DE10234043A1 - Mikrostrukturapparat zum Erhitzen eines Fluids - Google Patents

Abstract

Mikrostrukturapparat zum Erhitzen eines Fluids, umfassend ein Innenrohr (1) oder einen Körper mit einer Außenfläche und einer Heizung, ein konzentrisch um dieses angeordnetes Außenrohr (2) mit einer Innenfläche, Anschlüsse (4) für das Fluid, sowie einer Mikrostruktur (5), welche ein Volumen zwischen Innen- und Außenrohr unter Bildung mindestens eines Kanals vollständig und zu dem Innen- und Außenrohr dichtend ausfüllt. Aufgabe ist es, einen Mikrostrukturapparat zur Erhitzung von Fluiden vorzuschlagen, welcher sich durch einfach aufgebaute Heizelemente auszeichnet.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Mikrostrukturapparat zum Erhitzen von Fluiden gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 1.
• Mikrostrukturapparate zum Erhitzen von Fluiden der eingangs genannten Art werden insbesondere zur lageunabhängigen, rückkondensatfreien Verdampfen von Flüssigkeiten einerseits und zur Durchlauferhitzung insbesondere von Gasen eingesetzt. Bevorzugte Einsatzgebiete bieten die chemische oder pharmazeutische Prozess- und Verfahrenstechnik aller Art.
• Allgemein ist bekannt, Fluide durch elektrische Heizelemente zu erhitzen, was den Vorteil hat, dass sich die Temperaturregelung bei der Wärmeübertragung schnell und einfach mit Hilfe einer elektrischen Leistungsregelung realisieren lässt. Hier bieten Mikrostrukturapparate aufgrund der prinzipiell geringeren Abmessung den Vorteil der kurzen Wärmeübertragungswege und einer großen spezifischen Wärmeübertragungsfläche, womit eine deutliche Erhöhung der volumenspezifischen Wärmeübertragungsleistung zu erwarten und auch realisierbar ist.
• In der DE 199 17 521 A1 sind derartige Mikrostrukturapparate sowohl mit direkter als auch mit indirekter elektrischer Widerstandsheizung zur Erwärmung von Fluiden offenbart. Der Mikrostrukturapparat ist schichtweise mit Schichten mit Mikrokanälen zur Durchleitung eines aufzuheizenden Fluids und Schichten mit einer elektrischen Heizung aufgebaut. Gegenüber einem nicht mikrostrukturierten konventionellen Wärmetauscher wird eine Steigerung der volumenspezifischen Wärmeübertragungsleistung um mindestens dem Faktor 100 angegeben. Für den vorgeschlagenen Mikrostrukturapparat sind jedoch mehrere Heizelemente mit geringen Abmessungen im Mikrobereich erforderlich. Für eine Auslegung des Mikrostrukturapparats für größere Fluiddurchsätze müssen zudem eine mit dem Durchsatz ansteigende Anzahl dieser Heizelemente eingesetzt werden, deren Leistung sich addieren. Dies ist insbesondere dann erforderlich, wenn die volumenspezifische Wärmeübertragungsleistung des Mikrostrukturapparats nicht reduziert werden soll.
• Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Mikrostrukturapparat zur Erhitzung von Fluiden vorzuschlagen, welcher sich durch einfach aufgebaute Heizelemente auszeichnet und zudem die genannten Nachteile bei einer Auslegung für größere Fluiddurchsätze nicht aufweist.
• Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale in Anspruch 1 gelöst; die hierauf bezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Ausführungsformen dieser Lösung.
