DE102021106783A1

DE102021106783A1 - Vorrichtung zur Erwärmung eines Stoffs, insbesondere eines Fluids

Info

Publication number: DE102021106783A1
Application number: DE102021106783.9A
Authority: DE
Inventors: Douglas Alexander Espin Altuve; Eric Alexander Espin Schindler
Original assignee: NEOTECHNOLOGY LLC
Current assignee: NEOTECHNOLOGY LLC
Priority date: 2020-03-20
Filing date: 2021-03-19
Publication date: 2021-09-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erwärmung eines Stoffs, insbesondere eines Fluids, die einen Hohlkörper (2) aufweist, in dem der Stoff zu erwärmen ist. Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung eine Einrichtung (4) zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfelds in dem Hohlkörper (2) auf und in dem Hohlkörper (2) sind Partikel (3) angeordnet, die unter Wechselwirkung mit dem magnetischen Wechselfeld zur Erwärmung des Stoffs Wärme erzeugen. In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Magnetfelderzeugungseinrichtung (4) einen elektrischen Leiter (6), vorzugsweise eine Spule, und ein Mittel (7) zum Anlegen einer Wechsel-spannung an den Leiter (6) auf. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die magnetischen oder magnetisierbaren Partikel (3) magnetische Kompositpartikel, die mindestens ein magnetisches oder magnetisierbares Objekt und einen Binderstoff umfassen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erwärmung eines Stoffs, insbesondere eines Fluids, die einen Hohlkörper aufweist, in dem der Stoff zu erwärmen ist.
Bei einer solchen durch Benutzung bekannten Vorrichtung wird Wasser mittels eines Heizwiderstands in einem Rohr erwärmt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine effizientere Erwärmung des Stoffs ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Vorrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfelds in dem Hohlkörper aufweist und in dem Hohlkörper Partikel angeordnet sind, die unter Wechselwirkung mit dem magnetischen Wechselfeld zur Erwärmung des Stoffs Wärme erzeugen.
Durch die Erzeugung eines geeigneten magnetischen Wechselfeldes lassen sich die Partikel gezielt erhitzen. Die Partikel geben ihre Wärme an den Stoff ab, der die Partikel umgibt. Die Erfindung erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn der Stoff ein Fluid ist, da das Fluid unter Wärmeübertragung entlang der Partikel strömen kann. Insbesondere wenn eine Vielzahl der Partikel in dem Hohlkörper angeordnet ist, besteht zwischen den Partikeln und dem Stoff eine vergleichsweise große Kontaktfläche, die eine besonders effiziente Erwärmung des Stoffs ermöglicht.
Da die Vorrichtung nicht viel Raum benötigt, kann sie im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen mit vergleichbarerer Wärmeleistung wesentlich kleiner ausgebildet werden.
Während des vorstellbar wäre, die Partikel aus einem, ggf. metallischen, Material zu bilden, das nur eine vergleichsweise geringe Wechselwirkung mit dem Magnetfeld aufweist, sind die Partikel in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus einem magnetischen oder magnetisierbaren Material gebildet.
Die magnetischen oder magnetisierbaren Partikel weisen zweckmäßigerweise einen Durchmesser zwischen 0,1 und 50 mm, vorzugsweise zwischen 0,3 und 10 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 3 mm, auf. Vorzugsweise bilden die Partikel ein körniges und/oder granulatartiges Material. Die Partikel können kugelförmig sein oder eine kugelartige Form aufweisen. Die Verwendung von Partikeln vergleichsweise kleinen Durchmessers haben den Vorteil, dass sie in ihrer Gesamtheit eine besonders große Oberfläche und damit eine besonders große Kontaktfläche zu dem zu erwärmenden Stoff, insbesondere dem Fluid, aufweisen, sodass eine besonders Wärme besonders effektiv auf den Stoff übertragen werden kann.
Die Partikel sind vorzugsweise aus einem Material gebildet, das zumindest eine Keramik und/oder zumindest ein Glas umfasst oder/und aus zumindest einer Keramik und/oder zumindest einem Glas besteht.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Partikel aus einem ferromagnetischen Material, vorzugsweise aus einem oder mehreren der Stoffe Eisen, Kobalt, Nickel, einer ferromagnetischen Legierung wie AINiCo, Ni₈₀FE₂₀, NiFeCo, oder/und einer magnetisierbaren eisenhaltigen Legierung gebildet.
Die Partikel können ferner magnetische Kompositpartikel, die mindestens ein magnetisches oder magnetisierbares Objekt und einen Binderstoff, vorzugsweise eine glasartige Binderphase, umfassen.
