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Flüssigkeitserhitzer, insbesondere für Sammelheizungsanlagen Die Erfindung
bezieht sich auf einen Flüssigkeitserhitzer, insbesondere für Sammelheizungsanlagen,
bestehend aus mindestens einem innenberippten, den Brennraum seitlich begrenzenden
Wärmetauschrohr, einem Druckbrenner als Heizquelle und einem Rauchgassammelrohr
zum Ableiten der zwischen den Innenrippen durchströmenden Heizgase.
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Solche Flüssigkeitserhitzer werden in aufrecht stehender und in liegender
Anordnung verwendet. Das mindestens mit einem Vor- und Rücklaufanschlußstück versehene
Wärmetauschrohr wird hierbei von einem innenberippten Innenmantel und von einem
diesen Innenmantel in geringem Abstand umgebenden Außenmantel gebildet. Der Zwischenraum
zwischen dem Innenmantel und dem Außenmantel bildet nur einen kleinen Wasserraum,
so daß sich diese Flüssigkeitserhitzer infolge der Innenrippen durch eine große
Heizfläche und im Zusammenhang damit und des kleinen Wasserraumes durch hohe Umlaufgeschwindigkeiten
des erhitzten Wassers oder der erhitzten Flüssigkeit auszeichnen. Der Trägheitsgrad
dieser Flüssigkeitserhitzer ist mithin gering, so daß bereits kurze Zeit nach der
Inbetriebnahme Wärme an den Heizkörpern der angeschlossenen Sammelheizungsanlage
abgegeben wird.
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In Verlängerung des Innenmantels und des Außenmantels ist an einem
Ende des Wärmetauschrohres der ebenfalls wassergekühlte Brennraum angeordnet, dessen
Wasserraum in den Wasserraum des Wärmetauschrohres darüber übergeht. Die seither
verwendeten Hochdruck- oder Flachbrenner sind bei den bekannten Flüssigkeitserhitzern
meist derart im Boden des Brennraumes vorgesehen, daß die Flamme in Längsrichtung
des Wärmetauschrohres gerichtet ist. Es hat sich dabei herausgestellt, daß die Heizgase
mit hoher Temperatur überwiegend die freien Längsränder im Mittenbereich des Wärmetauschrohres
beaufschlagen und, bedingt durch deren Entfernung bis zum wasserführenden Teil,
ihre Wärme nicht schnell genug abgeben können. Der wesentliche Teil der Innenrippen,
nämlich ihr an dem wassergekühlten Innenmantel des Wärmetauschrohres befindlicher
Wurzelbereich, wird durch Heizgase beaufschlagt, die dort eine erheblich niedrigere
Temperatur aufweisen, d. h. ihre Wärme bereits abgegeben haben. Es entsteht somit
eine Temperaturschichtung der Heizgase, die zur Mitte hin stark zunimmt und deren
mittlere Temperatur, die bei der Wirtschaftlichkeitsberechnung berücksichtigt werden
muß, als zu hoch beurteilt wird. Der heizgasfreie, im wesentlichen zylindrische
Mittelraum zwischen den Abwinklungen der freien Längsränder der Innenrippen ist
an den Enden durch pilzartige Pfropfen verschlossen, deren größter Durchmesser den
Durchmesser des sich im Bereich der Längsachse des Wärmetauschrohres erstreckenden
Mittelraumes nicht nennenswert überschreitet.
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Infolge ungünstiger Beaufschlagung der Innenrippen des Wärmetauschrohres
in radialer Richtung durch die aus dem Brennraum ungeregelt und schnell abströmenden
sowie daher eine sehr hohe Temperatur aufweisenden Heizgase werden die von den heißen
Heizgasen zunächst bestrichenen Teile der Innenrippen und der dem Brennraum zuliegende
Teil in kurzer Zeit insbesondere an der Einmündestelle der Heizgase in das Wärmetauschrohr
durch Verbrennen oder Verzundern zerstört, denn diese Teile sind zugleich auch vom
Wassermantel des Wärmetauschrohres am weitesten entfernt und damit nur mangelhaft
gekühlt. Durch das ungeregelte schnelle Abströmen der Heizgase aus dem Brennraum
bleibt es im Wassermantel verhältnismäßig kühl, so daß der Brennraum zum Erwärmen
des umlaufenden Wassers oder der umlaufenden Flüssigkeit nicht in dem Maße beiträgt
wie es beim Wärmetauschrohr der Fall ist. Die Wärmeausnutzung der Heizgase zum Erhitzen
des Wassers ist mithin nicht nur äußerst ungünstig, es ist auch die Lebensdauer
des Flüssigkeitserhitzers beschränkt. Darüber hinaus wird der Brennstoff nicht restlos
verbrannt, weil durch den bekannten pulsierenden Verbrennungsvorgang nicht unbeachtliche
Mengen oder eine nicht unbeachtliche Anzahl von Flüssigkeitströpfchen des zerstäubten
Brennstoffes, z. B. des Heizöles, in die kühleren Außenzonen des Brennraumes geschleudert
und vom Flammenkegel des Brenners nicht mehr erfaßt werden. Diese umhervagabundierenden
Brennstofftröpfchen tragen lediglich zu einer erhöhten Rußbildung bei, wie aus einem
am Rauchgassammelrohr abgenommenen Rußbild ohne weiteres feststellbar ist, ganz
abgesehen davon,
daß dadurch der Brennraum öfters einer Reinigung
bedarf.
