ES2910789T3

ES2910789T3 - Calentador de inducción rotatorio con excitación por corriente continua

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Publication number: ES2910789T3
Application number: ES17822328T
Authority: ES
Inventors: Andreas Seiwald
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2017-12-22
Publication date: 2022-05-13
Anticipated expiration: 2037-12-22
Also published as: US11785679B2; WO2018115521A8; DK3560277T3; EP3560277A1; CN110115104B; US20200187310A1; CN110115104A; HRP20220294T1; EP4033860A1; WO2018115521A1; EP3560277B1; DE102016125500A1

Abstract

Un calentador de inducción rotatorio con excitación por corriente continua para calentar sustancias sólidas o líquidas o gaseosas, donde con una bobina de corriente continua (29) se genera un campo magnético constante y este campo magnético constante se convierte en un campo magnético variable por medio de un componente mecánico giratorio (19, 30-32), donde el calentador de inducción giratorio tiene un anillo magnético (28) y la bobina de corriente continua (29) para generar el campo magnético constante es recibida en el anillo magnético (28), donde el anillo magnético (28) está unido fijamente a la carcasa (17) del calentador de inducción rotatorio, donde al anillo magnético (28) se une en dirección axial una rueda polar giratoria (19), donde un componente fijo, en concreto un anillo de inducción (18), está unido fijamente a la rueda polar (19) en dirección axial, caracterizado porque la rueda polar (19) tiene un anillo polar interior (32) y un anillo polar exterior (31), y porque el campo magnético constante se forma entre el anillo magnético (28) y la rueda polar (19) y el campo magnético variable para generar calor inductivo se forma entre la rueda polar (19) y el anillo de inducción (18).

Description

DESCRIPCIÓN

Calentador de inducción rotatorio con excitación por corriente continua

La invención se refiere a un sistema calentador (véase, por ejemplo, la Fig. 1, posiciones de 1 a 9), en el que la energía térmica se genera mediante inducción magnética en forma de corrientes de Foucault mediante una excitación por corriente continua y a dispositivos mecánicos (véase, por ejemplo, la Fig. 5, posiciones de 30 a 32) para generar el campo magnético variable. El sistema calentador se puede utilizar para generar agua caliente a partir de todo tipo de sistemas calentadores, así como para calentar agua bruta.

Las corrientes de Foucault son corrientes de cortocircuito que convierten la energía eléctrica en energía térmica en un conductor eléctrico. A parte de pérdidas menores por convección, el 100% de esta energía se transfiere a un medio de transferencia de calor sólido, líquido (se prefiere el aceite) o gaseoso.

Ya se conocen sistemas calentadores en los que se genera energía térmica con corrientes de Foucault. Algunos de ellos son, por ejemplo, hornos de inducción o placas de inducción.

La energía térmica se genera aquí exclusivamente en el medio a calentar. El medio forma el puente conductor magnético o eléctrico hacia el aparato calentador, donde, como resultado, las corrientes de Foucault calientan el medio. En el propio aparato calentador solo se registran pérdidas menores por histéresis y corrientes de Foucault. Para que los sistemas mencionados puedan funcionar, las bobinas de excitación deben ser alimentadas con corriente alterna (o voltaje alterno).

Esta corriente alterna genera un campo magnético variable en las bobinas, donde se generan corrientes inductivas que contrarrestan la corriente aplicada según la conocida ley de la inducción.

Para ello son necesarias ciertas medidas técnicas, como núcleos magnéticos hechos de láminas delgadas, estratificadas y aisladas con baja conductividad eléctrica o núcleos de ferrita con alta resistencia eléctrica a las corrientes de Foucault, así como bobinas con un bajo número de vueltas y baja resistencia óhmica a reactancia inductiva. El modo exacto de funcionamiento de las bobinas de corriente alterna no se trata en detalle aquí, ya que no está relacionado con la presente invención.

Además de los sistemas calentadores descritos anteriormente, cabe mencionar los frenos de corrientes de Foucault, que también generan energía térmica en la zona en la que se generan las corrientes de Foucault. El mismo problema aparece aquí también. Aunque los frenos de corrientes de Foucault funcionan con corriente continua y tienen un alto grado de eficiencia eléctrica, requieren una energía cinética equivalente para generar la energía térmica o para mantener el sistema en movimiento.

En todos los sistemas mencionados, esto significa que la energía eléctrica y/o cinética a introducir es superior a la energía térmica aprovechable. Estos sistemas calentadores no permiten ningún ahorro energético y son poco o nada adecuados para la generación de calor en el ámbito de calefacción y de agua bruta.

Como técnica anterior se hace referencia a los documentos DE 2620236 A1, DE 2647741 A1, FR 2864369 A1, WO 2008028673 A1, EP 0071 046, US 2014/0231414, DE31 29817, US-A-4,423,344, así como a EP-A2-0 06706. Los sistemas conocidos no se han establecido hasta ahora debido a su baja eficiencia y también debido al diseño estructural desventajoso, los sistemas generalmente solo están diseñados para rendimientos relativamente pequeños, en particular para uso en vehículos, como calefacción de vehículos.

Como técnica anterior adicional se hace referencia a los documentos WO 2011/125485, US 2014/0110938 y US-A-3,014,116. El documento WO 2011/125485 divulga un dispositivo de calentamiento por inducción y un sistema generador eléctrico que tiene el dispositivo de inducción. El documento US 2014/0110938 divulga un calentador de inducción y un sistema generador de energía eléctrica. El documento US-A-3.014.116 describe un calentador magnético.

