DE19917521A1

DE19917521A1 - Wärmeübertragung auf ein Fluid in einem Mikrostrukturkörper

Info

Publication number: DE19917521A1
Application number: DE19917521A
Authority: DE
Inventors: Klaus Schubert; Juergen Brandner
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 1999-04-17
Filing date: 1999-04-17
Publication date: 2000-11-16
Anticipated expiration: 2019-04-18
Also published as: DE50005953D1; DE19917521B4; EP1046867A3; EP1046867A2; EP1046867B1; ATE263949T1

Abstract

Ein Verfahren zur Wärmeübertragung auf ein Fluid in einem Mikrostrukturkörper mit einer Vielzahl von mikrokanälen für die Ab- und Zufahr des Fluids, sowie einem die Wärmeenergie auf das Fluid übertragenden Energieträger. Dazu wird ein Teil des Mikrostrukturkörpers durch direkte oder indirekte ohmsche Erwärmung elektrisch aufgeheizt und die entstandene Wärme durch Wärmeleitung innerhalb de Mikrostrukturkörpers auf das zu erwärmende Fluid übertragen. Zur Erzeugung eines aufgeprägten Temperaturprofiles in Strömungsrichtung des zu erwärmenden Fluides wird mit unterschiedlicher elektrischer Leistung geheizt, um dadurch unterschiedliche Wärmemengen übertragen zu können.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärme übertragung auf ein Fluid in einem Mikrostrukturkörper mit einer Vielzahl von Mikrokanälen für die Ab- und Zufuhr des Fluids sowie einem, die Wärmeenergie auf das Fluid übertra genden Energieträger und einen Mikrostrukturkörper zur Aus übung des Verfahrens.

Es ist bekannt, Fluide durch elektrisch beheizte Elemente zu erhitzen, was den Vorteil hat, das sich die Temperatur regelung bei der Wärmeübertragung schnell und einfach mit Hilfe einer elektrischen Leistungsregelung realisieren lässt. In allen Fällen werden die Fluide durch den direkten Kontakt mit dem elektrisch auf hohe Temperatur gebrachten Heizelement aufgeheizt. Zur Übertragung größerer Leistungen muß jedoch wegen der kleineren Oberflächen der konventio nellen Heizelemente die treibende Temperaturdifferenz groß sein, das heisst die Oberflächentemperaturen der Heizele mente müssen sehr hoch sein. Dies kann problematisch sein, wenn Fluide erhitzt werden sollen, die sensitiv gegen hohe Temperaturen und/oder lokale Überhitzungen sind, z. B. Milch. Auch haben konventionelle elektrische Heizapparate relativ niedrige Aufheizraten, das heisst die erreichte Temperaturdifferenz pro Zeiteinheit ist gering und die Ver weilzeiten sind, bedingt durch große aktive Wärmeübertra gungsvolumina, relativ lang.

Ausgehend davon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren mit einem Mikrostrukturapparat zu schaffen, mittels welchem Fluide mit kleinen Aufheizraten, kurzen Verweilzeiten und exakter Temperatursteuerung bei gleich zeitig technisch relevanten Durchsätzen aufgeheizt werden können. Unter Fluiden sind dabei sowohl Gase als auch Flüs sigkeiten zu verstehen. Die Temperaturdifferenz zwischen dem zu erhitzenden Medium und der Oberfläche, von der die Leistung auf das Fluid übertragen wird, soll für bestimmte Anwendungen klein gehalten werden können.

Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung die Merkmale vor, die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 an geführt sind. Weitere vorteilhafte Merkmale zur Lösung sind in den kennzeichnenden Teilen der Unteransprüche angeführt.

Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im folgenden und anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung eines elektrisch beheizten Mikrostrukturkörpers und

Fig. 2 die weitere Ausführung eines solchen.

