DE4132235C1 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Mantelstrahlheizrohr, ins
besondere zur Beheizung von Ofenräumen von Industrie
öfen, mit einem Mantelrohr und einem in diesem
angeordneten Flammrohr, dem einenends ein
Brenner zugeordnet ist, und das aus stumpf aneinander
gereihten Rohrstücken zusammengesetzt ist sowie
durchgehende Abgaskanäle aufweist, die in einen zwi
schen dem Mantelrohr und dem Flammrohr ausgebildeten
Ringkanal münden, wobei das Flammrohr durch zugeord
nete Abstandsmittel bezüglich des Mantelrohres zen
triert ist.
Es ist bekannt (GB-PS 7 16 579), bei Strahlheizrohren
das Flammrohr aus mehreren hintereinander
angeordneten hohlzylindrischen Keramikteilen zu
sammenzusetzen, die formschlüssig ineinandergrei
fen und miteinander verkittet sind. Solche Flamm
rohre sind schwierig herzustellen und gegen die
im Betrieb unvermeidlich auftretenden Durchbiegungen
empfindlich. Bei einem aus der US-PS 24 78 732 be
kannten Mantelstrahlheizrohr ist das keramische
Flammrohr ebenfalls aus Rohrstücken oder Kreisring
teilen zusammengesetzt, von denen das an die Mantel
rohrstirnwand angrenzende Abschluß-Ringteil mit
radialen Abgasdurchlässen und ebenso wie die anderen
Kreisringteile an der Außenfläche mit radialen Ab
standsrippen versehen ist. Diese Abstandsrippen
bewirken die Zentrierung des Flammrohrs in dem
Mantelrohr und sind zu diesem Zwecke radial außen
an der Innenwand des Mantelrohres abgestützt. Die
Kreisringteile sind im übrigen stumpf aneinander
gereiht; sie sind durch eine auf das freie Ende
der gegen die Mantelrohrstirnwand abgestützten
Säule von Kreisringteilen einwirkende Feder stirn
seitig dicht aneinanderliegend gegeneinander ver
spannt. Bei diesem Flammrohr besteht die Gefahr
einer örtlichen Überhitzung des Mantelrohrs im Be
reiche der lediglich in der unmittelbaren Nähe der
Mantelrohrstirnwand mündenden Abgaskanäle, während
andererseits es schwierig ist, an den Trennfugen
der nur elastisch gegeneinander gedrückten Kreis
ringteile definierte Strömungsverhältnisse sicher
zustellen und zu vermeiden, daß bei einer Durch
biegung des Flammrohrs sich Trennfugen in unkon
trollierter Weise öffnen und damit Anlaß zu ört
lichen Überhitzungen in dem Mantelrohr geben.
Um die in Mantelstrahlrohren angeordneten Flamm
rohre mit Rücksicht auf die betriebsmäßig
auftretende Durchbiegung flexibel zu gestalten, ist
es auch bekannt (DE-PS 15 51 762, DE-PS 23 14 118), die
Flammrohre jeweils aus ganz oder teilweise aus kerami
schen Werkstoffen bestehenden Segmenten zusammenzu
setzen. In diese Segmente können durchgehende Abgas
kanäle bildende Öffnungen oder Schlitze eingebracht
sein; es ist aber auch bekannt, die Abgaskanäle an
den achsparallelen Stoßstellen der Kreisringsegmente
vorzusehen und diese derart zu gestalten, daß sie
eine tangentiale Richtungskomponente aufweisen
(DE-PS 23 14 118). Zur Verbindung der so gebildeten Rohr
abschnitte miteinander können überlappende Muffen
verbindungen (DE-PS 34 47 603) oder Bajonettverschlüsse
verwendet werden.