El objeto de la invención es evitar las desventajas de estos generadores de calor conocidos y proporcionar un sistema calentador (Fig. 3, posiciones de 17 a 27) con una eficiencia energética mucho mayor y, por lo tanto, una eficiencia significativamente mejor, también un sistema calentador con más de 10, preferiblemente más de 20 o 50 kW o 100 500 kW de potencia.

El objeto se consigue según la invención mediante un calentador de inducción rotatorio según la reivindicación 1, desarrollos ventajosos se describen en las reivindicaciones dependientes.

La invención se basa en el descubrimiento de que el campo magnético variable necesario para la inducción no se genera a través de una bobina de excitación mediante corriente alterna, sino mediante corriente continua, donde la bobina de excitación es preferentemente no giratoria sino estática.

Las bobinas de corriente continua tienen una reactancia inductiva mucho más baja que las bobinas de corriente alterna. Esto permite la baja corriente de excitación y muchas vueltas. Como resultado, el potencial magnético (potencial vectorial) es equivalente a la corriente * vueltas. Alta corriente de excitación y pocas vueltas, por ejemplo, 100 A * 1 N = 100 AN o baja corriente de excitación y muchas vueltas, por ejemplo, 1 A * 100 N = 100 AN da como resultado la misma cantidad. Debido a que el campo magnético constante no genera ninguna inducción, la invención se describe a continuación.

Las figuras muestran una posible realización de la invención y muestran:

Fig. 1 Vista desde arriba de un calentador de inducción rotatorio según la invención con una cubierta separada para aislamiento térmico y acústico,

Fig. 2 Una vista en despiece de las partes esenciales del calentador de inducción rotatorio según la invención según la Fig. 1,

Fig. 3 Una vista en despiece del dispositivo calentador de acuerdo con la invención,

Fig. 4 Una vista en despiece del anillo magnético por un lado y la bobina de corriente continua por el otro lado, Fig. 5 Una vista en despiece de una rueda polar, que consta de un anillo polar interior, un anillo polar exterior y un soporte de anillo polo,

Fig. 6 Varias vistas laterales de una rueda polar ensamblada,

Fig. 7 Vista en despiece de un anillo de inducción,

Fig. 8 Vista superior y vista en sección a través de un dispositivo calentador según la invención,

Fig. 9 Representación de proyección y contorno del anillo de inducción (líneas continuas), relacionado con el contacto de la rueda polar (líneas discontinuas),

Fig. 10 Vista en despiece del anillo magnético con bobina de corriente continua, rueda polar y anillo de inducción, Fig. 11 Vista en despiece de la caja mezcladora según la figura 1,

Fig. 12 Vista en despiece de un anillo de inducción con flujo magnético ideal,

Fig. 13 Representación de un diagrama par/par de frenado,

Fig. 14 Representación de un diagrama de par/par de frenado alternativo a la figura 13,

Fig. 15 Vista en despiece de un engranaje planetario,

Fig. 16 Vista en sección de una válvula de retención.

La figura 1 muestra una estructura básica del dispositivo calentador 1 según la invención y un intercambiador de calor conectado a él, una caja mezcladora 2 para el tratamiento de agua caliente/fría. Como puede verse en la figura 1, todas las partes del dispositivo están alojadas en un marco base 3. Este marco base tiene una estera de aislamiento térmico y acústico 4 y el dispositivo que se muestra en la figura 1 puede equiparse con una cubierta de aislamiento térmico y acústico, donde la cubierta tiene un elemento de visualización y control 9 y la cubierta como tal también tiene una puerta extraíble o que se puede abrir. Como también puede verse en la fig. 1, el aparato calefactor tiene en su cara posterior una pared posterior 6 que también puede estar provista de una estera de aislamiento térmico y acústico y el aparato también comprende electrónica de control 5.

La figura 2 muestra una vista en despiece ordenado de algunas partes del dispositivo calentador según la invención según la Fig. 1. La figura muestra una carcasa inferior de intercambiador de calor 12, un separador de agua y aceite 13, una carcasa superior de intercambiador de calor 11, un aparato calentador 10, un regulador de volumen de aceite e inyección 16, un motor de arranque 14 como accionamiento típico y un acoplamiento para conexión del aparato calentador 10 y el motor de arranque 14.

La figura 3 muestra en una vista en despiece los detalles del aparato calentador 10 de una imagen que se muestra que consiste en (de izquierda a derecha) una bomba de aceite 24, un cojinete de soporte 22, un cojinete de soporte de tuerca de sujeción 23, un cubo de cojinete de soporte 21 y un anillo magnético con una bobina de corriente continua 20 (fija), una rueda polar 19 (giratoria), un anillo de inducción 18 (fijo), una carcasa 17 del aparato calentador 10, un cojinete guía 25 y una tuerca de sujeción de cojinete guía 26, y una cubierta frontal 27

Operación de montaje particular del anillo magnético, rueda polar y anillo de inducción 18 como se explica a continuación.

De acuerdo con la invención, la bobina de corriente continua 29 está alojada en un anillo magnético 28 y preferiblemente está firmemente conectada a él, estando el anillo magnético conectado permanentemente a la carcasa 17 del calentador de inducción rotatorio 1 y el campo magnético directo generado por la bobina de corriente continua se convierte a través de un componente mecánico giratorio, a saber, la rueda polar 19 en un campo magnético variable 52.

