DE102005003964A1

DE102005003964A1 - Kontinuierlich durchströmter Wärmeübertrager für fluide Medien

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Publication number: DE102005003964A1
Application number: DE200510003964
Authority: DE
Original assignee: Ehrfeld Mikrotechnik BTS GmbH
Current assignee: Ehrfeld Mikrotechnik BTS GmbH
Priority date: 2005-01-27
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2025-01-28
Also published as: DE102005003964B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen wartungsfreundlichen und flexibel einsetzbaren kontinuierlich durchströmbaren Wärmeübertrager mit kleinen Kanaldimensionen zur schnellen Erwärmung oder Abkühlung fluider Medien und dessen Verwendung.

Description

Die Erfindung betrifft einen wartungsfreundlichen und flexibel einsetzbaren kontinuierlich durchströmbaren Wärmeübertrager mit kleinen Kanaldimensionen zur schnellen Erwärmung oder Abkühlung fluider Medien.

Kontinuierlich durchströmbare Wärmeübertrager dienen der möglichst effizienten Übertragung von Wärme von einer mit dem Wärmeübertrager in thermischem Kontakt befindlichen Quelle auf ein den Wärmeübertrager durchströmendes Prozessmedium oder aus einem solchen Prozessmedium auf eine mit dem Wärmeübertrager in thermischem Kontakt befindliche Wärmesenke. Als Wärmequelle/-senke kann grundsätzlich jede Vorrichtung dienen, die in der Lage ist, wenigstens für eine gewisse Zeit eine gegenüber dem Prozessmedium erhöhte bzw. niedrigere Temperatur aufrechtzuerhalten, wie z.B. elektrisch, mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch getriebene Heiz- bzw. Kühlaggregate, chemisch oder nuklear betriebene Reaktoren oder Brenner, geotherme oder solare Quellen oder Wärmereservoire wie z.B. Wasser- oder Eisbäder. Der thermische Kontakt des Wärmeübertragers zur Wärmequelle/-senke kann durch Strahlung, Wärmeleitung, Konvektion oder Stofftransport erfolgen. Im Falle der Wärmeübertragung durch Stofftransport durchströmt das – bevorzugt fluide – Wärmetransportmedium den Wärmeübertrager und kann in diesem Sinne innerhalb des Wärmeübertragers selbst als Wärmequelle/-senke aufgefasst werden. In anderen Fällen kann die Wärmequelle/-senke auch selbst Bestandteil des Wärmeübertragers sein. Dies ist in der Regel bei elektrisch beheizten Wärmeübertragern wie beispielsweise elektrischen Durchlauferhitzern der Fall.

Als besonders effizient gilt ein Wärmeübertrager im Rahmen dieser Beschreibung, wenn er bei einer gegebenen Temperatur der Wärmequelle/-senke und möglichst geringem zusätzlichen Energieaufwand – z.B. für den Transport eines der beteiligten Medien – eine möglichst große Wärmeleistung zwischen der Wärmequelle/-senke und der zum jeweiligen Zeitpunkt im Wärmeübertrager befindlichen Menge des Prozessmediums überträgt. Ein in diesem Sinne besonders effizienter Wärmeübertrager ist somit in der Lage, dem durchströmenden Prozessmedium besonders schnelle Temperaturänderungen aufzuprägen, oder aber die Auswirkungen von im Prozessmedium durch chemische oder physikalische Prozesse frei werdender bzw. absorbierter Wärme auf dessen Temperatur besonders gering zu halten.

Unter den bekannten Ausführungsformen von kontinuierlich durchströmbaren Wärmeübertragern haben sich vor allem Rohrbündel- und Plattenwärmeübertrager als besonders effizient wie auch praktikabel in der Anwendung erwiesen. Die Effizienz steigt bei diesen wie auch bei anderen Wärmeübertragern bei vorgegebenem prozessmedienseitigem Füllvolumen des Wärmeübertragers in aller Regel mit der Verringerung der Abmessungen der Kanäle für das Prozessmedium sowie ggf. auch der für das Wärmetransportmedium an. Ferner erhöht sich die Effizienz der Wärmeübertrager in aller Regel bei Verringerung der Stärke der Wandungen, die das durchströmende Prozessmedium stofflich von der Wärmequelle-/Senke im Wärmeübertrager trennt. Aus diesem Grund werden in jüngerer Zeit vielfach Mikrowärmeübertrager beschrieben, bei welchen diese Kanal- und Wandungsabmessungen bevorzugt Werte zwischen wenigen Mikrometern und etwa einem Millimeter annehmen. Derartige Mikrowärmeübertrager, wie sie z.B. in der DE A 199 63 594 oder der DE A 44 26 347 beschrieben werden, setzen sich in aller Regel aus mehreren übereinander gestapelten und fest miteinander verbundenen Folien zusammen, in die mit unterschiedlichen Mikrofertigungsverfahren ein oder mehrere Kanäle für das Prozessmedium und ggf. auch für das Wärmetransportmedium mit Breiten und/oder Tiefen im Bereich unter einem Millimeter in Form von Gräben eingebracht sind. Diese Mikrowärmeübertrager können also in diesem Sinne als Mikro-Plattenwärmetauscher aufgefasst werden. Neben den durch ein Wärmetransportmedium temperierten Mikro-Plattenwärmetauscher werden z.B. in der DE A 199 17 521 auch elektrisch beheizte Mikro-Plattenwärmetauscher beschrieben.

All diesen Mikro-Plattenwärmetauschern wie auch den meisten anderen derzeit bekannten Mikro-Wärmeübertragern ist gemein, dass sie aufgrund der kleinen Kanaldimensionen sehr anfällig zum einen gegenüber Verunreinigungen aus dem Prozessmedium sind, die sich in den Kanälen ablagern und dann zu einer Erhöhung des Fließwiderstands bzw. einer Verminderung der Wärmeübertragungseffizienz führen können, zum anderen in stärkerem Maße als Wärmeübertrager mit größeren Abmessungen bereits durch geringen Materialabtrag aufgrund von Korrosion oder Abrasion in ihrer Funktion beeinträchtigt werden. Als besonders kritisch sind solche Verunreinigungen oder Korrosions- bzw. Abrasionsschäden insbesondere dann zu bewerten, wenn der Wärmeübertrager zur Durchführung chemischer Prozesse eingesetzt wird, da in solchen Fällen besonders häufig Ablagerungen – z.B. durch im Prozess gebildete Partikel oder Verharzungen – oder Korrosionsschäden beispielsweise aufgrund des Einsatzes besonders aggressiver Medien und/oder die Korrosion der eingesetzten Materialien begünstigender Betriebsbedingungen – auftreten und die Prozesse oft in besonders ausgeprägter Weise auf eine definierte Funktionscharakteristik des Wärmeübertragers angewiesen sind. Insbesondere in solchen Fällen ist ein Wärmeübertrager wünschenswert, der zwar die hohe Effizienz eines Mikrowärmeübertragers aufweist, dabei aber eine weniger starke Neigung zur Ausbildung von Ablagerungen zeigt und insbesondere einen einfachen und schnellen Zugang zu allen Oberflächen gewährt, die mit dem Prozessmedium in direktem stofflichem Kontakt stehen, um diese zwischen den Betriebseinsätzen inspizieren und ggf. reinigen zu können.

