DE102014002662A1

DE102014002662A1 - Vorrichtung zur Induktionsheizung für Wohngebäude

Info

Publication number: DE102014002662A1
Application number: DE102014002662.0A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2015-08-27

Abstract

Für die Wassererwärmung in der Heizungsanlage wird ein Elektromagnet eingesetzt, der aus einem weichen Eisenkern besteht, auf dem Spulen mit kapazitiven Doppelwicklungen gewickelt sind und um den gesamten Spulen ist ein metallischer Wasserbehälter angeordnet. Die kapazitiven Spulen werden mit Hochfrequenzstrom bestromt und zwar so, dass die Spulen an einem Frequenzgenerator angeschlossen sind. Durch die Spulen fließt kapazitiver Blindstrom, der gemäß dem Biot-Savartschen Gesetz magnetische Feldstärke erzeugt. Die Wassererwärmung findet in dem metallischen Wasserbehälter statt und zwar so, dass in den Wänden des elektrisch leitenden Wasserbehälters oszillierende Wirbelströme erzeugt werden. Das ist die induktive Erwärmung, welche an die Heizungsanlage übertragen wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromagnet mit kapazitiven Wicklungen, die mit Blindstrom bestromt werden und einem Wasserbehälter, der um die Wicklungen angeordnet ist, zur Wassererwärmung in einer Heizungsanlage gemäß Oberbegriff des Patentanspruchanspruches 1.
Für die Wassererwärmung in der Heizungsanlage wird ein Elektromagnet eingesetzt, der aus einem weichen Eisenkern besteht, auf dem Spulen mit kapazitiven Doppelwicklungen gewickelt sind und um den gesamten Spulen ist ein metallischer Wasserbehälter angeordnet. Die kapazitiven Spulen werden mit Hochfrequenzstrom bestromt und zwar so, dass die Spulen an einem Frequenzgenerator angeschlossen sind. Durch die Spulen fließt kapazitiver Blindstrom, der gemäß dem Biot-Savartschen Gesetz magnetische Feldstärke erzeugt. Die Wassererwärmung findet in dem metallischen Wasserbehälter statt und zwar so, dass in den Wänden des elektrisch leitenden Wasserbehälters oszillierende Wirbelströme erzeugt werden. Das ist die induktive Erwärmung, welche an die Heizungsanlage übertragen wird.
Gemäß dem Stand der Technik ist die Vorrichtung zur Induktionsheizung für Wohngebäude unbekannt. Im Stand der Technik ist die Induktionserwärmung in der Technik zur Aufheizung von Metallen, wie Stangen, Blöcken, Bolzen zu Wärmungsformen oder Walzen, wohl bekannt und wirtschaftlich eingesetzt. Die Erwärmungsformentemparatur ist für die verschiedenen Werkstoffe unterschiedlich, z. B., für Stahl zwischen 800°C und 1.250°C, für Aluminium zwischen 400°C und 550°C und für Kupfer zwischen 850°C und 950°C.
Für solche Temperaturen werden die Induktionsspulen mit oszillierendem Strom bei 1 kHz Frequenz bestromt. Stromfrequenzen bis 10 kHz sind in großen Anlagen für schnelle Erwärmung von großen Stahlblöcken im Einsatz. Im Stand der Technik ist Induktionskochen für Lebensmittel wohl bekannt. Von einer Induktionsspule wird eine elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz von 25 kHz ausgesendet. Im Boden des Kochgeschirrs wird die Energie in Wärme umgesetzt. In der Metallmasse entstehende Wirbelströme rufen in dem Material eine Erwärmung hervor.
Die genannte Induktionserwärmung hat große wirtschaftliche Bedeutung. Das Defizit dieser Verfahren und Vorrichtungen liegt im Bereich des enorm großen Energieverbrauchs. Der Wirkungsgrad ist niedrig. Das ist der Grund, warum jene Verfahren und Vorrichtungen als Heizung in Büro- und Wohngebäuden nicht eingesetzt wurden.
Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Heizung für Wohngebäude zu schaffen, die mit einem wesentlich höheren Wirkungsgrad als alle bisherigen haustechnischen Systeme, in der Wirtschaft einsetzbar ist und dies zu wesentlich günstigeren Kosten ermöglicht wird und dass die Vorrichtung keinen großen Aufwand verlangt sowie günstig zu warten ist.
