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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zum Erwärmen von Luft und einem Medium. Das Medium ist beispielsweise eine Flüssigkeit wie Wasser.
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Im Stand der Technik ist es bekannt, thermische Energie aus der Anwendung von elektrischem Strom oder aus der Verbrennung von beispielsweise Propan, Butan oder in den gasförmigen Zustand überführten Dieselkraftstoff zu gewinnen und über einen Wärmetauscher auf eine Flüssigkeit, z. B. Brauchwasser zu übertragen. Es ist auch bekannt, dass solche Vorrichtungen ergänzend als Luftheizungen dienen und z. B. Raumluft erwärmen.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen Wärmetauscher vorzuschlagen, der sich durch möglichst gute Übertragung der thermischen Energie auszeichnet und der insbesondere für eine Vorrichtung zum Erwärmen von wahlweise Luft und / oder einem Medium geeignet ist.
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Die Erfindung löst die Aufgabe durch einen Wärmetauscher, mit einem Brennraum, mit einem Luftführungsraum und mit einem Mediumsführungsraum, wobei der Luftführungsraum den Brennraum radial umgibt und wobei der Mediumsführungsraum den Luftführungsraum radial umgibt. Da sich der Mediumsführungsraum radial außen am Wärmetauscher befindet, kann ein möglicher Frostschaden, der sich durch einfrierendes Medium (z. B. Wasser) einstellen könnte, den Brennraum nicht beschädigen und insbesondere nicht dazu führen, dass Rauchgase in die zu erwärmende Luft gelangen.
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Eine Ausgestaltung des Wärmetauschers sieht vor, dass der Mediumsführungsraum mantelartig ausgestaltet ist. Der Mediumsführungsraum umgibt in dieser Ausgestaltung den Luftführungsraum über einen längeren axialen Bereich und zeichnet sich in Relation zu seiner - entlang einer Längsachse des Wärmetauschers sich ersteckenden - axialen Ausdehnung durch eine geringere radiale Dicke aus.
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In einer Ausgestaltung ist der Mediumsführungsraum geschlitzt. Die Komponente, die den Mediumsführungsraum bildet, ist somit in dieser Ausgestaltung nicht umlaufend geschlossen, sondern es ergibt sich eine schlitzartige Lücke, die sich entlang der Längsachse des Wärmetauschers erstreckt.
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Eine Ausgestaltung des Mediumsführungsraums beinhaltet, dass er rohrförmig und mehrfach um den Luftführungsraum des Wärmetauschers herumlaufend ausgestaltet ist. Die Ausgestaltung erzielt zwei Zwecke: Zum einen ergibt sich eine gesteigerte Stabilität gegen den Mediumsdruck. Zum anderen ergibt sich eine Gleichverteilung der Mediumsströmung über die gesamte, vom dem Mediumsführungsraum umhüllten Wärmetauscheroberfläche. Damit stellt sich ein guter Wärmeübergang ein und werden Hot-Spots vermieden.
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Eine Ausgestaltung des Wärmetauschers beinhaltet, dass der Mediumsführungsraum zumindest eine Spannvorrichtung aufweist, und dass die Spannvorrichtung so ausgestaltet und angeordnet ist, dass die Spannvorrichtung den Mediumsführungsraum so auf den Luftführungsraum presst, dass sich dazwischen ein guter thermischer Kontakt ergibt. In einer Ausgestaltung umgibt die Spannvorrichtung radial den Mediumsführungsraum. Alternativ wirkt der geschlitzte Mediumsführungsraum selbst als Spannvorrichtung und lediglich über den Schlitz befindet sich eine als Feder wirkende Komponente. Die Spannvorrichtung besteht beispielsweise aus mindestens einem radial umlaufenden Band. Die Spannvorrichtung ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn der Mediumsmantel geschlitzt ausgeführt ist. Die Spannvorrichtung drückt dann die Komponenten aneinander und in Richtung des Innenraums des Wärmetauschers. Dadurch wird ein möglichst enger Kontakt für eine hohe Übertragungsfähigkeit der thermischen Energie erzeugt. Weiterhin wird verhindert, dass sich bei höheren Temperaturen des Wärmetauschers Komponenten voneinander entfernen und dadurch den Kontakt miteinander verlieren.
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Der Wärmetauscher besteht in einer Ausgestaltung zumindest teilweise aus Aluminium.