Prinzipiell ist es möglich, derartige demontierbare und damit wartungsfreundliche Mikro-Plattenwärmetauscher zu realisieren, z.B. indem die einzelnen mikrostrukturierten Platten durch Elastomerdichtungen gegeneinander und gegenüber der Umgebung abgedichtet und durch eine äußere Verspannvorrichtung lösbar miteinander verbunden sind. Derartige Anordnungen, die im Prinzip eine verkleinerte Form der bekannten gedichteten Plattenwärmetauscher darstellen, haben allerdings den Nachteil, dass sie aufgrund der ebenen Geometrie eine relativ geringe mechanische Stabilität aufweisen, die äußere Verspanneinrichtung zum dichten Verspannen der Platten also vergleichsweise massiv ausfallen muss, um auch höheren Betriebsdrücken standzuhalten. Neben dem damit verbundenen hohen Fertigungs- und Montageaufwand und der Notwendigkeit des Einsatzes relativ großer Dichtungen, die ja die gesamte Wärmeübertragungsfläche umfassen müssen, führt eine derartige Ausführung mit zwangsläufig großen Wandquerschnitten quer zur Durchströmungsrichtung insbesondere bei Mikrowärmetauschern zu einer Verringerung der Effizienz aufgrund von thermischer Kurzschlussbildung.

Eine im Vergleich zu solchen planaren Anordnungen intrinsisch höhere Stabilität gegenüber Druckbeaufschlagung weisen Anordnungen mit kreis- oder ringförmigen Kanalquerschnitten auf. Rohrbündelwärmeübertrager stellen beispielsweise Anordnungen mit mehreren im Wesentlichen zueinander parallel verlaufenden schlanken Rohren dar. Eine hohe Effizienz erreichen diese allerdings nur bei sehr dichter Anordnung vieler sehr dünner Rohre oder Kapillaren in mehreren Lagen über- und möglichst auch nebeneinander, wodurch sich auch hier wieder Probleme hinsichtlich der Reinigbarkeit zwischen und in den Rohren ergeben. Ferner stellt das dichte und druckbeständige Einfügen der Rohre in den Apparat bei kleinen Rohrabmessungen und -abständen eine hohe Herausforderung an die Fertigungs- und Fügetechnik dar.

Neben diesen parallelen Rohranordnungen ist eine Reihe von Vorrichtungen beschrieben worden, bei denen mehrere Rohre konzentrisch ineinander positioniert sind und auf diese Weise eine Anordnung konzentrischer Ringkanäle entsteht, durch die das Prozessmedium in radial abwechselnder Abfolge mit dem Temperiermedium oder anderen ringförmigen Heiz- oder Kühleinrichtungen geführt wird. Soweit es sich dabei um ein Rohr handelt, in dem das Prozessmedium strömt, und welches lediglich von einem weiteren Rohr für ein Wärmeträgermedium umgeben ist, spricht man von Doppelrohrwärmetauschern, welche allerdings nur dann eine hohe Effizienz erreichen, wenn die inneren Rohre jeweils Abmessungen von weniger als etwa einem Millimeter Durchmesser haben, und damit ebenfalls nicht die Kriterien einer hohen Wartungsfreundlichkeit erfüllen. Zudem führt die prozessbedingte Vorgabe eines gewissen Füllvolumens für den Temperierraum bei einer solchen Anordnung schnell zu unpraktikablen Längenabmessungen und damit auch hohen Druckverlusten innerhalb der Anordnung. Demgegenüber vorteilhaft erweisen sich solche koaxialen Rohranordnungen, bei denen der Temperierraum durch den Zwischenraum zwischen einem inneren beheizten bzw. gekühlten Kern und einem äußeren beheizten bzw. gekühlten Mantel gebildet wird. Derartige Vorrichtungen sind z.B. in der AT A 388 445 oder in der DE-A 2 016 991 beschrieben, wobei hier die verschiedenen ineinander verlaufenden Rohre z.T. von der Kreisform abweichende Querschnitte aufweisen, welche zur Erhöhung der Wärmeübertragungseffizienz helixartig entlang der Rohrachse rotiert sind. Eine derartige Formgebung der Kanalwände reduziert allerdings die intrinsische Druckfestigkeit der Anordnung und erschwert zudem wiederum die Demontage und Reinigung. Hinsichtlich der Druckfestigkeit vorteilhaft ist auch bei einer solchen koaxialen Anordnung wieder ein vollständig rotationssymmetrischer Querschnitt, wobei eine Effizienzsteigerung durch Verringerung der Kanalquerschnitte erreicht wird. Eine solche Verringerung des Spalts zwischen zwei koaxial ineinander positionierten Zylinderflächen auf die für Mikrowärmeübertrager angestrebten Werte im Bereich unterhalb etwa eines Millimeters hat allerdings zur Folge, dass im Falle starker Verschmutzung dieses Spalts eine Entnahme des Kerns aus dem Mantel deutlich erschwert, wenn nicht gänzlich unmöglich wird. Des weiteren verfügt eine solche Anordnung nur über eine eingeschränkte Flexibilität hinsichtlich der Variation der Spalt- (= Kanal-) weite, die nur durch vollständiges Austauschen entweder des Kern- oder des Mantelkörpers erreicht werden kann.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass nach dem benannten Stand der Technik kein kontinuierlich durchströmbarer Wärmeübertrager bekannt ist, der aufgrund besonders kleiner und mit geringem Aufwand variabler Abmessung des Temperierraums quer zur Strömungsrichtung eine hohe Wärmeübertragungseffizienz aufweist, in einer Weise demontierbar ist, dass ein vollständiger Zugang zu allen vom Prozessmedium überströmten Oberflächen ermöglicht wird und dabei eine hohe intrinsische Stabilität gegenüber Druckbeaufschlagung des Temperierraums aufweist.

Es stellt sich damit die Aufgabe, einen ebensolchen leicht demontierbaren, vollständig reinigbaren und gegenüber hohen Drücken beständigen kontinuierlich durchströmbaren Wärmeübertrager für fluide Medien bereitzustellen, dessen Temperierraum in wenigstens einer zur Strömungsrichtung des Prozessmediums im Wesentlichen senkrechten Richtung eine präzise definierte und mit geringem Aufwand zu variierende Ausdehnung im Bereich weniger Mikrometer bis zu einigen 100 Mikrometern vorweist und der dabei einfach und kostengünstig zu fertigen ist.

