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Die
vorliegende Erfindung betrifft Weiterentwicklungen, die an Industriebrennern
mit flüssigem oder
gasförmigem
Brennstoff vorgenommen wurden.
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Das
technische Gebiet der Erfindung ist der Bereich der Herstellung
von Industriebrennern.
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Die
vorliegende Erfindung hat genauer Weiterentwicklungen an Brennern
mit gasförmigem Brennstoff
mit sehr geringem Stickoxidausstoß zum Gegenstand, mit primären Brenngaseinspritzvorrichtungen,
die im Zentrum des Brenners angeordnet sind, und sekundären Umfangseinspritzvorrichtungen,
die dafür
bestimmt sind, entweder in einer Öffnung, die dafür in der
Wand eines Behälters
vorgesehen ist, wie die Brennkammer oder der Feuerraum eines Ofens
oder eines Kessels, oder im Mittelbereich einer Turbinenabgaszirkulationsleitung
eines kombinierten Stromwärmekraftwerks
angeordnet zu sein, um diese Abgase wieder zu erwärmen.
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Um
den Gehalt an Stickoxiden in den Rauchgasen zu verringern, ist bekannt,
den Gehalt an freiem Sauerstoff in den Gasen in der Flamme zu verringern,
um eine zu starke Kombination dieses Sauerstoffs mit dem Luftstickstoff
zu vermeiden, und die maximale Temperatur der Flamme zu begrenzen.
Um den Sauerstoffgehalt in der Flamme zu verringern und die Flammentemperatur
zu verringern, besteht eine Lösung
darin, einen Teil der in dem Feuerraum vorhandenen Rauchgase zurückzuführen: es
ist bekannt, diese Rückführung mit
Hilfe von Ausstoßsystemen
durchzuführen,
welche den durch den Ausstoß des
Brennstoffs geschaffenen Unterdruck einsetzen.
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Außerdem ist
es bekannt, dass zur Begrenzung der maximalen Flammentemperatur
die Verbrennung gestaffelt werden kann, d.h. anstatt den gesamten
Brennstoff und den gesamten Verbrennungsträger in einem einzigen Bereich
freizusetzen, wird in Schritten vorgegangen: entweder wird die Einspritzung
des Verbrennungsträgers
abgestuft, ohne die Einspritzung des Brennstoffs zu verändern, oder
andersherum wird die Einspritzung des Brennstoffs abgestuft, ohne
diejenige des Verbrennungsträgers
abzustufen; die gestaffelte Verbrennungsträgereinspritzung bewirkt auch
ein Absenken des freien Sauerstoffgehalts, im Gegensatz zu der abgestuften
Einspritzung des einzigen Brennstoffs.
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Die
vorliegende Erfindung hat genauer einen Brenner zum Gegenstand,
in welchem die beiden oben dargelegten Verfahren der Rückführung der Rauchgase
einerseits und der Abstufung der Brennstoffversorgung andererseits
kombiniert werden.
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Das
US-Patent 5,073,105 beschreibt einen Brenner, welcher an einer Wand
eines Ofens angebracht ist, und welcher einen Block aufweist, der
von Öffnungen
durchbohrt ist, welche primäre
und sekundäre
Brennstoffeinspritzdüsen
aufnehmen, und der einen primären
Verbrennungsbereich begrenzt; die Luft dringt in diesen Bereich
durch eine perforierte Platte ein und mischt sich mit horizontalen
und/oder radialen Brennstoffstrählen,
die mit den Rauchgasen vermischt sind, welche durch den Unterdruck
angesaugt werden, der durch diese Strähle durch die in dem Block
vorgesehenen, entsprechenden Öffnungen
entsteht; vertikale Brennstoffsträhle, vermischt mit den Rauchgasen,
die durch weitere Öffnungen angesaugt
werden, gelangen am unterstromigen Ende des Blockes in einen anderen
Brennbereich.
