DE202005013835U1

DE202005013835U1 - Vorrichtung zum schnellen Aufheizen, Abkühlen, Verdampfen oder Kondensieren von Fluiden

Info

Publication number: DE202005013835U1
Application number: DE202005013835U
Authority: DE
Original assignee: SYNTICS GmbH
Current assignee: SYNTICS GmbH
Priority date: 2005-09-01
Filing date: 2005-09-01
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2015-09-02
Also published as: US20080190594A1; JP2009507202A; WO2007025766A1; CA2600057A1; AU2006286714A1; EP1920208A1; IL185605A0

Abstract

Aus einem Stapel von Folien und dünnen Platten (F) aufgebauter Mikrowärmetauscher, umfassend sich kreuzende Kanäle (2, 3) für Prozessfluid und Wärmeträgerfluid, wobei an den Außenseiten des sich ergebenden Blocks von sich kreuzenden Kanälen (2, 3) Zu- und Abführleitungen (6, 7, 8) ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mit der sehr schnell und mit großer Gleichmäßigkeit Fluide abgekühlt oder geheizt werden können.
Wärmetauscher werden in zahlreichen industriellen Anwendungen benötigt. Dabei verstärkt sich der Trend zu immer höheren Wärmeübertragungsleistungen auf kleinstem Raum. Diesen Anforderungen werden insbesondere Mikrowärmetauscher gerecht. In der Prozesstechnik ist es zudem gewünscht, dass die Wärmeübertragung sehr gleichmäßig erfolgt, d. h. das keine sog. „hot-spots" (Heiße Zonen) entstehen, die aufgrund der unkontrollierten Temperaturerhöhung zu einer Produktschädigung führen können.
Ein Mikrostruktur-Wärmetauscher wird in DE 100 22 972 A1 vorgestellt, der aus kleinen Röhrchen bzw. Hohlfasern zusammengesetzt ist, die sich in einer Graphitmatrix befinden.
Weiterhin werden Mikrowärmetauscher auch aufgebaut aus mehreren Lagen mikrostrukturierter Schichten, wobei die einzelnen Schichten jeweils eine Anzahl von Mikrokanälen aufweisen. Die bisher bekannten derartig hergestellten Mikrowärmetauscher sind einfach aufgebaut. Die Schichten sind so angeordnet, dass die Mikrokanäle benachbarter Schichten in einfacher Kreuzstrombauweise, Gleichstrombauweise oder Gegenstrombauweise ausgerichtet sind. Ein derartiger Mikrowärmetauscher wird in DE 196 08 824 A1 vorgestellt.
Für den einschlägigen Fachmann sind die Nachteile offensichtlich:
Beim Gegenstromwärmetauscher wird die höchste Wärmeaustauschleistung pro Austauschfläche erreicht. Jedoch ist nicht auszuschließen, dass sich am Eintritt des wärmeren Fluids unzulässig hohe Temperaturdifferenzen einstellen können, die zu einer Schädigung des zu erwärmenden Fluids führen.
Beim Gleichstromwärmetauscher wiederum bleiben die Wandtemperaturen an allen Stellen der Heizfläche in einem mittleren Bereich. Aufgrund der schnell abnehmenden Temperaturdifferenz zwischen den benachbarten Fluiden ist die Wärmeaustauschleistung jedoch relativ schlecht.
Bei einfachen Kreuzstromwärmetauscher, so wie sie bei Mikrowärmetauschern derzeit bekannt sind, liegen die Wärmeaustauschleistungen zwischen denen des Gleichstromwärmetauschers und des Gegenstromwärmetauschers. Allerdings wird hier die volle Wärmeaustauschfläche nicht effizient genutzt, da die Temperaturdifferenzen in einem Quadranten der Wärmeaustauschfläche extrem klein werden bzw. nicht mehr gegeben sind.
Weiterhin weisen die bekannten Mikrowärmetauscher keine ausreichende bzw. keine Wärmeisolierung zur Umgebung aus, was sich insbesondere bei modularen Mikroreaktionsanlagen, wie sie z. B. aus DE 202 01 753 U1 bekannt sind, sehr nachteilig auswirkt, da es zu einem intensiven Wärmeaustausch mit benachbarten Modulen kommt.
Mit der vorgestellten Erfindung werden zum einen die Vorteile eines Gegenstromwärmetauschers mit den Vorteilen eines Kreuzstromwärmetauschers kombiniert. Zum anderen beschreibt die Erfindung eine Lösung, mit der eine effiziente Wärmeisolierung der Mikrostruktureinheit mit der Umgebung erreicht wird. Schließlich liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, bei einer möglichst hohen Wärmeübertragungsleistung, d. h. der Schaffung einer großen Wärmeübertragungsfläche durch mikrostrukturierte Kanäle, einen extrem geringen Druckabfall sowohl für das Prozessfluid als auch für das Wärmeträgerfluid zu erreichen.
