DE3811546A1 - Waerme-induktions-generator fuer ein heisses fluid - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärme-Induktions- Generator für heißes Fluid, in dem elektrische Energie ver­ braucht wird zur Erwärmung eines beliebigen wärmetranspor­ tierenden Fluids, wie z.B. Wasser oder Luft, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Generatoren vom Typ elektrischer Transformator weisen eine Primärwicklung auf, die vom elektrischen Netz­ strom gespeist wird und die über einen magnetischen Kreis mit einer Sekundärwicklung gekoppelt ist, die die doppelte Besonderheit aufweist sowohl rohrförmig als auch kurzge­ schlossen zu sein.

In der Sekundärwicklung zirkuliert ein wärmetransportieren­ des Fluid, das sich bei Berührung mit der Rohrwandung erwärmt, die wiederum von den dort induzierten Strömen erwärmt wird, welche der veränderbare magnetische Fluß induziert, der im magnetischen Kreis durch den elektrischen Strom der Primärwicklung erzeugt wird.

Derartige Induktionsgeneratoren sind z.B. in den Dokumen­ ten FR-B-5 27 697 oder EP-A-01 93 843 beschrieben.

Im Vergleich mit anderen bekannten elektrischen Heizgerä­ ten weisen derartige Wärme-Induktions-Generatoren insbeson­ dere hinsichtlich der Sicherheit für den Benutzer den Vor­ teil auf, den elektrischen Stromkreis (die Primärwicklung) vollständig vom Heizkreis zu trennen, der durch die Sekun­ därwicklung dargestellt wird.

Außerdem kann das den elektrischen Transformatoren eigene Übertragungsverhältnis dahingehend ausgenutzt werden, daß die Sekundärwicklung mit einer niedrigen Spannung betrie­ ben wird bei gleichzeitiger erhöhter Leistungsübertragung von der Primärwicklung sofern dies gewünscht wird.

Ein wesentlicher noch nicht vollständig aufgeklärter Aspekt besteht jedoch in der Regelung, die eine Dosierung der Erwärmung des Fluids gemäß den bestehenden Anforderun­ gen gewährleisten muß.

Das erste oben genannte Dokument (FR-B-5 27 697) schlägt zu diesem Zweck vor, sich eines Rheostaten zu bedienen, der in Serie mit der Sekundärwicklung geschaltet ist.

Das zweite oben genannte Dokument (EP-A-01 93 843) schlägt eine kompliziertere Lösung vor, für den elektrischen Wir­ kungsgrad der Vorrichtung, wonach die Sekundärwicklung mit in Kaskade gestalteten Thyristoren zu versehen ist, die eine Veränderung der Anzahl der kurzgeschlossenen Windun­ gen ermöglichen. Ein Thyristor pro Windung wirkt wie ein Ein-Aus-Ventil bezüglich dieser Windung. Die relativ kom­ plizierte Gesamtanordnung bildet demzufolge eine Vielzahl von elektronisch gesteuerten Unterbrechern, die nur eine schrittweise Steuerung, nicht jedoch eine kontinuierliche Steuerung der Erwärmung mittels Elementarsprüngen ermögli­ chen, entsprechend der Heizleistung einer Windung der Se­ kundärwicklung.

In diesem Dokument wird Bezug genommen auf eine ähnliche Vorrichtung, die aus dem Dokument GB-A-21 05 159 bekannt ist, in der die Steuerung mittels in der Primärwicklung angeordneter Thyristoren erfolgt. Eine derartige Ausführung bedingt, daß die Spannung in der Primärwicklung entspre­ chend gering gewählt ist, um mit der für die Thyristoren erträglichen Belastung kompatibel zu sein, wodurch die Leistung einer derartigen Vorrichtung beschränkt ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine einfache und verläßliche Lösung vorzuschlagen für eine kontinuierli­ che Regelung der Heizleistung, bei der die Nachteile der bekannten oben angeführten Vorschläge vermieden sind.

Ausgehend von einem Wärme-Induktions-Generator für heißes Fluid vom Typ elektrischer Transformator, mit einer Primär­ wicklung, die mit dem elektrischen Stromnetz verbindbar ist und die über einen magnetischen Kreis mit einer Sekun­ därwicklung gekoppelt ist, die aus einer kurzgeschlossenen rohrförmigen Schlange besteht, in der das zu erwärmende wärmetransportierende Fluid zirkuliert, wird zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen, daß eine Regelanordnung für die Heizleistung in der Primärwicklung vorgesehen ist, die aus einer sättigbaren Induktivität besteht, die in Serie mit der Primärwicklung geschaltet ist und aus einem Generator für Gleichstrom - oder gleichgerichtetem Strom - besteht, der die Induktivität derart steuert, daß der magnetische Zustand dessen magnetischen sättigbaren Kreises verändert wird.