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Das
US-Patent 5,284,438 beschreibt einen Brenner von ähnlicher,
aber komplexerer Struktur, bei welchem der Block des Brenners einen
Mischrohrkopf und ein Mischrohr, die durch eine Einschnürung voneinander
getrennt sind, begrenzt und Leitungen zum Ansaugen der Rauchgase
durch Brennstoffdüsen
aufweist, welche durch ihre Abmessungen, ihre verjüngte Form
am Eingang, ihre geneigte Position und ihren in dem Mischrohr angeordneten
Ausgang dafür
geeignet sind, eine definierte Dosierung des Brennstoff-Rauchgas-Gemisches
und seine Einspritzung in einen Bereich zur Mischung mit Luft, der in
dem Mischrohr angeordnet ist, sicherzustellen; dieser Brenner umfasst
eine zentrale Einspritzleitung für
den Brennstoff, die mit einer Spritzdüse ausgestattet ist, und einen
Flammenstabilisator; diese Struktur bewirkt die Ausbildung von wirbelnden
und strudelnden Strählen
(eines Brennstoff-Rauchgas-Gemisches), und bewirkt ihre Vermischung
mit Luft in den von dem Block begrenzten Mischbereichen.
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Diese
Brenner, deren Ansaugleitungen für die
Rauchgase in allgemein aus feuerfestem Beton hergestellten, dicken
Blöcken
gebildet sind, sind zerbrechlich, sperrig, kostspielig und schwierig
zu warten.
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Die
Druckschrift
EP 675 321 beschreibt
einen Brenner mit gasförmigem
Brennstoff, der mehrere primäre
Brennstoffeinspritzrohre aufweist, welche in dem Mittelbereich einer Luftversorgungsleitung
angeordnet sind, die von dem röhrenförmigen Brennerkörper begrenzt
ist; die Enden der Rohre sind nach außen gebogen und unter den Schlitzen
eines Flammenstabilisators angeordnet, und zudem sind die Enden
der Rohre von Löchern
durchbohrt, durch welche das Brennstoffgas durch die Schlitze des
Stabilisators in den Feuerraum eingespritzt wird; der Brenner umfasst
außerdem
(sekundäre}
Einspritzrohre für den
gasförmigen
Brennstoff, welche um die primären Einspritzrohre
herum verteilt sind, und welche mit einer eigenen Einspritzdüse enden,
die jeweils in eine Rückführleitung
für die
in dem Feuerraum erzeugten Rauchgase münden; diese sekundären Einspritzrohre
sowie die zugeordneten Rückführleitungen
sind im Inneren des Luftkanals angeordnet, um ihre Abkühlung durch
die Luft, die dort zirkuliert, sicherzustellen.
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Jede
Rückführleitung
mündet
parallel zu dem Luftkanal in den Feuerraum und steht an ihrem anderen
Ende mit dem Feuerraum durch eine in der Wand des Luftkanals, am äußeren Umfang
des Brenners gebohrte Öffnung
in Verbindung; diese Öffnungen
ermöglichen
durch die Ansaug- und Antriebswirkung, eine Rückführung der Rauchgase durchzuführen, die
sich mit dem Brennstoffgas vermischen und die Bildung von Stickoxiden
verringern; um diese Verringerung durch eine Vergrößerung der
Abstufung der Verbrennung zu ergänzen,
weist der Brenner (tertiäre)
Brennstoffeinspritzrohre auf, welche die Wand der Einfassung des
Feuerraums durchqueren; jedes Rohr ist einem Luftversorgungskanal
zugeordnet, der das Rohr umgibt.
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Das
EP-Patent 675 321 beschreibt außerdem
einen Brenner, der mit tertiären
Brennstoffeinspritzvorrichtungen versehen ist, deren Leistungen verringert
sind.
