DE2804473A1

DE2804473A1 - Waermeaustauschvorrichtung mit indirekter waermeuebertragung

Info

Publication number: DE2804473A1
Application number: DE19782804473
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Lund Finney
Original assignee: Dunlop Ltd
Current assignee: LANEMARK Ltd COVENTRY GB
Priority date: 1977-02-04
Filing date: 1978-02-02
Publication date: 1978-08-10
Also published as: BE863659A; NL176204B; JPS53101129A; GB1555752A; ZA78677B; NL7801266A; FR2379761B1; NL176204C; JPS5843641B2; CA1092961A; AU516160B2; FR2379761A1; US4187835A; DE2804473C2; AU3293478A

Description

P.-.TENTAN'-VÄLTE

DR. E. WIEGAND DlPL-ING. W. NIEMANN

DR. M. KÖHLER DIPL-ING. C. GERNHARDT 2804473

MÖNCHEN fr HAMBURG

TELEFON: 55547« 8000 M D NCH E N 2, TELEGRAMME: KAR PATENT MATH I LD EN STRASS E 12 TELEX: 529 068 KARP D

W. 43 082/78 12/Ul ₂. Februar 19

DUNLOP LIMITED London (Grossbritannien)

Wärmeaustauschvorrichtung mit indirekter Wärmeübertragung.

Die Erfindung bezieht sich auf Wärmeaustauschvorrichtungen mit indirekter Wärmeübertragung und insbesondere auf eine solche Vorrichtung, die ein Rohr aufweist, durch welches hindurch von einem Brennstoffbrenner kommende Verbrennungsgase

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derart geführt werden, dass Wärme durch die Rohrwand hindurch auf ein Medium übertragen wird, in welches das Rohr eingetaucht ist. Wenn das zu erhitzende Medium eine Flüssigkeit ist, wird die Vorrichtung als Taucherhitzer bezeichnet, und das Rohr ist sinusförmig in einem Behälter unter dem Flüssigkeitsspiegel angeordnet. Seine beiden Enden erstrecken sich durch die Behälterwand hindurch. Ein Brenner,beispielsweise ein Gasbrenner, ist an ein Ende des Rohres angeschlossen und ein Abzug ist an das andere Ende des Rohres angeschlossen, um Abgase wegzuführen. Der Brennstoff wird am Brenner mit Luft gemischt und dass brennbare Gemisch wird stromabwärts des Brenners gezündet.

Es ist erwünscht, für ein Taucherhitzersystem einen Brenner hoher Intensität zu verwenden, das heisst einen Brenner mit einer Wärmeerzeugung oder Wärmeabgabe von .81.270 kcal/cm

Querschnittsfläche des Rohres (50.000 BTU je inch Querschnittsfläche).

Es ist jedoch erwünscht, dass das eingetauchte Rohr kleinen Innendurchmesser haben soll, d.h. einen Innendurchmesser, der nicht grosser als etwa 1o cm (4 Zoll) ist. Ausserdem sollte es vorzugsweise ein langes Rohr sein, dh. ein Rohr sein mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von wenigstens 25/1. Eine Charakteristik eines Brenners hoher Intensität besteht darin, dass Luft unter Druck eingeführt wird, und zwar entweder dadurch, dass die Luft stromauf des Brenners unter Druck

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gesetzt wird, oder dadurch, dass stromab des Brenners eine Saugkraft angelegt wird. Es könnaa auch beide Massnahmen angewendet werden. Es ist nicht praktikabel, die Luft durch ein Rohr hindurch einzuführen, welches den Brenner umgibt und einen Durchmesser von weniger als etwa 1o cm (4- Zoll) hat, weil dann die Geschwindigkeit der zum Eintreten in die Flamme durch den Brenner hindurchströmende Luft zu hoch würde, was zu einer unstabilen Flamme und der Erscheinung führt, die als "Abheben" der Flamme bezeichnet wird, wobei der Brenner tatsächlich ausgeblasen wird. Daher kann der Brenner nicht direkt in dem eingetauchten Rohr angeordnet werden, obwohl dies offensichtlich die optimale Anordnung sein würde, um Wärmeaufzehrung oder Wärmeverlust ausserhalb des Behälters zu verhindern.