Según la invención se prevé que la pieza de inducción, el anillo magnético 28, esté formado por un anillo con sección transversal en forma de U y consiste en material ferromagnético, preferiblemente hierro puro, con una ranura 87 formada por el anillo en forma de U. La bobina de corriente continua 29, que también es anular, se coloca en la ranura. La bobina de corriente continua tiene, por ejemplo, una bobina enrollada, que puede consistir en una tira de chapa, un alambre redondo o un alambre rectangular. Debido al campo magnético constante, el anillo magnético 28 puede estar compuesto de material macizo, chapa laminada o metal sinterizado. El anillo magnético tiene una superficie plana ininterrumpida interna y externa (Fig. 4, posición 28) donde el campo magnético de manera alterna, por ejemplo, como polo sur y como polo opuesto, por ejemplo, polo norte, sale y entra de nuevo en áreas de idéntica construcción de la rueda polar vecina (Fig. 5, posiciones 30 a 32). Alternativamente, es concebible según la invención usar un imán permanente para la magnetización en el anillo magnético en lugar de la bobina de corriente continua. Las desventajas de los imanes permanentes son posiblemente los altos costos de producción, la baja temperatura de Curie y la tecnología de control compleja para la salida de calor.

La figura 4 también muestra una conexión de suministro de energía 89 de la bobina de corriente continua 29, que se dirige hacia el exterior a través de una abertura 90 en el anillo magnético 28 para permitir una conexión de energía.

Para convertir el campo constante en un campo variable requerido para la inducción, la invención proporciona un componente mecánico, la rueda polar (Fig. 5, posición 30 a 32). Si la rueda polar gira pasando por el anillo magnético estático (es decir, fijo), se cumple este requisito.

La rueda polar consta preferentemente de varios componentes, por ejemplo, un anillo polar interior (Fig. 5, posición 32), un anillo polar exterior (Fig. 5, posición. 31) de material ferromagnético, preferiblemente de hierro puro y el portador de anillo polar (Fig. 5, posición 30) de, por ejemplo, material antimagnético, por ejemplo, de acero inoxidable o plástico. Los anillos polares pueden estar hechos de material sólido, láminas laminadas o ferrita.

Dependiendo de la función, se convierte el campo magnético constante desde el anillo magnético a través del entrehierro más pequeño posible (Fig. 4, posición 28) a la rueda polar (Fig. 6, posición 33) en un campo magnético variable desde la rueda polar, por ejemplo, fijada por tornillos, al anillo de inducción fijo (de pie) 18 (Fig. 7, posición 36 - 37). No importa si la rueda polar se comporta de forma dinámica o rígida en relación con el anillo magnético. El campo magnético continuo 51 se transmite sin pérdidas, aparte de pérdidas menores en el entrehierro, y también permanece en la rueda polar como un campo constante en el área más cercana al anillo magnético. El lado del campo alterno 52 está sujeto a las leyes de coercitividad o pérdidas por inversión magnética, efecto piel o pérdidas por corrientes de Foucault en material sólido.

Para este propósito, se proporcionan las siguientes medidas de diseño en los anillos polares. En el lado que mira hacia el anillo de inducción, hay al menos dos o más extensiones de polo (Fig. 5, posiciones 31 y 32) dispuestas, que se pueden formar en un ángulo desplazado o bordes paralelos. El diseño de las extensiones de polo no está sujeto a ninguna regla específica, ya que el diseño de la forma de los polos influye significativamente en el potencial magnético con respecto al accionamiento y el frenado. También es concebible seleccionar un número asimétrico de polos entre el anillo interior y el anillo exterior. Para que los anillos polares se mantengan en posición, se proporciona un material de soporte (Fig. 5, posición 30), que forma el rodamiento en ambos lados (Fig. 6, posición 35) o un engranaje en un lado (Fig. 6, posición 34), preferiblemente para un engranaje planetario. El portador de anillo polar debe proporcionar la rigidez necesaria para absorber todas las fuerzas magnéticas que actúan sobre los anillos polares.

Ventajosamente, el portador de anillo polar (Fig. 5, posición 30) está formado de material no magnético, pero puede diseñarse como eléctricamente conductor o eléctricamente aislante. Esto también se aplica a los anillos polares (Fig.

5, posición 31 y 32), que, al igual que el portador de anillo polar, puede estar diseñado como eléctricamente conductor o no conductor.

Eso depende del potencial de rendimiento térmico deseado. En el caso de materiales conductores de electricidad y componentes sólidos, se inducen corrientes de Foucault en la rueda polar y en el anillo de inducción, lo que aumenta significativamente la capacidad de calentamiento.

El anillo de inducción (Fig. 7, posición 36) está sujeto a una estructura similar a la de los anillos polares. Aquí también se forman depresiones en forma de cavidades, que impiden que el campo magnético se desarrolle de manera homogénea. Cuanto más homogéneo es el campo magnético en el anillo de inducción, mayor es la tendencia a frenar.

Para aumentar la intensidad de la corriente de Foucault, las cavidades (Fig. 7, posición 38) en el anillo de inducción está llenos de material de buena conducción eléctrica y térmica (Fig. 7, posición 37). Además, en el lado opuesto a los polos, se aplica una capa (Fig. 7, posición 39) del mismo material. El espesor de esta capa (s = var.) no está sujeto a ninguna especificación específica. Cuanto mejor sea la conductividad del material y cuanto más gruesa sea la capa, mayor será la manifestación de las corrientes de Foucault en el material como resultado de la eficiencia de la energía térmica.