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Der
in dieser Druckschrift beschriebene Brenner weist bestimmte Nachteile
auf: die aus den Rohren und den diesen tertiären Einspritzvorrichtungen
zugeordneten Luftkanälen
abgegebenen Gasströme
neigen dazu, einen Vorhang zu bilden, der die sekundären Einspritzvorrichtungen
für das
Brennstoffgas umgibt, was dazu führen
kann, dass die Wirksamkeit des Rauchgasrückführsystems durch die sekundären Brennstoffgaseinspritzvorrichtungen beeinträchtigt und
begrenzt wird; ein anderer Nachteil ergibt sich aus der Schwierigkeit
die Wirkung zu regeln und zu beherrschen, die von den Luftstrählen erzeugt
wird, welche die Gassträhle
der tertiären
Einspritzvorrichtungen umgeben, und insbesondere diese koaxialen
Strähle
und ihre für eine
gute Verbrennung notwendige Mischung mit den anderen Strählen zu
handhaben, die von diesem Brenner erzeugt werden, welcher mit drei
unterschiedlichen Einspritzsystemen für das Brennstoffgas und zwei
unterschiedlichen Systemen zum Transport und zur Einspritzung von
Luft in diesen Brenner (und den Feuerraum) ausgestattet ist; außerdem liegt
ein Nachteil, der mit den Rohren verbunden ist, welche sich durch die
die Einfassung des Feuerraums begrenzenden Wände erstrecken, in der großen Sperrigkeit
dieses Systems und in der Schwierigkeit, ein solches System, das
teilweise in der Einfassungsmauer des Feuerraums eingebettet ist,
zu reparieren, zu warten und/oder zu verändern.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten
Brenner vorzuschlagen und zumindest zum Teil den Nachteilen der
bekannten Brenner abzuhelfen, wobei ihre Leistungen bei der Verringerung
der Bildung von Stickoxiden noch verbessert werden.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht insbesondere darin, die
Selbstrückführung der Rauchgase
zu verbessern.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht ebenfalls darin, einen kompakten,
einfachen, kostengünstigen
Brenner vorzuschlagen, der in einer Transportleitung für Turbinenabgase
eingesetzt werden kann.
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Gemäß einem
ersten Gedanken besteht die Erfindung darin, einen Brenner mit gasförmigem Brennstoff
vorzuschlagen, der eine zentrale Brennstofftransportleitung, eine
zentrale Lufttransportleitung, welche die zentrale Brennstoffleitung
umgibt, und mehrere Umfangstransportleitungen für den gasförmigen Brennstoff aufweist,
die sich zumindest zum Teil außerhalb
der zentralen Lufttransportleitung, vorzugsweise parallel zu dieser,
erstrecken und jeweils mit einer Ausstoßdüse für den Brennstoff enden; der Brenner
umfasst außerdem
ein geradliniges Teilstück einer
zylindrischen Leitung (oder eines Rohrs) zur Rückführung der Rauchgase, welche
in der Verlängerung
jeder Düse
und mit Abstand (nach vorne) von dieser angeordnet ist; die Lufttransportleitung
und die Ansaugleitungen für
die Rauchgase sind aus Metall, liegen praktisch parallel zueinander
und münden
vorzugsweise praktisch in einer gleichen Ebene, die senkrecht zu
der Längsachse
des Brenners liegt; die Rauchgasansaugleitungen sind auf dem Metallkörper des
Brenners befestigt, vorzugsweise auf der Lufttransportleitung, durch
eine Metallverbindung, welche durch Leitung dazu beiträgt, die
Kühlung
der Ansaugleitungen durch den Brennerkörper (insbesondere durch die
Luftleitung) sicherzustellen, der selbst durch die Luft gekühlt wird,
die er transportiert.
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Aufgrund
dessen, dass die Rauchgaszirkulationsleitungen im Gegensatz zu dem
in dem EP-Patent 675 321 beschriebenen Brenner nicht in das Innere
der Luftleitung vorragen, beeinträchtigen sie nicht die Funktion
des Brenners, insbesondere wenn dieser – der hierzu mit einem zentralen
Einspritzrohr für
flüssigen
Brennstoff versehen ist – nur
mit flüssigem
Brennstoff gespeist wird.
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Versuche
haben gezeigt, dass ein solcher Brenner einen geringen Stickoxidausstoß erzeugt.
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Die
Position der Rauchgaszirkulationsleitungen, die außerhalb
der Luftleitung angeordnet sind, führt zu einer Trennung der Strähle des
Brennstoff-Rauchgas-Gemisches
bezüglich
dem von der zentralen (Haupt-)Leitung transportierten Luftstrom; die
Vermischung dieser Strähle
mit der Flamme, die aus der Verbrennung des von der zentralen Leitung gelieferten
Brennstoffs entsteht, geschieht schrittweise und weiter (im Vergleich
zu der in dem EP-Patent 675 321 beschriebenen Struktur) stromabwärts von der
Nase des Brenners, was die Abstufungswirkung der Einspritzung des
Brennstoffs verstärkt.
