Verfahren und Vorrichtung zum Umwandeln elektrischer Energie in Wärmeenergie

Abstract

 Es Wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umsetzen von elektrischer Energie in Wärmeenergie angegeben. Wesentlich ist, daß eine ein Gehäuse (2) aufweisende Vorrichtung (1) im Inneren ein nach außen druck- und fluiddicht abgeschlossenes Dielektrikum (9) aufweist, das aus einer Mischung aus einem hochreinen Metall und aus destilliertem Wasser oder Transformatorenöl oder dgl. besteht. In das Innere des Gehäuses (2) ist mindestens eine Stabelektrode (11) mit Hilfe einer lsolierdurchführung (12) durchgeführt. Bei Verwendung zweier Stabelektroden (11) sind diese, bei Verwendung einer Stabelektrode (11) diese und das dann aus leitendem Werkstoff bestehende Gehäuse (2) als andere Elektrode mit einer Stromquelle (15) mit Steuerung (16) verbunden. Die Steuerung (16) steuert die Stromquelle (15) derart, daß in einer Anfangsbetriebsphase das Dielektrikum (9) zu Schwingungen mit Resonanzfrequenz erregt wird, und daß anschliessend nurmehr soviel Energie zugeführt wird, daß der Resonanzschwingungszustand des Dielektrikums (9) aufrechtefiaiten bleibt. Auf diese Weise wird das zu erwärmende Medium (14) erwärmt.
Die Erregung und Energiezufuhr kann mittels Gleichstrom oder Wechselstrom, vozugesweise hochfrequentem nicht-sinusförmigen Wechselstrom erfolgen. Eine Druckfest- igkeⁱt von mindestens 300 bar, vorzugsweise 1000 bar, und eine Temperaturfestigkeit von etwa 1000 °C sind anzustreben.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umwandeln von elektrischer Energie in Wärmeenergie, bei dem elektrische Energie einer Anordnung aus zwei festen Elektroden und einem Dielektrikum zwischen diesen zugeführt wird, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.

[0002] Verfahren und Vorrichtungen dieser Art sind seit längerem bekannt. Im einfachsten Fall handelt es sich bei dem Dielektrikum um einen festen Körper so daß dem Prinzip nach eine Widerstandsheizung gebildet ist. Elektrische Raumheizungen dieser Art besitzen jedoch vergleichsweise niedrigen Wirkungsgrad,so daß deren Verwendung selbst bei den derzeit außerordentlich hohen Kosten für fossile Brennstoffe bestenfalls als Zusatzheizung in Betracht gezogen werden. Bei der Behandlung von körnigem Schüttgut in einem Hochfrequenzfeld (vgl. DE-GM 17 10 650) oder bei der Behandlung und Verarbeitung hochabrasiver Werkstoffe in einem Hochfrequenzfeld (vgl. GB-PS 617 333) wurden diese Medien bereits als Dielektrikum verwendete wobei es wesentlich ist daß das Dielektrikum selbst zur Erwärmung gebracht wird. Irgendeine Anwendung für Heizzwecke ist weder beabsichtigt noch erfolgt sie tatsächlich. Vielmehr ist auch hier der Wirkungsgrad zu schlecht, als das das Prinzip bei der Erwärmung von beliebigen Umgebungen sinnvoll verwendet werden könnte.

[0003] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß ein bezüglich üblicher Raumheizungen mittels fossiler Brennstoffe konkurrenzfähiger Wirkungsgrad erreicht wird.

[0004] Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß einerseits wesentliche Bedeutung dem Dielektrikum zukommt und daß andererseits ein Verfahren angewendet werden kann, bei dem in einer Anfangsphase zwar hohe Energie zugeführt werden mußbei dem jedoch in einer Dauerbetriebsphase wesentlich weniger Energie zugeführt werden muß als üblich, so daß insgesamt zumindest nach einer bestimmten Zeit ein günstigerer Gesamtwirkungsgrad erreichbar ist.

[0005] Die Aufgabe wird bei dem Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

[0006] Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch die Merkmale der Ansprüche 2 oder 3 weitergebildet.

[0007] Bei der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird von üblichen Stabelektrodenheizungen (sog. Kathodenheizungen) ausgegangen, wobei die Lösung der Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs ⁴ erreicht wird.

