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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen mit Festbrennstoffen, wie z. B. Biomasse, Pellets, Kohle oder kleinen Holzblöcken betriebenen Brenner, welcher ohne die Verwendung elektrischer Energie funktioniert und der daher für verschiedene Anwendungen geeignet ist.
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Technischer Hintergrund der Erfindung
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Die Verwendung von Biomasse, wie Holzspäne, Sägespäne, Rinde und Ähnlichem als Brennstoff für Brenner, Öfen oder andere Heizsysteme ist bekannt.
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Im Allgemeinen umfasst ein Brenner für Festbrennstoffe im Wesentlichen einen Rückhaltebehälter für Brennstoff, einen Feuerraum, ein Gitter und ein Abzugsrohr. Der Behälter für den Brennstoff ist über dem Feuerraum befestigt und an seinem unteren Ende offen, um den Brennstoff in dessen Inneres abzugeben. Der Brennstoff, welcher in das Innere des Feuerraumes gelangt, wird auf dem Gitter gelagert und knapp über dem Gitter ist ein Eingang für die Primärluft vorgesehen, welcher im Allgemeinen die Form einer Vielzahl von in einer Kreislinie an den Wänden des unteren Teiles des Tanks angebrachten Löchern aufweist. Das Abzugsrohr ist mit dem Feuerraum verbunden und dafür geeignet, die Verbrennungsgase abzuführen. Gegebenenfalls führt ein am Boden des Feuerraumes angebrachter Wärmetauscher einen Wärmeaustausch zwischen der Hitze des austretenden heißen Rauches und der Luft oder des Frischwassers durch.
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Eine wie oben beschriebene Vorrichtung bedarf üblicherweise elektrischen Stromes, z. B. um ein Gebläse zum Abziehen des heißen Rauches oder eine Förderschnecke zur Zuführung des Festbrennstoffes in den Feuerraum zu speisen: das begrenzt sehr stark die Verwendungsmöglichkeiten des Brenners.
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Übersicht über die Erfindung
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Hauptaufgabe hinsichtlich des Zieles der vorliegenden Erfindung ist es, einen mit Festbrennstoffen betriebenen Brenner zu liefern, der ohne die Verwendung von elektrischem Strom funktioniert.
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Im Rahmen der oben dargelegten Aufgabe besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, einen mit Festbrennstoffen betriebenen Brenner herzustellen, welcher eine ziemlich hohe Effizienz aufweist.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen einfach herzustellenden und extrem günstigen Brenner zu erhalten.
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Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, einen praktischen und zweckmäßigen Brenner zu liefern, welcher außerdem auch eine hohe Sicherheit für den unerfahrenen Anwender garantiert.
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Die vorliegende Erfindung möchte des Weiteren einen extrem vielseitig einsetzbaren Brenner liefern, der sich auch für sehr unterschiedliche Anwendungen eignet.
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Noch ein weiteres Ziel ist es, einen Brenner herzustellen, welcher mit den gewöhnlichen und bekannten Installationen, Maschinen und Geräten erhältlich ist.
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Die oben angeführte Aufgabe und die oben angeführten Ziele und andere, die im Folgenden besser dargestellt werden, werden von einem mit Festbrennstoff betriebenen Brenner erreicht, wie in Anspruch 1 definiert; weitere vorteilhafte Eigenschaften sind in den davon abhängigen folgenden Ansprüchen definiert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Vorteile und Eigenschaften der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung offensichtlich, welche als reines, nicht beschränkendes Beispiel mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erklärt wird, in welchem gilt:
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1 und 2 sind jeweils eine Seitenansicht und eine Vorderansicht eines Brenners nach der vorliegenden Erfindung;
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3 zeigt einen Brenner der vorliegenden Erfindung, welcher entlang der in 1 dargestellten Ebene A-A geschnitten ist;
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4 zeigt einen Brenner der vorliegenden Erfindung, welcher entlang der in 2 dargestellten Ebene B-B geschnitten ist;
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5 ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform des Brenners nach der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung
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Die richtungsweisenden Termini, welche verwendet werden, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben, wie „oben, unten, vertikal, horizontal, unterhalb und oberhalb”, wie auch jeder andere ähnliche richtungsweisende Terminus, müssen hinsichtlich eines bereits verwendeten Brenners interpretiert werden.
