WO2011023344A1 - Mikrostrukturverdampfer - Google Patents

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WO2011023344A1
WO2011023344A1 PCT/EP2010/005142 EP2010005142W WO2011023344A1 WO 2011023344 A1 WO2011023344 A1 WO 2011023344A1 EP 2010005142 W EP2010005142 W EP 2010005142W WO 2011023344 A1 WO2011023344 A1 WO 2011023344A1
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fluid
evaporator according
evaporation
microstructure
microstructure evaporator
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PCT/EP2010/005142
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French (fr)
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Jürgen Brandner
Ulrich Schygulla
Eugen Anurjew
Edgar Hansjosten
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Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01B—BOILING; BOILING APPARATUS ; EVAPORATION; EVAPORATION APPARATUS
    • B01B1/00—Boiling; Boiling apparatus for physical or chemical purposes ; Evaporation in general
    • B01B1/005—Evaporation for physical or chemical purposes; Evaporation apparatus therefor, e.g. evaporation of liquids for gas phase reactions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0012—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the apparatus having an annular form
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/12—Elements constructed in the shape of a hollow panel, e.g. with channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0061—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for phase-change applications
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • 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 invention relates to a microstructure evaporator preferably for the continuous evaporation of liquids or aerosols according to the first claim.
  • Evaporators are procedural devices for the transfer of liquids or aerosols in a vapor state, the supply of preferably thermal energy is absolutely necessary. An evaporation of a liquid or a liquid fraction occurs when the temperature dependent on the temperature and the ambient medium vapor pressure exceeds the ambient pressure. Consequently, thermally operated evaporators for continuous evaporation have a heat transfer surface through which thermal energy is transferred into the medium to be evaporated.
  • Microstructured evaporators are characterized by a microstructuring of the heat transfer surface, for example by a parallel arrangement of a plurality of microchannels or by heat transfer structures, which are impinged by the substance or substance mixture to be vaporized.
  • the microstructuring increases in particular the specific surface and thus improves the heat transfer to the substances to be evaporated.
  • Microstructured evaporators come in particular as micro-evaporator for execution, which are characterized not only by small dimensions, but often by the production with microstructure techniques.
  • DE 101 32 370 A1 discloses a known micro-evaporator type having a multiplicity of long, preferably straight microchannels with a constant flow cross-section.
  • a first evaporation process is carried out by heating in at least one first heater channel and, after homogenization of the heated medium in an intermediate volume, further heating up to the desired evaporation in at least one second heater channel.
  • the microstructure evaporator has a layered structure.
  • DE 103 35 451 A1 also describes a method with a micro-evaporator with channels for the guidance and evaporation of a substance mixture to be evaporated.
  • the microevaporator has hydraulic channel diameters of 5 to 100 ⁇ m and a specific evaporator area of at least 10 3 m 2 / m 3 .
  • DE 10 2005 017 452 A1 shows a micro-evaporator with channels for the evaporation of a liquid with cross-sectional dimensions in the sub-millimeter range, which are arranged next to one another on a plane.
  • the channels serving as a heat transfer surface radiate a flat, trapezoidal region in a radiating manner and terminate in a common vapor collection chamber spanning all the channel outlets.
  • the homogenizing in the Dampfsammeihunt vapor is then discharged via a common outlet.
  • laminar fluid flow fractions in microchannels create distinct boundary layers relative to the flow cross-section which, in turn, limit flow velocity and / or significantly increase flow resistance with flow velocity.
  • a limiting speed as a function of the enthalpy of evaporation of the medium to be evaporated. If the flow velocity of the medium in a microchannel corresponds to this limit velocity, complete vaporization of the medium to a wet vapor takes place. The limit velocity thus dictates the residence time of the medium in the channel required for complete evaporation. Overheating of the steam takes place only at flow velocities below the limiting speed, ie at longer residence times. If, on the other hand, the flow rate of the medium in a microchannel exceeds this limiting speed, only incomplete evaporation takes place. Both of the aforementioned limitations result in limiting the efficiency of microstructure evaporators.
  • the object of the invention is to propose a microstructured evaporator for the evaporation of fluids with increased efficiency.
