Günter Cerbe

Grundlagen der GastechnikGasbeschaffung - Gasverteilung - Gasverwendung

ISBN-10: 3-446-41352-9ISBN-13: 978-3-446-41352-8

Vorwort

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Vorwort zur siebten Auflage

Seit dem Erscheinen der ersten Auflage vor mehr als 25 Jahren haben energie- und umwelt-politische Entwicklungen die Bedeutung des Erdgases weiter erhoht. Um so wichtiger ist es,dass kompetente Fachleute fur den sicheren und umweltschonenden Einsatz dieses Energie-tragers bereitstehen. Zu deren Aus- und Weiterbildung will dieses Fachbuch beitragen.

In der siebten Auflage wurden einige Themen vollstandig neu bearbeitet, so z. B. der Bereichder Biogase, der mit der Liberalisierung des Gasmarktes neu geordnete Netzzugang oderneue Verfahren zur Leitungsbemessung bei Gasinstallationen.

Einige Bereiche wurden neu gestaltet und zugleich aktualisiert, wie z. B. die Verwendung vonBrenngas als Kraftstoff, die Gaschromatographie zur Brennwertbestimmung, das Kapitel uberGasanlagen in Gebauden und auf Grundstucken, in dem die neue DVGW-TRGI 2008 behan-delt wird. In allen Fallen wurde der neueste Stand berucksichtigt, z. B. bei der novelliertenEnergieeinsparverordnung EnEV 2007 und der i. V. befindlichen Novelle der 1. BImSchV.

Der Sicherheit der Gasversorgung wurde –– wie bisher –– besondere Aufmerksamkeit gewid-met. Neben einem eigenen Kapitel zieht sie sich durch das gesamte Buch, wie z. B. bei denFragen der Manipulationserschwernis, der Brandsicherheit, der Druckabsicherung und derOdorierung. Diese Themen wurden z. T. weiter vertieft.

Bei Gesetzen, Verordnungen, Technischen Regeln und Rechenverfahren sowie bei Stoffwer-ten wurde der aktuelle Stand berucksichtigt. Die behandelten technischen Regeln sollen einenersten Einstieg und ¢berblick in das Regelwerk –– insbesondere des DVGW –– ermoglichen,konnen es aber keineswegs ersetzen. Etliche Bilder und Diagramme wurden zusatzlich auf-genommen, andere wurden, oft durch Mithilfe von Unternehmen der Gaswirtschaft und desDVGW, auf den neuesten Stand gebracht.

Zielsetzung und Konzeption des Buches mit dem Bezug zur Praxis werden auch in der siebtenAuflage unverandert beibehalten. Wie bisher streben wir ein Fachbuch mit Lehrbuchcharakteran. Daher ist die Darstellung der verschiedenen Kapitel sorgfaltig aufeinander abgestimmtund durch insgesamt 168 Beispiele und Aufgaben miteinander verknupft. Durch die Vielzahlder Tabellen und Diagramme hat sich das Buch aber auch als Handbuch bewahrt.

Dankenswerterweise haben sich auch fur die siebte Auflage ausgewiesene Fachleute zur Mit-arbeit bereit gefunden, sodass mit sieben Hochschullehrern und vier Autoren aus der Gaswirt-schaft eine ausgewogene fachliche Zusammensetzung der Verfasser gewahrleistet ist.

In die Neubearbeitung sind zahlreiche Anregungen aus den Hochschulen und aus der Gas-wirtschaft eingeflossen. Daruber hinaus haben Mitglieder der DVGW-Hauptgeschaftsstelleund der DVGW-Ausschusse viele wertvolle Hinweise gegeben. Ohne die kollegiale und ver-trauensvolle Unterstutzung dieser vielen Fachleute ware es gar nicht moglich gewesen, denjeweils neuesten Stand der Entwicklung darzustellen. Allen Fachkollegen, die uns selbstlosgeholfen haben, danken wir herzlich.