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Bezugnehmend auf 1 und 2 ist ein Brenner 10 nach der vorliegenden Erfindung dargestellt, der für die Zufuhr von Festbrennstoff geeignet ist, bevorzugt vorgesehen in Form einer Vielzahl von genügend festen Elementen, wie z. B. kleine Blöcke gepresster Sägespäne (Pellets), Biomasse, kleine Holzblöcke oder Kohle.
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Der Hauptkörper des Brenners 10 erstreckt sich bevorzugt entlang einer vertikalen Achse X-X und besteht im Wesentlichen aus einem Rückhaltebehälter 1 für den Brennstoff, einem Feuerraum 2 und einer zweiten Kammer 6, die von dem Feuerraum 2 durch ein Gitter 3 getrennt ist.
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Der Behälter 1 besteht bevorzugt aus einem hohlen Rohrkörper, der mit einer ersten bevorzugt oben angebrachten Öffnung 1A zur Einführung des Festbrennstoffes versehen ist und einer zweiten bevorzugt unten angebrachten Öffnung 1B, mittels welcher der Behälter 1 mit dem Feuerraum 2 verbunden ist, welcher sich vorteilhafterweise unter dem Behälter 1 befindet. Ein bevorzugt trichterförmiges Verbindungsstück kann zwischen dem Behälter 1 und dem Feuerraum 2 vorgesehen werden.
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Ein Schließ-/Öffnungselement 5 oder ein Stöpsel kann so an der Öffnung 1A angebracht werden, dass es/er wieder abnehmbar ist: im Besonderen verschließt der Stöpsel 5 den Behälter 1 während des Betriebes des Brenners 10 hermetisch, während der Stöpsel 5, wenn der Brenner 10 nicht in Betrieb ist, abgenommen werden kann, um den Festbrennstoff in den Behälter 1 zu füllen.
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Das bevorzugt horizontal angebrachte Gitter 3 begrenzt den Feuerraum 2 unten und trennt ihn von der zweiten Kammer 6, welche zur Sammlung der Asche und als Zündvorrichtung für die Verbrennung dient. Das Gitter 3 ist bevorzugt im Inneren des Brenners 10 beweglich: tatsächlich können erste manuell oder automatisch aktivierte Regulierungsmechanismen (nicht gezeigt) vorgesehen werden, so dass die Position des Gitters 3 im Inneren des Brenners 10 verändert werden kann, indem folglich die jeweiligen Volumen des Feuerraumes 2 und des zweiten Raumes 6 verändert werden.
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Ausziehbare Teile 7, wie z. B. eine Schublade, ermöglichen es, ins Innere der zweiten Kammer 6 zu gelangen; im Besonderen kann die Schublade 7 vor dem Verbrennungsbeginn für die Aufnahme eines Anzünders und am Ende des Verbrennungsvorganges für die Entfernung der sich in der zweiten Kammer 6 gebildeten Asche verwendet.
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Eine dritte, bevorzugt runde Öffnung 2A ist in einer Seitenwand des Feuerraumes 2 vorgesehen, welche den Eintritt der nötigen Primärluft für den Beginn und die Erhaltung der Verbrennung erlaubt; die dritte Öffnung 2A kann mit einem Eingangsrohr 8 verbunden werden, das vom Feuerraum 2 nach außen führt und hinsichtlich der Vertikalachse X-X bevorzugt nach oben gebogen ist.
