DE2105791A1 - Warmeaustauschereinnchtung - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

DR.-PH1L. G. NICK? L- Da.-!\!G. J. DORNER

8 MÖNCHEN 15
LANDWEHRSTR. 35 · POSTFACH IO4

Tel. (08 11) 555719 üancaen, den 3.Februar ly'/l

Anwalts-Aktanz.: 2/ - Pat. 7

Raytheon Company, 141 Storing Street, Lexinrton, ivIa.ü21/3, Vereinigte Staaten von Amerika

,värmeaustauscnereinricxitunii

Die Erfindung betrifft Viärmeaustausciiereinricatungen in sehr gedrängter Bauweise mix Brennern noiier Leistung und nierbei insbesondere ivlaßnanmen zur Erniedrigung des ausgangsseitigen K-ohlenmonoxjiar-j-ehaltes.

Für bestimmte Zwecke benötigt man sehr klein bauende 'wärmeaustauscher, welche in Verbindung mit Brennern honer Leistung betrieben werden, so daß sich die Möglichkeit ergibt, große Wärmemengen auf kleinstem Räume zu handhaben und bereitzustellen. Zwar lassen sich Brenner hoher Leistung und intensität mit sehr großem Wirkungsgrad bauen, so daß sämtlicher Kohlenstoff, welcher in dem derartigen Brennern normalerweise zugeführten Brennstoff enthalten ist, in Konlendioxyd umgewandelt wird, doch hat es sich herausgestellt, daß dann, wenn ein bei verhältnismäßig niedriger Temperatur arbeitender Wärmeaustauscher zu nahe an den Brenner herangesetzt wird, die Verbrennungsprodukte der Einrichtung einen unangenehm oder unzulässig honen Kohlenmonoxyd-Gehalt besitzen. Versucht man nun, diesen Nachteil dadurch zu \ermeiden, daß man den Wärmeaustauscher in größerem Abstand .on dem Brenner anordnet, so muß man auf den geringen Raumbedarf des Gerätes verzichten.

Durcn die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, bei einer V/ärmeaustauschereinrichtung mit einem Brenner hoher

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Lais tun.-r aan kohienrnonoxyd-J-eiialt der VerDreiuiur^srruαακ ua •Grots der Verwendung eines Lai niedriger Tempera oar arueiü 'Väruieaustauscners oxme eine Ver_;röiieran_· aas _J.ia..-iribäaai-l'3s herabsetzen zu iconnen.

f von einer Y/iirnieaustauscriereinrioiiCun^ :axi einem zum Verfeuern ko-ilenstoxfhaltirrer Brennstoffe dienenden Brenner, welcher· einem m seiner i.äi.e liegenden vercrennun-rsbereicn zugeordner and naiie einem Vfärjaeaastauscner angeoran.3 c ist, dessen Betiⁱxebsxe:ripex"atur unter der iieKombinationstemperatur von Lo^ienmonoxyd and Sa^erstot'i xie^c, wir a die gestellte Äuf,raoe aaäurch, gelost, aai Z7»iscüön de:/i genannten Verbrennungsbereicii und dem warmeaustausciier eine V.Irmesendee zum 3ntzug. von Vv. Irnieenergie aus den 7erbrennan»rsproaaicterL zur Erniedrigung; -.on deren Temperatur auf die -renarirne Rekotnöinaxionstemperatur -.οr^eseilen isi, derart, aais y;-!--: ena des Betriebes i."a wesentiici-en alles in den /ercrennaii^sprodukten vornandene KoLlenmonoxyd mit Sauerstoff .or irreio^en des '»Värme aus tauscner s Koniendioxyd bildet.

Zweckmäßige Ausgestaltung· aer soeben kurz beschriebenen Einrichtung bildet im übrigen G-e^enstand der anliegenden Ansprüche.