Die Aufgabe wird überraschenderweise durch den erfindungsgemäßen kontinuierlich durchströmbaren Wärmeübertrager für fluide Medien, enthaltend einen Mantelkörper mit darin befindlichem rotationssymmetrischem Hohlraum sowie einen darin koaxial zentrierten rotationssymmetrischen Kernkörper, von denen mindestens einer eine Wärmeübertragung zwischen dem zu beheizenden bzw. zu kühlenden Prozessmedium und einer mit dem Wärmeübertrager in thermischem Kontakt befindlichen oder darin enthaltenen Wärmequelle bzw. -senke ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kernkörper wie auch der Hohlraum im Mantelkörper in derselben axialen Richtung verjüngen, so dass zwischen der Mantelfläche bzw. den Mantelflächen des Kernkörpers und der Innenfläche bzw. den Innenflächen des Mantelkörpers ein den Kernkörper umgebender – gegebenenfalls entlang des Umfangs segmentierter – Temperierraum mit sich in axialer Richtung mindestens abschnittsweise kontinuierlich verringerndem Umfang entsteht.

Als rotationssymmetrisch im Sinne der Erfindung sind dabei alle Körper bzw. Hohlräume aufzufassen, die eine n-zählige (Dreh-) Symmetrieachse aufweisen, wobei n eine ganze Zahl größer eins ist. Die Symmetrie bezieht sich hierbei lediglich auf die den Kernkörper prozessmedienseitig umschließende Mantelfläche bzw. die prozessmedienseitige Innenfläche des Mantelkörpers, nicht dagegen auf gegebenenfalls im Kern- oder Mantelkörper befindliche Öffnungen, Einbauten oder Strukturelemente. Ebenso wenig sind gegebenenfalls auf die Mantelfläche des Kernkörpers bzw. die Innenfläche des Mantelkörpers aufgebrachte Mikrostrukturen oder gegebenenfalls in den Temperierraum eingebrachte Körper in die Symmetriebetrachtung mit einzubeziehen.

Die sich verjüngende Form des Kernkörpers sowie des entsprechenden Hohlraums im Mantelkörper hat den Vorteil, eine einfache Zentrierung der beiden Körper ineinander und damit eine präzise Einstellung des den Temperierraum definierenden Spaltes dazwischen zu ermöglichen, der auf diese Weise ohne weiteres, insbesondere ohne den Einsatz besonderer kostenintensiver Mikrostrukturierungstechniken, auf Breiten von einigen hundert Mikrometern bis hinunter zu wenigen Mikrometern eingestellt werden kann. Die Kanalbreite kann dabei durch eine gegenseitige axiale Verschiebung der beiden Körper überraschend einfach und mit überraschend großer Präzision variiert werden, ohne dass einer der beiden Körper dabei verändert oder gegen einen mit anderer Form oder Abmessung ausgetauscht werden muss. Durch die sich verjüngende Formgebung wird darüber hinaus die Entnahme des Kernkörpers aus der Bohrung des Mantelkörpers in vorteilhafter Weise erleichtert, die somit auch dann noch möglich ist, wenn die beiden Körper durch an beiden Wandungen des Temperierraums anhaftende Verunreinigungen bis zu einem gewissen Grad miteinander verklebt sind. Die umlaufende bzw. ringförmige Kanalgeometrie begünstigt schließlich eine hohe Stabilität des Wärmeübertragers gegenüber Druckbeaufschlagung selbst bei geringer Materialstärke der Wände des Temperierraums sowie dessen vorteilhafte Abdichtung entlang seiner Ein- und Austrittsspalte gegenüber der Umgebung bzw. ggf. weiterer Kanäle für weitere Medien durch Ringdichtungen mit in Relation zur Wärmeaustauschfläche geringem Dichtquerschnitt.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers weist der sich verjüngende Hohlraum des Mantelkörpers sowie die sich verjüngende Form des Kernkörpers eine beliebige Grundfläche, bevorzugt die eines Vielecks auf, dabei sind gleichmäßige Vielecke bevorzugt und besonders bevorzugt solche, die eine möglichst große Anzahl von Ecken aufweisen, so bevorzugt 3 bis 80 Ecken, besonders bevorzugt 8 bis 80 Ecken, ganz besonders bevorzugt 16 bis 80 Ecken.

In einer weiteren Ausführungsform kann die Grundfläche des Kernkörpers gleich oder anders der Grundfläche des Hohlraums im Mantelkörper gestaltet sein, dabei ist die gleiche Gestaltung der Grundfläche bevorzugt.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers weist der sich verjüngende Hohlraum des Mantelkörpers sowie die sich verjüngende Form des Kernkörpers eine runde, bevorzugt eine regelmäßig runde, besonders bevorzugt eine ellipsoide oder kreisrunde, ganz besonders bevorzugt eine kreisrunde Grundfläche auf.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers sind die axialen Schnittlinien der Außenflächen des Kernkörpers entlang einer der Symmetrieachsen der Grundfläche bzw. die entsprechenden axialen Schnittlinien der Innenflächen des im Mantelkörper befindlichen Hohlraums über jeweils wenigstens zwei Drittel ihrer Länge um je den gleichen oder auch verschiedene Winkel von 1° bis 80°, bevorzugt von 1° bis 60°, besonders bevorzugt von 1° bis 30° gegenüber der gemeinsamen Symmetrieachse geneigt.

Der Kern- und/oder Mantelkörper besteht bevorzugt aus temperatur- und druckbeständigen Materialien, die weitgehend chemisch inert sind und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Dabei können der Kern- und Mantelkörper aus den gleichen oder auch aus verschiedenen Materialien gefertigt sein, in einer bevorzugten Ausführung aus den gleichen Materialien. Als Materialien kommen z.B. aber nicht ausschließlich metallische Materialien, wie beispielsweise Edelstahl, Aluminium, Nickel, Nickelbasislegierungen, Titan, Tantal oder aber auch keramische Materialien, Glas oder Kunsstoffe in Frage. Bevorzugt sind dabei metallische und keramische Materialien, besonders bevorzugt Edelstahl, Aluminium, Nickel oder Nickelbasislegierungen, Titan oder Tantal, ganz besonders bevorzugt Edelstahl oder Tantal.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers erfolgt im Wesentlichen durch spanabhebende, funkenerosive und/oder abformende Fertigungstechniken, wie sie dem Fachmann bekannt sind. Eine besonders vorteilhafte Fertigung des Kernkörpers sowie des diesen aufnehmenden Hohlraums im Mantelkörper erfolgt durch Drehen bzw. Bohren, ggf. gefolgt von einer Nachbearbeitung durch Ultrapräzisionsdrehen, Schleifen und/oder gegenseitiges Einschleifen der beiden Körper ineinander.