Vorzugsweise ist der sättigbare magnetische Kreis geschlos­ sen. Vorteilhafterweise weist die sättigbare Induktivität einen magnetischen Kreis auf mit drei Schenkeln, wobei die Außenschenkel jeweils mit einer Leistungswicklung versehen sind, die parallel zueinander im Primärkreis angeordnet sind, während der Mittenschenkel mit einer Steuerwicklung versehen ist, die mit dem Gleichstromgenerator verbunden ist. Die Leistungswicklungen sind entgegengesetzt zueinan­ der gewickelt, so daß sie im Mittelschenkel symmetrische zu jedem Zeitpunkt entgegengesetzt zueinander gerichtete magnetomotorische Kräfte erzeugen.

Wie man sieht ist die erfindungsgemäße Regelung auf folgen­ dem Prinzip aufgebaut: Für eine gegebene Spannung an den Anschlüssen der Heizschlange ist der Strom der Sekundär­ wicklung eine Funktion der Kurzschlußspannung der Vorrich­ tung. Die momentane Heizleistung ist demzufolge direkt an die Stromintensität in der Sekundärwicklung gebunden. Ver­ ändert man nun die Spannung an den Anschlüssen der Primär­ wicklung, so verändert man entsprechend den Strom in der Sekundärwicklung und demzufolge die Heizleistung.

Zu diesem Zweck wird im Primärkreis eine elektromotorische Kraft induziert, aus derjenigen der Versorgungsquelle, die der letzteren entgegengerichtet ist und die derart verän­ derbar ist, daß für eine konstante Versorgungsspannung die Spannung an den Anschlüssen der Primärwicklung entspre­ chend verändert wird.

Diese variable, entgegengesetzte, elektromotorische Kraft wird durch eine sättigbare Induktivität erzeugt, dessen magnetische Permeabilität des Kerns im Leerlauf (d.h. bei fehlendem Strom in der Primärwicklung) vom angelegten mag­ netischen Feld abhängt und einen Gleichstrom oder gleichge­ richteten Strom erzeugt, dessen Intensität geregelt wird.

Demzufolge erfolgt die Regelung der Heizleistung vollstän­ dig statisch, d.h. ohne ein bewegtes Teil in der Vorrich­ tung. Die Intensität des Gleichstroms oder gleichgerichte­ ten Stroms zur Steuerung der sättigbaren Induktivität kann vorzugsweise mit einem Parameter der Heizsteuerung z.B. der Temperatur des Wassers nach dem Erwärmen oder derjeni­ gen des zu erwärmenden Behälters verbunden sein mittels eines Reglers, der entsprechend gesteuert wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Generators,

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Teils des in Fig. 1 dargestellten Generators mit der Regelanordnung für die Heizung und

Fig. 3 eine schematische Anordnung dreier Generatoren, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, in einer Vor­ richtung mit Drehstrom.

In Fig. 1 ist der herkömmliche Aufbau eines elektrischen Transformators dargestellt mit einer Primärwicklung 1, die mit einer Sekundärwicklung 2 über einen magnetischen Kreis 3 verbunden ist, auf dem alle beide gewickelt sind.

Die Primärwicklung 1 aus Kupfer oder Aluminium kann in eine Masse aus Epoxydharz 4 eingebettet sein, wie es für sogenannte Trockentransformatoren üblich ist, deren her­ kömmliche Kühlanordnung mittels Luftzirkulation nicht dar­ gestellt ist.

Die Sekundärwicklung 2 besteht aus einem Rohr, das vorteil­ hafterweise aus Metall besteht, da dieses die besten Eigen­ schaften bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit aufweist. Das Rohr 2 ist mit seinen En­ den mit einem Heizkreis bzw. Anwendungskreis verbunden, in dem ein wärmetransportierendes Fluid z.B. Wasser zirkuliert.

Das Rohr 2 ist in sich geschlossen durch die elektrische Verbindung, die die beiden Enden miteinander verbindet. Eine Erdung 6 für den Sekundärkreis ist jenseits der Ver­ bindung 5 aus Sicherheitsgründen vorgesehen.

Die Enden der Primärwicklung 1 sind mit einer Wechselstrom­ quelle 7 verbunden z.B. mit dem Netzstrom.

