EP2671040A1

EP2671040A1 - Kreuzstrom-wärmeübertrager

Info

Publication number: EP2671040A1
Application number: EP12703242.3A
Authority: EP
Inventors: Klaus Schubert; Achim Wenka; Roland Dittmeyer
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2011-02-02
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2013-12-11
Also published as: DE102011010021A1; WO2012104058A1

Description

Kreuzstrom-Wärmeübertrager

Die Erfindung betrifft einen Kreuzstrom-Wärmeübertrager, vorzugsweise einen mikrostrukturierten Kreuzstrom-Mikrowärmeüber trager gemäß des ersten Patentanspruchs.

Kreuzstrom-Wärmeübertrager sind in der Technik allgemein bekannt. Sie weisen einen Wärmetauschbereich auf, in dem ein Fluidstrom in einer ersten Kanalgruppe durch einen Wärmeträ- gerfluidstrom in einer zweiten, die erste kreuzenden Kanalgruppe temperiert wird. Jede der Kanalgruppen weist eine Viel zahl vorzugsweise über ihre gesamte Länge parallel verschal- teter und vorzugsweise auch parallel verlaufender Kanäle auf. Meist sind die Kanäle je Kanalgruppe - wie bei Kreuzstrom-Wär meübertragern üblich - parallel zueinander und dabei geradlinig auf einer Ebene angeordnet. Üblicherweise sind die erste und zweite Kanalgruppe mit oder ohne Zwischenlagen ohne Kanäl ebenenweise abwechselnd angeordnet, d.h. eine Kühlung oder Aufheizung des Fluidstroms erfolgt durch Wärmeübertragung an den Kreuzungen, die damit die Wärmeübertragungsbereiche bilden. An jeder Kreuzung wird eine Wärmemenge übertragen, wobei der Fluidstrom in einem Kanal der ersten Kanalgruppe eine Vielzahl von Kreuzungen und damit Wärmeübertragungsbereiche passiert und sich die jeweils übertragenen Wärmemengen addieren. Die Gesamtheit der Kanäle einer Kanalgruppe bildet für sich vorzugsweise eine Passage durch den Kreuzstrom-Wärmeüber trager .

In der [1] wird beispielhaft neben anderen Bauformen ein Kreuzstrom-Mikrowärmeübertrager offenbart, bei dem die Mikro- kanäle ebenenweise als eine Vielzahl paralleler Rillen einseitig in Metallfolien eingearbeitet sind. Die Folien werden vorzugsweise quadratisch ausgeschnitten und mit den Rillen kreuzweise abwechselnd um bevorzugte 90° verdreht gestapelt und durch Kleben, Löten oder Diffusionsschweißen miteinander

BESTÄTIGUNGSKOPIE verbunden, wobei die mit Rillen strukturierten Folienseiten jeweils an einer unstrukturierten Seite der benachbarten Folie anliegen .

Alternativ zu einem Kreuzstromwärmeübertrager sind auch Gegenstrom- und Gleichstromwärmeübertrager bekannt, in denen sich die Kanäle des zu temperierenden Fluids und des Wärmetr ger- fluids nicht kreuzen, sondern parallel zueinander geführt werden .

Für einen Einsatz von Kreuzstrom-Mikrowärmeübertragern der vorgenannten Art sprechen nicht nur die herausragenden thermischen Eigenschaften, beschrieben z.B. in [2], sondern auch die im Vergleich zu Gleich- oder Gegenstromwärmeübertragern einfacher, da nicht ineinander verschlungen zu realisierenden sowie verlustärmeren Zu- und Ableitungen der Fluidströme.

Der Nachteil eines Kreuzstromwärmeübertragers im Vergleich zu einem Gegenstrom- oder Gleichstromwärmeübertrager liegt darin, dass der zu temperierende Fluidstrom wegen des querströmenden Wärmeträgerfluids nicht in jedem Kanal gleich temperiert wird. Mit jedem Kreuzen zwischen zwei sich kreuzenden Kanälen kommt es zu einer Wärmeübertragung, die auch die Temperatur des Wär- meübertragungsfluids verändert. Grundsätzlich lässt sowohl ein Gegen- als auch ein Gleichstromwärmetauscher eine sehr gleichmäßige Temperierung der beteiligten Fluide erwarten, da die Wärmeübertragungsbereiche zwischen den Kanälen parallel und nicht wie bei einem Kreuzstromwärmetauscher hintereinander angeordnet sowie die in diesen übertragenen Wärmemengen für alle Kanäle damit ungefähr gleich sind. Allerdings wird dieser Vorteil des Gegenstromwärmetauschers durch die sich im Zuleitungsbereich kreuzenden Fluidströme mit den damit verbundenen erhöhten Druckverlusten durch Fluidumlenkung mehr oder weniger wieder aufgehoben. Eine wirtschaftliche und in allen Kanälen einer jeden Kanalgruppe gleichförmige Temperierung, d.h. Erhitzung oder Abkühlung der Fluide ist aber in einem Kreuzstromwärmetauscher herkömmlicher Bauart ohne ein verzerrtes Temperaturprofil des zu temperierenden Fluidstroms am Austritt aus dem Kanälen praktisch nicht möglich. Da es bei jeder Kreuzung zweier Kanäle zu einer Übertragung von Wärme kommt, die bei einer nachfolgenden Kreuzung nicht mehr zur Verfügung steht, ist eine nahezu gleichförmige Temperierung des Fluids in allen Kanälen nur mit einem erheblichen Überschuss an Wärmeenergie im Wärmeträger- fluidstrom realisierbar. Dies kann nur mit einem signifikänt erhöhten Massenstrom an Wärmeübertragungsfluid erfolgen, was nicht nur den Wirkungsgrad, sondern auch die Wirtschaftlichkeit reduziert.

