DE4415389A1 - Vorrichtung zur induktiven Durchlauferwärmung eines elektrisch leitfähigen, pumpfähigen Mediums - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur im Durchlauf auszuführenden induktiven Erwärmung pumpfähigen Mediums, das eine spezifische elektrische Leitfähigkeit aufweist, die zumindest der Größenordnung nach im Bereich derjenigen elektrolytischer Leitfähigkeit liegt, insbesondere weniger als 100 S/m beträgt. Dieses Medium kann zu 100% eine Flüssigkeit (reine Flüssigkeit, Emulsion und dgl.) oder auch eine Flüssigkeit mit darin enthaltenen festen Partikeln sein, wobei diese Partikel lediglich nicht so groß sein dürfen, daß das Pumpen und der Durchfluß des Mediums (mit diesen Partikeln) durch die entsprechend bemessene Vorrichtung nicht mehr gewährleistet wäre.

Es ist bekannt, Flüssigkeiten mittels durch sie hindurchfließenden elektrischen Stromes zu erwärmen. Eine erste Methode ist die, mittels zwischen Elektroden, die in die Flüssigkeit eintauchen, angelegter elektrischer Spannung elektrischen Strom durch die Flüssigkeit hindurchfließen zu lassen (sogenannte direkte OHM′sche Erwärmung). Dieses Verfahren bedingt, daß die Flüssigkeit mit der elektrisch leitfähigen Oberfläche der Elektroden in Berührung kommt. Dadurch können an den Elektroden unerwünschte elektrochemische Reaktionen stattfinden. Auch können sich bei einem solchen Erwärmungsprozeß die Elektroden in wesentlichem Maße erwärmen.

Eine weitere bekannte Methode zur Erwärmung von Stoffen ist die mittels Mikrowellen im GHz-Bereich. Es handelt sich dabei um eine dielektrische Erwärmung. Wie weit die Mikrowellenerwärmung z. B. in Nahrungsmitteln nachteilige Veränderungen hervorrufen kann, ist nicht eindeutig geklärt. Insbesondere tritt bei der Mikrowellenerwärmung ungleichmäßiges Erwärmungsprofil auf, das zu Problemen führt und zu deren Lösungen zusätzlicher technischer Aufwand zu treffen ist.

Eine noch weitere Methode der Erwärmung von Flüssigkeiten bzw. fließfähig gemachten Stoffen ist die mittels elektromagnetischer Induktion in im wesentlichen metallisch leitenden Materialien. Diese induktive Erwärmung hat vor allem in der Industrie und insbesondere im Hüttenwesen große Bedeutung, wo in z. B. Induktions-Rinnenöfen Metalle geschmolzen werden. Auch für das Oberflächenhärten von Metallgegenständen wird die induktive Erwärmung vielfach angewendet, wobei die schon bei niedrigeren Frequenzen bei der hohen Leitfähigkeit dieser Materialien auftretende geringe Eindringtiefe der Induktionsströme in dieses Material eine erwünschte physikalische Eigenschaft ist.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein pumpfähiges Medium, eine Flüssigkeit mit gegebenenfalls auch darin enthaltenen festen Partikeln, im Durchlaufverfahren erwärmen zu können.

Insbesondere ist es Aufgabe, dabei jeglichen Kontakt des Mediums mit Elektroden und dergleichen zu vermeiden, die dem Medium gegenüber nicht völlig indifferent bzw. inert sind und/oder höhere Temperatur annehmen als es die für das Medium jeweils vorgegebene Erwärmungstemperatur ist.

Insbesondere soll aufgabengemäß ausgeschlossen sein, daß die physikalische Art der Erwärmung des Mediums nachteilige Veränderungen in diesem hervorrufen kann.

Vorzugsweise soll aufgabengemäß der im Durchlauf erfolgende Erwärmungsprozeß in der erfindungsgemäßen Vorrichtung sehr rasch ablaufen. Das Medium soll z. B. kurzfristig auf eine vorgegeben hohe Erwärmungstemperatur gebracht (und ggfs. anschließend sofort wieder gekühlt) werden können. Dabei soll insbesondere ausgeschlossen sein, daß Teilvolumina des Mediums in der Erwärmungszone auch nur relativ kurzfristig höher erwärmt werden, als die vorgegebene Erwärmungstemperatur beträgt, d. h. daß die Erwärmung des Mediums hinsichtlich der jeweils erreichten Temperatur mit weitestgehend homogener Temperaturverteilung im Medium erfolgt.

Insbesondere soll die Vorrichtung so ausgestaltet sein, daß eine Potential-Erdung vorhegt, die zuverlässigen Berührungsschutz gewährleistet, jedoch die Effektivität der Vorrichtung nicht beeinträchtigt.

Die Untersuchungen der Erfinder, die dahin gingen, voranstehend angegebene Aufgabenstellungen und insbesondere diese Aufgabenstellungen alle zusammen genommen in einer einzigen Vorrichtung zu lösen, ergaben eine jeweilige Vorrichtung, wie sie im Patentanspruch 1 bzw. in den weiteren Ansprüchen angegeben ist.

In einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die Erwärmung des pumpfähigen Mediums, der Flüssigkeit mit gegebenenfalls auch darin enthaltenen festen Partikeln, elektrisch kontaktlos auf induktivem Wege mit elektrischem Wechselstrom in einem Frequenzbereich, der dem bekannten Stand der Wissenschaft nach z. B. auch für Lebensmittel unbedenklich ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt im wesentlichen einen ferromagnetischen Kern bzw. ein Magnetjoch aus einem Material mit hoher Permeabilität, möglichst geringem magnetischem Widerstand und möglichst geringen magnetischen Streu-, Wirbelstrom- und Ummagnetisierungsverlusten. Das zu erwärmende Medium wird bezüglich seiner Strömung innerhalb der Vorrichtung mengenmäßig auf wenigstens zwei vorgesehene Rohrleitungen aufgeteilt, die nach Art einer elektrischen Wicklung wendelförmig um den Kern herumgeführt bzw. auf dem Magnetjoch angeordnet sind. Es sind also mindestens zwei solche Rohrleitungs-Wick­ lungen vorgesehen, die eine jede zwischen einem gemeinsamen Zuflußverteiler für das pumpfähige Medium und einem gemeinsamen Mischer zum Wiederzusammenführen des Mediums in der Vorrichtung eingefügt vorgesehen sind. In den wenigstens zwei Wicklungen liegen insoweit voneinander getrennte Mediumsströme vor. Desweiteren ist der Zuflußverteiler mit der Zulaufleitung und der Mischer mit der Abgangsleitung für das strömende Medium verbunden. Die Wandungen der Rohrleitungen, des Zuflußverteilers und des Mischers bestehen aus hinsichtlich des Mediums inerten/indifferenten Materialien, die zumindest soweit es die Rohrleitungen zwischen dem Zuflußverteiler und dem Mischer betrifft, aus elektrisch wenigstens weitgehend nichtleitendem Material bestehen. Es sollen im Material der Rohrleitungs-Wicklungen elektrische Ströme nur solcher Größe fließen können, die gegenüber den im Medium in den Rohrleitungs-Wick­ lungen induzierten elektrischen Strömen vernachlässigbar klein sind.

Das Funktionsprinzip der Erfindung ist, in den zwischen dem Zuflußverteiler und dem Mischer auftretenden Teilströmungen, d. h. im wesentlichen in den Rohrleitungs-Wick­ lungen, in dem Medium jeweils eine elektrische Spannung zu induzieren und einen elektrischen Kurzschluß(wechsel)strom fließen zu lassen. Dieser fließt in einem in sich geschlossenen bzw. ringförmigen Pfad, der in der Vorrichtung gebildet ist durch die Aufeinanderfolge des Zuflußverteilers, einer ersten der Rohrleitungs-Wicklungen, des Mischers, einer (der) zweiten der Rohrleitungs-Wicklungen und wieder dem Zuflußverteiler. Dieser Kurzschlußstrom fließt in diesem in sich geschlossenen Pfad unabhängig davon, wie in der jeweiligen der Rohrleitungs-Wicklungen die Strömung des Mediums gerichtet ist. Dieser Kurzschlußstrom wird durch die in Reihe geschalteten, sich verstärkend/konstruktiv bzw. vektoriell (d. h. sich nicht gegeneinander aufhebend) addierenden, in den zwei Rohrleitungs-Wicklungen jeweils induzierten elektrischen Spannungen gespeist. Dabei ist auf die zueinander richtige Wahl des jeweiligen Wickelsinns der Rohrleitungs-Wicklungen auf dem gemeinsamen Magnetjoch zu achten, nämlich daß sich in diesem Kurzschlußstrompfad die in den Wicklungen induzierten elektrischen Spannungen tatsächlich hintereinandergeschaltet addieren.

Die Induktion kann dabei in einer jeweils entsprechend gestalteten erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einphasigem Wechselstrom oder auch mit Drehstrom erzeugt sein, wobei für diesen Fall für eine jede der drei Phasen wenigstens eine solche Rohrleitungs-Wicklung vorzusehen ist. Bei der Drehstrom-Anordnung sind im einfachsten Falle drei Rohrleitungs-Wicklungen zwischen dem Zuflußverteiler und dem Mischer vorgesehen und in den auf dem entsprechend ausgebildeten Magnetjoch angeordneten Rohrleitungs-Wick­ lungen werden die Induktionsspannungen entsprechend phasen-verschoben induziert. Dies führt zu drei sich phasenverschoben addierenden, einander überlagerten Kurzschlußströmen in den Rohrleitungs-Wicklungen.

Eine besonders wichtige Weiterbildung der Erfindung ist die Hinzufügung je eines Erhitzungsstückes zu einer jeweiligen Rohrleitungs-Wicklung, und zwar der jeweiligen Rohrleitungswicklung in Bezug auf die Strömung des Mediums vorzugsweise nachgeschaltet zwischen dem Rohrleitungsstück und dem Mischer. Das heißt, daß die Erhitzungsstücke im Gesamtstromweg des voranstehend beschriebenen Kurzschluß­ stromkreises zusätzlich vorhanden sind, wobei jedoch in den Erhitzerstücken keine Induktion vorgesehen sein muß.

Weitere Erläuterungen zu einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und zu Weiterbildungen und weiteren Ausgestaltungen derselben werden nachfolgend im Zusammenhang mit der Beschreibung in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele gegeben.

Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Übersichts-Darstellung das Aufbauprinzip einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zusammen mit einer wichtigen Weiterbildung.

Fig. 2a und 2b zeigen Schnittansichten einer Ausgestaltung einer Rohrleitungs-Wicklung.

Fig. 3a und 3b zeigen Ausgestaltungen eines Erhitzerstückes für eine gemäß Fig. 1 weitergebildete Vorrichtung.

Fig. 4a und 4b zeigen Schnittansichten einer Ausgestaltung eines Magnetjoches mit zusätzlich vorgesehener Fluid-Kühlungsvorrichtung.

Fig. 5 zeigt als Teilansicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Strömungsreglern.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform mit getrennt regelbarer Magnetfelderregung für parallele magnetische Zweige.

Fig. 7 zeigt eine prinzipielle Darstellung eines Magnetjoches mit einem einstellbaren magnetischen Nebenschluß-/Kurzschluß-Zweig.

