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EP0218602A1 - Brenner für gasförmige brennstoffe, insbesondere für heizkessel. - Google Patents

Brenner für gasförmige brennstoffe, insbesondere für heizkessel.

Info

Publication number
EP0218602A1
EP0218602A1 EP86901330A EP86901330A EP0218602A1 EP 0218602 A1 EP0218602 A1 EP 0218602A1 EP 86901330 A EP86901330 A EP 86901330A EP 86901330 A EP86901330 A EP 86901330A EP 0218602 A1 EP0218602 A1 EP 0218602A1
Authority
EP
European Patent Office
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burner
gas
preferably according
air
control piston
Prior art date
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Granted
Application number
EP86901330A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0218602B1 (de
Inventor
Albert Gotte
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ygnis AG
Original Assignee
Ygnis SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ygnis SA filed Critical Ygnis SA
Priority to AT86901330T priority Critical patent/ATE41991T1/de
Publication of EP0218602A1 publication Critical patent/EP0218602A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0218602B1 publication Critical patent/EP0218602B1/de
Expired legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N1/00—Regulating fuel supply
    • F23N1/02—Regulating fuel supply conjointly with air supply
    • F23N1/027—Regulating fuel supply conjointly with air supply using mechanical means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F35/00—Accessories for mixers; Auxiliary operations or auxiliary devices; Parts or details of general application
    • B01F35/80—Forming a predetermined ratio of the substances to be mixed
    • B01F35/83—Forming a predetermined ratio of the substances to be mixed by controlling the ratio of two or more flows, e.g. using flow sensing or flow controlling devices
    • B01F35/833—Flow control by valves, e.g. opening intermittently
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/60—Devices for simultaneous control of gas and combustion air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/62—Mixing devices; Mixing tubes

Definitions

  • Burners for gaseous fuels in particular for heating boilers, and methods for burning gaseous fuels
  • the present invention relates to a burner for gaseous fuels, in particular for heating boilers, and a method for burning gaseous fuels with excess air when the load changes in a combustion chamber.
  • the present invention aims to create a burner for gaseous fuels, which a possibility of regulation on a larger scale with optimal operation of the
  • the burner according to the invention which meets these requirements in a broad sense, is characterized in that displacement and/or rotary means are provided in order to achieve an at least approximately constant volume ratio of gas and combustion air at least in the power range of 10-100% of the nominal power ensure.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a burner for gaseous fuels mounted on a heating boiler.
  • a gas burner 1 is installed in a boiler 2, the power of which is, for example, up to 300 KW.
  • a boiler wall 3 with a part of the water space 4 can be seen in fragments from the boiler 2 .
  • the gas burner 1 is screwed to the boiler wall 3 by means of a fastening flange 6 .
  • a lateral blower air supply socket 7 brings combustion air from the blower (not shown) into an air antechamber 9, which is preferably cylindrical. It is delimited by an enveloping tube 10 and an outer base 11 welded to it. Inside there is a cylinder-shaped air control plate 12 with lateral openings 13.
  • the burner housing also includes an immersion tube 14, in which there is also a tubular slider 15 is arranged to be longitudinally displaceable. Immersion tube 14 and slide. 15 are slidably mounted one inside the other by two guide rings 16, while a corresponding sealing ring 17 prevents the gas/air mixture escaping from the slider 15 from rising.
  • a burner pipe 19 is welded to the extension of the tubular slide 15, the end of which is closed by a base 20, while lateral flame holes 21 allow the combustible gas/air mixture to escape.
  • the slide 15 which is open at the rear and is bounded on the outside by the outer floor 11 on the one hand and the air control plate 12 on the other, there is an inflow chamber 23, in which the combustion air flowing in through the openings 13 meets the correspondingly exposed openings 31 incoming gas to to flow together into a mixing chamber 24 .
  • Perforated plates such as air control plate 12, are well known in fluid dynamics. Here they serve to improve the mixing process in order to premix the gas and the air before the mixing space 24 .
  • a static mixer 26 is arranged in the mixing chamber 24 .
  • turbulators such as those used in flue gas pipes, or similar baffles, which produce optimal mixing to form a homogeneous gas/air mixture, can be used.
  • the gaseous fuel passes through a gas supply pipe 28 and a connecting piece 29 into a gas metering pipe 30 which is provided with corresponding lateral openings 31 .
  • the gas dosing tube 30 is penetrated by a regulating rod 33 which can be moved back and forth from the outside and which is guided by means of a stuffing box guide 34 and by means of an end holder 35 and a screw connection 36 with a gas control tube 37 and the slide 15 is firmly connected. Ignite gas escaping from the flame bores 21 is shown as gas flames 39 .
  • the fuel gas supply on the one hand and the combustion air supply on the other hand as well as the active burner surface can be controlled by one and the same element, consisting of the slide 15, the burner tube 19 and the gas control tube 37, this control is optimal.
  • This element 15, 19, 37 can also be moved by means of a single reciprocating movement of the regulating rod 33.
  • Delivers supply pressure and the lines are dimensioned so that Lm inside the Gasdosierrohr 30 there is a substantially constant pressure, so that through the exposed, opening into the inflow chamber 23 openings 31 one of the
  • the fan conveying the combustion air is normally a fan with non-proportional or constant delivery characteristics, i.e. a fan with a non-constant delivery rate.
  • the fan conveying the combustion air is normally a fan with non-proportional or constant delivery characteristics, i.e. a fan with a non-constant delivery rate.
  • This circumstance is fan-specific in the arrangement of the openings 31 in the gas metering tube 30 to be taken into account accordingly, so that theoretically gradual, because it is about concrete openings and notteur ⁇ continuous slots, practically but steplessly into the inflow chamber 23 air and gas flow in, with an at least approximately constant quantity ratio of gas and combustion air being ensured essentially independently of the position of the regulating rod 33 or the slide 15 in the range of 10-100% nominal output.
  • This inhomogeneous mixture then flows out of the inflow chamber 23 through the static mixer 26, which it leaves as a completely homogeneous gas-air mixture in order to subsequently flow out through the openings 31 released according to the position of the slider 15 and to form gas flames 39.
  • the openings 13 and 31 are arranged and selected in shape (round, square, etc.) in such a way that the condition of the constant quantity ratio of gas/combination air is maintained over a wide performance range.
  • a rotary movement of the control pistons can also be provided, or a mixed movement.
  • the regulating rod 33 can be regulated by means of selected control variables, for example the flue gas outflow temperature and the like, in order to create a planned program by moving it accordingly.
  • the gas burner described is extremely simple in construction, reliable in operation and easy to adapt to external conditions such as a fan and the like.