Folglich liegt die Aufgabe der Erfindung darin, ein verbessertes Kreuzstromwärmeübertragersystem vorzuschlagen, das die vorgenannten Einschränkungen nicht aufweist und insbesondere eine gleichförmige Temperierung der zu temperierenden Fluide durch ein Wärmeträgerfluid in allen Kanälen je Kanalgruppe ermöglicht, wobei alle Kanäle für die zu temperierenden Fluide im Bereich der Wärmeübertragung vorzugsweise den gleichen Strömungsquerschnitt aufweisen.

Insbesondere liegt eine Aufgabe der Erfindung darin, einen Kreuzstrom-Mikrowärmeübertrager so zu gestalten, dass auch bei gleichen Massenströmen (bei vorzugsweise identischen Fluiden) oder gleichen Kapazitätsströmen (bei vorzugsweise unterschiedlichen Fluiden) der beiden beteiligten Fluide (zu temperierendes Fluid und Wärmeübertragungsfluid) in den beiden Passagen und mit guten thermischen Wirkungsgrad die Austrittstemperatu ren des zu temperierenden Fluids aus allen Mikrokanälen der Passage gleich sind oder zumindest in einem engen Temperaturintervall liegen. Dabei sollte das zu temperierende Fluid in jedem von ihm durchströmten Mikrokanal gleiche Verweilzeiten aufweisen .

Die Aufgabe wird durch einen Kreuzstrom-Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die auf diesen rückbezogene Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen wieder.

Die Lösung der Aufgabe basiert auf einer Modifikation eines eingangs beschriebenen Kreuzstrom-Wärmeübertragers. Die Kanäle sind in zwei Kanalgruppen, jeweils eine erste Kanalgruppe für das zu temperierende Fluid und eine zweite Kanalgruppe für das Wärmeträgerfluid aufgeteilt.

Alle Kanäle der ersten Kanalgruppe weisen vorzugweise eine gleiche Fläche, weiter bevorzugt eine gleiche Geometrie der Durchströmungsquerschnitte auf, die sich weiter bevorzugt bei jedem Kanal der ersten Kanalgruppe über die gesamten Kanallängen im Bereich der Kanalkreuzungen nicht verändern. Kanalquerschnitte der ersten Kanalgruppe weisen damit an jeder Stelle im Wärmeübertrager bevorzugt ein und denselben Querschnitt auf .

Die Kanäle sind ebenenweise angeordnet. Jede Ebene weist Kanäle nur einer Kanalgruppe auf, wobei die Ebenen und damit die Kanalgruppen - wie eingangs beschrieben - in bevorzugt abwechselnder Reihenfolge zu einem Wärmeübertrager gestapelt sind. Die Kanäle sind für jede Kanalgruppe parallel geschaltet und vorzugsweise auch parallel angeordnet, wobei unterschiedliche Kanalgruppen unterschiedlich ausgerichtet sind und sich die Kanäle somit kreuzen. Zwischenebenen ohne Kanäle oder benachbarte Ebenen mit Kanälen aus der gleichen Kanalgruppe oder Ebenen mit Kanälen der gleichen Kanalgruppe mit ebenenweise abweichenden Abmessungen sind im Rahmen der möglichen Ausführungsformen ausdrücklich nicht ausgeschlossen. Wesentlich ist, dass sich zwei Kanäle aus benachbarten Ebenen mit unter- schiedlicher Kanalgruppenzugehörigkeit kreuzen und in diesen Kreuzungen Wärmeübertragungsbereiche für eine Wärmeübertragung zwischen den angrenzenden Kanälen entstehen.

Vorzugsweise ist der Kreuzstrom-Wärmeübertrager als Kreustrom- ikrowärmeübertrager gestaltet, wobei die Kanäle Mikrokanäle sind, mit engsten Querschnitten zwischen 0,001 mm² und 1 mm² sowie vorzugsweise mit engsten Querschnittsabmessungen zwischen 0,01 mm und 1 mm. Mikrowärmeübertrager sind vorzugsweise aus Platten- oder Folienstapeln (in nachfolgender Beschreibung umfassen Folien auch Platten) gefertigt, wobei die Mikrokanäle der Mikrokanalgruppen als Rillen einseitig oder beidseitig in die Folien (oder Platten) eingearbeitet und die Folien durch Pressung, Klebung, Lötung oder Schweißung zu einem Folienstapel zusammengefügt sind. Die Rillen sind in Folienoberflächen (oder Plattenoberflächen) eingearbeitet, wobei jede auf diese Weise strukturierte Folienoberfläche einer der vorgenannten Kanalgruppe zuzuordnen ist. Die durch Rillen strukturierten Folienoberflächen liegen je auf einer unstrukturierten Folienoberfläche der jeweils benachbarten Folie auf. Die Ein- und Austritte der Mikrokanäle sind vorzugsweise seitlich, für jede Kanalgruppe bevorzugt auf einer eigenen Seitenfläche. Alternativ lassen sich Fluidzuführungen des Wärmeträgerfluids auch durch bevorzugt orthogonal zu den Folienebenen und durch den gesamten Folienstapel verlaufende Zulaufkanäle in Form von Bohrungen oder Aussparungen, die in die vorzugsweise übereinander angeordnete Mikrokanäle ausmünden, einleiten.