Zur Erhöhung der Lebensdauer der Mantelstrahlrohre
wie auch mit Rücksicht auf NOx-mindernde Maßnahmen,
ist ein hoher Umwälzgrad der den Ringkanal zwischen
dem Flammrohr und dem Mantelrohr durchströmenden
heißen Abgase erforderlich, wobei gleichzeitig eine
definierte Wärmeabgabe des Strahlrohrs bei gleich
mäßiger Temperaturverteilung über dessen wärmeab
gebende Oberfläche zu gewährleisten ist. Bei den
bekannten keramischen Strahlrohren, die mit Rück
sicht auf die erforderliche Flexibilität aus einzel
nen Rohrstücken oder Kreisringteilen bzw. -segmenten
zusammengesetzt sind, sind entweder keine definierten
Strömungsverhältnisse im Bereiche der Trennfugen
zwischen aneinanderstoßenden Teilen gegeben, oder
die verwendeten Verbindungsmittel der keramischen
Teile engen den an sich schon knappen Strömungs
querschnitt des Ringkanals ein, wobei sie obendrein
häufig zusätzliches Material und aufwendige Her
stellungsmethoden erforderlich machen.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb,
ein Mantelstrahlheizrohr zu schaffen, bei dem
bei einfacher Formgestaltung des Flammrohrs
und dessen Teile maximale Strömungsquerschnitte für die
Abgasumwälzung gegeben sind und sich durch einfache Maß
nahmen eine jeweils zweckentsprechende Strömungsführung
der Gasumwälzung erzielen läßt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das eingangs genannte
Mantelstrahlheizrohr erfindungsgemäß dadurch gekenn
zeichnet, daß die aneinandergereihten Rohrstücke durch
Klammern miteinander verbunden sind.
Diese Klammern gewährleisten zum einen eine exakte
gegenseitige Zuordnung der Rohrstücke, die auch unter
Betriebsbedingungen erhalten bleibt. Die Klammern sind
durchweg außen an den Rohrstücken angebracht, wenn
gleich für spezielle Ausführungsformen es auch denk
bar wäre, innenliegende Klammern zu verwenden.
In jedem Falle können die Klammern als Abstandsmittel
wirkend ausgebildet sein, womit sich eine optimale
Anpassungsmöglichkeit an veränderliche Mantelrohr
durchmesser bei unveränderten Flammrohrabmessungen
bietet. Außerdem können zumindest zwei Rohrstücke
unter Ausbildung eines als Abgaskanal wirkenden
Schlitzes im axialen Abstand voneinander angeordnet
sein. Durch entsprechende Bemessung der Weite dieser
Schlitze und durch entsprechende Wahl deren Ver
teilung über die Länge des Flammrohres eröffnet
sich damit die Möglichkeit, mit sehr einfachen
Mitteln eine genau vorherbestimmte Abgas-Strömungs
führung durch definierte Schlitze herzustellen und
Zonen verbesserten Wärmeübergangs vorzusehen.
Solche durch entsprechende Anordnungen der Ausbildung
der Klammern bewußt gewählte Schlitze größerer Weite
erlauben es somit, die Temperaturverteilung und die
Umwälzströmung günstig zu beeinflussen. Die bei ge
schlossenem Flammrohr am Flammrohrende im Bereiche
der Strömungsumkehr in der Regel auftretenden Über
temperaturbereiche lassen sich auf diese Weise weit
gehend vermeiden.
Als zweckmäßig hat es sich auch herausgestellt, wenn
die Wandung der Rohrstücke stirnseitig abgeschrägt
ist, wobei die Abschrägungen benachbarter Rohrstücke
etwa gleichgerichtet ausgebildet sein können. Es
wurde nämlich gefunden, daß insbesondere bei abge
schrägten Rohrenden keine Überhitzung im Bereiche
des zur Flexibilität notwendigen kleinen Schlitzes
(mit einer Weite im Bereiche eines mm) zwischen zwei
benachbarten Rohrstücken auftreten, wobei dieser
kleine Schlitz keinen Einfluß auf die Umwälzströmung
hat.