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Description

Brenner für gasförmige Brennstoffe, insbesondere für Heizkessel sowie Verfahren zum Verbrennen gasförmiger Brennstoffe
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner für gasförmige Brennstoffe, insbesondere für Heizkessel sowie ein Verfahren zum Verbrennen gasförmiger Brenn¬ stoffe mit Luftüberschuss bei ändernder Belastung in einer Brennkammer.
Bekannte derartige Brenner erlauben nur eine Regulierung im Bereich von 80 bis 100% der Nennleistung. Sie erschwe¬ ren daher einen möglichst gleichmässigen Betrieb eines derartigen Brenners im Sinne lang anhaltender Betriebszei¬ ten eines Heizkessels.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaffung eines Brenners für gasförmige Brennstoffe, welcher eine Regulier- möglichkeit in grösserem Rahmen bei optimalem Betrieb des
Brenners, d.h. bei im wesentlichen über den Regulierbereich gleichbleibendem Wirkungsgrad ergibt. Eine derartige Mass- nahme liegt auch im Interesse der Umweltschutzbemühungen.
Der erfindungsgemässe Brenner, welcher diesen Anforderungen im weiten Sinne entgegenkommt, zeichnet sich dadurch aus, dass Verschiebe- und/oder Drehmittel vorgesehen, sind, um mindestens im Leistungsbereich von 10 - 100% der Nennlei¬ stung ein mindestens annähernd konstantes Mengenverhältnis von Gas und Verbrennungsluft sicherzustellen.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird anschliessend anhand einer Figur erläutert, welche einen Längsschnitt durch einen an einem Heizkessel angebauten Brenner für gasförmige Brennstoffe zeigt. Ein Gasbrenner 1 ist in einem Heizkessel 2, dessen Leistung z.B. bis 300 KW beträgt, eingebaut. Vom Heizkessel 2 ist bruchstückweise eine Kesselwand 3 mit einem Teil des Was¬ serraumes 4 ersichtlich. Der Gasbrenner 1 ist mittels eines Befestigungsflansches 6 an der Kesselwand 3 ange¬ schraubt.
Ein seitlicher Gebläseluft-Zuführstutzen 7 bringt vom Ge¬ bläse her (nicht dargestellt) Verbrennungsluft in eine Luftvorkammer 9, welche.vorzugsweise zylindrisch ist. Sie ist begrenzt durch ein Hüllrohr 10 und einen daran ange- schweissten Aussenboden 11. In seinem Inneren befindet sich ein z linderförmig angeordnetes Luft-Steuerblech 12 mit seitlichen Oeffnungen 13. Zum Brennergehäuse gehört ferner ein Tauchrohr 14, in welchem ein ebenfalls rohrför- miger Schieber 15 längsverschiebbar angeordnet ist. Tauch¬ rohr 14 und Schieber. 15 sind durch zwei Führungsringe 16 verschiebbar ineinander gelagert, während ein entsprechen¬ der Dichtungsring 17 das Aufsteigen von aus dem Schieber 15 austretendem Gas-Luftgemisch verhindert. Am rohrförmi¬ gen Schieber 15 ist in dessen Verlängerung ein Brennerrohr 19 angeschweisst, dessen Ende durch einen Boden 20 ver¬ schlossen ist, während seitliche Flammenbohrungen 21 das Austreten des brennbaren Gas -.L.uftgemisches ermöglichen.