Optionale Aussparungen in den Folien abseits der Mikrokanäle und anderer Fluidführungen (z.B. Zu- und Abläufe) dienen einerseits der Wärmedämmung und andererseits der Reduzierung der Wärmekapazität im Mikrowärmetauscher . Sie reduzieren damit Wärmeverluste einerseits durch unerwünschte Wärmeleitung im Wärmetauscher abseits der Wärmeübertragungsbereiche und andererseits auch durch Wärmespeicherung im Wärmeüberträgermate- rial. Außerdem begünstigt eine reduzierte Wärmekapazität, d.h. eine geringere speicherbare Wärmemenge im Wärmeübertrager aufgrund der geringeren thermischen Trägheiten schnelle Reaktionszeiten bei Temperaturänderungen sowie ein besseres Regelungsverhalten der Austrittstemperaturen des zu temperierenden Fluids .

Ein Folienstapel umfasst mindestens je eine Ebene, d.h. eine Folienoberfläche pro Kanalgruppe. Unter der Voraussetzung, dass jede mit Mikrokanälen strukturierte Folienoberfläche durch eine unstrukturierte Folienoberfläche abgedeckt ist, ergibt sich eine Mindestanzahl an drei Folien.

Eine bevorzugte Ausführung sieht getrennte Folien für die erste und zweite Kanalgruppe vor, wobei die Mikrokanäle einseitig in jeweils eine Folienseite eingearbeitet sind. Die Folien werden mit abwechselnder Kanalgruppenzugehörigkeit gestapelt, wobei die strukturierten Folienoberflächen in eine Richtung weisen. Unstrukturierte Deck- oder Zwischenfolien dienen als Abschlussfolie und/oder zur Wärmeisolierung. Eine einseitige Strukturierung ermöglicht eine einfachere und präzisere Strukturierung (eine unstrukturierte Oberfläche als glatte Auflagefläche z.B. für eine UnterdruckaufSpannung) und damit grundsätzlich auch eine bessere Möglichkeit, Kanalquerschnitte und die Wärmeleitwege in den Wärmeübertragungsbereichen auch durch die Tiefe der Rillenstrukturierung, d.h. der Mikrokanäle exakter einzustellen.

Eine weitere Ausführung sieht unstrukturierte Folien zwischen den Kanälen unterschiedlicher Ebenen vor. Zwischen jeweils zwei unstrukturierten Folien sind die Kanäle in je einer strukturierten Folie pro Ebene in der Weise angeordnet, dass sie als Durchgangsöffnungen in der strukturierten Folie bevorzugt an beide begrenzenden unstrukturierte Folien angrenzen. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass die Wärmeübertragungs- bereiche zwischen den Kanalgruppen auf Bereiche ausschließlich der unstrukturierten Folien erstrecken. Vorzugsweise werden für einen effizienten Wärmeübergang die unstrukturierten Foli^¬ en aus einem guten Wärmeleiter wie z.B. Silber, Gold oder Kupfer oder möglichst dünn, bevorzugt dünner als 0,1 mm, weiter bevorzugt kleiner 0,05 mm dick gefertigt. Die strukturierten Folien mit den Kanälen selbst sind dagegen bevorzugt zur Reduzierung von Verlustwärme aus einem schlecht wärmeleitenden Material wie z.B. VA-Stahl, Kunststoff, Glas oder Keramik hergestellt. Sie reduzieren durch ihre geringere Wärmeleitfähigkeit eine Wärmeleitung abseits der Wärmeübertragungsbereiche und damit Wärmeverluste. Die Herstellung dieser Ausführung erfolgt nasschemisch oder mittels eines anderen selektiv auf die strukturierte Folie wirkenden Strukturierungsprozess (z.B. LIGA-Verfahren) aus einem zunächst unstrukturierten Folienverbund aus einer unstrukturierten und einer nach dem Strukturierungsprozess strukturierten Folie, z.B. eine Stahl-Kunststoff- verbundfolie oder ein Gold-Glas-Schichtverbund.

Vorzugsweise sind die Tiefe der Mikrokanäle, d.h. die Rillentiefe in den einzelnen Folien oder Platten sowie die Stegbreite zwischen den Kanälen konstant, sodass die unterschiedlichen Querschnitte durch unterschiedliche Kanalbreiten realisiert werden .

Demgegenüber bieten unterschiedlich tiefe Rillen den Vorteil der Exnflussnahme auf die Dynamik und Übertragungskapaziäten der Wärmeübertragungsbereiche über eine Variation der Wärmeleitwege zwischen zwei Kanälen.

Die Grundidee liegt darin, die Fluidströme in allen Kanälen der ersten und/oder zweiten Kanalgruppe allein durch geometrisch individuelle Gestaltung der Kreuzungen und damit der thermischen Übertragungswege in den Wärmeübertragungsbereichen in Summe gleich zu temperieren. Dabei weist jeder Wärmeüber- tragungsbereich eine Wärmeübertagungskapazität auf. Diese Wär- meübertagungskapazitäten werden für jeden Mikrokanal der zweiten Mikrokanalgruppe in Abhängigkeit der jeweils anderen vor- oder nachgeschalteten Wärmeübertragungsbereiche desselben Mi- krokanals dimensioniert. Ziel ist, die jeweils mit der ersten Kanalgruppe ausgetauschten und für nachfolgende Wärmeübertragungsbereiche nicht mehr zur Verfügung stehenden Wärmemengen rechnerisch in die Dimensionierung der nachfolgenden Wärmeübertragungsbereiche einfließen zu lassen. Dabei nehmen in jedem Mikrokanal der zweiten Kanalgruppe die Flächen, d.h. der Wärmeübertragungskapazitäten der seriell durchströmten Wärmeübertragungsbereiche insbesondere bei gleichen Durchströmungsquerschnitten in der ersten Kanalgruppe stromabwärts stufenweise zu.

