DEP0024968DA

DEP0024968DA - Arrangement to improve the power factor in the inductive heating of vessels and the like.

Info

Publication number: DEP0024968DA
Authority: DE
Inventors: Carl Dipl.-Ing. Schörg
Original assignee: Schörg, Carl, Dipl.-Ing., Frankfurt/Main
Publication date: 1950-12-07

Description

Zur Verbesserung des Leistungsfaktors von induktiven Beheizungen verwendet man gewöhnlich Kondensatoren, die mit der Erregerspule zu einem Schwingkreis geschaltet sind und deren Kapazität so bemessen ist, daß Resonanz besteht. Diese Anordnung bedingt einen großen apparativen und räumlichen Aufwand. Um das zu vermeiden, hat man die Erregerspule so gebaut, daß in ihr große Ohm'sche Verluste entstehen, wobei man beträchtliche Schwierigkeiten in der Wärmeübertragung in Kauf nehmen mußte. Bei einer anderen, als Wirbelstromerhitzer bezeichneten Einrichtung zur induktiven Beheizung von Gefäßen aus ferromagnetischem Material bzw. Teilen davon mit Netzfrequenz wurde ein Elektromagnetsystem, beispielsweise in Form eines einphasigen Manteltransformators, so an der Gefäßwand angebracht, daß die ferromagnetische Gefäßwand als dem magnetischen Rückschluß dienendes Joch wirkt. Dieser besondere magnetische Rückschluß, gebildet von der als Heizfläche wirkenden Gefäßwand, trägt eine dünne Kupferschicht. Der sich in der Gefäßwand schließende Kraftlinienfluß induziert in dieser Kupferschicht Ströme, die in Wärme umgesetzt werden, die auf die Gefäßwand übertragen wird. Da auf einem Gefäß in der Regel mehrere solcher Wirbelstromerhitzer angebracht werden, sorgt diese Kupferschicht infolge ihrer guten Wärmeleitfähigkeit auch für einen Temperaturausgleich.To improve the power factor of inductive heating, one usually uses capacitors which are connected to the excitation coil to form an oscillating circuit and whose capacitance is dimensioned so that there is resonance. This arrangement requires a large amount of equipment and space. In order to avoid this, the excitation coil has been constructed in such a way that large ohmic losses arise in it, and considerable difficulties in heat transfer have to be accepted. In another device, known as an eddy current heater, for the inductive heating of vessels made of ferromagnetic material or parts thereof at mains frequency, an electromagnetic system, for example in the form of a single-phase jacket transformer, was attached to the vessel wall in such a way that the ferromagnetic vessel wall acts as a yoke serving the magnetic return path . This special magnetic yoke, formed by the vessel wall acting as a heating surface, has a thin copper layer. The flow of force lines closing in the vessel wall induces currents in this copper layer that are converted into heat that is transferred to the vessel wall. Since several such eddy current heaters are usually attached to a vessel, this copper layer also ensures temperature compensation due to its good thermal conductivity.

Die Erfindung bezieht sich auf Anordnungen zur induktiven Beheizung von Gefäßen und dergl. aus ferromagnetischem Material, bei denen das zu beheizende Gefäß sich im Innern einer von Wechselstrom durchflossenen Erregerspule befindet; der Leistungsfaktor dieser Anordnung liegt bei 0,6. Zur Verbesserung des Leistungsfaktors wird erfindungsgemäß eine kurzgeschlossene, aus unmagnetischem und elektrisch gut leitendem Material bestehende Sekundärwicklung verwendet, welche von dem im Innern der Erregerspule pulsierenden Wechselfeld durchsetzt wird. In dieser kurzgeschlos- senen Sekundärwicklung fließen Kurzschlußströme, welche zusammen mit dem Ohm'schen Widerstand der kurzgeschlossenen Sekundärwicklung eine reine Wirkleistung ergeben, die in Wärme umgesetzt wird. Diese sekundäre Wirkleistung addiert sich zu der durch das Wechselfeld in der massiven ferromagnetischen Gefäßwand induzierten Wirkleistung. Diese Sekundärwicklung wird so mit der Gefäßwand verbunden, daß eine möglichst guter Wärmeübergang zur Gefäßwand gewährleistet ist. Da die Gesamtleistung sich aus der Wirkleistung in der ferromagnetischen Gefäßwand und der Wirkleistung in der Sekundärwicklung zusammensetzt, ist der Leistungsfaktor abhängig vom Verhältnis beider zueinander; so wird beispielsweise ein cos <Nicht lesbar> = 0,9 erreicht, wenn die in der Gefäßwand induzierte Leistung 36,3% und die in der Sekundärwicklung erzeugte Leistung 63,7% der Gesamtleistung beträgt. Die in der Sekundärwicklung erzeugte Wirkleistung läßt sich durch Verkleinerung oder Vergrößerung ihres Querschnitts verändern, womit daher auch eine Veränderung des Leistungsfaktors verbunden ist.The invention relates to arrangements for inductive heating of vessels and the like. Made of ferromagnetic material, in which the vessel to be heated is located inside an excitation coil through which alternating current flows; the power factor of this arrangement is 0.6. To improve the power factor, according to the invention, a short-circuited secondary winding consisting of non-magnetic and electrically conductive material is used, through which the alternating field pulsing inside the excitation coil is penetrated. In this short-circuited Short-circuit currents flow through its secondary winding, which together with the ohmic resistance of the short-circuited secondary winding result in a pure real power that is converted into heat. This secondary real power is added to the real power induced by the alternating field in the massive ferromagnetic vessel wall. This secondary winding is connected to the vessel wall in such a way that the best possible heat transfer to the vessel wall is guaranteed. Since the total power is made up of the active power in the ferromagnetic vessel wall and the active power in the secondary winding, the power factor depends on the relationship between the two; For example, a cos <not readable> = 0.9 is achieved if the power induced in the vessel wall is 36.3% and the power generated in the secondary winding is 63.7% of the total power. The active power generated in the secondary winding can be changed by reducing or increasing its cross-section, which is therefore also associated with a change in the power factor.

