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Die Erfindung betrifft ein Verfahren für eine elektromagnetische Behandlung eines in einem Rohr strömenden Fluids in einem elektromagnetischen Feld wenigstens einer das Rohr umschlingenden Spule.
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Neben der Demineralisierung von Fluiden, insbesondere der Entkalkung von Wasser, in dem elektrischen Feld eines Plattenkondensators, bspw. gem.
DE 198 32 822 A1 , sind Vorrichtungen bekannt, bei denen um ein Rohr einer Fluidleitung, insbesondere aus einem Metall, eine Spule gewickelt ist. An eine solche Spule wird eine elektrische Wechselspannung angeschlossen, die für den Aufbau eines elektromagnetischen Feldes im Umfeld der Spule sorgt. Dabei verlaufen die Feldlinien des elektromagnetischen Feldes bei schlanken Spulen, deren Durchmesser gegenüber ihrer axialen Länge klein ist, im wesentlichen parallel zu der Erstreckung des Rohres und erfolgt durch das elektromagnetische Feld der Spule die Behandlung des das Rohr und die Spule durchströmenden Fluids.
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Die bekannten Vorrichtungen und Verfahren für die Behandlung von Fluiden und insbesondere Wasser in dem elektromagnetischen Feld einer Spule sind für Rohre kleinen Durchmessers und eines geringen Massendurchsatzes, beispielsweise für die Fluidversorgung eines Einfamilienhauses oder dergleichen, durchaus geeignet.
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Für Rohre größerer Nennweiten, wie sie in der Abwassertechnik Verwendung finden, beispielsweise mit Durchmessern von mehr als 40 cm, die einen entsprechend großen Massendurchsatz erlauben, haben sie sich aber als wenig effizient erwiesen. Das Feld der auf ein solches Rohr großer Nennweite aufgebrachten Spule, deren Feldlinien bei Erregung im wesentlichen parallel zu dem Rohr verlaufen, ist bei derartigen Spulendurchmessern weitgehend wirkungslos auf das durchströmende Fluid. Dies gilt auch dann, wenn der elektrische Spulenstrom sehr groß ist, der bei derartigen Geometrien dann lediglich zunehmend Verluste in Form von Wärme generiert.
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Vor diesem technischen Hintergrund macht die Erfindung es sich zur Aufgabe, ein energetisch günstiges und doch wirksames Verfahren der eingangs genanten Art für eine elektromagnetische Behandlung von Fluiden wie insbesondere Wasser oder Abwässer zur Verfügung zu stellen, das für Rohre großer und insbesondere auch unterschiedlicher Durchmesser mit unterschiedlichen Spulengeometrien gleichermaßen gut geeignet ist.
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Gelöst wird diese technische Problematik bei einem Verfahren für eine elektromagnetische Behandlung eines in einem Rohr strömenden Fluids in einem elektromagnetischen Feld wenigstens einer das Rohr umschlingenden Spule gemäß des Anspruchs 1 durch die Maßnahme, dass die Polarität der an der Spule anliegenden Spannung von einem Mikrocontroller gesteuert mit einer veränderlichen, zufälligen Frequenz umgeschaltet wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt ein starker Energieeintrag von außen in das Fluid durch magnetische Wechselfelder, hervorgerufen durch ihre Polarität schnell wechselnde Spannungsimpulse an der Spule, durch die wohl eine Keimbildung für eine Kristallisation erfolgt. Infolgedessen bilden sich in dem Fluid zahlreiche mikroskopisch kleine Kristalle, an deren Oberflächen sich gelöste Mineralien anlagern können. Diese kleinen Kristalle werden in dem Fluid mitgeführt und es bilden sich kaum mehr bspw. Kalkablagerungen. Dabei bleibt im Übrigen die Qualität des Fluids unverändert erhalten.
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Für die Kristallkeimbildung sind möglichst schnelle Änderungen des magnetischen Feldes über der Zeit notwendig. Entsprechend ist die zeitliche Stromänderung in der Spule vergleichsweise groß, was durch das insbesondere schnelle Umschalten der Polarität der an der Spule anliegenden Versorgungsspannung erreicht wird.