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Obwohl sich die zuvor erläuterten Flüssigkeitserhitzer gegenüber den
üblichen Heizkesseln für Sammelheizungsanlagen durch einen kleinen Trägheitsgrad,
einen kleinen Bauaufwand für eine vorgegebene Heizleistung und durch einen kleinen
Platzbedarf auszeichnen, sind diese Flüssigkeitserhitzer aus den oben dargelegten
Gründen sowohl im Betrieb als auch in der Herstellung und Anschaffung infolge ihrer
kurzen Lebensdauer nicht gerade wirtschaftlich. Außerdem kann bei Verwendung von
Hochdruckbrennern als Heizquelle der pulsierende Verbrennungsvorgang infolge seines
geräuschvollen Ablaufes lästig empfunden werden.
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Es besteht daher die Aufgabe der Erfindung darin, den Flüssigkeitserhitzer
nach der eingangs angeführten Gattung, so weiterzubilden, daß durch kleinere Abströmgeschwindigkeit
der Heizgase aus dem Brennraum und ihre Verdrängung in die Außenzonen des Wärmetauschrohres
eine größere Wärmeabgabe der Heizgase an den Wassermantel des Flüssigkeitserhitzers
gewährleistet wird.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß bei senkrechter
Anordnung des Flüssigkeitserhitzers von dem gleich- oder parallelachsig an jedes
Wärmetauschrohr unten angeschlossenen sowie vom Brenner in an sich bekannter Weise
von der Seite her beaufschlagten Brennraum durch eine bei Heizkesseln an sich bekannte
Drosselscheibe ein Verteilerraum für die Heizgase abgetrennt ist, in dem mit Abstand
über der Drosselöffnung und gleichachsig zu dieser ein den Mittelbereich des Wärmetauschrohres
an der Einmündestelle der Heizgase abdeckender, bei Heizkesseln ebenfalls an sich
bekannten Verdrängerkörper vorgesehen ist.
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Der Verdrängerkörper kann hierbei zum Einstellen eines gleichbleibenden,
vom jeweiligen Schornsteinzug unabhängigen inneren Widerstandes des Flüssigkeitserhitzers
axial verschieb- und feststellbar am Wärmetauschrohr gelagert werden. Auch kann
der Durchmesser der Drosselöffnung etwa stufenweise veränderbar sein, wozu in der
Drosselscheibe nach Art von Herdringen ineinandergreifende Ringscheiben angeordnet
werden.
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Ein auf diese Weise ausgebildeter Flüssigkeitserhitzer ermöglicht
eine hohe Ausnutzung der durch die Verbrennung z. B. von zerstäubtem Heizöl gebildeten
Heizgase, weil durch die Drosselscheibe das Abströmen der Heizgase aus dem Brennraum
erheblich verlangsamt wird. Hierdurch wird die hohe Temperatur der Heizgase zum
Teil bereits an den durch Aufnahme des Rücklaufwassers am stärksten gekühlten Innenmantel
des Brennraumes abgegeben, so daß der Brennraum fast mit dem gleichen Anteil wie
das Wärmetauschrohr an der Erhitzung der Umlaufflüssigkeit beteiligt ist. Insbesondere
werden die in den oberhalb der Drosselscheibe befindlichen Verteilerraum eingeströmten
und bereits etwas abgekühlten Heizgase durch den Verdrängerkörper gegen die Außenzonen
der von den Innenrippen gebildeten Heizkanäle des Wärmetauschrohres abgedrängt,
die gegenüber der sich um die Längsmittelachse erstrekkenden Innenzone wesentlich
besser gekühlt und damit gegen Verbrennen wirksam geschützt sind. Dadurch werden
nunmehr die Außenzonen gegenüber der bisher üblichen Bauart des Flüssigkeitserhitzers
besser erwärmt, so daß nach einer weiteren zusätzlichen Ausnutzung der Heizgase
diese mit einer vertretbaren Temperatur in das Rauchgassammelrohr eintreten und
darauf in den Schornstein abziehen.
