EP3334993A1 - Strömungsleitelemente in einem kanal - Google Patents

Strömungsleitelemente in einem kanal

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EP3334993A1
EP3334993A1 EP16760396.8A EP16760396A EP3334993A1 EP 3334993 A1 EP3334993 A1 EP 3334993A1 EP 16760396 A EP16760396 A EP 16760396A EP 3334993 A1 EP3334993 A1 EP 3334993A1
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EP
European Patent Office
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channel
flow
shaped element
flow guide
partial
Prior art date
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EP16760396.8A
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English (en)
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EP3334993B1 (de
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Edgar Hansjosten
Walther Benzinger
Andreas Hensel
Achim Wenka
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Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
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Publication date
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Publication of EP3334993A1 publication Critical patent/EP3334993A1/de
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    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/40—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only inside the tubular element
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • F28F13/08—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media by varying the cross-section of the flow channels
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    • F28F2260/00—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures
    • F28F2260/02—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures having microchannels

Definitions

  • the present invention relates to a flow channel provided with flow guide.
  • a plurality of flow channels are presented in which internals are present. These serve to mix the material flow.
  • a device for the heat exchange is known from the patent DE 2808854 C3.
  • the material flow is mixed.
  • static mixing elements are incorporated in this.
  • Such installations are, for example, in the form of webs or web slats, which are assembled as packages one behind the other in the channel. It is therefore fixed installations, by which the channel flow is deflected. At the edges, for example, flow vortices form, which improve cross-mixing.
  • the heat exchange with the channel wall as a result of the increased cross-mixing is improved at the same time.
  • Object of the present invention is accordingly, flow guides in one Channel to be designed so that a defined guidance of the volume flow is achieved and at the same time the required heat and / or mass transfer z. B. is ensured by diffusion.
  • This object is achieved by a device for achieving a defined guidance of a volume flow of a fluid through a channel-shaped element, wherein in the channel-shaped element microchannel structured flow guide elements for dividing the volume flow and the guidance of the resulting partial flows of fluids are arranged.
  • the fluid flows into the channel-shaped element (a flow channel),
  • the fluid is divided into (preferably laminar) substreams,
  • microchannel-structured (micronized) flow guides the division is achieved by means of microchannel-structured (micronized) flow guides
  • micro-channel-structured flow guide defined, and
  • the invention relates to a device for achieving a defined guidance of a volume flow of a fluid through a flow channel, in which microchannel-structured (microstructured) flow guide elements for dividing the volume flow and the defined guidance of the resulting partial flows of fluids are arranged.
  • exchange processes can take place both with the channel wall and between the part streams.
  • the contact distance with the pipe wall and between the individual partial streams is specified.
  • the contact distance can be changed depending on the process and thus the process can be influenced.
  • the channel flow is accordingly not only deflected locally, but it is guaranteed a defined flow guidance in the channel.
  • microstructured flow guide elements are present in the flow channel.
  • Flow directors are thin-walled components that are installed in a flow channel (e.g., a pipe).
  • the task of the flow guide is to make the flow guide in a channel so that a fluid flow divided into partial streams and these partial streams are alternately guided to the wall of the flow channel.
  • exchange processes can take place with the duct wall and / or between partial flows.
  • the flow guide elements are constructed from basic elements.
  • the result is that the subject of the invention are not mixing elements, but flow guide elements in a flow channel.
  • the goal is the subdivision of a channel flow in defined guided partial flows, with a targeted heat exchange of all guided partial flows to take place on the wall.
  • a fluid flow flowing into the flow channel is subdivided into partial flows. If a flow-guiding element is constructed from only one basic-form element, two partial flows are generated. If the flow guide element has been constructed from a plurality of basic form elements, their arrangement determines the number of partial flows.
  • microstructured flow guide elements are with the so-called. 3D printing technology produced. In other words, with the help of 3D printing technology, it is possible to construct complex shaped surfaces (free-form surfaces.)
  • the microstructured flow-guiding elements have a circular, annular, elliptical or rectangular cross-section.
  • the channel height of the microstructured flow guide elements is 0.1-100 mm, preferably 0.1-5 mm.
  • the width of the micro-channel-structured flow guide is zuzusiedein.
  • the length of the microstructured flow guide elements is 3 - 300 mm, preferably 5 - 50 mm
  • the wall thickness of the microchannel-structured flow guide elements is 0.01-0.5 mm, preferably 0.1-0.3 mm.
  • the flow guide elements are inserted into the flow channel in such a way that they occupy about 5 to 50%, preferably 5 to 30%, of the channel-shaped element (flow channel).
  • microstructured flow guide elements according to the invention can also comprise or consist of a catalytically active material.
  • the flow guide elements are provided with catalytically active material, a corrosion protection or an antifouling layer or are subjected to any desired combinations of the layers mentioned. It is also possible that the flow guide elements consist of the materials mentioned.
  • the microchannel-structured flow guide may contain or consist of metal, ceramics or plastics, or have any combinations of these substances or consist of these.
  • the microstructured flow guide the Voiumenstrom a Fiuids can be divided in any way. From two to infinity, any partial flows are conceivable. For example, four or six partial streams may be provided.
