DD202791A1 - Kuehlbare induktionsspule nach dem prinzip des waermerohres - Google Patents

Abstract

Kuehlbare Induktionsspule nach dem Prinzip des Waermerohres zur Anwendung bei der induktiven Erwaermung von Metallen oder Schmelzen. Die Erfindung betrifft eine Induktionsspule, die selbst ein Teil eines oder mehrerer Waermerohre zur Verlustwaermeabfuehrung aus der Induktionsspule bildet. Erfindungsgemaess werden die Hohlprofilwindungen einer an sich bekannten Induktionsspule mit einer oder mehreren Windungen als Verdampferzone eines oder mehrerer Waermerohre so genutzt, dass die Verlustwaerme der Induktionsspule ein fluessiges Waermetraegermedium aus der Kapillarschicht im Hohlleiterprofil verdampft und damit ueber die erforderliche Bildungswaerme des Dampfes dem Hohlleiterprofil der Induktionsspule die Verlustwaerme entzieht. Der so gebildete Dampf erreicht ueber Verbindungsrohre eine oder mehrere Kondensationszonen, in denen der Dampf kondensiert, seine Waerme an ein extremes Kuehlsystem abgibt und ueber Kapillarsystem wird das Kondensat dem Hohlleiterprofil der Induktionsspule wieder zugefuehrt. Die Windungen, Verbindungsleitungen und Kondensationszone bilden ein System von einem oder mehreren Waermerohren zur schnellen Fortleitung der Verlustwaerme aus der Induktionsspule. Der Temperaturarbeitspunkt der Induktionsspule ist frei waehlbar und kann den jeweiligen Temperaturparametern einer Abwaermenutzeranlage angepasst werden.

Description

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Kühlbare Induktionsspule nach dem Prinzip des Wärmerohres

Die Erfindung betrifft eine kühlbare Induktionsspule nach dem Prinzip des Wärmerohres zur Verlustwärmeabführung beim Einsatz zur induktiven. Guterwärmung.

Charakteristik bekannter technischer Lösungen

Bekannt sind Induktionsspulen, bei der die in der Spule entstehende Verlustwärme durch eine Wasserkühlung aus¹ dieser entfernt wird.

(DD 1461, 1.462, 32-347_r 32843_r 134179, 135557, 143950, 144145, DE 974917,, 970466, 6Π754, 6Ό946Ο, 2921472, 2939647, 3019222, GB 946005» 1572974 CH 129717)

Zu diesem Zweck werden solche Induktionsspulen aus Hohlprofilmaterial hergestellt. Das erforderliche Kühlwasser wird mittels Umwälzpumpen aus einem gesonderten Kühlkreislauf durch die Hohlräume des Spulen-Wickelprofils gepumpt. Das so verwendete Kühlwasser muß demineralisiert sein, da sonst in kurzer Zeit sich ein Carbonato el ag- an den Innenwändungen des Spuien-clohl— profils niederschlägt und eine Wärmeabführung aus dem Hohl—, profil erschwert wird. In der Praxis kann diese Forderung hinsichtlich der Kühlwasserqualität nicht erfüllt werden. In den meisten Anlagen werden die Kühlkreisläufe offen betrieben und Frischwasser wird ständig zugespeist. Bei geschlossenen. Kühlkreislauf en würde aufgrund, der niedrigen Temperaturparameter noch mehr Frischwasser benötigt v/erden.

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Höhere Temperaturen_r die eine Abwärmenutzung gewährleisten kennten, läßt die bisher angewandte Technologie nicht zu· Hierzu gibt es keine zulässig geprüften KühlwasseranschluiSschiäuche.

3inen Versuch dieser Gesarat Schwierigkeit, die eine Wasserkühlung mit sich bringt.,, zn umgehen, bildet ein. Patent aus Großbritannien Nr. 2553274 _r bei dem das Hohlprofil durch ein massives oder flexibles Leiterband ersetzt wird und dieses in einem biegsamen Kühlwasserschlauch eingezogen zur Induktionsspule gewickelt wurde» Die Anordnung hat den Nachteil, daß die Windungsabstände durch den Kühlwasserschlauch sehr groß gewählt werden .müssen und der elektrische Wirkungsgrad durch einen geringeren Spulenfüllfaktor sich verschlechtert.