Ein anderes Problem, welches sich ergeben würde, wenn ein Weg gefunden würde, den Brenner direkt in das Rohr zu zünden, ist das sogenannte "Abschrecken der Flamme". Wenn die Flamme zu früh im Verbrennungsprozess einem kalten Wärmeaustauscher ausgesetzt wird, ist die Verbrennung unvollständig.

Eine Lösung für die Probleme besteht darin, das Gemisch in einer Brennkammer zu verbrennen, wobei die Brennkammer einen Innendurchmesser hat, der grosser als der Innendurchmesser des eingetauchten Rohres ist, und wobei die Brennkammer mit dem Rohr an dessen vom Brenner entfernt liegenden Ende verbunden ist. Wenn die Brennkammer ausserhalb des Behälters an-

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geordnet und aus feuerfestem Material gebildet ist, ergibt sich jedoch ein ^gewisser Strahlungswärmeverlust ausserhalb des Behälters. Ausserdem ergeben sich durch die Anordnung der Brennkammer zusätzliche Kosten. Weiterhin nimmt die Brennkammer zusätzlichen Raum ein und sie stellt ein Sicherheitsrisiko dar, da dieser sehr heisse Bauteil sich ausserhalb des Behälters befindet, wo er unbeabsichtigt berührt werden oder einen Schaden erleiden kann.

Ein Hauptzweck der Erfindung ' besteht darin, einen Brennstoffbrenner hoher Intensität in Verbindung mit einem einge- ·. tauchten Rohr kleinen Durchmessers verwenden zu können, ohne dass die Notwendigkeit besteht, eine Brennkammer zwischenzuschalten, wobei wenigstens der grössere Teil der Verbrennung innerhalb des eingetauchten Rohres stattfindet.

Gemäss der Erfindung ist eine Wärmeaustauschvorrichtung mit indirekter Wärmeübertragung geschaffen, bei welcher Brennstoff zunehmend mit Luft in einer Brennerausführung'gemischt wird. Der Brenner ist ein Brenner hoher Intensität in dem beschriebenen Sinn, und die Brenngase werden in ein Rohr kleinen Durchmessers (im angegebenen Sinn) abgegeben, welches in ein zu erhitzendes Medium eingetaucht ist. Dabei wird Wärme durch die Rohrwand hindurch von den Brenngasen oder Verbrennungsgasen auf das Medium übertragen. Die Verbrennungsluft wird dem Rohr durch einen Mantel . -_!t hindurch zugeführt,

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welcher an einer Stelle nahe dem Brenner eine Querschnittsfläche hat, die grosser als die Querschnittsfläche des Rohres ist, die sich jedoch in Richtung gegen das Rohr derart zunehmend verkleinert, dass die Geschwindigkeit der Verbrennungsluft zwischen dem Brenner und dem Rohr zunehmend erhöht wird, derart, dass die Geschwindigkeit niedrig genug ist, um am Brenner eine stabile Flamme zu schaffen, dass die Geschwindigkeit sich jedoch zunehmend derart erhöht, dass der im Rohr stattfindende Anteil der Verbrennung grosser ist als der in dem Mantel stattfindende Anteil der Verbrennung.

Vorzugsweise umfasst der Mantel einen kegelstumpfförmigen konischen Ringkörper, dessen Ende grösseren Durchmessers den Brenner umgibt, und dessen Ende kleineren Durchmessers mit dem Rohr verbunden ist. Der Kegel hat vorzugsweise einen eingeschlossenen Gesamtwinkel im Bereich von 2o°.

