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Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung gemäß Patentanspruch 1, vorzugsweise eine brennstoffbetriebene Heizvorrichtung für ein Fahrzeug.
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Bei gewöhnlichen Heizvorrichtungen - beispielsweise brennstoffbetriebene (Wasser-)Heizvorrichtungen für ein Fahrzeug - sind Komponenten in und/oder an entsprechenden Baugruppen (beispielsweise Brennerbaugruppen) regelmäßig ausschließlich stoffschlüssig befestigt bzw. arretiert. Üblicherweise werden Schweißverbindungen oder Lötverbindungen zwischen Brennerflansch, Brennkammer, Brennrohr und Verdampferaufnahme vorgesehen. Ein Verdampfer bzw. ein Verdampferpaket kann aufgrund des verwendeten Werkstoffs (häufig anorganische Fasermaterialien) üblicherweise nicht stoffschlüssig angebunden werden. Dieser wird daher in die Verdampferaufnahme eingelegt und allerdings dann wiederrum mittels eines verschweißten oder verlöteten Halterings, der somit stoffschlüssig fixiert ist, fixiert. Ein entsprechender Glühstift wird üblicherweise ebenso nicht stoffschlüssig angebunden, muss aber aufwendig mit einer Haltefeder (und ggf. einer zusätzlichen Kühlfeder) in einer Aufnahmekulisse Verdampferaufnahme arretiert werden.
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Werden die Komponenten stoffschlüssig verbunden, müssen diese geschweißt bzw. gelötet werden. Schweiß- und/oder Lötverbindungen werden als vergleichsweise unflexibel und aufwendig empfunden. Andererseits wird auf diese Art eine entsprechende Materialauswahl durch die jeweiligen Schweiß- bzw. Löteigenschaften des Materials limitiert.
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Speziell auch eine Integration von katalytisch aktiven Komponente (Katalysator) in einem Abgasraum einer Heizvorrichtung stellt sich oft als konstruktiv komplex und aufwendig heraus. Für optimale Abgastemperaturen am Katalysator muss dieser möglichst nahe an einem entsprechenden Abgasaustritt positioniert werden. Der Katalysator muss folglich in einem definierten Abstand nach einem Brenner aber vor dem Abgasaustritt angeordnet werden.
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EP 3 508 787 A1 zeigt für eine entsprechende Positionierung einer Katalysatoranordnung 54 beispielsweise einen Brennkammergehäuseträger 36 mit einem radialen Erweiterungsbereich 56, um die Katalysatoranordnung 54 axial abzustützen. Eine derartige (direkte) Integration eines entsprechenden Abstandshalters bzw. Abstandselements in eine Komponente der Heizvorrichtung - beispielsweise in ein Brennkammergehäuse oder in einen Wärmeübertrager - kann nur über komplexe Formgebungsschritte und/oder Schweiß- bzw. Lötverfahren erfolgen. Folglich werden zusätzliche teils äußerst aufwendige Fügeprozesse benötigt, um entsprechende Strukturen zu schaffen. Neben höheren Produktionskosten entstehen dabei insbesondere auch komplizierte und somit schlechter handhabbare Komponenten einer Heizvorrichtung.
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Eine gattungsgemäße Heizvorrichtung ist bereits aus der
EP 0 287 923 A2 vorbekannt. Ferner ist aus der
DE 10 2016 117 408 A1 ein Fahrzeugheizgerät vorbekannt, bei dem ein Katalysatorelement an einem Endbereich bezüglich einer axialen Erstreckungsrichtung eines Brenners den Brenner radial umgebend angeordnet ist. Zudem ist aus der
WO 2006 / 007 956 A1 eine Abgasreinigungsvorrichtung für Kraftfahrzeuge vorbekannt, bei der Halteelemente sich in einer axialen Erstreckungsrichtung der Vorrichtung radial nach innen erstrecken.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Heizvorrichtung bereitzustellen, die eine flexible und einfache Befestigung einer katalytisch aktiven Komponente in einer definierten Position ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst.
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Insbesondere wird die Aufgabe durch eine Heizvorrichtung, vorzugsweise brennstoffbetriebene Heizvorrichtung für ein Fahrzeug, gelöst, wobei die Heizvorrichtung unter anderem Folgendes aufweist:
- - einen Wärmeübertrager zur Erwärmung eines Fluids in einem durchströmbaren Volumen der Heizvorrichtung;
- - eine Brennervorrichtung, die innerhalb des Wärmeübertragers angeordnet ist;
- - einen Abgasaustritt zum Abführen von Abgasen aus der Heizvorrichtung;
- - ein Katalysatorelement, das zwischen der Brennervorrichtung und dem Wärmeübertrager angeordnet ist;
- - einen Abstandshalter, der auf den Brennerflansch aufsteckbar ausgebildet ist und der eine Höhe in Bezug auf eine Abgasströmungsrichtung aufweist, um das Katalysatorelement in einer vorbestimmten Position in der Nähe des Abgasaustritts zu positionieren und/oder zu fixieren.