Mikrostrukturkörper mit Mikrokanälen bestehen im allgemei nen aus einem Stapel diffusionsverschweißter Metallfolien mit Foliendicken von z. B. 100 µm. In diese Metallfolien werden mit Hilfe formgeschliffener Werkzeuge die parallel zueinander verlaufenden Mikrokanäle für Fluidpassagen gege benenfalls für eine zu erhitzende Flüssigkeit eingebracht. Die minimal zu realisierenden Kanalabmessungen liegen im Bereich von 10 µm. Die geometrische Form der Mikrokanäle ist frei wählbar. So sind zum Beispiel Rechteck- sowie auch kreisförmige Querschnitte möglich. Die Mikrokanäle können dabei auch unterschiedliche Abmessungen aufweisen. Um glei che Durchflußmengenströme in den einzelnen Mikrokanälen ei ner Fluidpassage zu gewährleisten, sind die Mikrokanäle einer solchen Fluidpassage untereinander gleich. Der cha rakteristische hydraulische Kanaldurchmesser von Mikrokanä len einer Fluidpassage i ergibt sich zum Beispiel aus der Beziehung:

d_i = 4A_i/U_i, wobei
d_i = hydraulischer Durchmesser der Kanäle der Fluidpassage i
A_i = durchströmter Kanalquerschnitt der Fluidpassage i
U_i = benetzter Kanalumfang der Fluidpassage i
ist.

Mikrostrukturkörper der genannten Art sind allgemein da durch gekennzeichnet, daß entweder die charakteristischen hydraulischen Kanaldurchmesser d_i oder die Kanalabmessungen a_i, wobei a_i die größte Abmessung eines Mikrokanales senk recht zur Fluidpassage i ist, aller Mikrokanäle zumindest einer Fluidpassage i kleiner 1000 µm sind. Die kleinste Wandstärke b_i, das heisst der geringste Abstand zwischen einzelnen Fluidpassagen ist ebenfalls kleiner 1000 µm, vor zugsweise kleiner 200 µm zu wählen. Diese Aussagen gelten auch für den Fall, daß die Mikrokanäle einer Fluidpassage i untereinander unterschiedlich groß sind.

Die deutliche Erhöhung der Wärmeübertragungsleistung in solchen Mikrostrukturkörpern beruht darauf, daß durch die kleinen hydraulischen Kanaldurchmesser d_i, vor allem aber durch die kleinen Kanalabmessungen a_i, die Transportwege für zu übertragenden Wärmeströme sehr kurz sind. Gegenüber Wämedurchgangskoeffizienten von ca. 1000 W/K m in konven tionellen Wärmeübertragern ergeben sich in Mikrostruktur körpern zur Wärmeübertragung Werte in der Größenordnung 20000 W/K m, bei Fluidpassagen mit d_i = 80 µm, a_i = 70 µm. Die spezifische Wärmeübertragungsfläche kann dabei Werte größer 100 cm²/cm³ erreichen. Daraus resultiert insgesamt eine Steigerung der volumenspezifischen Wärmeübertragungs leistung um mindestens einen Faktor 100 gegenüber konven tionellen Wärmeübertragern.

Aus gewonnenen experimentellen Daten von Mikrostrukturkör pern zur Wärmeübertragung ergeben sich bei Verweilzeiten herunter bis zu wenigen Millisekunden Aufheizraten von bis zu 10000 K pro Sekunde. Daher kann ein Flüssigkeitsstrom von 400 kg/h in einem Mikrostrukturkörper von 1 cm³ aktivem Volumen bei 6 bar Eintritts- und 1 bar Austrittsdruck in 3 Millisekunden um 30°K erhitzt werden. Für größere Mi krostrukturkörper mit 27 cm³ aktivem Volumen ergeben sich ein Durchsätze von ca. 4000 kg/h. Unter dem aktiven Volumen eines Mikrostrukturkörpers ist das Volumen im Inneren zu verstehen, in welchem die Mikrokanäle verlaufen, wobei das Volumen von Deck- und Seitenplatten sowie das der An schlüsse nicht mitgerechnet ist.

