DE102005025248A1

DE102005025248A1 - Fluidführungssystem

Info

Publication number: DE102005025248A1
Application number: DE102005025248A
Authority: DE
Inventors: Walther Benzinger; Klaus Schubert
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2005-06-02
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2025-06-03
Also published as: DE102005025248B4

Abstract

Fluidführungssystem, umfassend ein Führungsbauteil (1) mit einem Stapel mit mehreren plattenartigen Elementen (4) mit Fluidführungen (5) zwischen zwei Abschlusselementen (6) ohne Fluidführung. Aufgabe ist es, ein Fluidführungssystem mit einer erhöhten Standzeit zu schaffen, wobei ein kontinuierlicher Betrieb ohne Unterbrechungen störungsfrei, d. h. ohne nennenswerte Abweichungen der Wärmeübertragungs- und Durchströmungseigenschaften möglich ist. Dies wird dadurch erreicht, indem am Fluidführungssystem Mittel zur Erzeugung eines Ultraschallsignals (7) an mindestens einem der Abschlusselemente vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fluidführungssystem gemäß des ersten Patentanspruchs.
Fluidführungssysteme der eingangs genannten Gattung sind in der Mikrofluidtechnik als Wärmetauscher, Reaktoren oder statische Vermischer bereits vielfach realisiert und beschrieben worden. Sie umfassen ein Führungsbauteil, das durch eine Vielzahl von Mikrokanälen als Fluidpassagen durchdrungen wird. Kleine Abmessungen der Einzelkanäle bewirken besonders große spezifische Kanalwandungsflächen und eine feine Verteilung der Fluide im Führungsbauteil, damit ein hohes Wärmeübergangsvermögen. Eine katalytische Beschichtung der Wandungen wirkt dadurch in sehr kurzer Zeit auf einen großen Anteil der eingeleiteten Fluide.

In der EP 0 758 918 B1 ist beispielhaft ein Fluidführungssystem der vorgenannten Art angeführt. Es umfasst ein Führungsbauteil, in dem zwei Fluidfraktionen über Mikrokanäle getrennt zu einer gemeinsamen Fluidaustrittsfläche vor einer nachgeschalteten Mischkammer geleitet werden. Das Führungsbauteil besteht aus einen Stapel mit mehreren plattenartigen Elementen mit den genannten Fluidführungen weist oben und unten je ein Abschlusselement ohne Fluidführung auf.

Ferner wird in der DE 199 17 521 A1 ein Führungsbauteil offenbart, in dem eine Fluidfraktion über integrierte elektrische Heizelemente erhitzt wird. Die Heizelemente sind zwischen den vorgenannten plattenförmigen, mit Fluidführungen versehenen Elementen in separate Platten eingesetzt.

Bei Mikrokanälen allgemein und im letztgenannten beheizbaren Führungsbauteil im speziellen erhöht sich mit zunehmender Miniaturisierung die Gefahr von Ablagerungen, die aufgrund der vorgenannten großen spezifischen Wandungsfläche und den geringen Querschnitten der Einzelkanäle in kürzester Zeit zu einer Beeinträchtigung des Durchflussverhaltens bis hin zu schnellen Verstopfungen führen können. Insbesondere bei der Erwärmung von Fluiden kann es aufgrund der vorliegenden Substanzen oder aufgrund von chemischen Vorgängen zu einer weiteren Beschleunigung unerwünschter Ablagerungsbildung kommen.

Die Bildung der genannten Ablagerungen als Wandschicht ist als sog. Fouling bekannt. Die Wandschicht verursacht zudem zusätzlichen Wärmewiderstand in den Mikrokanälen und damit eine Reduzierung der übertragenen Wärmemenge. Auch die hydrodynamischen Eigenschaften ändern sich kontinuierlich in Form einer Zunahme des Druckverlustes bis zur Verstopfung der Kanäle.

Davon ausgehend liegt Aufgabe der Erfindung darin, ein Fluidführungssystem mit einer erhöhten Standzeit oder erhöhter Effizienz (als Reaktor) zu schaffen, wobei ein kontinuierlicher Betrieb ohne Unterbrechungen störungsfrei, d.h. ohne nennenswerte Abweichungen der Wärmeübertragungs- und Durchströmungseigenschaften möglich ist.

Die Aufgabe wird durch ein Fluidführungssystem gemäß des ersten Patentanspruchs gelöst. Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen wieder.