Además, la capa aplicada se amplía en consecuencia por el perfilado de la superficie (Fig. 7, posición 40) en el lado que mira hacia el medio de transferencia de calor, mejorando así significativamente la convección del metal hacia el medio de transferencia de calor. También es concebible formar el anillo de inducción sin material de relleno. Aunque esto provoca un deterioro de la potencia calorífica con el mismo consumo de energía primaria, no afecta al funcionamiento en sí.

La figura 9 muestra una representación en proyección axial del contorno de los contornos exteriores (axiales) y sus proyecciones del anillo de inducción (línea continua) y de la rueda polar (línea discontinua).

La figura 8 muestra una vista exterior y una representación en sección de un aparato calentador 10 según la invención. En particular, la ilustración de la figura 8b muestra la estructura compacta del dispositivo calentador según la invención.

La figura 10 muestra una yuxtaposición para mostrar el flujo magnético en el espacio magnético, la rueda polar 19, el anillo magnético 20 con la bobina de corriente continua 29, 88 así como el anillo de inducción 18.

En el dispositivo de calentamiento por inducción rotatorio según la invención con un excitador de corriente continua, un anillo magnético con una bobina de corriente continua 20 así como el anillo de inducción 18 son estáticos, es decir, fijos en el cuerpo de la máquina, mientras que la rueda polar, como parte dinámica, puede realizar un movimiento de rotación

Entre el anillo magnético 20 y la bobina de corriente continua 88 por un lado y la rueda polar 19 se forma una zona de campo magnético constante 51, mientras que entre la rueda polar 19 y el anillo de inducción 18 se forma una zona de campo magnético variable 52.

En la figura 10, la bobina de corriente continua 29 se puede ver como una tira de chapa (bobina) 88, con las conexiones de alimentación correspondientes 89.

El efecto real del sistema se da cuando las características fundamentalmente opuestas, a saber, el accionamiento y el frenado de la rueda polar, se complementan entre sí. El número de ciclos de accionamiento y frenado por revolución determina el número de extensiones de polo de la rueda polar (Fig. 6) y el número de cavidades en el anillo de inducción (Fig. 7). Los bordes de las extensiones de polo de los anillos polares (Fig. 5, posiciones 31 y 32) se encuentran preferiblemente frente a los bordes de las cavidades del anillo de inducción (Fig. 7 posición 36). La posición angular de los respectivos bordes entre sí determina la diferencia entre el par de frenado y el de accionamiento (la posición angular de la extensión de polo del anillo polar que se muestra en la figura 9, por un lado, y los bordes de las cavidades del anillo de inducción, por el otro, son particularmente preferidos y por tanto la representación gráfica en la figura 9 también corresponde a la realización ejemplar específica de acuerdo con la invención). El par de accionamiento actúa hasta que el momento magnético entre las caras polares interior y exterior del anillo polar y las caras polares del anillo de inducción se neutraliza (m = 0) (Fig. 9). Después de eso, la energía de frenado actúa en la dirección opuesta. La mayor eficiencia energética prevalece cuando ambos ciclos están en equilibrio temporal y cinético (Ai ± Ekin = 0). Si el equilibrio temporal desaparece en un desequilibrio temporal y cinético (Ai ± Ekin ^ 0) en la dirección del par de frenado, la eficiencia energética disminuye y, por el contrario, aumenta la eficiencia energética.

Idealmente, la relación entre accionamiento y frenado es de 1:1,03 a favor del frenado. El exceso de freno significa que se puede ajustar la potencia de excitación completa y, por lo tanto, se puede solicitar la potencia de calentamiento máxima. Cuanto mayor sea la diferencia entre la energía de frenado y la energía de accionamiento, menor será la eficiencia energética del aparato calentador. Comprensiblemente, se debe suministrar más energía de accionamiento externa al sistema para que se mantenga la función.

En el ciclo de accionamiento, se obtiene energía cinética adicional de la inercia de todos los componentes giratorios, lo que aumenta la velocidad actual de la energía de accionamiento en consecuencia. La energía de rotación (o la inercia de la masa giratoria) contrarresta permanentemente la energía de frenado.

Si la potencia de accionamiento supera la potencia de frenado, incluida la pérdida de potencia (fricción de los cojinetes y pérdidas de circulación de aire), la rueda polar acelera constantemente hasta sobrepasar la velocidad de rotación crítica y el calentador se dañaría. Por esta razón, la potencia de excitación debe reducirse hasta que la velocidad de rotación se ajuste al nivel especificado. Esto da como resultado una cantidad de la potencia de calentamiento que se comporta de manera equivalente a la diferencia entre la potencia de frenado más la potencia de pérdida y la potencia de accionamiento. También es inventivamente concebible frenar la rueda polar y, a su vez, devolver la energía obtenida al sistema. Para ello se utiliza un dispositivo adicional, en el que el medio de transferencia de calor se inyecta en el entrehierro entre la rueda polar y el anillo de inducción y, por lo tanto, se frena por medio de resistencia por fricción. La cantidad de líquido inyectado se puede ajustar hasta coincidir exactamente con los requisitos mediante un controlador correspondiente (Fig. 2, posición 16).

También es inventivamente concebible usar un diseño radial en lugar del diseño axial preferido (Fig. 12, posición 68 a 75). Una desventaja del diseño radial son los costos de producción más altos. El principio de funcionamiento no difiere de la versión axial.

La invención también hace uso del efecto térmico de la bobina de excitación (Fig. 4, posición 29) y transfiere la energía térmica al sistema a través del circuito de refrigeración de la bobina.

Las bobinas de corriente continua son resistencias óhmicas que convierten el 100% de la energía eléctrica en energía térmica.