Als Prozessmedium kann grundsätzlich jedes fluide Medium eingesetzt werden, wie z.B. Gase, Flüssigkeiten, Emulsionen, Suspensionen, Gele, kolloidale Gemische, Aufschwämmungen bzw. Aufschlämmungen von Nanopartikeln in einem fluiden Trägermedium, überkritische Medien oder Plasmen, je nach aktueller Aufgabenstellung.

In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers erfolgt die Beheizung/Kühlung des Kern- und/oder Mantelkörpers durch ein fluides Wärmeträgermedium, welches den jeweiligen Körper durch eine parallel zur Fließrichtung des Prozessmediums geführte, gerade oder gekrümmte Kanalanordnung – bevorzugt in möglichst geringer Distanz zum Temperierraum – durchströmt (3). Hierbei ist eine auch eine helixartige Umwindung des Hohlraums des Mantelkörpers bzw. eine helixartige Durchdringung des Kernkörpers unterhalb der Mantelfläche durch die Temperierkanäle denkbar. Die Durchmesser der Temperierkanäle können dabei gleich bleiben oder sich kontinuierlich und/oder periodisch verändern.

Als fluides Wärmeträgermedium sind grundsätzlich aber nicht ausschließlich diejenigen geeignet, wie sie z. B. im VDI – Wärmeatlas, 8. Auflage, Springer Berlin (1997), ISBN 3-540-62900-9, aufgeführt sind.

In einer besonders bevorzugten Ausführung eines derart fluidisch beheizten/gekühlten Wärmeübertragers strömt das Wärmeträgermedium im Bereich des Temperierraums im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung des Prozessmediums, wobei die Strömungsrichtungen der beiden Medien je nach Anforderungen des Prozesses, für den der Wärmeübertrager eingesetzt werden soll, entweder im Wesentlichen gleich oder entgegengesetzt gerichtet sein können.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Wärmeübertragers wird sowohl der Kernkörper als auch der Mantelkörper beheizt bzw. gekühlt, wobei auch in dieser Ausführungsform im Falle einer fluidischen Beheizung/Kühlung eine Gleich- oder Gegenstromführung von Prozess- und Wärmeträgermedium besonders bevorzug wird.

Neben der fluidischen Beheizung/Kühlung des Kern- und/oder Mantelkörpers des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers stellt auch eine elektrische Beheizung bzw. Kühlung mittels geeignet an dem jeweiligen Körper angebrachter bzw. in diesen eingebrachter Widerstandselemente oder aber eine Beheizung/Kühlung mittels auf dem Peltier-Effekt basierender elektrisch betriebener Heiz- oder Kühlelemente eine bevorzugte Ausführungsform des Wärmeübertragers dar, bevorzugt ist hier eine Beheizung mittels elektrischer Widerstandselemente (4) bzw. eine Kühlung durch Peltierelemente.

Bevorzugt sind ferner solche Ausführungsformen des Wärmeübertragers, bei denen die Weite des Temperierraums variiert werden kann. Eine Möglichkeit hierzu besteht im einfachsten Fall im Austausch des Kern- und/oder Mantelkörpers gegen einen solchen mit veränderten radialen Abmessungen. Besonders bevorzugt sind jedoch solche Formen des Wärmeübertragers mit variierbarer Temperierraumweite, bei denen diese durch axiale Verschiebung des Kernkörpers gegenüber dem Mantelkörper eingestellt wird (5). Eine Arretierung des Kernkörpers in einer hierfür definierten Position kann z.B. durch Verwendung von Gewindebauteilen oder durch Einsatz austauschbarer Distanzscheiben oder -ringe erfolgen. Eine ganz besonders bevorzugte Ausführungsform eines Wärmeübertragers mit variierbarer Temperierraumweite ist eine solche, bei der die Temperierraumweite im zusammengebauten Zustand, insbesondere während des Betriebs des Wärmeübertragers, von außen variiert werden kann. Die gegenseitige Verschiebung zwischen Kern- und Mantelkörper, die hierzu bewirkt werden muss, kann z.B. durch mechanischen, hydraulischen, pneumatischen, elektrostatischen, piezoelektrischen, elektromagnetischen oder magnetostriktiven Antrieb erfolgen, bevorzugt durch mechanischen, elektromagnetischen oder piezoelektrischen, besonders bevorzugt durch mechanischen oder elektromagnetischen Antrieb. Als in noch höherem Maße vorteilhaft werden dabei Ausführungsformen eines solchen Wärmeübertragers mit im Betrieb kontinuierlich variierbarer Temperierraumweite angesehen.

Für verschiedene Anwendungen sind solche Ausführungsformen des Wärmeübertragers bevorzugt, bei denen die Verjüngung des Kernkörpers und der Innenfläche des Mantelkörpers entlang der gemeinsamen Achsrichtung unterschiedlich stark ausgeprägt ist, so dass in axialer Richtung eine kontinuierliche Variation der Weite des Temperierraums erfolgt (6).

Die axiale Schnittlinie der Außenfläche des Kernkörpers entlang einer der Symmetrieachsen der Grundfläche bzw. die entsprechende axiale Schnittlinie der Innenfläche des Hohlraums im Mantelkörper können sich bei dieser vorteilhaften Ausführungsform um je den gleichen oder auch verschiedene Winkel gegenüber der gemeinsamen Symmetrieachse über wenigstens zwei Drittel der Länge der axialen Schnittlinie neigen (6b, c) oder auch kontinuierlich verändern (6a).

So ist insbesondere bei Verwendung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers zur möglichst isothermen Führung im kontinuierlichen Durchfluss ausgeführter Prozesse, die eine ausgeprägte Wärmetönung aufweisen, eine Kanalaufweitung in Strömungsrichtung des Prozessmediums vorteilhaft, so dass am Eingang des Temperierraums, wo die Wärmetönung üblicherweise am stärksten zur Ausprägung kommt, eine besonders hohe Wärmeübertragungseffizienz erreicht wird, während im weiteren Verlauf des Kanals durch die Aufweitung bei reduzierter Effizienz Verweilvolumen gewonnen und der relative Druckverlust pro Längenabschnitt des Kanals vermindert wird. Eine derartige kontinuierliche Aufweitung entlang des Temperierraums kann auch dann vorteilhaft sein, wenn in dessen Verlauf die Viskosität des Prozessmediums, z.B. infolge der Temperaturänderung oder einer Polymerisationsreaktion, zunimmt oder in diesem, z.B. durch Fällungs- oder Kristallisationsprozesse, feste Partikel gebildet werden. In gasförmigen, überkritischen oder unter gegebenen Prozessbedingungen leicht verdampfbaren flüssigen Prozessmedien können durch eine Aufweitung bzw. Verjüngung der Temperierraumweite in Strömungsrichtung und eine damit verbundene Entspannung bzw. Kompression des Prozessmediums zusätzliche, ggf. für den jeweiligen Prozess vorteilhafte thermische Effekte wie Temperatur- oder Phasenänderungen bewirkt werden. Eine sich in Strömungsrichtung vergrößernde Prozesskanalweite ist beispielsweise dann besonders bevorzugt, wenn der Wärmeübertrager zur Verdampfung flüssiger Medien eingesetzt werden soll, da hierdurch die Ausbildung von Blasen bzw. Siedverzügen gemindert und der mit der Phasenänderung einhergehenden starken Zunahme des Volumenstroms entlang des Temperierraums Rechnung getragen wird.