Eine erfindungsgemäße Einrichtung hat ein Magnetjoch 14, das der einfacheren Darstellung der perspektivischen Ansicht halber in der Fig. 1 als Ovalrahmen dargestellt ist. Vorzugsweise wird in der Praxis für die Erfindung insbesondere auch mit Rücksicht auf den bevorzugt vorgesehenen Frequenzbereich der Magnetfeldanregung mit zwischen etwa 50 kHz und 300 kHz die Toroidform oder eine der Form eines Toroids wenigstens angenäherte Form verwendet, wie dies die noch zu besprechenden Auf- und Seitenansichten der Fig. 4a und 4b zeigen. Für den angegebenen Frequenzbereich empfiehlt es sich als Magnetjoch einen Ringbandkern zu verwenden, und zwar wie aus Fig. 4b ersichtlich ein solches Magnetjoch, das aus mehreren im Abstand voneinander axial übereinander angeordneten Ringen besteht. Dies dient einer besseren Kühlung wie noch nachfolgend näher erläutert wird. Mit 15 ist eine Windung der Erreger-Magnet­ feldspule mit ihren Anschlüssen 16 bezeichnet. Um die notwendige Erregerspannung niedrig zu halten, ist vorzugsweise nur eine einzige Windung zwischen den Anschlüssen 16 vorgesehen, an die für ein praktisches Ausführungsbeispiel z. B. eine Spannung von 300 bis 350 Volt anzulegen ist. Von Vorteil kann es sein, für eine solche Magnetfeldspule 15 mehrere parallel geschaltete Einzelwindungen vorzusehen, um z. B. niedrigeren Strom in einer einzelnen Windung fließen lassen zu können.

Mit 221 und 222 sind erfindungsgemäß für die Vorrichtung vorgesehene Rohrleitungs-Wick­ lungen bezeichnet, wie sie bereits oben erläutert sind. Diese wendelförmigen Rohrleitungen umschließen jeweils das Magnetjoch, so daß der mit der Magnetfeldspule 15 erzeugte magnetische Erregungsfluß auch durch die Windungsfläche dieser Wicklungen 221 und 222 fließt. Da diese Rohrleitungs-Wicklungen vorzugsweise aus elektrisch nicht leitendem Material bestehen, erfolgt aufgrund der Spannungsinduktion ein Stromfluß in dem Medium innerhalb der Wicklungen 221 und 222. Die Rohrleitungen dieser Wicklungen 221, 222 bestehen ebenso wie die noch zu beschreibenden weiteren Teile der Führung des Mediumsstromes aus niedrig permeablem Material.

Wie ebenfalls aus der Fig. 1 ersichtlich, umfaßt die dort dargestellte Vorrichtung ein Zuflußverteilerstück 231 und ein Mischerstück 232 für die Wiedervereinigung der zuvor im Verteilerstück aufgeteilten Mediumsströme der Wicklungen 221 und 222. Wie aus den in Fig. 1 eingetragenen Pfeilen M ersichtlich, ist das Zuflußverteilerstück 231 einerseits mit einer Zuflußleitung 2311 und andererseits mit den Eingangsanschlüssen der Rohrleitungs-Wicklungen 221 und 222 für die Zufuhr der 1/2 zu 1/2 aufgeteilten Mediumsströme in diese Wicklungen verbunden. In entsprechender Weise ist das Mischerstück 232 (über noch zu beschreibende Stücke 241/242) mit den Ausgängen 2211, 2221 der Wicklungen 221 und 222 sowie mit einer Abflußleitung 2311 verbunden.

Die Fig. 1 zeigt bereits auch eine sehr vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, nämlich zur Lösung der ergänzenden Aufgabenstellung, eine besonders hohe Erwärmungsgeschwindigkeit, d. h. eine rasche Erwärmung des Mediums zu erzielen. Mit 241 und 242 bezeichnet ist für das Medium strömungsmäßig in Reihe mit der jeweiligen Rohrleitungs-Wicklung 221 bzw. 222 noch je ein Erhitzerstück eingefügt. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist das jeweilige Erhitzerstück 241 bzw. 242 strömungsmäßig der jeweiligen Rohrleitungs-Wicklung 221 bzw. 222 vorzugsweise nachgeschaltet eingefügt, so daß bei dieser weitergebildeten Vorrichtung der Erfindung das Mischerstück 232 mit den Ausgängen der Erhitzerstücke 241 bzw. 242 direkt und mit den Wicklungen 221 und 222 dementsprechend nur über das jeweilige Erhitzerstück verbunden ist.

Wie in der Fig. 1 dargestellt, kann dieses Erhitzerstück 241 bzw. 242 ein gerades Rohrstück sein, das aus wiederum elektrisch nicht leitendem Material besteht. Der lichte Querschnitt des jeweiligen Rohrstückes 241, 242 ist deutlich kleiner als der (mittlere) Querschnitt der jeweiligen in Reihe liegenden Rohrleitungs-Wicklung 221 bzw. 222. Weitere Einzelheiten zu geeigneter Bemessung der Querschnitts- und Längenverhältnisse gehen aus der noch nachfolgenden Beschreibung hervor. Das jeweilige Erhitzerstück braucht nicht um einen Magnetkern gewickelt zu sein, da eine Strom-Induktion im Erhitzerstück erfindungsgemäß nicht notwendig ist. Die Aufgabe eines solchen Erhitzerstückes besteht vielmehr darin, daß der aufgrund der Induktion in den Rohrleitungs-Wicklungen induzierte, in dem in sich geschlossenen Pfad fließende Kurzschlußstrom dort in dem wesentlich engeren Querschnitt des jeweiligen Erhitzerstückes eine entsprechend höhere Stromdichte hat und damit höhere Wärmequellendichte hervorruft. Der schon oben erwähnte Strompfad für den elektrischen Kurzschlußstrom besteht dann hier aus dem Zuflußverteilerstück 231, der Rohrleitungs-Wicklung 221, dem Erhitzerstück 241, dem Mischerstück 232, dem Erhitzerstück 242, der Rohrleitungs-Wicklung 222 und wieder dem Zuflußverteilerstück 231. Auf diesem in sich geschlossenen Pfad kann auch hier in dem in diesen Rohrleitungsteilen befindlichen Medium der schon oben beschriebene Kurzschlußstrom fließen, der durch die in den Wicklungen 221 und 222 erfolgte Induktion erzeugt ist und das Medium durch Joule′sche Wärmeentwicklung erwärmt.