Mit der vorgenannten Gestaltung der Wärmeübertragungsbereiche wird in vorteilhafter Weise in Summe eine gleiche Temperaturänderung des Fluidstroms in der ersten Kanalgruppe realisiert; die Austrittstemperaturen der zu temperierenden Fluide werden in einem engen Temperaturintervall gehalten. Die Gefahr von Unterkühlung oder Überhitzung von Fluidbestandteilen und damit Auskristallisation bzw. Dampfbildung wird wirksam reduziert. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise auch eine exaktere Einhaltung und Ausnutzung eines definierbaren Temperaturfensters und damit eine Verwendung von Fluiden mit Phasenübergängen nahe dem Temperaturfenster. Ferner weist die den Wärmeübertrager verlassenden Fluidströme der ersten Kanalgruppe eine homogene Temperatur auf und können ohne zwischengeschaltete Vermischerstufe direkt z.B. in einen Reaktor oder einen weiteren Wärmeübertrager eingeleitet werden. Der beanspruchte Kreuzstrom-Wärmeübertrager oder Kreuzstrom-Mikrowärmeübertrager eignet sich damit besonders für einen Einsatz in verfahrenstechnischen Prozessen . Ein wesentliches Merkmal der Erfindung liegt darin, die Durchströmungsquerschnitte der Kanäle oder Mikrokanäle der zweiten Kanalgruppe stromabwärts stetig zu erweitern. Mit dieser stetigen Erweiterung nehmen mit zunehmender Durchströmungswegstrecke die Überlappungsfläche zu den jeweils benachbarten Ka^¬ nälen der ersten Kanalfraktion und damit die Wärmeübertragungskapazität der Wärmeübertragungsbereiche stetig zu. Damit wird der Wärmeverlust aus dem Wärmeträgerfuid, der beim Durchlaufen eines jeden Wärmeübertragungsbereichs zu einer zunehmenden Anpassung der Temperaturen zwischen zu temperierenden Fluid in der ersten sowie dem Wärmeträgerfluids in der zweiten Kanalgruppe bewirkt (Temperaturdifferenz wird kleiner) , durch eine entsprechend größere Kapazität oder Fläche der nachfolgenden Wäremübertragungsbereiche ausgeglichen.

Die stetige Erweiterung des Durchströmungsquerschnitt eines Kanals erfolgt bevorzugt kontinuierlich (im mathematischen Sinne stetig), d.h. ohne stufenweise oder abrupte Querschnittsänderungen. Dies dient u.A. zur weitgehenden Vermeidung von Turbulenzen oder RückStrömungen in dem sich erweiternden Kanal. Eine Integration von Leitstrukturen in Kanälen zur Strömungsleitung ist optional, ist aber für Mikrokanäle aufgrund der zu größeren Kanalquerschnitten grundsätzlich abweichenden Strömungsverhältnisse (und der damit verbundenen abweichenden Wärmeübertragungsdymamik über die Kanalwandungen) nicht erforderlich.

Durch die bevorzugte Gestaltung der sich stromabwärts erweiternden Kanäle der zweiten Kanalgruppe lassen sich die Wärmeübertragungsbereiche in vorteilhafter Weise so konfektionieren, dass das Wärmeträgerfluid jedes Kanals der zweiten Kanalgruppe bei jeder der seriell passierenden Kreuzungen mit einem Kanal der ersten Kanalgruppe (nur je eine Kreuzung mit jedem Kanal der ersten Kanalgruppe), d.h. über jeden Wärmeübertragungsbereich die gleiche Wärmemenge an das zu temperierende Fluid überträgt. Aufgrund dieser recherisch simulierbaren exakteren Konfektionierung der Wärmeübertragungsbereiche hinsichtlich einer gleichen Wärmeübertragung in allen Kreuzungen eines jeden Kanals der zweiten Kanalgruppe ist die für eine zuverlässige Temperierung erforderliche Kanalzahl dieser zwei^¬ ten Kanalgruppe im Vergleich zu herkömmlichen Kreuzstromwärme^¬ tauschern in vorteilhafter Weise reduzierbar.

Die Anzahl der sich erweiternden Mikrokanäle der zweiten Kanalgruppe liegt bei Mikrowärmeübertragern bevorzugt zwischen 2 und 10, weiter bevorzugt zwischen 2 und 6, weiter bevorzugt bei 3 oder 4 Kanäle pro Kanalebene (Folie) .

Das Verhältnis der Kanaleintrittsquerschnitte zu Kanalaustrittsquerschnitte oder der Querschnitte an dem ersten Wärmeübertragungsbereich (erste Kanalkreuzung) zu der an dem letzten Wärmeübertragungsbereich (letzte Kanalkreuzung des Kanals) der zweiten Kanalgruppe liegt zwischen 0,02 und 0,8, bevorzugt zwischen 0,05 und 0,5 und besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 0,2.