  • a guide (defined flow guidance) of the partial flows is achieved. In this case, the construction is carried out so that the partial flows are alternately brought into contact with the inner wall of the channel-shaped element (wall of the flow channel) and with the other partial flows.
  • the heat exchange with the wall of the flow channel is improved as follows by the flow guide elements installed in the flow channel:
  • a partial flow is guided to the wall of the flow channel.
  • a heat exchange between the fluid and the wall of the flow channel takes place.
  • the resulting heat flow between the fluid and the wall of the flow channel results in heat transport through the fluid layer.
  • a partial flow is led away from the wall of the flow channel after a contact path which corresponds to the length of a flow guide, and during the residence time in the interior of the flow channel, a temperature compensation takes place in the partial flow. After flowing through the temperature compensation section of the partial flow is guided back to the wall of the flow channel.
  • the flow guide elements are manufactured with different microchannel shapes, ie constructed from basic shaped elements. This makes it possible that the partial flows can be performed arbitrarily in the channel-shaped element.
  • the microchannel-structured flow guide are permanently installed. This ensures that permanent contact with the duct wall or the other partial flows is guaranteed on defined areas. This can be targeted to achieve a heat or mass transfer. As a result, a controlled reaction and / or process management is included simultaneous Rothtemper réelle within the microstructured flow guide possible.
  • the invention is described in more detail below on the basis of exemplary embodiments: I. List of Reference Signs
  • the tube flow is divided into four partial flows for improving the heat transfer between the wall of the channel-shaped element and material flow.
  • the channel-shaped element are in the example of FIG. 1 two Flow guide 7.8 installed.
  • the Wandstrukiuren the Strömungsieitmaschine 7,8 lead the streams 1, 2, 3 and 4.
  • Partial stream 2 penetrates part stream 1 and is directed to the pipe wall 10 of the channel-shaped element.
  • the flow guide elements have no wall at the contact surface between partial flow 2 and partial flow 3. This means that the partial streams can exchange material.
  • a heat exchange takes place.
  • the partial flow 1 is guided by the wall 10 of the channel-shaped element in the direction of the center of the channel-shaped element.
  • a corresponding exchange takes place in the partial streams 3 and 4.
  • the corresponding exchange process is repeated in the second microchannel structured flow guide 8.
  • the wavelength for a replacement cycle corresponds to the length of two flow lines. This can be chosen as a design parameter depending on the viscosity of the material flow.
  • the boundary conditions for carrying out the method according to the invention in a device according to FIG. 1 are as follows:
  • Length of the flow guide elements 7 and 8 1 15 mm
  • the microstructured flow element was made of metal using 3D printing technology.
  • the volume consumption by the internals is in the example of Figure 1 8% of the internal volume of the channel-shaped element.
  • a cannula-shaped element 9 three micro-channel structured flow guide elements are inserted.
  • the volume flow is subdivided into six sub-levels in the first element. In each part level, the volume flow is again divided into three partial flows, so that a total of 18 partial flows arise.
  • FIG. 3 shows the profile of the partial flows per part plane (1.1, 2.1, 3.1, 4.1, 5.1, 6.1) over a distance of 3 flow guide element lengths. From the figure it can be seen that the flow guide elements are subdivided into six sub-levels, the sub-streams are systematically guided from part level to part level. Each partial flow is guided once to the wall of the flow channel, as can be seen from FIG. That each microstructured flow guide can once perform a heat exchange on the wall of the flow channel. After a distance of six installation element lengths, the partial flows have again reached the starting position, i. an exchange cycle has been completed. In the example according to FIGS. 2 and 3, the wavelength for an exchange cycle corresponds to the length of six microstructured flow guide elements.
  • the contact distance on the wall of the flow channel and the residence time between two wall contacts is defined by the geometry parameters. All partial flows have equal (equivalent) contact distances.
  • the microstructured Strömungsleitelementformen and lengths are chosen so that the components are safe to coat with a catalytically active material, or consist of catalytic material.
  • FIG. 4 shows that three partial flows are defined per part.
  • part levels 12, 13 and 14 are constructed as internals, between which the partial flows are exchanged radially. Again, it is ensured that in each case a partial flow is passed at least once to the channel wall and gets into contact with other partial streams, so that here a mass transfer can take place.
  • a flow guiding element 7, 8 in the simplest form consists of exactly one basic shaping element 19 and can be installed in a flow channel 15 with a rectangular cross section.
  • the geometric shape is constructed such that the fluid stream divided into partial flows flows through a flow guide element 7, 8 with minimal pressure loss.
  • the fluid flow 16 can be divided into partial flows 1, 2.
  • the channel cross section 17 is divided by the flow guide 7.8 into two partial streams 1 and 2.
  • the contact surface 18 of two partial flows 2.1 and 2.2 is shown.
  • the partial flows 2.1 and 2.2 are brought together again after flowing around partial flow 1.
  • Heat transfer and / or mass transfer (for example by diffusion) is possible via the contact surface 18.
  • FIG. 10 shows the arrangement of the basic form elements 19. By parallel connection in the direction of the X-coordinate axis, the number of partial streams 1 - 6 is increased.
  • a flow element composed of three parallel basic form elements divides a fluid flow 16 into six partial flows 1-6.
  • FIG. 11 a series connection in the direction of the Z coordinate axis is shown.