Eine mit öffnungen oder Löchern versehene rohrförmige Abschirmung erstreckt sich vorzugsweise zwischen dem Brenner und dem Rohr innerhalb des Mantels_ derart, dass die Verbrennungsluft durch die öffnungen oder Löcher in der Abschirmung hindurchtritt .

Der Mantel^ und das Rohr sind vorzugsweise mittels einer nach aussen gerichtete Flansche aufweisenden Verbindung miteinander verbunden, die auch dazu dient, das'Gebilde in einer

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Öffnung in einer Wand des Behälters zu montieren.

In dem Rohr können an einer Stelle in Abstand von dem Brenner entlang des Rohres Mittel vorgesehen sein, um in dem Rohr eine Saugwirkung hervorzurufen, durch welche die Verbrennungsgase in das Rohr gezogen werden, wodurch die Zufuhr an Verbrennungsluft induziert wird. Die die Saugwirkung hervorrufenden Mittel können eine Druckluftdüse aufweisen, die in dem Rohr gleichachsig angeordnet und von dem Brenner weg entlang des Rohres gerichtet ist. Diese Mittel können auch eine Coanda-Induziereinrichtung aufweisen, die in dem Rohr gleichachsig angeordnet und so gerichtet ist, dass die Strömung von Medium von der Induziereinrichtung von dem Brenner weg entlang des Rohres erfolgt. Es kann auch ein Gebläse, Ventilator oder dergleichen verwendet werden, um eine Saugwirkung in dem Rohr hervorzurufen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Fig. 1 ist eine seitliche Schnittansicht eines Taucherhitzersystems gemäss der Erfindung.

Fig. 2 ist eine in vergrössertem Masstab gehaltene seitliche Schnittansicht des Brenners des Systems gemäss Fig. 1.

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Fig. 3 ist eine in vergrössertem Masstab gehaltene seitliche Scbnittansicht einer Coanda-Induziereinrichtung des Systems gemäss Fig. 1.

Fig. 4 ist eine der Fig. 3 ähnliche Ansicht einer abgewandelten Einrichtung zum Hervorrufen einer Saugwirkung in dem eingetauchten Rohr.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung weist einen Behälter 1o auf, der bis etwa zur Höhe 11 mit einer zu erhitzenden Flüssigkeit gefüllt werden kann. Unter dem Flüssigkeitsspiegel 11 ist ein sinusförmiges Rohr 12, welches bei dem dargestellten Beispiel U-Gestalt hat, in dem Behälter 1o angeordnet, und seine beiden Enden befinden sich in Ausrichtung mit jeweils einer zugehörigen Öffnung in einer Wand des Behälters 1o. Eine Gasbrennereinrichtung hoher Intensität, die allgemein mit 13 bezeichnet ist, ist ausserhalb des Behälters 1o in Verbindung mit einem Ende des Rohres 12 angeordnet. Das andere Ende des Rohres 12 steht mit einem Abzug 14 ausserhalb des Behälters 1o über eine eine Saugwirkung hervorrufende Einrichtung I5 in Verbindung, die ebenfalls ausserhalb des Behälters 1o angeordnet ist. Das Rohr 12 und die Brennereinrichtung 13^, und das Rohr und die eine Saugwirkung hervorrufende Einrichtung I5 sind jeweils miteinander verbunden und an der Behälterwand mittels sich radial erstreckender Flansche 16 bzw. 17 befestigt, durch welche ein flüssigkeitsdichter Abschluss mit der Behälterwand gebildet

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wird. Die Flanschverbindung 16 dient weiterhin dazu, die Behälterwand gegen die Wärme der Brennereinrichtung 13 und das Eintrittsende des eingetauchten Rohres 12 zu schützen. Wenn der Behälter 1o aus einem durch Wärme besonders verletzbaren Material besteht, beispielsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff material, kann die radiale Erstreckung der Plansche 16 vergrössert werden, oder sie können durch eine relativ dünne Metallmembran ersetzt werden (nicht dargestellt). Andere Massnahmen, die,falls erforderlich, ergriffen werden müssen, um die Behälterwand gegen die Wärme von der Brennereinrichtung 13 zu schützen, umfassen die Schaffung eines nicht dargestellten Kragens, Bundes oder dergleichen zwischen der Brennereinrichtung 1$ und der Behälterwand, und dieser Kragen, Bund oder dergleichen kann mit sich radial erstreckenden Rippen zur Wärmeaufzehrung versehen sein.

