DE4201775C2 - Vorrichtung zur niederfrequenten induktiven Durchlauferwärmung eines Fluids mit elektrolytischer Leitfähigkeit - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur niederfrequenten induktiven Durchlauferwärmung eines pumpfähigen Fluids nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Eine solche Vorrichtung zur niederfrequenten induktiven Durchlauferwärmung ist aus der US 50 06 683 bekannt.

Es ist ferner bekannt, insbesondere Fluids mittels hindurchfließenden elektrischen Stromes zu erwärmen. Eine erste Methode ist die, mittels an Elektroden angelegter elektrischer Spannung elektrischen Strom durch das Fluid hindurchfließen zu lassen (sog. OHM'sche Erwärmung). Dieser Weg ist aber dort ausgeschlossen, wo das zu erwärmende Fluid nicht mit den Elektroden in Berührung treten darf, die sich bei diesem Erwärmungsprozeß in der Regel nicht unwesentlich erwärmen.

Eine weitere bekannte Methode der Erwärmung ist die mittels Mikrowellen. Es handelt sich dabei um eine dielektrische Erwärmung. Wie weit die Mikrowellenerwärmung z. B. in Nahrungsmitteln nachteilige Veränderungen hervorrufen kann, ist derzeit noch nicht mit einhelligem Ergebnis aufgeklärt. Auch kann das zwangsläufig ungleichmäßige Erwärmungsprofil zu Problemen führen.

Eine noch weitere Methode der Erwärmung ist die mittels Induktion. Die induktive Erwärmung hat vor allem in der Industrie und insbesondere im Hüttenwesen große Bedeutung, wo in großen Tiegeln Metalle und dergleichen geschmolzen werden. Auch für das Oberflächenhärten von Metallgegenständen wird die induktive Erwärmung vielfältig angewendet, wobei die schon bei niedrigen Frequenzen relativ geringe Eindringtiefe der Induktionsströme in Metall eine sogar erwünschte Erscheinung ist.

Aus der DE-PS 318 484 ist darüber hinaus eine einzige mit Flüssigkeit gefüllte Rohrleitung bekannt, die den Eisenkern wendelförmig umgibt. Auf die notwendige Schließung des sekundären Stromkreises wird dort nicht eingegangen.

Die in der CH 17 59 47 beschriebene Vorrichtung geht gleichfalls nur von einer Sekundärwicklung aus, die zudem aus Metall besteht und damit den Sekundärstrom führt. Daher ist der dort beschriebene Transformator für das Prinzip der "mittelbaren Erwärmung" vorgesehen, d. h. die Wärmeerzeugung findet außerhalb des zu erwärmenden Gutes statt und die Wärme wird auf das zu erwärmende Gut durch die bekannten Mechanismen Wärmeleitung und Wärmekonvektion transportiert. Bei dieser bekannten Vorrichtung findet keine "unmittelbare Erwärmung", d. h. Wärmeerzeugung innerhalb des zu erwärmenden Gutes, statt.

Schließlich ist aus der FR 911 767 eine mehrwindige Rohrleitung bekannt, die jedoch wiederum als eine einzige Rohrleitung ausgeführt ist, die mehrere einzelne Eisenkerne hintereinander umschließt. Bei dieser Ausführung eines dreiphasigen Transformators ist die Sekundärwicklung aus Metall oder einer Metallegierung, so daß auch dort die Erwärmung aufgrund des Prinzips der "mittelbaren Erwärmung" stattfindet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte und zuvor näher beschriebene Vorrichtung zur niederfrequenten induktiven Durchlauferwärmung eines pumpfähigen Fluids so zu verbessern, daß die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermieden werden.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt dadurch, daß zwei Rohrleitungs-Wicklungen jeweils einen Eisenkern des Magnetjoches umgeben, und diese an jeweils ihren zwei Enden für die Fluidströmung in Verteilerstücken miteinander verbunden sind, von denen das eine Verteilerstück außerdem die Fluid-Zuflußleitung und das andere als Mischer die Fluid-Abflußleitung umfaßt, so daß im strömenden Fluid in diesen Verteilerstücken miteinander verbundene Induktions-Kurzschlußströme durch das in den Rohrleitungs-Wicklungen befindliche Fluid hindurch ermöglicht sind.