  • the flow guide elements 7, 8 are arranged one behind the other in the flow direction.
  • the partial streams 1 and 2 are conducted separately through the channel.
  • the partial flow 1 is guided through a flow cross section 17a.
  • the partial flow 2 is guided through a flow cross section 17b.
  • FIG. 12 shows the arrangement of the basic form elements 19 or flow guide elements 7, 8.
  • the parallel connection of basic shaped elements 19 in the direction of the Y-coordinate axis the number of partial flows is increased to 1 - 3 and by an additional series connection of the flow guide 7.8, the partial streams 1-3 are alternately guided to the channel wall.
  • That a Strömungsleitelement 7.8, constructed of two parallel-connected basic form elements 19 divides a fluid flow into three partial streams 1, 2, 3.
  • the flow guide elements are constructed from basic form elements.
  • the geometric shape is designed so that fluid flows with a minimum pressure loss through a flow guide 7.8.
  • a flow guide element 7, 8 can be constructed from one or more basic form elements 19 connected in parallel.
  • flow guide elements 7, 8 are arranged in a channel.
  • the flow guidance of the partial flows takes place with parallel and series connection.
  • the flow guide element 7, 8 is constructed from two basic form elements 19 which are connected in parallel in the direction of the y-coordinate axis.
  • the three flow guide elements 7, 8 are connected in series (z-direction).
  • the partial flow 3 is guided in the first and second flow guide of partial flow 3 via the position 20 to position 21.
  • the partial flow 3 is guided again from position 20 to position 22.
  • the flow guide is marked with the numbers 7,8.
  • FIGS. 14, 15, 16 are geometrically identical. They snd variants of Figures 4 and 5.
  • Figure 14 is a parallel circuit of transformed basic form elements 19 in the radial and circumferential direction in a tube with the tube wall 10 in a channel-shaped element 9.
  • two curved basic shape element 19 are in radial Direction or three curved Grundformeiemente 19 in the circumferential direction.
  • the number of parallel connected basic form elements 19 the number of partial streams 1 - 6 is defined.
  • the circular flow guide element 7, 8 divides the fluid flow into a circular ring 23. Below this follows a circular ring 24 and an inner circle 25.
  • a circular, channel-shaped element 9 there are divisions of the fluid flow 16.
  • the fluid flow 16 may be constructed of 2 in the radial direction and 3 curved in the circumferential direction basic shape elements a flow guide 7.8.
  • the channel cross section is divided by the flow guide 7.8 in circular or Kreisringteilstromquerites.
  • the entering into the channel-shaped element 9 fluid flow 16 is divided by the first flow guide in 9 sub-streams.
  • position 1 in the circular ring are the partial flows 20.
  • the partial streams 21 and in position 3 the partial streams 22 are arranged in the inner circle.
  • FIG. 16 shows a further variation of the function of the flow guide elements in a circular, channel-shaped element 9.
  • the flow guide element is constructed from 2 ⁇ 3 curved basic shape elements 19.
  • the channel cross-section (cross-section of the channel-shaped element 9) is divided by the flow guide in circular or circular ring partial flow cross-section.
  • the entering into the channel fluid flow 16 is divided by the first flow in nine part streams.
  • the partial flows 20 are shown in the outer annulus.
  • the partial streams 21 are present in the inner circular ring.
  • the partial streams 22 are present in the inner circle.
  • FIG. 17 shows a test setup for the measurement of the thermal efficiency.
  • the temperatures are marked with T. Measured is T i0 of the influent fluid 1 and the temperature Tu of the effluent fluid 1.
  • the fluid 2 is measured at the temperature T 20 and the temperature T 2 i shows the fluid 2.
  • the fluid 1 has the numeral 26, and the fluid 2 is the numeral 27.
  • the following table shows the measurement results of the experiments with flow guide elements and without flow guide elements.
  • the last column shows the thermal efficiency. This is considerably greater in the devices according to the invention and with flow guide than without flow guide.
  • the dark shaded lines indicate the results of the tests with flow guide elements.
  • the lines highlighted in light gray indicate the results of the tests without flow guide elements.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzielung einer definierten Führung eines Volumenstroms eines Fluids durch ein kanalförmiges Element dadurch gekennzeichnet, dass in dem kanalförmigen Element mikrokanalstrukturierte Strömungsleitelemente zur Aufteilung des Volumenstroms und Führung der entstehenden Teilströme von Fluiden angeordnet sind.

Description

Strömungsleitelemente in einem Kanal
Die vorliegende Erfindung betrifft einen mit Strömungsleitelementen versehenen Strömungskanal.
In dem Stand der Technik werden eine Vielzahl von Strömungskanälen vorgestellt, in welchen Einbauten vorhanden sind. Diese dienen der Durchmischung des Stoffstroms. Beispielsweise ist aus der Patentschrift DE 2808854 C3 eine Vorrichtung für den Wärmeaustausch bekannt. In dieser Vorrichtung wird vorwiegend der Stoffstrom gemischt. Hierfür sind in dieser statische Mischelemente eingebaut. Solche Einbauten liegen beispielsweise in Form von Stegen oder Steglatten vor, die als Pakete zusammengefasst hintereinander im Kanal eingebaut sind. Es handelt sich mithin um feste Einbauten, durch die die Kanalströmung umgelenkt wird. An den Kanten bilden sich beispielsweise Strömungswirbel, die die Quervermischung verbessern. Bei solchen statischen Mischern wird zugleich der Wärmeaustausch mit der Kanalwand als Folge der erhöhten Quervermischung verbessert.