• Erfindungsgemäß weist der Mikrostrukturapparat einen Grundaufbau auf, bei dem Mikrokanäle um eine zentrale Heizung angeordnet sind. Für einen Betrieb des Mikrostrukturapparats wird ein Fluid durch die Mikrokanäle geleitet und in diesen durch die Heizung erhitzt. Wesentlich hierbei ist, dass ein eher makroskopisches Heizelement seinen gegenüber mehreren Mikroheizelementen betrieblichen Vorteilen, wie z.B. sein vergleichsweise einfaches Handling oder Kosten- und Nutzenvorteile, mit einer Mikrostruktur mit den eingangs genannten prinzipiellen Effizienzvorteilen bei der Übertragung von Wärme auf ein Fluid kombiniert wird.
• Die Materialien, aus denen der Mikrostrukturapparat hergestellt wird, werden primär durch den Einsatzzweck bestimmt. Grundsätzlich eignen sich alle Werkstoffe, d.h. Keramiken oder andere anorganische Nichtmetallwerkstoffe, Metalle, Kunststoffe oder auch Kombinationen oder Verbünde dieser Materialien.
• Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsformen mit Hilfe der folgenden Figuren erläutert. Es zeigen
• 1a bis c Schnittdarstellungen dreier Ausführungsformen,
• 2 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform mit Zu- und Abfluss für ein Fluid, welche auf gleicher Höhe gegenüberliegend auf der Außenfläche des Außenrohrs ansetzen, sowie
• 3 eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform mit drei Zwischenrohren zwischen Innen- und Außenrohr.
• Die erste Ausführungsform besteht, wie in 1a dargestellt, aus einem Innenrohr 1 mit einer Außenfläche oder einem anderen Körper mit bevorzugt zylindrischer Außenfläche, einem konzentrisch um dieses angeordnetes Außenrohr 2 mit einer Innenfläche, dichtenden Verbindungen 3 zwischen Innen- und Außenrohr sowie Anschlüssen 4 für ein Fluid, welche im Bereich der Enden des Außenrohrs ansetzen, sowie einer Mikrostruktur 5, welche ein Volumen zwischen Innen- und Außenrohr unter Bildung mindestens eines spiralförmigen Kanals vollständig und zu dem Innen- und Außenrohr dichtend ausfüllt.
• Die Mikrostruktur ist im Wesentlichen vom Innen- und Außenrohr eingeschlossen, wobei sich Innen- und Außenrohr im Idealfall an den gemeinsamen Berührungsflächen fluidicht berühren.
• Die Mikrostruktur 5 ist bei der gezeigten Ausführungsform als Innengewinde in die Innenfläche des Außenrohrs eingearbeitet, wobei die Gewindegänge als Kanal die beiden Anschlüsse 4 miteinander verbinden. Dabei ist grundsätzlich sicherzustellen, dass die verbleibenden Bereiche der zylindrischen Innenfläche des Außenrohrs mit einem Durchmesser dem Kerndurchmesser des Gewindes entsprechend dichtend auf der Außenfläche des Innenrohrs aufliegen.
• Die dichtenden Verbindungen 3 zwischen Innen- und Außenrohr sind ausreichend chemisch, mechanisch und thermisch resistente Ringdichtungen. Aufgesetzte Ringdeckel oder eine entsprechende dichtende Gestaltung der beiden Rohre in diesem Bereich beispielsweise als zylindrische oder kegelförmige Passungen oder auch Kleb- oder Lötverbindungen liegen im Äguivalenzbereich der Erfindung.
• Das Innenrohr 1, welches in allen Figuren länger als das Außenrohr 2 ist, ragt beidseitig, wenn auch nicht zwingend, aus den Enden des Außenrohrs heraus. Dies gilt auch für den anderen zuvor im Zusammenhang mit dem Innenrohr 1 erwähnten Körper mit bevorzugt zylindrischer Außenfläche. Das Innenrohr oder der genannte Körper ist wie bei allen weiteren Ausführungsformen direkt oder indirekt Teil einer Heizung. Als direktes Teil einer Heizung ist das Rohr oder der Körper eine integrale Komponente der Heizung, beispielsweise ein Widerstandsheizelement. Als indirektes Teil dient das Rohr oder der Körper als Wärmeleiter zwischen einer separaten Heizung und dem aufzuheizenden Fluid. Hier sei insbesondere auf Heizungen als separate Komponenten, welche im Innenrohr angeordnet sind oder an den Körper adaptiert sind, verwiesen. Als Heizung erscheinen hierbei insbesondere elektrische Widerstandsheizelemente als geeignet. Eine Alternaive stellen hierzu auch Heizmedien dar, welche durch das Innenrohr geleitet werden und eine Wärmemenge an dieses Abgeben.