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Darüber hinaus wird durch die gekennzeichneten Maßnahmen der zerstäubte
Brennstoff im Brennraum erheblich besser und vollständiger verbrannt, weil der Brennraum
durch die das Abströmen der Heizgase verlangsamenden Drosselscheibe zugleich als
eine Nachverwirbelungskammer wirkt, in welcher die durch den pulsierenden Ablauf
des Verbrennungsvorganges umhergeschleuderten Brennstofftröpfchen nochmals intensiv
mit der Verbrennungsluft durchmischt und dadurch in dem heißen Brennraum vollständig
verbrannt werden. Ein weiterer Vorteil ist dadurch gegeben, daß Pulsationserscheinungen
fast nicht mehr auftreten, so daß sich der nach der Erfindung ausgebildete Flüssigkeitserhitzer
auch durch eine geräuscharme Betriebsweise auszeichnet.
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Schließlich wird erzielt, daß der innere, einem optimalen Wirkungsgrad
des Flüssigkeitserhitzers sowohl bei der unteren als auch oberen Belastungsgrenze
entsprechende Widerstand unabhängig von dem jeweiligen Schornsteinzug genau einstellbar
ist: Ist beispielsweise festgestellt worden, daß der optimale Wirkungsgrad eines
Flüssigkeitserhitzers bei einem Unterdruck von 0,5 mm Wassersäule im Rauchgassammelrohr
oder im Brennraum gewährleistet ist und wird dieser Flüssigkeitserhitzer in ein
Gebäude mit einem Schornsteinzug beispielsweise von 2 mm Wassersäule eingebaut,
so kann durch Verstellen des Verdrängerkörpers oder durch Verändern der Drosselöffnung
oder durch gleichzeitiges Einstellen des Verdrängerkörpers und der Drosselöffnung
der Strömungswiderstand der Heizgase durch den Flüssigkeitserhitzer hindurch für
eine bestimmte Belastungsgrenze so weit erhöht werden, bis sich ein innerer Widerstand
einstellt, der dem inneren Widerstand entspricht, bei dem der optimale Wirkungsgrad
des Flüssigkeitserhitzers erzielbar ist.
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Der nach der Erfindung ausgebildete Flüssigkeitserhitzer ist somit
nicht nur in bezug auf Anschaffung; Herstellung und Platzbedarf, sondern insbesondere
auch in der Betriebsweise hinsichtlich einer hohen Wärmeausnutzung der Heizgase,
des zugeführten Brennstoffes, eines fast geräuschlosen Verbrennungsvorganges und
der Gewährleistung eines optimalen Wirkungsgrades bei einer langen Lebensdauer außerordentlich
wirtschaftlich.
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Es sind auch Flüssigkeitserhitzer für Sammelheizungsanlagen bekannt,
die eine lange Lebensdauer aufweisen und deren sich in den wassergekühlten Teil
des Heizkessels erstreckender Brennraum von der eigentlichen, vom Brenner von der
Seite her beaufschlagtenBrennkammer durch eine Drosselscheibe teilweise abgetrennt
ist. Die Brennkammer ist jedoch nicht flüssigkeitsgekühlt und wird von zwei konzentrisch
ineinandergesteckten Zylindern gebildet, die einen Zwischenraum einschließen. Der
äußere Zylinder hat einen Boden und ist über die koaxial angeordnete Drosselscheibe
mit dem eigentlichen als Heizkessel dienenden Flüssigkeitserhitzer auswechselbar
verbunden. Der innere Zylinder ist dagegen gelocht und dient zur gleichmäßigen Zufuhr
der in den Zwischenraum eingeblasenen Verbrennungsluft.
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Die nach innen über den gelochten Zylinder vorstehende Ringfläche
der Drosselscheibe dient jedoch lediglich dazu, das unmittelbare Entweichen der
zugeführten Verbrennungsluft nach oben zu verhindern
und wenigstens
teilweise eine Vermischung mit dem gesondert eingespritzten oder zugeführten flüssigen
Brennstoff herbeizuführen. Im Gegensatz zum Erfindungsgegenstand wird mithin durch
die Drosselscheibe kein besonderer Verteilerraum für die Heizgase geschaffen. Auch
wirkt die Drosselscheibe nicht mit einem Verdrängerkörper zusammen, um die heißen
Heizgase zunächst an die wassergekühlten Heizflächen heranzuführen. Dieser bekannte,
als Heizkessel dienende Flüssigkeitserhitzer kann demnach kein Vorbild für den Erfindungsgegenstand
sein, zumal bei ihm die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben nicht vorliegen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
schematisch dargestellt, und zwar zeigt A b b. 1 einen senkrechten Mittelschnitt
durch einen Flüssigkeitserhitzer, A b b. 2 einen waagerechten Schnitt durch den
Flüssigkeitserhitzer nach der Linie 11-II in A b b. 1, A b b. 3 einen senkrechten
Mittelschnitt durch einen im Brennraum des Flüssigkeitserhitzers angeordneten Verdrängerkörper.