Im Fruhjahr 2008

Gunter CerbeMartin Dehli Jan Eibe Katelhon Torsten Kleiber Jurgen Kuck Benno LendtJens Mischner Bernhard Mundus Hartmut Pietsch Dietmar Spohn Walter Thielen

Günter Cerbe

Grundlagen der GastechnikGasbeschaffung - Gasverteilung - Gasverwendung

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Leseprobe

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Losung:

Beispielhaft wird zunachst der Teillastwirkungsgrad fur den Teillastbetrieb bei 13 % Volllast ermittelt.Man erhalt mit hG ¼ 0,8889 und qB ¼ 0,01587 nach Beispiel 8.2 –– der Unterschied zwischen 70 �C und75 �C Kesseltemperatur wird vernachlassigt:

heffG ð13%Þ ¼ 1¢

ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi_QQL

_QQNL

s½1¢ hG¤

! 1þ qB

_QQL

_QQNL

1þ qB

¼ ð1¢ffiffiffiffiffiffiffiffiffi0,13

p½1¢ 0,8889¤Þ 1þ 0,01587 ¡ 0,13

1þ 0,01587¼ 0,9468

Ergebnis fur alle funf Teillastwirkungsgrade:

_QQL= _QQNL 0,13 0,30 0,39 0,48 0,63

heffG 0,9468 0,9289 0,9217 0,9155 0,9065

Die vorgeschriebene Mittelwertbildung nach Gl 8.2.2 liefert fur den Normnutzungsgrad:

hN ¼5P5

i¼1

1

heffG ðiÞ

¼ 51

0,9468þ 1

0,9289þ 1

0,9217þ 1

0,9155þ 1

0,9065

¼ 0,9237 ¼b 92,37 %

Der geforderte Wert in % fur das Umweltzeichen folgt nach Interpolation zwischen den Grenzen derNennwarmeleistungen 10 kW und 70 kW (vergl. Tafel 8.11 mit der Fußnote 1):

hN erf ¼ hminN þ ðhmax

N ¢ hminN Þ

lg _QQNL ¢ lg _QQminNL

lg _QQmaxNL ¢ lg _QQmin

NL

(Gl 8.2.3)

Fur _QQNL sind nur die Zahlenwerte einzusetzen:

hN erf ¼ 90þ ð91¢ 90Þ lg 11,2 ¢ lg 10lg 70¢ lg 10

¼ 90,06 %

Der geforderte Normnutzungsgrad wird uberschritten.

8.3 Funktion und Anwendungsgebiete der Gasgerate

8.3.1 Koch-, Wasch-, Trocknungs- und Kuhleinrichtungen

Herde werden ublicherweise mit drei oder vier Kochbrennern angeboten. Normalerweise sindKochbrenner (Bild 7.8) in Deutschland mit einer Flammenuberwachungseinrichtung –– in derRegel ist dies eine thermoelektrische Zundsicherung –– ausgerustet (Bild 7.27a). Kochbrennerohne Flammenuberwachungseinrichtung durfen nach DVGW-TRGI nur in Raumen aufgestelltwerden, die wahrend des Betriebes durch einen Ventilator mit einem Außenluftstrom von�100 m3/h beluftet werden. Vorteile bietet der Gasherd vor allem durch sein gunstigesBetriebsverhalten –– gute Kleinstell- und Regulierungsmoglichkeit –– und durch niedrigeBetriebskosten und geringen Primarenergieverbrauch. Seit einigen Jahren gibt es auch die gas-beheizten Glaskeramik(Ceran)-Kochfelder (Bild 8.3). Unter der Glaskeramikplatte befindetsich ein Injektorvormisch-Strahlungsbrenner, dessen Brennerkopf aus gasdurchlassiger Kera-mik besteht. Hauptsachlich unter Abgabe von Strahlungswarme verbrennt das vorgemischteGas bei dieser Bauart mit niedriger Flammentemperatur. Herde, im Haushaltsbereich generellohne Abgasanschluss, gehoren zum Geratetyp A (Tafel 8.4).

Waschmaschinen und Waschetrockner mit Gasheizung sind uberwiegend fur gewerblicheZwecke und in Gemeinschaftsanlagen im Einsatz. Im Haushaltsbereich finden sie zurzeit nochwenig Verwendung. Im Zuge der europaischen Harmonisierung kann jedoch ein steigendes

Funktion und Anwendungsgebiete der Gasgerate 339

Marktpotenzial fur eine zunehmende Verbreitung gasbeheizter Waschetrockner auch im Haus-haltsbereich erwartet werden.

