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Beschreibung
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zum Patentgesuch betreffend: "Kohlegefeuerte Ofenanlage und Verfahren
zum Betreiben hiervon" zum Betreiben hiervon Die Erfindung betrifft eine kohlegefeuerte
Ofenanlage und ein Verfahren zum Betreiben hiervon entsprechend den Oberbegriffen
der Ansprüche 1 und 7.
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Bei einem kohlegefeuerten Ofensystem wird die in dem Ofen zu verbrennende
Kohle normalerweise getrocknet und in einer Kohlemühle zerkleinert sowie direkt
von der Kohlemühle zu KohleeinlaBdüsen in dem Ofen geführt, wobei durch Verbrennungsprodukte
des Ofens erhitzte Luft den Kohlemühlen zugeführt wird, um die-Kohle zu trocknen
und zu den Düsen zu befördern. Weiterhin wird Sekundärluft direkt von einem Luftvorwärmer
zu dem Ofen geführt, um den Rest der für die Verbrennung benötigten Luft zu liefern.
Die mit der Luft eingeführte Kohle wird daher aufgrund der Zündenergie aus der Primärluft,
die durch die Düsen eingeführt wird, die Sekundärluft, die Wärme in der Kohle selbst,
die Strahlung und Wärmeleitung der Flamme in dem Ofen und die Strahlung der Ofenwände
verbrannt.
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Hierbei ist jedoch vorausgesetzt, daß der Ofen bereits arbeitet,
wobei bei großen öfen, die zur Stromerzeugung verwendet werden, vorausgesetzt ist,
daß der Ofen bereits eine genügend lange Zeit arbeitet. Um daher eine Verbrennung
der Kohle zu bewirken und aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, einen Hilfsbrennstoff
zum Vorwärmen der Ofenwände, zum Liefern einer Zündflamme und zum Vorwärmen des
Luftvorwärmers zu verwenden. Diese Aufgabe wird gewöhnlich von öl- oder gasgefeuerten
Zündern oder Vorwärmlanzen vorgenommen. So ist die Verwendung von 300.000 1 öl in
einer 500 Megawatt-Anlage zum Anfahren nicht ungewöhnlich. Abgesehen von diesen
beträchtlichen Mengen ist ein beträchtlicher Aufwand bezüglich der Installationen
für die ölzuführung notwendig. Wenn der Ofen auf Temperatur gebracht ist, werden
die Kohledüsen durch öl- oder gasgefeuerte Zünddüsen oder durch die Aufwärmbrenner
selbst gezündet.
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Die Verwendung von zusätzlichem Brennstoff ist nicht notwendigerweise
vorbei, wenn die Kohledüsen gezündet wurden.
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Bei hohen Kessellasten, d.h. dann, wenn die Menge an den Düsen zugeführter
Kohle groß ist, kann in dem Ofen eine stabile Verbrennung der staubförmigen Kohle
aufrechterhalten werden. Wenn jedoch die Last und damit die Kohlezufuhr verringert
wird, nimmt die Stabilität der von der staubförmigen Kohle erzeugten Flamme ab,
wobei es üblich ist, Zünder oder Aufwärmbrenner zu verwenden, um die Flamme in dem
Ofen aufrechtzuerhalten, um somit das Zusammenballen von unverbranntem Kohlestaub
in dem Ofen und die damit verbundene Explosionsgefahr zu vermeiden.
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Die Funktionen der öl- oder gasgefeuerten Brenner beruhen auf der
leichteren Zündung dieser Brennstoffe, eine geringere Wärme ist erforderlich, die
aus irgendeiner Quelle stammen kanii, um die flüchtigen Stoffe freizusetzen und
hierdurch die Verbrennung in Gang zu setzen oder aufrechtzuerhalten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ofenanlage und ein Verfahren gemäß
dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 7 zu schaffen, die es ermöglichen, das Zünden,
Vorwärmen und das Stabilisieren bei niedriger Last mit Hilfe von staubförmiger Kohle
und unter minimaler Verwendung von Hilfsbrennstoff durchzuführen.