Je nach Anforderungen des mit dem Wärmeübertrager durchzuführenden Prozesses kann es vorteilhaft sein, den Temperierraum in Richtung der Verjüngung des Kernkörpers oder dieser entgegengesetzt zu durchströmen. Eine Durchströmung in Richtung der Verjüngung kann beispielsweise dann bevorzugt sein, wenn – z.B. durch einen Multilaminations-Mikromischer – zwei unterschiedliche, vorzugsweise mit ausgeprägter Wärmetönung miteinander reagierende Fluide in entlang des Kanalumfangs periodisch alternierender Anordnung in den Eingangsspalt des Temperierraums eingespeist werden und deren Vermischung durch Interdiffusion zwischen den jeweiligen Fluidlamellen innerhalb des Temperierraums durch Verminderung der Lamellenweite beschleunigt werden soll (Fokussierungseffekt).

Umgekehrt kann in Fällen, in denen eine Vergrößerung des Querschnitts des Temperierraums entlang seiner Durchströmungsrichtung, wie z.B. bei den zuvor beschriebenen Verdampfungsprozessen, erwünscht ist, diese alternativ oder verstärkend zur Vergrößerung der Weite auch vorteilhaft durch eine Vergrößerung des Umfangs des Temperierraums in Durchströmungsrichtung erreicht werden.

Insbesondere in Anwendungsfällen des Wärmeübertragers, bei denen eine besonders hohe Effizienz des Wärmeübertragers gefordert ist, z.B. um einen Prozess mit hoher Wärmetönung in engen Temperaturgrenzen zu führen, gleichzeitig jedoch einer Verringerung der Weite des Temperierraums praktische Grenzen gesetzt sind, z.B. aufgrund der Erfordernis eines bestimmten Füllvolumens bei eingeschränkten axialen und radialen Dimensionen des Mantelkörpers, ist eine solche Ausführung des Wärmeübertragers bevorzugt, bei der die Außenfläche des Kernkörpers und/oder die Innenfläche des Mantelkörpers mit Mikrostrukturen versehen sind, die die Ausbildung von Sekundärströmungen im durchströmenden Prozessmedium bewirken oder unterstützen (7). Vorteilhafte Mikrostrukturen sind beispielsweise in einer oder zwei Drehrichtungen ggf. mit unterschiedlicher Steigung verlaufende helixförmige Rillen sowie Noppen, Dellen oder Stege, insbesondere solche, die entlang der Strömungsrichtung überlappend bzw. ineinander greifend angeordnet sind. Besonders bevorzugt sind dabei solche Mikrostrukturen, die sich kostengünstig durch spanabhebende Verfahren wie Drehen, Schleifen, Hohnen oder Fräsen oder aber durch Mikrostrukturierungstechniken wie Laser-Mikromaterialbearbeitung, Formätzen oder Funkenerosion herstellen lassen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers mit Beheizung bzw. Kühlung durch ein Wärmeträgermedium ist wenigstens eine der Innenflächen der Kanäle für das Wärmeträgermedium, bevorzugt eine solche, die in besonders geringer Distanz zum Temperierraum verläuft, mit Mikrostrukturen versehen. Die Auswahlkriterien für die Gestaltung und Fertigung dieser Mikrostrukturen sind im Wesentlichen die zuvor genannten.

Bevorzugt ist auch eine solche Ausführungsform eines Wärmeübertragers mit Beheizung/Kühlung durch ein Wärmeträgermedium, bei der in diejenigen Abschnitte der Kanäle für dieses Wärmeträgermedium, die entlang des Temperierraums verlaufen, Füllkörper oder Strömungshindernisse eingebracht sind, welche geeignet sind, die Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgermediums gegenüber einer Ausführungsform ohne solche Füllkörper oder Strömungshindernisse zu erhöhen und/oder in diesem die Ausbildung zusätzlicher Sekundärströmungen zu fördern.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Wärmeübertragers sind die Wandflächen des Temperierraums und ggf. auch der Zuführungskanäle für das Prozessmedium in einer Weise behandelt, dass Anhaftungen, Korrosions- oder Abrasionsangriffe im Vergleich zu einer unbehandelten Ausführung vermindert oder idealerweise vollständig unterdrückt werden. Bevorzugte Behandlungen dieser Art können beispielsweise in einer mechanischen oder elektrochemischen Politur, einer chemischen oder elektrochemischen Oberflächenveränderung wie z.B. einer Oxidation, oder einer Beschichtung mit chemischen, elektrochemischen oder physikalischen Methoden aus einer Gas-, Flüssig- oder Plasma-Phase sowie unter Vakuumbedingungen bestehen. Beschichtungen aus der flüssigen Phase schließen dabei auch Spritz- und Sol-Gel-Verfahren ein. Zu den besonders bevorzugten Beschichtungsmaterialien zählen je nach Aufgabenstellung insbesondere anhaftungsmindernde Stoffe wie PTFE oder andere Fluorpolymere, gegenüber bestimmten Medien besonders korrosionsbeständige Stoffe wie z.B. Nickel, Nickel-Phosphor oder Edelmetalle, sowie besonders harte und damit abriebbeständige Materialien wie z.B. Al₂O₃, AlN, Cr, CrN, CrO₂, Cr₂O₃, Mo, TiN, TiAlN, TiC, TiCN, WC, WCNiCrBSi, oder ZrN.