Wenigstens ein Teil der Rohrstücke kann auf seiner
Außenseite die wärmeabführende Fläche vergrößernde
Vorsprünge tragen, die bspw. rippenartig ausgebildet
sein können. Durch diese Vergrößerung der wärmeüber
tragenden Fläche und die sich ergebende verstärkte
Turbulenz der Abgasströmung kann der Wärmeübergang
in bestimmten Bereichen verbessert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die
Klammern nach Art von Laschen ausgebildet, die
mittels formschlüssiger Halterungsmittel mit den
Rohrstücken verbunden sind. Diese Halterungsmittel
können bolzenartige Halterungselemente aufweisen,
die in entsprechende Löcher in der Wandung der
Rohrstücke und/oder der Laschen eingesteckt sind.
Dabei hat es sich als günstig erwiesen, wenn die
bolzenförmigen Halterungselemente jeweils einen
verbreiterten Kopfteil aufweisen, wobei sie gleich
zeitig zur Zentrierung des Flammrohres in dem Mantel
rohr dienen können. So kann bspw. durch entsprechende
Bemessung des Kopfteils auch eine Anpassung an den
Innendurchmesser des jeweiligen Mantelrohres ge
schehen.
Die Rohrstücke, die Klammern und deren Halterungs
mittel können zumindest teilweise aus keramischem
Material bestehen. Sie können in einfacher Form
hergestellt werden, was auch dann gilt, wenn die Rohr
stücke und/oder die Klammern und/oder deren Halterungs
mittel aus einem hitzebeständigen Metall, bspw. in Ge
stalt einer Sonderlegierung, hergestellt sind.
Schließlich können nicht nur die Rohrstücke des
Flammrohres miteinandern, sondern auch das ganze
Flammrohr selbst mit dem Brenner mittels der er
wähnten Klammern verbunden sein.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des
Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 ein Mantelstrahlheizrohr gemäß der Erfindung,
in einer Seitenansicht, teilweise aufgeschnitten
längs der Linie I-I der Fig. 3,
Fig. 2 einen Ausschnitt des Mantelstrahlheiz
rohres nach Fig. 1, in einer entsprechen
den Darstellung sowie in einem anderen
Maßstab, und
Fig. 3 das Mantelstrahlheizrohr nach Fig. 2, ge
schnitten längs der Linie III-III der
Fig. 2, in einer Draufsicht.
Das in der Zeichnung dargestellte Mantelstrahl
heizrohr dient insbesondere zur Beheizung von
Ofenräumen in Industrieöfen. Es weist ein
zylindrisches Mantelrohr 1 auf,
das einenends stirnseitig bei 2 verschlossen ist
und das im Bereiche seines anderen Endes abge
dichtet in die bei 3 angedeutete Wandung einer
nicht weiter dargestellten Ofenkammer eingesetzt
ist. In dem Mantelrohr ist ein zylindrisches ko
axiales Flammrohr 4 angeordnet, das mit der Innen
wand des Mantelrohres 1 einen über die axiale Länge
durchgehenden Ringkanal 5 begrenzt, der in einen
Abgassammelraum 6 (Fig. 1) mündet, welcher im Be
reiche eines das Mantelrohr 1 verschließenden Ver
schlußstückes 7 angeordnet ist. Von dem Abgassammel
raum 6 geht ein Abgasstutzen 8 ab, über den das bei
der Verbrennung anfallende Abgas abgeführt wird.
Koaxial zu dem Flammrohr 4 ist in dem Mantelrohr 1
ein allgemein mit 9 bezeichneter Brenner angeordnet,
der eine in das Flammrohr 4 ragende Brennkammer 10
aufweist, die mit einer bei 11 angedeuteten Brenner
düse versehen ist, durch welche die Flamme in das
Flammrohr 4 eintritt. An die Brennkammer 10 schließt
sich ein Luftleitzylinder für die Verbrennungsluft an,
die über einen Zuleitungsstutzen 13 in den Luftleit
zylinder 12 eingeleitet wird. Die Brennstoffzufuhr
schließlich erfolgt durch eine koaxiale, in die
Brennkammer mündende Brennstofflanze 14, die mit einem
Brennstoffzufuhrstutzen 15 verbunden ist.
Das zylindrische Flammrohr 4, das in einigem Abstand
von der Mantelrohrstirnwand 2 mündet, ist aus einzelnen
zylindrischen, vorzugsweise keramischen Rohrstücken 16
zusammengesetzt, die stumpf aneinandergereiht sind.