Ueber dem hinten offenen Schieber 15, aussen begrenzt einer¬ seits durch den Aussenboden 11 und' andererseits durch das Luft-Steuerblech 12, befindet sich eine Einströmkammer 23, in welcher die durch die Oeffnungen 13 einströmende Verbrennungsluft sich mit dem durch entsprechend freilie¬ gende Oeffnungen 31 einströmenden Gas trifft, um an- schliessend zusammen in eine Mischkammer 24 zu strö¬ men. Lochbleche, wie das Luft-Steuerblech 12, sind in der Strömungslehre bekannt. Hier dienen sie zur Verbesserung des Mischvorganges, um das Gas und die Luft vor dem Mischraum 24 vorzumischen. In der Misch¬ kammer 24 ist ein statischer Mischer 26 angeordnet. So können beispielsweise Turbulatoren, wie sie in Rauchgasrohren verwendet werden o. dgl. Schikanen, welche ein optimales Vermischen zu einem homogenen Gas-Luftgemisch erbringen, verwendet werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die Abmessungen des Mischers 26 so sind, dass kein merklicher Rückstaueinfluss auf die Einströmkammer 23 auftritt oder, mit anderen Worten, dass die Einströmquerschnitte der Oeffnungen 13 und 31 im angegebenen Steuerbereich im wesentlichen allein . massgebend sind für das über den Bereich mindestens annähernd konstante Mengenverhältnis von Gas und Verbrennungsluf .
Der gasförmige Brennstoff gelangt durch ein Gaszu- fuhrrohr 28 und einen Anschlussstutzen 29 in ein Gasdosierrohr 30, welches mit entsprechenden seitlichen Oeffnungen 31 versehen ist. Das Gasdosierrohr 30 wird durchsetzt von einer von aussen hin- und herbeweg- baren Regulierstange 33, welche mittels einer Stopf¬ buchsführung 34 geführt wird und mittels eines End¬ halters 35 und einer Verschraubung 36 mit einem Gas- steuerrohr 37 sowie dem Schieber 15 fest verbunden ist. Aus den Flammenbohrungen 21 austretendes entzündetes Gas ist als Gasflammen 39 dargestellt.
Dadurch, dass die Brenngaszufuhr einerseits und die Verbrennungsluftzufuhr anderseits sowie die aktive Brennerfläche durch ein und dasselbe Element, be¬ stehend aus dem Schieber 15, dem Brennerrohr 19 und dem Gassteuerrohr 37, steuerbar sind, ist diese Steuerung optimal. Dieses Element 15, 19, 37 kann zudem mittels einer einzigen Hin- und Herbewegung der Regulierstange 33 bewegt werden.
Während damit gerechnet werden kann, dass die Gas- quelle das Gas zum Gaszufuhrrohr 28 unter konstantem
Zufuhrdruck zustellt und die Leitungen so dimensioniert sind, dass Lm Innern des Gasdosierrohres 30 ein im wesentlichen konstanter Druck herrscht, so dass durch die freiliegenden, in die Einströmkammer 23 mündenden Oeffnungen 31 eine der
Oeffnungszahl proportionale Gasmenge ausströmt, ist dies auf der Verbrennungsluftseite anders. Bei dem die Verbren¬ nungsluft fördernden Gebläse handelt es sich normalerweise um ein Gebläse mit nicht proportionaler bzw. konstanter Liefer-Charakteristik, d.h. um ein Gebläse nichtkonstanter Fördermenge. Mit abnehmendem Gegendruck, d.h. zunehmender Anzahl in die sich, vergrössernde Einströmkammer 23 durch die Oeffnungen 13 eindringender Luftstrahlen steigt die Fördermenge des Gebläses, wobei der Druck in der Luftvor- kammer 9 sinkt. Diesem Umstand ist gebläsespezifisch bei der Anordnung der Oeffnungen 31 im Gasdosierrohr 30 ent¬ sprechend Rechnung zu tragen, so dass theoretisch stufen¬ weise, weil es sich um konkrete Oeffnungen und nicht durch¬ gehende Schlitze