DE102015113432A1

DE102015113432A1 - Strömungsleitelemente in einem Kanal

Info

Publication number: DE102015113432A1
Application number: DE102015113432.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Hensel; Achim Wenka; Edgar Hansjosten; Walther Benzinger
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2015-08-14
Filing date: 2015-08-14
Publication date: 2017-02-16
Also published as: EP3334993B1; EP3334993A1; WO2017029211A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzielung einer definierten Führung eines Volumenstroms eines Fluids durch ein kanalförmiges Element, wobei das Fluid in das kanalförmige Element einströmt, – das Fluid in Teilströme aufgeteilt wird, – die Aufteilung mittels mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelementen erzielt wird, durch die mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelemente die Teilströme definiert geführt werden und – die Teilströme derart geführt werden, dass sie mit der Innenwand des kanalförmigen Elements und den anderen Teilströmen mindestens einmal in Berührung gebracht werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mit Strömungsleitelementen versehenen Strömungskanal.
In dem Stand der Technik werden eine Vielzahl von Strömungskanälen vorgestellt, in welchen Einbauten vorhanden sind. Diese dienen der Durchmischung des Stoffstroms. Beispielsweise ist aus der Patentschrift DE 2808854 C3 eine Vorrichtung für den Wärmeaustausch bekannt. In dieser Vorrichtung wird vorwiegend der Stoffstrom gemischt. Hierfür sind in dieser statische Mischer eingebaut. Solche Einbauten liegen beispielsweise in Form von Stegen oder Steglatten vor, die als Pakete zusammengefasst hintereinander im Kanal eingebaut sind. Es handelt sich mithin um feste Einbauten, durch die die Kanalströmung umgelenkt wird. An den Kanten bilden sich beispielsweise Strömungswirbel, die die Quervermischung verbessern. Bei solchen statischen Mischern wird zugleich der Wärmeaustausch mit der Kanalwand als Folge der erhöhten Quervermischung verbessert.
Weitere Beispiele für feste Einbauten finden sich in der EP 1 067 352 A1 , der DE 1 032 6381 A1 und der EP 1 332 794 B1 . Allen Dokumenten ist zu entnehmen, dass Wärmeaustausch verbessert wird sowie Turbulenzen erzeugt werden. In allen Fällen ist jedoch eine definierte Führung des Volumenstroms nicht verwirklicht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgemäß, Strömungsführungen in einem Kanal so zu gestalten, dass eine definierte Führung des Volumenstroms erreicht wird und zugleich der erforderliche Wärme- und/oder Stoffaustausch gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass

– das Fluid in das kanalförmige Element einströmt,
– das Fluid in laminare Teilströme aufgeteilt wird,
– die Aufteilung mittels mikrokanalstrukturierten Strömungsleitlementen erzielt wird,
– die Teilströme durch mikrokanalstrukturierte Strömungsleitelemente definiert geführt werden, und
– die Teilströme derart geführt werden, dass sie mit der Innenwand des kanalförmigen Elements und untereinander in Berührung gebracht werden.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzielung einer definierten Führung eines Volumenstroms eines Fluids durch ein kanalförmiges Element, in welchem mikrokanalstruktuierte Strömungsleitelemente zur Aufteilung des Volumenstroms und Führung der entstehenden Teilströme von Fluiden angeordnet sind.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können Austauschvorgänge sowohl mit der Kanalwand als auch zwischen den Teilströmen ablaufen. Durch die Aufteilung des Volumenstroms in Teilströme und abhängig von der Form der Strömungsleitelemente wird die Kontaktstrecke mit der Rohrwand sowie zwischen den einzelnen Teilströmen vorgegeben. Durch Variationen der geometrischen Form entlang des Kanals kann die Kontaktstrecke prozessabhängig verändert und somit der Prozess beeinflusst werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird die Kanalströmung demgemäß nicht nur lokal umgelenkt, sondern es wird eine definierte Strömungsführung im Kanal gewährleistet.
Erfindungsgemäß sind in dem Strömungskanal mikrokanalstrukturierte Strömungsleitelemente vorhanden. Es handelt sich hierbei um äußerst feine Strömungsleitelemente. Die Kanalhöhe der mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelemente liegt bei 0,1–100 mm, vorzugsweise 0,5–5 mm.
In demselben Bereich ist auch die Breite der mikrokanalstrukturierten Strömungleitelemente anzusiedeln.
Die mikrostrukturierten Strömungsleitelemente sind mit der sog. 3D-Drucktechnik herstellbar. D. h. mit Hilfe der 3D-Drucktechnik lassen sich komplexe Formflächen aufbauen. In bevorzugten Ausführungsformen haben die mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelemente einen kreis-, kreisring-, elipsen- oder rechtecksförmig ausgestalteten Querschnitt.
Die Länge der mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelemente beträgt 3–300 mm, vorzugsweise 5–50 mm
Die Wandstärke der mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelemente liegt bei 0,01–0,5 mm, vorzugsweise 0,1–0,3 mm.
Die Strömungsleitelemente werden derart in den Strömungskanal eingesetzt, dass sie etwa 5–50%, vorzugsweise 5–30% des kanalförmigen Elements einnehmen.
Die erfindungsgemäßen mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelemente können auch ein katalytisch wirksames Material aufweisen oder hieraus bestehen. Ebenso ist es möglich, dass die Strömungsleitelemente mit katalytisch aktivem Material, einem Korrosionsschutz oder einer Antifolienschicht versehen sind oder mit beliebigen Kombinationen der genannten Schichten beaufschlagt sind. Ebenso ist es möglich, dass die Strömungsleitelemente aus den genannten Materialien bestehen.
Als bevorzugte Materialien für die Herstellung der mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelemente können diese Metall, Keramik oder Kunststoffe enthalten oder hieraus bestehen, oder beliebige Kombinationen der genannten Stoffe aufweisen oder aus diesen bestehen.
Durch die mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelemente kann der Volumenstrom eines Fluids in beliebiger Weise aufgeteilt werden. Von zwei bis unendlich sind beliebige Teilströme denkbar. Beispielsweise können vier oder sechs Teilströme vorgesehen sein.
Durch die Strömungsleitelemente wird eine Führung der Teilströme erreicht. Hierbei ist die Konstruktion so ausgeführt, dass die Teilströme abwechselnd mit der Innenwand des kanalförmigen Elements und mit den anderen Teilströmen in Berührung gebracht werden. An den Berührungsflächen der Teilströme sind die Wände der mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelemente offen. Hierdurch wird erreicht, dass ein Stoffaustausch zwischen den Teilströmen erreicht werden kann. Zugleich wird ein Wärmeaustausch erzielt. An den Kanalwänden wird allein ein Wärmeaustausch durchgeführt.
Die Strömungsleitelemente sind mit unterschiedlichen Mikrokanalformen gefertigt. Dies ermöglicht es, dass die Teilströme beliebig in dem kanalförmigen Element geführt werden können. Hier sind jedoch die mikrokanalstruktierten Strömungsleitelemente fest eingebaut. Damit ist gewährleistet, dass ein ständiger Kontakt mit der Kanalwand bzw. den anderen Teilströmen, an definierten Flächen gewährleistet ist. Damit lässt sich gezielt ein Wärme- bzw. Stoffaustausch erreichen. Im Ergebnis ist so eine kontrollierte Reaktions- und/oder Prozessführung bei gleichzeitiger Prozesstemperierung innerhalb der mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelemente möglich. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben:
Bezugszeichenliste

1–6: Teilströme
7, 8: Strömungsleitelement
9: Kanalförmiges Element
10: Rohrwand
11: Halbwellenlänge Lambda/2

