Bezeichnung der Erfindung

Induktionsheizung für insbesondere Gebäude und Verfahren zum Heizen mit elektrischer Induktion

Beschreibung

(001) Die Erfindung betrifft Heizungen für Gebäude, Wohngebäude oder andere Objekte, die den Wärmeträger in einem Behälter mittels elektrischer Induktion erwärmen. Der Wärmeträger, überwiegend Wasser oder Öl, überträgt die aufgenommene Wärme über ein Rohrsystem und Heizkörper bzw. Flächenheizungen an die einzelnen Räume (Zentralheizung) . Weiterhin wird ein

Verfahren zum Erhitzen mittels elektrischer Induktion

vorgeschlagen.

Stand der Technik

(002) Die Induktionserwärmung in der Technik zur Aufheizung von Metallen, wie Stangen, Blöcken, Bolzen zum Wärmungsformen oder Walzen, ist wohlbekannt und wirtschaftlich eingesetzt. Die Erwärmungsformentemperatur ist für die verschiedenen Werkstoffe unterschiedlich, z. B., für Stahl zwischen 800° C und 1250° C, für Aluminium zwischen 400° C und 550° C und für Kupfer zwischen 850° C und 950° C.

(003) Für solche Temperaturen werden die Induktionsspulen mit oszillierendem Strom bei 1 kHz Frequenz bestromt. Stromfrequenzen bis 10 kHz sind in großen Anlagen für schnelle Erwärmung von großen Stahlblöcken im Einsatz. (004) Im Stand der Technik ist Induktionskochen für Lebensmittel ebenfalls bekannt. Von einer Induktionsspule wird eine elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz von 25 kHz ausgesendet. Im Boden des Kochgeschirrs wird die Energie in Wärme umgesetzt. In der Metallmasse entstehende Wirbelströme rufen in dem Material eine Erwärmung hervor.

(005) Im Stand der Technik sind auch Heizungen für Wohngebäude mit einer Induktionsheizung bekannt. Gemäß der DE 2117103 AI wird ein metallischer Block durch eine diesen umgebende Spule mit Wechselstrom höherer Frequenz bestromt. Durch die in dem Block entstehenden Wirbelströme erhitzt sich dieser und gibt die Wärme an den Wärmeträger in einem Heizkreislauf ab. Die Vorrichtung besteht aus einer klassischen Induktionsspule 11, die mit Wirkstrom arbeitet und einen entsprechend hohem

Stromverbrauch besitzt. Weiterhin ist die Wärmeübertragung von dem metallischen Block zum Heizmedium mit Wärmeverlusten verbunden. Der erstrebte Vorteil der Nutzung von Nachtstrom ist durch die aktuelle Kraftwerkstechnik, bzw. den Kosten für Nachtstrom unbedeutend.

(006) Schließlich ist durch die EP 1694726 Bl auch bekannt, durch zusätzliche Oberwellen im Wechselstrom für die

Induktionsspule die Effektivität und Steuerbarkeit der

Erhitzung zu verbessen. Diese erfordern aber eine spezielle Stromquelle mit aufwendiger Schaltung.

(007) Die genannte Induktionserwärmung hat große wirtschaftliche Bedeutung. Das Defizit dieser Verfahren und

Vorrichtungen liegt im Bereich des enorm großen Energieverbrauchs. Der Wirkungsgrad ist niedrig. Das ist der Grund, warum jene Verfahren und Vorrichtungen als Heizung in Büro-, Wohn- und anderen Gebäuden bisher nicht eingesetzt wurden.

Aufgabe der Erfindung

(008) Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Induktionsheizung für insbesondere Gebäude und ein Verfahrens zum Heizen mit elektrischer Induktion zu schaffen, die mit einem wesentlich höheren Wirkungsgrad als alle bisherigen Systeme in der Haustechnik und in der Wirtschaft einsetzbar ist und dass zu wesentlich günstigeren Kosten. Eine weitere Aufgabe ist es, den technischen Aufwand zu senken und die Wartung günstig zu gestalten.