Wie die Figur ferner zeigt, ist mit 8 eine sättigbare In­ duktivität bezeichnet, die von einem Generator 9 für Gleichstrom Ic gesteuert wird und die in Serie mit der Wicklung 1 zwischen den Punkten A und B des Primärkreises geschaltet ist. Vorzugsweise ist eine Kapazität 19 parallel zur Induktivität 8 und zur Primärwicklung 1 vorge­ sehen, um den Winkel cos Φ der Anordnung zu verbessern. Mit 10 ist ein Schalter bezeichnet zum schnellen Abschal­ ten des Kreises.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer sättigbaren Induktivität 8 dargestellt. Diese Induktivität weist einen geschlossenen magnetischen Kreis 11 auf, der aus drei parallelen Schenkeln 12 a, 12 b, 12 c besteht, deren Enden miteinander über zwei geradlinige Jochbeine 13 a und 13 b verbunden sind.

Die Außenschenkel 12 a und 12 b dienen als Halterung für elektrische Leistungswicklungen 14 a und 14 b, die zwei parallele Zweige darstellen, die zwischen den Punkten A und B des Primärkreises angeordnet sind. Die Anzahl der Windungen der Wicklungen wird derart gewählt bei entgegen­ gesetzter Wicklungsrichtung, daß die magnetomotorischen Kräfte, die in den entsprechenden Schenkeln erzeugt werden zu jeder Zeit gleich große Intensität aufweisen, jedoch entgegengesetzt zueinander gerichtet sind, so daß ihre Summe im Mittenschenkel Null ist und zwar aus Symmetrie­ gründen.

Der Mittenschenkel 12 c weist eine Steuerwicklung 15 auf, die mit dem Generator 9 für den Gleichstrom Ic verbunden ist. Sie ist ferner mit einigen Kurzschlußwindungen 16 ver­ sehen, die mittels einer Selbstinduktion eine Rückkehr des magnetischen verbleibenden Flusses, der aus der Asymmetrie der entgegengesetzten magnetomotorischen Kräfte im Mitten­ schenkel resultiert, sofern Ic verschieden von Null ist, zum Gleichstromgenerator 9 verhindern.

Die Gleichstromwicklung 15 auf dem Mittenschenkel ermög­ licht es ein stationäres magnetisches Feld zu erzeugen, das den magnetischen Zustand der Außenschenkel 12 a und 12 b verändert und demzufolge bewirkt, daß der Leistungsstrom während einer Halbperiode schneller den Sättigungswert in einem der Schenkel erreicht, und, symmetrisch dazu, in der anderen Halbperiode ihn im anderen Schenkel schneller erreicht. Um diese größere Schnelligkeit des Erreichens des Sättigungsschwellwertes des magnetischen Kreises 11 zu gewährleisten, ist dieser in sich geschlossen.

Das bedeutet, daß wenn kein Gleichstrom zirkuliert (Ic = 0) die Selbstinduktion der Induktivität 8 einen Maximalwert aufweist (Eiseninduktion) und demzufolge die wirksame Spannung an den Anschlüssen der Primärwicklung 1 einen Minimalwert aufweist. Bei einem ausreichend großen Wert hingegen des Gleichstroms Ic, die zu einer Sättigung des magnetischen Kreises führt, erreicht die Selbstinduktion einen Minimalwert (Luftinduktion) und die wirksame Span­ nung an den Anschlüssen der Primärwicklung 1 erreicht einen Maximalwert. Zwischen diesen beiden Grenzwerten der Betriebsweise ermöglicht die Wahl der Intensität des Gleichstroms Ic eine Feinregelung der Intensität des Stro­ mes im Primärkreis und demzufolge der Amplitude der Wechselspannung an den Anschlüssen der Primärwicklung 1.

Für eine Vervollständigung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Wärme-Induktions-Generators sei erneut auf die Fig. 1 verwiesen. Da die Schlange 2 des Sekundär­ kreises kurzgeschlossen ist, fließt dort ein elektrischer Wechselstrom, der eine Wärmeerzeugung mittels des Joule-Ef­ fektes bewirkt, deren größter Teil durch das wärmetranspor­ tierende Fluid während dessen Durchlaufs von der Innenwand der Schlange aufgenommen und abgeführt wird. Diese Wärmeer­ zeugung hängt direkt von der Stromintensität in der Sekun­ därwicklung ab (als Quadrat der Intensität).