[0008] Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird durch die Merkmale der Ansprüche 5 bis 1₀ weitergebildet.

[0009] Wesentlich bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ist, daß das besondere Dielektrikum in der Anfangsbetriebsphase, allerdings unter Aufwendung erheblicher Energie, in Resonanzschwingungen versetzt wird.

[0010] Ist einmal dieser Resonanzschwingungszustand erreicht ist lediglich geringe Energie erforderliche um diesen Resonanzschwingungszustand aufrechtzuerhalten.

[0011] Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist darin zu sehen, daß das anmeldungsgemäße Prinzip auch im Generatorbetrieb angewendet werden kann, zumindest dann, wenn der Resonanzschwingungszustand erreicht ist.

[0012] Ferner ist davon auszugehen, daß es von erheblichem Vorteil ist, wenn mittels der gleichen Energiequelle der Resonanzschwingungszustand angesteuert wird, daß es jedoch auch möglich ist, diesen Resonanzschwingungszustand über eine andere Energiequelle anzusteuern.

[0013] Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.

[0014] Es zeigen

Fig. 1 im Schnitt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

[0015] Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1, die häufig auch Kathode genannt wird. Die Vorrichtung 1 weist ein Gehäuse 2 auf, das beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 aus einem topfförmigen Gefäß 3 besteht_/das aus der Außenwand 7 eines Behälters 6 für das zu erwärmende Medium 14 einstückig ausgeformt ist. Ein Deckel 4, der hier einen in den Innenraum des topfförmigen Gefäßes 3 vorspringenden Hals besitzt, ist nach außen fluid- und druckdicht über eine Dichtung 8 mittels Schraubverbindungen 10 fest mit dem topfförmigen Gefäß 3 verbunden. Im Innenraum des durch den Deckel 4 verschlossenen topfförmigen Gefäßes 3 befindet sich ein Dielektrikum 9 und zwar eine Mischung aus einem hochreinen Metall und aus destilliertem Wasser oder Transformatorenöl oder dgl. Ferner ist durch den Deckel 4 eine Stahelektrode 11 über eine IsoLierdurchführung 12 bzw. eine Dichtung hindurchgeführt, wobei die Stabelektrode 11 ebenfalls fluid-und druckdicht durchgeführt ist. Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform, bei der zwei derartige Stabelektroden 11 vorgesehen sind. Die beiden Stabelektroden 11 sind an eine Gleichstrom-Stromquelle 15 angeschlossen. Diese Anschlußart ist vorzuziehen, obgleich die Möglichkeit besteht, ein aus leitendem Werkstoff bestehendes topfförmiges Gefäß 3 als eine Elektrode zu verwenden. Die Stromquelle 15 weist eine Steuerung 16 auf mittels der abhängig vom Zustand des Dielektrikums 9 eine Steuerung der Stromstärke erreichbar ist.

[0016] Für die für das Dielektrikum 9 verwendete Mischung ist wesentlich daß diese im Betriebszustand sehr innig und gleichmäßig ist. Dies kann bereits vor dem Einfüllen jedoch auch nach dem Einfüllen erreicht werden, jedoch ist dann, wenn dies nach dem Einfüllen erreicht werden soll, ein höherer Energieaufwand während der Anfangsbetriebsphase erforderlich wobei deutlich höhere Temperaturen auftreten können. Ferner ist es zweckmäßig, größere Mengen an Dielektrikum etwa mit einem geeigneten Destillationsapparat herzustellen derart, daß eine Dampfphase der Mischung zumindest in der Dauerbetriebsphase erreicht werden kann.

[0017] Die Steuerung 16 steuert die Stromquelle 15 derart, daß in einer Anfangsbetriebsphase hohe elektrische Energie zugeführt wird, bis das Dielektrikum 9 im topfförmigen Gefäß 3 in Schwingungen mit der Resonanzfrequenz gerät. Ist dieser Schwingungszustand erreicht, genügt es, geringe Energiemengen zuzuführen, um den Resonanzschwingungszustand aufrechtzuerhalten. Dieser Schwingungszustand setzt sich auf das Gefäß 3 und schließlich auf das zu erwärmende Medium 14 fort und erwärmt dieses. Dabei ist darauf zu achten, daß an der Grenzschicht zwischen Medium 14 und topfförmigem Gefäß 3 eine schnelle Umwälzung des Mediums erfolgt, um örtliche Überhitzungen zu vermeiden.