Die Brennereinrichtung 13 weist einen Gasbrenner 18 auf, der am Ende eines Gaseintrittsrohres 19 angebracht ist. Der Brenner 18 ist vorzugsweise ein Matrixbrenner, wie er in den GB-PS 1 325 443 und 1 36o 796 beschrieben ist. Der Brenner 18 ist mit nicht dargestellten Luftzutrittsöffnungen versehen, durch welche hindurch Primärluft zugelassen wird, die mit von dem Rohr kommenden Gas gemischt wird. Das Gemisch wird stromabwärts des Brenners 18 gezündet, wo rund um den Brenner 18- zutretende Sekundärluft der Flamme zugeführt wird.

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Gemäss der Erfindung wird Sekundärluft durch einen Mantel 2o in. Form eines kegelstumpfförmigen konischen Ringkörpers zugeführt, dessen Ende kleineren Durchmessers etwa den gleichen Durchmesser wie das Rohr 12 hat und mit diesem über die Flanschverbindung 16 verbunden ist, während das Ende grösseren Durchmessers _Kdes Mangels 20 · den Brenner 18 gleichachsig umgibt. Die Gestalt-, des Mantels 2o ist so berechnet, dass sich eine zunehmende Erhöhung der Geschwindigkeit der einzutretenden Luft von einem relativ niedrigen Wert nahe dem Brenner zu einem relativ hohen Wert nahe dem Zutrittsende des Rohres ergibt. Die Anordnung ist so getr-offen, dass nahe dem Brenner 18 die Geschwindigkeit der Sekundärluft niedrig genug ist, um ein Abreissen der Flamme zu verhindern und das Aufrechterhalten einer stabilen Flammen zu gewährleisten, wobei durch die zunehmende Beschleunigung der Sekundärluft in Richtung gegen das Rohr 12 gewährleistet wird, dass das Brenngemisch in das Rohr 12 geführt wird, bevor in dem Mantel 20

ein grosser Anteil der Verbrennung stattgefunden hat. Hierdurch ist gewährleistet, dass der grössere Teil der Verbrennung in dem Rohr 12 stattfindet, mit dem Ergebnis, dass der Mantel 2o nur einem relativ kleinen Teil der Wärmeabgabe des Brenners 18 ausgesetzt ist. Der Mantel 2o ist in jedem Fall durch die eintretende Sekundärluft gekühlt, und eine Kombination dieser Faktoren gewährleistet, dass die Brennereinrichtung 13 ausserhalb des Behälters 1o arbeitet, ohne eine

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hohe Temperatur mit sich daraus ergebenden Wärmeverlust zu erreichen. Die Tatsache, dass kein sehr heisser Bauteil ausserhalb des Behälters 1o vorhanden ist, stellt auch ein Sicherheitsmerkmal der Vorrichtung dar.

Wie es an sich bekannt ist, weist der Brenner 18 eine kegelstumpfförmige Abschirmung 21 auf, die das Eintreten der Sekundärluft verzögert und die gleichachsig in dem Mantel 2o in umgekehrter Beziehung zu diesem angeordnet ist. Von dem Ende grösseren Durchmessers der Abschirmung 21 erstreckt sich eine mit Öffnungen versehene Hülse 22 zum Eintrittsende des Rohres 12, so dass die Sekundärluft die Flamme durch die öffnungen 23 in der Hülse 22 erreicht. Es ist ersichtlich, dass, falls erforderlich, das Ausmass oder die Geschwindigkeit"des Zutretens von Sekundärluft zur Flamme geändert werden kann, indem die Abmessungen und Verteilung der Öffnungen 23 entlang der Länge der Hülse 22 geändert werden.