Erfindung s ge maß wird also an einer· gana bestimmten Stelle zwischen dem Brenner und dem Wärmeaustauscher beispielsweise ein Gitter oder Sieb aus hitzebeständigem Werkstoff, wie hitzebeständigem Metall, angeordnet. Die Lage des (litters oder Siebes ist so gewählt, daß dieses jenseits des Punktes liegt _r an welchem zunächst eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs stattfindet. Zugleich aber.ist der Abstand von der Oberfläche des Wärmeaustauschers,ausreichend groß gewänlt, um sicherzustellen, daß eine vollständige Rekombination des etwa dissoziierten Kohlendioxyds stattfindet,

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COPY 'bad ORIGINAL

de Jim

ue.or ciLu i.aiiien Gase die '.V'är^eaustausoiier-überfläche erreichen.. Der r.renner wird mit so j;roüer Leistung und xiiuoxisi UlLI cetriecan, jü:; an eiern Punkte, an welchem zuiiici.si eine ι oilstJ.ndi.re Verui-emian,^ erre^oiit wird, uie iemperaxui der Vsi'braimun^'s :ase a^e D-Lssoziaxionstemperaxur von konlendioxyd obers iei..iX. Strömen die ueiiaen 3-ase an diesem Punkt vorbei,, so Kommen sie mix dem Gi tear oder Sieb in Beranrting, weicues durch die ,iasam.^eriwirkan.^ .on iiirineieiuan.·; von den Lt^rxrefienaen Ciasen n.er ωχΰνοη der u'oi'axiiun.g uei· xiei.ien Uase Ln dei" '/erurennuiusione aui feue.z; vvira. Die lemoei-a uu.r- des Jiiiers o-jer Siebes isx so noch, aa.:i es '.vesanclicixe Enarvieir.encG:.. dwr··:: btra;:l'on-_: s-b^iex, die .on den u:a_;rebenäen La._txeilen absorbier-t v;iid, so aa.3 die remizarauui- des Gitters oaei· Sieoes ^nxei' uie .."enannte i/issuz-.ationste.Ti^ei-axai· accaseiiicx d i dasjeniren remperaxui ce-

, in weicLe-n die üeiconibination von Konlen-'nonoxyd und oauarstofi stattfinde ι. D-a Teay.eratur der .'er-Cre; Jiun^s ci-o uui:ie '.vii-d durcn das Sieb oder Gi χ tar so weit · einiedii-;:c, cia::. aucn die verbi-ennun_f;;sprod'ak ze raix ihrer Temper-ai.ii· m α en r.eiCombinaxiotis-Tem^eraxurcsreic^ aaracjti^eüraohx \v3i aen ^nu auf darr. .".ege zum ,',irnieaas laascüex¹ in mrer I'e::iceraxu. nic.ix iuei- die Dissoziationste:;;ceraiur .on Konieuaioxyd ansiei.-«n. Päiit die ler.pei-axar aer .iase ein.riai aaf aen ii9-io.:;c::.a ^ionscereich zaivek, so \ eriJ.^1 "- die üßicosci^- tioii von x-o-.-iea.r.onoxyd und Sa.*ersxofi' mit au-fieroraei-xiioiier ■ u-esehvvizid 1.^1.91 u, so da.;· as uio-clic^ ist, das G-itxer oder- Sieb -"iamlicui -la.o.e an aen V(*är:neausxaascüer „m ζ^ -. erlez-ei-, o;ine aa.; aa;i aui eine \ ollstlndi^e ixekomcinaxion der genannter. -rase verzi-c-men .-au.i. D8^%r'/.virni3au.s '„ausciier seiest bleibt aal einer ieniperatar, die uiixerhalb des EeKo.iibinat-ons-ie.Txe:: atur— bsreiclies xiegz. Wards man also zulassen, da3 a_a "^e i λ en den 7.^:ärineausxausciier erreichen, v;äl:rend sie noc:

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S BAD ORIGINAL

wesentliche Mengen, von Kohlenmonoxyd enthalten, so würde eine Abschreckung der Gase und nicht die gewünschte Rekombination stattfinden.