handelt, praktisch aber doch stufenlos in die Einströmkammer 23 Luft und Gas einströmen, wobei im wesentlichen unabhängig von der Lage der RegulierStange 33 bzw. des Schiebers 15 im Bereich von 10 - 100% Nenn¬ leistung ein mindestens annähernd konstantes Mengenver¬ hältnis von Gas- und Verbrennungsluft sichergestellt wird. Dieses inhomogene Gemisch strömt aus der Einströmkammer 23 anschliessend durch den statischen Mischer 26, den es als völlig homogenes Gas-Luftgemisch verlässt, um anschlies¬ send durch die entsprechend der Lage des Schiebers 15 frei¬ gegebenenOeffnungen 31 auszuströmen und Gasflammen 39 zu bilden.
Es ist indessen auch möglich, durch Anbringen einer aus¬ wechselbaren Manschette auf der Aussenseite des Luftsteüer- bleches die gewünschten Oeffnungen 13 zu verschliessen. um dadurch das optimale Verhältnis Luft/Gas zu erhalten.
Die Oeffnungen 13 bzw. 31 sind so angeordnet und in ihrer Form (rund, viereckig usw.) gewählt, dass die Bedingung des konstanten Mengenverhältnisses Gas/Verhrennungsluft über einen weiten Leistungsbereich erhalten bleibt.
Anstelle der Schiebe-Steuerbewegung kann auch eine Dreh¬ bewegung der Steuerkolben vorgesehen werden bzw. eine gemisc Bewegung.
Bei zunehmender Gas- bzw. Luftmenge kann die Oeffnungs- zahl pro Hubeinheit oder ihre Grosse zunehmen.
Aehnlich<=s gilt für die Flammenbohrungen 21 und deren Verteilung.
Durch gewählte Regelgrössen, beispielsweise die Rauch- gasabströmtemperatur u. dgl., kann eine Regelung der Regulierstange 33 erfolgen, um ein vorgesehenes Pro¬ gramm durch deren entsprechendes Bewegen zu gestalten. Der beschriebene Gasbrenner ist im Aufbau äusserst ein¬ fach, betriebssicher und leicht auf äussere Gegeben¬ heiten, wie Ventilator u. dgl., abzustimmen. Durch Aus- wechseln des Gasdosierrohres 30 ist es möglich, unter¬ schiedliche Gebläse-Charakteristiken zu berücksichti¬ gen und mindestens annähernd in jedem Falle ein kon¬ stantes Mengenverhältnis von Gas- und Verbrennungs- luft über weitere Leistungsbereiche, welche den wichti- gen Bereich von 50 bis 100% der Nennleistung umfassen, aber sich bis auf 10% herunter erstrecken kann, zu ge¬ währleisten. Wie Versuche zeigen, ist es auf diese Weise möglich, im Bereich von 10 - 100% der Brennernennleistung in den Rauchgasen einen sehr niedrigen CO-Gehalt von höchstens 0,01 Vol.% bei einer Luftüberschusszahl von λ 1,2 - und dies im ganzen Bereich von 10 - 100% - zu erreichen. Dassbis zu einer Belastung von ungefähr 60% der NO - Gehalt in den Rauchgasen nicht messbar ist und zwischen 60 und 100% nur in Spuren vorliegt, zeigt die äusserst geringe, ja verschwindende Umweltbelastung, welche die- ser Brenner verursacht.
Es hat sich zudem erwiesen,dass oftmals der Verwendung eines rauchgasseitigen Sauggebläses derjenigen eines Druckgebläses für die Zulieferung der Verbrennungs- luft der Vorzug zu geben ist.
Die im übrigen markantesten Punkte dieser Brenner liegen in der Verwendung eines einzigen zu betätigenden Steuerelementes zur Steuerung des im wesentlichen konstantenMengenverhälnisses Gas/Luft und in einer variablen Brenneroberfläche.