Zweckmäßigerweise ist das magnetische oder magnetisierbare Objekt aus einem ternären Eisenoxid aus der Klasse der Weichferrite gebildet. Das magnetische Objekt umfasst vorzugsweise ein ternäres Eisenoxid der Formel MFe₂O₄, wobei M ausgewählt ist aus der Gruppe Cr, Ga, Cd, Mg, Mn, Li, Ca, Ni, Co, Cu, Zn, Zr oder Fe(ll) Der Anteil der magnetischen Objekte beträgt im Verhältnis zur Binderphase gemessen nach Gew.-% zweckmäßigerweise zwischen 1:1 und 4:1.
Bei der glasartigen Binderphase kann es sich um eine beliebige glasbildende Zusammensetzung handeln, die mit den magnetischen Objekten kompatibel ist, d.h. die magnetischen Eigenschaften nicht z. B. durch die Bildung fester Lösungen zerstört.
Unter einer glasartigen Phase im Sinne der vorliegenden Erfindung wird ein siliziumhaltiges amorphes Material verstanden.
Die Phase kann weitere Materialien enthalten, z.B. B₂O₃ (0 - 30 Gew.-%), Al₂O₃ (0 - 20 Gew.-%), CaO (0 - 20 Gew.-%), BaO (0 -10 Gew.- %), K₂O (0 - 20 Gew.-%), Na₂O (0 - 70 Gew.-%), MgO (0 - 18 Gew.-%), Pb₂O₃ (0 - 15 Gew.-%). Die Phase kann also einen kleineren Anteil (0 - 5 Gew.-%) anderer Oxide enthalten, wie Mn₂O₃, TiO₂, As₂O₃, Fe₂O₃, CuO, CoO, etc.
Bei der glasartigen Binderphase kann es sich auch um eine übliche Einkomponenten- oder Mehrkomponenten-Glaszusammensetzung handeln. Solche sind beispielsweise aus DE 195 20 964 A1 bekannt. Geeignete Einkomponentensysteme sind z.B. SiO₂, TiO₂ und ZrO₂. Verwendbare Mehrkomponentensysteme sind z.B. Zweikomponentensysteme wie 70 - 90 Gew.-% SiO₂ / 10 - 30 Gew.-% BO₃; Dreikomponentensysteme wie PbO / B203 / SiO₂ und P₂O₅/B₂O₃/SiO₂; und Vierkomponentensysteme wie 65 - 92 Gew.-% PbO / 5 - 20 Gew.-% B₂O₃ / 2 - 10 Gew.- % SiO₂ / 1 - 5 Gew.-% ZnO. Weitere Beispiele für geeignete Glaszusammensetzungen sind bei C. J. Brinker, G. W. Scherer: „Sol-Gel Science - The Physics and Chemistry of Sol-Gel-Processing" , Academic Press, Boston, San Diego, New York, Sydney (1990) und in den DE 19 41 191 , DE 37 19 339 , DE 41 17 041 und DE 42 17 432 genannt.
Geeignete glasartige Binderphasen sind beispielsweise Kalk-Natrongläser (SiO₂ / CaO (0 - 20 Gew.-%) / Na₂O (0 - 70 Gew.-%)), wobei der Gehalt an Na₂O bevorzugt über 40 Gew.-% liegt.
Zweckmäßigerweise weisen die magnetischen Kompositpartikel, d.h. die magnetischen Objekte und die Binderphase eine geringe Porosität auf. Der Volumenanteil eventuell vorhandener Poren am gesamten Kompositpartikel sollte unter 30 %, besonders bevorzugt unterhalb von 20 % liegen.
Mit Vorteil enthalten die Kompositpartikel einen Anteil von über 40 Gew.-% an den magnetischen Objekten, bevorzugt einen Anteil von über 60 Gew.-%, z.B. zwischen 1:1 und 4:1, bevorzugt zwischen 1.5:1 und 3:1 (Gewichtsanteile magnetische Objekte: Binderphase). Ein Kompositpartikel umfasst bevorzugt mehrere magnetische Objekte.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Kompositpartikel mit einer Isolationsschicht beschichtet. Die Isolationsschicht weist vorzugsweise eine Dicke von mehr 0,5 µm auf. Die Isolationsschicht kann durch eine keramische oder eine glasartige Schicht oder eine Polymerschicht gebildet sein. Für die glasartige Schicht kann aus demselben Stoff gebildet sein wie oben für die glasartige Binderphase genannt. Zur Bildung der Polymerschicht eignen sich Kunststoffe mit hohem Erweichungs- oder Schmelzpunkt, z.B. PTFE.
Zweckmäßigerweise weist die Isolationsschicht keine oder eine nur geringe Porosität auf. Die Isolationsschicht ist vorzugsweise aus einem nicht-magnetischen und/oder nicht-magnetisierbaren Material gebildet.