Para disipar el calor de manera eficiente a través del medio de transferencia de calor desde las fuentes de calor (fuentes de temperatura) anillo de inducción y rueda polar, la invención proporciona, por ejemplo, una bomba (Fig. 3, posición 24). La bomba está diseñada preferiblemente como una bomba de rotor G, un impulsor interno está conectado directamente a un controlador de adaptador (Fig. 2, posición 15) accionado a través del eje de la rueda polar.

Como medio de transferencia de calor en el circuito de calor del aparato calentador/intercambiador de calor (Fig. 2, posición 11 a 13) es preferiblemente adecuado un aceite de alta temperatura estandarizado y preferiblemente termoestable. También es concebible cualquier otro líquido lubricante. El aceite tiene la ventaja de que el cojinete y la bomba no tienen que lubricarse por separado y no es necesario sellar el aceite del agua. Además, el aceite tiene un punto de ebullición mucho más alto que el agua. El alto punto de ebullición del aceite permite altas temperaturas en el circuito de calor y por lo tanto no se genera sobrepresión. Esto ahorra ventajosamente costosas medidas de sobrepresión. También es concebible según la invención, con un diseño apropiado de los componentes y medidas de sellado contra sobrepresión, usar un medio de transferencia de calor con un punto de ebullición más bajo, por ejemplo, agua.

Además, la invención prevé cascadas de temperatura en el sistema calentador. El aparato calentador forma una cascada 1 con una posible temperatura del aceite de hasta 250 °C, el intercambiador de calor y la caja mezcladora forman una cascada 2 con una posible temperatura del agua de hasta 99 °C, el circuito de calor propiamente dicho forma una cascada 3 con una temperatura normal del agua de 30 - 60°C. Esto se basa en el hecho de que para generar el exceso de temperatura no se debe usar más energía, descontando una mayor energía de radiación de calor, que con las temperaturas de circulación normales actuales de 60°C como máximo. La tecnología de cascada también aumenta la eficiencia energética.

La transferencia de calor del aceite a alta temperatura en la primera cascada a otro medio, por ejemplo, el agua en la segunda cascada, tiene lugar a través de un intercambiador de calor convencional y para este propósito, en particular, se proporciona un separador de aceite y agua 13, de modo que los diversos circuitos de medios de calor no tengan conexión material entre sí y, por lo tanto, los medios de calor no se pueden mezclar entre sí.

Desde el punto de vista de las pérdidas por radiación de calor con tubería abierta, donde los mezcladores de agua y las bombas de circulación también están diseñados en un diseño abierto, la invención prevé un diseño más compacto en forma de caja mezcladora (Fig. 11, posiciones 56 y 57). El dispositivo mezclador de agua fría/caliente (Fig. 11, posiciones 61 a 63 y 64 a 66) y también las bombas de circulación (Fig. 11, posiciones 58 a 60) forman una unidad. A diferencia de las tuberías abiertas, este tipo de construcción puede protegerse contra la radiación de calor de manera mucho más eficiente. En comparación con las instalaciones convencionales, el diseño compacto de la caja mezcladora hace que el retorno del agua de los circuitos de calefacción al agua caliente de la cascada 2 se controle mediante una válvula de retención (Fig. 16, posiciones 79 a 86). La válvula de retención evita que el agua fría del retorno se mezcle directamente con el agua caliente del depósito del intercambiador de calor, sino que fluya a través del dispositivo mezclador.

La cubierta protectora (Fig. 1, posición 8) con un revestimiento termoaislante reduce adicionalmente la radiación térmica del dispositivo calentador según la invención.

La invención se basa en el hecho de que se debe suministrar energía eléctrica y cinética externa de forma permanente. Un motor eléctrico convencional (Fig. 2, posición 14) sirve preferentemente como un suministrador de energía eléctrica - cinética. También es concebible elegir cualquier otra forma de suministrador de energía cinética externa, por ejemplo, motor de combustión. El motor acelera la rueda polar a una velocidad de rotación predeterminada (efectiva), preferiblemente 3000 rpm. La tarea principal del motor es producir permanentemente la energía cinética diferencial entre el frenado y el accionamiento. Si el exceso de energía tiende en el sentido de frenado, el motor está activo; si el exceso de energía tiende en el sentido de activación, el motor está inactivo.

El motor está preferentemente refrigerado por líquido y el circuito de refrigeración del motor está, por ejemplo, integrado en el circuito de calor. Por lo tanto, esta pérdida de energía también se puede utilizar para el sistema calentador.

La corriente continua se proporciona como suministro de energía electromagnética. Tanto el motor eléctrico como la bobina de corriente continua utilizan preferentemente una fuente de alimentación estándar como fuente. El origen de la fuente de energía no es objeto de la invención. Sin embargo, se prefiere una fuente de energía regenerativa.

3000 rpm es una velocidad de rotación preferida que resulta de motores eléctricos de 2 polos a una frecuencia de red de 50 Hz sin medidas de control. También es inventivamente concebible aumentar o reducir la velocidad de rotación, por ejemplo, mediante un control del convertidor. Cuando se trata de reducción de velocidad de rotación, esto no representa un problema energético, ya que las pérdidas por histéresis en el motor eléctrico se reducen al reducir la frecuencia, lo que beneficia al sistema. Si se aumenta la velocidad, las medidas mecánicas son más ventajosas. Cuando se aumenta la velocidad por medio de conversión de frecuencia de un convertidor, aumentan las pérdidas en el núcleo y la corriente de excitación en el motor eléctrico. Esto significa un mayor consumo de energía que el uso de energía. Por lo tanto, la invención puede utilizar una transmisión mecánica (Fig. 15, posiciones 76 a 78), preferiblemente como engranaje planetario. En el lado de entrada, el engranaje toma el eje de transmisión del accionamiento y, en el lado de salida, acciona directamente la rueda polar, por ejemplo.