Besonders bevorzugt sind daneben solche Ausführungsformen des Wärmeübertragers, bei denen die Wandungen des Temperierraums ganz oder teilweise mit einer katalytisch aktiven Substanz belegt sind oder bei denen der Temperierraum mit einer solchen Substanz, welche ggf. auf ein z.B. granulares, vließ- oder gewebeartiges Trägermaterial aufgebracht ist, gefüllt werden kann, in einer Weise, dass das Prozessmedium beim Durchströmen des Temperierraums mit der katalytisch aktiven Substanz in Kontakt kommt. Im Falle der Verwendung eines auswechselbaren Katalysators/Katalysatorträgers kann die sich verjüngende Form des Kernkörpers in vorteilhafter Weise dazu dienen, die Weite des Temperierraums durch partielles Herausziehen des Kernkörpers aus dem Mantelkörper auf ein solches Maß zu vergrößern, dass ein bequemes und vollständiges Einfüllen dieses Katalysators/Katalysatorträgers in den Temperierraum ermöglicht wird. Beim anschließenden Zusammenschieben von Kern- und Mantelkörper in ihre betriebsgerechte Position wird der Katalysator/Katalysatorträger bei geeigneter Handhabung in vorteilhafter Weise im Prozesskanal verpresst, wodurch zum einen ein besonders inniger Kontakt zwischen dem Katalysator/Katalysatorträger und den Wandungen des Prozesskanals erreicht wird, welcher die Wärmeübertragung zwischen dieser Wandung und dem Katalysator/Katalysatorträger in vorteilhafter Weise erleichtert, und zum anderen ein besonders inniger Kontakt zwischen dem Katalysator/Katalysatorträger und dem durchströmenden Prozessmedium zustande kommt, was die Wirkung der katalytisch aktiven Substanz auf die dadurch beförderten chemischen Prozesse in vorteilhafter Weise erhöht.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Wärmeübertragers stellt des Weiteren eine solche Ausführungsform dar, bei der in diesem, bevorzug in oder an einem der Kanäle für das Prozessmedium und/oder – im Falle einer Beheizung oder Kühlung durch ein solches – für das Wärmemedium wenigstens ein Sensor zur Ermittlung einer Messgröße des jeweiligen Mediums oder auch des Wärmeübertragers selbst angebracht ist. Besonders bevorzugt sind hierbei Sensoren zur Bestimmung der Temperatur, des Drucks oder des Massen- bzw. Volumenstroms des einströmenden, durchströmenden oder ausströmenden Prozess- und/oder ggf. auch Wärmeträgermediums, oder der Temperatur des Kern- oder Mantelkörpers bzw. damit in thermischem Kontakt stehender weiterer Komponenten des Wärmeübertragers. Vorteilhaft sind aber auch im oder am Temperierraum und/oder seinen Zu- und/oder Abführungskanälen angebrachte Sensoren zur Bestimmung des pH-Werts, der elektrischen Leitfähigkeit, der Viskosität, des ggf. spektral aufgelösten Lichtstreu-, Absorptions- oder Fluoreszenzverhaltens, des Brechungsindexes, der Dielektrizitätskonstanten, der magnetischen Permeabilität, des Absorptionsverhaltens gegenüber Ultra- oder Megaschallwellen oder anderer chemischer oder physikalischer Eigenschaften des Prozessmediums.

Als besonders bevorzugt erweisen sich auch solche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers, die einen inneren Regelkreis enthalten oder bei denen der Wärmeübertrager Bestandteil eines äußeren Regelkreises ist. In dem Falle, dass der Wärmeübertrager gemäß der o.a. Beschreibung mit Sensoren ausgestattet ist, können deren Ausgangssignale vorteilhaft zur Regelung äußerer oder innerer Parameter, wie beispielsweise der Temperatur, des Massen- oder Volumenstroms, des Drucks, der Zusammensetzung oder anderer Eigenschaften wenigstens eines der den Wärmeübertrager durchströmenden Medien eingesetzt werden. Des Weiteren können diese wie auch außerhalb des Wärmeübertragers generierte Signale, bevorzugt solche, welche eindeutig aus einer Eigenschaft des den Wärmeübertrager durchströmenden Prozessmediums hervorgehen, auch zur Einstellung der Weite des Temperierraums, der Temperatur oder des Massenstroms des ggf. verwendeten Wärmeträgermediums und/oder der Leistung, mit der der Wärmeübertrager selbst oder eine vor- oder nachgeschaltete Wärmeübertragungseinrichtung beheizt bzw. gekühlt wird, eingesetzt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der Wärmeübertrager als Bestandteil eines Systems oder einer Anlage eingesetzt, die der Untersuchung und/oder der chemischen oder physikalischen Veränderung bzw. Umsetzung fluider Medien dient. Besonders bevorzugt sind dabei Ausführungsformen des Wärmeübertragers, die als Bestandteil eines bevorzugt modular aufgebauten Mikroreaktionssystems eingesetzt werden, welches neben dem Wärmeübertrager weitere Komponenten enthält, die Mikrostrukturen zur Durchführung chemischer oder physikalischer Prozesse und/oder Operationen enthalten, wie z.B. Mikromischer, Mikroreaktoren, Mikroseparatoren und/oder weitere Mikrowärmeübertrager. In einer ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ist dieser stromaufwärts mit einer Vorrichtung zum Vermischen wenigstens zweier fluider Medien – bevorzugt mit einem Mikromischer – derart verbunden oder aber ein solcher ist in den Wärmeübertrager in einer Weise integriert, dass das aus der Mischzone dieses Mischers austretende Medium bis zum Eintritt in den Temperierraum des Wärmeübertragers ein Volumen durchfließt, das nicht wesentlich größer, bevorzugt kleiner oder gleich, oder besonders bevorzugt wesentlich kleiner als das Volumen des Temperierraums ist.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers bei Prozessen, bei denen ein fluides Prozessmedium in sehr kurzer Zeit temperiert, ggf. auch verdampft oder kondensiert werden soll, z.B. um einen chemischen Prozess wie beispielsweise eine Polymerisationsreaktion oder die Bildung von Nanopartikeln auf einer sehr kurzen Zeitskala definiert einzuleiten oder zu stoppen, sowie Verwendungen, bei denen in dem Prozessmedium eine chemische Reaktion oder ein physikalischer Prozess abläuft, bei der bzw. bei dem eine größere Wärmemenge freigesetzt wird, die bei mangelnder Kühlung zu einer nicht erwünschten, möglicherweise sogar gefährlichen Erwärmung des Prozessmediums führen würde, und die damit innerhalb definierter Temperaturgrenzen gehalten werden muss, wie z.B. Neutralisationsreaktionen, Umsetzungen mit metallorganischen Verbindungen, schnelle Polymerisationsreaktionen oder Nitrierungsreaktionen.