(009) Diese Aufgaben werden bei einer Induktionsheizung, bestehend aus Induktionsspulen (Feldspulen), denen mindestens ein metallischer Behälter (26) mit Wärmeträger (20)

zugeordnet ist, der mit einem Heizungskreislauf mit

Heizkörper, bzw. Flächenheizung verbunden ist, gemäß Anspruch 1 gelöst.

(0010) Demnach ist an einem Magnetkern (21) aus weichem magnetischem Material eine Mehrzahl von Feldspulen (22, 23, 24, 25) angeordnet, die mit kapazitiver Wicklung gewickelt, an einen Frequenzgenerator (29) angeschlossen sind und mit oszillierendem elektrischem Blindstrom bestromt werden. Um alle Feldspulen (22, 23, 24, 25) ist ein metallischer

Behälter (26) mit Wärmeträger (20) angeordnet, an dem ein Heizungskreislauf mit Zufluss (31) und Abfluss (32)

angeschlossen ist.

(0011) Durch die Feldspulen (22, 23, 24, 25) fließt kapazitiver Blindstrom, der gemäß dem Biot-Savartschen Gesetz magnetische Feldstärke erzeugt. Von den diesen wird radial in die Wände des Behälters (26) ein oszillierendes magnetisches Streufeld ausgestrahlt, wodurch die entstehenden Wirbelströme den Behälter (26) aus Metall erwärmen. Das ist die induktive Erwärmung, welche an die Heizungsanlage übertragen wird.

(0012) Wesentlich ist, dass der Hochfrequenzstrom im

Verhältnis zur oszillierenden Spannung mit großer

Phasenverschiebung, d. h., mit einem sehr niedrigen cos φ durch die Feldspulen (22, 23, 24, 25) fließt. Dieser Strom ist als Blindstrom bekannt. Da die genutzten Wirbelströme ganz überwiegend mit dem Blindstrom erzeugt werden, ist der Verbrauch an Wirkstrom sehr gering. Dementsprechend können die Stromverbrauchskosten wesentlich gesenkt werden.

Der metallische Behälter (26) ist durch Leitungen an die

Heizungsanlage angeschlossen. Der erwärmte Wärmeträger (20), z. B. Heizungswasser, wird in bekannter Art und Weise mittels einer Pumpe durch die Heizkörper gepumpt.

(0013) Entsprechend einer günstigen Ausführung nach

Anspruch 2 sind alle Feldspulen (22, 23, 24, 25) elektrisch so geschaltet, dass jede zu ihrer benachbarten Feldspule (22, 24, und 23, 25) mit gleichartiger magnetischer Polarität gegeneinander orientiert ist.

Dadurch wird ein homogenes und starkes oszillierendes

magnetisches Streufeld erzeugt, das starke Wirbelströme im metallischen Behälter (26) induziert.

(0014) Gemäß einer weiteren Ausführung nach Anspruch 3 sind alle Feldspulen (22, 23, 24, 25) elektrisch parallel an den Frequenzgenerator (29) durch Anschlüsse (27, 28)

angeschlossen .

Durch die Parallelschaltung werden alle Feldspulen (22, 23, 24, 25) gleichmäßig elektrisch belastet, bzw. versorgt und ein gleichmäßiges, oszillierendes magnetisches Streufeld erzeugt .

(0015) Entsprechend einer günstigen Ausführung der

Feldspulen (22, 23, 24, 25) gemäß Anspruch 4 sind die

kapazitiven Wicklungen als Bandkondensatoren ausgeführt. In denen sind mindestens je zwei parallel angeordnete elektrisch isolierte Leiter zu einer Spule gewickelt und am Anfang und am Ende der Feldspulen (22, 23, 24, 25) die zwei Leiter durch je einen elektrischen Kondensator (30) verbunden. Ein Leiter ist am Anfang der Feldspulen (22, 23, 24, 25) und der zweite Leiter am Ende mit je einem Pol des oszillierenden

Frequenzgenerators (29) verbunden. Diese spezielle Wicklung erzeugt eine hohe Kapazität bei gleichzeitiger Stromfestigkeit und ermöglicht dadurch einen hohen Blindstrom.

