DE10302156A1

DE10302156A1 - Arrangement and method for diagnosing blockages in channels of a micro heat exchanger

Info

Publication number: DE10302156A1
Application number: DE10302156A
Authority: DE
Inventors: Herbert Grieb; Astrid Dr. Lohf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-01-21
Filing date: 2003-01-21
Publication date: 2004-08-05
Also published as: EP1590617A1; US20060225864A1; WO2004065885A1

Abstract

Zur Diagnose von Verstopfungen in Kanälen (8) eines Mikrowärmeübertragers (1) ist außen an dem Mikrowärmeübertrager (1) mindestens ein Temperatursensor (9) angeordnet und daran eine Auswerteeinrichtung (10) angeschlossen, die aufgrund von Änderungen der gemessenen Temperatur bei unveränderten Eintrittsparametern der am Wärmeaustausch beteiligten Fluide (4, 7) eine Verstopfung diagnostiziert.For the diagnosis of blockages in channels (8) of a micro heat exchanger (1), at least one temperature sensor (9) is arranged on the outside of the micro heat exchanger (1) and an evaluation device (10) is connected to it, which due to changes in the measured temperature with unchanged entry parameters of the Fluids involved in heat exchange (4, 7) diagnosed constipation.

Description

Es ist bekannt, dass Ablagerungen (sog. Fouling) in Wärmeübertragern (Wärmetauschern) die Effektivität des Wärmeübergangs zwischen den am Wärmeaustausch beteiligten Fluiden stören. In Mikrowärmeübertragern mit Mikrokanälen, deren Durchmesser < 1 mm ist, sind die gleichen Effekte zu beobachten, nur dass diese dort zur Blockade einzelner oder aller Mikrokanäle führen. Berücksichtigt man, dass Mikroreaktoren insbesondere auch für extrem exotherme Reaktionen, explosive Gemische oder toxische Chemikalien eingesetzt werden, so wird verständlich, dass frühzeitig erkannt werden muss, ob eine sichere Temperierung aufgrund der Verstopfung von Wärmeübertragern, die unter anderem als Verweilzeitstrecken genutzt werden, nicht mehr gewährleistet werden kann. Zur Durchsatzerhöhung sind in Mikrowärmeübertragern häufig Mikrokanäle parallel geschaltet. Eine Gleichverteilung der Fluide auf diese Mikrokanäle wird durch deren relativ hohen Strömungswiderstand erreicht. Werden nun einzelne Mikrokanäle blockiert, so sinkt die Wärmeübertragungsfläche und damit die Effizienz der Wärmeübertragung. Die Effizienz berechnet sich aus den Kapazitätsströmen (Massenstrom × spezifische Wärmekapazität) der am Wärmeaustausch beteiligten Fluide sowie deren Temperaturen bei Ein- und Austritt in bzw. aus dem Wärmetauscher. Die Fluidtemperaturen lassen sich jedoch nicht direkt in den Mikrokanälen erfassen, da die derzeit verfügbaren Temperaturfühler so groß sind, dass sie zumindest einen großen Teil des Kanalquerschnitts blockieren würden und dass schon bei geringem Kontakt mit der Kanalwand eine Verfälschung aufgrund von Wärmeleitung zu rechnen ist.It is known that deposits (so-called fouling) in heat exchangers (Heat exchangers) the effectiveness of heat transfer between those at the heat exchange disrupt the fluids involved. In micro heat exchangers with microchannels, whose diameter is <1 mm, the same effects can be observed, only that these block individual or all microchannels there. Taking into account that microreactors especially for extremely exothermic reactions, explosive mixtures or toxic chemicals are used, so it is understandable that early It must be recognized whether a safe temperature control due to the constipation of heat exchangers, which are used, among other things, as dwell times, no longer guaranteed can be. To increase throughput are in micro heat exchangers frequently microchannels connected in parallel. An even distribution of the fluids on this microchannels is achieved by their relatively high flow resistance. Become now single microchannels blocked, the heat transfer surface and decreases hence the efficiency of heat transfer. The efficiency is calculated from the capacity flows (mass flow × specific Heat capacity) of am heat exchange involved fluids and their temperatures at entry and exit in or out of the heat exchanger. However, the fluid temperatures cannot be recorded directly in the microchannels, since the currently available temperature sensor are so big that they're at least a big one Part of the channel cross section would block and that even at a low level Contact with the duct wall leads to adulteration due to heat conduction to calculate.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfache Diagnose von Verstopfungen in Kanälen eines Mikrowärmeübertragers zu ermöglichen.The invention is therefore the object based on a simple diagnosis of blockages in channels one micro heat to enable.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebene Anordnung zur Diagnose von Verstopfungen in Kanälen eines Mikrowärmeübertragers gelöst, wobei außen an dem Mikrowärmeübertrager mindestens ein Temperatursensor angeordnet ist, und daran eine Auswerteeinrichtung angeschlossen ist, die aufgrund von Änderungen der gemessenen Temperatur bei unveränderten Eintrittsparametern der am Wärmeaustausch beteiligten Fluide eine Verstopfung diagnostiziert. Ferner wird die Aufgabe durch ein entsprechendes in Anspruch 4 angegebenes Verfahren gelöst.According to the invention, the object is achieved by the arrangement specified in claim 1 for diagnosing constipation in channels a micro heat exchanger solved, being outside on the micro heat exchanger at least one temperature sensor is arranged, and an evaluation device thereon connected due to changes in measured temperature with unchanged Entry parameters of the at the heat exchange fluids involved diagnosed constipation. Furthermore, the task by a corresponding method specified in claim 4 solved.