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Die
Ansaug- und Antriebswirkung der Rauchgase durch die Brennstoffgassträhle, die
von den Umfangsdüsen
ausgegeben werden, wird dadurch verbessert, dass das Eintreten der
Rauchgase am oberstromigen Ende der Rückführleitungen über deren
gesamten Umfang geschieht; eine größere Menge Rauchgase wird somit
angesaugt und mit jedem Brennstoffstrahl vermischt.
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Außerdem bewirkt
der Strahl aus dem Brennstoff-Rauchgas-Gemisch, der aus jeder Umfangsrückführleitung
austritt, aufgrund seiner Geschwindigkeit einen zusätzlichen
Antrieb für
die Rauchgase.
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Der
Abstand, welcher jede Umfangsbrennstoffdüse von der Eingangsöffnung des
zugeordneten Rückführrohres
trennt, liegt vorzugsweise in der gleichen Größenordnung wie der Radius oder
der Durchmesser des Rückführrohrteilstücks, beispielsweise
in der Größenordnung
von 2 bis 20 Zentimeter; so erleichtert der freie Raum zwischen
der Düse
und dem Eingang (oberstromiges Ende) der Rückführleitung das Ansaugen der
Rauchgase und die Vermischung des Brennstoffgases mit den in dem
Feuerraum vorhandenen Rauchgasen, indem ein Durchgangsquerschnitt
für die
Rauchgase mit erheblichen größeren Abmessungen
begrenzt wird als derjenige, der von der Umfangsöffnung der in der EP-Druckschrift
675 321 beschriebenen Rückführrohre
begrenzt ist; außerdem
ermöglicht
und/oder erleichtert diese Anordnung während der Montage oder der
Aufstellung des Brenners die Einstellung dieses Abstandes, was ermöglicht,
das Ansaugen, die Vermischung und den Antrieb der Rauchgase durch
die Brennstoffgassträhle
zu optimieren.
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Überraschender
Weise hat sich herausgestellt, dass die Kühlung der Rauchgasrückführleitungen
durch Übertragung
von der zentralen Lufttransportleitung ausreichend ist, um die Zerstörung dieser Leitungen
zu vermeiden, obwohl diese Rauchgasleitungen in dem Feuerraum angeordnet
sind (und/oder einer intensiven Erhitzung durch die direkte Strahlung
der Flamme ausgesetzt sind); vorzugsweise erstreckt sich hierzu
die Metallverbindung, die als Wärmedrainrohr
dient, über
eine große
Fläche,
insbesondere praktisch über
die gesamte Länge
der Rückführleitungen;
diese Verbindung wird vorzugsweise durch Schweißen erhalten.
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In
der Tat wird bei dem erfindungsgemäßen Brenner die Kühlung der
Rauchgaszirkulationsrohre nicht durch Konvektion mit einem (relativ
kühlen) Luftstrom
erreicht, wie dies der Fall in dem EP-Patent 675 321 und in der
von der Anmelderin am 7. August 1998 eingereichten Patentanmeldung
FR 98/10350 ist; tatsächlich
sind in dieser Druckschrift Umfangsdüsen zur Lufteinspritzung verschachtelt
mit Umfangsdüsen
zur Brennstoffeinspritzung angeordnet.
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Gemäß weiteren
bevorzugten Eigenschaften, die dazu beitragen, die Kompaktheit,
die Einfachheit und die Wirksamkeit des Brenners zu verbessern:
- – ist
das Verhältnis
zwischen der Länge
der den Gasausstoßdüsen zugeordneten
Rückführleitungen
und ihrem Durchmesser größer als
1 und kleiner oder gleich 10, insbesondere näherungsweise 2 bis 4;
- – sind
die Umfangsdüsen
für den
Gasausstoß praktisch
versenkt oder wenig vorspringend auf der Innenseite der Wände der
Einfassung des Feuerraums angeordnet;
- – springt
die Ausgangsöffnung
der zentralen Luftleitung in das Innere der Einfassung des Feuerraums
vor und sind die vorderen Enden der in der Verlängerung der Brennstoffgasausstoßdüsen angeordneten
Rückführleitungen
praktisch in der gleichen Ebene wie die Ausgangsöffnung der zentralen Luftleitung
angeordnet;
- – sind
die den Brennstoffgasausstoßdüsen zugeordneten
Rückführrohre
auf dem Rohrring der zentralen Luftleitung auf dessen Außenfläche verschweißt.