Weitere Beispiele für feste Einbauten finden sich in der EP 1 067 352 A1, der DE 1 032 6381 A1 , EP 1 332 794 B1 , DE 195 116 93 A1 , US 7,552741 B, US 5,595,712 A, US 2012/00370 A1 und DE 195 368 56 A1. Ferner gibt es die Aufsätze Norbert Schwesiger, Thomas Frank und Helmut Wurmus:„A modular microfluid System with the integrated micromixture", Journal of micromechanisms and micro engineering ( 996) 1 , S. 99 - 102, Hessel, V., Ehrfeld, W., Freimuth, H., Haferkamp, V., Löwe-Richter, Th., Stadel, M. Und Wolf, A., „Publication and interconnection of ceramic microreaction Systems for high temperature applications", Proc. 1 St. INT. Conf. on microreaction technology, 1997, S. 156 - 157. Allen Dokumenten ist zu entnehmen, dass der Wärmeaustausch verbessert wird sowie Turbulenzen erzeugt werden. In allen Fällen ist jedoch eine definierte Führung des Volumenstroms nicht verwirklicht. Vielmehr handelt es sich um Mischelemente, mit dem Nebeneffekt des verbesserten Wärmeaustausches.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgemäß, Strömungsführungen in einem Kanal so zu gestalten, dass eine definierte Führung des Volumenstroms erreicht wird und zugleich der erforderliche Wärme- und/oder Stoffaustausch z. B. mittels Diffusion gewährleistet ist. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Erzielung einer definierten Führung eines Volumensstroms eines Fluids durch ein kanalförmiges Element gelöst, wobei in dem kanalförmigen Element mikrokanalstrukturierte Strömungsleitelemente zur Aufteilung des Volumenstroms und der Führung der entstehenden Teilströme von Fluiden angeordnet sind.
Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, wobei
- das Fluid in das kanalförmige Element (einen Strömungskanal) einströmt,
- das Fluid in (vorzugsweise laminare) Teilströme aufgeteilt wird,
- die Aufteilung mittels mikrokanalstrukturierten (mikorstrukturierten) Strömungsleitlementen erzielt wird,
- die Teilströme durch mikrokanalstrukturierte (mikorstrukturierte) Strömungsleitelemente definiert geführt werden, und
- die Teilströme derart geführt werden, dass sie mit der Innenwand des kanalförmigen Elements (Wandung des Strömungskanals) und untereinander in
Berührung (in Kontakt) gebracht werden.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzielung einer definierten Führung eines Volumenstroms eines Fluids durch einen Strömungskanal, in welchem mikrokanalstruktuierte (mikorstrukturierten) Strömungsleitelemente zur Aufteilung des Volumenstroms und der definierten Führung der entstehenden Teilströme von Fluiden angeordnet sind.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können Austauschvorgänge sowohl mit der Kanalwand als auch zwischen den Teilströmen ablaufen. Durch die Aufteilung des Volumenstroms in Teilströme und abhängig von der Form der Sirömungsieiteiemente wird die Kontaktstrecke mit der Rohrwand sowie zwischen den einzelnen Teilströmen vorgegeben. Durch Variationen der geometrischen Form entlang des Kanals kann die Kontaktstrecke prozessabhängig verändert und somit der Prozess beeinflusst werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird die Kanalströmung demgemäß nicht nur lokal umgelenkt, sondern es wird eine definierte Strömungsführung im Kanal gewährleistet.
Erfindungsgemäß sind in dem Strömungskanal mikrostrukturierte Strömungsleitelemente vorhanden. Strömungsleitelemente sind dünnwandige Bauteile, die in einen Strömungskanal (z.B. ein Rohr) eingebaut werden. Aufgabe der Strömungsleitelemente ist es, die Strömungsführung in einem Kanal so zu gestalten, dass ein Fluidstrom in Teilströme aufgeteilt und diese Teilströme abwechselnd an die Wand des Strömungskanals geführt werden. Dadurch können Austauschvorgänge mit der Kanalwand und/oder zwischen Teilströmen ablaufen. Die Strömungsleitelemente werden aus Grundformelementen aufgebaut.
Im Ergebnis handelt es sich darum, dass der Gegenstand der Erfindung keine Mischelemente sind, sondern Strömungsleitelemente in einem Strömungskanal. Ziel ist die Unterteilung einer Kanalströmung in definiert geführte Teilströme, wobei ein gezielter Wärmeaustausch aller geführten Teilströme an der Wandung stattfinden soll.
Durch das erste im Strömungskanal eingebaute Strömungsleitelement wird ein in den Strömungskanal einströmender Fluidstrom in Teilströme unterteilt. Ist ein Strömungsleitelement aus nur einem Grundformelement aufgebaut, werden zwei Teilströme erzeugt. Wurde das Strömungsleitelement aus mehreren Grundformelementen aufgebaut, legt deren Anordnung die Anzahl der Teilströme fest.