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Eine Ausgestaltung des Wärmetauschers sieht vor, dass ein innerer Ring mit radial nach innen gerichteten Rippen den Brennraum umfasst. Diese Rippen vergrößern die innere Oberfläche des Brennraums und verbessern somit den Wärmetransport von innen nach außen.
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Eine Ausgestaltung des Wärmetauschers beinhaltet, dass ein äußerer Ring mit sich radial erstreckenden Trägerelementen den Luftführungsraum umfasst. Die Trägerelemente vergrößern die für den Wärmeübergang an Luft zur Verfügung stehende Oberfläche im Luftführungsraum. Weiterhin haben sie eine Stützwirkung, damit der radial außen befindliche, aufgespannte Mediumsführungsraum den Brennraum und/oder den Luftführungsraum auch bei erhöhten Temperaturen, und damit möglicherweise einhergehenden reduzierten Festigkeitswerten, nicht verformt. Im Gegensatz zu dem - je nach Ausführung - geschlitzt ausgeführten Mediumsführungsraum ist der äußere Ring des Wärmetauschers vorzugsweise vollständig umlaufend (also nicht geschlitzt), sodass er bereits von sich aus eine möglichst hohe Steifigkeit gegenüber äußerem Druck (z. B. durch den aufgespannten Mediumsführungsraum) aufweist.
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Werden die zwei vorangehenden Ausgestaltungen miteinander kombiniert, so umgeben sich zwei Ringe (alternative Bezeichnung: Rohre), die im inneren Bereich über Rippen und im äußeren Bereich über Trägerelemente verfügen. Dies Trägerelemente bilden dabei in einer Ausgestaltung einen Kontakt zwischen den beiden Ringen. Dieser Kontakt hat zudem die Funktion, die im Brennraum erzeugte Wärme möglichst gut per Wärmeleitung durch den Luftführungsraum hindurch bis zum Mediumsführungsraum zu leiten.
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In einer Ausgestaltung sind die beiden Ringe und deren Strukturen z. B. als Strangpresskomponenten erzeugt. Für eine zwei- bzw. mehrteilige Ausgestaltung des Wärmetauschers kann beispielsweise je ein Ring und dessen Struktur ein Teil bilden.
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Eine Ausgestaltung des Wärmetauschers sieht vor, dass die Trägerelemente als einander überlappende gotische Bögen ausgestaltet sind.
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Eine Ausgestaltung des Wärmetauschers beinhaltet, dass die Trägerelemente als Rippen mit seitlichen Finnen ausgestaltet sind. Dabei sind in einer abhängigen Ausgestaltung die Finnen von benachbarten Rippen zueinander versetzt. Die benachbarten Finnen befinden sich in dieser Ausgestaltung auf jeweils unterschiedlichen radialen Abständen von einer Längsachse des Wärmetauschers.
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Eine Ausgestaltung des Wärmetauschers sieht vor, dass der Wärmetauscher mindestens ein elektrisches Heizelement aufweist. Durch das elektrische Heizelement kann die Heizleistung einer Brennvorrichtung erhöht werden bzw. ist eine alternative Art der Erzeugung von thermischer Energie gegeben.
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Eine Ausgestaltung des Wärmetauschers sieht vor, dass das mindestens eine elektrische Heizelement als Heizband ausgestaltet und um den Luftführungsraum herum angeordnet ist. Das Heizband ist beispielsweise zumindest teilweise als Glimmerpapier ausgestaltet. So ist beispielsweise ein elektrischer Heizdraht zwischen zwei Glimmerschichten angeordnet. Im Folgenden wird für dieses Ausführungsbeispiel daher auch die Bezeichnung Glimmer-Heizband verwendet.
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Ist das elektrische Heizelement zwischen dem Luftführungsraum und dem Mediumsführungsraum angeordnet, so ergibt sich dadurch vorzugsweise eine platzsparende, gute Wärmeanbindung zwischen den beiden Räumen.
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Wird für das Heizelement Glimmerpapier verwendet, so kann damit auch ein möglicher Luftspalt zwischen dem Luft- und dem Mediumsführungsraum - bzw. den Komponenten, die diese Räume umschließen - reduziert werden. Muskovit hat weiterhin eine hohe Temperaturbeständigkeit. In einer weiteren Ausgestaltung wird Phlogopit verwendet, falls eine noch höhere Temperaturbeständigkeit erforderlich ist.