Besonders vorteilhaft ist dabei die Verwendung des Wärmeübertragers in solchen Fällen, in denen das Prozessmedium unter erhöhtem Druck steht, zur Ausbildung von festen, hochviskosen oder gelartigen Ablagerungen, oder Verharzungen neigt, sowie bei der Durchführung heterogen katalysierter chemischer Umsetzungen, wobei bei diesen besonders vorteilhaft jene Ausführungsformen des Wärmeübertragers eingesetzt werden, bei denen entweder die Wandungen des Temperierraums mit einer geeigneten katalytisch aktiven Substanz belegt sind oder der Temperierraum wenigstens zum Teil mit einer solchen, ggf. auf einem Trägermedium befindlichen katalytischen Substanz gefüllt ist.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren beispielhaft erläutert ohne sie jedoch darauf zu beschränken.
Es zeigen:
1 den grundsätzlichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers mit kreisrunder Grundfläche,
2 einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager mit Kühlung bzw. Heizung durch ein Wärmeträgermedium und einstellbarer Temperierraumweite
3a–c eine schematische Darstellung möglicher Anordnungen von Kanälen für ein Wärmeträgermedium
4a–c eine schematische Darstellung möglicher Anordnungen von elektrischen Widerstandsheizelementen
5a–c eine schematische Darstellung der Variation der Temperierraumweite durch axiale Verschiebung des Kernkörpers
6a eine Darstellung eines entlang der Längsachse des Wärmeübertragers gekrümmten Verlaufs des Temperierraums
6b/c eine Darstellung eines sich entlang der Längsachse des Wärmeübertragers erweiternden oder schmaler werdenden Temperierraums
7 eine Darstellung eines Wärmeübertragers mit mikrostrukturierter Oberfläche des Kernkörpers
8 einen Wärmeübertrager mit stromaufwärts unmittelbar vorangeschaltetem Multilaminations-Mikromischer.
In der 1 ist der Grundaufbau eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers mit kreisrunder Grundfläche dargestellt, bestehend aus einem ggf. beheizten bzw. gekühlten Mantelkörper (2), der einen sich verjüngenden Hohlraum trägt, der bis auf einen schmalen Ringkanal, welcher den Temperierraum bildet (3), durch einen ggf. beheizten bzw. gekühlten Kernkörper (1) gefüllt ist. Der Prozessmedienstrom (8) durchfließt den Einlassspalt des Temperierraums (6), den Temperierraum (3) und tritt durch den Auslassspalt des Temperierraums (7) wieder aus. Dabei findet eine Wärmeübertragung zwischen dem Prozessmediumstrom und dem im Gegenstrom durch die Wärmeträgermedienkanäle des Kernkörpers (4) bzw. des Mantelkörpers (5) fließenden Strom des Wärmeübertragermediums (9) statt.
2 zeigt eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers mit Kühlung bzw. Heizung durch ein Wärmeträgermedium und einstellbarer Temperierraumweite. Das Prozessmedium (8) strömt über die zentrale Bohrung im Deckel (10) in das Modul ein und wird über eine kreisförmige Vertiefung an dessen Innenseite auf eine entlang eines Kreisbogens verlaufende Anordnung von Durchleitungskanälen (11) verteilt. Diese leiten es durch das sich daran anschließende Fluidverteilungssegment (12) an den Zu- und Abführungskanälen für das Wärmeträgermedium (17) vorbei zum Einlassspalt (6), von wo es den Temperierraum (3) bis zu seinem Auslassspalt (7) durchströmt. Von hier aus führt der Weg analog zur Zuführung weiter zum Ausgang des Moduls. Die Führung des Wärmeträgermedienstroms (9) erfolgt über einen der Zu-/Abführungskanäle (17) in die jeweiligen Fluidverteilungskanäle (18), von wo aus es die Wärmeträgermedienkanäle (4) und (5) im Kern- bzw. Mantelkörper durchläuft. Nach Passage des Bereichs um den Temperierraum erfolgt die Abführung des Wärmeträgermediums analog zu seiner Zuführung. Eine Variation der Weite des Temperierraums ist bei dieser Ausführung des Wärmeübertragers in gewissen Grenzen durch Verschiebung der inneren Wandung des Mantelkörpers möglich, indem an deren Enden geeignete Distanzringe (16) eingebracht werden (vgl. linken Längsschnitt des Bauelements mit oben eingebautem Distanzring (16) und rechten Längsschnitt mit unten eingebautem Distanzring (16)).
3a–c zeigt in schematischer Darstellung drei vorteilhafte Ausführungsformen eines fluidisch beheizten bzw. gekühlten Wärmeübertragers, bei denen der Strom des Wärmeträgermediums (9) jeweils möglichst dicht und großflächig entlang des Temperierraums (3) a) durch die Wärmeträgermedienkanäle (4) des Kernkörpers (1), b) durch die Wärmeträgermedienkanäle (5) des Mantelkörpers (2) oder c) durch die Wärmeträgermedienkanäle beider Körper geführt wird.
In 4a–c sind drei vorteilhafte Ausführungsformen des Wärmeübertragers mit elektrischer Beheizung in schematischer Darstellung wiedergegeben. In der in 4a dargestellten Form erfolgt die Beheizung durch eine zylindrische Heizpatrone (24), die im Kernkörper (1) des Wärmeübertragers angebracht ist. Bei der in 4b gezeigten Variante wird der Mantelkörper (2) durch eine helixförmige, ggf. zum Material des Mantelkörpers hin elektrisch isolierte Heizwicklung (25) entlang des Temperierraums (3) beheizt. 4c stellt schließlich eine besonders vorteilhafte Kombination dieser beiden Ausführungsformen dar.
5a–c zeigt in schematischer Darstellung, wie durch axiale Verschiebung eines verschiebbaren Kernkörpers (21) gegenüber dem Hohlraum des Mantelkörpers (2) die Weite des Temperierraums (3) mit großer Genauigkeit variiert werden kann, ohne eines der beiden Teile gegen eines mit veränderter Geometrie oder Abmessung austauschen zu müssen. Je kleiner der Verjüngungswinkel des verschiebbaren Kernkörpers (21) bzw. der ihn aufnehmenden Bohrung im Mantelkörper (2) ist, desto geringer ist die Änderung der Temperierraumweite bei gegebener Verschiebung des Kernkörpers.
In 6a ist eine von der rein konischen Form abweichende Verjüngung des Kernkörpers (1) bzw. des ihn aufnehmenden Hohlraums im Mantelkörper (2) dargestellt, die auch eine vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers darstellt.
Die 6b und 6c zeigen in schematischer Darstellung zwei Ausführungsformen des Wärmeübertragers, bei denen entlang des Temperierraums (3) eine kontinuierliche Vergrößerung oder Verkleinerung dessen Weite erfolgt. Zu diesem Zweck ist die Verjüngung des Kernkörpers (1) etwas größer bzw. kleiner gewählt als die des ihn aufnehmenden Hohlraums im Mantelkörper (2).
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Wärmeübertragers mit mikrostrukturierter Oberfläche des Kernkörpers (1). Repräsentativ für verschiedene vorteilhafte Mikrostrukturen, die zur Ausbildung von Sekundärströmungen und damit zur Erhöhung der Effizienz des Wärmeübertragers eingesetzt werden können, sind drei Strukturformen in vergrößerter Darstellung angedeutet. Links ist eine Anordnung sich kreuzender Rillen bzw. Grabenstrukturen gezeigt, zwischen denen sich ein Muster zueinander versetzter rautenförmiger Erhebungen ausbildet. Die in der Mitte dargestellte Struktur setzt sich aus in periodischer Wiederholung versetzt zueinander angeordneter in etwa kreisförmiger Eindellungen oder Aufwölbungen zusammen. In der rechts dargestellten Struktur sind kurze Steg- oder Grabensegmente in periodischer, zu einander versetzter Anordnung quer zur Hauptströmungsrichtung des Prozessmediums ausgebildet.
8 zeigt im Längsschnitt eine besonders vorteilhafte Ausführung eines Wärmeübertragers, die unmittelbar an die Mischkammer (38) eines Multilaminations-Mikromischers angebaut ist. Die beiden zu vermischenden Medienströme treten durch die jeweiligen Eingänge (34) und (35) in den Grundkörper des Mischers ein und verteilen sich von hier aus auf die beiden konzentrisch angeordneten ringförmig umlaufenden Zuführungskanäle (36) und (37). Von hier aus treten sie in die Mischplatte (31) ein, die in kreisförmiger Anordnung radial verlaufende, einander interdigital überlappende Schlitzstrukturen trägt, welche abwechselnd bis über den inneren bzw. äußeren Eduktzuführungskanal ragen. Entlang des Überlappungsbereichs dieser Schlitzstrukturen in der Mischplatte (31) trägt die durch den Mischerplattenniederhalter (33) darauf aufgepresste Blendenplatte (32) eine ringförmige Schlitzblende, durch die der nun in feine Fluidlamellen abwechselnder Eduktzusammensetzung aufgeteilte Prozessmedienstrom in die ringförmige Mischkammer (38) einströmt. Von hier aus erfolgt die weitere Führung des Prozessmedienstroms, in dem im weiteren Strömungsverlauf eine schnelle Vermischung der Edukte durch Interdiffusion stattfindet, über die Durchleitungskanäle (11) analog der Beschreibung zu 2.