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Der Flüssigkeitserhitzer wird in Betriebsstellung senkrecht angeordnet
und von einem Wärmetauschrohr 1, einem Brennraum 2 mit einem angeschlossenen und
dem Brennraum quer zur Längsrichtung des Flüssigkeitserhitzers beaufschlagenden
Brenner 3 sowie von einem Rauchgassammelrohr 4 gebildet.
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Das Wärmetauschrohr 1 besteht in bekannter Weise aus einem Außenmantel
s und aus einem Innenmantel 6 mit einer großen Anzahl von Innenrippen 7. Die Innenrippen
7 erstrecken sich in radialer Richtung zur Längsmittelachse und zugleich über die
gesamte Länge des Innenmantels. Ihre freien inneren Längsränder sind so abgewinkelt,
daß die Längskanten der Abwinklungen 8 dicht aneinanderliegen und einen zylindrischen
Mittelraum 9 einschließen, der einen kleinen Durchmesser aufweist. An den dicht
nebeneinanderliegenden Längskanten der Abwinklungen 8 können die Innenrippen 7 miteinander
verschweißt werden. In etwa gleicher Weise sind die Innenrippen an den dem Innenmantel
6 zugekehrten Längsrändern ausgebildet. Sie können mit den Abwinklungen 10 an einem
besonderen Innenmantel angeschweißt werden, oder die Abwinklungen bilden nach ihrer
gegenseitigen Verschweißung selbst den Innenmantel des Wärmetauschrohres.
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Ein derart ausgebildeter Innenmantel 6 wird in geringem Abstand von
dem Außenmantel s umschlossen. Der dabei entstehende Zwischenraum hat ein kleines
Volumen und dient zur Aufnahme der zu erhitzenden Umlaufflüssigkeit. Der Außenmantel
s des Wärmetauschrohres 1 bildet zugleich auch den Außenmantel für den ebenfalls
flüssigkeitsgekühlten Brennraum 2. Der Durchmesser des Brennrauminnenmantels 11
ist jedoch erheblich größer als der Durchmesser des Innenmantels 6 des Wärmetauschrohres
1. Im Boden 12 des Brennraumes 2 kann im Bedarfsfall noch eine Schauöffnung 13 vorgesehen
werden, die für Temperaturmessungen, Unterdruckmessungen, Beobachtungen u. dgl.
verwendbar ist.
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In der Nähe des Bodens 12 durchsetzt das Brennrohr des Druckbrenners
3 den Doppelmantel des Brennraumes 2 in radialer Richtung. Die in gleicher Richtung
sich bildende Flamme wird an der gegenüberliegenden Stelle des zylindrischen Brennrauminnenrnantels
nach beiden Seiten umgelenkt, so daß, in der Draufsicht auf den Brennraum gesehen,
von dem verbrennenden Brennstoff-Luft-Gemisch zwei etwa ellipsenförmig verlaufende
Strömungskreisläufe gebildet werden.
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Die beim Verbrennungsvorgang entstehenden heißen Heizgase durchströmen
die von den Innenrippen 7 und dem Innenmantel 6 des Wärmetauschrohres 1 gebildeten
Heizkanäle, in welchen sie einen großen Teil Wärme abgeben. Anschließend gelangen
sie in das Rauchgassammelrohr 4 und von hier in den Schornstein. Der zylindrische,
von den Innenrippen gebildete und die Längsmittelachse des Wärmetausehrohres aufweisende
Mittelraum 9 wird hierbei nicht von den Heizgasen durchströmt, weil zumindest sein
dem Brennraum zugekehrtes Ende verschlossen ist.
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Um zu verhindern, daß die Heizgase zu schnell aus dem gegenüber dem
Wärmetauschrohr stärker gekühlten Brennraum 2 abströmen, und um gleichzeitig zu
erreichen, daß auch die durch den pulsierenden Verbrennungsvorgang in die kühleren
Außenzonen des Brennraumes geschleuderten Brennstofftröpfchen mit der angesaugten
Verbrennungsluft gut durchmischt und ebenfalls restlos verbrannt werden, ist oberhalb
des Flammenbereiches des Brenners eine Drosselscheibe 14 mit einer Drosselöffnung
15 im Brennraum angeordnet. Durch diese Drosselscheibe 14 wird vom eigentlichen
Brennraum oberhalb des Flammenbereiches ein Verteilerraum 16 für die Heizgase abgeteilt.