Das Fluidführungssystem weist hierzu mindestens ein Führungsbauteil mit einen Stapel mit mehreren flächigen plattenartigen Elementen mit Fluidführungen auf. Einzelne Elemente können anstelle oder zusätzlich einer Fluidführung auch andere Funktionsdetails aufweisen, wie z.B. elektrische Heizelemente. Dieser Stapel wird auf beiden Seiten mit je einer Lage in Form eines Abschlusselements abgeschlossen. Diese Abschlusselemente weisen vorzugsweise keine Fluidführungen auf, zumindest keine Fluidführungsteile wie Fluidanschlüsse oder Fluideintritte und Fluidaustritte auf ihren nach außen gerichteten Flächen, d.h. den Stapelober- und Stapelunterflächen. Die fluidischen Anschlüsse zu den Fluidführungen befinden sich somit ausschließlich an den seitlichen Stapelflächen.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung betrifft die Mittel zur Erzeugung eines Ultraschallsignals, welche an mindestens einem der Abschlusselemente ansetzen und das Ultraschallsignal über die Abschlusselemente auf die Elemente im Stapel übertragen. Mit den Elementen befinden sich die Fluidführungen und die darin befindlichen Fluide im Wirkbereich von Ultraschallswellen, wobei mit dem vorgenannten Stapelaufbau die Fließrichtung und die Hauptschallrichtung nicht in die gleiche Richtung weisen, vorzugsweise orthogonal zueinander ausgerichtet sind. Auf diese Weise versetzt das Ultraschallsignal die plattenartigen Elemente mit Fluidführungen in Schwingungen, sodass die Ultraschallwellen quer zum Fluidströmung (z.T. vorteilhafte Longitudinalwellen-, keine reinen Scherwellenübertragungen) eingetragen werden.

Die Fluidführungen werden vorzugsweise durch eingebrachten Strukturen (z.B. Vertiefungen, Rillen, Prägungen, Stanzungen etc., aber auch Wellblech als Element) oder Abstandshaltern (z.B. Einlege- oder Aufsatzteile) auf jedem Element separat gebildet. Sie sind Kanäle oder durchströmbare Volumina, vorzugsweise umfassend eine Vielzahl von parallel verlaufenden rillenförmigen Kanälen und/oder ein durchströmbares Reaktionsvolumen.

Es gibt Fluidführungssysteme für mehr als eine Fluidfraktion, bei denen die Fluidfraktionen nicht miteinander in Kontakt kommen dürfen (z.B. im Kreuzstromwärmetauscher). Sie weisen pro Fluidfraktion je eine von den jeweiligen anderen getrennte Fluidführungsfraktion auf, wobei im Rahmen der Erfindung die Fluidführungen auf jedem Element vorzugsweise keine Verbindung zu den Fluidführungen auf benachbarten Elementen aufweisen.

Durchströmbare Volumina der vorgenannten Art umfassen z.B. Reaktionsvolumina mit einer oder mehreren Zuleitungen für Reaktions-Edukten sowie einer oder mehreren Ableitungen für die Reaktionsprodukte. Eine Grundlage der chemischen Wirkungen von Ultraschall speziell auf imkompressible Fluide (Flüssigkeiten) ist das Phänomen der Ultraschallkavitation. Unter der Bedingung der Kavitation lassen sich eine Vielzahl spezieller chemischer Reaktionen führen (Radikalreaktionen, Additionen, Cycloadditionen, Sonolysen, etc.), als auch die Ausbeute und die Selektivitäten chemischer Reaktionen erhöhen. Im Rahmen der Erfindung erfolgt aufgrund der in die Fluidführungen eingeleiteten Ultraschallsignale Ultraschallkavitation im Fluid bevorzugt an den Fluidführungswandungen, was wiederum eine sonochemische Reaktion im Reaktionsraum hervorruft. Für höhere in das Fluid zu übertragende Energiedichten sind mikrostrukturierte Durchflussreaktionsvolumina vorteilhaft, da auch mit einer steigender Frequenz die Eindringtiefe der Schallwellen in das Fluid oder die Fluidmischung im Reaktionsvolumen abnimmt.

Aber auch Sedimentationsvolumnia oder Trennsysteme können durch die vorgenannten durchströmbaren Volumina gebildet werden. Eine Aufkonzentration von z.B. Feinstpartikeln in einer Flüssigkeit oder Staub- oder Aerosolpartikel in einem Gas lassen sich beispielsweise durch Schwingungsknoten und -bäuchen des Ultraschallsignals in den Volumina, d.h. durch eine Abstimmung der und akustischen und geometrischen Verhältnisse im Fluidführungssystem gezielt steuern und beeinflussen. Entsprechend der Konzentrationswerte sind die einzelnen Fluidbestandteile durch eigene Fluidführungen ableitbar. Durch eine Frequenzveränderung lassen zudem sich die Schwingungsknoten und – bäuche im Volumen verschieben.