1: Kernkörper
2: Mantelkörper
3: Temperierraum
4: Wärmeträgermedienkanäle im Kernkörper
5: Wärmeträgermedienkanäle im Mantelkörper 5
6: Einlassspalt des Temperierraums
7: Auslassspalt des Temperierraums
8: Prozessmedienstrom
9: Strom des Wärmeträgermediums
10: Moduldeckel mit Verteilung und Ein-/Auslass für Prozessmedium 10
11: Durchleitungskanäle für Prozessmedium
12: Fluidverteilungssegment
13: zentraler Füllkörper
14: innere Wandung des Mantelkörpers
15: äußere Wandung des Mantelkörpers 15
16: Distanzring
17: Zu-/Abführungskanäle für Wärmeträgermedium
18: Verteilungskanäle für Wärmeträgermedium
21: axial verschiebbarer Kernkörper
24: Heizpatrone (elektrischer Widerstandsheizer) 20
25: Heizwicklung (elektrischer Widerstandsheizer)
30: Grundkörper des Multilaminationsmischersegments
31: Mischplatte des Multilaminationsmischersegments
32: Blendenplatte des Multilaminationsmischersegments
33: Mischerplattenniederhalter des Multilaminationsmischersegments 25
34: Eingang für Edukt A
35: Eingang für Edukt B
36: umlaufender Zuführungskanal für Edukt A
37: umlaufender Zuführungskanal für Edukt B
38: umlaufende Mischkammer

Claims

Kontinuierlich durchströmbarer Wärmeübertrager für fluide Medien, enthaltend einen Mantelkörper mit darin befindlichem rotationssymmetrischem Hohlraum sowie einen darin koaxial zentrierten rotationssymmetrischen Kernkörper, von denen mindestens einer eine Wärmeübertragung zwischen dem zu beheizenden bzw. zu kühlenden Prozessmedium und einer mit dem Wärmeübertrager in thermischem Kontakt befindlichen oder darin enthaltenen Wärmequelle bzw. -senke ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kernkörper wie auch der Hohlraum im Mantelkörper in derselben axialen Richtung verjüngen, so dass zwischen der Mantelfläche bzw. den Mantelflächen des Kernkörpers und der Innenfläche bzw. den Innenflächen des Mantelkörpers ein den Kernkörper umgebender – gegebenenfalls entlang des Umfangs segmentierter – Temperierraum mit sich in axialer Richtung mindestens abschnittsweise kontinuierlich verringerndem Umfang entsteht.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundfläche des Kernkörpers bzw. die Grundfläche des im Mantelkörper befindlichen Hohlraumes senkrecht zur gemeinsamen Symmetrieachse kreisförmig ist.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittlinien der Außenfläche des Kernkörpers und der Innenfläche des Hohlraums im Mantelkörper mit wenigstens einer die gemeinsame Symmetrieachse enthaltenen Ebene über jeweils wenigstens zwei Drittel ihrer Länge um den jeweils gleichen oder verschiedene Winkel im Intervall von 1° bis 80° gegen die gemeinsame Symmetrieachse geneigt sind, wobei die jeweils gleichen oder verschiedenen Winkel dieser Schnittlinien gegenüber der gemeinsamen Symmetrieachse auch entlang des Verlaufs dieser Linien variieren können.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernkörper und/oder der Mantelkörper mittels eines elektrischen Widerstandselements, eines Peltier-Elements und/oder eines Wärmeträgermediums beheizt bzw. gekühlt wird, wobei im Falle einer Beheizung bzw. Kühlung durch ein Wärmeträgermedium dieses im Gleich- und/oder Gegenstrom zu dem zu beheizenden bzw. zu kühlenden Prozessmedium geführt wird.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Weite des Temperierraums durch Austausch des Kernkörpers und/oder axiale Verschiebung des Kernkörpers gegenüber dem Mantelkörper während und/oder außerhalb des Betriebes variiert werden kann.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Temperierraum eine katalytisch aktive Substanz auf die Wandungen des Temperierraums aufgebracht und/oder durchströmbar in dem Temperierraum vorhanden ist.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Wandung mindestens eines der den Wärmeübertrager durchziehenden Kanäle mit Mikrostrukturen und/oder mit einer antihaftenden, antikorrosiven und/oder vor Abrasion schützenden Beschichtung und/oder Oberflächenbehandlung versehen ist.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser wenigstens einen Sensor enthält, der die Ermittlung wenigstens einer physikalischen oder chemischen Größe in oder an mindestens einem der den Wärmeübertrager durchziehenden Kanäle und/oder dem Kern- oder Mantelkörper erlaubt.
Kontinuierlich durchströmbare Analytik-, Reaktions- Regelungs- oder Prozesssysteme für fluide Medien, insbesondere Mikroreaktionssysteme oder modulare Mikroreaktorsysteme, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche Bestandteil ist.
Verwendung des Wärmeübertragers nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für die schnelle Einstellung von definierten Temperaturen in einem durchströmenden Prozessmedium und/oder dessen Verdampfung oder Kondensation und/oder für die Durchführung von chemischen oder physikalischen Prozessen mit hoher Wärmetönung, insbesondere solchen, bei denen eine Temperaturänderung des Reaktionsmediums durch Zu- oder Abfuhr von Wärme innerhalb definierter Temperaturgrenzen gehalten werden muss.