Diese kurzgeschlossene Sekundärwicklung kann zwischen der ferromagnetischen Gefäßwand und der Erregerspule sich befinden und die Form eines Hohlzylinders oder eines Metallbelages haben, stets mit der ferromagnetischen Gefäßwand eng verbunden. Sie kann aber auch in Form einer Spirale aus beispielsweise bandförmigen Windungen auf der Gefäßwand aufgebracht sein. Die Art des für die Sekundärwicklung verwendeten Materials richtet sich nach der Arbeitstemperatur; so ist beispielsweise Kupfer nur bei Temperaturen bis 350°C wegen des dann einsetzenden Zunderns anwendbar. Aluminium läßt sich auch oberhalb 350°C noch verwenden, da es durch seine Oxydschicht gegen Oxydation geschützt ist. Diese Oxydschicht, die auch zwischen dem Aluminiumbelag und der Gefäßwand entsteht, ist unschädlich, da sie so dünn ist, daß der Wärmeübergang nicht wesentlich verschlechtert wird.This short-circuited secondary winding can be located between the ferromagnetic vessel wall and the excitation coil and have the shape of a hollow cylinder or a metal coating, always closely connected to the ferromagnetic vessel wall. However, it can also be applied to the vessel wall in the form of a spiral made of, for example, ribbon-shaped windings. The type of material used for the secondary winding depends on the working temperature; For example, copper can only be used at temperatures of up to 350 ° C because of the scale that then begins. Aluminum can still be used above 350 ° C because it is protected against oxidation by its oxide layer. This oxide layer, which also arises between the aluminum coating and the vessel wall, is harmless because it is so thin that the heat transfer is not significantly impaired.

Eine kurzgeschlossene Sekundärwicklung kann auch innen an der Gefäßwand angebracht werden; sie muß dann ebenfalls elektrisch gut leitend sein und aus unmagnetischem Material bestehen; sie soll mindestens 1 mm dick sein. Wenn in dieser an der inneren Gefäßwand angebrachten Sekundärwicklung Kurzschlußströme induziert werden sollen, muß sie ebenfalls vom Wechselfeld der Erregerspule durchsetzt werden. Das ist aber nur dann der Fall, wenn die ferromagnetische Gefäßwand nur höchstens so dick ist, wie die Eindringtiefe beträgt, wobei unter "Eindringtiefe" die Wegestrecke zu verstehen ist, bei der die Amplitude der elektromagnetischen Schwingung auf den 2,72-ten Teil ihres Ursprungswertes abgesunken ist. Dann tritt noch ein Teil der Amplitude in die Sekundärwicklung ein und induziert in ihr Kurzschlußströme. Hier wird die Sekundärwicklung in der Regel als vollständiger Metallbelag ausgebildet sein.A short-circuited secondary winding can also be attached to the inside of the vessel wall; it must then also have good electrical conductivity and consist of non-magnetic material; it should be at least 1 mm thick. If short-circuit currents are to be induced in this secondary winding attached to the inner vessel wall, it must also be penetrated by the alternating field of the excitation coil. But this is only the case if the ferromagnetic vessel wall is at most as thick as the depth of penetration is, where "penetration depth" is to be understood as the distance in which the amplitude of the electromagnetic oscillation has decreased to the 2.72-th part of its original value. Part of the amplitude then enters the secondary winding and induces short-circuit currents in it. Here, the secondary winding is usually designed as a complete metal coating.

Derartige kurzgeschlossene Sekundärwicklungen sind einfach anzubringen. Man kann durch geeignete Bemessung ihres Querschnitts den Leistungsfaktor erreichen, der beispielsweise den günstigsten Strompreis ergibt. Es wird auch die Primärspule von Blindströmen entlastet. Kondensatoren fallen weg, wodurch der Aufbau der Anlage einfacher und billiger wird. Ein an der inneren Gefäßwand angebrachte Sekundärwicklung kann zugleich die Aufgabe einer korrosionsfesten Plattierung erfüllen.Such short-circuited secondary windings are easy to apply. By appropriately dimensioning its cross-section, you can achieve the power factor that results in the cheapest electricity price, for example. The primary coil is also relieved of reactive currents. Capacitors are no longer needed, making the system simpler and cheaper. A secondary winding attached to the inner vessel wall can also serve as a corrosion-resistant plating.

Claims

1.) Arrangement to improve the power factor in the inductive heating of vessels and the like., In which the vessel to be heated is located inside the excitation coil through which alternating current flows, characterized in that a short-circuited secondary winding made of non-magnetic and electrically conductive material on the rests on the ferromagnetic vessel wall.

2.) Arrangement according to claim 1, characterized in that the short-circuited secondary winding is located between the outer vessel wall and the excitation coil.

3.) Arrangement according to claim 1, characterized in that the short-circuited secondary winding rests on the inner vessel wall.

4.) Arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that the short-circuited secondary winding is formed by a hollow cylinder or metal coating.

5.) Arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that the short-circuited secondary winding consists of a spiral.