Claims

Patentansprüche:
1. Brenner für gasförmige Brennstoffe, insbesondere für Heizkessel, dadurch gekennzeichnet, dass Verschiebe- und/oder Drehmittel (15, 37) vorgesehen sind, um min¬ destens im Leistungsbereich von 10 - 100% der &enn- leistung ein mindestens annähernd konstantes Mengen¬ verhältnis von Gas und Verbrennungsluft sicherzustellen.
2. Brenner, vorzugsweise nach mindestens einem der An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur gleichzeitigen Beaufschlagungsänderung einer Mischkammer (24) mit Gas und Luft ein als Bewegungseinheit ausgebildetes Steuer¬ element, z.B. in Kolbenform (15, 37) vorgesehen ist.
3. Brenner, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprü- ehe, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster beweglicher dreh- und/oder schiebbarer Steuerkolben (15) vorgesehen ist, der mit seiner äusseren Mantelfläche die Verbrennungs- luftmenge steuert.
4. Brenner, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass im Innern des ersten rohrförmigen Steuerkolbens (15) ein zweiter, vorzugsweise zum ersten Steuerkolben (15) koaxialer Steuerkolben (37) angeordnet ist, welcher mit seiner innern Mantelfläche die Gasmenge steuert.
5. Brenner, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Steuerkolben •(15, 37) miteinander fest verbunden und mittels eines Betäti gungsorganes (33) hin- und herschiebbar und/oder drehbar sin
6. Brenner, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Steuerkolben (15) auf einem Teil seiner Länge von einem mit Oeffnungen (13) versehenen Blech (12) ummantelt ist.
7. Brenner, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige zweite Steuerkolben (37) ein mit Oeffnungen (31) versehenes Gas¬ zuleitungsrohr (30) ummantelt.
8. Brenner, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass im Innern des ersten Steuerkolbens (15) ein Mischer (26) angeordnet ist.
9. Brenner, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet,' dass der eine, vorzugsweise der erste Steuerzylinder(15) einen in den Kessel (2) vor¬ stehenden Teil als Brennerrohr (19) mit Oeffnungen (21) im Mantel aufweist.
10. Brenner, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schablone zum Anpas¬ sen der Luftmenge an die Gebläse-Charakteristik und Aufbrin¬ gen auf das Ummantelungsblech (12) zum ersten Steuerkolben (15) vorgesehen ist.
11. Brennner, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein einzi¬ ges Element (15, 19, 37) vorgesehen ist, um mittels dessen Bewegung gleichzeitig die Gasmenge, die Luft¬ menge und die Grosse der aktiven Brenneroberfläche zu verändern.
12. Brenner, vorzugsweise nach mindestens einem derAnsprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Misch¬
10 mittel (12) vorgesehen sind, um das Gas und die Luft vor dem Mischraum (24) vorzumischen.
13. Verfahren zum Verbrennen gasförmiger Brenn¬ stoffe mit Luftüberschuss bei ändernder Belastung
-,5 in einer Brennkammer, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man das Mengenverhältnis von Gas und Luft im Be¬ reich von 10 - 100% der Nennleistung mindestens annähernd konstant hält.
20
14. Verfahren, vorzugsweise nach mindestens einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man mit einem Luftüberschuss λ 1,2 im Bereich von 10
- 100% verbrennt bei einem CO-Gehalt von <0,01
25 Vol.% in den Rauchgasen und höchstens Spuren von
NOx.
EP86901330A 1985-04-11 1986-03-14 Brenner für gasförmige brennstoffe, insbesondere für heizkessel Expired EP0218602B1 (de)

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AT86901330T ATE41991T1 (de) 1985-04-11 1986-03-14 Brenner fuer gasfoermige brennstoffe, insbesondere fuer heizkessel.

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CH1542/85 1985-04-11
CH1542/85A CH676743A5 (de) 1985-04-11 1985-04-11

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EP0218602A1 true EP0218602A1 (de) 1987-04-22
EP0218602B1 EP0218602B1 (de) 1989-04-05

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EP86901330A Expired EP0218602B1 (de) 1985-04-11 1986-03-14 Brenner für gasförmige brennstoffe, insbesondere für heizkessel

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US (1) US4755136A (de)
EP (1) EP0218602B1 (de)
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AU (1) AU5541586A (de)
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