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Diese Aufgabe wird entsprechend den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche
1 und 7 gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Den Zünddüsen wird auf diese Weise pulverisierte Kohle zugeführt,
die von der Transportluft, die eventuell Feuchtigkeit enthalten kann, getrennt wird,
so daß den Zünddüsen eine relativ dichte Kohle-Luft-Mischung zugeführt wird. Weiterhin
wird nur die Luft für die Verbrennung durch die Zünddüsen erhitzt. Wenn öl für diesen
Zweck verwendet wird, so ist dessen Mnenge minimal, da nur geringe Mengen von Luft
zum Verbrennen erhitzt werden müssen, während nur eine ölleitung benötigt wird,
die zu einer einzigen Stelle geführt wird. Insbesondere wird pulverisierte Kohle
während des normalen Betriebs gespeichert, da warme Luft für ihre Herstellung notwendig
ist, die dann steuerbar den Zünddüsen im Bedarfsfalle zugeführt werden kann.
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Hierdurch wird das Anfahren weiter vereinfacht.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den beigefügten Abbildungen
dargestellten Ausführungsform näher erläutert.
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Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Brennstoffsystems für
Zuführdüsen eines Ofens, Fig. 2 ist eine schematische Ansicht eines Brennstoffsystems
für Zünddüsen gemäß der Erfindung, Fig. 3 zeigt teilweise im Schnitt eine Seitenansicht
einer ~erfindungsgemäßen Zünddüse.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ofen 10 verbindet eine Leitung 36
den Austritt des Ofens 10 mit dem Abgaseinlaß eines Luftvorwärmers 38, während eine
Leitung 40 den Abgasauslaß mit einem (nicht dargestellten) Schornstein verbindet,
der die Verbrennungsprodukte an die Atmosphäre übergibt. Mit einem Gebläse 42 wird
Luft aus der Atmosphäre angezogen und durch den Lufteinlaß des Luftvorwärmers 38
geblasen. tinte Leitung 34 verbindet den Luftaustritt des Luftvorwärmers 38 mit
Windkästen 12 und 30, die auf beiden Seiten des Ofens 10 angeordnet sind. Ein typischer
Ofen 10 besitzt vier Windkästen, einen an jeder Ecke, jedoch sind zur Vereinfachung
nur zwei dargestellt. Eine weitere Leitung 32 führt Luft von der Leitung 34 zu dem
Lufteinlaß eines Zerstäubers 22. Der Auslaß des Zerstäubers 22 ist über eine Leitung
21 mit einem Sauggebläse 20 verbunden, dessen Auslaß mit verschiedenen Leitung in
Verbindung steht. Leitungen 18 und 24 führen von dem Auslaß des Sauggebläses 20
zu Kohleeinführdüsen 19 und 25, die derart angeordnet sind, daß sie ihnen zugeführte
Kohle in das Innere des Ofens 10 einführen. Die Düsen 16 und 26 werden durch eine
zweite Zerstäuber-Sauggebläse-Einrichtung versorgt, die nicht dargestellt ist, während
eine dritte Zerstäuber-Sauggebläse-Einrichtung, die ebenfalls nicht dargestellt
ist, die Düsen 14 und 28 versorgt. Auch hier existiert für jedes Paar von dargestellten
Düsen normalerweise ein anderes Paar von nicht dargestellten Düsen, das von demselben
Zerstäuber versorgt wird.
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Die Windkästen 12 und 30 stehen mit dem Inneren des Ofens 10 durch
öffnungen im Bereich der Düsen in Verbindung. Nicht dargestellte Drosseln steuern
die Zuteilung der Luft von dem Windkasten zwischen den öffnungen.
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Beim normalen Betrieb treten Kohle und Luft in den Ofen 10 durch
eine oder mehrere Düsenquerschnitte ein. Die Verbrennung
findet
im Inneren des Ofens 10 statt, wobei heiße Abgase erzeugt werden, die über die Leitung
36, durch den Luftvorwärmer 38 und durch die Leitung 40 zu einem Kamin strömen.
Der Luftvorwärmer 38 besitzt bewegliche Wärmeaustauschflächen, die alternativ mit
den heißen Abgasen und der in den Luftvorwärmer 38 über das Gebläse 42 eintretenden
Luft in Berührung steht. Die Wärmeaustauschflächen absorbieren daher Wärme von den
Abgasen und geben diese an die Luft von dem Gebläse 42 ab. Ein Teil der erwärmten
Luft, die den Luftvorwärmer 38 verläßt, strömt durch die Leitung 32 in den Zerstäuber
22. Der Zerstäuber 22 ist eine Vorrichtung zum Trocknen und Zerkleinern von Kohle,
wobei die Warmluft von der Leitung 32 zum Trocknen der Kohle verwendet wird.