[0018] Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist in wesentlichem Umfang ähnlich dem gemäß Fig. 1. Jedoch ist das topfförmige Gefäß 3 des Gehäuses 2 mittels einer Schraubverbindung 10 mit der Außenwand 7 des Behälters 6 unter Zwischenschaltung einer Dichtung 13 verbindbar. Im übrigen entspricht der Aufbau im wesentlichen dem gemäß Fig. 1, lediglich die Form der Isolierdurchführung unterscheidet sich in konstruktiver Hinsicht von der gemäß Fig. 1, jedoch ist die Wirkungsweise im Prinzip die gleiche.

[0019] Darüberhinaus weist die Vorrichtung gemäß Fig. 2 eine Stromquelle 17 für Wechselstromversorgung auf. Die Stromquelle 17 enthält einen Hochfrequenzgenerator 19 und einen Rechteckquellengenerator 20,so daß die Stabelektroden 11 mit einem hochfrequenten nicht-sinusförmigen Wechselstrom versorgt werden. Eine Steuerung 18 der Stromquelle 17 erreicht auch hier, daß nach Erreichen des Resonanzschwingungszustandes des Dielektrikums 9 die Energie nur noch in dem Maß zugeführt wird, daß dieser Resonanzschwingungszustand aufrechterhalten bleibt.

[0020] Es ist davon auszugehen, daß die konstruktive Ausbildung der Stabelektrode 11 und des Gehäußes 2 insoweit frei wählbar ist, als sichergestellt ist, daß zum Einen keine chemischen Reaktionen zwischen Stabelektrode, Dielektrikum und Gehäuse auftreten und daß ferner für alle Betriebszustände die notwendige Druckfestigkeit und Temperaturfestigkeit sichergestellt bleibt.

[0021] Als Isoliermaterialien die hohe Flüssigkeitsdichtheit erreichen können sind beispielsweise Keramikwerkstoffe, insbesondere Glaswerkstoffe, geeignet. Aber auch Kunststoffe mit entsprechender Druckfestigkeit, Chemikalienbeständigkeit und auch Temperaturbeständigkeit sind geeignet. Ferner kann auch daran gedacht werden, den Deckel 4 mit dem topfförmigen Gefäß 3 nach Füllung mit dem Dielektrikum 9 nach außen fluid- und druckdicht zu verschweißen. Die Isolierdurchführung kann eingeschmolzen oder eingegossen sein.

[0022] Zweckmäßig sind Druckdichtigkeiten von mindestens 300 bar vorzugsweise 1000 bar und Temperaturbeständigkeiten von etwa 1000 °C.

[0023] Wie erwähnt, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung überall dort eingesetzt werden, wo ein zu erwärmendes Medium 14 auch vergleichsweise schnell wieder abgeführt werden kann. D.h. die Erfindung ist dort anwendbar, wo Flüssigkeiten und Gase oder dgl. fließfähige Materialen erwärmt werden sollen. Somit ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch in bestehende Anlagen, etwa Heizradiatoren oder dgl., einbaubar.

[0024] Die Vorteile der Erfindung werden im folgenden anhand einer von den Erfindern betriebenen Versuchseinrichtung im Vergleich mit einer üblichen Radiatorenheizung erläutert. Ein Radiator A mit Elektroheizung weist zwölf Rippen (16 x 20 cm) auf entsprechend einer einfachen Heizfläche von 1,152 m'. Für eine Betriebstemperatur von

[0025] 68 °C war eine Eingangsleistung von 2000 Wh erforderlich.

[0026] Bei herkömmlichen Heizradiatoren mit insgesamt 57 Rippen (16 x 25 cm) ergab sich eine einfache Heizfläche von 4,104 m². Für eine Betriebstemperatur von 68 °C war eine Anfangsleistung von 2500 Wh erforderlich.