Im folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung eines, Ausführungsbeispieles unter Bezugnanme auf die anliegende Zeichnung näher erläutert, in welcher:

Figur 1 einen Vertikalschnitt durch eine «ärmeaustauschereinricjatung nacn der Erfindung und

Figur 2 einen Querschnitt längs eier in Figur 1 angedeuteten Schnittlinie 2-2

darstellen. Der in den Zeichnungsfiguren gezeigte Brenner 1 gehört einer Bauart von hohem Wirkungsgrad und noher Leistung an, wie sie an anderer Stelle \orgescnlagen worden ist. Brenner dieser Art 'besitzen eine zylindrische Hülse 2, die mit einer Vielzahl von Brenneröffnungen 3 verseilen ist, die als Kanäle dienen, über welche das zu verbrennende Gas austritt. Das genannte Gas, welches von einer Mischung aus Luft und einem kohlenstoffhaltigen, brennbaren Stoff, wie beispielsweise Erdgas, Gasolin, Lie than, Propan oder dergleichen, gebildet sein kann, wird dem Brenner über eine Einlaßleitung 4 zugeführt. Die Leitung 4 wird von einer geeigneten Brenngasquelle iier, wie sie ebenfalls bereits an anderer Stelle vorgeschlagen wurde, mit dem Gas-Luftgemisch gespeist, das vorzugsweise bis zu 30>ό Überschuß an Luft mit Bezug auf das stöchiometrische Verhältnis enthält. Brenner der hier kurz beschriebenen Bauart können außerordentlich große 'Wärmemengen erzeugen und zeigen beispielsweise eine Leistung von

ρ über 700 Wärmeeinheiten je Stunde und ge cm Brenneroberfläcne. Im oberen Betriebsbereich kann die Geschwindigkeit des Gas-Luftgemisches beim Austreten aus den Brenneröffnungen 3 über

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1,6 m je Sekunde betragen. Im gesamten Betriebsbereich des Brenners dieser Bauart liegt die äußere Grenze des Flammenmantels des Brenners 1 etwa 6 mm bis 12 mm von der ßrenneroberflache entfernt. Unabnängig von der Bauart des verwendeten Brenners stellt die äußere Grenze der Flamme den Bereich dar, an welchem zunächst eine vollständige Verbrennung des Brennstoffes vorliegt. Die Größe des Abstandes hängt von der Brennerkonstruktion ab und kann als eine Kenngröße des Brenners bezeichnet werden. Der Raum zwischen dem Brenner und dem genannten charakteristischen Abstand wird in der Beschreibung und in den Ansprüchen als Verbrennungsbereich bzw. charakteristischer Verbrennungsbereich des Brenners bezeichnest.

Die durch die Verbrennung des dem Brenner 1 zugeführten Brennstoffes erzeugte Wärme wird auf eine Wärmeaustauseherkonstruki Lon bestimmter Bauart übertragen, wie sie in der Zeichnung beispielsweise mit 5 bezeichnet ist. Die Wärmeaustauscherkonstruktion besteht aus einer Vielzahl von Rohren 6, welche in zylindrischer Anordnung den Brenner 1 umgeben. Die Rohre 6 haben an ihren oberen Enden mit einem Anschlußkopf 7 und an ihren unteren Enden mit Anschlußkonstruktionen Ö Verbindung, welche mit einer Einlaßleitung und einer Auslaßleitung 10 verbunden sind, so daß zu erwärmendes V/asser durch die in Serie liegenden Anordnungen von Rohren 6. nach aufwärts und nach abwärts geführt werden kann, um die Wirksamkeit und den Wirkungsgrad des Wärmeübergangs von den heißen Gasen zum Wasser in den Ronren 6 zu erhöhen, sind die Rohre in eine Trägerkonstruktion 11 eingebettet, die aus kleinen Stahlkörpern oder Stahlkugeln besteht, die miteinander und mit den Rohren 6 verlötet sind und den Zwischenraum zwischen den Rohren ausfüllen. Einzelheiten der Trägerkonstruktion 11 und der Kopfanschlüsse 7 und Ö bilden keinen Teil der vorliegenden Erfindung, so daß sich eine nähere Beschreibung diesbezüglich erübrigt.