Vorteile des vorgenannten Fluidführungssystems mit Ultra schalleinkopplung liegen in einer geringeren Verstopfungsgefahr und damit grundsätzlich in einer erhöhten Standzeit bei gleichzeitig weniger schnell sich ändernden fluidischen und thermischen Eigenschaften. Umfasst das Fluidführungssystem ein Reaktionsvolumen, besteht der Vorteil darin, dass ein Fluid im Rahmen einer über die Fließgeschwindigkeit exakt einstellbaren kurzen Zeit zwischen Eintritt und Austritt aus dem Schallfeld mit hoher Ultraschallenergieeinleitung beaufschlagbar ist, wobei eine große spezifische Wandungsfläche der Fluidführungen eine besonders effektive Einschallung (hohe Energiedichten) auf das in einzelne Fluidstromfäden aufgefächerte gesamte Fluidvolumen wirksam sicherstellt. Grundsätzlich ist bei einer Auslegung der Erfindung zu beachten, dass ein Ultraschallimpuls bei Einleitung in ein Fluid mit der Eindringtiefe stark abnimmt und Scherschwingungen in Fluiden nicht übertragen werden. Durch kontinuierliche Frequenzänderungen während des Betriebes (elektronisch gesteuert) wird vermieden, dass es zum Ausbleiben von Reinigungseffekten im Bereich der Wellenknoten kommt.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mit der folgenden Figur näher erläutert. Es zeigt
1 eine Teilschnittdarstellung eines Fluidführungssystems.
Die in 1 gezeigte Ausführungsform des Fluidführungssystems umfasst ein Kreuzstromwärmtauschermodul mit Führungsbauteil 1, Anschlüssen 2 sowie Verteilungsvolumina 3. Dargestellt sind die Anschlüsse sowie Verteilungsvolumina nur für die Passage einer von zwei Fluidfraktionen, während die Orientierung der Passage für die zweite Fluidfraktion orthogonal zu der Schnittebene (Zeichnungsebene) orientiert ist und folglich die zugehörigen Anschlüsse und Volumina in 1 nicht dargestellt sind. Die Fluidführungen für die beiden Fluidfraktionen sind fluidisch voneinander getrennt.
Das Führungsbauteil 1 umfasst einen Stapel aus mehreren plattenartigen Elementen 4 mit Fluidführungen 5 sowie als oberstes und unterstes Element je ein Abschlusselement 6 ohne Fluidführung. Entsprechend dem Aufbau eines Kreuzstromwärmetauschers weist jedes Element zwischen den Abschlusselementen eine Fluidführung für eine der Fluidfraktionen (Fluidführungsfraktion) auf, wobei kein Element an ein anders Element mit einer Fluidführung der gleichen Fluidführungsfraktion angrenzt.
Auf die Abschlusselemente 6 sind jeweils auf der äußeren freien Fläche je ein Ultraschallwandlersystem als Mittel zur Erzeugung eines Ultraschallsignals 7 vorgesehen. Ein Ultraschallwandlersystem besteht im Ausführungsbeispiel aus einem Ultraschallwandler 8 mit Massenelement 9, wobei diese über eine zentrale Schraube 10 als Bindemittel an die Abschlusselemente 6 geschraubt sind. Ein Ultraschallwandler 8 wird bevorzugt aus einen oder mehreren, im Beispiel zwei piezokeramischen Wandlerelementen 11 (Monolayer bzw. Multilayer) gebildet. Die Ultraschallwandler werden durch geeignete, in 1 nicht weiter dargestellte Ultraschallelektroniken angesteuert, wobei grundsätzlich sowohl ein Resonatorbetrieb, d.h. mit einer Eigenfrequenz des Systems als auch eine kontinuierlich änderbare, wählbare (z.B. durch eine Aufgabe vorgegebene, z.B. Sedimentation, Trennung) Frequenz in das System einleitbar ist.
Das Fluidführungssystem in der dargestellten Ausführungsform ist entsprechend einem Ultraschallerzeuger mit Ultraschallwandlern und bewegten Massen (aufgesetzte Sonotrode) für einen Resonatorbetrieb aufgebaut. Die Sonotrode wird dabei durch das Führungsbauteil 1 gebildet, wobei durch das optionale, für den Resonatorbetrieb ggf. für eine Auslegung an hinsichtlich einer bestimmten Frequenz erforderliche Massenelement 9 ein Gegenträgheitsmoment zur Verstärkung der Ultraschallsignale erzeugt wird. Ein um die vier Anschlüsse 2 flächensymmetrischer Aufbau des Fluidführungssystems reduziert die Ultraschallsignale an den Anschlüssen.
Durch Erzeugung von Ultraschalls wird die Sonotrode in Schwingungen versetzt. Wenn man annimmt, dass die Oberfläche der Kanäle mit einer Amplitude von 0,01 mm bei einer Frequenz von 20 kHz auf und ab schwingt, erhält man Beschleunigungen, die eine vielfaches der Erdbeschleunigung betragen. Grundsätzlich gilt für die Auslenkung y y = y ^·sin ωt(Amplitude: y ^, Kreisfrequenz: ω, Zeit: t), für die Geschwindigkeit v v = dy/dt = ω·y ^·cos ωtsowie für die Beschleunigung a a = d2y/dt2 = ω2·y ^·sin ωt.
Beispielsweise erhält man bei einer Frequenz von 1 MHz und einer Amplitude von 1 μm (typische Werte) eine Beschleunigung a von knapp 40·10⁶ m/s².
Die Flüssigkeit bzw. die abgelagerte Schicht (Fouling) werden also starken Beschleunigungskräften ausgesetzt, wobei sogenannte microstreaming-Effekte (kurzhübige Scherbewegungen im Fluid selbst oder zu einer Wandung) ausgelöst werden. Eine abgelagerte Schicht wird ausgehend von den ersten Ablösungen auseinander gerissen, zerkleinert und kann vom Massenstrom aus dem Kanal herausgespült werden. Die Wärmeübertragungseigenschaften der Mikrostruktur sind praktisch wieder auf dem Aus gangsniveau. Die hydrodynamischen Eigenschaften sind nach einer Reinigung wieder hergestellt.
Energieverluste sind deutlich reduziert, da einerseits ein Resonatorbetrieb vorgesehen ist und andererseits die Reaktionskanäle in der Sonotrode liegen. Da die Kanäle, als Bestandteile der Sonotrode, direkt im Bereich des Ultraschallfeldes liegen, ist eine gleichmäßige Beaufschlagung mit Ultraschall garantiert. Auch sind im Ausführungsbeispiel wie vorgenannt Mikrokanäle von Vorteil, da mit steigender Frequenz des Systems die Eindringtiefe des Ultraschalls abnimmt. Weiterhin bieten die Mikrokanäle auch hier die Möglichkeit eine konstante Verweilzeit einzustellen.