Mit der Vorrichtung ergeben sich für jeden Teilstrom des Prozessfluids über das gesamte Volumen des Mikrowärmetauschers an jedem Kreuzungspunkt von Wärmeträgerfluid und Prozessfluid die Eingangsbedingungen eines Gegenstromwärmetauschers mit den bekannt hohen Temperaturdifferenzen zwischen Wärmeträgerfluid und Prozessfluid. Aufgrund der zahlreichen Kreuzungspunkte von Wärmeträgerfluid und Prozessfluid in einem Mikrowärmetauscher erhält man dadurch über das gesamte Volumen des Mikrowärmetauschers eine optimale Temperaturdifferenz zwischen Wärmeträgerfluid und Prozessfluid und somit eine extrem hohe Wärmeübertragungsleistung pro Einheitsvolumen und gleichzeitig eine absolut gleichmäßige Wärmeübertragung über das gesamte Volumen des Mikrowärmetauschers.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Mikrowärmetauscher aus einem Stapel von Folien oder dünnen Platten aufgebaut ist, die die Mikrokanäle für die Fluide bilden. Es fließen alternierend das Wärmeträgerfluid und das Prozessfluid durch die übereinander angeordneten mikrostrukturierten Folien oder dünnen Platten. Dabei strömen sowohl das Prozessfluid als auch das Wärmeträgerfluid nicht mäanderförmig durch die Mikrokanäle, sondern werden über jeweils mindestens eine genügend groß dimensionierte Zuführung parallel den Mikrokanälen auf den einzelnen Ebenen zugeleitet.
Zudem wird das Prozessfluid mindestens in zwei Teilströme aufgeteilt und fließt auf jeder Folie oder dünnen Platte antiparallel und in Kreuzstromweise gegenüber dem Wärmeträgerfluid, das auf den benachbarten Folien oder dünnen Platten fließt.
Das Prozessmedium und das Wärmeträgermedium werden jeweils derart dem Mikrowärmetauscher zugeführt, dass das heiße Fluid nach außen hin vom kalten Fluid umströmt wird. Damit ist sicher gestellt, dass die Umgebung des Mikrowärmetauschers nicht durch heißes Fluid aufgeheizt wird.
Zur Bestimmung der Temperatur der Fluide sind in vorteilhafter Weise Temperaturfühler in unmittelbarer Nähe der mikrostrukturierten Folien oder dünnen Platten integriert.
Der Begriff Fluid oder Prozessfluid ist erfindungsgemäß weit zu verstehen und umfasst sowohl Flüssigkeiten als auch Gase sowie Emulsionen, Dispersionen und Aerosole. Die Vorrichtung kann sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen verwendet werden Unter mikrostrukturierte Kanäle werden Strukturen verstanden, die in mindestens einer Raumdimension kleiner als 1 mm sind. Die Wände zwischen den mikrostrukturierten Kanälen sind bevorzugt zwischen 10 μm und 500 μm dick..
Vorteilhaft bestehen die Folien oder dünnen Platten, aus denen der Mikrowärmetauscher zusammen gefügt wird, aus hinreichend inertem Material, bevorzugt Metalle, Halbleiter, Legierungen, Edelstähle, Verbundmaterialien, Glas, Quarzglas, Keramik oder Polymermaterialien oder aus Kombinationen dieser Materialien.
Als geeignete Verfahren zum fluidisch dichten Verbinden der genannten Folien oder dünnen Platten kommen z. B. Verpressen. Nieten, Kleben, Löten, Schweißen, Diffusionslöten, Diffusionsschweißen, anodisches oder eutektisches Bonden in Frage.
Die Strukturierung der Folien oder dünnen Platten kann z. B. erfolgen durch Fräsen, Laserablation, Ätzen, dem LIGA-Verfahren, galvanisches Abformen, Sintern, Stanzen oder Verformen.
Für den einschlägigen Fachmann ist es leicht nachzuvollziehen, dass die Vorrichtung nicht nur als Mikrowärmetauscher angewendet werden kann, sondern z. B. auch eine Verwendung als Verdampfer oder Kondensator so wie in deren Kombination (Rektifikation) möglich ist.
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielsweise näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch einen Folienstapel längs der Linie A-A in 3,
2 eine Schnittansicht längs der Linie B-B in 4 und längs der Linie C-C in 1,
3 eine Draufsicht auf eine dünne Platte oder Folie mit Mikrokanälen für ein Prozessfluid,
4 eine Draufsicht auf eine dünne Platte oder Folie mit Mikrokanälen für ein Wärmeträgerfluid, und
5 in einer aufgeschnittenen perspektivischen Darstellung ein Gehäuse mit einem Mikrowärmetauscher aus einem Folienstapel.
Die 1 bis 4 zeigen schematisch den Aufbau eines Mikrowärmetauschers in einem Ausführungsbeispiel, wobei 1 einen Stapel von Folien oder dünnen Platten F wiedergibt, wie dies durch gestrichelte Linien in 1 angedeutet ist. Mit 2 sind beabstandete Kanäle für ein Prozessfluid und mit 3 quer dazu verlaufende Kanäle für ein Wärmeträgerfluid bezeichnet, die in Reihen 30 angeordnet sind und jeweils auf den beiden Seiten von entsprechenden Reihen 20 der Kanäle 2 kreuzweise zu diesen verlaufen. Die Zuführung des Prozessfluids erfolgt über Durchbrüche 4 in den Folien F, und die Abführung des Prozessfluids über Durchbrüche 5, die in 3 im Querschnitt wiedergegeben sind. Mit Pfeilen ist die Strömungsrichtung der beiden Fluide wiedergegeben.