[0027] Somit ergab sich ein Flächenverhältnis der Heizflächen von 3,5625 und ein Verhältnis der Eingangsleistungen von 0,8. D.h., daß bei gleicher Betriebstemperatur und korrigiert mit der unterschiedlichen Eingangsleistung ein Leistungsverhältnis von 1 : 2,85 erreichbar war.

[0028] Bei einem 24 h-Betrieb gibt der Elektro-Radiator 24 x 2 x 860 kcal - 41.280 kcal ab. Es ergaben sich spezifische Kosten von 0,12 DM/kWh.

[0029] Bei einem ölbrenner, bei dem pro Liter Heizöl nach Abzug der Kessel-, Umwälz- und Kaminverluste mit 6000 kcal gerechnet werden kann ergibt sich ein Bedarf an 6,88 1 Heizöl.

[0030] Bei einer die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendeten Heizeinrichtung ergibt sich ein Wert von 6127 kcal/h entsprechend 6,73 Betriebsstunden. Ausgehend von den derzeitigen Kosten ergeben sich im 24 Stundenbetrieb im ersteren Fall Kosten von DM 5,76, im zweiten Fall Kosten von DM 4,80 (DM 0,70/1) und im dritten Fall Kosten von DM 2,02 (Stromkosten bei der Anmelderin). Daraus folgt, daß mit einer anmeldungsgemäßen Vorrichtung zumindest im Dauerbetrieb um die Hälfte billiger geheizt werden kann als bei herkömmlichen Geräten. Darüberhinaus ist sie raumsparend und geräuscharm und erfordert nur einfachste und kurze Zuleitungen. Sie ist auch bei niedrigen Betriebstemperaturen anwendbar.

[0031] Bei Verwendung von Frequenzgeneratoren (Ausführung gemäß Fig. 2) ist der Wirkungsgrad wesentlich günstiger.. Nicht-sinusförmiger Strom d.h. eckiger Strom in beliebiger Forminsbesondere Rechteckstrom,erhöht den Wirkungsgrad weiter. Im Vergleich zu einer Gleichstromversorgung (Dauerbetriebsphase) ergibt sich ein Wirkungsgradverhältnis gegenüber Wechselstrom mit 50 Hz von 1 : 1,3 bis 1,5.

[0032] Bezüglich des Betriebes in der Dauerbetriebsphase ist noch daraufhinzuweisen, daß es genügt die Resonanzschwingung immer nur dann anzuregen, bevor in der Abklingphase die Schwingung soweit abgeklungen ist, daß eine Wiedererregung ohne großen Energieaufwand wie bei einer Anfangsbetriebsphase nicht mehr möglich ist. D.h., daß die Steuerung so arbeiten kann, daß eine intermittierende Versorgung mit Energie zur Aufrechterhaltung der Resonanzschwingung möglich ist. Jedoch kann die Versorgung auch kontinuirlich erfolgen. Wesentlich ist, wie erwähnt, daß in der Dauerbetriebsphase nur soviel Energie zugeführt wird, daß die Resonanzschwingung als solche aufrechterhalten bleibt.

[0033] Die im Prinzip durch die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erreichbaren hohen Temperaturen an der Außenseite des Gehäuses 2 erlauben auch andere Anwendungsfälle. Es erscheint möglich, eine Wasserspaltung durchzuführen, bzw. das Prinzip auch dort anzuwenden, wo Dampf erzeugt und in Bewegungsenergie umgesetzt wird.

[0034] Selbstverständlich sind noch andere Ausführungsformen der Erfindung mögliche beispielsweise können die Stabelektroden 11, wie in Fig. 2 dargestellt, unterschiedlich lang sein und kann ein konusförmiger die Isolierdurchführungen enthaltender Einsatz verwendet werden, der sich nach innerhalb des Gefäßes erweitert. Ferner kann das Gehäuse 2 auch nahe dem im Innern des Behälters 6 liegenden Ende teilbar und dort fest aber lösbar verbindbar sein, etwa über eine Schraubverbindung. Ferner können die Stabelektroden 11 ganz oder teilweise mit flächenvergrößemden blattförmigen Elementen versehen werden.