In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Einrichtung zur Bewegung des Stoffs durch den Hohlkörper, vorzugsweise eine Pumpe zum Bewegen des Fluids.
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die magnetischen oder magnetisierbaren Partikel in dem Hohlkörper gehalten derart, dass sie bei Durchströmung des Hohlkörpers mit dem Fluid in dem Hohlkörper verbleiben. Dazu ist in oder an dem Hohlkörper zweckmäßigerweise ein Rückhaltemittel, vorzugsweise ein Filter, ein Gitter oder ein Lochblech, angeordnet sein. Zweckmäßigerweise ist der Raum in dem Hohlkörper, in dem die magnetischen oder magnetisierbaren Partikel angeordnet sind, durch das Rückhaltemittel begrenzt.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Hohlkörper durch einen Verbundwerkstoff gebildet. Zweckmäßigerweise umfasst der Verbundwerkstoff auf einer Innenseite und/oder einer Außenseite des Hohlkörpers, die dem zu erwärmenden Stoff zugewandt ist, ein Material zur thermischen Isolation. Zweckmäßigerweise weist das Isolationsmaterial eine Keramik auf.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Außenseite des Hohlkörpers durch einen Kunststoff, vorzugsweise durch einen Duroplasten oder einen Thermoplasten, gebildet. Zweckmäßigerweise wird ein Kunststoff gewählt, der bis zu relativ hohen Temperaturen, vorzugsweise bis zu 280 °C, stabil und nutzbar ist.
Vorteilhaft wird damit ein Hohlkörper geschaffen, der sich besonders gut für die mechanischen, elektrischen und thermischen Anforderungen, die durch die vorgesehene Anwendung gesetzt sind, eignet.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Hohlkörper ein Rohr. Das Rohr ist zweckmäßigerweise durch ein inneres und äußeres Rohr gebildet, die einen Verbundkörper bilden. Das innere Rohr ist zweckmäßigerweise durch das genannte Isolationsmaterial gebildet. Das äußere Rohr ist vorzugsweise durch den genannten Kunststoff gebildet.
Das Rohr kann durchlässig, insbesondere vollständig oder nahezu vollständig durchlässig, für elektromagnetische Strahlung, insbesondere Magnetfelder sein.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Hohlkörper aus einer Keramik, vorzugsweise aus Al₂O₃, gebildet. Dieser hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da das Material durchlässig für elektromagnetische Strahlung, insbesondere Magnetfelder ist und bei hohen Temperaturen, insbesondere zumindest bis 800 °C, verwendbar ist. Auf der Außenseite des keramischen Hohlkörpers kann eine Wärmeisolierung vorgesehen sein.
Ferner könnte der Hohlkörper aus glasfaserverstärktem Kunststoff gebildet sein.
Die Magnetfelderzeugungseinrichtung weist zweckmäßigerweise ein elektrisches Bauelement zur Magnetfelderzeugung auf. Sie umfasst bevorzugt einen elektrischen Leiter und vorzugsweise ein Mittel zum Anlegen einer Wechselspannung an den Leiter. In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Leiter entlang des Hohlkörpers, vorzugsweise an einer Außenseite des Hohlkörpers, angeordnet. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, den Leiter gewunden anzuordnen. Vorzugsweise umfasst der Leiter eine Spule, die um den Hohlkörper, insbesondere das Rohr, herum gewunden ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Magnetfelderzeugungseinrichtung zumindest zwei, ggf. koaxial angeordnete, Leiter auf. Zweckmäßigerweise ist ein an eine Seele des elektrischen Bauelements bildender elektrischer Leiter im inneren des Hohlkörpers angeordnet und dort von den Partikeln umgeben. Ein Außenleiter des elektrischen Bauelements ist zweckmäßigerweise auf einer Innenseite oder einer Außenseite des Hohlkörpers, insbesondere auf einer Innen- oder einer Außenseite des Rohrs, angeordnet. Der Außenleiter weist vorzugsweise eine zylindrische Form auf. Vorgesehen sein könnte, dass der Außenleiter durch eine Spule gebildet ist. Das Rohr könnte auch durch den Außenleiter gebildet sein. Es ist vorzugsweise thermisch und/oder elektrisch isoliert.