La invención ve en el aumento de velocidad un aumento en la producción de calor con la misma cantidad. A diferencia de las máquinas eléctricas, donde las pérdidas por histéresis aumentan como resultado del aumento de la frecuencia y la eficiencia energética disminuye, aquí aumenta la densidad de corrientes de Foucault y, por lo tanto, también la eficiencia térmica.

También es concebible aumentar la eficiencia del calentador utilizando un software de autoaprendizaje y ajustarlo permanentemente. Con los "sistemas calentadores" convencionales en los que se queman fuentes de energía fósiles o renovables, se puede influir sobre la temperatura de combustión solo ligeramente o nada en absoluto. Esto también se aplica a las bombas de calor y la tecnología solar, aquí también la energía almacenada en el medio portador aire, agua, tierra y sol no puede ser influenciada por el propio aparato calentador.

La situación según la invención es diferente a la de los sistemas mencionados anteriormente. Aquí, un aumento en la eficiencia energética es muy posible mediante la intervención en estructuras mecánicas y físicas básicas. Con el motor eléctrico, la energía eléctrica primaria se puede influir de manera efectiva a través de la velocidad de rotación y el comportamiento de la carga. Lo mismo se aplica al aparato calentador, donde también hay oportunidades para aumentar la eficiencia energética. Es fácil averiguar a qué velocidad de rotación las pérdidas por histéresis son las más pequeñas, se da la mayor profundidad de penetración magnética y se obtienen las mejores características de corriente de Foucault. La suma de todos los factores da como resultado una mejora adicional en la eficiencia energética.

La eficiencia del calentador de inducción rotatorio según la invención con un excitador de corriente continua es como máximo del 98%, son inevitables algunas pérdidas por convección.

El objetivo de la invención es conseguir una alta eficiencia energética (coeficiente de rendimiento o TTA - tiempo de trabajo anual) >10. El alto coeficiente de rendimiento se basa en un potencial magnético caracterizado en el hierro (potencial vectorial intB * Hdiv o intH * Bdiv) procedente de la excitación por corriente continua, que se convierte en energía cinética en el sistema en forma de fuerza magnética F=F^e+ F^b. Además, hay energía cinética del accionamiento para mantener la rueda polar en funcionamiento.

Ambos juntos dan como resultado energía cinética menos las pérdidas de accionamiento.

Esta energía cinética se divide a su vez en energía de accionamiento y de frenado. Esto da como resultado un delta (diferente), a partir del cual se calcula la cantidad de energía (o potencia) externa a introducir.

Para que el sistema pueda llevarse a cabo de la mejor manera posible, el material magnético, el campo magnético constante y la conversión de un campo magnético constante en un campo magnético variable mediante el dispositivo mecánico juegan un papel fundamental.

Una curva de histéresis estrecha resulta de la alta saturación magnética debido a la baja intensidad del campo magnético. La curva de histéresis estrecha significa que el potencial magnético es pequeño. Por el contrario, cuanto mayor sea el potencial magnético, mayor será la potencia de excitación externa a introducir (corriente x tensión) y, por tanto, la reducción del tiempo de potencia.

Asimismo, un alto potencial magnético también provoca altas pérdidas por histéresis (pérdidas por inversión magnética), que en el sistema reducen de manera desventajosa las características de las corrientes de Foucault en el anillo de inducción, pero tienen solo efectos menores en el sistema.

Según la ley de Ohm, la densidad de corrientes de Foucault determina la densidad de potencia térmica.

He aquí algunos ejemplos: se puede lograr un coeficiente de rendimiento >10 con hierro puro. Placa de transformador o acero fundido se puede alcanzar un coeficiente de rendimiento de 1,5 como máximo, con chapa de acero aleado se consigue como máximo un coeficiente de rendimiento de 1,3.

El valor magnético del hierro puro en comparación con los materiales magnéticos convencionales:

Para hierro puro se requiere alrededor de 10 A/m a 1,6 T (Tesla), para placas de transformador y acero fundido se requieren 4000 A/m a 1,6 Tesla, para láminas de acero aleado se requieren 6000 A/m a 1,6 Tesla, para hierro fundido a 1,2 Tesla se requieren 21000 A/m.

La lista deja en claro cuánta potencia de excitación más se requiere para alcanzar la densidad de flujo magnético de 1,6 T (Tesla) con el mismo número de vueltas.

Como se mencionó, el hierro puro tiene un grado de saturación muy alto (2,5 T a 1,7 T para la placa de transformador), una curva de histéresis estrecha y un potencial magnético bajo. Esto lleva a la conclusión de que el hierro puro solo puede magnetizarse utilizando un campo constante, porque el campo alterno, según la ley de inducción, da como resultado una contrainducción casi equivalente a la inducción. Fluye una baja corriente de excitación y el campo magnético pierde seriamente su valor.

Si el campo magnético variable es generado por un componente mecánico, la bobina no está sujeta a ninguna inducción / contrainducción. En contraste con esto, las bajas pérdidas por histéresis permiten un alto desarrollo de corrientes de Foucault y el alto rendimiento térmico resultante.