Die axiale Wärmeleitung in der Kanalwand spielt bei Mikrowärmeübertragern im Gegensatz zu konventionellen Wärmeübertragern eine große Rolle, da das Verhältnis von Wandquerschnittsfläche zu Kanalquerschnittsfläche stark erhöht ist. Die Folge sind besonders bei gut wärmeleitenden Materialien stark geminderte Effizienzen gegenüber konventionellen Wärmeübertragern. Im Bereich kleiner NTUs (Number of Transfer Units), d. h. für kleine Verhältnisse des Produkts aus Wärmeübertragungsfläche und Wärmeübertragungskoeffizient zum Wärmekapazitätsstrom sinkt die Effizienz mit fallender NTU, während sie im Bereich großer NTUs konstant bleibt. In den Mikrokanälen herrscht immer eine laminar-schleichende Strömung, so dass der Wärmeübergangskoeffizient unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit ist. Verstopfen nun einige Mikrokanäle, so erhöht sich zwar in den anderen Kanälen die Strömungsgeschwindigkeit; der Wärmeübertragungskoeffizient bleibt aber konstant und die übertragene Wärmemenge sinkt aufgrund der verminderten Wärmeübertragungsfläche ab. Da der Wärmekapazitätsstrom konstant bleibt, sinkt die Effizienz.The axial heat conduction in the duct wall plays for micro heat exchangers in contrast to conventional heat exchangers, because The relationship of wall cross-sectional area to duct cross-sectional area greatly increased is. As a result, especially with heat-conducting materials, the results are greatly reduced Efficiencies versus conventional heat exchangers. In the area of small NTUs (Number of Transfer Units), i.e. H. for little ones conditions of the product of the heat transfer surface and Heat transfer coefficient to the heat capacity flow efficiency decreases with falling NTU while being in the area of large NTUs remains constant. In the microchannels there is always a laminar-creeping flow, so that the heat transfer coefficient independently from the flow velocity is. If some microchannels become clogged, the others increase channels the flow rate; the heat transfer coefficient remains but constant and the transferred heat decreases due to the reduced heat transfer area. Because the heat capacity flow constant remains, the efficiency drops.

Die Erfindung nutzt nun die Tatsache, dass aufgrund der hohen Wärmeleitung die Temperatur der Mikrowärmeübertragerwand bei unveränderten Eintrittsparametern der am Wärmeaustausch beteiligten Fluide, das heißt bei konstanten Massenströmen und konstanten Fluideingangstemperaturen, und bei ausreichend kleinen NTU (etwa > 5) ein Maß für die Effizienz des Wärme übertragers ist. Gleichzeitig ist die Temperatur, ebenfalls aufgrund der hohen Wärmeleitung in der Wand, in Mikrowärmeübertragern relativ homogen, so dass anhand der Temperatur des Mikrowärmeübertragers auf die Effizienz zurückgeschlossen werden kann, die sich wiederum wesentlich einfacher erfassen lässt, da die Montage des Temperatursensors außen an dem Mikrowärmeübertrager unproblematisch ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Temperatursensor nicht mit den Fluiden in Berührung kommt, so dass nicht auf die chemische Beständigkeit oder die katalytische Wirkung des Temperatursensors geachtet werden muss. Bei sehr großen Mikrowärmeübertragern, kann die Temperaturmessung mit mehreren Temperatursensoren an mehreren Stellen erfolgen.The invention now takes advantage of the fact that due to the high heat conduction the temperature of the micro heat exchanger wall with unchanged entry parameters the one at heat exchange involved fluids, that is at constant mass flows and constant fluid inlet temperatures, and at sufficiently small NTU (about> 5) Measure of efficiency of the heat exchanger is. At the same time, the temperature is also due to the high heat conduction in the wall, in micro heat exchangers relatively homogeneous, so that based on the temperature of the micro heat exchanger inferred about efficiency which, in turn, is much easier to grasp because the mounting of the temperature sensor on the outside of the micro heat exchanger is unproblematic. Another advantage is that the Temperature sensor does not come into contact with the fluids, so not on chemical resistance or the catalytic effect of the temperature sensor must be taken into account. With very large ones Micro heat exchangers, can temperature measurement with several temperature sensors on several Places.