Für den besonderen Fall, dass die die Summe aller Fluidströme in Kanalgruppe 1 in ihrem Wärmekapazitätsstrom (Massenstrom x spezifische Wärmekapazität c_p) dem der Summe aller Fluidströme in Kanalgruppe 2 entspricht, liegt das Verhältnis der Summe der vorgenannten Kanaleintrittsquerschnitte von Kanalgruppe 2 zu der Summe der Kanalquerschnitte von Kanalgruppe 1 bei bevorzugt 0,05 bis 0,5, vorzugsweise bei 0,1 bis 0,2 weiter bevorzugt bei 0,12 bis 0,18.

Eine Bauform des Kreustrom-Wärmetauschers, die sich insbesondere für einen Kreuzstrom-Mikrowärmetauscher als Folienstapel anbietet, sieht vor, die Kanäle der zweiten Kanalgruppe in zwei gleichgroße Kanaluntergruppen zu unterteilen, wobei die erste Kanaluntergruppe im Gegenstrom zu der zweiten Kanalun- tergruppe orientiert sind. Die erste und zweite Kanaluntergruppe sind folglich nicht unidirektional in eine Richtung, sondern in Gegenstromanordnung der Kanäle quer über oder unter der ersten Kanalgruppe zu leiten. Beide Kanaluntergruppen werden mit dem gleichen Wärmeübertragungsfluid vorzugweise mit der gleichen Temperatur gespeist. Die Kanaluntergruppen sind somit in Gegenstromwärmetauscheranordnung verschaltet und tau^¬ schen folglich gegenseitig sowie gemeinsam mit dem zu temperierenden Fluid in er ersten Kanalgruppe Wärme aus. Die Gegenstromanordnung bewirkt in vorteilhafter Weise eine besonders gleichmäßige Wärmequelle auf das zu temperierende Fluid.

Die einzelnen Kanäle der ersten und zweiten Kanaluntergruppe werden entweder ebenweise pro Untergruppe jeweils ebenenweise abwechselnd (nur eine Kanaluntergruppe pro Ebene) oder - besonders bevorzugt - in gemeinsamen Ebenen, aber in abwechselnder Reihenfolge in gegenläufiger Ausrichtung (beide Kanaluntergruppen gemeinsamen Ebenen) angeordnet.

Die bei der zweiten genannten Alternative (beide Kanaluntergruppen gemeinsamen Ebenen) abwechselnd gegenläufig sich erweiternden Kanäle der zweiten Gruppe lassen sich platzsparend und mit geringen Zwischenwandungsstärken ineinander anordnen. Durch die im Gegenstrom innerhalb der zweiten Kanalgruppe ausgetauschte Wärme lässt sich insbesondere mit an die erste Kanalgruppe ausgetauschte Wärme kompensieren, was dem Ziel einer möglichst gleichen Temperaturbeaufschlagung auf die Fluidströ- me in allen Kanäle der ersten Kanalgruppe durch die zweite Kanalgruppe signifikant näherbringt. Die Zuläufe für die zweite Kanalgruppe erfolgen - wie vorgenannt - durch Zulaufkanäle, von denen bevorzugt jeweils übereinanderliegende Kanäle ausmünden. Die Zulaufkanäle werden bevorzugt orthogonal zu den Folienebenen und durch den gesamten Folienstapel verlaufende Bohrungen oder Aussparungen, die in die Mikrokanäle ausmünden, d.h. von oben und/oder unten in den Wärmetauscher. Die Ablei- tungen für die zweite Kanalgruppe erfolgen dagegen seitlich aus dem Wärmetauscher auslaufend in entsprechende dichtend an^¬ gesetzte Auffangvolumina . Die Anordnung der Zu- und Ableitung der ersten Kanalgruppe erfolgt an den noch nicht von den An^¬ schlüssen der zweiten Kanalgruppe belegten Stirnflächen des Wärmetauschers .

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, die optional auch mit einzelnen oder allen vorgenannten Maßnahmen zusätzlich kombinierbar oder erweiterbar sind. Es zeigen

Fig.l eine schematische Aufsicht einer ersten Ausführung mit Kanäle beider Kanalgruppen in einem Folienstapel,

Fig.2 die in Fig.l dargestellte Ausführungsform, jedoch mit zusätzlichen Aussparungen abseits der Kanäle,

Fig.3a und b eine schematische Aufsicht weiterer Ausführungen des Kreuzstromwärmetauschers mit unterschiedlichen Temperierungsdynamiken für die temperierenden Fluide in der ersten Kanalgruppe sowie

Fig.4 und b schematische Aufsichten zweier Ausführungsformen mit Gegenstromanordnung der zweiten Kanalgruppe.

Alle in den Figuren dargestellte Ausführungsformen zeigen beispielhaft Mikrowärmeübertrager, umfassend einen Stapel Folien oder Platten mit eingearbeiteten Kanälen.