Die mikrostrukturierten Strömungsleitelemente sind mit der sog. 3D-Drucktechnik herstellbar. D.h. mit Hilfe der 3D-Drucktechnik lassen sich komplexe Formfiächen (Freiformflächen aufbauen. In bevorzugten Ausführungsformen haben die mikrostrukturierten Strömungsleitelemente einen kreis-, kreisring-, ellipsen- oder rechtecksförmig ausgestalteten Querschnitt.
Die Kanalhöhe der mikrostrukturierten Strömungsleitelemente liegt bei 0,1 - 100 mm, vorzugsweise 0,1 - 5 mm.
In demselben Bereich ist auch die Breite der mikrokanalstrukturierten Strömungleitelemente anzusiedein.
Die Länge der mikrostrukturierten Strömungsleitelemente beträgt 3 - 300 mm, vorzugsweise 5 - 50 mm
Die Wandstärke der mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelemente liegt bei 0,01 - 0,5 mm, vorzugsweise 0,1 - 0,3 mm.
Die Strömungsleitelemente werden derart in den Strömungskanal eingesetzt, dass sie etwa 5 - 50 %, vorzugsweise 5 - 30 % des kanalförmigen Elements (Strömungskanals) einnehmen.
Die erfindungsgemäßen mikrostrukturierten Strömungsleitelemente können auch ein katalytisch wirksames Material aufweisen oder hieraus bestehen. Ebenso ist es möglich, dass die Strömungsleitelemente mit katalytisch aktivem Material, einem Korrosionsschutz oder einer Antifoulingschicht versehen sind oder mit beliebigen Kombinationen der genannten Schichten beaufschlagt sind. Ebenso ist es möglich, dass die Strömungsleitelemente aus den genannten Materialien bestehen.
Als bevorzugte Materialien für die Herstellung der mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelemente können diese Metall, Keramik oder Kunststoffe enthalten oder hieraus bestehen, oder beliebige Kombinationen der genannten Stoffe aufweisen oder aus diesen bestehen. Durch die mikrostrukturierten Strömungsleitelemente kann der Voiumenstrom eines Fiuids in beliebiger Weise aufgeteilt werden. Von zwei bis unendlich sind beliebige Teilströme denkbar. Beispielsweise können vier oder sechs Teilströme vorgesehen sein. Durch die Strömungsleitelemente wird eine Führung (definierte Strömungsführung) der Teilströme erreicht. Hierbei ist die Konstruktion so ausgeführt, dass die Teilströme abwechselnd mit der Innenwand des kanalförmigen Elements (Wandung des Strömungskanals) und mit den anderen Teilströmen in Berührung gebracht werden. Der Wärmeaustausch mit der Wandung des Srömungskanals wird durch die im Strömungskanal eingebauten Strömungsleitelemente wie folgt verbessert:
Ein Teilstrom wird an die Wandung des Strömungskanals geführt. Infolge einer vorhanden Temperaturdifferenz zwischen Fluid und Wandung des Strömungskanals findet ein Wärmeaustausch zwischen Fluid und Wandung des Strömungskanals statt. Der sich einstellende Wärmestrom zwischen Fluid und Wandung des Strömungskanals hat einen Wärmetransport durch die Fluidschicht zur Folge.
Bei einem Strömungskanal limitiert die Wärmeleitfähigkeit des Fluids den Wärmeübergang. Bei einem Strömungskanal mit Strömungsleitelementen wird ein Teilstrom nach einer Kontaktstrecke, die der Länge eines Strömungsleitelements entspricht, von der Wandung des Strömungskanals weggeführt und während der Verweilzeit im Inneren des Strömungskanafs findet ein Temperaturausgleich im Teilstrom statt. Nach dem Durchströmen der Temperaturausgleichsstrecke wird der Teilstrom wieder zurück an die Wandung des Strömungskanals geführt.
Die Strömungsleitelemente sind mit unterschiedlichen Mikrokanalformen gefertigt, d. h. aus Grundformelementen aufgebaut. Dies ermöglicht es, dass die Teilströme beliebig in dem kanalförmigen Element geführt werden können. Hier sind jedoch die mikrokanalstruktierten Strömungsleitelemente fest eingebaut. Damit ist gewährleistet, dass ein ständiger Kontakt mit der Kanalwand bzw. den anderen Teilströmen, an definierten Flächen gewährleistet ist. Damit lässt sich gezielt ein Wärme- bzw. Stoffaustausch erreichen. Im Ergebnis ist so eine kontrollierte Reaktions- und/oder Prozessführung bei gleichzeitiger Prozesstemperierung innerhalb der mikrostrukturierten Strömungsleitelemente möglich. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben: I. Bezugszeichenliste
1 - 6 = Teilströme
7,8 = Strömungsleitelement
9 = Kanalförmiges Element
10 = Rohrwand
11 = Halbwellenlänge Lambda/2
10 -14 = Teilebene
15 - Kanal
16 = Fluidstrom
17 = Querschnitt des Teilstroms
18 = Berührungsflächen
19 = Grundformelemente
20 = Position 1
21 = Position 2
22 = Position 3
23 = äußerer Kreisring
24 = innerer Kreisring
25 = Innenkreis
26 = Fluid 1
27 = Fluid 2
II. Detailierte Fiaurenbsschreibuna: Gemäß Figur 1 ist die Rohrströmung in vier Teilströme zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen der Wand des kanalförmigen Elements und Stoffstrom aufgeteilt. In dem kanalförmigen Element sind in dem Beispiel gemäß Fig. 1 zwei Strömungsleitelemente 7,8 eingebaut. Die Wandstrukiuren der Strömungsieitelemente 7,8 führen die Teilströme 1 , 2, 3 und 4. Teilstrom 2 durchdringt Teilstrom 1 und wird zur Rohrwand 10 des kanalförmigen Elementes geleitet. Die Strömungsleitelemente weisen an der Berührungsfläche zwischen Teilstrom 2 und Teilstrom 3 keine Wand auf. Das heißt dort können die Teilströme sich stofflich austauschen. An der Wand des kanalförmigen Elements findet ein Wärmeaustausch statt. Der Teilstrom 1 wird von der Wand 10 des kanalförmigen Elementes Richtung Mitte des kanalförmigen Elementes geleitet. Ein entsprechender Austausch findet bei den Teilströmen 3 und 4 statt. Der entsprechende Austauschvorgang wiederholt sich im zweiten mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelement 8. Die Wellenlänge für einen Austauschzyklus entspricht der Länge von zwei Strömungsleitementen. Diese kann als Designparameter abhängig von der Viskosität des Stoffstroms gewählt werden.