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Das elektrische Heizelement, welches als Heizband ausgestaltet ist, ist vorzugsweise geschlitzt, um eine Wärmedehnung der aus Metall bestehenden Komponenten des Wärmetauschers ausgleichen zu können. In einer Ausgestaltung sind sowohl der Mediumsführungsraum als auch das Heizelement geschlitzt, sodass die Komponenten jeweils eine längs der Längsachse des Wärmetauschers verlaufende schlitzförmige Aussparung haben.
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In einer Ausgestaltung sind die vorgenannten zwei Ringe (innerer und äußerer Ring) vorhanden, die von dem Heizband und radial weiter außerhalb von einem Mediumsmantel oder einem umlaufenden Rohr für das Medium umgeben sind. Die Spannvorrichtung ist Teil des Mediumsmantels und sorgt für eine hinreichend enge Verbindung von Mediumsmantel, Heizband und Wärmetauscher.
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Weiterhin löst die Erfindung die Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Erwärmen von Luft und einem Medium, mit mindestens einem Wärmetauscher, wobei der Wärmetauscher nach einem der vorangehenden oder folgenden Ausgestaltungen ausgeführt wird. Die Erläuterungen zu dem Wärmetauscher gelten entsprechend auch für die Vorrichtung, sodass auf eine Wiederholung verzichtet wird. Dies gilt insbesondere für die Betriebsmodi, die der Wärmetauscher bei der Verwendung in der Vorrichtung erlaubt. Diese Modi und die damit einhergehenden Wärmeströme werden insbesondere im Folgenden diskutiert.
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Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Vorrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen:
- 1: eine räumliche Darstellung eines Brenners als Teil einer Vorrichtung zum Erwärmen eines Mediums und von Luft,
- 2: eine räumliche Darstellung des Brenners mit Wärmetauscher,
- 3: eine räumliche Darstellung des Brenners mit Wärmetauscher und Heizband,
- 4: eine weitere räumliche Darstellung des Brenners mit Wärmetauscher, Heizband und Mediumsmantel
- 5: einen vergrößerten Ausschnitt der Ausgestaltung der 4,
- 6: eine räumliche Darstellung eines angeschnittenen Teils des Mediumsmantels,
- 7: eine räumliche Darstellung eines angeschnittenen Teils des äußeren der beiden Bleche einer Ausgestaltung des Mediumsmantels der 6,
- 8: eine räumliche Darstellung durch die inneren Komponenten des Wärmetauschers,
- 9: eine vergrößerte Darstellung eines Teils einer alternativen Ausgestaltung des Wärmetauschers und
- 10: eine Draufsicht auf die Ausgestaltung der 9.
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Die 1 zeigt den Brenner 20, wie er in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erwärmen von Luft und einem Medium Verwendung findet. Oben befinden sich die Öffnungen für Luft, die bei der Verbrennung eines Kraftstoffs (z. B. Dieselkraftstoff oder ein brennbares Gas wie Propan und/oder Butan) erforderlich ist, und das Abführen des Rauchgases. In dem hier mit Rippen versehenen Block wird die Verbrennungsluft mit dem Kraftstoff vermischt und dann in dem rechts dargestellten Flammrohr verbrannt. Bei der Komponente auf der linken Seite handelt es sich beispielsweise um ein Alu-Druckgussteil, an dem der eigentliche Brenner bzw. das Flammrohr befestigt worden ist. Der - in den folgenden Abbildungen dargestellte - Wärmetauscher 1 (beispielsweise ein Alu-Strangpressprofil) kann durch Reibschweißen am Alu-Druckgussteil befestigt werden.
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Die 2 zeigt den Brenner 20 innerhalb des Wärmetauschers 1, dessen hier dargestellten Komponenten beispielsweise ein Strangpressprofil sind. Der Deckel des Wärmetauschers 1 ist hier nicht dargestellt, damit das Innere des Wärmetauschers 1 zu sehen ist. Zu erkennen ist die koaxiale Ausgestaltung des Wärmetauschers 1 mit dem Brennraum 2, der von dem Luftführungsraum 3 umgeben ist. In dem Brennraum 2 wird das Rauchgas geführt, um es zum einen abführen zu können und um zum anderen eine möglichst gute Wärmeübertragung zu ermöglichen. In dem Luftführungsraum 3 wird die Raumluft geführt und dabei erwärmt. Um den Luftführungsraum 3 herum befindet sich der - in den folgenden Abbildungen dargestellte - Mediumsführungsraum. Zu erkennen ist insbesondere auch der Aufbau des Wärmetauschers bestehend aus zwei Ringen mit Rippen bzw. Trägerelementen. Die Ringe können alternativ auch als Rohre bezeichnet werden.