1: Führungsbauteil
2: Anschluss
3: Verteilungsvolumen
4: plattenartiges Element
5: Fluidführung
6: Abschlusselement
7: Mittel zur Erzeugung eines Ultraschallsignals
8: Ultraschallwandler
9: Massenelement
10: Schraube
11: piezokeramisches Wandlerelement

Claims

1 Fluidführungssystem, umfassend ein Führungsbauteil (1) mit einen Stapel mit mehreren plattenartigen Elementen (4) mit Fluidführungen (5) zwischen zwei Abschlusselementen (6) ohne Fluidführung, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erzeugung eines Ultraschallsignals (7) an mindestens einem der Abschlusselemente vorgesehen sind.

Fluidführungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidführungen (5) je Element (4) separat eine Vielzahl von parallel verlaufenden rillenförmigen Kanäle umfassen.

Fluidführungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidführungen (5) mindestens ein durchströmbares Reaktionsvolumen umfassen.

Fluidführungssystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidführungen (5) in mindestens zwei fluidisch voneinander getrennten Fluidführungsfraktionen unterteilt sind.

Fluidführungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Element (4) zwischen den Abschlusselementen (6) eine Fluidführung (5) einer der Fluidführungsfraktionen aufweist, wobei kein Element an ein anderes Element mit einer Fluidführung der gleichen Fluidführungsfraktion angrenzt.

Fluidführungssystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Fluidführungen (5) unterschiedlicher Fluidführungfraktionen berührungslos kreuzen.

Fluidführungssystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (7) mindestens einen Ultraschallwandler (8) umfassen.

Fluidführungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Ultraschallwandler (8) mindestens ein piezokeramisches oder elektroakustisches Wandlerelement (11) aufweist.

Fluidführungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die piezokeramischen Ultraschallwandlerelemente (11) einzeln oder als ein Multilayerwandler mehrfach gestapelt zwischen einem Abschlusselement (6) und einem Massenelement (9) eingesetzt sind.

Fluidführungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwandler (8) mittels eines Bindemittels an die Abschlusselemente befestigt sind.

Fluidführungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel eine Verschraubung (10) umfasst.