Zweckmäßigerweise weist die Vorrichtung ein Mittel zur Bestimmung der Temperatur des Fluids und/oder zumindest eines Bereichs der Vorrichtung, vorzugsweise des Hohlkörpers und/oder eines Hohlraums des Hohlkörpers, auf. Es versteht sich, dass die Temperatur der Vorrichtung auch auf ihrer, ggf. sichtbaren, Außenseite gemessen werden könnte. Das Temperaturbestimmungsmittel kann ein Temperatursensor, z.B. ein Thermoelement, ein Temperaturfühler, ggf. mit Schwingquarz, und/oder eine Wärmebildkamera sein.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Temperaturbestimmungsmittel dazu vorgesehen, die Temperatur in einem Fluidzuführbereich der Vorrichtung, in dem das Fluid in den Hohlkörper eintritt, und/oder in einem Fluidführbereich der Vorrichtung zu messen, in dem das Fluid aus dem Hohlkörper austritt. Zweckmäßigerweise ist das Temperaturbestimmungsmittel dazu eingerichtet, die Temperatur des Fluids vor und/oder beim Eintritt in den Hohlkörper und/oder bei oder nach Austritt aus dem Hohlkörper zu bestimmen. Dazu könnte beispielsweise ein Temperatursensor in einer zu dem Hohlkörper hin führenden und/oder einer von dem Hohlkörper weg führenden Leitung und/oder im Einlass und/oder im Auslass des Hohlkörpers angeordnet sein.
Ferner könnte die Temperatur, insbesondere die Außentemperatur der Vorrichtung, insbesondere des Hohlkörpers und/oder der Leitung, mittels des Temperaturbestimmungsmittels bestimmt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung eine Einrichtung zur Regelung- und/oder Steuerung der Temperatur des Fluids oder/und des Bereichs der Vorrichtung, vorzugsweise des Hohlkörpers und/oder des Hohlraums, unter Einstellung Magnetfelderzeugungseinrichtung. Zweckmäßigerweise wird bei der Regelung die Stärke des Magnetfelds und/oder die Frequenz der Magnetfeldänderung eingestellt. Vorzugsweise wird dazu eine Frequenz eingestellt, die Spannung und/oder die Stromstärke eingestellt, mit welcher die elektrische Leiter belegt wird.
Vorteilhaft kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Temperatur besonders genau und mit besonders großer Regelungsgeschwindigkeit geregelt werden. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann, wie oben bereits erläutert ist, aufgrund der großen Kontaktfläche zwischen den magnetischen oder magnetisierbaren Partikeln und dem Fluid nicht nur eine besonders schnelle und effiziente Erwärmung des Fluids erreicht werden, sondern auch besonders schnell eine Verringerung der Temperatur erreicht werden, wenn den magnetischen oder magnetisierbaren Partikeln weniger Energie zugeführt wird. Da die Wärme der Partikel aufgrund der großen Kontaktfläche besonders schnell an die Partikel abgegeben werden kann, hat die Vorrichtung eine sehr geringe Reaktionszeit zur Einstellung der Fluidtemperatur.
Zweckmäßigerweise ist der Hohlkörper mit einer das Fluid führenden Leitung unter Bildung einer Strömungsverbindung verbunden. Die Leitung kann einen Kreislauf bilden, innerhalb dessen der Hohlkörper angeordnet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung eine Einrichtung zur Kühlung der Magnetfelderzeugungseinrichtung, insbesondere des elektrischen Leiters auf. Eine solche Kühleinrichtung wird benötigt, da sich der elektrische Leiter bei der Belegung mit der Wechselspannung stark erhitzt.
Um die Vorrichtung sich besonders effizient zu betreiben, ist die Kühlungseinrichtung vorzugsweise dazu vorgesehen, bei der Kühlung aufgenommene Wärme auf die Leitung und/oder das darin strömende Fluid zu übertragen. Es versteht sich, dass eine derartige Wärmeübertragung mittels eines Wärmetauschers erfolgen kann.
Zweckmäßigerweise ist der elektrische Leiter ein Leiterrohr und wird zu seiner Kühlung von einem Kühlungsfluid durchflossen. Vorgesehen sein könnte, dass als das Kühlungsfluid das Fluid verwendet wird, das mit der Vorrichtung zu erhitzen ist. Dazu kann ein, beispielsweise über einen Bypass, das Fluid durch das Leiterrohr geleitet und nach Austritt aus dem Leiterrohr wieder der Leitung, welche mit dem Hohlkörper verbunden ist, zugeführt.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Vorrichtung Teil einer Heizung, der darin eine Wärmequelle bildet. Grundsätzlich ist die Vorrichtung für sämtliche Geräte oder Anlagen geeignet, bei denen bisher zur Erwärmung des Fluids eine Wärmequelle wie ein Heizwiderstand, ein Wärmetauscher o. dgl. vorgesehen worden ist. Die Vorrichtung kann bei diesen Geräten oder Anlagen die Wärmequelle ersetzen.