Die eine Saugwirkung hervorrufende Einrichtung 15 ist in Fig. 3 in einer Ausführungsform im einzelnen dargestellt und gemäss der Darstellung ist sie mit dem.Austrittsende des Rohres 12 verbunden. Gemäss Fig. 3 weist die Einrichtung 15 eine Coanda-Induziereinrichtung auf, deren ringförmiger Kern 24 gleichachsig' in einem Teil des Abzuges 14 angeordnet ist, der mit ihm eine Venturi-Einrichtung 25 bildet. Der Kern 24 besteht aus zwei ineinandergeschobenen Teilen 26 und 27, die

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zwischen sich einen ringförmigen Luftdurchgang 28 bilden, zu welchem Druckluft über ein radiales Rohr 29 in dem Teil 27 geführt wird. Das dem Teil 27 näher liegende Ende des Teils 26 hat einen abgerundeten inneren Umfang, um eine Luftströmung von dem Durchgang 28 in Richtung des Abzuges 14 von dem Rohr 12 weg zu induzieren, um dadurch eine Saugwirkung stromauf der Einrichtung 15 zu erzeugen, durch welche bewirkt wird, dass Verbrennungsgase aus dem Rohr 12 zum Abzug 14 rund um den Kern 24j durch die Venturi-Einrichtung 25 und durch den Kern 24 strömen.

Als Alternative zu der Ausführungsform gemäss Pig. 3 kann die Einrichtung 15 durch eine Einrichtung 15 A ersetzt werden, die in Fig. 4 dargestellt ist und bei welcher die Coanda-Induziereinrichtung durch eine Druckluftdüse 3o ersetzt ist, in einem Teil 31 der Länge des Abzuges 14 gleichachsig angeordnet ist, wobei in dieser Länge des Abzuges 14 stromabwärts der Düse 3o eine Venturi-Einrichtung 32 gebildet ist. Die Düse 3o ist an einem Zufuhrrohr 33 angebracht, -.welches in den Abzugsteil 31 radial eintritt. Der Zutritt von Druckluft zu Düse 3o durch das Rohr 33 hindurch führt dazu, dass ein Strom von Verbrennungsgasen von dem Rohr 12 durch die Venturi-Einrichtung 32 derart induziert wird, dass in dem Rohr 12 eine Saugwirkung hervorgerufen wird.

Eine Saugwirkung kann am Austrittsende des Rohres 12

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auch auf irgendeine andere bekannte und zweckmässige Weise"' hervorgerufen werden. Beispielsweise kann ein Sauggebläse oder dergleichen zu diesem Zweck verwendet werden.

Es ist zu verstehen, dass durch das Arbeiten der Einrichtung 15 bzw. einer der beschriebenen Ausführungsformen, eine erzwungene Strömung der zur Brennereinrichtung 13 tretenden Primärluft und Sekundärluft hervorgerufen wird und auch die Bewegung· der Verbrennungsgase entlang der Länge des Rohres 12 unterstützt wird. Für diesen Zweck kann lediglich eine eine Saugwirkung hervorrufende Einrichtung verwendet werden, oder diese kann durch eine nicht dargestellte Einrichtung ersetzt werden, mittels welcher stromauf des Brenners 18 Druckluft in den. Mantel 20 eingeführt wird. Es kanu auch eine geeignete Kombination von Druckwirkung und Saugwirkung angewendet werden, um die Verbrennungsluft unter Druck einzuführen, und die Verbrennungsgase entlang der Länge des Rohres 12 vorzubewegen.

Der Mantel 20 . ist .vorzugsweise mit

einem Schalldämpfer oder Geräuschdämpfer verbunden, der bei 34 in Fig. 2 schematisch angedeutet und stromaufwärts des , Brenners 18 angeordnet ist.