Diese Intensität ist wiederum eine Funktion der an den An­ schlüssen der Heizschlange 2 induzierten Spannung, die von der an den Anschlüssen der Primärwicklung 1 anliegenden Spannung abhängt, welche wiederum durch den Gleichstrom Ic steuerbar ist. Dies bedeutet, daß die Leistungsregelung der Vorrichtung durch eine Veränderung der Spannung an den Anschlüssen der Primärwicklung 1 mittels der sättigbaren Induktivität 8 erfolgt, die durch den Gleichstromgenerator 9 steuerbar ist.

Die Regelung kann leicht automatisiert werden z.B. mittels eines Reglers 18, der den Generator 9 derart steuert, daß dieser einen vorgegebenen Schwellwert entsprechend dem Ab­ stand der Temperatur zwischen einem Wert Vc und einem von einem Fühler 17 stammenden Wert nicht überschreitet, wobei letzterer die Temperatur des Wassers am Ausgang der Sekundärwicklung feststellt.

Es ist klar, daß die induzierte Spannung an den Anschlüs­ sen der Sekundärwicklung 2 vom Transformationsverhältnis abhängt, d.h. vom Verhältnis zwischen der Anzahl der die Heizschlange 2 bildenden Windungen und der induktiven Wicklung 1; dies bietet den Vorteil, daß zur Erzielung er­ höhter Heizleistungen die Anordnung in Richtung einer Span­ nungsverminderung verändert wird, indem eine größere An­ zahl von Primärwicklungen 1 vorgesehen wird und diese an eine Spannungsquelle 7 für hohe oder mittlere Spannung an­ geschlossen wird.

Damit lassen sich Heizgeneratoren in einem sehr großen Leistungsbereich verwirklichen, der von 100 Kw bis etwa 10 Mw reicht, ausgehend von einer Drehstromversorgung mit mittlerer Spannung, wobei jede Phase eine Heizeinheit be­ aufschlagt, wie es bei dem in Fig. 1 dargestellten Bei­ spiel der Fall ist.

Die erfindungsgemäße Regelung erfolgt zwischen 10% und 100 % der Nominalleistung der Vorrichtung, wobei als Funk­ tion des Regelungspunktes der Wert des cos Φ zwischen 0,85 vor und 0,85 nach schwankt und zwar durch das Vorsehen der Kapazität 19.

Als Metall für die Sekundärwicklung 2 wird vorzugsweise rostfreier Stahl verwendet oder jedes andere Metall mit er­ höhter Widerstandsfähigkeit, wodurch eine geringe Strom­ dichte ermöglicht wird (in der Größenordnung von 6A/mm²). Im Falle von rostfreiem Stahl erhält man auch eine ausge­ zeichnete Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion, wobei auch eine herkömmliche Isolierung der Heizschlange infrage kommt.

Es ist klar, daß für die sättigbare Induktivität 8 eine Vielzahl von Ausführungsformen möglich ist, die sich von derjenigen von Fig. 2 unterscheiden, wobei jedoch in je­ dem Fall sichergestellt sein muß, daß der sättigbare magne­ tische Kreis 11 durch das von dem Gleichstrom Ic erzeugte statische Feld gesättigt werden muß sofern dieser seinen Maximalwert erreicht. Zu diesem Zweck ist eine ausreichende Windungszahl vorzusehen für die Wicklung 15, damit nicht zu hohe Intensitäten verwendet werden müssen, die zum Beispiel den Wert von 10 A übersteigen.

Aufgrund der Tatsache, daß der gleichgerichtete Steuerstrom Ic auf der Magnetisierungskurve, die durch die magnetische Induktion als Funktion des Feldes gebildet wird, den Höhenbeginn des Sättigungswertes verändert, sowie den Anfangswert auf der Abszisse, kann vorteilhafterweise der magnetische Kreis 11 derart bemessen werden, daß für eine in der Primärwicklung vorgegebene Nominalleistung man sich bereits in der Nähe des Kurvenanfangs befindet, wenn Ic = Null ist.

Darüberhinaus würde der Kreis unterdimensioniert sein, da ein Teil des magnetischen Wechselfeldes, das von den Spu­ len 14 a und 14 b erzeugt wird, sich in die Luft erstreckt, so daß man einen Teil des Regelbereiches für die dem Sekun­ därkreis übermittelte Leistung verlieren würde, wobei die­ ser Bereich, wie bereits ausgeführt, von 10% bis 100% der Nominalleistung der Vorrichtung reicht. Unterhalb des­ sen wäre der Kreis überdimensioniert und damit überteuert, wobei in diesem Fall eine Feinsteuerung im Bereich von 10 bis 100% erheblich komplizierter würde.