  • it is intended to achieve a very homogeneous vapor quality, i. the liquid content and / or droplet content in the steam should be as low as possible even before overheating.
  • the microstructure evaporator should not only allow overheating of the steam, but also a good controllability.
  • the solution of the problem provides a heat exchanger, preferably a microstructured evaporator with at least one evaporation stage, comprising a nozzle opening with at least two mutually aligned fluid feeds.
  • the fluid feeds are preferably fluid channels with heat transfer surfaces as walls.
  • An evaporation stage can also have a plurality of said nozzle openings, which are connected in parallel to one another and have identical operating parameters such as pressure drop, flow rate, mixing behavior and temperatures and preferably also dimensions. It is advantageous that the vapor composition of all parallel-connected nozzle orifices of an evaporation stage is identical or almost identical and in a stationary operation is constant and thus a subsequent use or further evaporation such. is supplied in subsequent evaporation stages.
  • One goal is continuous evaporation with or without overheating with consistent and homogeneous steam quality. To ensure a continuous as complete as possible Overheating of the steam, ie from the wet steam area into the
  • evaporation stages for the evaporation (at boiling temperature) of liquid constituents and for the subsequent overheating of vapor constituents to temperatures above the boiling temperature.
  • at least two of the aforementioned evaporation stages are to be provided in series, which are passed through by the medium to be evaporated in succession.
  • at least a first stage of said evaporation of liquid components, while at least one second stage is predominantly used for overheating.
  • An increasing number of evaporation stages with expansion nozzles is advantageous for continuous evaporation progress.
  • expansion stages By subdividing into a plurality of smaller expansion and evaporation steps, preferably combined with each additional mixing or homogenization, in particular the likelihood that uncontrolled vapor bubbles form in the fluid channels, which accelerate in the direction of the steam outlet or against it and with these vapor bubbles unvaporized liquid portions be carried away.
  • an increasing number of expansion stages allow a higher pressure differential between fluid inlet and vapor outlet of the evaporator.
  • the pressure gradient is divided into several expansion steps, which at the respective expansion nozzles lower pressure drops and thus generally lower maximum flow velocities occur in the nozzles.
  • the Mikrosturkturverdampfer on at least three, more preferably at least six, more preferably nine evaporator or expansion stages between fluid inlet and steam outlet.
  • the alignment of at least two channels against each other means that the channels or the imaginary extensions of these after occurs from the channels downstream directed merge or overlap in any other way.
  • the channels or the lines of symmetry of the channels intersect. This results in a collision of at least two streams from different flow directions and thus to a turbulent mixing of these streams.
  • the mixing area i. the region in which this mixing takes place preferably discharges directly into a nozzle, via which the mixed material streams still present in the turbulent state are expanded together.
  • a congestion of the mixed material flows and thus an increased dynamic pressure in the mixing zone, which on the one hand leads to a delayed evaporation and thus to an increase in the liquid content and on the other hand promotes turbulence in the mixing.
  • the mixed stream expands on leaving the nozzle in an expansion region, wherein it comes despite adiabatic expansion by spontaneous pressure reduction to an accelerated excess of the vapor pressure and in particular to a simultaneous evaporation in the mixed Stoffström.
  • the expansion region is heated to counteract cooling by said adiabatic expansion.
  • the steam is deflected immediately in the expansion region by a steam deflection and derived in subsequent FIU id Entryen, while opposite the nozzle in the expansion region, a preferably heated baffle is provided.
  • a steam deflection and derived in subsequent FIU id Entryen while opposite the nozzle in the expansion region, a preferably heated baffle is provided.
  • the liquid or recondensed vapor constituents of the expanded material stream that are not or only insufficiently diverted into the subsequent fluid guides because of their inertia impinge on this baffle surface and evaporate again.
  • the entire microstructure evaporator with all evaporation stages as a channel structure on a substrate is preferably made of a good heat conductor such as metal. This is done preferentially by incorporating grooves for the guide (for fluids and
  • Vapors such as said fluid guides, nozzles, mixing areas and expansion areas in the substrate.
  • a particularly advantageous embodiment comprises a concentric arrangement of the evaporation stages on a heated substrate about a central fluid inlet.