Bei einer alternativen Anordnung zur Diagnose von Verstopfungen in Kanälen eines Mikrowärmeübertragers werden die Verstopfungen nicht aufgrund von Änderungen der gemessenen Temperatur diagnostiziert; statt dessen ist an dem Temperatursensor eine Regeleinrichtung angeschlossen, die den Massenstrom eines der am Wärmeaustausch beteiligten Fluide im Sinne einer Konstanthaltung der gemessenen Temperatur regelt, wobei aufgrund von Änderungen des Massenstroms eine Verstopfung diagnostiziert wird.In an alternative arrangement for the diagnosis of blockages in channels of a micro heat exchanger the blockages are not diagnosed due to changes in the measured temperature; instead, a control device is connected to the temperature sensor, which is the mass flow of one of the fluids involved in heat exchange regulates in the sense of keeping the measured temperature constant, being due to changes constipation is diagnosed in the mass flow.

Wird der Mikrowärmeübertrager als Verweiler für chemische Reaktionen verwendet, so muss zusätzlich die zu- oder abzuführende Reaktionswärme berücksichtigt werden, was durch eine aufwendigere Auswertung (Fuzzy, neuronale Netze) erfolgen kann.The micro heat exchanger is used as a residence for chemical Reactions used, the heat of reaction to be added or removed must also be taken into account become what a more complex evaluation (fuzzy, neural Networks) can take place.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen, im Einzelnen zeigenTo further explain the invention is in The following refers to the figures in the drawing, in detail demonstrate

1 ein erstes Ausführungsbeispiel und 1 a first embodiment and

2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mikrowärmeübertragers. 2 a second embodiment of the micro heat exchanger according to the invention.

1 zeigt einen Mikrowärmeübertrager 1 mit einer Zuleitung 2 und einer Ableitung 3 für ein zu kühlendes Fluid 4 und einer Zuleitung 5 und einer Ableitung 6 für ein Kühlfluid 7. Innerhalb des Mikrowärmeübertragers 1 sind zwischen den Zu- und Ableitungen 2 und 3 bzw. 5 und 6 jeweils parallele Mikrokanäle 8 mit einem Kanaldurchmesser < 1 mm ausgebildet. Außen an dem Wärmeübertrager 1 ist ein Temperatursensor 9 angeordnet, der die Temperatur an der Mikrowärmeübertragerwand misst und an einer Auswerteeinrichtung 10 angeschlossen ist. Diese detektiert eine Verringerung der Effizienz des Wärmeübertragers 1, wenn sich die gemessene Temperatur bei konstanten Massenströmen und konstanten Fluideingangstemperaturen ändert. 1 shows a micro heat exchanger 1 with a supply line 2 and a derivative 3 for a fluid to be cooled 4 and a supply line 5 and a derivative 6 for a cooling fluid 7 , Inside the micro heat exchanger 1 are between the supply and discharge lines 2 and 3 respectively. 5 and 6 parallel microchannels 8th with a channel diameter <1 mm. Outside on the heat exchanger 1 is a temperature sensor 9 arranged, which measures the temperature on the micro heat exchanger wall and on an evaluation device 10 connected. This detects a reduction in the efficiency of the heat exchanger 1 , if the measured temperature changes with constant mass flows and constant fluid inlet temperatures.

Das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mikrowärmeübertragers unterscheidet sich von dem nach 1 dadurch, dass anstelle der Auswerteeinrichtung 10 eine Regeleinrichtung 11 vorgesehen ist, die über ein Stellglied 12 den Massenstrom des Kühlfluids 7 im Sinne einer Konstanthaltung der mit dem Temperatursensor 8 gemessenen Temperatur des Mikrowärmeübertragers 1 regelt.This in 2 The illustrated embodiment of the micro heat exchanger according to the invention differs from that 1 in that instead of the evaluation device 10 a control device 11 is provided via an actuator 12 the mass flow of the cooling fluid 7 in the sense of keeping the temperature sensor constant 8th measured temperature of the micro heat exchanger 1 regulates.

Claims

Arrangement for diagnosing blockages in channels ( 8th ) a micro heat exchanger ( 1 ) with at least one on the outside of the micro heat exchanger ( 1 ) arranged temperature sensor ( 9 ) and an evaluation device connected to it ( 10 ) due to changes in the measured temperature with unchanged entry parameters of the fluids involved in the heat exchange ( 4 . 7 ) diagnosed with constipation.

Arrangement for diagnosing blockages in channels ( 8th ) of a micro heat exchanger ( 1 ) with at least one on the outside of the micro heat exchanger ( 1 ) arranged temperature sensor ( 9 ) and a control device connected to it ( 11 ), which is the mass flow of one of the fluids involved in the heat exchange ( 4 . 7 ) regulates in the sense of keeping the measured temperature constant and diagnoses a blockage due to changes in the mass flow.

Procedure for diagnosing blockages in channels ( 8th ) a micro heat exchanger ( 1 ), with the outside at at least one point of the micro heat exchanger ( 1 ) whose temperature is measured and due to changes in the measured temperature with unchanged entry parameters of the fluids involved in the heat exchange ( 4 . 7 ) constipation is diagnosed.

Procedure for diagnosing blockages in channels ( 8th ) a micro heat exchanger ( 1 ), with the outside at at least one point of the micro heat exchanger ( 1 ) whose temperature is measured and the mass flow of one of the fluids involved in the heat exchange ( 4 . 7 ) is regulated in the sense of keeping the measured temperature constant, a blockage being diagnosed due to changes in the mass flow.