Kuhlschranke als gasbetriebene Absorptionssysteme werden in Deutschland praktisch nur furden mobilen Flussiggaseinsatz angeboten. Sie funktionieren wie Absorptionsgaswarmepumpen(Bild 8.21), besitzen jedoch anstelle einer mechanischen Losungspumpe eine thermischePumpe, sodass ein elektrischer Stromanschluss entfallt.

8.3.2 Gaswasserheizer und Vorratswasserheizer

8.3.2.1 Gaswasserheizer

Gaswasserheizer sind Wandgerate, die ursprunglich fur die Warmwasserbereitung nach demDurchlaufprinzip (Durchlaufwasserheizer) eingesetzt wurden. Aus ihnen wurden in den 60erJahren Warmwasserheizkessel, die so genannten Umlaufwasserheizer entwickelt. Gerate, diesowohl heizen als auch Warmwasser bereiten, werden Kombiwasserheizer genannt.

Durchlaufwasserheizer (Bild 8.4) werden fur Nennwarmeleistungen von 8,6 kW bis 28 kW an-geboten. Ein Großteil des Geratebestandes ist noch mit standig brennenden Zundflammenausgerustet. Nach Zunden der Zundflamme mit dem Piezozunder ist das Gerat ohne elektri-sche Hilfsenergie betriebsbereit. Die Flamme wird thermoelektrisch uberwacht. Moderne Ge-rate sind mit batteriebetriebener elektronischer Zundung ohne standig brennende Zundflam-me ausgestattet oder besitzen statt einer Batterie einen Mikrogenerator, der durch eine imKaltwasserzulauf befindliche Turbine angetrieben wird. Die ¢berwachung erfolgt hierbei mit-tels Ionisationszundsicherung. Fließendes Wasser betatigt hydraulisch den Stromungsschalter,der das Hauptgasventil offnet. Der Injektorvormischbrenner mischt Brenngas und Primarluft.Am Brennerkopf wird dieses Gemisch mit der Zundflamme oder der elektronischen Zundunggezundet und verbrennt vollstandig mit zusatzlicher Sekundarluft. ¢ber einen Kreuzstrom-warmeubertrager (Lamellenblock) erwarmt das Verbrennungsgas das Warmwasser. Handels-ubliche Gerate verfugen heute uber eine thermostatische Auslauftemperaturregelung, dieunabhangig vom Wassermengenstrom eine konstante Warmwassertemperatur einstellt.

Wandhangende Heizkessel (Umlaufwasserheizer) funktionieren nach demselben Prinzip.Hauptunterschiede sind die Umwalzpumpe, das Ausdehnungsgefaß fur das Heizungswasser,die elektrische Zundelektrode anstelle der Zundflamme und die Ionisations-Flammenuber-wachung. Die angebotenen Nennwarmeleistungen reichen von 6 kW bis 25 kW bzw. 2,9 kWbis 70 kW bei Brennwertgeraten. In der Regel werden diese Gerate modulierend betrieben,d. h. der Brenngasstrom wird im verfugbaren Regelbereich [20% (Brennwertgerate) bzw.40% bis 100 % Nennwarmeleistung] an die geforderte Warmeleistung angepasst. Bei gleiten-

Gasgerate in Haushalt und Gewerbe340

Bild 8.3 Injektorvormisch-Strahlungsbrenner fur Glaskeramik-Kochfeld [2.16]

der Kesseltemperatur, die uber die Außentemperatur gefuhrt wird, handelt es sich –– je nachAusfuhrung –– um einen Niedertemperatur- oder Brennwert-Heizkessel.

Um Warmwasser nach dem Speicherprinzip zu erwarmen, lasst sich der Umlaufwasserheizermit einem indirekt beheizten Warmwasserspeicher koppeln (Bild 8.5). Bei Unterschreiten dereingestellten Warmwassertemperatur1 wird uber eine Vorrangschaltung das Heizungswasserdurch den im Speicher befindlichen Warmeubertrager gepumpt. Diese Losung bietet sich al-ternativ zum Kombiwasserheizer an, da im Zuge der fortschreitenden Warmedammvorschrif-ten fur Wohngebaude (Energieeinspar-Verordnung) die unterschiedlichen Leistungen zumHeizen und zur Warmwassererzeugung im Durchlaufprinzip nahezu unuberbruckbar gewor-den sind (Hygieneanforderungen s. Abschn. 8.3.2.2).