• 1b zeigt eine zweite Ausführungsform, welche sich in ihrem grundsätzlichen Aufbau zu der ersten Ausführungsform (1a) nur darin unterscheidet, dass die Mikrostruktur 5 als Außengewinde in die Außenfläche des Innenrohrs 1 (oder einen zylinderförmigen Körper) eingearbeitet ist und in ihrer gesamten Erstreckung vom Außenrohr mit glatter Innenfläche abgedeckt ist. Wie bei der ersten Ausführungsform sind die beiden Anschlüsse 4 in das Außenrohr 4 eingesetzt oder eingearbeitet, müssen hier aber über den Kanal der Mikrostruktur 5 exakt ausgerichtet werden. Bei einer entsprechenden Auslegung der Passung zwischen Innen- und Außenrohr ist deren Berührungsfläche dichtend, womit die dichtenden Verbindungen 3 in den Endbereichen des Außenrohrs entbehrlich werden.
• Bei einer dritten Ausführungsform nach 1c wird einer der beiden Anschlüsse durch ein unverschlossenes Auslaufen der gewindeförmigen Kanäle an den Enden des Außenrohrs gebildet.
• Grundsätzlich sind auch weitere Ausführungsformen denkbar, bei denen beide Anschlüsse durch ein unverschlossenes Auslaufen der gewindeförmigen Kanäle an beiden Enden des Außenrohrs gebildet werden. Eine derartige Ausführungsform lässt sich in besonders vorteilhafter Weise miniaturisieren, da sowohl separate Anschlüsse wie auch die dichtenden Verbindungen von vorneherein entfallen würden.
• Eine derartige Ausführungsform ließe sich zudem als Durchlauferhitzer in einer Bohrung zwischen zwei getrennte Fluidvolumina einsetzen. Da bei einem derartigen Einsatz kein Fluidverlust bei Leckage auftreten kann, wären auch die Anforderung hinsichtlich einer dichtenden Verbindung zwischen Innen- und Außenrohr nicht so zwingend erforderlich.
• Weitere Einsatzgebiete der Ausführungsformen mit unverschlossenen Auslaufen der gewindeförmigen Kanäle an mindestens einem Ende des Außenrohrs liegen beispielsweise in der Zerstäubung einer Flüssigkeit zu einem Sprühnebel oder Aerosol oder bei der Vergasung oder Verdampfung einer Flüssigkeit, wobei der besondere Vorteil des Mikrostrukurapparats in seiner besonders feinfühligen und exakt einjustierbaren Durchflusssteuerbarkeit liegt.
• 2 zeigt eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform (vgl. 1a), welche in ihrem konstruktiven Aufbau, jedoch nicht in der Wirkweise, dem der ersten Ausführungsform ähnlich ist. Auch sie besteht im Wesentlichen aus einem Innenrohr 1 sowie einem Außenrohr 2 mit einer in der Innenfläche eingearbeiteten Mikrostruktur 5, zwei Anschlüssen 4 und den beiden dichtenden Verbindungen 3. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform sind die beiden Anschlüsse 4 am Außenrohr 2 gegenüberliegend, vorzugsweise im Winkel 180° zueinander angeordnet, aber axial auf gleicher Höhe eingesetzt oder ausgebildet. Sie münden jeweils in eine axial in die Innenfläche des Außenrohrs 2 eingearbeitete Nut 6, welche die Kanäle der Mikrostruktur miteinander verbinden. Ein zu erwärmendes Fluid wird von einem der beiden Anschlüsse 4 zunächst in die zughörige Nut eingeleitet, gelangt von dort in einen der parallel geschalteten Kanäle der Mikrostruktur 5, von dort über die gegenüberliegende zweite Nut in den zweiten als Abfluss dienenden zweiten Anschluss 4. Je nach Anwendung bietet es sich an, jeweils einen Anschluss 4 und eine Nut 6 zu einem die Mikrostruktur 5 axial überspannenden Anschluss zusammenzufassen.