Die Vorrichtung zur Durchführung dieser Aufgabe besteht aus einem Elektromagnet, auf dessen Kern eine Mehrzahl von Feldspulen mit kapazitiver Doppelwicklung gewickelt sind und um den Spulen ein metallischer Wasserbehälter angeordnet ist, in dem Heizungswasser fließt. Von den Spulen wird radial in die Wände des Wasserbehälters ein oszillierendes magnetisches Streufeld ausgestrahlt, wodurch die entstehenden Wirbelströme den Metallbehälter erwärmen und somit auch das fließende Heizungswasser. Die kapazitiven Feldspulen werden mit Hochfrequenz-Blindstrom bestromt. Die Feldspulen sind an einem Hochfrequenzgenerator angeschlossen. Wesentlich ist, dass der Hochfrequenzstrom im Verhältnis zur oszillierenden Spannung mit großer Phasenverschiebung, d. h., mit einem sehr niedrigen cos φ durch die Feldspulen fließt. Dieser Strom ist als Blindstrom bekannt.
Der metallische Wasserbehälter ist durch Wasserleitungen an die Heizungsanlage angeschlossen. Das erwärmte Heizungswasser wird in bekannter Art und Weise mittels einer Pumpe durch die Heizkörper gepumpt.
Die neue Vorrichtung wird zu ihrer Durchführung nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeipielen näher erläutert.
Es zeigt schematisch
1 im Teil in Seitenansicht und im Teil im Querschnitt ein Elektromagnet mit vier Feldspulen und einem zylindrischen Wasserbehälter und isolierende Wärmedämmung sowie Zufluss 31 und Abfluss 32. für das Heizungswasser.
2 in Seitenansicht einen Elektromagnet mit vier Feldspulen und einem kapazitiven elektrischen Schaltkreis angeschlossen an einem Frequenzgenerator.
Das Grundprinzip der vorliegenden Vorrichtung ist in 1 veranschaulicht. Die Heizungswassererwärmung findet in einem zylindrischen Wasserbehälter 26 statt, der um Magnetkern 21 und Feldspulen 22, 23, 24, 25 angeordnet ist.
Alle Feldspulen 22, 23, 24, 25 sind durch elektrische Anschlüsse 27, 28, 2, an Frequenzgenerator 29 angeschlossen. Alle elektrischen Kondensatoren 30, sind gemäß dem Stand der Technik an den Feldspulen 22, 23, 24, 25 angeschlossen. Der gesamte elektrische Schaltkreis ist in 2 übersichtlich dargestellt.
Es ist von wichtiger Bedeutung, dass alle Feldspulen mit der gleichartigen Polarität gegeneinander orientiert sind, was in 1 mit den Symbolen N-S veranschaulicht ist. Mit jeder halben Periode des oszillierenden elektrischen Stromes in Feldspulen 22, 23, 24, 25 wird die Richtung des Magnetfeldes geändert, wobei die magnetische Polarität immer gegeneinander gerichtet ist. Ein so entstehendes magnetisches Streufeld fließt von allen Spulen 22, 23, 24, 25 durch die metallischen Wände des Wasserbehälters 26 und die entstehenden elektrischen Wirbelströme erwärmen die ganze Masse des Wasserbehälters. Die Energie von den Wirbelströmen wird in Wärme umgesetzt und an das Heizungswasser übertragen.
Durch Zufluss 31, in 1, fließt das Heizungswasser in den Wasserbehälter 26 und durch Abfluss 32 fließt das Heizungswasser in die Heizungsanlage. Dieser Heizungswasserkreislauf ist im Stand der Technik wohl bekannt. Zischen Feldspulen 22, 23, 24, 25 und Wasserbehälter 26 ist wärmeisolierendes Material 33 angeordnet.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung wird mit elektrischem Blindstrom betrieben. In der Heizungstechnik ist ein solches Verfahren unbekannt. In der Weltwirtschaft hat eine solche Erfindung enorme Bedeutung. Die Energiebilanz ist mit den nachstehenden mathematischen Gleichungen leicht zu verstehen: i = v(2π·f·C) [1] VA + W = V²(2π·f·C) [2] W = [V²(2π·f·C]cosφ [3]
Symbole in Gleichungen [1, 2, 3]