(0016) Gemäß Anspruch 5 beträgt die Frequenz des

oszillierenden Frequenzgenerators (29) zwischen 50 Hz und 50 kHz.

Eine optimal auf die Feldspulen (22, 23, 24, 25) und den metallischen Behälter (26) abgestimmte Frequenz ermöglicht ein starkes oszillierendes elektro-magnetisches Streufeld. Geringere oder höhere Frequenzen vermindern den Wirkungsgrad.

(0017) Eine bevorzugte Ausführung nach Anspruch 6 schlägt vor, dass der metallische Behälter (26) zylinderförmig bis quaderförmig und doppelwandig für die Aufnahme des

Wärmeträgers (20) zwischen den Wandungen ausgebildet ist. Der Magnetkern (21) mit den Feldspulen (22, 23, 24, 25) ist dabei zwischen den Innenwandungen angeordnet.

Durch diese Anordnung wirkt das oszillierende elektromagnetisches Streufeld unmittelbar und allseitig auf die Wandung des metallischen Behälters (26) ein. Die

Leistungsverluste sind dadurch gering und eine Ausbreitung des oszillierenden elektromagnetischen Streufeldes in die Umgebung wird vermindert.

(0018) Entsprechend einer günstigen Anordnung der

Feldspulen (22, 23, 24, 25) gemäß Anspruch 7 sind diese jeweils mit minimalem Abstand von 3 mm bis 20 mm an den

Innenwandungen des metallische Behälters (26) und die am Magnetkern (21) gegenüberliegenden Feldspulen (22, 23 und 24, 25) mit einen Abstand entsprechend ihrem Durchmesser

angeordnet .

Diese Anordnung bewirkt eine optimale Ausbreitung des

oszillierenden elektromagnetischen Streufeldes in die Wandung des Behälters (26) . Andererseits wird noch eine ausreichende Wärmedämmung zwischen dem metallischen Behälters (26) und den Feldspulen (22, 23, 24, 25) ermöglicht. (0019) Eine weitere Variante nach Anspruch 8 schlägt vor, dass zwischen dem metallischen Behälter (26) und den

Feldspulen (22, 23, 24, 25) und an dessen Außenwandung wärmedämmendes Material (33) angeordnet ist.

Die Dämmung zu den Feldspulen (22, 23, 24, 25 ) verhindert einen starken Wärmeübergang auf diese und damit eine

Überhitzung. Die äußere Dämmung vermindert die

Wärmeabstrahlung an die Umgebung des Behälters (26) .

(0020) In der Ausführung nach Anspruch 9 wird

vorgeschlagen, dass anstelle des Behälters (26) um den

Magnetkern (21) mit Feldspulen (22, 23, 24, 25) ein

metallisches Rohr, für die Aufnahme des Wärmeträgers

spiralartig gewickelt ist.

Diese Ausführung eignet sich besonders für kleinere

Leistungen .

(0021) Verfahrensanspruch 10 zum Heizen von insbesondere Gebäude, schlägt ein dieser Induktionsheizung zugrunde liegendes allgemeines Verfahren vor, gemäß dem mittels induktiven Feldspulen (22, 23, 24, 25) mit kapazitiver

Doppelwicklung auf einem Magnetkern (21) aus weichem

magnetischem Material und einem oszillierenden

Frequenzgenerator (29) ein großer Blindstrom erzeugt wird. Durch gegeneinander orientierte gleichartige magnetische Polarität der benachbarten Feldspulen (22, 24 und 23, 25) wird ein starkes magnetisches Streufeld erzeugt. Dieses induziert in einem benachbarten metallischen Behälter (26) mit Wärmeträger (20) elektrische Wirbelströme, die wiederum eine Erhitzung des metallischen Behälters (26) mit dem

Wärmeträger (20) bewirken.