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Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, ein Katalysatorelement einer Heizvorrichtung in einer Abgasströmung in Bezug auf einen Abgasaustritt in einer vorbestimmten Position optimal zu positionieren, ohne dabei in aufwendigen Verfahren integral stoffschlüssige Abstandselemente an der Brennervorrichtung oder dem Wärmeübertrager anformen zu müssen. Erfindungsgemäß wird ein entsprechender Abstandshalter bei Montage auf den Brennerflansch aufgesteckt, um das Katalysatorelement in einer definierten Position zu fixieren. Nach Aufstecken bzw. Aufsetzen des Katalysatorelements und Montage des Wärmeübertragers können Abstandshalter und Katalysatorelement nicht mehr verschoben werden.
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Das Katalysatorelement kann insbesondere ein Oxidationskatalysatorelement sein, das geeignet ist, in einer katalytischen Reaktion in den die Brennkammer verlassenden Verbrennungsabgasen enthaltenes CO und HC zu CO2 und H2O umzusetzen. Das Katalysatorelement kann zusätzlich oder alternativ auch einen Kohlenwasserstoff-Speicher oder/und einen Stickoxid-Speicher umfassen. Es ist auch vorteilhaft möglich, dass zusätzlich zu dem Katalysatorelement ein Kohlenwasserstoff-Speicherelement oder/und ein Stickoxid-Speicherelement am Brennerflansch angeordnet sind.
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Darunter dass der Katalysator „in der Nähe des Abgasaustritts“ positioniert und/oder fixiert ist, ist im Folgenden zu verstehen, dass Fixierung des Abstandshalters wegen optimalen Abgastemperaturen möglichst nahe bzw. so nah wie möglich, insbesondere wenige cm, an einem Abgasaustritt der Heizvorrichtung positioniert wird.
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Der Abstandshalter ist insbesondere in Bezug auf die Abgasströmungsrichtung stromabwärts vom Katalysator an einem Brennerflansch angeordnet.
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Unter einem Fahrzeug für das die Heizvorrichtung ausgebildet sein kann, werden alle Arten von Fahrzeugen wie Kraftfahrzeuge (beispielsweise Automobile), LKW, Züge, Boote oder Schiffe, Wohnmobile, Wohnwagen oder sonstige Anhänger verstanden.
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Erfindungsgemäß ist der Abstandshalter im Wesentlichen c-förmig ausgebildet, derart, dass der Abstandshalter einen Öffnungsbereich aufweist und der Abstandshalter über den Öffnungsbereich in radialer Richtung oder in axialer Richtung auf die Brennervorrichtung auf- und absteckbar ausgebildet ist.
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Derart lässt sich der Abstandshalter als einfaches Stanz-Biegeteil ausbilden. Dies hat gegenüber komplexen Tiefziehteilen oder geschlitzten Rohrteilen (die auch als Abstandshalter dienen könnten) den Vorteil, dass bei einem Stanz-Biegeteil kein Nachbearbeiten nötig ist. Derart kann eine Produktion des Abstandshalters und somit der Heizvorrichtung schnell, einfach und vergleichsweise kostengünstig erfolgen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt eine Fixierung des Abstandshalters kraftschlüssig, vorzugsweise ausschließlich kraftschlüssig.
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Dadurch entfallen in einem entsprechenden Fertigungsprozess entsprechende Schritte zum integralen Anformen eines entsprechenden Abstandshalters in eine Komponente der Heizvorrichtung. Zudem ist auch kein Schweißen oder Löten der Verbindung nötig. Der Montageprozess wird daher deutlich vereinfacht und lässt sich besonders kostengünstig durchführen. In alternativen Ausführungsformen kann der Abstandshalter mit zusätzlichen Befestigungsmitteln (beispielsweise Nieten, Schrauben, oder ähnliches) an dem Brennerflansch (reversibel) arretiert werden.
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In einer Ausführungsform weist der Wärmeübertrager eine Vielzahl an radial hervorstehenden Wärmeübertragerrippen auf, wobei sich die Wärmeübertragerrippen in einem ersten Bereich entlang eines Brennerrohrs der Brennervorrichtung erstrecken und in einem zweiten Bereich zumindest teilweise über den Brennerflansch erstrecken.
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Durch die Bereitstellung von Wärmeübertragerrippen wird ein effizienter Wärmeübertrag von dem Wärmeübertrager auf das den Wärmeübertrager umspülende Fluid ermöglicht. Überraschenderweise hat sich zudem herausgestellt, dass ein leiserer Betrieb der Heizvorrichtung ermöglicht wird, wenn die Wärmeübertragerrippen sich nicht über den gesamten Wärmeübertrager erstrecken, sondern lediglich über einen (Teil-)Bereich des Wärmeübertragers. Beispielsweise können die Wärmeübertragerrippen also im Wesentlichen axial lediglich über die Hälfte des Wärmeübertragers, vorzugsweise axial im Wesentlichen über ca. 60% der Länge des Wärmeübertragers, verlaufen.