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Der durch die Zeitung 32 und den Zerstäuber 22 strömende Luftstrom
strömt ebenfalls durch die Leitung 21, das Sauggebläse 20 und durch Leitungen 18
und 24 zu den zugeordneten Düsen. Beim Hindurchströmen durch den Zerstäuber 22 reißt
der Luftstrom die Kohle, die genügend zerkleinert ist, mit und führt diese zu den
Düsen 19 und 25. Da das Gebläse 42 und das Sauggebläse 20 beide eine Kraft für diese
Bewegung liefern, ist ersichtlich, daß diese zusammen Mittel bilden, um einen ersten
Luftstrom von dem Luftaustritt des Vorwärmers 38 durch den Zerstäuber 22 und entweder
in die Düse 19 oder die Düse 25 zu drücken. Die Luft, die durch das Gebläse 42 und
das Sauggebläse 20 durch den Zerstäuber 22 gedrückt wird, wird als Primärluft bezeichnet,
und wird mit der Kohle zu den Hauptkohledüsen 19 und 25 befördert. Gewöhnlich ist
jedoch nicht genügend Primärluft vorhanden, um die Verbrennung sämtlicher Kohle
herbeizuführen, so daß ein Anteil der Luft, die den Luftvorwärmer 38 verläßt, durch
die Leitung 34 zu den Windkästen 12 und 30 geführt wird. Die Windkästen 12 und 30
liefern Sekundärluft, den Rest der Luft, der erforderlich ist, um die Verbrennung
sämtlicher Kohle zu bewirken.
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Es ist offensichtlich, daß vorausgesetzt wird, daß heiße Abgase durch
die Leitung 36 fließen. Beim Anfahren des Ofens sind
natürlich
die durch die Leitung 36 strömenden Gase relativ kalt. Deshalb sind gewöhnlich zusätzliche
Brenner vorgesehen, die öl oder Erdgas verbrennen und betrieben werden, wenn die
Gase in der Leitung 36 relativ kalt sind. Zerstäubte Kohle ist nämlich relativ schwierig
zu zünden und eine stabile Verbrennung kann nicht garantiert werden, bis beträchtliche
Mengen an Wärmeenergie im Verbrennungsbereich vorhanden sind. Diese Wärmeenergie,
die verwendet wird, um anzufahren oder die Verbrennung aufrechtzuerhalten, kommt
aus vielen Quellen. Sie kann direkt durch Strahlung von der Flamme kommen, die bereits
in dem Ofen vorhanden ist, durch Strahlung von den Wänden des Ofens, durch übertragung
von den allgemein heißen Gasen in dem Ofen oder durch übertragung von der Primär-
oder Sekundärluft, die in den Ofen strömt. Tatsächlich tragen alle diese Quellen
zur Zündenergie bei und unter Hochlastbedingungen ergeben sie zusammen eine genügende
Zündenergie zum stabilen Verbrennen der Kohle.
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Jedoch ist in vielen Fällen die Kombination dieser Energiequellen
nicht ausreichend, um eine stabile Verbrennung zu garantieren. Eine dieser Situationen
besteht in einem kalten Ofen, bei dem nur eine geringe Strahlung von den Ofenwänden
stattfindet und eine geringe Energie von der Primär- und Sekundärluft durch den
Lufgtvorwärmer 38 übertragen wird. In solchen Fällen werden die zusätzlichen Brenner
verwendet. Eine andere Situation, in der zusätzliche Brenner vewendet werden, besteht
darin, daß der Ofen mit relativ niedriger Last geahren wird, wenn die Menge der
verbrennenden Reaktionsteilnehmer genügend niedrig ist, um eine Verringerung der
von den verschiedenen Quellen abgegebenen Energie zu bewirken. In diesem Falle werden
ebenfalls zusätzliche Brenner verwendet, um eine stabile Verbrennung aufrechtzuerhalten.