In beiden technologischen Anordnungen der Wasserkühlung ergib' sich aufgrund der sehr hohen Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers in den Wickelhohlprofilen ein starker Druckverlust. Tn der Praxis v/erden solche Induktionsspulen mehrteilig gewickelt und mehrere Teilspulen gesondert an Kühlkreisläufe angeschlossen, da der Hohlprofil-Querschnitt nach"oben wie auch nach unten begrenzt einsetzbar ist.

Der elektrische Wirkungsgrad findet seine Grenzen bei der Optimierung der Kühlirr eislaufe zur Abführung der Verlustwärme aus der Induktionsspule, bei der Auswahl der thermischen und elektrischen Isolation und der mechanischen Fertigkeit der Spule (Verguß der Spule mit Beton; DD 32847). Sehr gute Wärmeleitungseigenschaften hat das an sich bekannte Wärmerohr, .jedoch gibt es keine bekannte Lösung zur -direkten Kopplung des Wärmerohres mit einer Induktionsspule zur Verlustwärmefortführung aus dieser.

3ekannt sind Wärmerohre als selbständige Baueinheiten, als direkte oder indirekte Koppelglieder zwischen einer Wärmequelle und einer Temperatürsenke zur Wärmefortieitung, die in. zahlreichen Patentschriften niedergelegt sind.

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Bei der direkten Kopplung des Wärmerohre.s mit der Induktionsspule besteht die Problematik in der Eigenerwärmung des Wärmerohr es· durch den in diesem induzierten Strcm durch das Magnetfeld der- Induktionsspule.- Auch bei der Anwendung von Wärme—. rohren, aus elektrisch mitleitenden Materialien besteht die Schwierigkeit in der direkten Wärmeleitungskopplung zwischen jeder einzelnen voneinander elektrisch isolierten radialen Windungsfläche und dem Wärmerohr·,, dessen Wärmekontaktfläche ebenso: elektrisch nichtleitend sein müßte·

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, das System des Wärmerohres zur Verlustwärmeabführung aus der Induktionsspule so anzuwenden,, daß die Induktionsspule selbst ein Teil eines oder mehrerer Wärmeröhre bildet»

Wesen der""Erfindung

Ursache der vorgenannten Mängel ist bedingte technische Notwendigkeit-, daß die in der Induktionsspule entstehende Verlustwärme, durch eine Wasserkühlung in. Hohlleiterführung abgeführt wird. Diese Kühlungsart bedingt die Förderung relativ großer Flüssigkeitsmengen durch enge Hohlleiterquerschnitte mit einem geringen spezifischen Wärmezuwachs, da nur die sensible--Wärme des Kühlmediums: genutzt werden kann. Die Siede-und Verdampfungskühlung ist auch bei mehrwindigen Induktionsspulen nicht mehr anwendbar, da die Kühlwasserströmung bei waagerechter Anordnung der Spule durch die Dampfbildung unterbrochen wird..

Durch die Anwendung der Erfindung werden eine oder mehrere Windungen der Induktionsspule als Verdampferζone und damit als Teil eines Wärmerohres genutzt. Die Hohlprofilwindungen werden nicht mehr von der kühlflüssigkeit vollrundig durch— flössen, sondern ein spezielles Wärmeträgermedium benetzt nur noch eine Kapillarschicht innerhalb des Hohlprofils, das durch die Verlustwärme innerhalb des Hohlprofilleiters verdampft. Damit wird nicht mehr nur die sensible Wärme des Kühlmediums genutzt_}: sondern auch die latente Wärme (Verdampfwärme ).

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-Dies bedeutet,., daß wesentlich weniger Kühlflüssigkeit benötigt wird und aufgrund des geschlossenen Kühlsystems und der Reinheit des Kühlmediums ein Niederschlag von. Verunreinigungen im Hohlleiterprofil nicht mehr möglich ist» Sine wesentlich längere Betriebszeit der Spule ist zu erwarten und der technische Aufwand eines Primär— Kühlmittelkreislaufes entfällt» Hierdurch entfallen Külil- wasserschläuche _T Druckerhöhungspumpen als Kühlwasserum— wälzpumpen und die Auswahl des Hohlleiterprofils für die Induktionsspule gestattet einen größeren Freiraum hinsichtlich der Optimierung zur Verbesserung des elektrischen. Wirkungsgrades.