Die Rohrstücke 16 haben gleiche Innen- und Außen
durchmesser; ihre axiale Länge kann unterschiedlich
sein. Im Bereiche ihrer Stirnflächen sind die Rohr
stücke 16 jeweils mit einer Anfasung oder Abschrägung
17 bzw. 18 versehen, die ringsumlaufend ausgebildet
und jeweils an einem Rohrstückende - bei 17 - außen
liegend und an dem anderen Rohrstückende - bei 18 -
innenliegend angeordnet sind. Jeweils benachbarte
Abschrägungen 17, 18 sind - wie aus Fig. 2 zu ent
nehmen - im wesentlichen gleichgerichtet.
Die koaxial aneinandergereihten Rohrstücke 16 sind
durch Klammern 19 miteinander verbunden, die außen
an den Rohrstücken 16 angebracht sind und in dem
Ringkanal 5 liegen. Bei dem dargestellten Ausführungs
beispiel sind pro Verbindungsstelle vier Klammern 19
vorgesehen, die gleichmäßig rings um den Umfang der
miteinander verbundenen Rohrstücke 16 verteilt ange
ordnet sind. Dies bedeutet natürlich keine Beschränkung;
grundsätzlich können, abhängig von den Bedingungen des
Einzelfalles, auch mehr oder weniger Klammern 19 vor
gesehen werden.
Jede der Klammern 19 weist eine schmale, längliche,
leistenartige Lasche verhältnismäßig geringer Dicke
auf, die im Bereiche ihrer beiden Enden mit zwei
durchgehenden Löchern 21 (Fig. 3) ausgebildet ist,
durch welche Halterungsbolzen 22 ragen, die in ent
sprechende Löcher 23 in der Wandung der Rohrstücke
16 eingesteckt sind. Fig. 3 zeigt, daß die Laschen
20 eben und parallelflankig begrenzt gestaltet sind,
wie dies für größere Außendurchmesser der Rohr
stücke 16 ausreichend ist. Insbesondere bei
kleineren Außendurchmessern kann es aber auch
zweckmäßig sein, die Laschen 20 nach Art von
Ausschnitten aus einem Kreisringsegment gekrümmt
herzustellen, um sie damit dem Außenumriß der
Rohrstücke 16 anzupassen. Sie sind mit ihrer Längs
erstreckung im wesentlichen parallel zu der Längs
achse des Flammrohres 4 ausgerichtet, um einen
möglichst geringen Strömungswiderstand für die
den Ringkanal 5 durchströmenden Abgase zu bilden.
Ihre Anordnung und Ausbildung kann aber auch derart
getroffen sein, daß sie als Leiteinrichtungen für
diese Abgasströmung wirken, etwa im Sinne der Er
zeugung eines spiraligen Strömungsbildes.
Jeder der Bolzen 22 ist mit einem verbreiterten
Kopfteil 24 ausgebildet, das auf der zugeordneten
Lasche 20 außen aufliegt und dessen axiale Höhe
derart gewählt ist, daß die Bolzen 22 unmittelbar
als Abstandsmittel wirken, die das Flammrohr 4 in
dem umgebenden Mantelrohr 1 zentrieren. Durch die
Wahl von Bolzen 22 mit entsprechender Höhe des
Kopfteils 24 kann auf diese Weise, bspw. bei unver
ändertem Flammrohrdurchmesser, eine Anpassung an
unterschiedliche Durchmesser des Mantelrohrs 1
erzielt werden. Da die Bolzen 22 mit den Laschen
20 und den Rohrstücken 16 einfach zusammengesteckt
sind, wobei das Ganze im montierten Zustand durch
das es umschließende Mantelrohr 1 unlösbar zusammen
gehalten ist, ergeben sich sehr einfache Herstellungs-
und Montageverhältnisse für das Flammrohr 4, dessen
einzelne Rohrstücke 16 im Bedarfsfall auch einfach
ausgetauscht werden können. Gleichzeitig gewähr
leisten die Klammern 19 wegen ihrer starren
formschlüssigen Befestigung an den miteinander
zu verbindenden Rohrstücken 16 eine einwandfreie,
genau lagerichtige gegenseitige Fixierung der mit
einander verbundenen Rohrstücke 16.