Die Randbedingungen für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 sind folgende:
Anzahl der Teilströme n = 4
Innendurchmesser des kanalförmigen Elements d = 10 mm
Länge der Strömungsleitelemente 7 und 8 1 = 15 mm
Wellenlänge Lambda = 30 mm
Wandstärke der Strömungsleitelemente 7,8 s = 0,3 mm
Das mikrostrukturierte Strömungsleitelement wurde mithilfe der 3D-Drucktechnik aus Metall hergestellt. Der Volumenverbrauch durch die Einbauten beträgt in dem Beispiel gemäß Figur 1 8 % des Innenvolumens des kanalförmigen Elementes.
Mit der Anlage gemäß Figur 1 können hochviskose Fluide bei geringem Druckverlust homogen aufgeheizt werden. Die Aufteilung der Volumenströme in dem kanalförmigen Element 9 erfolgt gemäß Figuren 2 und 3 in 18 Teilströme. Hierdurch lässt sich eine Optimierung der Prozessführung einer heterogenen Gasphasenreaktion und Temperierung über die Wand 10 des kanalförmigen Elementes 9 erreichen.
In einem kanaiförmigen Element 9 sind drei mikrokanalstrukturierte Strömungsleitelemente eingelegt. Der Volumenstrom wird in dem ersten Element wiederum in sechs Teilebenen unterteilt. In jeder Teilebene wird der Volumenstrom nochmals in drei Teilströme aufgeteilt, so dass insgesamt 18 Teilströme entstehen.
Figur 3 zeigt den Verlauf der Teilströme je Teilebene (1.1, 2.1 , 3.1 , 4.1 , 5.1 , 6.1) auf einer Wegstrecke von 3 Strömungsleitelement-Längen. Aus der Figur ist ersichtlich, dass die Strömungsleitelemente in sechs Teilebenen unterteilt sind, die Teilströme werden systematisch von Teilebene zu Teilebene geführt. Jeder Teilstrom wird einmal an die Wandung des Strömungskanals geführt, wie dies aus Figur 3 ersichtlich ist. D.h. jedes mikrostrukturierte Strömungsleitelement kann einmal einen Wärmeaustausch an der Wandung des Strömungskanals durchführen. Nach einer Wegstrecke von sechs Einbauelementlängen haben die Teilströme wieder die Ausgangsposition erreicht, d.h. ein Austauschzyklus wurde durchlaufen. In dem Beispiel gemäß den Figuren 2 und 3 entspricht die Wellenlänge für einen Austauschzyklus der Länge von sechs mikrostrukturierten Strömungsleitelementen. Die Kontaktstrecke an der Wandung des Strömungskanals und die Verweilzeit zwischen zwei Wandkontakten wird durch die Geometrieparameter definiert. Alle Teilströme haben gleich lange (äquivalente) Kontaktstrecken.
In dem Beispiel gemäß Figur 2 und 3 wurde das mikrostrukturierte Strömungsleitelement mithilfe der 3D-Drucktechnik aus Metall mit einer konstanten Wandstärke s = 0,2 mm hergestellt. Die mikrostrukturierten Strömungsleitelementformen und -längen sind so gewählt, dass die Bauteile sicher mit einem katalytisch aktiven Material zu beschichten sind, bzw. aus katalytischem Material bestehen.
In dem Beispiel gemäß den Figuren 4 und 5 ist ein kreisförmiges, kanalförmiges Element dargestellt. Gemäß Figur 4 wird im Querschnitt des kanaiförmigen Elements gezeigt, wie in den einzelnen kreisförmig angeordneten Teilebenen der Elemente 7, 12 - 14, die Teilströme mit den mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelementen angeordnet sind. Aus Figur 4 ist ersichtlich, dass je Teiiebene drei Teilströme definiert sind.