2 zeigt die antiparallele Strömung des Prozessfluids in den benachbarten Kanälen 2 in den Reihen 20, zwischen denen das Wärmeträgerfluid durch die Kanäle 3 strömt. Die Zuführung des Wärmeträgerfluids erfolgt über Durchbrüche 7 in den Folien, und die Abführung über Durchbrüche 8, die in 4 im Querschnitt wiedergegeben sind. 2 entspricht einer Querschnittsansicht längs der Linie C-C in 1.
Der Kern des Wärmetauschers wird durch sich kreuzende Kanäle 2 und 3 gebildet, die jeweils in Reihen 20 und 30 angeordnet sind, wobei das Prozessfluid in benachbarten Kanälen 2 antiparallel bzw. im Gegenstrom geführt ist, während das Wärmeträgerfluid im Gleichstrom durch die benachbarten Kanäle 3 fließt, wie 1 zeigt. Die Fluidzuführung und -abführung erfolgt jeweils auf den Außenseiten der blockförmigen Anordnung der sich kreuzenden Kanäle durch Leitungen, die durch die Durchbrüche 4, 5 sowie 7, 8 in den Folien F ausgebildet sind. Damit erfolgt der Wärmetausch in dem inneren Block von sich kreuzenden Kanälen 2,3, während die Zu- und Abführleitungen 4,5 und 7,8 auf der Außenseite des Blocks angeordnet sind.
Wird der Mikrowärmetauscher 1 zum Abkühlen eines Prozessfluids verwendet, so fließt das Wärmeträgerfluid zunächst durch Durchbrüche 6, die in 1 auf der Außenseite der Zu- und Abführleitungen 4 und 5 für das Prozessfluid ausgebildet sind, so dass durch diese Leitungen 6 mit kühlem Wärmeträgerfluid eine effiziente Wärmeisolierung des heißen Prozessfluids in den Kanälen 4 und 5 gegenüber der Umgebung erreicht wird. Anschließend wird durch eine nicht dargestellte Leitungsführung auf der Ober- und Unterseite in 1 das Wärmeträgerfluid über die Durchbrüche 7 den in 2 horizontal verlaufenden Kanälen 3 zugeführt, wonach das Wärmeträgerfluid über die durch die Durchbrüche 8 ausgebildeten Leitungen austritt. Bei dieser Ausgestaltung wird der Block von sich kreuzenden Kanälen 2 und 3 auf den vier Außenseiten jeweils durch eine Reihe von Leitungen 6 (auf gegenüberliegenden Seiten in 1), und 7 sowie 8 (auf den benachbarten Außenseiten in 2) gegenüber der Umgebung isoliert. Auch die in 1 und 2 oben und unten liegenden Außenseiten des Wärmetauscher-kerns werden durch Reihen 30 der Kanäle 3 gebildet, durch die Wärmeträgerfluid strömt. Auf diese Weise wird das zu kühlende Prozessfluid in den Kanälen 2, 4 und 5 wirksam gegenüber der Umgebung abgeschirmt.
Bei den beschriebenen Ausgestaltungen des Wärmetauschers wird das Prozessfluid in mindestens zwei Teilströme aufgeteilt, wenn beispielsweise nur zwei Reihen 20 und 30 von Kanalgruppen 2 und 3 vorgesehen sind, wobei das Prozessfluid in den Kanälen 2 im Gegenstrom zueinandergeführt ist. Durch eine Vergrößerung des Stapels aus Folien oder dünnen Platten F kann die Kapazität des Mikrowärmetauschers 1 entsprechend vergrößert werden.
Wenn der Mikrowärmetauscher 1 zum Aufheizen eines Prozessfluids oder als Verdampfer verwendet wird, so werden die Zuführungen des Wärmeträgerfluids und des Prozessfluids ausgetauscht, so dass auch in diesem Fall das kältere Fluid in die Außenbereiche 6, 7 und 8 strömt, damit eine Wärmeisolierung zur Umgebung gegeben ist. Hierbei wird die Auslegung so gewählt, dass die außen liegenden Kanalreihen 30 ebenfalls vom kälteren Fluid durchströmt werden.
Der beschriebene Aufbau lässt eine Vielzahl von Anpassungsmöglichkeiten zu, indem die Anzahl der Folien F und der Kanäle 2, 3 verändert und an die jeweils gewünschten Durchflussmengen angepasst wird.
Die Kanäle 2,3 und die Leitungen 4 – 8 können so gestaltet werden, dass sie durchgehend den gleichen Querschnitt haben. Hierdurch ergibt sich ein minimaler Druckabfall bei der Durchströmung des Wärmetauschers.
5 zeigt schematisch einen Folienstapel FS in einem Gehäuse 10, in dem Leitungen für die Zuleitung und Ableitung von Prozessfluid und Wärmeträgerfluid ausgebildet sind. Wie dargestellt ist das Gehäuse 10 als Modul aufgebaut, das mit anderen Modulen für die Behandlung eines Prozessfluids kombiniert werden kann. Der anhand der 1 bis 4 beschriebene Wärmetauscher kann aber auch ohne Gehäuse eingesetzt werden, wobei in 1 auf der oberen und unteren Seite jeweils eine Vorrichtung zur Leitungsführung vorgesehen wird, welche die Anschlüsse für die Leitungen 4, 5, 6, 7 und 8 aufweisen.