Es versteht sich, dass je nach Anwendung der Vorrichtung ein alternativer oder zusätzlicher Regelungsparameter für die Regelungs- und/oder Steuerungseinrichtung vorgesehen sein kann, der ggf. einen Bereich außerhalb der Vorrichtung betrifft.
Als besonders vorteilhaft hat sich die Erfindung erwiesen, wenn die Vorrichtung Teil einer Gebäudeheizung, insbesondere einer Zentralheizung oder einer Einzelheizung, ist. Sie kann auch Teil einer Fußbodenheizung sein. Aufgrund der großen Geschwindigkeit, mit welcher sich mittels der Vorrichtung Wasser erhitzen lässt, kann die Vorrichtung sogar als Durchlauferhitzer verwenden. Der genannte alternative oder zusätzliche Regelungsparameter könnte beispielsweise die Temperatur eines Raums in dem Gebäude sein, die zu regeln ist.
Als eine weitere Anwendung ist die Vorrichtung Teil eines Geräts, das eine Wärmequelle zur Erwärmung einer Fluids benötigt. Ein solches Gerät kann beispielsweise eine Waschmaschine, insbesondere für Textilien, oder eine Spülmaschine, insbesondere für Geschirr, sein.
Ferner kann die Vorrichtung eine Wärmequelle in einem Trocknungsgerät, beispielsweise einen Wäschetrockner oder einen Trocknungsofen, bilden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung Teil einer Produktionsanlage zur chemischen oder physikalischen Be- oder Verarbeitung von Stoffen. Die Vorrichtung kann in einer solchen Produktionsanlage zur Bereitstellung der bei der Be- oder Verarbeitung benötigten Wärme dienen.
Eine solche Anlage kann eine chemische Produktionsanlage sein, die zur Herbeiführung eines Ablaufs einer chemischen, ggf. katalytischen, Reaktion Wärme benötigt. Ein Beispiel dafür ist die Herstellung von Kunststoff oder Medikamenten oder jeweilig Bestandteile davon.
Vorteilhaft lässt sich die Vorrichtung zur Bereitstellung von Wärme ferner in Anlagen zur Lebensmittelherstellung verwenden, insbesondere zur Pasteurisierung von flüssigen oder viskosen Lebensmitteln, zur Herstellung von alkoholischen Produkten, insbesondere Getränken, und/oder zur Herstellung von Schokolade.
Eine weitere Anwendung für die Vorrichtung ist die Bereitstellung von Wärme in einem Öl- und/oder Gasbehandlungsprozess, insbesondere Erdöl- und/oder Erdgasbehandlungsprozess, und/oder Ölraffinerieprozess, insbesondere Erdölraffinerieprozess.
Zweckmäßigerweise wird die Vorrichtung zur Behandlung von Gas, insbesondere Erdgas, und/oder Öl, insbesondere Erdöl, Rohöl oder/und Schweröl, bei oder/und unmittelbar nach Entnahme aus einer Gas- und/oder Ölquelle, insbesondere einer Erdgas- und/oder Erdölquelle und/oder beim Transport des Gases und/oder Öls in einer Pipeline oder/und einem Transportbehälter verwendet. Dabei kann das Gas und/oder das Öl mittels der Vorrichtung auf eine erhöhte Temperatur gebracht oder/und auf der Temperatur gehalten werden, insbesondere um eine, z.B. für die Förderung, ausreichend geringe Viskosität zu erreichen oder/und um zu vermeiden, dass sich Gas- bzw. Ölbestandteile absetzten, verfestigen oder/und ausfallen.
Vorteilhaft lässt sich mit der Vorrichtung die Ausbildung und/oder Ablagerung von Asphaltenen oder Paraffinen vermeiden.
Ferner kann die Vorrichtung zur Dampferzeugung für die Förderung von Erdöl und/oder Erdgas, insbesondere bei der Anwendung von Wärmeverfahren, ggf. bei Sekundär- und/oder Tertiärförderung, verwendet werden. Dabei wird zum Dampffluten zweckmäßigerweise mittels der Vorrichtung erhitztes Wasser oder erzeugter Dampf in eine Erdöl- und/oder Erdgaslagerstätte eingebracht.
Ferner lässt sich die Vorrichtung zur Erwärmung von Pipelines verwenden, in denen Gas, z.B. brennbares Gas wie Erdgas, oder Flüssigkeiten, z.B. Erdöl oder Wasser, transportiert werden. Die Vorrichtung lässt sich auch zur Dampferzeug verwenden, indem zu verdampfendes Wasser mittels der Vorrichtung erhitzt wird.