Wie aus der Fig. 1 ebenfalls ersichtlich, sind die beiden Erhitzerstücke 241 und 242 vorzugsweise sehr eng benachbart geführt, nämlich um die zwischen ihnen liegende Induktionsfläche möglichst klein zu halten.

Hinsichtlich einer geeigneten Bemessung des Verhältnisses der Rohrleitungslänge und des lichten Querschnittes der Rohrleitung einer Wicklung 221/222 einerseits zu Rohrlänge und lichtem Querschnitt des zugehörigen Erhitzerstückes 241/242 andererseits haben die erfolgten Untersuchungen zu der Erkenntnis geführt, daß es optimal ist, die jeweiligen Längen- und Querschnittsabmessungen wie folgt zu wählen. Diese Bemessungen sollen so sein, daß für den Kurzschlußstrom der elektrische Widerstand des Erhitzerstückes 241/242 gemessen über dessen Länge etwa halb bis etwa doppelt so groß ist wie der elektrische Widerstand der in Reihe liegenden Rohrleitungs-Wick­ lung 221/222 gemessen über deren Länge. Dieses führt dazu, daß die jeweilige für angestrebte hohe Induktion vorzugsweise viele Windungen und damit relativ große Rohrleitungslänge aufweisende Wicklung 221/222 dementsprechend mit relativ großem Querschnitt auszuführen ist, wohingegen das jeweilige für hohe Stromdichte im Medium mit dagegen vergleichsweise engem lichtem Querschnitt zu bemessende Erhitzerstück 241/242 damit relativ kurz zu bemessen ist.

Insbesondere die voranstehenden Abmessungsrelationen machen es zweckmäßig, den auf dem Magnetjoch 14 verfügbaren Wickelraum für die Rohrleitungs-Wicklungen 221 und 222 möglichst günstig auszunutzen, wobei bei der bevorzugten Toroidform des Magnetjoches auf der Innenseite des Joches der zur Verfügung stehende Wickelraum naturgemäß kleiner als derjenige auf der Außenseite ist. Es ist daher von Vorteil, gemäß einer weiteren Ausgestakung der Erfindung den innen und den außen zur Verfügung stehenden Wickelraum jeweils optimal zu nutzen. Der Querschnitt bzw. die Querschnittsform der Rohrleitung der Wicklung 221/222 wird vorteilhafterweise so bemessen, daß auf der Innenseite und auf der Außenseite der jeweilige Wickelraum entlang des inneren seitlichen Rand es bzw. entlang des äußeren seitlichen Rand es des Magnetjoches durch dichte Packung voll genutzt ist. Die Fig. 2a zeigt in einem Ausschnitt eine schematische Darstellung, die ein Sektorteil des toroidförmigen Joches 14 und geeignete Querschnitte Q_i und Q_a der Rohrleitung einer Rohrleitungs-Wicklung 221/222 angibt, nämlich, wie sie gemäß dieser weiteren Ausgestaltung zweckmäßigerweise auf der Innenseite und auf der Außenseite des Joches vorgesehen sind. Die Fig. 2b ist eine abgebrochene seitliche Schnittansicht aus der Fig. 2a.

Obwohl die Erhitzerstücke an der induktiven Energieübertragung keinen Anteil haben, d. h. an sich nur Laststücke ohne Spannungsinduktion sind, hat sich deren Verwendung insbesondere für hohe Erwärmungsgeschwindigkeit des Mediums als sehr nützlich erwiesen. Insbesondere ist mit dem Erhitzerstück dem Fachmann für den Einzelfall weitere apparative Variationsmöglichkeit zur Beeinflussung des im Einzelfall jeweils gewünschten Erwärmungsprogrammes bzw. des zeitlichen Ablaufes an die Hand gegeben. Prinzipiell kann ein jeweiliges Erhitzerstück auch als Induktionswicklung auf dem Magnetjoch ausgeführt sein, jedoch führt dies dann zu einem solchen konstruktiven Aufwand, der die Wirtschaftlichkeit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wesentlich mindern könnte.

Wenn aufgrund der Strömungsbedingungen in den wandnahen Bereichen der Erhitzerstücke das Medium dort länger verweilt/langsamer fließt, kann es sich dort lokal überhitzen. Gemäß einer noch weiteren Ausgestaltung zur o.g. Weiterbildung der Erfindung mit Erhitzerstück kann aber das Eintreten dieses Effektes beherrscht werden. Man wird diese dann vorsehen, wenn tatsächlich jegliche Überhitzungsmöglichkeit auch für sogar nur Teilvolumina des Mediums ausgeschlossen sein muß. Diese weitere Ausgestaltung besteht darin, daß man anstelle eines (wie in der Übersichtsfigur 1 der Einfachheit halber gezeigt) geradlinigen Rohrstückes eines jeweiligen Erhitzerstückes ein gewendeltes Rohrleitungsstück vorsieht. Die Fig. 3a zeigt ein solches gewendeltes Erhitzerstück 1241/1242, das anstelle eines Erhitzerstückes 241/242 in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zusätzlichen Erhitzerstücken verwendet werden kann.

Die praktischen Versuche haben ergeben, daß mit dieser technisch ohne Probleme ausführbaren Maßnahme im Inneren des Erhitzerstückes eine gute Durchmischung infolge auftretender Fliehkrafteffekte des strömenden Mediums zu erreichen ist. Mit dieser gezielten Durchmischung des Mediums im jeweiligen Erhitzerstück wird erreicht, daß Teilvolumina des Mediums nahe der Wandung des Erhitzerstückes nur kurze Verweildauer haben und rasch gegen Teilvolumina aus Bereichen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit ausgetauscht werden.

Eine wie voranstehend erzielte Durchmischung kann auch gemäß Fig. 3b durch innere Einbauten 2443, Strömungshindernisse und dgl., in das Rohrstück eines Erhitzerstückes 2241/2242 erzielt werden. Mit solchen Ausgestaltungen konnte ebenfalls ein hoher technischer Effekt erreicht werden, wie er sich mit der voranstehend beschriebenen Ausgestaltung mit gewendeltem Erhitzerstück ergab.