Claims

Aus einem Stapel von Folien und dünnen Platten (F) aufgebauter Mikrowärmetauscher, umfassend sich kreuzende Kanäle (2, 3) für Prozessfluid und Wärmeträgerfluid, wobei an den Außenseiten des sich ergebenden Blocks von sich kreuzenden Kanälen (2, 3) Zu- und Abführleitungen (6, 7, 8) ausgebildet sind.
Mikrowärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die sich kreuzenden Kanäle (2, 3) jeweils abwechselnd in Reihen (20, 30) angeordnet sind, und auf den Außenseiten Reihen von Zu- und Abführleitungen (4 bis 8) ausgebildet sind.
Mikrowärmetauscher nach Anspruch 2, wobei das Prozessfluid in den benachbarten Kanälen (2) einer Reihe (20) abwechselnd im Gegenstrom geführt ist.
Mikrowärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Wärmeträgerfluid in den Außenbereichen (6, 7, 8) das im Innenbereich (2, 4, 5) strömende Prozessfluid zur Wärmeisolierung gebenüber der Umgebung umströmt.
Mikrowärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Folien oder Platten (F) aus inertem Material gefertigt sind.
Mikrowärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stapel aus Folien oder dünnen Platten (F) in einem Gehäuse (10) angeordnet ist.