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In einer Ausführungsform weist der Wärmeübertrager mindestens eine Stufe auf, wobei die Stufe dazu ausgebildet und/oder angeordnet ist, das Katalysatorelement zwischen der Stufe und dem Abstandshalter formschlüssig zu fixieren.
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Wobei unter der mindestens einen Stufe beispielsweise ein zumindest teilweise umlaufender oder abschnittsweise verlaufender Vorsprung einer Innenwandung des Wärmeübertragers verstanden wird. Alternativ kann die mindestens eine Stufe auch durch ein (oberes) Ende der Wärmeübertragerrippen gebildet sein. Derart wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Brennervorrichtung (oder Wärmeübertrager) und Abstandshalter oder Katalysatorelement vermieden. Eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Brennervorrichtung (oder Wärmeübertrager) und Abstandshalter bzw. Katalysatorelement hat sich im Zuge der Entwicklungsarbeiten insbesondere im Hinblick auf die Stabilität, einem hohen Stanzverschnitt von Bauteilen oder durch negative Beeinflussung der katalytischen Eigenschaften als nachteilig herausgestellt. Durch eine formschlüssige Fixierung des Katalysators und eine kraftschlüssige Verbindung des Abstandshalters werden diese Nachteile überwunden. Derart werden sowohl der Herstellungsprozess als auch der Montageprozess weiter vereinfacht und sowohl Material(kosten) also auch Produktionskosten gespart.
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In einer Ausführungsform ist der Abstandshalter als einstückiges Blechelement, insbesondere Federbandstahlelement, ausgebildet.
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Ein einstückiges Element bzw. Bauteil ermöglicht einerseits eine optimale Stabilität des Abstandshalters. Andererseits ermöglicht ein einstückiges Element eine besonders schnelle bzw. einfache Montage/Demontage des Abstandshalters. Zudem ist der Abstandshalter aus einem Blechelement oder einem Federbandstahlelement andererseits auch vergleichsweise kostengünstig herzustellen. Das Material des Abstandshalters kann zudem auf einfache Art und Weise auf eine Abgasbeständigkeit und/oder eine Elastizität für eine nötige Klemmkraft an dem Brennerflansch optimiert werden.
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In einer Ausführungsform weist der Abstandshalter eine Wandstärke in einem Bereich von 0,2 mm bis 1,5 mm, vorzugseiweise in einem Bereich von 0,3 mm bis 0,9 mm, weiter vorzugsweise von weniger als 2 mm, auf.
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Mit einer derart geringen Wandstärke des Abstandshalters (senkrecht zu einer Abgasströmungsrichtung) wird die Strömung des Abgases durch den Abstandshalter nur minimal beeinflusst. Derart wird ein effizienter Betrieb der Heizvorrichtung ermöglich und zudem eine Geräuschentwicklung im Betrieb der Heizvorrichtung reduziert. Zudem ist der Abstandshalter derart vergleichsweise leicht bzw. gewichtssparend, was besonders im Automobilbereich von Vorteil ist.
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In einer Ausführungsform beträgt eine die Höhe des Abstandshalters zwischen 5 mm und 25 mm, vorzugsweise zwischen 10 mm und 20 mm, weiter vorzugsweise zwischen 15 mm und 18 mm.
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Derart wird der Abstandshalter einerseits Formstabil, was die Handhabung bei der Montage erleichtert sowie insgesamt eine robuste Heizvorrichtung bereitgestellt werden kann. Andererseits kann durch die Höhe des Abstandshalters die vorbestimmte Position des Katalysatorelements an/auf dem Brennerflansch (in Bezug auf den Abgasaustritt) bestimmt/optimiert werden.
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In einer Ausführungsform ist die Höhe des Abstandshalters so konfiguriert, dass das Katalysatorelement (im Zusammengesetzten Zustand der Heizvorrichtung) in der vorbestimmten Position einen Luftzuführungsbereich, der innerhalb des Brennerflansches angeordnet ist, zumindest teilweise überdeckt.
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Durch eine derartige Anordnung des Katalysatorelements (mittels des Abstandshalters) in einem oberen Bereich der Brennereinheit wird es ermöglicht, die Wärmeübertragerrippen bis in diesen oberen Bereich auszubilden. Derart wird ein effizienter Wärmeübertrag ermöglicht.
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In einer Ausführungsform ist die Höhe des Abstandshalters so konfiguriert, dass ein oberes Ende des Katalysatorelements in der vorbestimmten Position im Wesentlichen auf gleicher Höhe mit einem unteren Ende des Abgasaustritts liegt.
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Auf diese Weise kann das Katalysatorelement möglichst nahe an dem Abgasaustritt positioniert werden, ohne dass das Katalysatorelement eine Strömung durch den Abgasaustritt beeinträchtigt. Derart wird eine optimale Position des Katalysatorelements im Hinblick auf Abgastemperatur (am Katalysatorelement) und Strömungseigenschaften des Abgases bereitgestellt. So wird ein effizienter und schadstoffarmer Betrieb der Heizvorrichtung ermöglicht.