i: = kapazitiver Blindstrom
V: = elektrische Spannung an Kondensator 30
π: = Ludolfsche Zahl
f: = Freuquenz des Stromes und der Spannung
C: = Gesamtkapazität von allen Kondensatoren 30
cosφ: = Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom

Mittels Gleichung [1] ist der kapazitive Blindstrom, der als Verschiebungsstrom in allen Kondensatoren 30 fließt, errechenbar. Es gehört zum fundamentalen Wissen, dass fließender Verschiebungsstrom in elektrischen Kondensatoren keine elektrische Energie verbraucht.
Mit Gleichung [2] ist die Blindleistung VA zusammen mit der Wirkleistung W, die in Induktionsspulen 22, 23, 24, 25 geleistet wird, ebenfalls leicht kalkulierbar.
Mittels Gleichung [3] ist die Wirkleistung W, die in den Induktionsspulen vorhanden ist, ebenso leicht errechenbar. Die Wirkleistung W in den genannten Induktionsspulen resultiert von der Ohmschen Last, die in dem Kupferdraht vorhanden ist. Diese Wirkleistung ist minimal, was Gleichung [3] klar definiert. Ein numerisches Beispiel veranschaulicht die Energiebilanz von einer kleinen Heizungsanlage:

i = 57 A
V = 76 V
f = 500 Hz
C = 240 μF
cosφ = 0,092

Gemäß Gleichung [2] VA + W = 4.355
Gemäß Gleichung [3] W = 400
Eine so konstruierte experimentelle Einheit ist für 5.000 VA Blindleistung konzipiert. Größere Einheiten werden gemäß den gleichen physikalischen Regeln gebaut und die technischen Daten sind mit dem Vergrößerungsfaktor zu multiplizieren. Anstelle des Wasserbehälters 26 ist eine Spirale aus Kupfer einsetzbar.
Es ist vorgesehen, dass die Einheiten im wirtschaftlichen Einsatz im Bereich von 15.000 VA betrieben werden. Diese Leistung kann man mit allen Parametern einstellen, die in Gleichung [2] angeben sind. Eine derartige wirtschaftliche Leistung ist nur deshalb möglich, weil die Vorrichtung gemäß der Erfindung mit kapazitivem Blindstrom betrieben wird. Die Betriebskosten im Vergleich zum Stand der Technik liegen nur bei 10%. Die wirtschaftlichen und umweltschonenden Vorteile der hier beschriebenen Erfindung sind enorm groß.

Claims

Vorrichtung zur Induktionsheizung von Wohngebäuden dadurch gekennzeichnet, dass an einem Magnetkern (21) aus weichem magnetischen Material eine Mehrzahl von Feldspulen (22, 23 24, 25) angeordnet ist, die mit kapazitiver Wicklung gewickelt sind und mit oszillierendem elektrischen Blindstrom bestromt werden und um alle Spulen (22, 23, 24, 25) ein metallischer Wasserbehälter (26) angeordnet ist und in dem Heizungswasserkreislauf durch Zufluss (31) und Abfluss (32) angeschlossen ist und zwischen dem metallischen Wasserbehälter (26) und den Feldspulen (22, 23, 24, 25) wärmedämmendes Material (33) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass alle Feldspulen (22, 23, 24, 25) elektrisch so geschaltet sind, sodass jede zu ihrer benachbarten Spule mit gleichartiger magnetischer Polarität gegeneinanger orientiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Heizungswasser in einem metallischen Rohr, das um die Feldspule (22, 23, 24, 25) spiralenartig gewickelt ist, fließt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass alle Feldspulen (22, 23, 24, 25) elektrisch parallel an Frequenzgenerator (29) durch Anschlüsse (27, 28) angeschlossen sind.