Alle in den Fig.l bis 3 in schematischer Draufsicht dargestellten Ausführungsformen zeigen Merkmale der Erfindung beispielhaft anhand von Kreuzstrom-Mikrowärmetauscher-Bauformen, bestehend jeweils aus einem mit Mikrokanälen 1 strukturierten und übereinander gestapelten Folien 2 (Folienstapel) . Die Ka- näle der ersten Kanalgruppe 3 für das zu temperierende Fluid sowie die Kanäle der zweiten Kanalgruppe 4 für das zu Wärme- trägerfluid als Temperierungsmedium sind jeweils ebenenweise und vorzugsweise auf jeweils einer eigenen Folienoberfläche angeordnet, wobei die mit Kanälen strukturierten Oberflächen im Stapel auf jeweils einer unstrukturierten Folienoberfläche abgedeckt sind. Die beiden Kanalgruppen kreuzen sich im Wärmetauscher. Die Kreuzungsbereiche, d.h. die Bereiche, die von beiden Kanalgruppen geschnitten werden, bilden in erster Näherung die Wärmeübertragungsbereiche 5. De facto sind bei einer exakten Auslegung der Wärmeübertragungsbereiche die angrenzenden Materialbereiche und Kanalwandungen als aktive Wärmeleitungen und/oder Wärmetauscherflächen zu bewerten und mit zu erfassen. Die erste Kanalgruppe umfasst rillenförmige geradlinig eingearbeitete Kanäle mit jeweils gleicher und über die gesamte Kanallänge gleichbleibender Breite und Tiefe. Die zweite Kanalgruppe umfasst dagegen eine über die gesamte Kanallänge oder wie dargestellt zumindest im Bereich der Wärmeübertragungsbereiche eine linear mit der Fließrichtung 9 durch die Kanäle zunehmenden Kanalbreite.

Wesentlich ist, dass in Bezug auf die Fließrichtung 9 des Wär- meübertragungsfluid in der zweiten Kanalgruppe die Größe der seriell in jedem Kanal angeordneten Wärmeübertragungsbereiche 5 gemeinsam mit der Kanalbreite der zweiten Kanalgruppe (im Beispiel linear) zunimmt. Damit werden die an vorangegangenen zwischen den Kanalgruppen ausgetauschten Wärmemengen mit den damit einhergehenden geringeren Temperaturunterschieden zwischen dem zu temperierenden Fluid und dem Wärmeübertragungs- fluid durch entsprechend größere Wärmeübertragungsbereiche ausgeglichen. In jedem Wärmeübertragungsbereich eines jeden Kanals der zweiten Kanalgruppe wird zumindest näherungsweise ein gleicher Wärmeübertrag auf das zu temperierende Fluid in der ersten Kanalgruppe erreicht. Alle Folien weisen vorzugweise gleiche Abmessungen auf. Vorzugsweise sind auch die Dicken sowie die Tiefen der Mikrokanä- le pro Kanalgruppe konstant. Sie sind vorzugsweise deckungsgleich ausgeschnitten und gestapelt und weisen seitlich an der Wärmetauscherwandung 6 Anschlusstrichter 7 mit Zu- und Abläufen 8 für die beiden genannten Fluide auf. Die Wärmeübertragungsbereiche sind vorzugsweise beidseitig der ikrokanäle an^¬ geordnet weisen bevorzugt einen gleiche Materialstärke und da^¬ mit Wärmelaufwege zwischen den Kanälen der beiden Kanalgruppen auf. Rechnerisch fließen in die Auslegung der Wärmeübertragungsbereiche neben der Kreuzungsflächenerstreckung auch die Materialstärke mit ein. Eine bessere Wärmeübertragung mit geringeren seitlich aus den Wärmeübertragungsbereichen abfließenden Verlustwärmen lässt sich grundsätzlich durch eine geringe Materialstärke einerseits, aber auch durch beispielhaft in Fig.2 dargestellte Aussparungen 10 in nicht für die Wärmeübertragung genutzte Folienbereiche im Wärmeüberträger nutzen.

Fig.l und 2 zeigen jeweils eine Ausführungsform, bei denen alle Kanäle der zweiten Kanalgruppe identische Abmessungen aufweisen und in konstanten Abstand benachbarter Kanäle zueinander die Kanäle der ersten Kanalgruppe kreuzend überspannen. Fig.2 zeigt die vorgenannten Aussparungen in nicht für die Wärmeübertragung genutzten Bereichen. Sie müssen in vorteilhafter Weise nicht nur nicht mit temperiert werden, sondern sind als zusätzliche Wärmebarrieren nutzbar und dienen damit der Reduzierung des vorgenannten Verlustwärmestroms im oder aus den Wärmetauscher. Die Aussparungen sind entweder als Durchbrüche durch die gesamte Foliendicke oder den Folienstapel (vgl. Fig.2) oder als einseitig eingearbeitete nicht durch die gesamte Foliendicke erstreckende Blindkanäle oder Blindvolumina zwischen den einzelnen Kanälen derselben Ebene.

Fig.3a und b zeigen schematisch beispielhafte Ausführungen, die sich im Grundaufbau der Ausführung gem. Fig.l entsprechen, jedoch sich durch nicht konstante Abstände der Kanäle der zweiten Kanalgruppen untereinander unterscheiden.

Die in Fig.3a offenbarte Ausführung weist im Zuströmungsbe- reich 11 der ersten Kanalgruppe einen geringeren Abstand zwischen zwei Kanälen 4 der zweiten Kanalgruppe auf als im Ab- strömungsbereich 12 der ersten Kanalgruppe. Dies bedeutet, dass die Wärmübertragung nahe dem genannten Zuströmbereich erfolgt, d.h. das zu temperierende Fluid bevorzugt gleich nach Eintritt in den Wärmeübertrager aufgrund der dort hohen Temperaturdifferenzen der Fluide in den beiden Kanalgruppen zueinander mit hohen Temperaturänderungsraten stark temperiert, bevorzugt stark abgekühlt (abgeschreckt) wird. Nach der anfänglichen starken Temperierung erfolgt mit zunehmender Näherung des zu temperierenden Fluids zum Abströmungsbereich 12 der ersten Kanalgruppe eine weitere fortlaufende Temperierung aufgrund zunehmender Abstände zwischen zwei Kanälen 4 der zweiten Kanalgruppe mit geringeren Temperaturänderungsraten. Das

Temperaturprofil (über die Kanallänge der ersten Kanalgruppe) geht nach einer anfänglichen Temperaturänderung mit großen Temperaturänderungsraten in einen nachfolgenden Bereich mit moderaten Temperaturänderungsraten über.