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Die 3 zeigt den Brenner 20 sowie den Wärmetauscher der 2 mit einem Abschlussdeckel, der im hier dargestellten Beispiel ein Alu-Druckgussteil ist, das beispielsweise per Reibschweißen befestigt wird. Das aus dem Flammrohr strömende Rauchgas wird somit in dem Wärmetauscher 1 umgelenkt und kann durch die passende Abführungsöffnung (vgl. 1) abgeführt werden. Dargestellt ist das elektrische Heizelement 11, welches als geschlitzter Mantel ausgeführt ist.
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In der 4 ist der Mediumsführungsraum 4 durch mäandrierende Rohrleitungen zu erkennen. Die am Schlitz zu erkennende Mäanderform bewirkt eine Gleichverteilung des erwärmten Mediums in dem Hohlraum.
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An den Stirnenden ist jeweils ein Ein-/Auslass 13 zu erkennen, durch die das Medium in den Mediumsführungsraum 4 eingebracht bzw. daraus entnommen werden kann.
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Weiterhin ist der Mediumsführungsraum 4 insgesamt als entlang der Längsachse geschlitzter Mantel zu erkennen, an dessen Enden sich die Ein-/Auslässe 13 befinden. Die Position an der unteren Stelle des Wärmetauschers 1 bzw. der Vorrichtung bewirkt, dass der Mediumsführungsraum 4 durch die Schwerkraft entleert werden kann. Der Schlitz kann die Wärmeausdehnung des Mantels und des innenliegenden Wärmetauschers 1 ausgleichen. Der Mantel selbst ist beispielsweise aus zwei Blechen gefertigt, die miteinander verscheißt oder verlötet sind. In einer Variante ist eine Strömungsführung z. B. durch Sicken / Tiefziehen gegeben, um eine möglichst homogene Strömungsverteilung zu erzielen.
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Angedeutet ist über eine doppelte Pfeilform eine Spannvorrichtung 12, welche sich radial außerhalb des Mantels befindet und welche eine Verspannung in Umfangsrichtung erzeugt. In einer Ausgestaltung sind zwei Komponenten als Spannvorrichtung 12 vorhanden. Die Spannvorrichtung 12, z. B. in Form mindestens einer Schelle, wirkt im Betrieb der Vorrichtung der Temperaturausdehnung des Wärmetauschers 1 entgegen. Somit sorgt die Spannvorrichtung 12 für eine Minimierung des Abstands und des sich dadurch bildenden wärmedämmenden Luftspalts zwischen dem äußeren Ring 7 und dem Mediumsführungsraum 4. Damit soll die möglichst gute Übertragung der thermischen Energie beibehalten werden. Zugleich wird ein mögliches Überhitzen der Bauteile verhindert. Die Spannvorrichtung 12 kann dabei eine den Mediumsführungsraum 4 radial vollständig umgebende Komponente sein oder der Mediumsmantel, der den Mediumsführungsraum 4 umgibt, wirkt selbst als Spannvorrichtung 12 und ein Schlitz in dem Mediumsmantel wird durch eine als Feder wirkende Komponente überspannt.
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In der 5 ist ein vergrößerter Ausschnitt der Ausgestaltung der 4 dargestellt. Zu erkennen sind dabei die Rippen 3 innerhalb des Luftführungsraum (vgl. 10 oder 11). Darum herum befindet sich ein elektrisches Heizelement 11, das als flächiges Heizband ausgeführt ist. Radial außerhalb befindet sich der Mediumsführungsraum 4, der aus den Rohrelementen gebildet wird. Durch diese wird im Betrieb das zu erwärmende Medium, z. B. Wasser gepumpt.
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Die umlaufende Rohrstruktur des Mediumsführungsraums 4 zeigt die 6. Dort ist oben zu erkennen, wie die Rohre umgelenkt werden. Unten ist in dem Schnitt zu sehen, wie sich die nebeneinander liegenden Rohre für das Führen des Mediums ergeben.