Ansprüche

1. Verfahren zum Umwandeln von elektrischer Energie in Wärmeenergie, bei dem elektrische Energie einer Anordnung aus zwei festen Elektroden und einem Dielektrikum
zwischen diesen zugeführt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Dielektrikum (9) eine unter Druck stehende nach außen dicht abgeschlossene Mischung aus einem hochreinen Metall und aus destilliertem Wasser oder Transformatorenöl oder dgl. verwendet wird, daß in der Anfangsbetriebsphase das Dielektrikum (9) zum Schwingen mit der Resonanzfrequenz gebracht wird und
daß in der Dauerbetriebsphase nurmehr soviel elektrische Energie zugeführt wird, daß die Schwingung mit der Resonanzfrequenz aufrechterhalten bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Dielektrikum (9) mittels eines Stromstoßes, mit frequentem, vorzugsweise hochfrequentem Strom oder mit nicht-sinusförmigem Strom vorzugsweise Rechteckwellenstrom zum Schwingen gebracht wird, wobei in der Dauerbetriebsphase die elektrische Energie kontinuierlich oder intermittierend zugeführt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das Dielektrikum (9) unter einem Druck von über 300 bar, vorzugsweise etwa 1000 bar, steht.

4. Vorrichtung zum Umwandeln elektrischer Energie in
Wärmeenergie, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
mit einem nach außen dichten Gehäuse,
mit mindestens einer Stabelektrode in dem Gehäuse, das in dieses elektrisch isoliert durchgeführt ist, mit einem Dielektrikum (9) als Füllung des Gehäuses
und mit einer Stromquelle (15, 17), die an die Stabelektrode und entweder an das aus leitendem Werkstoff bestehende Gehäuse oder an eine von der ersten Stabelektrode elektrisch isolierte weitere Stabelektrode angeschlossen
ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum (9) eine unter Druck stehende und nach außen dicht abgeschlossene Mischung aus einem hochreinem Metall und aus destilliertem Wasser oder Transformatorenöl oder dgl. ist, und daß die Stromquelle (15, 17) so ausgebildet ist, daß sie in einer Anfangsbetriebsphase elektrische Energie in einem solchen Ausmaß zuführt, daß das Dielektrikum (9) in Schwingungen versetzt wird und abhängig vom Erreichen der Resonanzfrequenz des Dielektrikums (9) in eine Dauerbetriebsphase übergeht, in der sie elektrische Energie in einem solchen Ausmaß zuführt, daß die Resonanzschwingung aufrechterhalten bleibt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gehäuse (2) durch ein topfförmiges Gefäß (3) und einen mit diesem nach außen fluid- und druckdicht verbindbaren Deckel (4) gebildet ist, in dem die mindestens eine Stabeleketrode (11) mittels einer IsolierdurchfUhrung (12) nach außen fluid-und druckdicht eingesetzt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gefäß (3) einen Umfangsflansch (5) aufweist, mittels dem es in einen Behälter (6) für ein zu erwärmendes Medium (14) einbaubar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gefäß (3) in der Außenwand (7) eines Behälters (6) für ein zu erwärmendes Medium (14) einteilig ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
gekennzeichnet durch
eine Druckfestigkeit von Gefäß (3), Deckel (4), Dichtung (8) zwischen Gefäß (3) und Deckel (4) und Isolierdurchführung (12) von mindestens etwa 300 bar, vorzugsweise über 1000 bar, und/oder eine Temperaturfestigkeit von Gefäß (3), Deckel (4), Dichtung (8) zwischen Gefäß (3) und Deckel (4) und Isolierdurchführung (12) von mindestens etwa 1000 °C.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gefäß (3) aus nichtleitendem Material wie aus einem Keramik- insbesondere Glaswerkstoff besteht und daß mindestens zwei Stabelektroden (11) vorgesehen sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stromquelle (17) einen Frequenzgenerator, vorzugsweise einen Hochfrequenzgenerator (19) enthält, oder einen Generator nicht-sinusförmigen Stroms, vorzugsweise einen Rechteckwellengenerator (20) enthält, oder Gleichstom abgibt und einen Staßatromgenerator aufweist, wobei die Stromquelle (15, 17) in der Dauerbetriebsphase den elektrischen Strom kontinuierlich oder intermittierend zufUhrt.

Zeichnung