Da eine große Auswahl unterschiedlicher Wärmeträgermedien zur Verfügung stehen können. Innendruck und Betriebstemperatur der Induktionsspule frei gewählt werden. Damit kann die mechanische Fertigkeit der Soule variabler se—

staltet werden». Das Vergießen der Spule mit Feuerfestbeton kann durch das Verbinden der Windungsseitenwände mit einer elektrisch—thermischen Isolationsschicht entfallen» Aufgrund der nicht mehr benötigten Wasserkühlung und durch die Substition des· Feuerfestbetons' an der Induktionsspule wird der- Spulenfüllfaktor erhöht,., die mehrteilige Fertigung der Spule nicht mehr notwendig, die Baulänge wesentlich verkürzt,, das Gesamtgewicht reduziert, Standzeit der Spule verlängert, die Regelbarkeit der Leistung durch Verkürzung der thermischen Zeitkontakte verbessert, die axiale Leistungsdichte erhöht und der elektrische Wirkungsgrad verbessert» Srfindungsgemäß werden die Hohlprofile einer an sich bekannten Induktionsspule mit einer oder mehreren Windungen als Verdampferzone eines oder mehrerer Wärmerohre der Art genutzt _T da. die Hohlleiterprofile der Windungen an der Innenfläche mit einer Kapillarschicht teilweise 'oder ganz belegt sind» In der ein flüssiges- Wärmeträgermedium durch die Bildung der Verlustwärme in Hohlleiterprofil der Induktionsspule verdampft wird und diesem durch die Bildungswärme die Wärme entzieht. Über eine adiabate Zone als Tsrbindungsleitung breitet der so gebildete Dampf sich rasch aus und erreicht die Kondensationszone des Wärmerohr es· .Dur ch die Temperatur senke an der

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Kondensationswand, die durch einen externen Sekundärkühlkreislauf erzeugt- wird, kondensiert der Dampf und gi^Tot die freiwerdende Kondensationswärme über die Wandung an den Sekundärkühlreislauf ab·- Das gebildete Kondensat wird in einer Kapillarschicht oder einem Docht im adiabaten Verbindung sr ohr' dem Terdampfer bzw. einer oder mehrerer Windungen, von einer -mehrwindigen: Induktionsspule wieder züge—

Alle drei Zonen sind als nrontierbare Einheiten ausgebildet und werden hermetisch verschlossen. Während alle 7erdampferzOnen durch das Spulen-Hohlprofil der Windungen miteinander v/erbunden sind, bildet jede Kondensationszone eine getrennte Einheit, die im oberen. Teil mit einer verschließbaren:, öffnung v/ersehen ist· Diese werden als Sinfüllöffnungen für das¹ Wärmeträgermedium genutzt und können außerdem mit einer Druckregeleinheit als regelbares Wärmerohr versehen werden oder zusammengeschlossen werden. Die adiabaten 7er— bindungsleitungen zwischen Verdampfer- und Kondensationszone sind aus: elektrisch nichtleitendem Material hergestellt und an den Enden mit hermetisch dichtenden 7erbindungsstücken vers:ehen.

Ausführungsbeispiel

Sine mögliche Anwendung der Erfindung- ist das als Fig.: 1 dargestellte Ausführungsbeispiel,, das nachfolgend erläutert wird.

Ausgangspunkt für die Induktionspule 1 ist das Spulen-Wickelhohlprofil 2, das mit einer mehrlagigen Windungsisolation aus Polythylenglykoltherepthtelat auf eine Innenmanschette aus Alumo-Silikat-Faser (Keramik-Papier) so engwindig gewickelt wird, daß ein anschließendes Verschweißen der ?/inäungsseitenflächen mit der Windungisolation erfolgen kann» Anschließend werden die Hohlprofile im oberen Teil jeder Windung in ihlrer ,ganzen Breite geöffnet und ein Kapillarschichtband 6 wird so eingezogen, daß dieses an der radialen Innenfläche des Hohlprofils anliegt.. Jede öffnung wird mit einem dichtschließenden Änschlußstück.ausgestattet und die Kapillarschicht über ein Docht 6 verbunden.