Da der Hohlkörper und die Einrichtung zur Erzeugung des magnetischen Wechselfelds sowie die Partikel derart vorgesehen sind, dass sie hohen Temperaturen standhalten, kann die Vorrichtung zur Selbstreinigung vorgesehen sein. Dazu können die Partikel und gemeinsam damit der Hohlkörper erhitzt werden, wenn die Vorrichtung nicht mit zu erwärmenden Stoff gefüllt ist. Alternativ kann die Vorrichtung in gefülltem Zustand erhitzt werden, wobei der zu erwärmende Stoff beim Erhitzen vorzugsweise nicht mittels der Einrichtung zur Bewegung des Stoffs, insbesondere der genannten Pumpe, bewegt wird. Vorzugsweise wird auf mindestens 180 °C, besonders bevorzugt auf mindestens 200 °C, erhitzt. Verunreinigungen, die sich beim Betrieb der Vorrichtung möglicherweise in dem Hohlkörper, ggf. an den Partikeln, angeordnet haben, können so besonders stark erhitzt, ggf. verbrannt, so dass sie sich zersetzen, oder zumindest gelöst werden. Anschließend lassen sie sich besonders einfach entfernen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den beiliegenden Zeichnungen, die sich auf die Ausführungsbeispiele beziehen, näher erläutert. Es zeigen:

1 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
2 die Vorrichtung nach 1 in einer anderen schematischen Ansicht,
3 schematisch eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung und
4 schematisch ein Bauteil einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Eine in 1 dargestellte Vorrichtung 1 weist ein Rohr 2 auf, das mit magnetischen oder magnetisierbaren Partikeln 3 gefüllt ist und an dessen Enden Gitter 8 angeordnet sind, mittels der die Partikel 3 in dem Rohr 2 gehalten werden. Das Rohr 2 ist mittels zweier an seinen Enden angeordneter Rohrverbinder, z.B. mittels Flansche 5, mit einer Rohrleitung 11, die in 2 schematisch gezeigt sind, verbunden derart, dass ein Fluid von dem Rohr 2 in die Rohrleitung 11 strömen kann. Zur Bewegung des Fluids in der Rohrleitung 11 kann eine hier nicht dargestellte Pumpe vorgesehen sein.
Um das Rohr 2 herum ist eine Spule 6, die aus einem elektrisch leitenden Material gebildet ist, gewunden. Die Spule 6 ist mit einem Transformator 7 verbunden, mittels dessen sich die Spule 6 zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfelds im Inneren des Rohrs 2 mit einer elektrischen Wechselspannung belegen und sich die Frequenz und/oder die Größe der Stromstärke und/oder der Spannung einstellen lässt.
Die Spule 6 kann als Rohrspule gebildet sein, durch die zu ihrer Kühlung mittels einer Kühleinrichtung 10 Wasser geleitet wird.
Wie 2 zu entnehmen ist, weist die Vorrichtung 1 einen Temperatursensor 13 auf, der in dem Rohr 2 angeordnet ist, um die Temperatur im Rohrinneren zu messen. Der Temperatursensor 13 ist mit einer Regelungseinrichtung 9 verbunden, die den Transformator in Abhängigkeit von der mittels des Temperatursensors 13 ermittelten Temperatur einstellt, um die Temperatur in dem Rohr 2 zu regeln.
In einem Ausführungsbeispiel bildet die Vorrichtung 1 eine Wärmequelle für eine Heizungsanlage. In diesem Fall ist in dem Rohr 2 und der Rohrleitung 11 als das Fluid Wasser geführt. Ferner ist in der Rohrleitung zumindest ein Heizkörper 12 zur Abgabe der Wärme an einen Raum angeordnet. Es versteht sich, dass eine Vielzahl der Heizkörper 12, ggf. in mehreren Räumen vorgesehen sein könnte.
Die magnetischen oder magnetisierbaren Partikel 3 werden unter Wirkung des magnetischen Wechselfelds, das mittels der Spule 6 im Inneren des Rohrs 1 gebildet wird, erhitzt. Beim Durchströmen des Rohrs 2 wird das Wasser durch die magnetischen oder magnetisierbaren Partikel 3 erwärmt, indem diese Wärme an das Wasser abgeben. Das Wasser, das mittels der Vorrichtung 1 erwärmt wird, zirkuliert unter Wirkung der Pumpe 12 in der Rohrleitung 11 und gibt über den Heizkörper 12 Wärme an den Raum bzw. die Räume ab.
Die Regelungseinrichtung 9 regelt die Temperatur des Wassers in dem Rohr 2, indem die Temperatur mittels des Temperatursensors 13 gemessen und in Abhängigkeit von dem ermittelten Messwert die die Frequenz und/oder die Größe der Stromstärke und/oder der Spannung einstellt.