Übersicht über die Figuren
1 = Querschnitt und Seitenansicht eines Strömungskanals mit vier Teilströmen
2 = Kanalquerschnitt mit sechs Teilströmen
7 = Seitenansicht des Kanals gemäß 2
4 = Querschnitt durch einen kreisförmigen Strömungskanal
5 = Seitenansicht eines Strömungskanals mit kreisförmigem Querschnitt
Detailierte Figurenbeschreibung:
Gemäß 1 ist die Rohrströmung in vier Teilströme zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen der Wand des kanalförmigen Elements und Stoffstrom aufgeteilt. In dem kanalförmigen Element sind in dem Beispiel gemäß 1 zwei Strömungsleitelemente 7, 8 eingebaut. Die Wandstrukturen der Strömungsleitelemente 7, 8 führen die Teilströme 1, 2, 3 und 4. Teilstrom 2 durchdringt Teilstrom 1 und wird zur Rohrwand 10 des kanalförmigen Elementes geleitet. Die Strömungsleitelemente weisen an der Berührungsfläche zwischen Teilstrom 2 und Teilstrom 3 keine Wand auf. Das heißt dort können die Teilströme sich stofflich austauschen. An der Wand des kanalförmigen Elements findet ein Wärmeaustausch statt. Der Teilstrom 1 wird von der Wand 10 des kanalförmigen Elementes Richtung Mitte des kanalförmigen Elementes geleitet. Ein entsprechender Austausch findet bei den Teilströmen 3 und 4 statt. Der entsprechende Austauschvorgang wiederholt sich im zweiten mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelement 8. Die Wellenlänge für einen Austauschzyklus entspricht der Länge von zwei Strömungsleitementen. Diese kann als Designparameter abhängig von der Viskosität des Stoffstroms gewählt werden.
Die Randbedingungen für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Vorrichtung gemäß 1 sind folgende:
Anzahl der Teilströme n = 4
Innendurchmesser des kanalförmigen Elements d = 10 mm
Länge der Strömungsleitelemente 7 und 8 l = 15 mm
Wellenlänge Lambda = 30 mm
Wandstärke der Strömungsleitelemente 7, 8 s = 0,3 mm
Das mikrostrukturierte Strömungsleitelement wurde mithilfe der 3D-Drucktechnik aus Metall hergestellt. Der Volumenverbrauch durch die Einbauten beträgt in dem Beispiel gemäß 1 8% des Innenvolumens des kanalförmigen Elementes.
Mit der Anlage gemäß 1 können hochviskose Fluide bei geringem Druckverlust homogen aufgeheizt werden.
Die Aufteilung der Volumenströme in dem kanalförmigen Element 9 erfolgt gemäß 2 und 3 in 18 Teilströme. Hierdurch lässt sich eine Optimierung der Prozessführung einer heterogenen Gasphasenreaktion und Temperierung über die Wand 10 des kanalförmigen Elementes 9 erreichen.
In einem kanalförmigen Element 9 sind drei mikrokanalstrukturierte Strömungsleitelemente eingelegt. Der Volumenstrom wird in dem ersten Element wiederum in sechs Teilebenen unterteilt. In jeder Teilebene wird der Volumenstrom nochmals in drei Teilströme aufgeteilt, so dass insgesamt 18 Teilströme entstehen.
3 zeigt den Verlauf der Teilströme je Teilebene (1.1, 2.1, 3.1, 4.1, 5.1, 6.1) auf einer Wegstrecke von 3 Strömungsleitelement-Längen. Aus der Figur ist ersichtlich, dass die Strömungsleitelemente in sechs Teilebenen unterteilt sind, die Teilströme werden systematisch von Teilebenen zu Teilebene geführt. Jeder Teilstrom wird einmal an die Kanalwand geführt, wie dies aus 3 ersichtlich ist. D. h. jedes mikrokanalstrukturierte Strömungsleitelement kann einmal einen Wärmeaustausch an der Kanalwand durchführen. Nach einer Wegstrecke von sechs Einbauelementlängen haben die Teilströme wieder die Ausgangsposition erreicht, d. h. ein Austauschzyklus wurde durchlaufen. In dem Beispiel gemäß den 2 und 3 entspricht die Wellenlänge für einen Austauschzyklus der Länge von sechs mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelementen. Die Kontaktstrecke an der Kanalwand bzw. die Verweilzeit zwischen zwei Wandkontakten wird durch die Geometrieparameter (Anzahl der Teilströme, Wellenlänge) je Teilstrom definiert. Alle Teilströme haben gleich lange (äquivalente) Kontaktstrecken.
In dem Beispiel gemäß 2 und 3 wurde das mikrokanalstrukturierte Strömungsleitelement mithilfe der 3D-Drucktechnik aus Metall mit einer konstanten Wandstärke s = 0,2 mm hergestellt. Die mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelementformen und -längen sind so gewählt, dass die Bauteile sicher mit einem katalytisch aktiven Material zu beschichten sind, bzw. aus katalytischem Material bestehen.
In dem Beispiel gemäß den 4 und 5 ist ein kreisförmiges, kanalförmiges Element dargestellt. Gemäß 4 wird im Querschnitt des kanalförmigen Elements gezeigt, wie in den einzelnen kreisförmig angeordneten Teilebenen der Elemente 7, 12–14, die Teilströme mit den mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelementen angeordnet sind. Aus 4 ist ersichtlich, dass je Teilebene drei Teilströme definiert sind.
Gemäß 5 ist ersichtlich, dass die Teilebenen 12, 13 und 14 als Einbauten konstruiert sind, zwischen denen die Teilströme radial ausgetauscht werden. Auch hier ist gewährleistet, dass jeweils ein Teilstrom mindestens einmal an die Kanalwand geführt wird und mit anderen Teilströmen in Berührung gerät, so dass hier ein Stoffaustausch stattfinden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 2808854 C3 [0002]
EP 1067352 A1 [0003]
DE 10326381 A1 [0003]
EP 1332794 B1 [0003]