Es ist bereits oben das an sich bekannte Magnetjoch 14 beschrieben. Dieses Magnetjoch ist ein sehr wesentliches Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung für das nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen genannt werden, die sich für die Gesamteffizienz einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als vorteilhaft erwiesen haben.

Die Fig. 4a und 4b zeigen in Schnittdarstellung eine Aufsicht und eine Seitenansicht einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines Magnetjoches 14. In diesen Figuren ist ein toroidförmiges Magnetjoch gezeigt. Diese weiteren Ausgestaltungen können aber auch für Formen des Magnetjoches angewendet werden, die von der Form des dargestellten Toroids abweichen (wie dies z. B. die Fig. 1 zeigt).

Die Fig. 4a zeigt in Aufsicht als Schnitt B-B′ der Fig. 4b einen Ring bzw. eine ringförmige Scheibe 142, die aus einem zu einem Ringbandkern gewickelten Band aus amorphem oder nanokristallinem Metall besteht, wie es für Transformatorkerne des angegebenen Frequenzbereiches verwendet wird. Aus der mit Fig. 4b wiedergegebenen Darstellung des Schnittes A-A′ der Fig. 4a, ist zu erkennen, wie z. B. drei solche Ringscheiben 141, 142, 143 als ein Magnetjoch 14 axial übereinander angeordnet sind. Durch z. B. Abstandshalter werden diese Ringscheiben 141, 142, 143 im Abstand voneinander gehalten. Mit 145 ist eine temperatur- und formbeständige Vergußmasse, z. B. ein Duroplast, wie Fiberglas-Epoxidharzlaminat, bezeichnet, das, wie aus der Fig. 4a/4b ersichtlich, die Ringscheiben 141, 142, 143 auf der radialen Innenseite ihrer Anordnung dicht abschließend berührt und damit auch als Abstandshalter wirkt. Ein solcher dichter Abschluß liegt auch am jeweils äußeren Rand dieser Ringscheiben vor, ausgenommen im Bereich der Zonen 146 und 147, die für die Zuführung und für die Abführung eines Kühlmittels ausgebildet sind. Dieses Kühlmittel strömt innerhalb der Umhüllung 145 entlang den axialen seitlichen Flächen der Ringscheiben 141, 142, 143 entsprechend der angegebenen Strömungsrichtung des Kühlungsmittels von der Zone 146 zur Zone 147. Es werden durch das Kühlmittel diese ersichtlich großen Flächen der Axialseiten der Ringscheiben 141, 142, 143 intensiv gekühlt. Abgesehen von den Zonen 146 und 147 ist ein Austausch der Kühlflüssigkeit von der Ringzone zwischen zwei Ringscheiben in die Ringzone zwischen zwei andere Ringscheiben ausgeschlossen und insbesondere ist keine ringförmige Umströmung eines oder mehrerer der Ringscheibenquerschnitte (141 bis 143) möglich, weil, wie schon gesagt, die Umhüllung 145 außerhalb dieser Zonen an den radialen Stirnseiten der Ringscheiben dicht anliegt. Damit sind ansonsten mögliche elektrische Induktionsströme im Kühlfluid verhindert.

Fig. 5 zeigt weitere Ausgestaltungen der Erfindung, die in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und in einer mit Erhitzerstücken weitergebildeten Vorrichtung (Fig. 1) ergänzend vorgesehen sein können.

Es ist vorteilhaft, insbesondere für den nachfolgend beschriebenen Fall der Erdung, daß im Hinblick auf den zu erzeugenden Kurzschlußstrom und die angestrebte Erwärmung des Mediums die Ströme des Mediums mengenmäßig in den beiden Rohrleitungs-Wicklungen 221 und 222, in denen gleich große Induktionsspannungen auftreten sollen, gleich groß sind. Um in der Praxis unvermeidliche Strömungsungleichgewichte zu korrigieren, sind in wenigstens einem, gegebenenfalls in beiden der Strömungswege der Wicklungen 221 und 222 zwischen dem Zuflußverteilerstück 231 und dem Mischerstück 232 ein Durchfluß-Mengenregler 100 vorgesehen. Es kann von Vorteil sein, zusätzlich noch eine Ausgleichsleitung 103 mit ebenfalls einem Mengenregler 104 vorzusehen. Mit Hilfe an sich bekannter Durchflußmeßgeräte lassen sich die Strömungen in den einzelnen Strömungswegen messen.

Die Rohrleitungen sind, wie schon oben erwähnt, elektrisch nicht leitend. Elektrischer Strom und insbesondere Potentialausgleichsströme fließen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung nur in dem Medium. Es ist jedoch erwünscht, das Medium auf kontrolliertem Potential halten zu können, jedoch ohne die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu stören. Mit 105 und 106 sind gemäß weiterer Ausgestaltung Erdungspunkte im Strömungssystem der erfindungsgemäßen Vorrichtung bezeichnet. Von besonderem Vorteil ist es, diese Erdungspunkte außerhalb der Strömungswege, die zwischen dem Zuflußverteiler 231 und dem Mischer 232 vorhanden sind, anzuordnen. Die Fig. 5 und 6 zeigen dazu eine bevorzugte Ausführungsform, bei der ein erster Erdungskontakt 105 in der Zuflußleitung zum Zuflußverteiler 231 vorgesehen ist. Zweckmäßigerweise wird zumindest über einen Anteil der Weglänge zwischen diesem Erdungspunkt und dem Zuflußverteilerstück 231 die Leitung 107 mit relativ geringem Querschnitt bemessen, durch die zwar das Medium mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit hindurchzupumpen ist, in der aber der elektrische Widerstand vergleichsweise groß ist zu den elektrischen Widerständen innerhalb des oben beschriebenen Kurzschlußstrompfades. Durch diese Leitung 107 kann der Potentialausgleich bei hinreichend kleinen Erdungsströmen erfolgen. Dieser Erdungspunkt ist vorzugsweise so ausgeführt, daß sich im Inneren, vorzugsweise in einer Querschnittserweiterung, der Zuflußleitung eine bolzenförmige Elektrode aus z. B. Edelstahl befindet. Es empfiehlt sich, diese Elektrode frei von Spitzen und scharfen Kanten und vorzugsweise nur mit gut abgerundeten Oberflächen auszugestalten, um auf diesem Bolzen irgendwelche elektrische Stromdichtekonzentrationen zu vermeiden (wo unerwünschte elektrochemische Vorgänge am Erdungskontakt möglich wären). Die Figuren zeigen auf der Abflußseite der erfindungsgemäßen Vorrichtung hinter dem Mischerstück 232 eine ebensolche Erdungseinrichtung mit dem Erdungskontakt 106 und mit wie beschrieben entsprechend ausgeführter Leitung 107.