• Eine weitere Ausführungsform des Mikrostrukturapparats zeigt 3. Gegenüber allen vorangegangenen Ausführungsformen unterscheidet sich diese dadurch, dass zwischen dem Innenrohr 1 (oder dem zylindrischen Körper) und dem Außenrohr 2 konzentrisch zu diesen ein oder mehrere Zwischenrohre 7 eingesetzt sind. Alle Innen- bzw. Außenflächen bilden zu den jeweiligen benachbarten Rohrflächen eine Passung, welche wie bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen bis auf die zuvor genannten Ausnahmefällen dichtend gestaltet sein müssen. Der Mikrostrukturapparat weist beispielhaft drei Zwischenrohre 7 mit je ei ner eigenen Mikrostruktur 5 unter Bildung mindestens eines gewindeförmigen Kanals und je einer die Zwischenrohrwand überbrückende Fluiverbindung 8 zu der Mikrostruktur des benachbarten Zwischen-, Innen- oder Außenrohrs auf. Dabei sind alle Mikrostrukturen 5 mit den Verbindungen 7 fluidisch hintereinander zu einer Mikrostrukturkette geschaltet. Die in 3 dargestellten Anschlüsse 4 sind jeweils mit den Enden dieser Mikrostrukturkette verbunden, wobei die bevorzugte Durchflussrichtung von den äußeren zu den inneren Mikrostrukturen, d. h. entgegen eines vorherrschenden Temperaturgefälles im Mikrostrukturapparat, verläuft.
• Die Mikrostruktur 5 oder die Mikrostrukturkette lässt sich über zusätzliche Anschlüsse an beliebiger Stelle anzapfen. Insofern sind Fluidmengen mit einer Zwischentemperatur entnehmbar oder einleitbar. Mögliche Anwendungen hierfür finden sich vor allem in der chemischen Verfahrenstechnik, bei denen bestimmte Reagenzien oder Katalysatorfluide für chemische Reaktionen in einem engen Temperaturbereich einzuleiten oder kleine Fluidmengen mit einer bestimmten Temperatur oder einem Temperaturprofil beispielsweise für eine Analyse abzugreifen sind.
• Grundsätzlich lässt sich der Mikrostrukturapparat als chemischer Mikroreaktor konzipieren. Je nach Verwendung werden in der Mikrostruktur 5 oder Mikrostrukturkette ein oder mehrere Reaktionsräume, d. h. eine oder mehrere lokale Querschnittserweiterungen der Kanäle zwischen den Anschlüssen 4 vorgesehen. Ferner bietet sich eine Fertigung des gesamten Mikrostrukturapparats oder Teile davon, beispielsweise des Innen-, Zwischen- oder Außenrohrs, aus einem katalytisch aktiven Material oder eine Beschichtung der Mikrostruktur 5 an den Berührungsflächen zum Fluid mit einem Katalysatormaterial an. Eine weitere Erhöhung der volumenspezifischen Wärmeübertragungsleistung erzielt man über eine Vergrößerung volumenspezifi schen Wärmeübertragungsflächen, in der Mikrostruktur 5 beispielsweise mit einer porösen Beschichtung oder durch aufgeraute Wärmeübertragungsflächen, wobei diese poröse Beschichtung ebenfalls aus einem Katalysator und die aufgeraute Wärmeübertragungsflächen mit einem Katalysator besteht bzw. beschichtet ist. Zudem lassen sich die Wärmeübertragungsflächen zur Vermeidung von Korrosion und Kavitation mit einer Schutzschicht, beispielsweise aus chemisch beständigen Kunststoffen oder Metallen bzw. aus einer Verschleißschutzschicht aus chemisch oder physikalisch aufgetragenen Metallen, Hartstoffen oder Keramiken.