Die in den 1 und 2 gezeigte Vorrichtung kann alternativ dazu verwendet werden, in Geräten Flüssigkeit oder Gas zu erwärmen, wobei sich versteht, dass in diesem Fall nicht unbedingt der Heizköper 13 vorgesehen sein muss und dass die Leitung 11 nicht unbedingt einen Kreislauf bilden muss. Beispielsweise könnte die Vorrichtung zur Erhitzung von Wasser für eine Waschmaschine für Textilien oder eine Spülmaschine für Geschirr verwendet werden. Ferner lässt sich die Vorrichtung vorteilhaft als Wärmequelle für ein Trocknungsgerät, beispielsweise einen Wäschetrockner oder einen Trocknungsofen, verwenden.
Ferner könnte die Vorrichtung auch Teil einer Produktionsanlage zur chemischen oder physikalischen Be- oder Verarbeitung von Stoffen, einer Vorrichtung zur Bereitstellung von Wärme ferner in Anlagen zur Lebensmittelherstellung, insbesondere zur Pasteurisierung von flüssigen oder viskosen Lebensmitteln, zur Herstellung von alkoholischen Produkten, insbesondere Getränken, und/oder zur Herstellung von Schokolade sein.
In 3 ist eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung 1a gezeigt, die sich von der Vorrichtung 1 nach 1 dadurch unterscheidet, dass der Hohlkörper der Vorrichtung 1a anstatt durch das Rohr 2 durch eine hohlzylindrische Tonne 2a gebildet ist und eine Spule 6a um die Tonne 2a gewickelt ist. Die Tonne 2a weist eine verschließbare Öffnung zur Eingabe und Entnahme eines Stoffs auf, der in der Tonne 2a zu erhitzen ist.
Das Rohr 2 nach 1 und 2 bzw. die Tonne 2a kann durch einen Verbundstoff gebildet sein. Es weist dann auf seiner Innenseite ein keramisches Isolationsmaterial auf. Eine Außenseite des Rohrs kann durch einen Kunststoff, insbesondere einen Duroplasten oder einen Theromplasten, gebildet sein.
4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung 1b mit einem Hohlkörper schematisch im Schnitt. Der Hohlkörper weist ein Rohr 2b auf, das einen elektrischen Leiter bildet. Das Rohr 2b kann vollständig oder teilweise durch den elektrischen Leiter, z.B. Kupfer, gebildet sein. Auf einer Außenseite des Rohrs 2b kann ein Isolationsmaterial 15 angeordnet sein, das thermisch und/oder elektrisch isoliert. Mittig ist in dem Rohr 2b als Seele 16 eine weitere elektrische Leitung angeordnet.
Zwischen dem Rohr 2b, das einen Außenleiter bildet, und der Seele 16 sind magnetische oder magnetisierbare Partikel 3b angeordnet. Zur Erzeugung eines Magnetfelds und der dadurch hervorgerufenen Erhitzung der Partikel 3b wird zwischen dem Rohr 2b und der Seele 16 eine Wechselspannung angelegt.
Wie oben für die 1 und 2 erläutert, kann auch die in der 4 gezeigten Vorrichtung zur Erhitzung von Flüssigkeit oder Gas genutzt werden.
Die Vorrichtungen 1, 1a und 1b können so verwendet werden, dass sie sich selbst reinigen. Dazu kann die Vorrichtung 1, 1a, 1b entleert werden, d.h. das Gas bzw. die Flüssigkeit aus der Vorrichtung 1, 1a, 1b entfernt werden, und auf eine Temperatur erhitzt werden, bei der Verschmutzungen o. dgl. zersetzt oder verbrannt werden. Vorzugsweise wird auf mindestens 150 °C, bevorzugt mindestens 200 °C, erhitzt. Falls das Rohr 2,2a,2b kein temperaturempfindliches Material wie Kunststoff aufweist, kann auch auf Temperaturen > 200 °C, ggf. > 250 °C oder sogar > 300 °C erhitzt werden.