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In einer Ausführungsform ist die Höhe des Abstandshalters so konfiguriert, dass das Katalysatorelement in der vorbestimmten Position einen größtmöglichen Abstand in der Abgasströmungsrichtung zu einem Brennrohr-Abgasaustritt, der an einem unteren Ende des Brennrohrs angeordnet ist, aufweist.
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Auf diese Weise wird sichergestellt, dass eine katalytische Wirkung des Katalysatorelements nicht durch zu hohe Temperaturen an einem Brennrohr-Abgasaustritt an der Unterseite des Brennerrohrs beeinträchtigt wird.
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In einer Ausführungsform weist der Abstandshalter eine Vielzahl von zueinander abgewinkelten Biegesegmenten, vorzugsweise zwischen 5 und 15 Biegesegmenten, auf, derart, dass der Abstandshalter einen polygonalen Querschnitt aufweist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Abstandshalter beispielsweise neun Biegesegmente auf. Bei neun Biegesegmenten sind diese beispielsweise jeweils um ca. 150° zueinander abgewinkelt, so dass der Abstandshalter insgesamt im Wesentlichen einen 270° Winkel einschließt mit einer Öffnung von im Wesentlichen 90°. Derart lässt sich der Brennerflansch mit dem Abstandselement gut „umklammern“, so dass sich der Abstandshalter nicht leicht von selbst lösen kann. Derart wird die Anordnung besonders robust. Die Anzahl der Biegesegmente ist allerdings selbstverständlich nicht auf neun oder zwölf festgelegt und kann davon abweichen. Erfindungsgemäß ist lediglich eine Anzahl von Biegesegmenten sowie eine Öffnung erforderlich, derart, dass sich ein im Wesentlichen polygonaler Querschnitt des Abstandshalters ergibt.
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In einer alternativen Ausführungsform weist der Abstandshalter eine Vielzahl von zueinander abgewinkelten Biegesegmenten, vorzugsweise zwischen 5 und 15 Biegesegmenten, auf, derart, dass der Abstandshalter einen elliptischen oder elliptischen-offenen Querschnitt aufweist.
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Durch eine derartige Ausgestaltung des Abstandshalters können beispielsweise nicht rotationssymmetrische Geometrien von Brennerflansch und/oder Katalysatorelement stabil und robust montiert werden. Je nach Herstellungsverfahren, kann es unter Umständen auch einfacher sein, einen Abstandshalter mit nicht-polygonalen (also beispielsweise elliptisch oder elliptisch-offenen) Querschnitt herzustellen.
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In einer Ausführungsform weist der Abstandshalter mehrere Prägebereiche, die jeweils zwei benachbarte Biegesegmente verbinden, auf, wobei die Prägebereiche vorzugsweise gleichmäßig entlang einer Umfangsmittellinie des Abstandshalters angeordnet sind.
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Durch das Einprägen (Einstanzen) der Prägebereiche wird ein Widerstandsmoment des Abstandshalters erhöht. Auf diese Weise wird die Formstabilität des Abstandshalters weiter verbessert. Derart wird ein Auffedern des Materials aufgrund elastischer Rückfederung beim Biegen der Biegesegmente bzw. beim Biegen des Abstandshalters vermieden. So wird eine genaue Bemaßung des Abstandshalters eingehalten. Insgesamt wird dadurch eine präzise und passgenaue Montage des Abstandshalters ermöglicht.
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In einer Ausführungsform weist der Abstandshalter, auf einer der Brennervorrichtung zugewandten Seite, mehrere, insbesondere mindestens drei, Kontaktvorsprünge auf, die dazu ausgebildet und/oder derart angeordnet sind, eine Auflagefläche zwischen Abstandshalter und Brennervorrichtung zu bilden.
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Beispielsweise ist auch denkbar, dass ein Kontaktvorsprung pro Biegesegment oder auf jedem zweiten Biegesegment ausgebildet wird. Derart wird eine Vereinfachung der funktional relevanten Bereiche des Abstandshalters realisiert - beispielsweise im Hinblick auf eine Vermessung des Abstandshalters. Zudem wird durch die Kontaktvorsprünge eine anliegende Kontaktfläche zwischen Abstandshalter und Brennerflansch minimiert, um eine ggf. auftretende Kontaktkorrosion zu vermeiden bzw. wesentlich zu minimieren.
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In einer Ausführungsform weist der Abstandshalter einen Innenkreisdurchmesser auf, der kleiner ist als ein Durchmesser des Brennerflansches, derart dass der aufgesteckte Abstandshalter eine Rückstellkraft bereitstellt, um den Abstandshalters auf dem Brennerflansch zu fixieren.
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Derart wird beim Aufstecken des Abstandshalters auf den Brennerflansch über die Elastizität des Materials des Abstandshalters die nötige Rückstellkraft für eine kraftschlüssige Verbindung bzw. Klemmung des Abstandshalters auf dem Brennerflansch bereitgestellt. Beispielsweise kann ein Federstahl (1.4310) verwendet werden, um eine bestmögliche Verarbeitbarkeit und/oder eine optimale Rückstellkraft bereitzustellen.