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Eine vierte Öffnung 2B, auch diese bevorzugt rund, ist vorteilhafterweise so in einer Wand des Feuerraumes 2 angebracht, dass sie sich gegenüber der dritten Öffnung 2A für den Eintritt der Primärluft befindet; die vierte Öffnung 2B ist geeignet, die sich während der Prozesse im Inneren des Brenners 10 entwickelnden Gase abzuführen. Offensichtlich können die dritte und vierte Öffnung 2A, 2B unterschiedliche Maße und Geometrien aufweisen, so z. B. vieleckig sein, ohne damit von dem erfinderischen Gedanken der Erfindung abzuweichen.
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Die vierte Öffnung 2B ist bevorzugt an ein Abführrohr 9 anzuschließen, welches vorteilhafterweise aus einem ersten Teilstück 9A besteht, das direkt mit der vierten Öffnung 2B verbunden ist und das sich entlang einer im Wesentlichen rechtwinkligen Achse hinsichtlich der Vertikalachse X-X erstreckt, entlang derer sich der Hauptkörper des Brenners 10 befindet, und ein zweites Teilstück 9B, dargestellt in 1, das bevorzugt mittels eines Winkelstückes mit dem ersten Teilstück 9A verbunden ist und sich entlang der im Wesentlichen zur Vertikalachse X-X parallel verlaufenden Achse erstreckt.
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Das erste Teilstück 9A ist bevorzugt mit einer oder mehreren Öffnungen 11 versehen, welche geeignet sind, den Eintritt der Sekundärluft und ihrer Mischung mit den bei der Verbrennung entstandenen Gasen zu erlauben.
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Vorteilhafterweise, wie weiter unten erklärt, hat das zweite Teilstück 9B eine Vertikalausdehnung, die mindestens der des Brennerkörpers entspricht, welcher den Behälter 1, den Feuerraum 2 und die zweite Kammer 6 umfasst; in anderen Worten, das obere Loch 19 des zweiten Teilstückes 9B befindet sich fast auf derselben Ebene Y auf der sich die erste Öffnung 1A des Behälters 1 befindet, bevorzugt sogar oberhalb dieser, wie in 1 dargestellt.
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Gemäß einer besonderen Eigenschaft und besonders vorteilhaft für die Erfindung ist im Inneren des Feuerraumes 2, und bevorzugt in der Nähe der zweiten Öffnung 1B des Behälters 1, eine Ablenkplatte 4 vorgesehen.
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Diese ist vorteilhafterweise quer zu dem Schnitt des Feuerraumes 2 angeordnet, so dass mindestens ein freier seitlicher Hohlraum 14 für den kontrollierten Eintritt des Brennstoffes in den Feuerraum 2 bleibt.
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Wie im Besonderen in 3 zu sehen ist, hat die Ablenkplatte 4 bevorzugt eine umgekehrte V-Form und wird z. B. aus zwei flachen Teilstücken 4B hergestellt, welche entlang eines Firstteils 4A verbunden sind, der sich quer zum Schnitt von einer Seite des Feuerraumes zur anderen erstreckt.
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Die zwei flachen Teilstücke 4B der Ablenkplatte 4 erstrecken sich dagegen in das Innere des Feuerraumes 2, ohne jedoch mit ihren eigenen freikantigen Teilstücken die Seitenteile dieses Raumes zu berühren, und die daher jeweils Hohlräume 14 freilassen; vorteilhafterweise, wie weiter unten erklärt, sind die flachen Teilstücke 4B „tangential” an den festgelegten Löchern der Öffnungen 2A und 2B angeordnet.