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Die 7 zeigt das äußere von zwei Blechen, aus denen der Mediumsführungsraum 4 in der Ausgestaltung von 6 gebildet wird. In dem Blech sind die Kanäle für das Medium eingeprägt. Es ergeben sich nebeneinander liegende Rohrabschnitte für das Medium, die abwechselnd durch umlenkende Abschnitte sowie dazu leicht versetzt liegenden Querkanälen miteinander verbunden sind. Befindet sich der Schlitz des Mantels (und damit auch die umlenkenden Abschnitte sowie die Querkanäle) bei dieser Ausführung unten, so lässt sich der vom Mantel gebildete Mediumsführungsraum 4 allein durch Schwerkraft ausreichend gut entleeren. So wird eine Beschädigung des Mantels durch Eisbildung bei niedrigen Temperaturen vermieden.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgen Wärmeerzeugung und -transport wie folgt und für folgende Anwendungsfälle:
- Die Verbrennungswärme wird auf die (Umgebungs-)Luft übertragen, indem das Rauchgas im Brennraum 2 die Wärme an den inneren Ring 5 und an den umgebenden Luftführungsraum 3 weiterleitet. Ein - hier nicht dargestelltes - Gebläse fördert Luft durch den Luftführungsraum 3, welche sich dabei erwärmt.
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Die Verbrennungswärme kann an alternativ auf das Medium, z. B. Wasser, übertragen werden, indem die Wärme des Rauchgases über den inneren Ring 5, die Trägerelemente 8 bzw. die Rippen 9, und den äußeren Ring 7 nach außen geleitet wird. Das zuvor genannte Gebläse fördert keine Luft durch den Luftführungsraum 3. Die Wärme wird durch das elektrische Heizelement 11, z. B. ein Glimmer-Heizband, an den Mediumsführungsraum 4 weitergeleitet, der hier von einem Mediumsmantel gebildet wird. Eine Pumpe fördert dabei das Medium durch den Mediumsführungsraum, welches sich dabei erwärmt.
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Elektrowärme kann durch das elektrische Heizelement 11 auf Luft übertragen werden, indem die thermische Kopplung zwischen dem Heizelement 11 und dem äußeren Ring 7 ausgenutzt und das vorgenannte Gebläse die zu erwärmende Luft fördert. Wird umgekehrt das Gebläse nicht betätigt, so kann die Elektrowärme auf das Medium in dem Mediumsführungsraum 4 übertragen werden. Dabei fördert die - nicht dargestellte - Pumpe das Medium.
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Die 8 zeigt ein Alu-Strangpressprofil, welches als zentrales Teil des Wärmetauschers 1 dient. Zu sehen ist der innere Ring 5, der den Brennraum 2 umgibt, und der äußere Ring 7, der den Luftführungsraum 3 umgibt. Die beiden Ringe 5, 7 umgeben hier konzentrisch die gemeinsame Längsachse des Wärmetauschers. In den Brennraum 2 erstrecken sich Rippen 6, die radial vom inneren Ring 5 in Richtung Innenraum verlaufen. Zwischen diesen Rippen 6 strömt somit im Betrieb der Vorrichtung das Rauchgas. Zwischen dem inneren Ring 5 und dem äußeren Ring 7 befinden sich Trägerelemente 8. Die Trägerelemente 8 sind hier als gotische Bögen ausgeführt, die sich jeweils überlappen. Zwischen den Trägerelementen 8 wird im Betrieb die zu erwärmende Luft geführt. Durch die Bogenform wird auch eine Stabilisierung gegen ein Verdrehen zwischen den zwei Ringen 5, 7 gegeneinander erreicht.
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Die 9 zeigt eine alternative Ausgestaltung zur Variante der 8. Die Trägerelemente 8 bestehen hier aus Rippen 9, an deren Seiten sich Finnen 10 befinden. Die Finnen 10 von benachbarten Rippen 9 sind dabei in der Höhe zueinander versetzt. Zu erkennen ist die Mehrteiligkeit des Wärmtauschers. Der innere Ring 5 verfügt auf seiner Außenseite über Nuten, in welche die Rippen 9 des äußeren Rings 7 einbringbar sind.
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Die 10 zeigt die Variante der 9 in der Draufsicht. Zu erkennen ist dabei der innere Ring 5 mit seinen Rippen 6, die in den Brennraum 2 hineinragen. In den Nuten des inneren Rings 5 befinden sich die Rippen 9 des äußeren Rings 7
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmetauscher
- 2
- Brennraum
- 3
- Luftführungsraum
- 4
- Mediumsführungsraum
- 5
- innerer Ring
- 6
- Rippe
- 7
- äußerer Ring
- 8
- Trägerelement
- 9
- Rippe
- 10
- Finne
- 11
- elektrisches Heizelement
- 12
- Spannvorrichtung
- 13
- Ein-/Auslass
- 20
- Brenner