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Dies.er Docht 6 wird in das Verbindung sr ohr 7 eingeschoben, das als adiabate Zone 9 die Verbindung von Verdampferzone 8 zur Kondensationszone IC zur Dampf- und Kondensatführung herstellt.

Innerhalb eines Wärmetauscher-Gehäuses; 1 2 befindet sich für jede Windung der Induktionsspule T eine Wärmetauscherzone 1 2 mit einer Kondensat.sammlerzone _r in die jeweils der Docht β eintaucht. Über die Wärmetauscherzone 12 wird die extern geführte Kühlflüssigkeit geführt,, die über die Anschlüsse 14 zugeführt und über 1 5 abgeführt wird. Die Füll— und. Anschlussstutzen. 16 führen aus dem Gehäuse 12 heraus und werden so genutzt, daJB auch ein Druckregelsystem angeschlossen werden kann.,

Die Funktion der kühlbaren Induktionsspule 1 nach dem Prinzip des· Wärmerohres· beruht auf der Nutzung der Induktionsspule T, die mit einer Wechselspannung gespeist einen magnetischen FIu erzeugt, der das im axialen Hohlraum der Spule eingebrachte Werkstück durch einen in diesem induzierten Strom erwärmt. In der Induktionspule 1 entsteht dabei eine Verlustwärme, die an der Erwärmung des Werkstückes nicht mit beteiligt ist.. Aufgrund" des sogenannten Skin—Effektes bei höher frequenden Wechselspannungen entsteht diese Verlustwärme an der V/indungsfläche, die dem zu erwärmenden Werkstück gegenüber liegt und mit der Kapillarschicht 6 belegt ist.

Die Kapillarschicht 6 ist mit einem Wärmeträgermedium getränk'· das nach der Arbeitstemperatur der Induktionsspule an den Temperaturparametern der Abwärmenutζeranlage ausgewählt wurde« dieses wird durch die entstehende Verlustwärme in der Kapillai schicht 6 verdampft. Dieser breitet sich schnell über die freien Hohlräume aus und erreicht auf grund des Druckgefälles, über die Verbindungsrohre. T die Kondensationszonen IC Zwischen dem Dampf und den Wandungen der Kondensationszonen IC wird durch das externe Kühlsystem über die Wärmetauscherzonen 12 ein Temperaturgefälle aufrechterhalten, welches den Dampf zur Kondensation zwingt und seine in den Windungen aufgenommen Verdampfungswärme als Kondensationswärme über die Wandungen de Wärmetauscherzone 12 an das externe Kühlsystem abgibt_>: die die ΤΤΤΙ<=> l

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Daa so gebildete. Kondensat flieSt an den Wandungen der Kondensat ions ζ onen ί.Ο den Kondensatsamineizonen 1 T zu» Von hier wird dieses durch die Kapillarwirkung der Dochte 6, die in die Kondensat sammelz onen. 10 eintauchen,, der Kapillarschicht 6 in den Windungen der Induktionsspule 1 wieder zugeführt^ die diese radial in der Windung verteilte

Die Innenschichthülse 5 dient zum Schutz gegen äußere mechanische Beschädigung der Innenmanschette 4.

Claims (1)

1. Ansprüche

   Kühlbare Induktionsspule nach dem Prinzip: des. Wärmerohres dadurch, gekennzeichnet _Ψ

   daß eine an sich bekannte Induktionsspule aus Hohlprofil— Windungen teilweise oder ganz mit einer Kapillarschicht ausgekleidet eine oder mehrere Windungen zusammen eine Verdampfungszone eines Yförmerohres bilden»

   Kühlbare Induktionsspule nach dem Prinzip des Wärmerohres nach Punkt ί

   dadurch gekennzeichnet _r

   daß die ffohlprofil-Windungen untereinander mit einer thermischen und elektrischen Isolierung mechanisch verbunden sind.

   Kühlbare Induktionsspule 1 nach dem Prinzip des: 7/ärmerohre nach Punkt Γ

   dadurch gekennzeichnet.

   daß eine Innenmanschette aus anorganischen Polymeren mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit _t insbesondere aus Muminium-Silikatoxid-Fasern angewendet wird.

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