Funktion und Anwendungsgebiete der Gasgerate 341

Strömungssicherung

Abgassensor (Temperaturfühler)

Wärmeübertrager

Zünd- und Überwachungselektroden(Ionisationszündsicherung)

Injektorvormischbrenner

Generator

Wasserschalter, Wassermengenregler

Gasarmatur (Gasregelblock)

Kaltwasser

Gasanschluss

Hauptschalter EIN / AUS

Warmwasser

Bild 8.4 Schema eines raumluftabhangigen Durchlaufwasserheizers mit Stromungssicherung (Geratetyp BS11 BS)[10.34]

1 Die in der fruheren HeizAnlV fur Warmwasserspeicher geforderte Begrenzung der Warmwassertem-peratur auf maximal 60 �C ist in der EnEV entfallen.

Kombiwasserheizer verfugen uber einen Sekundarwarmeubertrager fur die Warmwassererwar-mung im Durchlaufprinzip. Dieser kann entweder parallel zum Heizwasserwarmeubertrager imVerbrennungsgasstrom liegen oder indirekt durch das Heizungswasser beheizt werden (Bild 8.6).Wegen der unterschiedlichen Warmeleistungsanforderungen fur die Warmwasserbereitung unddas Heizen muss in der Regel eine Komforteinbuße –– geringer Warmwasserdurchfluss –– fur dieWarmwasserbereitung hingenommen werden. Die maximale Nennwarmeleistung des Geratessollte deswegen nicht kleiner als 17 kW sein. Vorteilhaft sind die geringen Bereitschaftsverluste.

8.3.2.2 Vorratswasserheizer

Vorratswasserheizer sind direkt beheizte Warmwasserspeicher (Bild 8.7). In Verbindung mitZirkulationsleitungen sind sie eine komfortable Moglichkeit, ein Gebaude zentral mit warmemWasser zu versorgen (Bild 8.8). Wie der Durchlaufwasserheizer benotigt dieses Gerat keinen

Gasgerate in Haushalt und Gewerbe342

Bild 8.5 Schema eines raumluftabhangigen Umlaufwasserheizers (Geratetyp B11 BS) mit indirekt beheiztem Warm-wasserspeicher [10.16]

Stromanschluss, da die Zundung des Injektorvormischbrenners abhangig von der Warmwas-sertemperatur durch eine Zundflamme erfolgt. Die Zundflamme wird durch einen Piezozun-der gezundet.

Gesundheitsschadliche Legionellen bilden sich in Warmwasser-Bereitungsanlagen bevorzugtim Temperaturbereich zwischen 32 . . . 42 �C. Technische Maßnahmen zur Verminderung desLegionellenwachstums regelt das Arbeitsblatt DVGW-W 551 (04.2004).

8.3.2.3 Gerateausfuhrungen

Nach DVGW-TRGI 2008 mussen bei metallenen Gasinnenleitungen die Gerateanschlusslei-tungen unmittelbar vor Gasgeraten in Raumen mit einer thermisch auslosenden Absperrein-

Funktion und Anwendungsgebiete der Gasgerate 343

Bild 8.6 Schema eines raumluftabhangigen Kombiwasserheizers (Geratetyp B11 BSÞ [10.34]

richtung (TAE) versehen sein, die ab 100 �C selbsttatig die Gaszufuhr sperrt.1 Dies gilt nicht,wenn die Gasgerate bereits entsprechend ausgerustet sind.

Bei nichtmetallenen Gasinnenleitungen ist die Brandsicherheit bereits durch die gefordertenabsperrenden Vorrichtungen in der zufuhrenden Leitung erfullt (s. Kap. 9).