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Bisher verbrannten diese zusätzlichen Brenner nur öl oder Erdgas.
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Dies stellt eine natürliche Auswahl dar, da öl und Erdgas sehr viel
leichter als zerstäubte Kohle zu entfalammen sind.
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Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, die es ermöglicht, die zusätzlichen
Brenner mit zerstäubter Kohle zu beschicken. Ein
Zündzerstäuber
110 wird mit Luft an seinem Einlaß 112 von dem Luftvorwärmer 38 von Fig. 1 versorgt.
Eine Leitung 100 führt die Kohle-Luft-Mischung, die den Zerstäuber 110 verläßt,
zu einem Sauggebläse 102, wobei eine Leitung 98 den Austritt des Sauggebläses 102
mit weiteren Leitungen 96 verbindet. Die Leitungen 96 führen zu Zyklonabscheidern,
wie den Zyklonabscheider 65. Die Anzahl der Zyklonabscheider ist von der Auslegung
abhängig, nur einer ist notwendig, jedoch können mehrere verwendet werden. Der Auslaß
des Abscheiders 65 ist mit einer Luftleitung 62 mit einem Punkt im Inneren des Ofens
10 entfernt von den Brennstoffdüsen verbunden. Ein Trichter 66 ist angeordnet, um
Kohle aufzunehmen, die den Abscheider 65 verläßt, wobei der Auslaß des Trichters
66 von einem VEntil 67 gesteuert wird. Kohle von dem Trichter 66 wird durch eine
Kohleleitung 70 zu entsprechend geregelten Kohleleitungen 74, 78 und 82 gefördert,
die jeweils in Kohledüsen enden, die in Fig. 2 nicht dargestellt sind. Ähnliche
Kohleleitungen 86, 90 und 94 nehmen ebenfalls Kohle entweder vor dem Kohletrichter
66 oder einem anderen nicht dargestellten Kohletrichter auf und fördern diese zu
Düsen, die an ihren Enden angeordnet sind.
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Es ist nicht notwendig, daß der Zerstäuber 110 ein separater Zerstäuber
ist. Die Funktionen der Zerstäuber 110 und 22 können von einem Zerstäuber wahrgenommen
werden, dessen Austritt zwischen einer direkten Verbindung mit dem Ofen 10 und einer
Verbindung mit einem Abscheider 65 getrennt ist. Dementsprechend können der Hauptzerstäuber
und der Zündzerstäuber in den Ansprüchen als eine Vorrichtung ausgeführt sein.
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Ein Gebläse 118 zieht Luft von dem in Fig. 1 dargestellten Luftvorwärmer,
wobei dieser Luftstrom unter den Leitungen 119, 120 und 122 aufgeteilt wird. Die
Leitung 119 versorgt einen Lufterhitzer, möglicherweise einen elektrischen Erhitzer,
wobei der Austritt des Lufterhitzers 116 über eine Leitung 114 mit den Zünddüsen
an den Enden der Kohleleitun82 und 84 verbunden ist.
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Die Temperatur der Luft, die den Lufterhitzer 116 verläßt, liegt vorzugsweise
zwischen 149 und 5380C. Ein ähnlicher Erhitzer und ähnliche Verbindungen existieren
zwischen der Leitung 120 und den Düsen am Ende der Kohleleitungen 78 und 90 und
zwischen der Leitung 122 und den Düsen an den Enden der Kohleleitungen 74 und 86.
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Fig. 3 zeigt eine Zünddüse, die etwa durch die Kohleleitung 82 versorgt
wird. Die Zünddüse besteht aus drei konzentrischen Düsen 128, 130 und 134. Die Düsen
128 und 134 werden beide durch die Leitung 80 versorgt, die an der Düse 128 durch
ein flexibles Verbindungsstück 126 befestigt ist. Die Kohleleitung 82 ist über ein
Kugelgelenk 138 mit einer Kohleleitungsverlängerung 144 verbunden. In und konzentrisch
zu der Kohleleitung 82 und der Kohleleitungsverlängerung 144 ist ein Zünder 1"2
angeordnet. Der Zünder 142 kann eine kleine Ausführungsform eines normalen Kohle-
und/oder Gasbetriebenen Zünders sein, oder es kann sich um einen Hochenergiebogenzünder
handeln. In jedem Falle ist der Zünder wenigstens durch den Bereich des Kugelgelenks
flexibel, damit er sich mit dem Kohleleitungsansatz 144 bewegen kann. Eine Luftleitung
124 steht mit dem Windkasten 12 von Fig. 1 in Verbindung und ist an ihrem Ende mit
der Düse 130 verbunden. Dementsprechend steht die Düse 130 mit dem Windkasten 12
in Verbindung. Eine typische Einheit besitzt einen Flammendetektor 132 irgendeines
gexfunschten Typs, um festzustellen, ob am Ende der Zünddüse eine Flamme existiert
oder nicht.