Die vorliegende Erfindung ist ebenfalls der induktiven Erwärmung zuzuordnen, erfolgt aber mit einer in dieser Technik nicht verwendeten Vorrichtung und in nicht vorbekannter Art und Weise. Bei der Erfindung wird vorzugsweise mit 50 bzw. 60Hz-Netz-Wechselstrom gearbeitet, dessen Bereitstellung problemlos ist. Für die periodische Energiespeicherung im Feld ist in diesem Falle die magnetische Feldenergie dominant, worin sich die Erfindung prinzipiell von wie eingangs beschriebener Mikrowellenerwärmung unterscheidet. Der prinzipielle Unterschied zur vorerwähnten OHM' schen Erwärmung besteht darin, daß bei letzterer das zu erwärmende Fluid galvanisch in den energieliefernden Stromkreis eingebunden ist, was bei der induktiven Erwärmung nicht der Fall ist.

Zur Durchführung des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips lassen sich verschiedene praktische Ausführungsformen angeben, die aber alle auf eben diesem selben Prinzip funktionell beruhen. Dieses Prinzip umfaßt die zum zu erwärmenden Fluid induktive Ankopplung mittels Eisenkerns zur konzentrierten Führung des Induktionsflusses, d. h. nach dem Transformator-Prinzip. Durch Verwendung eines Materials mit hoher Permeabilität für den Eisenkern wird ein niedriger magnetischer Widerstand erreicht. Durch Blechung oder Verwendung eines Materials mit hohem elektrischem Widerstand für den Eisenkern können auch die Wirbelstromverluste im Eisenkern wie üblich niedrig gehalten werden. Das zu erwärmende Fluid wird, schon allein zur Vermeidung von örtlichen Überhitzungen durch eine Rohrleitung hindurchgeführt. Durch Pumpen kann in der den Eisenkern umschließenden Rohrleitung eine kontinuierliche Durchlauferwärmung des strömenden Fluids erfolgen.

Ein erfindungsgemäßes Konzept einer Ausführungform ist dasjenige, bei dem die für die Strömung des Fluids vorgesehene Rohrleitung als eine Wicklung wendelförmig um den Eisenkern gelegt ist und der Kurzschlußstrom durch das Fluid hindurch parallel (und antiparallel) der Fluidströmung gerichtet ist. Noch näher zu erläuternde Maßnahmen bewirken das vollständige Kurzschließen eines solchen Strompfades.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus den nachfolgenden Beschreibungen zu voranstehend bereits umrissenen Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Vorrichtungen hervor.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform zum obigen zweiten Konzept,

Fig. 2 zeigt eine Weiterbildung zur Ausführungsform nach Fig. 1 mit erweiterter Regulierungsmöglichkeit,

Fig. 3 zeigt in einer ersten Darstellung (3a) eine geschnittene Seitenansicht und dazu (3b) im Querschnitt eine Ausführungsform für ein zur Verbindung der Rohrleitungen vorgesehenes Verteilerstück, das auch als Mischer zu verwenden ist und

Fig. 4 zeigt eine "dielektrische Elektrode".

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführung, die speziell geeignet ist für einphasigen Wechselstromanschluß. Hier ist wieder mit 14 das gesamte Magnetjoch bezeichnet. Mittels der Magnetfeldspule 15 wird in den Eisenkernen 13 das magnetische Wechselfeld erzeugt. Der jeweilige Eisenkern 13 wird wendelförmig von zwei Rohrleitungs-Wicklungen 221 und 222 umgeben, die für das Hindurchfließen des zu erwärmenden Fluids vorgesehen sind. Hinsichtlich der Windungzahlen, des Durchmessers und sonstiger, die magnetischen Eigenschaften und die Strömungseigenschaften bestimmender Faktoren sind die beiden Rohrleitungs- Wicklungen 221 und 222 vorzugsweise gleich bemessen. Hilfsweise kann hierzu ein mit 100 bezeichneter Strömungs(-mengen)-regler in den Fluidstrom in einer der Rohrleitungs-Wicklungen eingefügt sein. Es können auch mehrere Rohrleitungs-Wicklungen je einen Strömungsregler haben.

Mit 231 und 232 sind zwei Verteilerstücke bezeichnet. Das - wie dargestellt - in das Verteilerstück 231 eintretende zugeführte Fluid verteilt sich darin gleichmäßig auf die beiden Rohrleitungs-Wicklungen 221 und 222. Das Verteilerstück 232 dient dazu, die beiden mengenmäßig möglichst gleich groß bemessenen Fluidströme als Mischer wieder zu vereinigen und aus diesem - wie dargestellt - austreten zu lassen.