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Darüber hinaus hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn das magnetische Wechselfeld keine feste Frequenz aufweist, sondern eine veränderliche, zufällige Frequenz. Tests haben dabei ergeben, dass ein Frequenzbereich von 50 Hz bis 4000 Hz für eine Kristallkeimbildung günstig ist.
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Eine weitere Vorgabe für eine Optimierung der Kristallkeimbildung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die magnetische Feldstärke, deren Spitzenwerte mit anwachsendem Rohrdurchmesser in der Rohrmitte zwischen 5 mT und 52 mT liegen sollten, vorzugsweise über 13 mT.
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Unter Berücksichtigung dieser vorgegebenen Werte lässt sich die Spulengeometrie und/oder unter Berücksichtigung der zulässigen Verlustleistung und der daraus resultierenden Erwärmung der Strom in der Spule ermitteln. So folgt beispielsweise für ein Rohr mit einem Durchmesser von 25 mm belegt mit einer Spule mit 190 Windungen ein Spitzenstrom von ca. 3 A bei einer Feldstärke von ca. 5 mT in der Rohrmitte.
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Um solche Stromstärken sicher zu beherrschen, wird der Mikrocontroller nicht selbst die Speisespannung der Spule schalten, sondern wird eine Leistungsendstufe von dem Mikrocontroller angesteuert, vorzugsweise in einer H-Brückenschaltung. Diese kann prinzipiell einfach gehalten werden, mit vier eine Versorgungsgleichspannung schaltenden elektronischen Schaltern, die jeweils mit einer Freilaufdiode parallel geschaltet sind. Jeweils zwei der elektronischen Schalter sind in Reihe und die beiden Reihen parallel geschaltet. Die elektronischen Schalter werden dann über die Diagonale geöffnet bzw. geschlossen, um die dazwischenliegende Spule mit einer Speisespannung zu beaufschlagen. Als elektronische Schalter können nahezu beliebige elektronische Leistungsschalter Verwendung finden, die die entsprechenden Ströme bei den vorgegebenen Frequenzen schalten können. Insbesondere wird dabei an eine Verwendung von MOSFET's gedacht.
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Eine solche Leistungsendstufe schaltet lediglich die Polarität der an einem Verbraucher anliegenden Versorgungsgleichspannung um, hier die an der Spule anliegende. Eine entsprechende Ansteuerung der elektronischen Schalter über die Zeit bestimmt dann eine mittlere Speisespannung und damit den zeitlichen Verlauf des Spulenstroms. Nach der Erfindung wird für eine Ansteuerung der Leistungsendstufe zweckmäßigerweise ein Mikrocontroller Verwendung finden, der ein Modul für eine Pulsweitenmodulation aufweist.
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Dabei wird ein Tastverhältnis der Einschaltzeit zur Periodendauer von λ = ton(ton + toff)–1 = 0,5 bevorzugt. Damit ergibt sich ein arithmetischer Mittelwert der Spannung an der Spule von 0 V bei einer größtmöglichen Änderung des Spulenstroms di/dt, was wohl eine optimale Bedingung für die Bildung von Kristallkeimen im Fluid darstellt.
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Die Verwendung eines Mikrocontrollers bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erlaubt es ferner, für eine Fehlerdiagnose bzw. eine Fehlermeldung den Spulenstrom und die Spulenspannung zu vermessen. Fließt beispielsweise kein Spulenstrom, so kann von einem Kabelbruch ausgegangen werden. Ist der Spulenstrom zu groß, kann u. a. ein Windungsschluss vorliegen.
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Mikrocontroller verfügen darüber hinaus über Taktgeber, gegebenenfalls über Echtzeit-Uhrenmodule oder dergleichen, so dass vergleichsweise einfach das Erfassen der Betriebsstunden möglich ist. Für eine Anzeige derartiger Fehler oder der Betriebsstunden kann darüber hinaus eine Schnittstelle zu einem Computer vorgesehen sein, bspw. nach einem USB-Standard, oder, alternativ oder zusätzlich, Displays, die bspw. in einem die elektrischen Schaltungen aufnehmenden Gehäuse eingelassen sind.