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Um den Ofen 10 anzufahren, wenn dieser kalt ist, wird der Zerstäuber
110 gestartet, der Kohle an seinem Eintritt aufnimmt und diese zerkleinert. Der
Lufteinlaß des Zerstäubers 110 nimmt Luft auf, die durch den Luftvorwärmer 38 durch
das Gebläse 42 geblasen wurde. Bei einem kalten Anfahren ist diese Luft noch relativ
kalt. Die kalte Luft wird durch den Zerstäuber
110, die Leitung
100, das Sauggebläse 102 und die Leitungen 98 und 96 zu dem Abscheider 65 geblasen.
Der Abscheider 65 scheidet die Kohle ab, die von der Luft mitgenommen wurde, die
durch den Zerstäuber 110 geblasen wurde, und läßt diese in den Trichter 66 fallen.
Gleichzeitig wird die Luft, die von der Kohle getrennt wird, in den Ofen durch die
Leitung 62 geblasen. Alternativ kann der Trichter 66 ein Speichertrichter sein,
der groß genug ist, um die Kohlanenge aufzunehmen, die zum Starten benötigt wird.
In einem solchen Falle wird die zerstäubte Kohle, die in dem Trichter 66 aus dem
vorherigen Betrieb des Ofens 10 verbleiben ist, den Brennstoff für dien Betrieb
bilden, bis der Ofen aufgeheizt ist.
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Eine Leitung 64 wird verwendet, um in dem Trichter 66 während der
Aufbewahrung eine Atmosphäre aufrechtzuerhalten, die eine spontane Entzündung verhindert.
Nachdem der Ofen 10 aufgeheizt ist, beginnt der Zündzerstäuber 110 zu arbeiten,
um den Vorrat an gespeicherter Kohle in dem Trichter 66 zu ergänzen.
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Welche Methode auch verwendet wird, die Kohle wird über den Trichter
66 zugeführt. Pas Ventil 67 reguliert die Kohlemenge, die von dem Trichter 66 abgeführt
wird, wobei diese Kohle mit Hilfe von entsprechenden Mitteln durch Leitungen 70
und 82 und aus der Zünddüse heraus gedrückt wird. Ähnlich wird Kohle durch die Leitung
94 und durch die an ihrem Austritt angeordnete Düse gedrückt. Da die Kohle durch
die Leitungen 82 und 94 praktisch ohne Luft geführt wird, können die Kohleleitungen
82 und 94 relativ eng sein, so daß sie nicht zu einer Beeinträchtigung an den Ofenecken
führen. Zur gleichen Zeit, zu der Kohle zu den Zünddüsen gefördert wird, wird Luft
von dem Vorwärmer 38 durch das Gebläse 118 durch die Leitung 119 zu dem Erwärmer
116 geführt. Der Erwärmer 116 erwärmt die Luft auf eine Temperatur, die hoch genug
ist, um eine stabile Verbrennung zu liefern. Ohne den Erwärmer 116 würde die einzige
Wärme der Luft, die dieser zugeführt wird, von
dem Luftvorwärmer
38 stammen, wobei bei einem kalten Anfahren diese Wärme nicht sehr hoch ist. Die
heiße Luft, die den Erwärmer 116 verläßt, wird durch die Leitung 114 zu den Leitungen
80 und 92 gefördert. Ein Teil der Luft, die durch die Leitung 80 strömt, strömt
durch die Düse 134 von Fig. 3. Entsprechend dem derzeitigen STand der Technik kann
die Düse 134 Flügel 136 aufweisen, um den Luftstrom in geeigneter Weise zu führen,
wobei dieser Luftstrom der Kohle, die die öffnungen des Kohleleitungsansatzes 144
verläßt, ein geeignetes Strömungsverhalten verleiht.