Umgekehrt offenbart Fig.3b eine Ausführung, die im Zuströ- mungsbereich 11 der ersten Kanalgruppe einen größeren Abstand zwischen zwei Kanälen 4 der zweiten Kanalgruppe auf als im Abströmungsbereich 12 der ersten Kanalgruppe. Damit konzentrieren sich die Wärmeübertragungsbereiche im Wärmübertrager im Gegensatz zu der in Fig.3a offenbarten Ausführung zum Abströmungsbereich 12 der ersten Kanalgruppe hin. Damit reduzieren sich im Temperaturprofil über die Kanallänge der ersten Kanalgruppe insbesondere die hohen Temperaturänderungsraten nahe dem Zuströmungsbereich der ersten Kanalgruppe, während sich diese Änderungsraten im Abströmungsbereich wiederum durch die höheren Dichte an aktiven Wärmeübertragungsbereichen erhöhen. Grundsätzlich verhalten sich die Temperaturänderungsraten über die Kanallängen entsprechend der zwischen den beiden Kanal^¬ gruppen übertragenen Wärmemenge. Diese wird allgemein einer^¬ seits von den Temperaturdifferenzen der Fluide in den beiden Kanalgruppen zueinander, andererseits von Größe und Verteilungsdichte der Wärmeübertragungsbereiche, d.h. der Kreuzungs^¬ bereiche zwischen den beiden Kanalgruppen wesentlich beein- flusst. Folglich repräsentieren Fig.3a und b mit variablen Kanalabständen der zweiten Kanalgruppe jeweils nur eine mögliche Umsetzungsart. Eine ähnliche Wirkung erzielt man, indem man anstelle eines zunehmenden Kanalabstands z.B. eine abnehmende Kanalbreite der zweiten Kanalgruppe zur Temperaturprofildimen- sionierung über die Kanallänge des ersten einsetzt.

Fig. a und 4b zeigen dagegen Ausführungsbeispiele, bei dem die zweite Kanalgruppe in zwei gleichgroße Kanaluntergruppen unterteilt ist, wobei die erste Kanaluntergruppe 15 im Gegenstrom, d.h. abwechselnd zu der zweiten Kanaluntergruppe 16

(Gegenstromanordnung) quer über oder unter den Kanälen 3 der ersten Kanalgruppe orientiert ist. Der Zuströmungsbereich der beiden Kanaluntergruppen der zweiten Kanalgruppe wird durch Zulaufkanäle 17 gebildet, von denen bevorzugt jeweils übereinanderliegende Kanäle der gleichen Kanaluntergruppe ausmünden.

Die Zulaufkanäle 17 sind wie beim dargestellten Mikrowärme- übertrager bevorzugt Durchbrüche durch die einzelnen Folienebenen und durch durchdringen den gesamten Folienstapel als Bohrungen oder Aussparungen, die in die Mikrokanäle ausmünden, d.h. von oben und/oder unten in den Wärmetauscher. Vorzugswiese weisen die Zulaufkanäle Mittel auf, die eine vorzeitige Wechselwirkung der Wärmeträgerfluidströme in den Zulaufkanälen 17, d.h. bereits vor Eintritt in die Kanäle 4 der zweiten Kanalgruppe auf die seitlich angrenzenden Kanäle 3 der ersten Kanalgruppe begrenzen. Diese Mittel umfassen vorzugsweise nicht druchströmbare Strukturen, Kavitäten oder Durchbrüche um die Zulaufkanäle oder zwischen den Zulaufkanälen und den angrenzenden Kanälen 3 der ersten Kanalgruppe in den Folien, in denen die erste Kanalgruppe angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich lassen sich auch die Zulaufkanäle innen durch eine Wärmedämmung wie z.B. mit einem geschlitzten oder porösen Kunststoffrohr auskleiden.

Beide Kanaluntergruppen werden mit dem gleichen Wärmeübertra- gungsfluid vorzugweise mit der gleichen Temperatur gespeist. Die Gegenstromanordnung bewirkt in vorteilhafter Weise eine besonders gleichmäßige Wärmequelle auf das zu temperierende Fluid.

Beide Untergruppen sind auf jeweils gemeinsamen Ebenen ineinandergeschachtelt angeordnet. Die Kanäle sind untereinander durch Stege 18 unterteilt. Ein Wärmeaustausch zwischen benachbarten Kanälen unterschiedlicher Untergruppen ist ausdrücklich erwünscht und wird dadurch gefördert, dass die Stege und die Wärmeübertragungsbereiche aus demselben vorzugsweise gut wär- meleitfähigen Material einer Folie, vorzugsweise aus einem Metall gefertigt sind.

Um Wärmeverluste aus den Wärmeübertrager über die Folien nach außen zu reduzieren, sind die an die Zu- und Abströmbereiche 11 bis 14 unmittelbar angrenzenden Folienbereiche vorzugsweise mit nicht durchströmbaren kanalartigen Strukturen oder sonstigen Aussparungen, wie sie beispielhaft nur in Fig.2 dargestellt sind, oder aber in die Folien integrierte (z.B. eingesetzte) oder aufgesetzte Isolierelemente versehen.