Nach dem neuen Verfahren wird das zu erhitzende Fluid durch mindestens eine Ebene bzw. Schicht eines Mikrostrukturkör pers mit einer Vielzahl von nebeneinanderliegenden Mikroka nälen bzw. Mikrodurchbrüchen geleitet, deren Querabmessun gen wie bereits erwähnt kleiner 1000 µm sind, bevorzugt kleiner 500 µm, wobei unmittelbar angrenzend an diese fluidführende Ebene mindestens eine Schicht mit mindestens einem elektrisch beheizten Heizelement angeordnet ist, wel ches gegenüber dem Material der Fluidebene elektrisch iso liert ist. Für größere Durchsätze sind viele Ebenen bzw. Schichten mit Mikrodurchbrüchen für die Fluide abwechselnd mit Schichten mit elektrisch beheizten Heizelementen zu ei ner kompakten Einheit angeordnet, wie in den später be schriebenen Fig. 1 und 2 prinzipiell gezeigt.

Die Heizelemente können je nach Anwendung bezüglich des Stromflusses in Reihe oder parallel oder in einer Kombina tion davon geschaltet werden. Zur Erzeugung eines aufge prägten Temperaturprofiles in Strömungsrichtung des zu er wärmenden Fluides können in den Heizschichten mehrere Heizelemente, - in Strömungsrichtung gesehen -, hintereinan der angeordnet werden, die unterschiedliche elektrische Leistungen abgeben. Damit können die fluidführenden Mikro strukturen, - wieder in Strömungsrichtung gesehen -, auf unterschiedliche Temperaturen aufgeheizt werden. Dadurch kann ein Temperaturprofil in dem Mikrostrukturkörper zur Ausübung eines Verfahrens in dem strömenden Fluid erzeugt werden. Dies kann dann von Bedeutung sein, wenn z. B. in dem Mikrostrukturkörper ein chemischer, endothermer Prozeß geführt wird, bei dem die Temperatur in Strömungsrichtung erst konstant gehalten und danach gezielt erhöht werden muß.

In der Fig. 1 ist nun ein solcher Mikrostrukturkörper 1 schematisch dargestellt, in den elf Foliendoppelstücke ein gebaut sind, die jeweils zusammengeschweißt und übereinan der gestapelt elf Reihen von Mikrokanälen 2 ergeben. Jedes der Foliendoppelstücke enthält eine Vielzahl von Mikrokanä len mit 150 µm Breite und Höhe sowie einer Länge von 22 mm. Ihr hydraulischer Durchmesser liegt bei 133 µm. Die elf zu sammengeschweißten Foliendoppelstücke sind jeweils an ihren Rändern übereinander mit zehn Abstandsstücken 3 zu einem Block verschweißt, so daß durch die Abstandstücke 3 flache Hohlräume 4 zwischen den Foliendoppelstücken gebildet wer den, in welche plattenförmige, keramische elektrische Heiz elemente 5 eingesetzt werden. Auf die Stirnseiten des Mi krostrukturkörpers 1 mit den Öffnungen der Mikrokanäle 2 sind hohle Adapterstücke 6 gesetzt, durch welche das zu er wärmende Fluid 7 in die Mikrokanäle 2 geleitet wird. Der Mikrostrukturkörper 1 ist oben und unten mit zwei Endplat ten 7 komplettiert, die mit den Strukturen der Foliendop pelstücke sowie der Abstandsstücke 3 zu einem geschlossenen Block diffusionsverschweißt sind.