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Wenn sich im Inneren des Behälters 1 Festbrennstoff befindet, sinkt dieser aufgrund der Schwerkraft herab und gelangt an die zweite Eintrittsöffnung 1B in den Feuerraum 2. Dort erlaubt die Anwesenheit der Ablenkplatte 4 den kontrollierten Eintritt des Brennstoffes in Feuerraum: tatsächlich überlädt der Brennstoff den Feuerraum 2 nicht vollständig, sondern dringt nur über die Hohlräume 14 ein, welche, wie gesagt, zwischen den freien Kanten der flachen Teilstücke 4B und den Wänden des Feuerraumes 2 gebildet werden. Aufgrund der Form und der Anordnung der Ablenkplatte 4 erreicht der Brennstoff den Feuerraum 2 daher von der Seite und häuft sich in der Nähe seiner Seitenwände an, ohne jedoch die dritte und vierte Öffnung 2A, 2B zu verstopfen.
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Gegebenenfalls können zweite manuell oder automatisch aktivierbare Regulierungsmechanismen (nicht gezeigt) vorgesehen werden, die eine Änderung der Position der Ablenkplatte 4 erlauben, wobei folglich auch das Volumen des Feuerraumes 2 geändert wird. Außerdem kann auch der zwischen den beiden flachen Teilstücken 4B festgelegte Winkel geändert werden, wobei so die Größe der Hohlräume 14 und folglich auch die Brennstoffmenge, die den Feuerraum 2 erreicht, reguliert wird.
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Der Brenner 10 wird folgendermaßen betrieben: Der Behälter 1 wird anfangs mit dem Festbrennstoff gefüllt, indem er durch die erste Öffnung 1A, von welcher der Stöpsel 5 entfernt wurde, beladen wird. Wie bereits gesagt, dringt ein Teil des Brennstoffes ins Innere des Feuerraumes 2 ein, fällt durch die von der Abdeckplatte 4 freigelassenen Hohlräume 14 und häuft sich auf dem Gitter 3 und an den Seitenwänden des Feuerraumes 2 an, ohne jedoch die dritte Öffnung 2A für den Eintritt der Primärluft und die vierte Öffnung 2B für den Abzug der Gase zu verstopfen.
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Sobald die gewünschte Menge des Brennstoffes ins Innere des Behälters 1 eingeführt wurde, wird der Stöpsel 5 auf der ersten Öffnung 1A fest oder hermetisch geschlossen.
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Die Verbrennung im Inneren des Feuerraumes 2 wird, dank der Aufnahme eines bevorzugt aus Feststoff bestehenden Anzünders, bevorzugt manuell in der zweiten Kammer 6 durch die eigens dazu bestimmte Schublade 7 gestartet. Die von der Flamme herrührende Hitze eines solchen Materials erhöht die Temperatur im Inneren des Feuerraumes, bis sich der in ihm befindende Brennstoff entzündet. Die dritte Öffnung 2A erlaubt den Eintritt der verbrennungsfördernden und für die Verbrennung benötigten Luftmenge in den Feuerraum 2.
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Wenn der Festbrennstoff, der sich in dem Feuerraum 2 befindet, langsam ausbrennt, fallen die festen Reste der Verbrennung, wie z. B. Asche, durch die Zwischenräume des Gitters 3 und werden in der sich darunter befindenden zweiten Kammer 6 gesammelt, von welcher sie daraufhin mittels der Schublade 7 entfernt werden können; im Anschluss daran fällt anderer Brennstoff vom Behälter 1 herunter und entzündet sich mithilfe der Hohlräume 14 im Feuerraum 2 und ersetzt so den ausgebrannten Brennstoff.
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Nach einer ersten anfänglichen Übergangsphase ist die Temperatur, die sich im Inneren des Feuerraumes 2 entwickelt, so, dass sie auch den sich noch im Behälter 1 befindenden Brennstoff erhitzt; trotzdem ist der Zutritt der Luft ins Innere des Behälters 1 gehemmt, und zwar von einer Seite durch die Präsenz des momentan in den Hohlräumen 14 angeordneten Brennstoffes, und von der anderen Seite durch den Stöpsel 5, welcher während des Betriebs des Brenners 10, die erste Öffnung 1A hermetisch verschließt.