1

Innenrohr

2

Außenrohr

3

Dichtende Verbindung

4

Anschluss

5

Mikrostruktur

6

Nut

7

Zwischenrohr

8

Fluidverbindung

Claims (15)

1. Mikrostrukturapparat zum Erhitzen eines Fluids, umfassend a) ein Innenrohr (1) oder ein Körper mit einer Außenfläche und einer Heizung, b) ein konzentrisch um dieses angeordnetes Außenrohr (2) mit einer Innenfläche, c) Anschlüsse (4) für das Fluid, sowie d) einer Mikrostruktur (5), welche ein Volumen zwischen Innen- und Außenrohr unter Bildung mindestens eines Kanals vollständig und zu dem Innen- und Außenrohr dichtend ausfüllt.
2. Mikrostrukturapparat nach Anspruch 1, wobei die Mikrostruktur (5) ein Außengewinde am Innenrohr (1) ist, wobei das Außengewinde einen Außendurchmesser entsprechend einem Innendurchmesser des Außenrohrs (2) aufweist.
3. Mikrostrukturapparat nach Anspruch 1, wobei die Mikrostruktur (5) ein Innengewinde im Außenrohr (2) ist, wobei das Innengewinde einen Kerndurchmesser entsprechend einem Außendurchmesser des Innenrohrs (1) aufweist.
4. Mikrostrukturapparat nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei eine dichtendenden Verbindung (3) zwischen Innen- und Außenrohr (1, 2) an mindestens einem Ende des Außenrohrs vorgesehen ist, wobei dort mindestens einer der Anschlüsse als Anschlussleitung in das Außenrohr eingesetzt oder eingearbeitet ist.
5. Mikrostrukturapparat nach einem der vorangegangenen Ansprüche 2 bis 4, wobei die Anschlüsse (4) mindestens ein Zu- und einen Abfluss umfassen, welche im Bereich der Enden des Außenrohrs (2) ansetzen, wobei die spiralförmigen Kanäle in ihrer überwiegenden Länge die einzige fluidische Verbindung zwischen Zu- und Abfluss darstellen.
6. Mikrostrukturapparat nach Anspruch 5, wobei mindestens ein Zwischenrohr (7) zwischen Innen- und Außenrohr eingesetzt und zwischen Innenrohr und Zwischenrohr, im Falle mehrerer Zwischenrohre zwischen diesen sowie zwischen Zwischenrohr und Außenrohr jeweils eine Mikrostruktur angeordnet ist, wobei diese Mikrostrukturen (5) hintereinander und deren spiralförmigen Kanäle dabei jeweils in ihrer überwiegenden Länge durchströmbar geschaltet sind, wobei sie über mindestens eine Fluidverbindung (6) in jedem Zwischenrohr fluidisch miteinander verbunden sind.
7. Mikrostrukturapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Anschlüsse (4) mindestens einen Zu- und einen Abfluss umfassen, welche sich, in gegenüberliegenden Bereichen des Außenrohrs (2) befindend, axial über die gesamte Mikrostruktur (5) erstrecken oder jeweils in eine axiale Nut (6), welche die gesamte Mikrostruktur (5) überspannen, münden, wobei die Kanäle die einzige fluidische Verbindung zwischen Zu- und Abfluss darstellen.
8. Mikrostrukturapparat nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei eine oder mehrere lokale Querschnittserweiterungen der Kanäle unter Bildung eines oder mehrerer Reaktionsraume zwischen den Anschlüssen 4 vorgesehen sind.
9. Mikrostrukturapparat nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Kanäle der Mikrostruktur 5 mit einer porösen Beschichtung versehen oder aufgeraut sind.
10. Mikrostrukturapparat nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Kanäle der Mikrostruktur 5 mit einer verschleiß- oder korrosionsmindernden Schutzschicht versehen sind.
11. Mikrostrukturapparat nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Mikrostrukturapparats oder Teile davon aus einem katalytisch aktiven Material hergestellt oder die Mikrostruktur 5 mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet ist.
12. Mikrostrukturapparat nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Heizung ein elektrisches Widerstandsheizelement ist.
13. Mikrostrukturapparat nach Anspruch 12, wobei die Heizung eine separate Komponente, angeordnet im Innenrohr, ist.
14. Mikrostrukturapparat nach Anspruch 12, wobei die Heizung integraler Bestandteil des Innenrohrs ist.
15. Mikrostrukturapparat nach Anspruch 12, wobei das Innenrohr ein elektrischer Widerstand als integraler Bestandteil einer Widerstandsheizung ist.