Eine erste bevorzugte Variante gem. Fig.4a weist Kanäle der zweiten Kanalgruppe auf, die für beide Kanaluntergruppen alle denselben Querschnittsverlauf über die jeweilige Kanallänge aufweisen. In der dargestellten Variante erstrecken sich je ein Kanal 15, 16 pro Kanaluntergruppe als Kanalpaar über einen rechteckigen, die Kanäle der ersten Kanalgruppe überspannenden Bereich. Dabei wird in vorteilhafter Weise jeder einzelne der Kanäle 3 der ersten Kanalgruppe im gleichen Kanalabschnitt von dem vorgenannten Kanalpaar überdeckt und thermisch beein- flusst. Die Abstände der Kanalpaare zueinander sind in Fig.4a gleichbleibend, sind aber in einer weiteren Varianten gemäß der anhand den Fig.3a und b erläuterten Auslegungen und den damit verbundenen beschriebenen Wirkungen mit unterschiedlichen Abständen konfigurierbar.

Fig.4b zeigt dagegen beispielhaft eine alternative Ausführungsform mit unterschiedlichen Kanalbreiten der zweiten Kanalgruppen. Im Beispiel erstrecken sich der erste und der letzte die Kanäle 3 der ersten Kanalgruppe kreuzende Kanal 4 der zweiten Kanalgruppe über die Kanallänge schmaler als die übrigen Kanäle der zweiten Kanalgruppe. Vorzugsweise sind sie damit so gestaltet, dass jeder einzelne der Kanäle 3 der ersten Kanalgruppe im gleichen Kanalabschnitt von den Kanälen der zweiten Kanalgruppe überdeckt und thermisch beeinflusst.

Die letztgenannte Gestaltungsmaßnahme verbessert grundsätzlich und bei Anwendung auch für alle anderen dargestellten Ausführungen eine gleichförmige Temperierung (vorzugsweise Erwärmung) des zu temperierenden Fluids in allen Kanälen 3 der ersten Kanalgruppe. Diese Wirkung kann durch eine verbesserte Wärme- und/oder StoffÜbertragung zwischen benachbarten Kanälen der ersten Kanalgruppe untereinander weiter verbessert werden, beispielweise durch Übertrittsöffnungen zwischen den Kanälen oder durch schmale Stege zwischen den Kanälen aus einem wärmeleitfähigen Material (z.B. Kanäle in einer Metallfolie). Literatu :

[1] DE 37 09 278 C2

[2] Schubert, K. et al . : Microstructure Devices for Applications in Thermal and Chemical Process Engineering; Micro- scale Thermophysical Eng. 5 (2001) S.17-39

Bezugszeichenliste :

1 Mikrokanal

2 Folie

3 Kanal der ersten Kanalgruppe

4 Kanal der zweiten Kanalgruppe

5 Wärmeübertragungsbereich

6 Wärmetauscherwandung

7 Anschlusstrichter

8 Zu-/Ablauf

9 Fließrichtung

10 Aussparung

11 Zuströmungsbereich der ersten Kanalgruppe

12 Abströmungsbereich der ersten Kanalgruppe

13 Zuströmungsbereich der zweiten Kanalgruppe

14 Abströmungsbereich der zweiten Kanalgruppe

15 Kanal der ersten Kanaluntergruppe

16 Kanal der zweiten Kanaluntergruppe

17 Zulaufkanal

18 Steg

Claims

Patentansprüche

1. Kreuzstrom-Wärmeübertrager zum schnellen Temperieren eines Fluidstroms in einer ersten Kanalgruppe (3) durch einen Wärmeträgerfluidstrom in einer zweiten, die erste kreuzende Kanalgruppe (5) jeweils mit einer Vielzahl an Kanälen (2), wobei die Kanäle je Kanalgruppe in jeweils eigenen Ebenen angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet, dass

sich die Kanäle der zweiten Kanalgruppe in ihrem jeweiligen Durchströmungsquerschnitt stromabwärts des Wärmeträgerflu- idstroms erweitern.

2. Kreuzstrom-Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle der ersten Kanalgruppe über die gesamte Kanallänge jeweils einen gleichbleibenden

Durchströmungsquerschnitt aufweisen .

3. Kreuzstrom-Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle Kanäle der ersten Kanalgruppe denselben Durchströmungsquerschnitt aufweisen.

4. Kreuzstrom-Wärmeübertrager nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Kanäle der zweiten Kanalfraktion in eine Richtung ausgerichtet sind.

5. Kreuzstrom-Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle der zweiten Kanalgruppe in zwei gleichgroße Kanaluntergruppen unterteilt sind, wobei die erste Kanaluntergruppe im Gegenstrom zu der zweiten Kanaluntergruppe angeordnet ist.

6. Kreuzstrom-Wärmeübertrager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle der ersten und zweiten Kanaluntergruppe auf gemeinsamen Ebenen abseits der ersten Kanal- gruppe in abwechselnder Reihenfolge angeordnet sind.

7. Kreuzstrom-Wärmeübertrager nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Fluidzuführungen für den Wärmeträgerfluidstrom durch Zulaufkanäle gebildet werden, aus denen jeweils die Kanäle der zweiten Kanalgruppe ausmünden .

8. Kreuzstrom-Wärmeübertrager nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle beider Kanalgruppen als Mikrokanäle von zwei Mikrokanalgruppen als Rillen mit engsten Durchströmungsquerschnitten zwischen 0,001 mm² und 1 mm² in Metallfolien eingearbeitet sind und die Metallfolien zu einem Folienstapel zusammengefügt sind.