Gasgerate in Haushalt und Gewerbe344

Bild 8.7 Vorratswasserheizer mitatmospharischem Brenner(Geratetyp B11 BSÞ [10.16]

Bild 8.8 Zentrale Warmwasserversorgungmit Vorratswasserheizer [10.34]

1 Gilt nicht fur Gebaude mit gewerblicher oder industrieller Gasanwendung ohne hausliche Nutzung.

Raumluftabhangige Gerate mit Injektorvormischbrenner ohne Hilfsgeblase (atmospharischeBrenner), die die Verbrennungsluft direkt dem Aufstellraum entnehmen, mussen mit einerabgasseitigen ¤ffnung zum Aufstellraum, der Stromungssicherung, ausgerustet sein. Die Stro-mungssicherung hat die Aufgabe, den Unterdruck im Betrieb zu begrenzen und ein sicheresAnfahren bis zur Ausbildung des thermischen Unterdruckes zu gewahrleisten (Bild 8.9).Wahrend der Anfahrphase liegt in der ausgekuhlten Abgasanlage noch kein thermischer Auf-trieb vor, sodass das Abgas kurzzeitig in den Aufstellraum austreten kann. Bei stationaremBetrieb begrenzt die Stromungssicherung den Zug der Abgasanlage, da neben dem Abgasauch Luft aus dem Aufstellraum angesaugt wird. In Verbindung mit einer Abgasuber-wachungseinrichtung (Zusatzkennung „BS“ oder „AS“), die in Wohnungen und vergleich-baren Nutzungseinheiten nach TRGI vorgeschrieben ist,1 wird der Anfahrvorgang bei blei-bendem Stau in der Abgasanlage automatisch abgebrochen. Die in der bisher gultigen TRGI86/96 aufgefuhrte Untergrenze der Nennwarmeleistung (7 kW) wird kunftig in der TRGI 2008entfallen.

Nach TRGI 2008 [2.13a] kann anstelle der Abgasuberwachung auch eine Raumluftuber-wachung2 (Zusatzkennung „AS“) vorgesehen werden.

Die meisten schornsteingebundenen Gaswasserheizer in Deutschland arbeiten nach diesemPrinzip. Nach Tafel 8.4 gehoren sie mit Abgasuberwachungseinrichtung zum Geratetyp B11 BS

bzw. mit Raumluftuberwachungseinrichtung zum Geratetyp B11AS.

Raumluftunabhangige Gerate (Geratetyp C) treten zunehmend an die Stelle von raumluft-abhangigen, da die Dichtigkeit der Außenfenster von Wohngebauden großer geworden ist.Durchlaufwasserheizer als Außenwandgerate werden schon seit langerer Zeit mit einergeschlossenen Verbrennungskammer ohne Hilfsgeblase fur den raumluftunabhangigen Betrieb(Geratetyp C11) bis 25 kW Nennwarmeleistung hergestellt. Es werden auch Umlauf- undKombiwasserheizer mit Hilfsgeblase als raumluftunabhangige Gerate fur den Außenwand-

Funktion und Anwendungsgebiete der Gasgerate 345

Bild 8.9 Wirkung der Stromungssicherung [1.19]

1 Dies gilt nicht, wenn die Verbrennungsluft uber ¤ffnungen ins Freie zugeuhrt wird, die Raume nichtanderweilig genutzt und gegenuber anderen Raumen keine ¤ffnungen, ausgenommen ¤ffnungen furTuren haben; die Turen mussen dicht und selbstschließend sein.2 Bei der Raumluftuberwachungseinrichtung handelt es sich um einen Flammendetektor, der das Abhe-ben der Flamme bei CO2-Konzentrationen > (0,7 . . . 0,8) Vol.-% in der Verbrennungsluft registriert undeine Abschaltung der Gaszufuhr herbeifuhrt. Gemaß TRGI 2008 ist bei dekorativen Gasfeuern fur offe-ne Kamine eine ¢berwachungseinrichtung des Typs „AS“ nicht ausreichend. Diese Gerate durfen nuraufgestellt werden, wenn sie eine Abgasuberwachungseinrichtung des Typs „BS“ haben.

anschluss (Geratetyp C12 bzw. C13), fur den Dachanschluss (Geratetyp C32 bzw. C33) oder furein Luft-Abgas-System (Geratetyp C42 bzw. C43) angeboten. Der Außenwandanschluss ist invielen Bundeslandern (Bauordnung) fur Heizgerate als Neuanlagen nicht mehr zulassig. Beiall diesen Geraten entfallt die Stromungssicherung. ¢ber ein Doppelrohr stromt im Außen-rohr die Verbrennungsluft und im Innenrohr das Abgas. Das Hilfsgeblase steuert den Luft-und Abgastransport. Der Injektorvormischbrenner kann unverandert sein, wie am Beispieleines Kombiwasserheizers im Bild 8.10 dargestellt ist. Der abgasseitige Anschluss an einenherkommlichen Hausschornstein ist nicht zulassig. Allerdings konnen Gerate mit Hilfsgeblaseleicht durch ¤ffnen der Luftleitung hin zum Aufstellraum fur den raumluftabhangigen Betriebumkonstruiert werden (Geratetyp B32 bzw. B33); fur diese Gerate ist sogar die Mehrfachbele-gung am herkommlichen Schornstein zulassig (Tafel 8.4).