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Das Wasser wird mit solcher Geschwindigkeit durcu aen .Va.r:i.e-- : austauscher geführx, daß die von irgendeinem leil der warme- -. austauscherkonstruktion erreichte Höcnsitemperaxur ,jeüeniaixs unter dem Temperaturbereich bleibt, in welchem eine augenblickliche Verbindung von konienmonoxyd mit üauersioff zu liohlendioxyd stattfindet. Dieser Temperaturbereich lie ^ υ größenordnungsmäßig oei einigen hundert Grad Celsius und untsr etwa 540° C. ,/ährend -. orliegend eine Gestimmte <Värmeaustausciierkonstruktion beschrieben wurde, erstent es sicu, dai3 beliebige bekannte Bauarten von <V arme aus taus ehern verwendet werden können, deren normale üet-riebsxemperatur unterhalb der Hekombinationstemperatur von kohlenmonoxyd unu Sauerstoff liegt.

'."It Brennern hoher Leistung, beispielsweise wie oben beschrieben, wird in dem charakteristischen Verbrennungsbereich des Brenners eine Gastemperatur erreicht, welche etwa 1540 C oder darüber betragen kann und oberhalb der Temperatur liegt, bei welcher Kohlendioxyd bereits zu Kohlenmonoxyd und freiem Sauerstoff dissoziiert. Wenn daher die neilien Gase aus dem charakteristischen Verbrennungsbereich herausströmen, so enthalten sie eine beträchtliche Menge von Lohlenmonoxyd, obwohl während des Verbrennungsprozesses sämtlicher kohlenstoff des zur Verbrennung gelangten Gases zu Kohle.idioxyd verbrannt worden ist, wie das bei Brennern noner Leistungsdichte und hoher Wirkungsgrade der oben beschriebenen Bauart der Fall ist.

Bisher bestand die einzige Möglichkeit, den heißen Gasen vor der Berührung mit dem Wärmeaustauscher Energie zu entziehen, in der Abstrahlung. Die Geschwindigkeit, mit welcher ein solcner Wärmeentzug erfolgt, ist jedoch so gering, daß bei den normalen Gasgeschwindigkeiten auf dem Wege der Gase vom charakteristischen Verbrennungsbereich zum Wärmeaus-

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tauscher die Temperatur der heißen Gase oberhalb der Rekombinationstemperatur on kohlenmonoxyd und freiem Sauerstoff blieb, nämlich oberhalb etwa 1370° G. Hier aber entzog der ",Värmeaustausoher den neißen Gasen so rasch Wärmeenergie, daß die Temperatur der Gase zu rasch den Rekombinationsbereicl· durcnlief, so daß nicnt ausreichend Zeit für eine wesentliche Rekombination verblieb. lÄari konnte dies als Abschockwirkung bezeicnnen, bei welcher die Neigung zur Rekombination durch den auf verhältnismäßig niedriger Temperatur befindlichen Wärmeaustauscher abgeschreckt wurde.

firfinduiijs^emäß wird aber die zu. or erwähnte Abschreckwirk ung dadurch vermiedex;, daß in dem Raum zwischen dem Brenner und dem V/ärmeaustauscher 5 ein perforierter Schirm oder ein .ritterarxiges Sieb 12 angeordnet wird. Das Sieb 12 besxeüt aus verhältnismäßig grobei: Mascnen eines hitzebestänaigen Drahtes aus einer Metallegierung, welcne unter dem Kamen "Lantnal" im Handel erhältlich ist und eine Cnrom-Eisen-Alununium-I.'Iolybdän-Legierung ist, die etwa b5; -Sisen, 30.- G/.rom, 5,- Aluminium und Spuren von Molybdän entiiält. Selbstverständlich kann ein perforierter Schirm oder ein Sieb a.,s einera anderen xiitzebeständigem vVerkstoff in gleicher Weise um den Brenner 1 xxerum angeordnet werden. Beispielsweise kann man keramische Stäbe als Werkstoff für die Herstellung des Schirmes oder Siebes 12 verwenden.