Im Verteilerraum 16 ist koaxial zur Drosselöffnung 15 und damit auch zum Wärmetauschrohr
1 ein Verdrängerkörper 17 vorgesehen, dessen Durchmesser vom Durchmesser
der Drosselöffnung 15 etwas nach oben oder unten abweichen kann und welcher gegenüber
der Drosselscheibe 14 einen Abstand aufweist, der -etwa ein Drittel des Durchmessers
der Drosselöffnung beträgt, die ihrerseits einen Durchmesser aufweist, der etwa
dem Radius des Brennraums entspricht.
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Um die in der Einleitung erläuterten Vorteile unabhängig von den jeweiligen
Betriebsverhältnissen zu ermöglichen, ist der Verdrängerkörper 17 axial verschieb-
und feststellbar ausgebildet. Er wird hierzu an dem einen Ende einer Stange 17 befestigt,
die in dem heizgasfreien Mittelraum 9 des Wärmetauschrohres 1 geführt und an dem
in das Rauchgassammelrohr 4 hineinragende Ende z. B. durch einen Schraub-Klemm-Verschluß
20 od. dgl. in der Höhe einstellbar und feststellbar ist. Dadurch können die aus
der Drosselöffnung 15 ausströmenden Heizgase mehr oder weniger gedrosselt und damit
der innere Widerstand des Flüssigkeitserhitzers an dem den optimalen Wirkungsgrad
ermöglichenden Schornsteinzug angepaßt werden.
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Diese Einstellung kann auch so erfolgen, daß der Durchmesser der Drosselöffnung
15 verändert wird. Beispielsweise kann dieses dadurch geschehen, daß die Drosselscheibe
14 eine größtmögliche Drosselöffnung 15 erhält, die durch mehrere nach Art von Herdringen
ineinandergreifende Ringscheiben 21 stufenartig verkleinert wird. Hierbei kann so
vorgegangen werden, daß durch Herausnahme oder durch Einlegen von Ringscheiben 21
in die Drosselöffnung 15 der Drosselscheibe 14 eine grobe Voreinstellung und durch
eine axiale Verschiebung und Einstellung des Verdrängerkörpers 17 eine Feineinregelung
des inneren Widerstandes des Flüssigkeitserhitzers erreicht wird. Schließlich kann
die Drosselscheibe 14
im Brennraum 2 auch auf Vorsprünge, Laschen,
Stege 22 od. dgl. des dem Brennraum im Durchmesser begrenzenden Innenmantels 11
lose aufgelegt und durch Unterlagen in der Höhe einstellbar ausgebildet werden.
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Der Verdrängerkörper 17 hat einen Durchmesser, der etwa viermal so
groß ist als der Durchmesser des heizgasfreien zylindrischen Zwischenraumes 9 des
Wärmetauschrohres 1. Er wird von einem zylindrischen Hohlzylinder 23 gebildet, an
dessen Enden zwei halbkugelförmige bzw. pilzartige Böden 24 und 25 angeschweißt
sind. Der dem Brennraum 2 zugekehrte Boden 24 besteht dabei aus einem hitzebeständigen
Werkstoff. Der gegenüberliegende Boden 25 ist im Scheitelbereich flächenartig abgedreht,
um einen profilierten Drehkörper 26 anschweißen zu können, der ein Bohrloch zum
Einschweißen des benachbarten Endes der Stange 18 aufweist (vgl. A b b. 3). Falls
der innere Widerstand des Flüssigkeitserhitzers nur durch Verändern des Durchmessers
der Drosselöffnung 15 und der Höhe der Drosselscheibe 14 eingestellt wird, so kann
der Verdrängerkörper 17 unmittelbar und fest an dem Wärmetauschrohr 1 befestigt
werden.
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Wird der Flüssigkeitserhitzer mit mehreren Wärmetauschrohren ausgeführt,
so werden die einzelnen Wärmetauschrohre parallelachsig zwischen zwei Platten angeordnet,
in denen entsprechend ihrer lichten Weite an den Stirnenden Durchbrechungen angeordnet
sind. An diese Platten ist einerseits der Brennraum und andererseits das Rauchgassammelrohr
angeschlossen. Die Wasserräume der einzelnen Wärmetauschrobre sind mit dem Wasserraum
des Brennraumes verbunden.