8.3.3 Gasheizkessel

Gasheizkessel sind Warmeerzeuger fur Warmwasserzentralheizungen, die meistens raumluft-abhangig aufgestellt werden. Heizkessel mit den integrierten Bauteilen Gasbrenner, der in derRegel als Injektorvormischbrenner (atmospharischer Brenner) ausgefuhrt ist, Umwalzpumpeund Ausdehnungsgefaß nennt man Gas-Spezialheizkessel. Prinzipiell gleichen sie den Umlauf-

Gasgerate in Haushalt und Gewerbe346

Bild 8.10 Raumluftunabhangiger Kombiwasserheizer mit geschlossener Verbrennungskammer fur Luft-Abgas-System(Geratetyp C42 x) [10.4]

wasserheizern, allerdings speichern die Warmeubertrager mehr Umlaufwasser (Bild 8.11). AlsNiedertemperaturkessel (gleitende Kesseltemperatur) werden sie mit Nennwarmeleistungenvon etwa 5,7 kW bis 165 kW angeboten. Bei einstufiger Ausfuhrung konnen bei Teillast infol-ge des intermittierenden Betriebes erhebliche Stillstandsverluste auftreten. Betroffen sind ins-besondere atmospharische Brenner, die keine stochiometrische Vormischung erreichen, dennsie besitzen ausgepragte Sekundarluftoffnungen. Durch diese zieht der warme Schornstein imStillstand Luft, die den Heizkessel auskuhlt. Mit einer Abgasklappe lasst sich dieser Luftstromvermeiden.

Bei großeren Nennwarmeleistungen (ab etwa 50 kW) bestehen Gasheizkessel aus zwei Ein-heiten, dem Kessel als Brennraum und Warmeubertrager sowie einem Geblasebrenner furgasformige Brennstoffe nach DIN EN 676 (11.2003). Der Geblasebrenner muss hinsichtlichseiner Nennwarmebelastung unter Beachtung des Feuerraumdruckes (Stromungswiderstandim Abgasweg), der Beschaffenheit des Brennraumes und des Wirkungsgrades im geforder-ten Regelbereich auf die Nennwarmeleistung des Warmeerzeugers hin ausgewahlt und ein-gestellt werden. ¢berdruck am Abgasstutzen darf dabei nicht auftreten, es sei denn, derWarmeerzeuger ist abgasdicht und die Eignung der Bauteile der Abgasanlage ist hierfurbesonders nachgewiesen. Wahlweiser Betrieb mit Gas oder Heizol ist bei Brennern mit Ge-blase und ¤lzerstaubungsbrennern nach DIN 4787 T 1 (9.81) bei Anwendung einer entspre-chenden Brennerverriegelung moglich. Gleichzeitiges Verbrennen von Gas und Heizol miteinem kombinierten Brenner oder mit getrennten Brennern in einem gemeinsamen Feuer-raum ist jedoch nur dann gestattet, wenn der Warmeerzeuger fur diese Betriebsart geeignetist. Seine max. Nennwarmeleistung darf dabei nicht uberschritten werden.

Heizkessel lassen sich zur zentralen Warmwasserbereitung mit indirekt beheizten Speichernerganzen.

Funktion und Anwendungsgebiete der Gasgerate 347

Gaszuleitung

Kesselglied

Regelgerät

Brennerstab

Zünd- undÜberwachungselektroden

Gasbrennerarmatur

AtmosphärischerGasvormischbrenner

Feuerungsautomatmit Entstörknopf

Bild 8.11 Gas-Spezialheizkessel mit Heizflachen aus Gusseisen und vollvormischendem Brenner ohne Geblase [10.4]