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In Ermangelung oder sogar Abwesenheit des zur Erzeugung einer Verbrennung notwendigen Sauerstoffes, und dank der erhöhten Temperaturen, die im Inneren des Behälters 1 erreicht werden und im Allgemeinen zwischen 700°C und 900°C liegen, vergast oder pyrolysiert wenigstens ein Bereich des darin enthaltenen Brennstoffes. Solchen thermochemischen Reaktionen gelingt es, die organischen Bestandteile, aus denen der Brennstoff besteht, direkt in Gas umzuwandeln, indem sie die Moleküle, welche im Allgemeinen lange kohlehaltige Ketten sind, in einfachere Moleküle aus Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Methan aufspalten, welche ein Synthesegas bilden, das auch „Syngas” genannt wird.
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Ein solches Gas, das einen erhöhten Brennwert hat, kann am Ausgang des oberen Loches 19 des Abführrohres 9 entnommen werden und am Boden des Brenners 10 für verschiedene Verwendungen eingesetzt werden, wie z. B. als Brennstoff in Kesseln, Brennern, um die Flamme eines Bratrostes zu ernähren, als Kochsystem oder ein Heizgerät für draußen, allgemein als „Heizpilz” bekannt, oder auch, um elektrische Energie durch den Einsatz einer Gasturbine zu erhalten.
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Wenn die Verbrennung im Inneren des Feuerraumes 2 angelaufen ist, dehnen sich wegen des Prinzips der kommunizierenden Gefäße die im Brenner 10 entstandenen heißen Dämpfe aufgrund ihrer hohen Temperatur aus und, da so ihre Dichtigkeit abnimmt, neigen sie dazu, durch das Abführrohr 9 aufzusteigen. Das erzeugt im Inneren des Feuerraumes 2 einen Unterdruck, welcher auf natürliche Weise von außerhalb des Brenners 10 die für den Erhalt der Verbrennung notwendige Primärluft durch die dritte Öffnung 2A und das durch die Vergasung/Pyrolyse des Brennstoffes im Inneren des Behälters 1 entstandene Synthesegas einzieht.
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Wie den Fachleuten bereits bekannt, verbessert sich durch eine Erhöhung des Abführrohres 9, im Besonderen durch die Verlängerung des zweiten Teilstückes 9B, der „Zug”, oder es erhöht sich der Druckunterschied zwischen dem Feuerraum und der Spitze 19 des Abführrohres 9. Deshalb also hat das zweite Teilstück 9B bevorzugt eine vertikale Ausdehnung von mindestens derjenigen des Brennerkörpers, oder das obere Loch 19 des zweiten Teilstückes 9B befindet sich mindestens auf derselben Ebene Y wie die erste Öffnung 1A und bevorzugt oberhalb dieser.
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Wie gesagt, ist es dank der ersten Regulierungsmaßnahmen möglich, die Position des Gitters 3 zu verändern, wobei auf diese Weise die produzierte und vom Abführrohr 9 abgeführte Gasmenge und sogar die „Leistung” des Brenners 10 stabilisiert werden: Tatsächlich definiert die Position des Gitters 3 das Volumen des Feuerraumes 2 und damit auch die Brennstoffmenge, welche in diesem untergebracht und verbraucht werden kann.
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Betrachtet man die erhöhten Temperaturen, die der Brennstoff im Inneren des Behälters 1 erreicht, sind bevorzugt Sicherheitsvorrichtungen 12 vorgesehen, welche geeignet sind zu verhindern, dass während des Betriebes des Brenners 10 der Stöpsel 5 zufällig von der ersten Öffnung 1A des Behälters 1 entfernt werden kann. Das erweist sich tatsächlich als extrem gefährlich, da sich, wenn der Lufteintritt ins Innere des Behälters 1 gestattet ist, sich die Vergasung/Pyrolyse des Brennstoffes augenblicklich in eine Verbrennung (Oxidation) verwandelt und im Wesentlichen die gesamte Brennstoffmenge hineinziehen würde.