La geometría de la rueda polar y el anillo de inducción juegan un papel igualmente importante. Esta determina la relación entre accionamiento y frenado. Debido a que solo el delta determina la energía cinética a aplicar, es importante lograr un delta lo más pequeño posible. La cantidad de energía cinética interna resultante de la fuerza magnética no tiene influencia en el coeficiente de rendimiento y también es irrelevante en este caso. Solo las corrientes de Foucault determinan la energía térmica y no la energía cinética. Asimismo, debido a la subordinación vectorial en la geometría, las corrientes de Foucault también determinan la energía potencial a partir del momento magnético (Epot = -m x B = -m B cos 0 )

Esto significa que no existe una conexión directa entre el momento magnético y el par. Esta libertad también se busca porque determina el nivel de eficiencia del desempeño.

El hierro puro como material magnético ideal se caracteriza en particular por el hecho de que la saturación magnética y la permeabilidad son muy altas. También hay otros materiales magnéticos de alta frecuencia que se acercan mucho al hierro puro. Por lo tanto, de acuerdo con la presente solicitud, los términos hierro puro también incluyen materiales que tienen una saturación magnética de >1.5T y una permeabilidad inicial >6000.

La figura 12 muestra un diseño alternativo del anillo de inducción, pero no con un flujo magnético axial como antes (ver figura 10), sino con un flujo magnético radial.

El anillo de inducción 68 tiene una mitad de rotor de garras trasera 69 y una mitad de rotor de garras delantera 70 que se puede atornillar, que forman la rueda polar y que a su vez alojan un núcleo polar 71 con una bobina de excitación 72, un cojinete móvil 73 y un cojinete de apoyo 74 y así forman un anillo magnético con una bobina de corriente continua.

La figura 13 muestra un ejemplo de un diagrama amplio de par/par de frenado en el que se muestra el curso del par, del par de frenado, de la corriente de excitación (de la bobina de corriente continua) y de la velocidad de rotación. Por ejemplo, la relación entre el par de accionamiento y el par de frenado es de aproximadamente 1 a 3,45 a favor del frenado.

Un ejemplo según la figura 14 es una modificación de la relación entre el par de accionamiento y el par de frenado en la relación de 1 a 1,102 a favor del frenado.

Puede verse que, cambiando las proporciones del par de accionamiento al par de frenado, el control del dispositivo y, por lo tanto, también la generación de la potencia de calentamiento puede verse significativamente influenciada. Como se indicó anteriormente, el dispositivo de calentamiento según la invención se caracteriza por una estructura de varias partes de componentes dispuestos axialmente uno detrás del otro, a saber, un anillo magnético con una bobina de corriente continua, una rueda polar y un anillo de inducción, donde el anillo magnético y el anillo de inducción estando diseñado para ser estacionarios, mientras que la rueda polar está diseñada para ser giratoria y, por lo tanto, entre el anillo magnético se forma un campo magnético constante con la rueda polar, mientras que un campo magnético variable se forma entre la rueda polar y el anillo de inducción.

Signo de referencia

1 Aparato calentador con intercambiador de calor

2 Caja mezcladora para tratamiento de agua fría/caliente

3 Marco de base

4 Estera de aislamiento térmico y acústico

5 Electrónica de control

6 Pared posterior

7 Estera de aislamiento térmico y acústico para la pared posterior

8 Cubierta de aislamiento térmico y acústico

9 Elemento de visualización y control

10 Aparato calentador

11 Carcasa superior del intercambiador de calor

12 Carcasa inferior del intercambiador de calor

13 Separador de agua -aceite

14 Motor de arranque

15 Acoplador aparato calentador - motor de arranque

16 Regulador de volumen de inyección de aceite

17 Carcasa de aparato calentador

18 Anillo de inducción

19 Rueda polar

Anillo magnético con bobina de corriente continua

Cubo de cojinete de soporte

Cojinete de soporte

Cojinete de soporte de tuerca de sujeción

Bomba de aceite

Cojinete guía

Tuerca de sujeción de cojinete guía

Cubierta frontal

Anillo magnético

Bobina de corriente continua

Portador de anillo polar con muñón de cojinete

Anillo polar exterior

Anillo polar interior

Rueda polar

Engranaje solar engranaje planetario

Muñón de recepción de cojinete guía

Anillo de inducción cuerpo magnético

Anillo de inducción cuerpo de relleno (no magnético)

Depresiones para la interrupción del campo magnético

Disco integrado hecho de material conductor eléctrico y térmico

Perfilado ranurado para aumentar la superficie de convección

Depresión en el anillo de inducción.

Extensión de polo en el interior del anillo polar

Extensiones de polo en el exterior del anillo polar

Superficie de salida del campo magnético en el anillo magnético (campo constante) Superficie de entrada del campo magnético en el anillo magnético (campo constante) Superficie de entrada del campo magnético en la rueda polar (campo constante) Superficie de salida del campo magnético en la rueda polar (campo constante) Superficie de salida del campo magnético en el anillo exterior de la rueda polar (campo alterno) Superficie de salida del campo magnético en el anillo interior de la rueda polar (campo alterno) Superficie de entrada del campo magnético en el anillo de inducción (campo alterno) Zona de campo magnético constante

Zona de campo magnético variable

Disposición estática de anillo magnético

Disposición estática del anillo de inducción

Disposición dinámico de rueda polar

Carcasa frontal de caja mezcladora

Carcasa trasera de caja mezcladora

Bomba de circulación circuito de calor 1

Bomba de circulación circuito de calor 2

Bomba de circulación de caldera

Pistón mezclador de circuito de calor 1

Pistón mezclador de circuito de calor 2

Caldera de pistón mezclador de circuito de calor Actuador pistón mezclador circuito de calor 1