Benachbarte Rohrstücke 16 können durch entsprechende
Anordnung der für die Aufnahme der Bolzen 22 be
stimmten Löcher 23 im wesentlichen unmittelbar
aneinanderstoßend angeordnet sein, derart, daß
die benachbarten Abschrägungen 17, 18 ineinander
greifen und an der Trennstelle lediglich ein kleiner,
zur Gewährleistung der erforderlichen Flexibilität
des Flammrohres 4 erforderlicher Schlitz 25 (Fig. 1)
verbleibt, dessen Weite etwa im Bereiche eines mm
liegen kann. Dieser kleine Schlitz 25 hat insbesondere
auch wegen der Abschrägungen 17, 18 keinen Einfluß auf
die sich in dem Ringkanal 5 ausbildende Umwälzströmung;
er gibt auch nicht zu örtlichen Überhitzungen des
Mantelrohres 1 in seiner Nähe Anlaß.
Die Klammern 19 erlauben es aber auch, durch einfache
Veränderung der Anordnung der Löcher 23 der Rohrstücke
16 zwischen benachbarten Rohrstücken bewußt einen
größeren Schlitz 26 einzustellen, der eine genau de
finierte Weite aufweist und als Abgaskanal wirkt.
Durch entsprechende Anordnung und Bemessung dieser
Schlitze 26, durch die bei 27 in Fig. 2 angedeutete
Abgasströme nach außen treten, lassen sich die
Temperaturverteilung über die Länge des Mantelrohrs
1 und die in dem Ringkanal 5 aufrecht erhaltene
Abgas-Umwälzströmung günstig beeinflussen. Dazu
tragen auch die den jeweiligen Schlitz 26 begrenzen
den gleichgerichteten Abschrägungen 17, 18 bei, die
entsprechend Fig. 2 so gerichtet sind, daß aus
dem Inneren des Flammrohrs 4 austretenden Abgas
ströme eine in Fig. 2 nach oben, d. h. in der
durch Pfeile 28 angedeuteten Richtung der Umwälz
strömung gerichtete Strömungskomponente erhalten.
Die Rohrstücke 16, Laschen 20 und/oder die Bolzen 22 können wegen
ihrer einfachen Form aus Keramik und/oder hitze
beständigen Sonderlegierungen hergestellt werden,
d. h. aus Materialien, deren Formgestaltungsmöglich
keiten wegen der Materialeigenschaften an sich be
schränkt sind.
Die keramischen Rohrstücke 16, die z. B. aus
SiC bestehen, können - wie aus Fig. 1 zu entnehmen -
außen glattwandig ausgebildet sein. Es konnen an
geeigneter Stelle des Flammrohres 4 aber auch Rohr
stücke 16a (Fig. 1) eingesetzt sein, die an ihrem
Außenumfang angeformte Vorsprünge, bspw. in Gestalt
von parallelen Längsrippen 29, tragen, die durch
Vergrößerung der wärmeübertragenden Fläche und
durch eine verstärkte Turbulenz den Wärmeübergang
mit den außen entlangströmenden Abgasen verbessern.
Das aus den Rohrstücken 16 in der beschriebenen Weise
zusammengefügte flexible Flammrohr 4 ist mit dem
Brenner 9 ebenfalls mittels Klammern 19 verbunden,
deren Laschen 20 und Bolzen 22 aus Fig. 1 zu ersehen
sind. Die Klammern 19 halten das endständige Rohr
stück 16a in einem solchen axialen Abstand von der
Brennerdüse 11, daß durch den verhältnismäßig
großen, so freibleibenden Ringspalt 30 die durch
Pfeile 31 angedeuteten, über den Ringkanal 5 um
gewälzten Abgase in das Flammrohr 4 durch Injektor
wirkung eingesaugt werden können.