Wichtig ist, daß der Wicklungssinn der beiden Rohrleitungs-Wicklungen 221 und 222 auf dem Magnetjoch 14 gleichsinnig ist. Damit hat nämlich, bezogen auf das Magnetjoch und bezogen auf den durch die beiden Rohrwicklungen 221 und 222 gebildeten Stromkreis, die in der Rohrwicklung 221 induzierte Spannung die gleiche Umlaufrichtung wie die in der Rohrleitungs-Wicklung 222 induzierte Spannung. Diese beiden induzierten Spannungen mit einheitlicher Umlaufrichtung bewirken nämlich, daß die beiden Fluidströme der Rohrleitungs-Wicklungen 221 und 222 (durch die Verteilerstücke hindurch) einen Kurzschlußstromkreis bilden. Der Kurzschlußstrom fließt also im Kreis durch die in diesem Sinne hintereinandergeschalteten Rohrleitungs-Wicklungen 221 und 222 und Verteilerstücke 231 und 232. Da jede dieser beiden elektrischen Spannungen den Spannungsabfall aufgrund des in der betreffenden Rohrwicklung 221, 222 fließenden elektrischen Stromes ausgleicht, befindet sich das Fluid im Verteilerstück 231 und im Verteilerstück 232 trotz des das Fluid erwärmenden fließenden elektrischen Ringstromes auf jeweils dem selben elektrischen Potential, das z. B. neutral gewählt bzw. geerdet werden kann.

Die Spezifikationen für die mit dem Fluid in Berührung kommenden Werkstoffe entsprechen den oben genannten. Die beiden Rohrleitungs-Wicklungen 221 und 222 können aus flexiblem Schlauch bestehen, wobei jedoch darauf zu achten ist, daß keine unkontrollierten Knickungen und entsprechende Querschnittsveränderungen auftreten können. Mit diesen würden nämlich das für diese Ausführungsform vorteilhafterweise einzuhaltende Gleichgewicht gestört sein.

Die beiden Rohrleitungs-Wicklungen 221, 222 können unter Beachtung ihrer Parallelschaltung bezüglich der Fluidströme und des jeweiligen Wicklungssinnes auch nebeneinander auf einem Eisenkern 13 des Magnetjoches angeordnet sein. Günstiger ist aber die dargestellte Form.

Es ist nicht immer auszuschließen, daß in den Rohrleitungs-Wicklungen elektrische und/oder thermische Unsymmetrie vorliegen kann. Um dann die elektrischen und thermischen Verhältnisse in den beiden Rohrleitungszweigen ausgleichen zu können, sind Varianten vorteilhaft, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind.

Es können z. B. die beiden, bezogen auf den die Magnetfeldspule 15 enthaltenden Teil 114 des Magnetjoches 14, zueinander parallelen Magnetflüsse, die die Rohrleitungs-Wicklungen 221 und 222 durchsetzen, auch unterschiedlich groß gemacht werden. Diese Regulierung erfolgt z. B. durch Anlegen einer entsprechend bemessenen Wechselspannung an die zusätzlich wie dargestellt vorgesehene und angeordnete Regulier-Magnetfeldspule 244.

Eine weitere Möglichkeit, thermisches und/oder elektrisches Ungleichgewicht in den beiden Rohrleitungs- Wicklungen 221 und 222 ausgleichen zu können, besteht in einer Regulierung 100 der Strömungswiderstände in den beiden Rohrleitungs-Wicklungen.

Es kann auch eine (zusätzliche) Bypass-Leitung 103 zwischen den als Verteiler 231 und dem als Mischer 232 betriebenen Verteilerstücken vorgesehen sein, die jedoch um keinen der Eisenkerne gewickelt ist. Vorzugsweise ist der Strömungswiderstand in der Bypass-Leitung 103 durch einen Regler 104 einstellbar.

Fig. 3 zeigt den Aufbau eines solchen Verteilerstückes 231 (bzw. 232). Es ist ein rotationssymmetrisches Gehäuse mit einem axialen Anschluß 71 und mit zwei weiteren Anschlüssen 221 und 222 am Umfang vorgesehen. Im Falle einer Bypass-Leitung kommt jeweils ein weiterer Anschluß am Umfang hinzu. Diese weiteren Anschlüsse sind gleichmäßig (180° bzw. 120° oder auch 90°) über den Umfang verteilt angeordnet. Durch diese Gestaltung wird erreicht, daß zum einen gleichmäßige Aufteilung des Fluidmengenstromes erfolgt und zum anderen Übergänge des elektrischen Stromes von einem Anschluß zum anderen Anschluß ohne wesentliche lokale Stromdichtespitzen erreicht werden.

Das zur Aufteilung der Fluidströme verwendete Verteilerstück 231 hat einen axialen Einlauf und tangentiale Ausläufe. Das als Mischer 232 verwendete Verteilerstück hat die Einläufe tangential und den Auslauf axial angeordnet.