Das Sieb oder der Scnirm 12 liegt gerade -enseits des ciiarakxeris ti seilen Verbrermungsbereicnes des Brenners Beträgt die Tiefe dieses Bereiches entsprechend dem angegebenen Beispiel etwa 13 mm, so kann das Sieb 12 in einem Abstand \ on etwa 22 mm \on der Oberfläcxie der Hülse 2 des Brenners angeordnet werden, wänrend die Innenfläche des Y/ärmeaustauschers 5 etwa wiederum 22 mm im Abstand on dem Sieb 12 gelegen ist. iine zweckmäßige Lage des Siebes 1'

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ist also etwa auf halbem Wege des Abstandes zwischen der Außenfläche der Hülse 2 des Brenners 1 und der Innenfläcne des Wärmeaustauschers 5, wobei angenommen, ist, daß sich aas Sieb in dieser Lage außerhalb des charakteristischen Verbrennungsbereiches des Branners befindet.

Die Verbrennungsprodukte des Brenners 1 werden auf einen Weg durch den Wärmeaustauscher hindurch gezwungen, in dem der Raum zwischen dem Brenner 1 und dem Wärmeaustauscher 5 durch eine obere Platte 13 und eine untere Platte abgeschlossen ist. Das Sieb oder Gitter 12 ist zwischen diesen

fe Platten über einen hitzebeständiigen, geringe Wärmeleitfähigkeit besitzenden Block 15 gehaltert, der an der Platte befestigt ist. Ein entsprechender Block oder eine Zwischenlage 16 aus demselben Werkstoff ist an der unteren Platte 14 befestigt. Ein geeigneter Werkstoff für die Teile 15 und 16 ist Asbest, v/elcher auch als schallabsorbierender Werkstoff wirksam ist und eine unerwünschte Gerausehentwicklung auf Grund des Durchganges und des Verbrennens der Gase durcn bzw. in der Einrichtung unterdrückt. Der Block 15 kann in seiner Lage mittels einer Anzahl von Klammern 17 gesichert sein, di3 an der Platte 15 festgeschweißt sind. Das Gitter oder Sieb 12 ist an dem Block 15 mittels einiger Ilaken Io aufgehängt, die durch den Block 15 hindurchreichen. Auf diese

W Weise wird erreicht, daß, wenn überhaupt, sehr wenig ,Värme von dem Gitter oder Sieb 12 auf die umgebende konstruktion übertragen wird, da es wünschenswert ist, das Gitter oder Sieb 12 in allen seinen Teilen im wesentlichen auf gleichförmiger Temperatur zu halten. Das untere Ende des Gitters oder Siebes 12 ist mittels der Drahtenden 19 gehaltert, die vom unteren Rand des Gitters oder Siebes 12 abstehen und in der Oberfläche des Blockes 16 leicht festgesteckt sind. Zwar ist es nicht notwendig, den Block 16 an der unteren Platte zu befestigen, doch kann gegebenenfalls eine Befestigung in gleicher Weise erfolgen, wie sie für den Block 15 vorgesehen ist.

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Das Gitter oder Sieb 12 nimmt eine gewisse Wärmemenge durcii Strahlung von den heißen Gasen im charakteristischen Verbrennungsbereicn auf, doch wird das Gitter oder Sieb hauptsächlich durch die aus dem Verbrennungsbereicn kommenden und durch die Maschen des Gitters strömenden neißen Gase ernitzt. Wie bereits erwähnt, treten an dem Gitter oder Sieb 12 im "wesentlichen keine Yvärmeverluste durch Wärmeleitung zu den benachbarten Bauteilen auf und aus diesem Grunde muß die Wärmeabfuhr im wesentlichen ausschließlich duren Strahlung erfolgen. Die Temperatur des Gitters oder Siebes 12 steigt daher auf eine Temperatur von etwa 1370 C an, wobei diese Temperatur im wesentlichen gleichförmig am gesamten Gitter auftritt.