(0022) Eine derartige Erzeugung und Nutzung des

elektrischen Blindstromes für eine induktive Heizung für insbesondere Gebäude ist neu und erfordert wesentlich weniger elektrische Energie. Weiterhin ist diese Heizung einfach im Aufbau, langlebig und robust. Eine Umsetzung dieses Verfahrens außerhalb der Ansprüche 1 bis 9 ist möglich und fällt deshalb unter diesen Anspruch. (0023) In einer Verfahrensvariante nach Anspruch 11 wird vorgeschlagen, die Kapazität der induktiven Feldspulen (22, 23, 24, 25) im Verhältnis zu ihrem ohmschen Widerstand so hoch zu gestalten, dass ein Phasenverschiebungswinkel cos φ von unter 0,2 erreicht wird.

Je kleiner der Wert von cos φ gestaltet werden kann, umso größer ist die Effektivität des Verfahrens durch den erzielten höheren Blindstrom.

Beispiele

(0024) Die neue Induktionsheizung wird zu ihrer

Durchführung nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

(0025) Es zeigt schematisch:

Fig. 1 in Seitenansicht und teilweise im Querschnitt ein

Magnetkern 21 mit vier Feldspulen 22, 23, 24, 25 und einen zylindrischen Behälter 26 und isolierende Wärmedämmung sowie Zufluss 31 und Abfluss 32 für den Wärmeträger 20;

Fig. 2 ein Schema mit einem Elektromagnet mit vier Feldspulen und einen kapazitiven elektrischen Schaltkreis, angeschlossen an einen Frequenzgenerator 29.

(0026) Das Grundprinzip der vorliegenden Induktionsheizung ist in Fig. 1 veranschaulicht. Die Erwärmung des Wärmeträgers 20, z. B. Heizungswasser, findet in einem zylindrischen

Behälter 26 mit Wasser statt, der um den Magnetkern 21 mit den Feldspulen 22, 23, 24, 25 angeordnet ist. Alle Feldspulen 22, 23, 24, 25 sind durch elektrische Anschlüsse 27, 28, Fig. 2, am Frequenzgenerator 29 angeschlossen. Alle elektrischen

Kondensatoren 30, sind gemäß dem Stand der Technik an den Feldspulen 22, 23, 24, 25 angeschlossen. Der gesamte

elektrische Schaltkreis ist in Fig. 2 übersichtlich

dargestellt . (0027 ) Es ist von wichtiger Bedeutung, dass alle benachbarten Feldspulen (22, 24 und 23, 25) mit der

gleichartigen Polarität gegeneinander orientiert sind, was in Fig. 1 mit den Symbolen N-S veranschaulicht ist. Mit jeder halben Periode des oszillierenden elektrischen Stromes in den Feldspulen 22, 23, 24, 25 wird die Richtung des Magnetfeldes geändert, wobei die magnetische Polarität immer gegeneinander gerichtet ist. Ein so entstehendes magnetisches Streufeld fließt von allen Spulen 22, 23, 24, 25 durch die metallischen Wände des Behälters 26 und die entstehenden elektrischen

Wirbelströme erwärmen die ganze Masse des Behälters 26. Die Energie von den Wirbelströmen wird in Wärme umgesetzt und an den Wärmeträger 20, bzw. das Heizungswasser übertragen.

(0028 ) Durch den Zufluss 31 in Fig. 1 fließt das

Heizungswasser in den Behälter 26 und durch den Abfluss 32 fließt das Heizungswasser in die Heizungsanlage. Dieser

Heizungswasserkreislauf ist im Stand der Technik wohl bekannt. Zwischen den Feldspulen 22, 23, 24, 25 und dem Behälter 26 ist wärmedämmendes Material 33 angeordnet. Eine Dämmung der

Außenwände ist ebenfalls sinnvoll, aber hier nicht

dargestellt .