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Das Messen des Spulenstroms und der Spulenspannung hat weiter den Vorteil, dass mit einer Initialisierung des Mikrocontrollers eine Messroutine gestartet werden kann, bei der in einem ersten Schritt bei einer maximal zulässigen Frequenz der Spulenstrom gemessen wird, dass nach dem Vermessen des Spulenstroms die Frequenz verringert wird und der Spulenstrom erneut vermessen wird, welcher Schritt so oft wiederholt wird, bis bei einer minimalen Frequenz der maximal zulässige Spulenstrom erreicht ist.
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Es erlauben diese Maßnahmen das Betreiben unterschiedlichster Spulen mit ein und derselben Vorrichtung. Die maximal zulässige Frequenz wird vorgegeben. Bei dieser maximal zulässigen Frequenz weist der Spulenstrom ein Minimum auf. Eine Beschädigung der Spule ist damit zu Beginn der Routine sicher ausgeschlossen.
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Mit einem Verringern der Frequenz steigt der Spulenstrom an und wird dieser Verfahrensschritt so oft wiederholt, bis der maximal zulässige Spulenstrom erreicht wird. Damit ist eine minimale Frequenz festgelegt. Bei einer Beaufschlagung der Spule mit einer Spannung einer Frequenz zwischen der minimal und der maximal zulässigen Frequenz ist während des normalen Betriebs eine Beschädigung einer Spule ausgeschlossen.
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Aus diesem so aufgefundenen Intervall wird weiter die Frequenz der Pulsweitenmodulation von Periode zu Periode zufällig ausgewählt. Entsprechend wird die Leistungsendstufe angesteuert und durch diese die Spule mit einer schnell die Polarität wechselnden Speisegleichspannung beaufschlagt. Eine derartige zufällige Auswahl der Frequenz kann erreicht werden, indem beispielsweise diskret abgespeicherte Frequenzen aus diesem Intervall per Zufallszahl ausgewählt werden. Vielfältige weitere Möglichkeiten der Frequenzauswahl bieten sich an, beispielsweise die Multiplikation oder die Addition/Subtraktion einer Zufallszahl, um eine Frequenz von Periode zu Periode auszuwählen.
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Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat es sich weiter als zweckmäßig erwiesen, wenn vorgesehen wird, dass Paare von gleichartigen Spulen vorgesehen sind, die jeweils in Reihe geschaltet sind und deren Abstand in Längserstreckung des Rohrs insbesondere aus einem nichtmagnetischen Werkstoff, bspw. einem amagnetischen Edelstahl oder einem Kunststoff, größer bemessen ist als die axiale Spulenlänge.
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Zunächst erlauben schlanke, zylindrische Spulen, bei denen das Verhältnis des Durchmessers zur Länge klein ist, vereinfachte Feldberechnungen durch Näherungsformeln, die um so genauer sind, je kleiner das Verhältnis ist. Insbesondere wird durch die große axiale Spulenlänge bzw. durch die Anordnung von einem bis hin zu beliebig vielen Paaren von gleichartigen Spulen auf dem Rohr eine vergleichsweise lange Verweildauer des durchfließenden Fluids in dem magnetischen Feld bzw. magnetischen Feldern erreicht, so das bei entsprechend hohen Frequenzen der Pulsweitenmodulation Magnetfelder unterschiedlichster magnetischer Feldstärken durchströmt werden.
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Das Wesen der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, in der lediglich exemplarisch und schematisch in
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1: ein Induktionsrohr mit zwei Paaren von Spulen dargestellt ist, in
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2: das magnetische Feld einer ein Rohr umschlingenden, schlanken Spule und in
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3: eine Leistungsendstufe.
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1 zeigt ein Rohr 1, insbesondere aus einem Edelstahl, das mit zwei Paaren von jeweils zwei Spulen 2, 3; 4, 5 versehen ist. Jeweils zwei Spulen 2, 3; 4, 5 eines Spulenpaares sind in Reihe geschaltet, angedeutet durch Verbindungskabel 6, 7.
