildet und mit zur Achse der Verbrennungskammer (13) koaxialer Achse (a) angeordnet ist.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachverbrennungskammer (14) radial durch ein Rohr (17) begrenzt ist, dessen unterer Endbereich den die Brennkammer (13) radial begrenzenden Mantel (15) umfasst.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der umlaufende Mantel (15) der Brennkammer (13) doppelwandig ausgebildet ist und einen mit einer Luftquelle kommunizierenden Ringraum (16) enthält, dessen innere Wandung die Durchtrittsöffnungen (26) für Sekundärluft aufweist und von dem die der Düse bzw. den Düsen (27) für Tertiärluft jeweils zugeordnete Versorgungsleitung (28) abgeht.
Brenner nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Wandung des doppelwandigen Mantels (15) der Brennkammer (13) im Bereich ihres unteren Endes mit Durchtrittsöffnungen (25) für zusätzliche Primärluft versehen ist.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Nachverbrennungskammer (14) begrenzende Rohr (17) von einer oberhalb der Brennkammer (13) endenden Brennmaterial-Zuführeinrichtung (18) durchgriffen ist.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennkammer (13) eine bodenseitige Auswurföffnung (12) zugeordnet ist, die mittels eines doppelwandig ausgebildeten Schiebers (11) verschließbar ist, dessen Innenraum mit Luft beaufschlagbar ist und dessen obere Wand die Durchtrittsöffnungen (22) für Primärluft aufweist.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Verbrennungskammer (13) ein Ascheaufnahmeraum (10) vorgesehen ist und dass an der Unterseite des Schiebers (11) ein Ascheverteilorgan (23) angebracht ist.