Für die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Rohrleitungen, und zwar insbesondere für diejenigen der Wicklungen empfiehlt sich ein kombinierter Aufbau aus Glas-/Kunststoff-Formteilen.

Die Fig. 1 zeigt eine Anordnung mit auf einem Magnetjoch 14 angeordneten Wicklungen 221 und 222, die in Bezug auf den (augenblicklichen) magnetischen Fluß im Magnetjoch hinsichtlich der Induktion hintereinandergeschaltet sind. Damit sich also die induzierten Spannungen der beiden Wicklungen 221 und 222 für den gemeinsamen Kurzschlußstrom addieren, müssen diese beiden Wicklungen 221 und 222 auf dem Magnetjoch den gleichen Wickelsinn haben.

Um gegebenenfalls auch die Induktion in den beiden Wicklungen 221 und 222 voneinander unabhängig beeinflussen zu können, kann eine Ausführungsform des Magnetjoches und der auftretenden Induktionen genutzt werden, wie sie lediglich schematisch mit der Fig. 6 dem Prinzip nach wiedergegeben wird.

In Fig. 6 haben mit vorangehenden Figuren übereinstimmende Einzelheiten übereinstimmende Bezugszeichen.

Das anstelle des Magnetjoches 14 bei der Ausführung nach Fig. 6 verwendete Magnetjoch 114 hat zwei magnetische Zweige 13 und 13′, die magnetisch einander parallel geschaltet und vereinigt sind in dem Teil des Joches mit der Erregerspule. Die Funktionsweise einer Anordnung nach Fig. 6 ist dieselbe wie dies zur Fig. 1 beschrieben ist, nämlich durch die Induktion in den Rohrleitungs-Wicklungen 221 und 222 wird in dem auftretenden Kurzschlußstromkreis-Pfad der die Erwärmung des Mediums bewirkende Stromfluß erzeugt. Für die Fig. 6 ist jedoch darauf zu achten, daß dort, nämlich weil die beiden magnetischen Zweige 13 und 13′ bezüglich des Induktionsflusses miteinander parallelgeschaltet sind, ein gegenläufiger Wickelsinn der Wicklungen 221 und 222 vorzusehen ist, wie dies die Figur zeigt.

Für die Ausführungsform der Fig. 6 ist in dem magnetischen Zweig 13′ noch eine Zu satz-Erregerwicklung 244 vorgesehen. Mittels dieser Zusatz-Erregerwicklung, die phasengleich mit der Erregerwicklung 15 gespeist wird, kann durch Einstellung der Größe des Erregerstromes das Maß der Induktion in der Wicklung 222 gegenüber der Wicklung 221 verändert eingestellt werden. Auf diese Weise läßt sich auch von der Seite der magnetischen Erregung her in diesen Wicklungen gleich große Induktionsspannung bzw. ein wie oben beschriebener Ausgleich der induktiven Erwärmungswirkung auf das Medium in den Teilströmungen durch die Wicklungen 221 und 222 bzw. bewirken.

Fig. 7 zeigt noch eine weitere Ausführung eines Magnetjoches. Es ist dies ein Magnetjoch 214, das zum einen dem Prinzip des Magnetjoches 14 mit einem gemeinsamen magnetischen Kreis für die beiden Rohrleitungs-Wicklungen entspricht. Diese beiden Wicklungen 221/222 werden wie bei den Ausführungen der Fig. 1 und 5 im wesentlichen in Reihe liegend von dem von der Erreger-Spule 15 erzeugten magnetischen Fluß durchflossen. Zum anderen ist aber noch ein magnetischer Nebenschluß-/Kurzschluß-Zweig 1214 vorgesehen, der den magnetischen Fluß im Bereich der zweiten Rohrleitungs-Wicklung 222 (der die Spule 15 nicht umfaßt) infolge des magnetischen Nebenschlusses des Zweiges 1214 verringernd veränderbar macht. Diese Verringerung ist mittels eines Luftspaltes 1215 steuerbar, der mechanisch veränderbar eingestellt werden kann und Teil des magnetischen Nebenschluß-Kreises 1214 ist.