Gemäß Figur 5 ist ersichtlich, dass die Teilebenen 12, 13 und 14 als Einbauten konstruiert sind, zwischen denen die Teilströme radial ausgetauscht werden. Auch hier ist gewährleistet, dass jeweils ein Teilstrom mindestens einmal an die Kanalwand geführt wird und mit anderen Teilströmen in Berührung gerät, so dass hier ein Stoffaustausch stattfinden kann.
Gemäß Figur 6 besteht ein Strömungsleitelement 7,8 in der einfachsten Form aus genau einem Grundformelement 19 und kann in einen Strömungskanal 15 mit rechteckigem Querschnitt eingebaut werden. Die geometrische Form ist so konstruiert, dass der in Teilströme aufgeteilte Fluidstrom ein Strömungsleitelement 7,8 mit minimalem Druckverlust durchströmt. Gemäß Figur 7 kann der Fluidstrom 16 in Teilströme 1 , 2 aufgeteilt werden. Der Kanalquerschnitt 17 wird durch das Strömungsleitelement 7,8 in zwei Teilströme 1 und 2 unterteilt.
Gemäß Figur 8 erfolgt ein Austausch der Teilströme. Der Teilstrom 1 wird durch das Strömungsleitelement 7,8 nochmals in die Teilströme 2.1 und 2.2 unterteilt.
Gemäß Figur 9 ist die Berührungsfläche 18 zweier Teilströme 2.1 und 2.2 dargestellt. Die Teilströme 2.1 und 2.2 werden nach Umströmung von Teilstrom 1 wieder zusammengeführt. Über die Berührungsfläche 18 ist ein Wärmeaustausch und/oder Stoffaustausch (z.B. durch Diffusion) möglich.
In Figur 10 ist die Anordnung der Grundformelemente 19 dargestellt. Durch Parallelschaltung in Richtung der X-Koordinatenachse wird die Anzahl der Teilströme 1 - 6 erhöht. Ein Strömungselement, aufgebaut aus drei parallelen Grundformelementen unterteilt einen Fluidstrom 16 in sechs Teilströme 1 - 6.
Gemäß Figur 11 ist eine Reihenschaltung in Richtung der Z-Koordinatenachse darstellt. Die Strömungsleitelemente 7,8 werden in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet. Die Teilströme 1 und 2 werden getrennt durch den Kanal geführt. Der Teilstrom 1 wird durch einen Strömungsquerschnitt 17a geführt. In gleicher Weise wird der Teilstrom 2 durch einen Strömungsquerschnitt 17b geführt.
Figur 12 zeigt die Anordnung der Grundformelemente 19 bzw. Strömungsleitelemente 7,8. Es erfolgt eine Parallelschaltung in Richtung der Y-Achse und Reihenschaltung in Richtung der Z-Achse. Durch die Parallelschaltung von Grundformelementen 19 in Richtung der Y-Koordinatenachse wird die Anzahl der Teilströme auf 1 - 3 erhöht und durch eine zusätzliche Reihenschaltung der Strömungsleitelemente 7,8 werden die Teilströme 1-3 abwechselnd an die Kanalwand geführt. D.h. ein Strömungsleitelement 7,8, aufgebaut aus zwei parallel geschalteten Grundformelementen 19 unterteilt einen Fluidstrom in drei Teilströme 1 , 2, 3. Hierbei werden die Strömungsleitelemente aus Grundformelementen aufgebaut. Die geometrische Form ist so konstruiert, dass Fluidströme mit einem minimalen Druckverlust ein Strömungsleitelement 7,8 durchströmen. Ein Strömungsleitelement 7,8 kann aus einem oder mehreren parallel geschalteten Grundformelementen 19 aufgebaut sein.
Gemäß Figur 13 werden Strömungsleitelemente 7,8 in einem Kanal angeordnet. Die Strömungsführung der Teilströme erfolgt mit Parallel- und Reihenschaltung. Das Strömungsleitelement 7,8 ist aus zwei in Richtung der y-Koordinatenachse parallel geschalteten Grundformelementen 19 aufgebaut. Die drei Strömungsleitelemente 7,8 sind in Reihe (z-Richtung) geschaltet. Der Teilstrom 3 wird im ersten und zweiten Strömungsleitelement von Teilstrom 3 über die Position 20 nach Position 21 geführt. Im dritten Srömungsleitelement wird der Teilstrom 3 wieder von Position 20 nach Position 22 geführt. Das Strömungsleitelement ist mit den Ziffern 7,8 gekennzeichnet.
Die Figuren 14, 15, 16 sind geometrisch identisch. Sie snd Varianten der Figuren 4 und 5. Gemäß Figur 14 erfolgt eine Parallelschaltung transformierter Grundformelemente 19 in Radial- und Umfangsrichtung in einem Rohr mit der Rohrwand 10 in einem kanalförmigen Element 9. In dem Beispiel liegen zwei gekrümmte Grundformelement 19 in radialer Richtung oder drei gekrümmte Grundformeiemente 19 in Umfangsrichtung vor. Durch die Anzahl der parallel geschalteten Grundformelemente 19 wird die Anzahl der Teilströme 1 - 6 definiert. Bei drei Grundelementen 19 können neun Teilströme resultieren. In der Abbildung gemäß Fig. 14 teilt das kreisförmige Strömungsleitelement 7,8 den Fluidstrom in einen Kreisring 23 . Darunter folgt ein Kreisring 24 und ein Innenkreis 25.