Bei der beschriebenen Ausführungsform bilden, wie
erläutert, die in ihrer axialen Höhe entsprechend
gewählten Kopfteile 24 der Bolzen 23 die Abstands
mittel, die das Flammrohr 4 in dem Mantelrohr 1
zentrieren. Grundsätzlich sind aber auch Ausführungs
formen denkbar, bei denen die Laschen 20 solche Ab
standselemente, bspw. in Gestalt angeformter Höcker
oder Rippen, tragen, die die Zentrierungsaufgabe
übernehmen.
Das Mantelrohr 1 kann im übrigen aus Stahl, aus
Keramik (bspw. SiC) oder aus hitzebeständigen
Sonderlegierungen (einschl. Sintermaterialien)
bestehen.
Claims (16)
1. Mantelstrahlheizrohr, insbesondere zur Beheizung
von Ofenräumen von Industrieöfen, mit einem Mantel
rohr und einem in diesem angeordneten
Flammrohr, dem einenends ein Brenner zugeordnet
ist und das aus stumpf aneinandergereihten Rohr
stücken zusammengesetzt ist sowie durchgehende
Abgaskanäle aufweist, die in einen zwischen dem
Mantelrohr und dem Flammrohr ausgebildeten Ring
kanal münden, wobei das Flammrohr durch zugeordnete
Abstandsmittel bezüglich des Mantelrohres zentriert
ist, dadurch gekennzeichnet, daß die aneinanderge
reihten Rohrstücke (16) durch Klammern (19) mit
einander verbunden sind.
2. Mantelstrahlheizrohr nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Klammern (19) außen an den
Rohrstücken (16) angebracht sind.
3. Mantelstrahlheizrohr nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Klammern (19) als Abstandsmittel
wirkend ausgebildet sind.
4. Mantelstrahlheizrohr nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest
zwei Rohrstücke (16) unter Ausbildung eines als
Abgaskanal wirkenden Schlitzes (26) in definiertem
axialem Abstand voneinander angeordnet sind.
5. Mantelstrahlheizrohr nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung
der Rohrstücke (16) stirnseitig abgeschrägt (17, 18)
ist.
6. Mantelstrahlheizrohr nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Abschrägungen (17, 18)
benachbarter Rohrstücke (16) etwa gleichgerichtet
ausgebildet sind.
7. Mantelstrahlheizrohr nach einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens
ein Teil der Rohrstücke (16) auf seiner Außenseite
die wärmeabführende Fläche vergrößernde Vorsprünge
(29) trägt.
8. Mantelstrahlheizrohr nach Anspruch 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Vorsprünge (29) rippenartig
ausgebildet sind.
9. Mantelstrahlheizrohr nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Klammern
(19) nach Art von Laschen (20) ausgebildet sind, die
mittels formschlüssiger Halterungsmittel (22) mit
den Rohrstücken (16) verbunden sind.
10. Mantelstrahlheizrohr nach Anspruch 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Halterungsmittel (22) bolzenartige
Halterungselemente aufweisen, die in entsprechen
de Löcher (21; 23) in der Wandung der Rohrstücke (16)
und/oder der Laschen (20) eingesteckt sind.
11. Mantelstrahlheizrohr nach Anspruch 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß die bolzenartigen Halterungsele
mente jeweils einen verbreiterten Kopfteil (24)
aufweisen.
12. Mantelstrahlheizrohr nach Anspruch 3 und nach einem
der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abstandsmittel durch die Halterungsmittel (22)
gebildet sind.
13. Mantelstrahlheizrohr nach den Ansprüchen 11 und 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsmittel je
weils durch den Kopfteil (24) der Halterungsele
mente (22) gebildet sind.
14. Mantelstrahlheizrohr nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Klammern
(19) zumindest teilweise aus keramischem Material
bestehen.
15. Mantelstrahlheizrohr nach einem der Ansprüche 1 bis
14, dadurch gekennzeichnet, daß die Klammern zu
mindest teilweise aus einem hitzebeständigen Metall
bestehen.
16. Mantelstrahlheizrohr nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flammrohr
(4) mit dem Brenner (9) ebenfalls mittels Klammern (19)
verbunden ist.
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