Weitere Einzelheiten dieser Darstellung in Fig. 7 haben die zu den betreffenden Bezugszeichen bereits vorangehend angegebenen Bedeutungen.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur induktiven Erwärmung eines die Vorrichtung durchlaufenden pumpfähigen Mediums, das elektrische Leitfähigkeit in der Größenordnung elektrolytischer Leitfähigkeit aufweist,
mit einer Energie-Zuführeinrichtung mit einem Magnetjoch (14, 114, 214) mit wenigstens einem ferromagnetischen Kern und mit wenigstens einer auf diesem Magnetjoch angeordneten Magnetfeldspule (15) mit elektrischen Stromanschlüssen für den Anschluß einer Wechselstromquelle als Primärquelle einer induktiven Energieübertragung,
mit zwei jeweils ein erstes und ein zweites Ende aufweisen den Rohrleitungen, die eine jede wendelförmig als eine Rohrleitungs-Wicklung (221, 222) auf dem Magnetjoch angeordnet und mit dem Medium gefüllt als eine Sekundärwicklung der induktiven Energieübertragung wirksam ist,
mit einer Zuleitungseinrichtung (2311) und einer Ableitungseinrichtung (2321) für das durch die Vorrichtung strömende Medium,
mit einem für die Aufteilung der Strömung des Mediums ausgebildeten Zuflußverteilerstück (231), das zwischen die Zuleitungseinrichtung und die ersten Enden der Rohrleitungs-Wicklungen, diese drei Teile strömungsmäßig miteinander verbindend, eingefügt ist,
mit einem für die Wiederzusammenführung der Teilströme der Rohrleitungs-Wicklungen ausgebildeten Mischerstück (232), das zwischen die zweiten Enden der Rohrleitungs-Wicklungen und die Ableitungseinrichtung, diese drei Teile strömungsmäßig miteinander verbindend, eingefügt ist,
wobei der Wickelsinn der jeweiligen der Rohrleitungs-Wicklungen bezogen auf eine momentane magnetische Feldrichtung im Magnetjoch im Bereich der jeweiligen Rohrleitungs-Wicklung aufeinander abgestimmt so gewählt ist, daß sich in einem in sich geschlossenen Pfad, dieser gebildet aus einer Aufeinanderfolge des Zuflußverteilerstücks, der ersten Rohrleitungs-Wicklung, des Mischerstücks, der zweiten Rohrleitungs-Wicklung und wieder des Zuflußverteilerstücks die in diesen Rohrleitungs-Wicklungen induzierten elektrischen Spannungen verstärkend addieren.

2. Vorrichtung zur induktiven Erwärmung eines die Vorrichtung durchlaufenden pumpfähigen Mediums, das elektrische Leitfähigkeit in der Größenordnung elektrolytischer Leitfähigkeit aufweist,
mit einer Energie-Zuführeinrichtung mit einem Magnetjoch (14, 114, 214) mit wenigstens einem ferromagnetischen Kern und mit wenigstens einer auf diesem Magnetjoch angeordneten Magnetfeldspule (15) mit elektrischen Stromanschlüssen für den Anschluß einer Wechselstromquelle als Primärquelle einer induktiven Energieübertragung,
mit einer ersten und einer zweiten, jeweils ein erstes und ein zweites Ende aufweisenden Rohrleitung, die eine jede wendelförmig als eine Rohrleitungs-Wick­ lung (221, 222) auf dem Magnetjoch angeordnet und mit dem Medium gefüllt als eine Sekundärwicklung der induktiven Energieübertragung wirksam ist,
mit einem ersten und einem zweiten Erhitzer-Rohrleitungsstück (241, 242) mit jeweils einem ersten und einem zweiten Ende, von denen das erste Ende des ersten Rohrleitungsstücks mit dem zweiten Ende der ersten Rohrleitungs-Wicklung verbunden ist und von denen das erste Endes des zweiten Rohrleitungsstückes mit dem zweiten Ende der zweiten Rohrleitungs-Wicklung verbunden ist,
mit einer Bemessung der Länge und des Querschnitts der jeweiligen Rohrleitungs-Wicklung und Bemessung der Länge und des Querschnittes des mit dieser Rohrleitungs-Wicklung direkt verbundenen Erhitzer-Rohrstückes derart, daß der über die Länge des Erhitzer-Rohrstückes vorliegende elektrische Widerstand des darin strömenden Mediums etwa halb bis etwa doppelt so groß wie der über die Länge der Rohrleitungs-Wicklung auftretende elektrische Widerstand ist,
mit einer Zuleitungseinrichtung (2311) und einer Ableitungseinrichtung (2321) für das durch die Vorrichtung strömende Medium,
mit einem für die Aufteilung der Strömung des Mediums ausgebildeten Zuflußverteilerstück (231), das zwischen die Zuleitungseinrichtung und die jeweils ersten Enden der Rohrleitungs-Wicklungen, diese drei Teile strömungsmäßig miteinander verbindend, eingefügt ist,
mit einem für die Wiederzusammenführung der Teilströme der zwei Rohrleitungs-Wicklungen ausgebildeten Mischerstück (232), das zwischen die jeweils zweiten Enden der Erhitzer-Rohrleitungsstücke (241, 242) und die Ableitungseinrichtung, diese drei Teile strömungsmäßig miteinander verbindend, eingefügt ist,
wobei der Wickelsinn der jeweiligen der Rohrleitungs-Wicklungen bezogen auf eine momentane magnetische Feldrichtung im Magnetjoch im Bereich der jeweiligen Rohrleitungs-Wicklung aufeinander abgestimmt so gewählt ist, daß sich in einem in sich geschlossenen Pfad, dieser gebildet aus einer Aufeinanderfolge des Zuflußverteilerstücks, der ersten Rohrleitungs-Wicklung, des ersten Erhitzer-Rohr­ leitungsstücks, des Mischerstücks, des zweiten Erhitzer-Rohrleitungsstücks, der zweiten Rohrleitungs-Wicklung und wieder des Zuflußverteilerstücks, die in diesen Rohrleitungs-Wicklungen induzierten elektrischen Spannungen verstärkend addieren.