Als Material für direkt einsetzbare Heizelemente 5 werden neben der bereits erwähnten elektrisch leitfähigen Keramik Materialien mit einem relativ hohen spezifischen Widerstand verwendet. In Frage kommen neben anderem z. B. Tantal, Ti tan, Wolfram, Konstantan und Fecralloy, wobei letzteres auf seiner Oberfläche eine Chromoxyd-Aluminiumoxyd-Schutz schicht ausbildet, die eine natürliche Isolierung bildet. Letztlich können die beheizten Schichten oder Heizelemente aber auch aus einem anderen Metall bzw. einer Metalllegie rung mit einer Oxydschicht auf der Oberfläche zur Isolie rung bestehen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Mikrostrukturkörpers ist in der Fig. 2 dargestellt. Bei diesem Mikrostruktur körper 13 werden Widerstandsheizpatronen 9 zum Heizen ver wendet. Zwischen zwei Stahlplatten 10 als Deckel und Boden des Mikrostrukturkörpers sind jeweils mehrere mit Mikroka nälen 14 strukturierte Stahlfolien 11 und Abstandsstücke 12 als beheizte Schichten in alternierender Ordnung übereinan dergeschichtet und miteinander diffusionsverschweißt. In die mikrostrukturierten Folien 11 sind jeweils eine Viel zahl von Mikrokanälen 14 für das Fluid 7 mit etwa den be reits angeführten Abmessungen eingebracht. Die Heizpatronen 9 sind in Bohrungen der Abstandsstücke 12 eingeschoben. Der Fluidanschluß an die Mikrokanäle 14 erfolgt mittels nicht dargestellter Standardfittings die als Verbindungsstücke dienen. Abhängig von der Zahl und der Leistung der Heizpa tronen 9 kann die Gesamtleistung eines solchen Mikrostruk turkörpers 13 im Bereich von einigen 100 W bis zu mehreren kW liegen.

Bezugszeichenliste

1

Mikrostrukturkörper

2

Mikrokanäle

3

Abstandsstücke

4

Hohlräume

5

Heizelemente

6

Adapterstücke

7

Fluid

8

Endplatten

9

Heizpatronen

10

Stahlplatten

11

Folien

12

Abstandsstücke als beheizte Schichten

13

Mikrostrukturkörper

14

Mikrokanäle

Claims

1. Verfahren zur Wärmeübertragung auf ein Fluid in einem Mikrostrukturkörper mit einer Vielzahl von Mikrokanälen für die Ab- und Zufuhr des Fluids, sowie einem die Wär meenergie auf das Fluid übertragenden Energieträger, da durch gekennzeichnet, daß ein Teil des Mikrostrukturkörpers durch direkte oder indirekte ohmsche elektrisch Erwärmung aufgeheizt und die entstandene Wärme durch Wärmeleitung innerhalb des Mikrostrukturkörpers auf das zu erwärmende Fluid über tragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines aufgeprägten Temperaturprofiles in Strömungsrichtung des zu erwärmenden Fluides mit unter schiedlicher elektrischer Leistung geheizt wird und da mit unterschiedliche Wärmemengen übertragen werden.

3. Mikrostrukturkörper zur Ausübung eines Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem primären Energieträger und einem sekundären Fluid als Medium zur Abfuhr der im Mikrowär metauscher freigesetzten Wärme, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieträger elektrischer Strom ist, der inner halb des Mikrostrukturkörpers (1, 13) direkt in Wärme umgewandelt und dann durch Wärmeleitung auf das zu er wärmende Fluid (7) übertragen wird.

4. Mikrostrukturkörper nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß er schichtweise aufgebaut ist und zwischen mindestens jeweils einer, Mikrokanäle für das Fluid auf weisenden Schicht (11) mindestens eine elektrisch direkt oder indirekt beheizte Schicht (12 und 4, 5) angeordnet ist.

5. Mikrostrukturkörper nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß in Strömungsrichtung des zu erwärmenden Fluides gesehen, beheizte Schichten (12) oder Heizele mente (5, 9) mit unterschiedlichen elektrischen Leistun gen angeordnet sind.

6. Mikrostrukturkörper nach Anspruch 4 oder S. dadurch ge kennzeichnet, daß die beheizten Schichten (12) oder Heizelemente (5, 9)aus Fecralloy oder einem anderen Me tall bzw. einer Metalllegierung mit einer Oxydschicht auf der Oberfläche zur Isolierung bestehen.