Claims

Verfahren zur Erzielung einer definierten Führung eines Volumenstroms eines Fluids durch ein kanalförmiges Element dadurch gekennzeichnet, dass – das Fluid in das kanalförmige Element einströmt, – das Fluid in laminare Teilströme aufgeteilt wird, – die Aufteilung mittels mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelementen erzielt wird, durch die mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelemente in die Teilströme definiert geführt werden und – die Teilströme derart geführt werden, dass sie mit der Innenwand des kanalförmigen Elements und untereinander in Berührung gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Teilströme derart geführt werden, dass sie abwechselnd mit der Innenwand des kanalförmigen Elements und mit den anderen Teilströmen in Berührung gebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass jeder Teilstrom mindestens einmal an die Innenwand des kanalförmigen Elements geführt wird.
Vorrichtung zur Erzielung einer definierten Führung eines Volumenstroms eines Fluids durch ein kanalförmiges Element dadurch gekennzeichnet, dass in dem kanalförmigen Element mikrokanalstrukturierte Strömungsleitelemente zur Aufteilung des Volumenstroms und Führung der entstehenden Teilströme von Fluiden angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass in dem kanalförmigen Element zur Führung der Teilströme wenigstens ein mikrokanalstrukturiertes Strömungsleitelement angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle der Strömungsleitelemente an definierten Berührungsflächen von Teilströmen ohne Wand zwecks Austausch der Teilströme ausgestaltet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des kanalförmigen Elements kreis-, kreisring-, elipsen- oder rechtecksförmig ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitelemente katalytisch wirksames Material aufweisen oder hieraus bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelemente mit katalytisch aktivem Material, Korrosionsschutz oder einer Antifolienschicht versehen sind oder mit beliebigen Kombinationen der genannten Schichten beaufschlagt sind, oder die genannten Materialien aufweisen, oder hieraus bestehen, oder beliebige Kombinationen der genannten Materialien aufweisen oder hieraus bestehen.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4–9 zur Erzielung eines Wärmeaustauschs mit der Innenwand eine kanalförmigen Elementes oder den anderen Teilströmen, und/oder zur Erzielung eines Stoffaustauschs mit den anderen Teilströmen.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4–9 zur Erzielung einer kontrollierten Reaktions- und/oder Prozessführung innerhalb der mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelemente und/oder Prozesstemperierung an der Innenwand des kanalförmigen Elements.