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Die
Umfangsdüsen
und die zugehörigen
Ansaugleitungen sind vorzugsweise identisch ausgebildet, mit gleichem
Abstand von der Längsachse
des Brenners (d.h. auf einem Kreis) und gemäß einer Umdrehungssymmetrie
(d.h. mit gleichem Winkelabstand) angeordnet.
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Vorzugsweise
liegen die Umfangsdüsen
zur Einspritzung des , Brennstoffgases sowie die zugehörigen Rauchgasrohre
in einer Anzahl von drei bis zwölf,
insbesondere sechs bis acht vor, sind in einem Kranz angeordnet
und regelmäßig (winkelig)
um die Längsachse
(mit allgemeiner Symmetrie) des Brenners verteilt.
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Obwohl
die Längsachsen
der Umfangsdüsen
und der zugehörigen
Rauchgasleitungen sich konisch divergierend (höchstens 5 Grad) erstrecken können, wird
bevorzugt, dass diese Achsen praktisch parallel zu der Längsachse
des Brenners liegen.
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Gemäß einem
weiteren Gedanken besteht die Erfindung aus einem Turbinengasvorwärmer, der einen
erfindungsgemäßen Brenner
umfasst, welcher in dem Mittelbereich einer Turbinengastransportleitung
angebracht ist, die mit Teilverschlussklappen ausgestattet ist.
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Bei
dieser besonderen Anwendung des erfindungsgemäßen Brenners verhindert die äußere Position
der Rauchgaszirkulationsrohre, die Verbrennung des im Mittelbereich
ausgegebenen Brennstoffs zu stören.
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Die
durch die Erfindung erreichten Vorteile werden besser anhand der
nachfolgenden Beschreibung verstanden werden, die sich auf die anliegenden
Zeichnungen bezieht, welche ohne jeglichen Beschränkungscharakter
bevorzugte Ausführungsarten der
Erfindung illustrieren.
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In
den Zeichnungen tragen die identischen oder ähnlichen Elemente, außer bei
gegenteiliger Anzeige, von einer Abbildung zur nächsten die gleichen Bezugszahlen.
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1 illustriert
in einer Längsschnittansicht einen
erfindungsgemäßen Brenner
mit flüssigem
und gasförmigem
Brennstoff.
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2 ist
eine Vorderansicht des vorderen Endes des Brenners der 1 und
ist eine Ansicht gemäß II in
der 1.
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3 illustriert
in einer Längsschnittansicht einen
erfindungsgemäßen Turbinenabgasvorwärmer.
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Der
Brenner 1 (1 und 2) umfasst einen
ersten zylindrischen Ring 2 mit horizontaler Längsachse 3 und
einen zweiten zylindrischen Ring 4, der koaxial zu dem
ersten liegt, und der eine Leitung 5 begrenzt; der Ring 2 begrenzt
einen zentralen Luftdurchgangskanal 31, der die Lufteinlassleitung 5 fortsetzt.
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Der
Brenner erstreckt sich durch eine zylindrische Öffnung 6, die in der
Wand 7 vorgesehen ist, welche den Feuerraum 8 von
dem äußeren Bereich 9 der
Einfassung trennt.
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Der
Brenner umfasst im Mittelbereich ein zentrales Transportrohr 10 für flüssigen Brennstoff (wie
insbesondere schweres Heizöl,
Gasöl,
Benzin, Öle,
Restflüssigkeiten...)
bis zum Kopf des Brenners, der mit einer zentralen Düse 11 und
einem Flammenstabilisator 12 ausgestattet ist, welche am
vorderen Ende der Leitung 31 und des Ringes 2 angeordnet sind
und in das Innere des Feuerraumes 8 vorspringen; der Brenner
umfasst außerdem
ein zentrales Einspritzrohr für
gasförmigen
Brennstoff 100.
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Der
Brenner umfasst ein Bündel
von sechs Umfangsrohren 13 zum Transport des Brennstoffgases,
welche jeweils an ihrem vorderen Ende mit einer Düse 14 versehen
sind, welche vorspringend (beispielsweise um 1 Zentimeter vorstehend)
auf der Innenseite 15 der Wand 7 angeordnet ist.