Gemäß Figur 15 erfolgen in einem kreisförmigen, kanalförmigen Element 9 Aufteilungen des Fluidstroms 16. Z.B. kann ein Strömungsleitelement 7,8 aus 2 in radialer Richtung und 3 in Umfangsrichtung gekrümmten Grundformelementen aufgebaut sein. Der Kanalquerschnitt wird durch das Strömungsleitelement 7,8 in Kreis- bzw. Kreisringteilstromquerschnitt unterteilt. Der in das kanalförmige Element 9 eintretende Fluidstrom 16 wird durch das erste Strömungsleitelement in 9 Teilströme aufgeteilt. In Position 1 im Kreisring sind die Teilströme 20. In Position 2 im Kreisring sind die Teilströme 21 und in Position 3 sind die Teilströme 22 im Innenkreis angeordnet.
Figur 16 stellt eine weitere Variation der Funktion der Strömungsleitelemente in einem kreisförmigen, kanalförmigen Element 9 dar. Das Strömungsleitelement ist aus 2 x 3 gekrümmten Grundformelementen 19 aufgebaut. Der Kanalquerschnitt (Querschnitt des kanalförmigen Elements 9) wird durch das Strömungsleitelement in Kreis- bzw. Kreisringteilstromquerschnitt unterteilt. Der in den Kanal eintretende Fluidstrom 16 wird durch das erste Strömungsleitelement in neun Teilströme aufgeteilt. In Position 1 sind die Teilströme 20 im äußeren Kreisring dargestellt. Die Teilströme 21 sind im inneren Kreisring vorhanden. Die Teilströme 22 sind im Innenkreis vorhanden. Figur 17 zeigt einen Versuchsaufbau für die Messung des thermischen Wirkungsgrades. Hierbei sind mit T die Temperaturen gekennzeichnet. Gemessen wird Ti0 des einfließenden Fluids 1 und die Temperatur Tu des ausfließenden Fluids 1. Auf der anderen Seite wird das Fluid 2 mit der Temperatur T20 gemessen und die Temperatur T2i zeigt das Fluid 2. Das Fluid 1 hat die Ziffer 26, und das Fluid 2 die Ziffer 27.
Die folgende Tabelle zeigt die Messergebnisse der Versuche mit Strömungsleitelementen und ohne Strömungsleitelemente. Die letzte Spalte zeigt den thermischen Wirkungsgrad. Dieser ist bei den erfindungsgemäßen Vorrichtungen und mit Strömungsleitelementen erheblich größer als ohne Strömungsleitelement. Die dunkel unterlegten Zeilen geben die Ergebnisse der Versuche mit Strömungsleitelementen an. Die hellgrau unterlegten Zeilen geben die Ergebnisse der Versuche ohne Strömungsleitelemente an.

Claims

Ansprüche:
Vorrichtung zur Erzielung einer definierten Führung eines Volumenstroms eines Fluids durch ein kanalförmiges Element dadurch gekennzeichnet, dass in dem kanalförmigen Element mikrokanalstrukturierte Strömungsleitelemente zur Aufteilung des Volumenstroms und Führung der entstehenden Teilströme von Fluiden angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass in dem kanalförmigen Element zur Führung der Teilströme wenigstens ein mikrokanalstrukturiert.es Strömungsleitelement angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle der Strömungsleitelemente an definierten Berührungsflächen von Teilströmen ohne Wand zwecks Austausch der Teilströme ausgestaltet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch
gekennzeichnet, dass der Querschnitt des kanalförmigen Elements kreis-, kreisring-, elipsen- oder rechtecksförmig ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitelemente katalytisch wirksames Material aufweisen oder hieraus bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die
mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelemente mit katalytisch aktivem
Material, Korrosionsschutz oder einer Antifoulingschicht versehen sind oder mit beliebigen Kombinationen der genannten Schichten beaufschlagt sind, oder die genannten Materialien aufweisen, oder hieraus bestehen, oder beliebige Kombinationen der genannten Materialien aufweisen oder hieraus bestehen.
Verfahren zur Erzielung einer definierten Führung eines Volumenstroms eines Fluids durch ein kanalförmiges Element dadurch gekennzeichnet, dass
- das Fluid in das kanalförmige Element einströmt,
- das Fluid in (vorzugsweise laminare) Teilströme aufgeteilt wird,
- die Aufteilung mittels mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelementen erzielt wird, durch die mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelemente in die
Teilströme definiert geführt werden und
- die Teilströme derart geführt werden, dass sie mit der Innenwand des kanalförmigen Elements und untereinander in Berührung gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Teilströme derart geführt werden, dass sie abwechselnd mit der Innenwand des kanalförmigen Elements und mit den anderen Teilströmen in Berührung gebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass jeder Teilstrom mindestens einmal an die Innenwand des kanalförmigen Elements geführt wird.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 - 9 zur Erzielung eines Wärmeaustauschs mit der Innenwand eine kanalförmigen Elementes oder den anderen Teilströmen, und/oder zur Erzielung eines Stoffaustauschs mit den anderen Teilströmen.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 - 9 zur Erzielung einer kontrollierten Reaktions- und/oder Prozessführung innerhalb der mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelemente und/oder
Prozesstemperierung an der Innenwand des kanalförmigen Elements.
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