Zu einem ähnlichen Resultat gelangt man, wenn man bei einem Kreis 11 von vorgegebener Größe die Anzahl von Ampere-Windungen der Wicklungen 12 a, 12 b verändert.

Die Erfindung ist insbesondere einsetzbar bei einem her­ kömmlichen Drehstrom des Elektrizitätsnetzes mit hoher Spannung, wobei in diesem Fall das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eine Einheit einer Anordnung mit insge­ samt drei Einheiten ist.

Das Schema einer derartigen Gesamtanordnung ist in Fig. 3 dargestellt. Die mit UVW bezeichneten Phasen des mittle­ ren Spannungsnetzes von 20 000 Volt zwischen den Phasen ver­ sorgt über sättigbare Induktivitäten 8, 8′, 8′′ die Primär­ wicklungen 1, 1′, 1′′.

Diese drei Wicklungen sind hierbei sternförmig angeordnet, wobei jede mittels eines nicht dargestellten magnetischen Kreises in einer kurzgeschlossenen Sekundärwicklung die In­ duktionen erzeugt, die durch die Schlangen 2, 2′, 2′′ gebil­ det werden. Jede Schlange gehört zu einem Zweig eines hydraulischen Heizkreises, von dem drei parallel zueinan­ der angeordnet sind. Im allgemeinen ist eine derartige Vor­ richtung mehrphasig und kann eine Anzahl von Heizeinheiten enthalten, die gleich der Anzahl der Phasen der Versorgung des erfindungsgemäßen Wärme-Induktions-Generators ist.

Es sei betont, daß die Erfindung nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt ist. So sei als weiterer Anwendungsfall genannt die Erzeugung von heißem Wasser für eine Gebäudeheizung oder für industrielle Verfahren. Anstelle von Wasser können auch andere Fluide, wie Öl, Schwefel oder flüssiges Natrium, eingesetzt werden, die per se weiterverwendet werden oder zur Erzeugung von Hoch­ temperaturdampf in Wärmetauschern geeignet sind.

Claims (8)

1. Wärme-Induktions-Generator für heißes Fluid vom Typ elektrischer Transformator, mit einer Primärwicklung, die mit dem elektrischen Stromnetz verbindbar ist und die über einen magnetischen Kreis mit einer Sekundär­ wicklung gekoppelt ist, die aus einer kurzgeschlossenen rohrförmigen Schlange besteht, in der das zu erwärmende wärmetransportierende Fluid zirkuliert, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Regelanordnung für die Heizleistung in der Primärwicklung vorgesehen ist, die aus einer sättigbaren Induktivität (8, 11) besteht, die in Serie mit der Primärwicklung geschaltet ist und aus einem Generator (9) für Gleichstrom - oder gleichgerichtetem Strom - besteht, der die Induktivität derart steuert, daß der magnetische Zustand des magnetischen sättigba­ ren Kreises (11) verändert wird.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der sättigbare magnetische Kreis ein geschlossener Kreis ist.

3. Generator nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der sättigbare magnetische Kreis (11) drei Schenkel (12 a, 12 b, 12 c) aufweist, daß die Außen­ schenkel (12 a, 12 b) jeweils eine Leistungswicklung (14 a, 14 b) aufweisen, die parallel zueinander im elek­ trischen Kreis geschaltet sind, der die Primärwicklung (1) mit dem Netz verbindet, daß der Mittenschenkel (12 a) eine Steuerwicklung (15) aufweist, die mit dem Generator für Gleichstrom - oder gleichgerichtetem Strom - (9) verbunden ist und daß die Leistungswicklun­ gen in entgegengesetzter Richtung zueinander gewickelt sind, so daß die abwechselnden magnetischen Flüsse, die sie im sättigbaren magnetischen Kreis (11) erzeugen zu jedem Zeitpunkt im Mittenschenkel (12 c) entgegengesetzt gerichtet sind.

4. Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittenschenkel (12 c) zusätzlich Kurzschlußwindungen (16) aufweist.

5. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer Anordnung (17, 18) zur automatischen Rege­ lung der Heizleistung versehen ist.

6. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Heizschlange (2) aus rostfreiem Stahl besteht.

7. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kapazität (19) parallel zum Primärkreis geschaltet ist.

8. Mehrphasige elektrische Heizanordnung bestehend aus so vielen Heizeinheiten als Phasen der elektrischen Ver­ sorgung vorhanden sind, mit denen sie verbindbar ist, wobei jede Heizeinheit einen Wärme-Induktions-Generator nach Anspruch 1 enthält.