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In einer Ausführungsform ist das Katalysatorelement ringförmig oder in Form eines offenen Rings ausgebildet und /oder umfasst ein Metallgestrick, insbesondere ein beschichtetes Metallgestrick.
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Die ringförmige (oder annähernd ringförmige) Ausbildung oder Ausbildung in Form eines offenen Rings ermöglicht ein Aufstecken des Katalysatorelements auf den Brennerflansch der Heizvorrichtung. Dadurch dass der Brennerflansch nach dem Aufstecken vollständig (oder teilweise) von dem Katalysatorelement umschlossen wird, wird das Katalysatorelement zusätzlich gegen Verrutschen fixiert. Insgesamt wird die Stabilität dadurch verbessert.
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In einer Ausführungsform ist die Heizvorrichtung als Wasser-Heizvorrichtung zur Erwärmung von Wasser in einem durchströmbaren Volumen des Wärmeübertragers ausgebildet ist und/oder als Luft-Heizvorrichtung zur Erwärmung von Luft in einem durchströmbaren Volumen des Wärmeübertragers ausgebildet ist.
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Dadurch wird eine besonders energieeffiziente, vergleichsweise schadstoffarme und geräuscharme Heizvorrichtung für ein Fahrzeug bereitgestellt.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenso durch ein Verfahren zur Montage einer Heizvorrichtung, vorzugsweise brennstoffbetriebene Heizvorrichtung für ein Fahrzeug, gelöst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- - Bereitstellen einer Brennervorrichtung;
- - Aufstecken eines Abstandshalters auf die Brennervorrichtung;
- - Aufstecken eines Katalysatorelements auf die Brennervorrichtung;
- - Einsetzen der Brennervorrichtung in einen Wärmeübertrager, derart, dass das Katalysatorelement zwischen einer Stufe des Wärmeübertragers und dem Abstandshalter in einer vorbestimmten Position in der Nähe eines Abgasaustritts der Heizvorrichtung, vorzugsweise formschlüssig, positioniert und/oder fixiert ist.
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Es sei hier darauf hingewiesen, dass die im Rahmen der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung beschriebenen Merkmale und Vorteile auch auf das erfindungsgemäße Verfahren zur Montage der Heizvorrichtung zutreffen. Merkmale der Vorrichtung sind auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragbar. Ebenso sind Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die erfindungsgemäße Vorrichtung übertragbar, indem die entsprechende Einrichtung derart konfiguriert wird, dass sie zur Ausführung der entsprechenden Verfahrensmerkmale geeignet ist.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenso durch die Verwendung einer Heizvorrichtung wie vorab beschrieben als Standheizung und/oder Zusatzheizung in einem Fahrzeug gelöst.
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Hieraus ergeben sich die selben Vorteile wie dies bereits im Zusammenhang mit der Heizvorrichtung beschrieben wurde. Insbesondere kann die Heizvorrichtung bzw. der Brenner der Heizvorrichtung mit Brennstoff aus einem Brennstofftank des Fahrzeugs, vorzugsweise Kraftfahrzeugs, versorgt werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung auch hinsichtlich weiterer Einzelheiten, Merkmale und Vorteile beschrieben, die anhand der Figuren näher erläutert werden. Die beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen, wie nachfolgend in den Figuren der Zeichnung gezeigt und anhand der Zeichnung beschrieben, sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung anwendbar, ohne dass damit der Rahmen der Erfindung verlassen wird.
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Hierbei zeigen:
- 1 eine teilweise Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung mit einem Wärmeübertrager;
- 2 eine teilweise Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung mit Brennerflansch und aufgestecktem Katalysatorelement und Abstandshalter;
- 3 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Abstandshalters der auf einen Brennerflansch aufgesteckt werden kann;
- 4 eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Abstandshalters mit polygonalem Querschnitt, der auf einen Brennerflansch aufgesteckt werden kann;
- 5 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Abstandshalters und einer Brennervorrichtung, wobei schematisch dargestellt ist, wie der Abstandshalter auf den Brennerflansch mit Katalysatorelement aufgesteckt wird;
- 6 eine Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung dargestellt. Die Darstellung in 1 ist eine teilweise Schnittansicht. Innerhalb der Heizvorrichtung ist ein Wärmeübertrager 10 umfassend ein Volumen 15 angeordnet. Das Volumen 15 des Wärmeübertragers 10 kann dabei von einem Fluid durchflossen werden, derart, dass der Wärmeübertrager 15 durchspült wird, um einen Wärmeübertrag auf das Fluid zu erzeugen.
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Der Wärmeübertrager 10 weist eine Vielzahl von radial hervorstehenden Wärmeübertragerrippen 13 aufweist.
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Wobei sich die Wärmeübertragerrippen 13 in einem ersten Bereich 12 entlang eines Brennerrohrs 24 der Brennervorrichtung 20 erstrecken und in einem zweiten Bereich 11 zumindest teilweise über den Brennerflansch 21 erstrecken.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 erstrecken sich die Wärmeübertragerrippen 13 über ca. 60% der Länge des Wärmeübertragers. Alternativ können sich die Wärmeübertragerrippen über 50 - 80 % der Länge des Wärmeübertragers erstrecken.