(0029) Die Induktionsheizung gemäß der Erfindung wird mit elektrischem Blindstrom betrieben. In der Heizungstechnik ist ein solches Verfahren unbekannt. In der Weltwirtschaft hat eine solche Erfindung enorme Bedeutung.

(0030) Die Energiebilanz ist mit den nachstehenden

mathematischen Gleichungen leicht zu verstehen:

I = V (2 Π f c) [1]

VA + W = V ² (2 Π f C) [2]

W = [V ² (2 Π f c ) ] cos φ [3] Symbole in Gleichungen [1, 2, 3] i = kapazitiver Blindstrom

V = elektrische Spannung an Kondensator 30

Π = Ludolfsche Zahl f = Frequenz des Stromes und der Spannung

C = Gesamtkapazität von allen Kondensatoren 30 cos φ = Phasenverschiebung zwischen Spannung und

Strom

(0031) Mittels Gleichung [1] ist der kapazitive Blindstrom, der als Verschiebungsstrom in allen Kondensatoren 30 fließt, errechenbar. Es gehört zum fundamentalen Wissen, dass

fließender Verschiebungsstrom in elektrischen Kondensatoren keine elektrische Energie verbraucht.

(0032) Mit Gleichung [2] ist die Blindleistung VA zusammen mit der Wirkleistung W, die in Feldspulen 22, 23, 24, 25 geleistet wird, ebenfalls leicht kalkulierbar.

(0033) Mittels Gleichung [3] ist die Wirkleistung W, die in den Feldspulen 22, 23, 24, 25 vorhanden ist, ebenso leicht errechenbar. Die Wirkleistung W in den genannten Feldspulen resultiert von der Ohmschen Last, die in dem Kupferdraht vorhanden ist. Diese Wirkleistung ist minimal, welches

Gleichung [3] klar definiert. Ein numerisches Beispiel

veranschaulicht die Energiebilanz von einer kleinen

Induktionsheizungsanlage mit Blindstrom: i =57 A

V =76 V

f =500Hz c = 240 F

cos cp = 0,092 gemäß Gleichung [2] VA + W = 4.355

gemäß Gleichung [3] W = 400

(0034) Eine so konstruierte experimentelle Einheit ist für 5.000 VA Blindleistung konzipiert. Größere Einheiten werden gemäß den gleichen physikalischen Regeln gebaut und die technischen Daten sind mit dem Vergrößerungsfaktor zu multiplizieren. Anstelle des Behälters 26 ist auch eine

Spirale aus Kupfer einsetzbar.

(0035) Es ist sinnvoll, dass die Einheiten im

wirtschaftlichen Einsatz im Bereich von 15.000 VA betrieben werden. Diese Leistung kann man mit allen Parametern

einstellen die in Gleichung [2] angeben sind. Eine derartige wirtschaftliche Leistung ist nur deshalb möglich, weil die Vorrichtung gemäß der Erfindung mit kapazitivem Blindstrom betrieben wird. Die Betriebskosten bezüglich Stromverbrauchs im Vergleich zum Stand der Technik liegen rechnerisch bei nur 10%. Die wirtschaftlichen und umweitschonenden Vorteile der hier beschriebenen Erfindung sind somit enorm groß.

Verzeichnis der Bezugszeichen Wärmeträger

Magnetkern

Feldspule/ kapazitive Spule

Feldspule/ kapazitive Spule

Feldspule/ kapazitive Spule

Feldspule/ kapazitive Spule

Behälter

elektrischer Anschluss

elektrischer Anschluss

Frequenzgenerator

Kondensatoren

Zufluss

Abfluss

wärmedämmendes Material