3. Vorrichtung zur induktiven Erwärmung eines die Vorrichtung durchlaufenden pumpfähigen Mediums, das elektrische Leitfähigkeit in der Größenordnung elektrolytischer Leitfähigkeit aufweist,
mit einer Energie-Zuführeinrichtung mit einem Magnetjoch (14, 114, 214) mit wenigstens einem ferromagnetischen Kern und mit wenigstens einer auf diesem Magnetjoch angeordneten Magnetfeldspule (15) mit elektrischen Stromanschlüssen für den Anschluß einer Wechselstromquelle als Primärquelle einer induktiven Energieübertragung,
mit einer ersten und einer zweiten, jeweils ein erstes und ein zweites Ende aufweisenden Rohrleitung, die eine jede wendelförmig als eine Rohrleitungs-Wick­ lung (221, 222) auf dem Magnetjoch angeordnet und mit dem Medium gefüllt als eine Sekundärwicklung der induktiven Energieübertragung wirksam ist,
mit einem ersten und einem zweiten Erhitzer-Rohrleitungsstück (241, 242) mit jeweils einem ersten und einem zweiten Ende, von denen das erste Ende des ersten Rohrleitungsstücks mit dem zweiten Ende der ersten Rohrleitungs-Wicklung verbunden ist und von denen das erste Endes des zweiten Rohrleitungsstückes mit dem zweiten Ende der zweiten Rohrleitungs-Wicklung verbunden ist,
mit einer Bemessung der Länge und des Querschnitts der jeweiligen Rohrleitungs-Wicklung und Bemessung der Länge und des Querschnittes des mit dieser Rohrleitungs-Wicklung direkt verbundenen Erhitzer-Rohrstückes derart, daß der über die Länge des Erhitzer Rohrstückes vorliegende elektrische Widerstand des darin strömenden Medium etwa halb bis etwa doppelt so groß wie der über die Länge der Rohrleitungs-Wicklung auftretende elektrische Widerstand ist,
mit einer Zuleitungseinrichtung (2311) und einer Ableitungseinrichtung (2321) für das durch die Vorrichtung strömende Medium,
mit einem für die Aufteilung der Strömung des Mediums ausgebildeten Zuflußverteilerstück (231), das zwischen die Zuleitungseinrichtung und die jeweils ersten Enden der Rohrleitungs-Wicklungen, diese drei Teile strömungsmäßig miteinander verbindend, eingefügt ist,
mit einem für die Wiederzusammenführung der Teilströme der zwei Rohrleitungs-Wicklungen ausgebildeten Mischerstück (232), das zwischen die jeweils zweiten Enden der Erhitzer-Rohrleitungsstücke (241, 242) und die Ableitungseinrichtung, diese drei Teile strömungsmäßig miteinander verbindend, eingefügt ist,
mit einem ersten Erdungskontakt (105), der in der Zuleitungseinrichtung (2311) im Strömungsweg des Mediums vor dem Zuflußverteiler angeordnet ist und mit einem zweiten Erdungskontakt (106), der in der Ableitungseinrichtung (2321) im Strömungsweg des Mediums nach dem Mischerstück angeordnet ist,
wobei der Wickelsinn der jeweiligen der Rohrleitungs-Wicklungen bezogen auf eine momentane magnetische Feldrichtung im Magnetjoch im Bereich der jeweiligen Rohrleitungs-Wicklung aufeinander abgestimmt so gewählt ist, daß sich in einem in sich geschlossenen Pfad, dieser gebildet aus einer Aufeinanderfolge des Zuflußverteilerstücks, der ersten Rohrleitungs-Wicklung, des ersten Erhitzer-Rohr­ leitungsstücks, des Mischerstücks, des zweiten Erhitzer-Rohrleitungsstücks, der zweiten Rohrleitungs-Wicklung und wieder des Zuflußverteilerstücks, die in diesen Rohrleitungs-Wicklungen induzierten elektrischen Spannungen verstärkend addieren.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei der die Erhitzer-Rohrleitungsstücke gewendelt geformt sind (Fig. 3a).

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei der die Erhitzer-Rohrleitungsstücke mit in deren Innerern angeordneten, die Strömung des Mediums verwirbelnden Einbauten versehen sind (Fig. 3b).

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, mit wenigstens ein er Strömungs-Reguliereinrichtung (100) zur Steuerung des durch eine jeweilige Rohrleitungs-Wicklung (221, 222) fließenden Mengenstroms.

7. Vorrichtung nach Patentanspruch 2 oder 3, mit wenigstens einer Strömungs-Reguliereinrichtung (100) zur Steuerung des durch eine jeweilige Rohrleitungs-Wicklung (221, 222) fließenden Mengenstroms und mit gewendelt geformten Erhitzer-Rohrleitungsstücken (1241, 1242).

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3,
mit einem Magnetjoch (14), das mehrere axial zueinander und im Abstand voneinander angeordnete ringförmige Scheiben (141, 142, 143) umfaßt, die eine jede als Ringbandkern aufgebaut ist,
wobei diese ringförmigen Scheiben (141, 142, 143) in einem Gehäuse (145) gehaltert sind, das diese ringförmigen Scheiben bis auf Zufluß- und Abflußzonen (146, 147) radial stirnseitig dicht anliegend berührt und
das Gehäuse (145) Zufluß- und Abflußanschlüsse für durch das Gehäuse zwischen den ringförmigen Scheiben hindurchströmendes Kühlungsfluid aufweist, das an den Axialseiten der Scheiben entlangströmt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3,
mit einem Magnetjoch (114), das für die zwei Rohrleitungs-Wicklungen zwei zueinander magnetisch parallel geschaltete magnetische Zweige (13, 13′) aufweist (Fig. 6),
wobei der jeweilige magnetische Fluß mittels einer Zusatz-Magnetfeldspule (244) in einem der Zweige gegenüber dem anderen Zweig veränderbar steuerbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3,
mit einem Magnetjoch (214), das, bezogen auf die magnetische Erregung (15), für die beiden Rohrleitungs-Wicklungen (221, 222) im wesentlichen als ein gemeinsamer magnetischer Kreis ausgebildet ist, und
bei dem jedoch zusätzlich ein magnetischer Nebenschluß-/Kurzschluß-Zweig (1214) mit einem Luftspalt (1215) vorgesehen ist, der den gemeinsamen magnetischen Kreis aufteilt in einen ersten Anteil mit der magnetischen Erregung (15) und der einen Rohrleitungs-Wicklung (221) und in einen zweiten Anteil mit der anderen Rohrleitungs-Wicklung (222),
wobei die Bemessung des Luftspalts (1215) zur Veränderung der in dieser anderen Rohrleitungs-Wicklung (222) wirksamen magnetischen Erregung steuerbar ausgebildet ist.