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Der Wärmeübertrager 10 kann an einem unteren Ende mehrere Fluidleit- und/oder Turbulenzerzeugungselemente 16 aufweisen. Die Fluidleit- und/oder Turbulenzerzeugungselemente 16 ermöglichen dabei eine, im Hinblick auf einen Wärmeübertrag, optimierte Umspülung des Wärmeübertragers 10.
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Innerhalb des Wärmeübertragers ist eine (brennstoffbetriebene) Brennervorrichtung 20 angeordnet (nicht dargestellt, vgl. hierfür 2), die dazu ausgebildet ist (mittels des Wärmeübertragers 10) das Fluid in dem Volumen 15 zu erwärmen. Der zweite Bereich 11 des Wärmeübertragers 10 weist einen größeren Durchmesser auf als der erste Bereich 12 des Wärmeübertragers 10. Der Wärmeübertrager 10 ist so ausgebildet, dass innerhalb des zweiten Bereichs 11 ein Katalysatorelement 22 angeordnet werden kann.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist ein abgeschrägter Bereich der Wärmeübertragerrippen 13 vorhanden, über den sich die Wärmeübertragerrippen 13 erstrecken. Der abgeschrägte Bereich ist dabei so ausgebildet, dass sich ein Durchmesser des Wärmeübertragers von dem zweiten Bereich 11 zu dem ersten Bereich 12 hin verjüngt. Derart kann die Umspülung des Wärmeübertragers 10 und somit ein Wärmeübertrag optimiert werden.
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Zudem weist der Wärmeübertrager 10 mindestens eine Stufe 14 auf.
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Dabei kann die Stufe 14 dazu ausgebildet und/oder derart angeordnet sein, das Katalysatorringelement 22 zwischen der Stufe 14 und dem Abstandshalter 23 formschlüssig zu fixieren.
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In 2 ist eine teilweise Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung dargestellt. Dabei ist die Brennervorrichtung 20 innerhalb des Wärmeübertragers 10 hervorgehoben.
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Die Brennervorrichtung 20 weist an einem oberen Ende einen Brennerflansch 21 auf, wobei der Brennerflansch 21 innerhalb des zweiten Bereichs 11 des Wärmeübertragers 10 angeordnet ist. Ferner weist die Brennervorrichtung 20 an einem unteren Ende ein Brennerrohr 24 auf, wobei das Brennerrohr 24 innerhalb des ersten Bereichs 12 des Wärmeübertragers 10 angeordnet ist.
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Innerhalb des zweiten Bereichs 11 des Wärmeübertragers 10 befindet sich ein (nicht gezeigter) Abgasaustritt zum Abführen von Abgasen, die bei einer Kraftstoffverbrennung in der Brennvorrichtung entstehen.
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Auf den Brennerflansch 21 der Brennervorrichtung 20 ist ein Katalysatorelement 22 aufgesteckt. Das Katalysatorelement 22 ist in diesem Ausführungsbeispiel dazu ringförmig ausgebildet.
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In einem Ausführungsbeispiel ist das Katalysatorelement 22 (zumindest teilweise) aus einem Metallgestrick gebildet, das mit einer katalytisch aktiven Komponente beschichtet ist. Alternativ kann der Katalysator auch durch eine monolithische Katalysatoranordnung ausgebildet sein.
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Um das Katalysatorelement 22 in Bezug auf den Abgasaustritt optimal zu positionieren, ist ein Abstandshalter 23 auf den Brennerflansch 21 aufgesteckt. Der Abstandshalter 23 ist dabei als einstückiges Blechelement, insbesondere Federbandstahlelement, ausgebildet. An einem oberen Ende liegt der Abstandshalter an einem Kragen 21a des Brennerflansches 21 an.
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Ein unteres Ende des Katalysatorelements 22 liegt an der Stufe 14 des Wärmeübertragers an. Die Stufe 14 ist dazu ausgebildet und/oder derart angeordnet, das Katalysatorelement 22 zwischen der Stufe 14 und dem Abstandshalter 23 (nach Montage) formschlüssig zu fixieren.
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In 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Abstandshalters 23 dargestellt.
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Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Abstandshalter 23 im Wesentlichen c-förmig ausgebildet, derart, dass der Abstandshalter 23 einen Öffnungsbereich 30 aufweist und der Abstandshalter 23 über diesen Öffnungsbereich 30 in radialer Richtung 23b (siehe auch 5) auf den Brennerflansch 21 aufgesteckt werden kann bzw. von diesem absteckbar (abziehbar) ist.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der Abstandshalter auch derart ausgebildet sein, um axial auf den Brennerflansch 21 aufgesteckt zu werden. Hierfür könnte der Öffnungsbereich 30 beispielsweise auch verhältnismäßig klein oder geschlossen ausgebildet sein.