Um den Kurzschlußstrom durch die Rohrleitungs-Wicklungen 221, 222 kann an diesem Übergangsstück jeweils eine in das betreffende Ende der Rohrleitungs-Wicklung 221, 222 hineinragende Elektrode vorgesehen sein. Um Derartiges jedoch zu vermeiden, ist bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ein Metallring 251 vorgesehen, der mit einer dünnen dielektrischen Schicht 252 innenseitig überzogen ist. Diese Schicht 252 verhindert galvanische Leitung. Da jedoch für diese Schicht 252 ein Material mit hoher Dielektrizitätszahl vorgesehen ist, ergibt sich dort ein dielektrischer Stromübergang.

Bei den Ausführungsformen der Fig. 1 und 2, d. h. bei denen mit wendelförmiger Rohrwicklung auf dem Eisenkern, sind die Strömungsrichtung des Fluids und die Richtung des elektrischen Kurzschlußstromes im Fluid parallel (bzw. antiparallel) gerichtet. Die Möglichkeit kontinuierlicher Durchlauferwärmung ist davon in keiner Weise berührt.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur niederfrequenten induktiven Durchlauferwärmung eines pumpfähigen Fluids (10), das Leitfähigkeit in der Größenordnung elektrolytischer Leitfähigkeit besitzt, wobei die Erwärmung des Fluids frei von Kontakt derselben mit Elektroden erfolgt, mit einer Energiezufuhr-Einrichtung mit einem Magnetjoch (14) mit Eisenkern (13) und mit einer auf diesem Magnetjoch befindlichen Magnetfeldspule (15) zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes in diesem Eisenkern (13) und mit einer in der vorgesehenen Heizzone befindlichen Rohrleitung (221, 222) für darin vorgesehenen Durchfluß des zu erwärmenden Fluids (10), wobei die Zueinanderordnung von Eisenkern (13) und Rohrleitung (221) und deren Abmessungen so getroffen sind, daß in der den Eisenkern (13) umgebenden Rohrleitung im strömenden Fluid (10) ein den Eisenkern (13) ringförmig/wendelförmig umgebender elektrischer Induktions-Kurzschlußstrom im Fluid (10) ermöglicht ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Rohrleitungs-Wicklungen (221, 222) jeweils einen Eisenkern (13) des Magnetjoches (14) umgeben, und diese an jeweils ihren zwei Enden für die Fluidströmung (10) in Verteilerstücken (231, 232) miteinander verbunden sind, von denen das eine Verteilerstück (231) außerdem die Fluid-Zuflußleitung und das andere (232) als Mischer die Fluid- Abflußleitung umfaßt, so daß im strömenden Fluid (10) in diesen Verteilerstücken miteinander verbundene Induktions-Kurzschlußströme durch das in den Rohrleitungs-Wicklungen befindliche Fluid (10) hindurch ermöglicht sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der zwei Rohrleitungs-Wicklungen (221, 222) vorgesehen sind, deren Wicklungssinn zueinander so gewählt ist, daß in den beiden Rohrleitungs-Wicklungen sich gleich große Induktionsströme ergeben, die sich zwischen den beiden Verteilerstücken (231, 232) kompensieren.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der sich die Rohrleitungs-Wicklungen (221 und 222) und die Magnetfeldspule (15) auf einem einen magnetischen Kreis bildenden Magnetjoch (14) befinden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der sich die Rohrleitungs-Wicklungen (221 und 222) auf jeweiligen Eisenkernen (13) des Magnetjoches (14) befinden, die in dem Magnetjoch magnetisch zueinander parallelgeschaltete Magnetflüsse bilden, bezogen auf den Eisenkern (114) mit seiner Magnetfeldspule (15).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der im Zweig des einen Magnetflusses zusätzlich eine Regulierspule (244) für ein Zusatz-Regulier-Magnetfeld vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit Verteilerstücken (231, 232), deren mit den Rohrleitungs-Wicklungen verbundene Fluid-Anschlüsse (721, 722) tangential und deren Eingang/Ausgang (71) für das Fluid (10) axial angeordnet sind, bezogen auf das Verteilerstück (231, 232).

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit Reguliermöglichkeit der Fluidströmung mit Hilfe eines Strömungs(-mengen)-reglers (100) im Fluidstrom wenigstens einer Rohrleitungs-Wicklung (221, 222).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Ausgleichsjoch (134) und einer Reguliermöglichkeit (101) des Magnetfeldes einer (jeweiligen) Magnetfeldspule (151, 152, 153).

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit Reguliermöglichkeit mit Hilfe einer Bypassleitung (103), gegebenenfalls mit Strömungsregler (104), zwischen dem als Verteiler und den als Mischer wirksamen Verteilerstücken (231, 232), wobei diese Bypassleitung frei von einer Kopplung mit dem Magnetfluß ist.