Actuador pistón mezclador circuito de calor 2

Actuador de caldera de pistón mezclador de circuito de calor Mezclador de agua con válvula antirretorno

Anillo de inducción

Mitad trasera del rotor de garras

Mitad delantera del rotor de garras

Núcleo polar

Bobina de excitación

Cojinete flotante

Cojinete de soporte

Tornillo de rotor de garras

Engranaje solar

Corona dentada

Conjunto de engranajes planetarios

Ajuste de la válvula

Pistón de la válvula

Resorte de válvula

Arandela de presión

Sellado

Tuerca de sujeción

Cascada 3 agua fría del retorno de los circuitos de calor 1 y 2 Depósito de agua caliente en cascada 2

Ranura en el anillo magnético

Tira de chapa

Conector de alimentación para bobina de corriente continua Apertura en el anillo magnético

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un calentador de inducción rotatorio con excitación por corriente continua para calentar sustancias sólidas o líquidas o gaseosas, donde con una bobina de corriente continua (29) se genera un campo magnético constante y este campo magnético constante se convierte en un campo magnético variable por medio de un componente mecánico giratorio (19, 30-32), donde el calentador de inducción giratorio tiene un anillo magnético (28) y la bobina de corriente continua (29) para generar el campo magnético constante es recibida en el anillo magnético (28), donde el anillo magnético (28) está unido fijamente a la carcasa (17) del calentador de inducción rotatorio, donde al anillo magnético (28) se une en dirección axial una rueda polar giratoria (19), donde un componente fijo, en concreto un anillo de inducción (18), está unido fijamente a la rueda polar (19) en dirección axial,

caracterizado porque la rueda polar (19) tiene un anillo polar interior (32) y un anillo polar exterior (31), y porque el campo magnético constante se forma entre el anillo magnético (28) y la rueda polar (19) y el campo magnético variable para generar calor inductivo se forma entre la rueda polar (19) y el anillo de inducción (18).

2. Calentador rotatorio de inducción según la reivindicación 1, caracterizado porque el campo magnético constante generado por la bobina de corriente continua (29) se convierte en un campo magnético variable por medio de una pieza mecánica giratoria, en concreto la rueda polar (19).

3. Calentador de inducción rotatorio con excitación por corriente continua según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque para la transformación del campo magnético constante en un campo magnético variable por medio de un componente mecánico se requiere energía cinética, y la energía total cinética se divide en energía de accionamiento y energía de frenado, donde la energía total cinética se convierte preferiblemente en energía eléctrica en forma de corrientes de Foucault y preferiblemente la energía eléctrica en corrientes de Foucault se convierte completamente, o en la medida de lo posible, en calor.

4. Calentador rotatorio de inducción con excitación por corriente continua según la reivindicación 1 a 3, caracterizado porque el calor se produce principalmente en el anillo de inducción (18) y secundariamente en la rueda polar (19, 33).

5. Calentador rotatorio de inducción con excitación por corriente continua según la reivindicación 4, caracterizado porque el calor se transfiere desde el anillo de inducción (18) y la rueda polar (19, 33) a sustancias líquidas o gaseosas.

6. Calentador rotatorio de inducción con excitación por corriente continua según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la energía diferencial cinética para mantener la rotación de la rueda polar (19, 33) se aplica mediante un accionamiento externo (14), preferentemente un motor eléctrico.

7. El calentador de inducción rotatorio con excitación por corriente continua según la reivindicación 6, caracterizado porque el calor se transfiere en al menos una cascada (11-13), se prefieren tres, desde la región más caliente hacia la región más fría, donde preferiblemente la técnica de cascada aumenta la eficiencia energética.

8. Calentador de inducción rotatorio con excitación por corriente continua según la reivindicación 7, caracterizado porque en una primera cascada se usa preferiblemente aceite a alta temperatura como medio de transferencia de calor y el calentamiento es posible preferiblemente hasta 250 °C sin formación de vapor.

9. El calentador de inducción rotatorio con excitación por corriente continua según la reivindicación 7 u 8, caracterizado porque los medios de transferencia de calor en la primera cascada y una segunda cascada están separados espacialmente entre sí por un componente (13), por ejemplo, un dispositivo separador de agua-aceite, de un material conductor de calor que sirve mejor al sistema, que posiblemente puede configurarse como un buen o mal conductor de calor.

10. Calentador de inducción rotatorio con excitación por corriente continua según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque un dispositivo mezclador de agua fría - caliente con bomba de circulación y el dispositivo mezclador de agua fría - caliente están integrados en el sistema calentador por motivos de radiación térmica.

11. Calentador de inducción rotatorio con excitación por corriente continua según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque una válvula de retención impide la mezcla de agua caliente de un depósito en la segunda cascada y agua fría del retorno de una tercera cascada, y la mezcla de agua caliente y fría tiene lugar por medio de un dispositivo mezclador.

12. Calentador rotatorio de inducción con excitación por corriente continua según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, mediante un elemento de control del control electrónico y mediante un software un autoaprendizaje para modificar secuencias de control, se consigue una mejora de la eficiencia energética.

13. El calentador de inducción rotatorio con excitación por corriente continua según una de las reivindicaciones anteriores, donde el componente mecánico estático comprende un anillo de inducción (18), que tiene depresiones (38), que consisten en un material ferromagnético, en concreto, hierro puro o algún otro material con la misma valencia, o poca diferencia, que el material sólido.