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Der Abstandshalter 23 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 3 weist neun jeweils zueinander abgewinkelten Biegesegmente 31 auf, derart, dass der Abstandshalter 23 einen polygonalen Querschnitt aufweist.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel von 3 weist der Abstandshalter neun Biegesegmente 31 auf. Die Biegesegmente 31 weisen dabei jeweils (zumindest im Wesentlichen) die selbe Länge auf. Alternativ kann die Anzahl der Biegesegmente 31 variieren - beispielsweise können zwölf Biegesegmente 31 realisiert werden. Auch die jeweiligen Längen der einzelnen Biegesegmente 31 können in alternativen Ausführungsbeispielen voneinander abweichen.
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Der Abstandshalter 23 kann beispielsweise aus Federstahl (1.4310) bestehen, um eine bestmögliche Verarbeitbarkeit und/oder eine optimale Rückstellkraft nach dem Aufstecken auf den Brennerflansch 21 bereitzustellen.
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Zudem weist der Abstandshalter 23 mehrere Prägebereiche 32 auf, die jeweils zwei benachbarte Biegesegmente 31 verbinden. Wobei die Prägebereiche 32 vorzugsweise gleichmäßig entlang einer Umfangsmittellinie 32a des Abstandshalters 23 angeordnet sind.
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Mittels der Prägebereiche 32 wird ein Auffedern des Materials aufgrund elastischer Rückfederung beim Biegen (Herstellen) des Abstandshalters 23 vermieden. So wird eine genaue Bemaßung des Abstandshalters 23 eingehalten und die Formstabilität des Abstandshalters 23 erhöht.
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Die Prägebereiche 32 können in einem Verfahren zum Herstellen des Abstandshalters 23 in ein (noch planes) längliches Blechelement eingeprägt werden, bevor es durch mehrere Biegeschritte in eine Vielzahl, vorzugsweise neun, Biegesegmente 31 gebogen wird, derart, dass der Abstandshalter 23 nach dem Durchführen der Biegeschritte einen im Wesentlichen c-förmigen und/oder im Wesentlichen polygonalen Querschnitt aufweist. Das Verfahren kann optional auch einen Schritt zum Einprägen von Kontaktvorsprüngen 33 aufweisen.
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Wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 dargestellt ist, weist der Abstandshalter drei Kontaktvorsprünge 33 auf. Die Kontaktvorsprünge 33 sind auf einer Innenseite des Abstandshalters 23 angeordnet. Wobei unter Innenseite die Seite zu verstehen ist, die nach dem Aufstecken auf den Brennerflansch mit der Oberfläche des Brennerflanschs 21 in Kontakt tritt (siehe z.B. 2).
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Durch die Kontaktvorsprünge 33 wird eine anliegende Kontaktfläche zwischen Abstandshalter 23 und Brennerflansch 21 minimiert, um eine ggf. auftretende Kontaktkorrosion zu vermeiden bzw. wesentlich zu minimieren.
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Die (vorbestimmte) Position des Katalysatorelements 22 an dem Brennerflansch wird durch die Höhe H des Abstandshalters 23 bestimmt.
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So ist es beispielsweise denkbar, für zwei Katalysatorelemente 22, die sich im Hinblick auf ihre jeweilige Höhe unterscheiden, zwei unterschiedliche Abstandshalter 23 mit jeweils entsprechender Höhe H zu verwenden. So ist die Heizvorrichtung besonders flexibel, da unterschiedliche Katalysatorelemente 22 und/oder unterschiedle Abstandshalter 23 verwendet werden können.
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Die entsprechende Höhe H eines jeden Abstandshalters 23 ist dabei auf die optimale Position des Katalysatorelements 22 in Bezug auf die Position des Abgasaustritts der Heizvorrichtung ausgelegt.
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In 4 ist eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels des Abstandshalters 23 dargestellt.
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Der Abstandshalter 23 weist im Querschnitt eine im Wesentlichen c-förmige und/oder eine im Wesentlichen polygonale Querschnittsform auf. Diese Querschnittsform ergibt sich anhand von zueinander abgewinkelten Biegesegmenten 31.
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Wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 ein Abstandshalter mit neun Biegesegmenten 31 dargestellt. Bei neun Biegesegmenten 31 sind diese beispielsweise jeweils um ca. 150° zueinander abgewinkelt, so dass der Abstandshalter 23 insgesamt im Wesentlichen einen 270° Winkel einschließt mit einem Öffnungsbereich 30 von im Wesentlichen 90° aufweist.
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Der Abstandshalter 23 weist einen (gedacht vervollständigten) Innenkreisdurchmesser 23a auf, der kleiner, insbesondere geringfügig kleiner, ist als ein Durchmesser des Brennerflansches 21. Derart wird beim Aufstecken des Abstandshalters auf den Brennerflansch 21 über die Elastizität des Materials des Abstandshalters 23 die nötige Rückstellkraft für eine kraftschlüssige Verbindung bzw. Klemmung des Abstandshalters 23 auf dem Brennerflansch 21 bereitgestellt. Beispielsweise kann ein Federstahl 1.4310 verwendet werden, um eine bestmögliche Verarbeitbarkeit und/oder eine optimale Rückstellkraft bereitzustellen.