Um den Wärmeaustausch zwischen den Verbrennungsgasen und der Wand des Rohres 12 zu unterstützen, kann ein ebener Metall-

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streifen 35» der um seine Achse verdreht ist, wenigstens in einem Endteil der Länge des Rohres 12 angeordnet werden, wodurch die Verbrennungsgase gezwungen werden, innerhalb des Rohres 12 eine_m schraubenlinienförmigen Weg zu folgen.

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Leerse ite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

M.)Wärmeaustauschvorrichtung mit indirekter Wärmeübertragung, in welcher Brennstoff in einer Brennereinrichtung zunehmend mit Luft gemischt wird, wobei die Luft der Brennereinrichtung unter Druck zugeführt wird und wobei die 'Verbrennungsgase in ein Rohr abgegeben werden, welches in ein zu erhitzendes Medium eingetaucht ist, wodurch Wärme von den Verbrennungsgasen durch die Rohrwand hindurch auf das Medium übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass Verbrennungsluft durch einen Mantel (20) hindurch zutreten gelassen wird, welcher mit dem .Rohr (12) verbunden ist und an einer Stelle nahe dem Brenner (18) grössere Querschnittsfläche als das Rohr hat, wobei die Querschnittsfläche sich jedoch in Richtung gegen das Rohr zunehmend derart verkleinert, dass die Geschwindigkeit der Verbrennungsluft zwischen dem Brenner und dem Rohr sich zunehmend erhöht, derart, dass die Geschwindigkeit niedrig genug ist, um am Brenner eine stabile Flamme zu schaffen, sich jedoch zunehmend derart erhöht, dass in dem Rohr ein grösserer Anteil der Verbrennung als in dem Mantel (2o) stattfindet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (2o) einen kegelstumpfförmigen Ringkörper aufweist, dessen Ende grösseren Durchmessers den Brenner (18) umgibt, und dessen Ende kleineren Durchmessers mit dem Rohr (12)

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verbunden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (2o) einen eingeschlossenen Gesamtwinkel im Bereich von 2o° hat.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3j dadurch gekennzeichnet, dass sich innerhalb des Mantels (2o) zwischen der Brennereinrichtung (13) und dem Rohr (12) eine mit öffnungen versehene Abschirmung (21,22) erstreckt, so dass Verbrennungsluft durch die Öffnungen (23,) in der Abschirmung hindurchtritt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (2o) und das Rohr (12) durch eine nach aussen gerichtete Plansche (16) aufweisende Verbindung miteinander verbunden sind, die auch dazu dient, das Gebilde in einer öffnung einer Wand des Behälters (io) anzuordnen.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine eine Saugwirkung hervorrufende Einrichtung (15 bzw. I5A) in dem Rohr an einer Stelle im Abstand von der Brennereinrichtung (13) angeordnet ist, um in dem Rohr eine Saugwirkung hervorzurufen, durch welche die Verbrennungsgase in das Rohr gezogen werden und damit die Zufuhr von Ver-

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"brennungsluft induziert wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die die Saugwirkung hervorrufende Einrichtung (15A) eine Druckluftdüse (3o) aufweist, die in dem Rohr (12) axial angeordnet und von dem Brenner (18) weg entlang des Rohres gerichtet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die die Saugwirkung hervorrufende Einrichtung (15) eine Coanda-Induziereinrichtung (24) aufweist, die in dem Rohr (12) gleichachsig angeordnet und so gerichtet ist, dass die Mediumströmung von der Induziereinrichtung von dem Brenner (18) weg , entlang des Rohres erfolgt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die die Saugwirkung hervorrufende Einrichtung ein Gebläse, Ventilator oder dergleichen ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung vorgesehen ist, um die Verbrennungsluft stromaufwärts der Brennereinrichtung unter Druck zu setzen..

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