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Die Wärmemenge, die durch den Lufterhitzer 116 eingebracht wird,
kann minimal gehalten werden. Da die Luft, die erhitzt wird, nur dazu verwendet
wird, um an der Zünddüse für die Zündung Energie zuzuführen, wird die Notwendigkeit
der Zuführung von Wärme zu dem gesamten Luftvolumen, das durch den Vorwärmer 38
strömt, vermieden. Da weiterhin der inerte Wasserdampf, der von der Trocknung der
Kohle resultiert, von der Kohle getrennt wird, bevor die Kohle die Zünddüsen erreicht,
wird die Energie, die durch den Lufterhitzer 116 geliefert wird, nicht dazu verwendet,
um inerte Stoffe zu erhitzen. Der Rest der Luft, der durch die Leitung 80 strömt,
wird durch die Düse 128 und vorbei an den Schaufeln 140 geführt, die ebenfalls ein
für eine stabile Verbrennung geeignetes Strömungsverhalten liefern. Obwohl die Luftmenge,
die von dem Lufterhitzer 116 erwärmt wird, normalerweise so niedrig wie möglich
gehalten wird, kann die Auslegung der Anlage eine genügende Kapazität erfordern,
um 100% stöchiometrische Luft zu erhitzen, falls dies erforderlich ist. Daher kann
die Luftmenge, die durch die Düsen 128 und 134 geliefert wird, für eine stöchiometrische
Verbrennung der Kohle ausreichend sein. Falls dies nicht der Fall ist, kann Windkastenluft
durch die Düse 130 eingeführt wierden. Sogar dann, wenn die Menge an erwärmter Luft,
die durch die Düsen 128 und 134 eingeführt wird, für die Verbrennung sänmlicher
Kohle ausreichend ist, kann es
trotzdem in Abhängigkeit von den
Eigenschaften der Düsen 128 und 134 und den Schaufeln 136 und 140 wünschenswert
sein, Windkastenluft einzuführen, um ein Strömungsverhalten zu erzielen, das so
angepaßt ist, daß heiße Verbrennungsprodukte zurück in die Verbrennungszone gefördert
werden, um auf diese Weise zur Zündenergie und zur Stabilität der Zündflamme beizutragen.
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Die Kohle, die den Kohleleitungsansatz 144 verläßt, erhält ihre flüchtigen
Bestandteile freigesetzt durch den Zünder 142, wobei die Verbrennung von einem Teil
der Rohle ferner in Anwesenheit der Luft, die durch die Zünddüse 134 strömt, beginnt.
Der Rest der Luft, der für die Verbrennung benötigt wird, wird durch die Düse 128
geliefert, so daß die Verbrennung vervollständigt wird, nachdem Kohle und Luft,
die die Düse 134 verlassen haben, die Luft der Düse 128 begegnen. Die aus der Leitung
80 kommende Luft ist heiß genug, so daß ihr Beitrag zur Zündenergie eine stabile
Flamme liefert.
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In Fig. 3 ist lediglich eine Düse dargestellt, die eine Ausführungsform
der Erfindung und die Funktionsweise einer solchen Düse zeigt.
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Die stabile Flamme am Austritt der Zünddüss beginnt, die Dampfrohre
und die Ofenwände zu erwärmen, wobei mit deren Aufwärmen die Abgastemperatur ansteigt.
Gegebenenfalls werden die Luftvorwärmer für den Betrieb der Hauptkohledüsen warm
genug und ihre Zerstäuber gestartet. Die Kohle, die aus den Hauptkohledüsen austritt,
wird durch die Flammen von den Zünddüsen gezündet und der normale Betrieb beginnt.
Wenn der Ofen mit niedriger Last gefahren wird, bleiben die Zünddüsen an, wobei
eine Niedriglaststabilisierung geliefert wird. Die zusätzlichen Kosten, die hervorgerufen
werden, indem die Zünddüsen in Betrieb bleiben, sind verschwindend, so daß sie sogar
bei Fahren mit hohen Lasten in Betrieb bleiben können.