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Ein
Teil der Rohre 13 erstreckt sich parallel zu der Achse 3 im
Inneren der Lufttransportleitung 5; die Rohre 13 werden
von einem gemeinsamen Sammler 16 gespeist und laufen durch
einen ringförmigen
Flansch 17, welcher die Ringe 2 und 4 verbindet;
wie in 2 illustriert, sind die sechs identischen Brennstoffgasausstoßdüsen 14 in
einem Winkel von 60 Grad voneinander beabstandet angeordnet.
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Die
Längsachsen 20 der
Düsen 14,
welche parallel zu der Achse 3 liegen, sind auf identischen oder
benachbarten Radien angeordnet.
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Sechs
geradlinige Rohrteilstücke
mit kreisförmigem
Querschnitt, die an ihren beiden Enden 23, 24 im rechten
Winkel abgeschnitten sind, sind in der Verlängerung der Gasausstoßdüsen 14 angeordnet und
sind entlang einer ihrer Mantellinien mit einem massiven Metallstab 101 verschweißt, der
mit jeder der Leitungen verbunden ist, der sich parallel zu der Leitung 22 erstreckt,
und der selbst (über
seine gesamte Länge)
auf der Außenfläche des
vorderen Endbereichs des Ringes 2 entlang dessen Mantellinien
verschweißt
ist.
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Die
Achse der Rohre 22 fällt
mit der Achse der Düsen 14 zusammen
und das hintere Ende 24 der identischen Teilstücke 22 ist
mit einem Abstand 25 von der entsprechenden Düse 14 angeordnet,
wobei dieser Abstand ungefähr
50 Millimeter beträgt und
dem Durchmesser der Rohre 22 entspricht.
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Das
vordere Ende 23 der Rohre 22 erstreckt sich in
der Ebene 112, welche die Ausgangsöffnung der Zentralleitung 31 aufweist.
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Unter
Bezugnahme auf 3 ist der Brenner 1 in
einer Leitung 200 angeordnet, welche eine mit der Achse 3 des
Brenners zusammen fallende Achse aufweist, und welche von den Wänden 201 begrenzt
ist (in dem Fall, wo mehrere Brenner in der Leitung 200 angeordnet
sind, liegen ihre Achsen 3 parallel zu derjenigen der Leitung).
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Die
Leitung 200 transportiert (gemäß den Pfeilen 103)
aus einer Turbine austretendes Gas, dessen Temperatur in der Größenordnung
von 500°C liegt
oder, wenn die Turbine stillsteht, Lufttemperatur hat; in diesem
letzten Fall verschließen
Klappen 104, die schwenkbar entlang der Achsen 105 in
der Leitung 200 angeordnet sind, teilweise – in der
mit durchgezogener Linie dargestellten Position – den Durchgangsquerschnitt
der Leitung 200 unter Beibehaltung eines freien Durchgangs – entlang
der Pfeile 102 – durch
die Leitung 2 des Brenners; die (offene) Position der Klappen,
die mit gestrichelten Linien illustriert ist, entspricht dem Fall,
wo die Turbinengase vorhanden sind.
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Der
Brenner ist in der Leitung 200 mit Hilfe nicht dargestellter
Träger
befestigt.
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In
den beiden Betriebsfällen
wird eine Außenluftmenge
(entsprechend 5% der gesamten Luft) durch eine Leitung 106 eingeleitet,
um den Mittelbereich des Brenners zu kühlen, wo insbesondere der Stabilisator 105 für die Zentralflammen
(Hauptflammen) zur Verbrennung des Gases angeordnet ist, welches über die
zentralen Leitungen 100 eingespritzt wird, welche eine
Ablenkrosette 104 durchqueren; die Leitungen 100 werden
von einem Sammler 107 gespeist.
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Außerdem werden
die Umfangsleitungen 13 von einem zweiten Sammler 16 mit
Brennstoffgas gespeist; der von den Umfangsdüsen eingespritzte Durchsatz
an gasförmigem
Brennstoff stellt allgemein 90 bis 95% des Gesamtdurchsatzes an
Brennstoff dar. Ein Vorteil des Brenners liegt darin, dass die aus
den Rohren 22 austretenden Gemischsträhle dazu beitragen, die Flamme
länger
zu machen, was die Leistung des Gasvorwärmers und der Wärmewiedergewinnungsanlage,
welche dem Brenner nachgeschaltet ist, verbessert.