Bei der genannten Temperatur ist die 'Wärmemenge, welche dem Sieb oder Gitter ·. on den neißen Gasen zugeführt wird, gleich der Wärmemenge, welche das Gitter oder Sieb durch Strahlung abgibt. Man erkennt also, daß das Gitter oder Sieb 12 die durch das Gitter hindurchtretenden heißen Gase gleichförmig um etwa 167 Celsius-Grade abkühlt. Dies reicht aus, um die Temperatur der Gase auf etwa 1370 C herabzudrücken, welcher Wert innerhalb des Rekombinations-Temperaturbereiches von Kohlenmonoxyd und freiem Sauerstoff liegt. Als Folge davon verbindet sich etwa in den heißen Gasen vorhandenes Kohlenmonoxyd rasen mit dem freien Sauerstoff, welcher durch die vorangegangene Dissoziation von Kohlendioxyd freigesetzt worden war und innerhalb eines außerordentlich kurzen Wegstückes jenseits des Gitters oder Siebes 12 ist eine vollständige Rekombination des Kohlenmonoxyds eingetreten, so daß die heißen Gase, welchen den Wärmeaustauscher 5 erreichen, im wesentlichen frei von KohieiS-sind.

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Durch, die .Srfinduns; wird also eine ss:.r ίζοχφ&κχ,β Vv-ärrneaustauacnereinriCiitung x.oher Leis uunirsdiexixe und iionen Wirkungsgrades geschaffen, bei weicuer me Abgase im wesentlichen frei von Iioiilemnonoxyu ^enaluen sind, onne daiä irgendeine Einbuße bezüglich des geringen itaarabedarfes una des iioxien Wirkungsgrades in Kauf zu nenmen ist.

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Claims (7)

1. Patentansprüche;

   /rärmeaustauscnereinricntung mit einem zum Verfeuern kohlenstoffhaltiger Brennstoffe dienenden Brenner, welcher einem in seiner jNäne liegenden Verbrennungsbereich zugeordnet und nahe einem wärmeaustauscher angeordnet ist, dessen Betriebstemperatur unter der Fekombinationstemperatur von Kohlenmonoxid und Sauerstoff liegt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Verbrennungsbereich und dem Wärmeaustauscher (5) eine 'Wärmesenke (12) zum Entzug von Wärmeenergie aus den Vert. -emungsprodukten zur Erniedrigung von deren Temperatur auf die genannte itekombinationstemperatur \orgesehen ist, derart, daß während des Betriebs im wesentlichen alles in den Verbrennungsprodukten \orhandene Kohlenmonoxyd mit Sauerstoff vor Erreichen des Wärmeaustauschers Ko^lendioxyd bildet.
2. 2. Wärmeaustauschereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke \on einem perforierten, aus nitzebeständigem Werkstoff bestehenden Bauteil gebildet ist, das im Strömungswege der Verbrennungsprdukte zwischen dem genannten Verbrennungsbereicn und dem Wärmeaustauscher (5) angeordnet ist.
3. 3. Vrärmeaustauschereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nahe dem aus iiitzebeständigem Werkstoff bestehendem, die Wärmesenke (12) bildenden Bauteil wärmeleitende Bauteile des Wärmeaustauscners (5) angeordnet sind, gegen welche das aus hitzebeständigem Werkstoff bestellende Bauteil bezüglicn des Wärmeüberganges derart isoliert ist, daß es während des Betriebes von den Verbrennungsprodukten auf eine Temperatur erhitzt wird, bei welcher die Wa neverluste des aus hitzebeständigem Werkstoff bestenenden Bauteiles im wesentlichen nur durch Strahlung verursacht werden.

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4. 4· Wärmeaustauschereinrichtung nach Anspruch. 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (1), das Bauteil aus hitzebeständigem Werkstoff (12) und der Wärmeaustauscher (5) zylindrische Form haben und konzentrisch zueinander angeordnet sind.
5. 5· Wärmeaustauschereirichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das aus hitzebeständigem Werkstoff bestehende Bauteil eine hitzebeständige Metalllegierung enthält.
6. 6. Wärmeaustauschereinrichtung nach einem der Ansprüche. 2 bis 5f dadurch gekennzeichnet, daß das aus hitzebeständigem Werkstoff bestehende Bauteil über ein oder mehrere wärmeisolierende, schallabsorbierende Zwisphenstücke (15» 16) an den benachbarten Bauteilen des Wärmeaustauschers (5) befestigt (l8, 19) ist.
7. 7. Wärmeaustauschereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeisolierenden, schallabsorbierenden Zwischenstücke Asbest enthalten oder aus Asbest bestehen.

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