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Ist die Leistungsendstufe ausreichend bemessen, werden die beiden Paare von Spulen 2, 3 und 4, 5 in Reihe geschaltet sein. Alternativ besteht die Möglichkeit, jeweils beide Spulenpaare mit Spulen 2, 3 bzw. 4, 5 für sich mit einer Speisespannung, wie eingangs erläutert, zu beaufschlagen.
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Zweckmäßigerweise wird ein solches Rohr 1 mit Spulen 2–5 werksseitig gefertigt und können endseitig des Rohres 1 übliche Anschlüsse für beispielsweise die Rohre einer Fluidleitung vorgesehen werden. Grundsätzlich ist es allerdings auch möglich, Spulen in situ auf einem Rohr einer fest installierten Fluidleitung händisch zu wickeln.
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1 zeigt weiter auf, dass die Spulen 2–5 von vergleichsweiser schlanker, zylindrischer Geometrie sind. Aufgrund dieser Maßnahme verlaufen die Feldlinien eines von einer Spule 8 erzeugten Feldes gemäß 2 in der Mitte des Rohrs 9 vergleichsweise parallel und konzentriert.
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Insbesondere erlaubt jedoch eine schlanke, zylindrische Spule
8 eine einfache Berechnung der magnetischen Feldstärke B aus der Näherungsformel
mit der Windungszahl N der Spule, dem Spulenstrom I in Ampere, der Länge L der Spule in Meter, dem Durchmesser D der Spule in Meter sowie der magnetischen Feldkonstante μ
0 sowie der relativen Permeabilität μ
r ≈ 1 von Luft bzw. Fluid.
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Werden Spitzenwerte der magnetischen Feldstärke in einem Bereich von 5 mT und 10 mT in der Rohrmitte gefordert, ergibt sich für ein Rohr mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Spule mit 190 Windungen ein Spitzenstrom von 3 A bei einer relativen Permeabilität μr des Fluids bez. der Luft von etwa 1.
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Für größere Rohrdurchmesser kann die Spulengeometrie entsprechend angepasst werden.
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Wird ein Rohrdurchmesser von 25 mm bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 zugrunde gelegt, beträgt die axiale Länge der Spulen etwa 10 cm und der Spulenabstand etwa 18 cm. Eine entsprechend lange Verweildauer des das Rohr 1 durchströmenden Fluids in den Magnetfeldern der Spulen 2 bis 5 ist damit sichergestellt.
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Eine Leistungsendstufe 10 gemäß 3 in Form einer H-Brückenschaltung ist, bei entsprechender Auswahl der elektronischen Schalter V1 bis V4 durchaus geeignet, die Spulenpaare mit den Spulen 2, 3 bzw. 4, 5 in einer Reihenschaltung mit einer Speisespannung zu beaufschlagen, ersatzweise als ohmscher Widerstand R und induktive Last L dargestellt. Parallel zu jedem elektronischen Schalter V1 bis V4, vorzugsweise sehr schnell schaltenden MOSFET's, sind Freilaufdioden D1 bis D4 vorgesehen. Eine derartige H-Brückenschaltung schaltet die Versorgungsgleichspannung U0 mit wechselnder Polarität an eine Spule bzw. ein Spulenpaar, in dem die elektronischen Schalter V1, V4 bzw. V2, V3, diagonal gegenüberliegend öffnen bzw. schließen. Somit liegt an der Spule entweder die positive oder die negative Versorgungsspannung U0 an. Das Tastverhältnis λ beträgt dabei insbesondere 0,5, womit sich ein Mittelwert der Spannung an der Spule von 0 V ergibt bei einer größtmöglichen Stromänderung di/dt.
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Die Ansteuerung der elektronischen Schalter V1 bis V4 einer solchen Leistungsendstufe 10 erfolgt beispielsweise durch einen Mikrocontroller nach dem Pulsweitenmodulationsverfahren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rohr
- 2
- Spule
- 3
- Spule
- 4
- Spule
- 5
- Spule
- 6
- Verbindungskabel
- 7
- Verbindungskabel
- 8
- Spule
- 9
- Rohr
- 10
- Leistungsendstufe
- V1–V4
- Schalter
- D1–D4
- Freilaufdiode
- L
- Spuleninduktivität
- R
- Spulenwiderstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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