Die Selbstreinigung kann alternativ auch durchgeführt werden, wenn die Vorrichtung 1, 1a, 1b mit dem Gas oder der Flüssigkeit gefüllt ist. Auch im gefüllten Zustand ist es zweckmäßig auf eine derart hohe Temperatur zu erhitzen, dass sich Verschmutzungen lösen oder zersetzen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, bei der Durchführung der Selbstreinigung unter Erhitzung das Gas bzw. das Fluid nicht durch die Vorrichtung zu pumpen, um eine besonders schnelle Erhitzung der Vorrichtung zur Selbstreinigung zu ermöglich. Nach Durchführung der Selbstreinigung kann das Fluid bzw. das Gas wieder durch die genannte Pumpe bewegt werden. Durch die Selbstreinigung gelöste Verschmutzungen können dann durch den Gasstrom bzw. den Fluidstrom aus der Vorrichtung abtransportiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19520964 A1 [0016]
DE 1941191 [0016]
DE 3719339 [0016]
DE 4117041 [0016]
DE 4217432 [0016]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

C. J. Brinker, G. W. Scherer: „Sol-Gel Science - The Physics and Chemistry of Sol-Gel-Processing“ , Academic Press, Boston, San Diego, New York, Sydney (1990) [0016]

Claims

Vorrichtung zur Erwärmung eines Stoffs, insbesondere eines Fluids, die einen Hohlkörper (2) aufweist, in dem der Stoff zu erwärmen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Einrichtung (4) zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfelds in dem Hohlkörper (2) aufweist und in dem Hohlkörper (2) Partikel (3) angeordnet sind, die unter Wechselwirkung mit dem magnetischen Wechselfeld zur Erwärmung des Stoffs Wärme erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (3) magnetisches oder magnetisierbares Material aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen oder magnetisierbaren Partikel (3) aus einem ferromagnetischem Material, insbesondere aus Eisen, Kobalt oder Nickel, einer ferromagnetischen Legierung gebildet sind oder magnetische Kompositpartikel sind, die mindestens ein magnetisches oder magnetisierbares Objekt und eine Binderstoff umfassen, wobei die Kompositpartikel vorzugsweise einen Durchmesser zwischen 0,1 und 50 mm aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Objekt aus einem ternären Eisenoxid aus der Klasse der Weichferrite gebildet ist, wobei das magnetische Objekt vorzugsweise ein ternäres Eisenoxid der Formel MFe₂O₄ umfasst, wobei M ausgewählt ist aus der Gruppe Cr, Ga, Cd, Mg, Mn, Li, Ca, Ni, Co, Cu, Zn, Zr oder Fe(II).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (4) zumindest einen elektrischen Leiter (6), vorzugsweise eine Spule, und ein Mittel (7) zum Anlegen einer Wechselspannung an den Leiter (6) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (14) zumindest zwei Leiter (15, 16) aufweist, wobei einer der Leiter (15) die Partikel (3) umgibt und der andere Leiter (16) derart angeordnet ist, dass er von den Partikeln (3) umgeben ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (2), der vorzugsweise ein Rohr bildet, durch einen Verbundkörper gebildet ist, wobei vorzugsweise ein innerer Teil des Verbundkörpers durch eine Keramik und ein äußerer Teil des Verbundkörpers durch einen Kunststoff gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (9) zur Regelung- und/oder Steuerung der Temperatur des Stoffs oder/und des Bereichs der Vorrichtung (1), vorzugsweise des Hohlkörpers (2) und/oder des Hohlraums, unter Einstellung Magnetfelderzeugungseinrichtung (4).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dass der Hohlkörper (2) mit der Leitung (11), vorzugsweise eine Rohrleitung, für das Fluid unter Bildung einer Strömungsverbindung verbunden ist, wobei die Leitung (11) vorzugsweise einen Kreislauf bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (10) zur Kühlung der Magnetfelderzeugungseinrichtung (4), insbesondere des elektrischen Leiters (6), wobei die Kühlungseinrichtung (10) vorzugsweise dazu vorgesehen ist, bei der Kühlung aufgenommene Wärme auf die Leitung (11) und/oder das darin strömende Fluid zu übertragen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlungseinrichtung als Kühlungsmittel (9) ein Kühlungsfluid (10) umfasst und dass bei der Kühlung der Magnetfelderzeugungseinrichtung (4) das von dem elektrischen Leiter erwärmte Kühlungsfluid (10) dem in der Leitung (11) strömenden Fluid zugeführt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) Teil einer Gebäudeheizung, insbesondere einer Zentralheizung oder einer Einzelheizung, ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) Teil eines Geräts ist, das eine Wärmequelle zur Erwärmung einer Fluids benötigt, vorzugsweise einer Waschmaschine, insbesondere für Textilien, oder einer Spülmaschine, insbesondere für Geschirr.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) Teil einer Produktionsanlage zur chemischen oder physikalischen Be- oder/und Verarbeitung von Stoffen ist.
Verfahren zur Erwärmung eines Stoffs, insbesondere eines Fluids, bei dem der Stoff in einem Hohlkörper (2) erwärmt wird dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hohlkörper (2) Partikel (3) angeordnet werden, die unter Wechselwirkung mit dem magnetischen Wechselfeld Wärme erzeugen und die Partikel (3) mittels eines magnetischen Wechselfelds erhitzt werden, um den in dem Hohlkörper angeordneten Stoff zu erwärmen.