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Der Abstandshalter 23 bzw. das Blechelement weist eine Wandstärke d in einem Bereich von 0,3 mm bis 0,9 mm weiter vorzugsweise von weniger als 1 mm, auf. Besonders bevorzugt ist eine Wandstärke d (senkrecht zu einer Abgasströmungsrichtung R, siehe 5) des Abstandshalters 23 von 0,5 mm.
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Durch die geringe Wandstärke d des Abstandshalters 23 wird die Abgasströmung nur minimal beeinträchtigt.
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In 5 ist eine schematische Darstellung gezeigt, die das Aufstecken des Abstandshalters 23 auf den Brennerflansch 21 verdeutlicht.
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Die Brennervorrichtung 20 weist einen Brennerflansch 21 sowie ein Brennerrohr 24 auf. Die aus dem Brennerrohr austretenden Abgase strömen (innerhalb des in 5 nicht gezeigten Wärmeübertragers) in der Abgasströmungsrichtung R an der Brennervorrichtung 20 entlang nach oben in Richtung des Katalysatorelements 22.
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Das Katalysatorelement 22 ist auf den Brennerflansch 21 aufgesteckt. Um das Katalysatorelement 22 in einer optimalen Position (in Bezug auf die Abgasströmungsrichtung R) zu positionieren und/oder zu fixieren, wird der Abstandshalter 23 in einer radialen Richtung 23b („radial“ bezieht sich auf den Abstandshalter) auf den Brennerflansch aufgesteckt.
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Alternativ ist es denkbar den Abstandshalter 23 zuerst in axialer Richtung R auf den Brennerflansch 21 aufzustecken und anschließend das Katalysatorelement 22 auf den Brennerflansch 21 aufzustecken.
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Nach einer (in 5 nicht gezeigten) Montage des Wärmeübertragers können Abstandshalter und Katalysatorelement nicht mehr verschoben werden.
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In 6 ist eine Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung dargestellt.
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Die Brennervorrichtung 20 ist in einen Wärmeübertrager 10 eingesetzt.
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Auf den Brennerflansch 21 ist ein Abstandshalter 23 aufgesteckt. Der Abstandshalter 23 liegt an seinem oberen Ende an einem Kragen 21a der Brennervorrichtung 20 an.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 ist die Höhe H des Abstandshalters 23 so konfiguriert, dass das Katalysatorelement 22 einen Luftzuführungsbereich 27, der innerhalb des Brennerflansches 21 angeordnet ist, zumindest teilweise überdeckt.
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Der Luftzuführungsbereich 27 weist mehrere Luftzuführungsöffnungen 28 auf, die zu einer (nicht dargestellten) Brennkammer der Brennervorrichtung 20 innerhalb des Brennerflansches 21 führen.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 ist die Höhe H des Abstandshalters so konfiguriert, dass ein oberes Ende 22a des Katalysatorelements 22 in der vorbestimmten Position im Wesentlichen auf gleicher Höhe mit einem unteren Ende 26a des Abgasaustritts 26 der Heizvorrichtung liegt.
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Auf diese Weise kann das Katalysatorelement 22 möglichst nahe an dem Abgasaustritt 26 positioniert werden, ohne dass das Katalysatorelement 22 eine Strömung des Abgases durch den Abgasaustritt beeinträchtigt (blockiert).
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Das Katalysatorelement 22 liegt an seinem oberen Ende an dem Abstandshalter 23 an.
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An einem unteren Ende des Katalysatorelements 22 liegt das Katalysatorelement 22 auf einer Stufe 14 des Wärmeübertragers 10.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 ist die Stufe 14 durch ein oberes Ende der Wärmeübertragerrippen 23 gebildet.
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Die oberen Enden der Wärmeübertragerrippen 23 erstrecken sich teilweise über den Luftzuführungsbereich 27 innerhalb des Brennerflansches 21.
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An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere der in den Zeichnungen dargestellten Details als erfindungswesentlich beansprucht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Wärmeübertrager
- 11
- zweiter Bereich des Wärmeübertragers
- 12
- erster Bereich des Wärmeübertragers
- 13
- Wärmeübertragerrippen
- 14
- Stufe
- 15
- Volumen
- 20
- Brennervorrichtung
- 21
- Brennerflansch
- 21a
- Kragen
- 22
- Katalysatorelement
- 22a
- oberes Ende
- 23
- Abstandshalter
- 23a
- radiale Richtung / Aufsteckrichtung des Abstandshalters
- 23b
- Innenkreisdurchmesser des Abstandshalters
- 24
- Brennerrohr
- 25
- Brennrohr-Abgasaustritt
- 26
- Abgasaustritt
- 26a
- unteres Ende
- 27
- Luftzuführbereich
- 28
- Luftzuführöffnung(en)
- 30
- Öffnungsbereich
- 31
- Biegesegmente
- 32
- Prägebereiche
- 32a
- Umfangsmittellinie
- 33
- Kontaktvorsprünge
- d
- Wandstärke des Abstandshalters
- H
- Höhe des Abstandshalters
- R
- Abgasströmungsrichtung