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Wie in 1 dargestellt, können die Sicherheitsvorrichtungen 12 aus einem Hebel bestehen oder so voreingestellt werden, dass die Öffnung des Stöpsels 5 durch eine bewegliche Schleuse 12A sofort die Schließung der dritten Öffnung 2A nach sich zieht, welche den Eintritt der Primärluft gestattet; auf diese Art wird die Verbrennung schnell unterbrochen, da der Sauerstoffträger fehlt und daher das Brandrisiko der gesamten im Behälter 1 gelagerten Brennstoffmenge gebannt ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, dargestellt in 5, beinhalten die Sicherheitseinrichtungen 12 einen thermischen Antrieb, der z. B. aus einem Öffnungs- und Schließventil gebildet wird, das sensibel auf die sich im Inneren des Behälters 1 entwickelnde Temperatur reagiert: die Innentemperatur des Behälters 1 drückt einen Bolzen 13 nach außen, der in der ausgedehnten Position in einen im Stöpsel 5 vorgesehenen Sitz 15 einrastet, welcher auf diese Weise verhindert, dass der Stöpsel entfernt werden kann, solange im Behälter eine hohe Temperatur vorherrscht. Wenn dagegen die Verbrennung im Feuerraum endet, fällt die Temperatur im Behälter 1 schnell ab und der Bolzen 13 kehrt deshalb aufgrund der Schwerkraft in seine alte Position zurück und rastet auf diese Weise aus dem Stöpsel 5 aus.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann der Brenner 10 der Erfindung gebaut werden, indem in ein einziges Stück der Feuerraum 2 mit den jeweiligen Öffnungen 2A und 2B, die zweite Kammer 6 und gegebenenfalls die Rohre 8 und 9A in bevorzugt feuerfestes Material gestanzt werden.
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Nach dem Vorausgehenden ist es deshalb offensichtlich, wie die vorliegende Erfindung die anfangs vorausgesehenen Ziele und Vorteile erreicht. Tatsächlich arbeitet ein Brenner der vorliegenden Erfindung ohne elektrischen Strom zu benötigen: Die Zufuhr des Brennstoffes in den Feuerraum erfolgt einfach durch die Schwerkraft, während der Abzug des entstandenen Gases dank des natürlichen Zuges des Brenners selbst stattfindet.
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Insbesondere dank einer solchen Eigenschaft ist der Brenner der Erfindung absolut vielseitig und eignet sich zur Verwendung für unterschiedliche Anwendungen; außerdem kann der Brenner vorteilhafterweise „tragbar” oder zum Transport geeignet sein, da er keinen Stromanschluss benötigt.
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Des Weiteren ist die Menge der produzierten Restasche aufgrund der hohen Temperaturen, die im Inneren des Brenners erreicht werden, sehr begrenzt, während die Produktion des unten nutzbaren Gases verbessert ist.
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Der Brenner der Erfindung erweist sich außerdem als äußerst praktisch, funktional und einfach zu verwenden; die vorgesehenen Sicherheitsvorrichtungen sind in der Lage, auch unerfahrenen Benutzern die maximale Sicherheit zu garantieren.
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Der Fachmann kann außerdem die äußerst einfache Bauweise des Brenners der Erfindung erkennen, die sicher dazu beiträgt, die Wirtschaftlichkeit des Gerätes selbst zu bestätigen.
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Natürlich ist die vorliegende Erfindung für zahlreiche Anwendungen, Änderungen oder Abwandlungen geeignet, ohne dadurch aus dem in den beigefügten Ansprüchen definierten Schutzbereich herauszufallen.
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Außerdem können die zur Herstellung der vorliegenden Erfindung verwendeten Materialien und Geräte sowie die Formen und Maße der einzelnen Bauteile auf besondere Bedürfnisse abgestimmt sein.