  • a concentric arrangement of the evaporation stages on a heated substrate about a central fluid inlet.
  • FIG. 1a and b show a first embodiment with fluid channels with annular walls arranged around the fluid inlet
  • the dargestellen embodiments each have a plurality of evaporation stages, exemplified in Fig. Ib as an enlarged detail of a marked in Fig. Ia section 1 (schematically in detail).
  • the enlarged detail shows a nozzle opening with two mutually aligned fluid feeds 3.
  • the two fluid feeds open into a mixing region 4 in front of the nozzle opening.
  • the fluid streams supplied by the fluid feeds 3 during an evaporation operation are mixed in the mixing zone 4 and thus homogenized, wherein a turbulent flow is preferably established there by the mutually oriented fluid streams.
  • the resulting merged common fluid flow leaves the mixing area through the nozzle opening 2 in an expansion region 6, wherein it passes through the nozzle opening to an expansion and thus spontaneous evaporations in the fluid flow.
  • the evaporation stages with the respective fluid feeds 3 and nozzle openings 2, preferably also with respective mixing areas 4 and / or expansion areas 6, are heated by heating means, preferably solid-state, electrically-ohmic
  • FIG. 1 a shows an embodiment of an evaporator insert 7 of a first embodiment of the microstructured evaporator in a schematic plan view.
  • the evaporator insert comprises a disc-shaped substrate 8 and microstructures 9 placed thereon, which form the walls (webs) for the fluid guides, such as the aforementioned fluid feeds 3, nozzle openings 2, mixing areas 4 and expansion areas 6.
  • the evaporator stages are arranged concentrically around a central fluid inlet 10, wherein each evaporation stage in the exemplary embodiment in each case has two opposite nozzle openings 2, each with two fluid feeds 3.
  • the fluid to be evaporated flows through a first nozzle arrangement 11 into the fluid feeds 3 of the first evaporation stage and from there via the respective nozzle openings into the following evaporation stages arranged concentrically in a circle around the fluid inlet.
  • two opposite nozzle openings 2 are provided per evaporation stage, which are each offset by 90 ° to the fluid inlet openings to the nozzle openings of the adjacent evaporation stages and thus a constant length of fluid feeds between two nozzle openings in an evaporation stage to ensure.
  • nozzle openings per evaporation stage there are also three, four or more nozzle openings per evaporation stage possible, but which are preferably arranged uniformly and at an equal angle to each other on the circumference of the concentric evaporation stage.
  • Essential for the same length of fluid supply per evaporation stage is that the nozzle openings 2 of adjacent evaporation stages each because in the bisector to the said angle between two
  • Nozzle openings is arranged offset from each other.
  • a direct flow towards a preferably heated baffle 12 on the wall of the opposite microstructure takes place. While already vaporized or gaseous components are already deflected immediately after leaving the nozzle opening 2 in subsequent fluid supplies, meet mass-carrier liquid components on the baffle and are evaporated there.
  • FIG. 2 shows a further embodiment which corresponds in its basic construction to the embodiment shown in FIGS. 1a and b, but differs in that the structures 9 are arranged concentrically around the fluid inlet 10 in a non-circular, elliptical manner.
  • the nozzle openings are located on the shortest ellipse axis.
  • tapered fluid cross-sections are also realized in the fluid feeds 3 to the nozzle openings 2, whereby the flow velocity increases in the tapered fluid feeds to the nozzle openings or to the mixing areas 4 and thus promotes in particular a turbulent mixing in front of the nozzle openings.
  • this embodiment has a greater distance between the nozzle opening 2 and baffle 12 and thus worsens in this area the separation of liquid and already vaporized phases.
  • the wet steam expands through the nozzle openings and divides into two partial streams. These partial streams are passed on via the fluid feeds and collide against each other at the next two downstream nozzle openings, so that at these positions a mixing of the liquid with the steam, which supports the evaporation process.
  • the evaporation process is quasi-continuous and thus more effective overall feasible than in a geometry with few rings (evaporation stages). If microchannels with a non-constant flow cross-section (see FIG. 2) are used, as is the case with the concentrically arranged ellipses, the wet steam is additionally accelerated by reducing the flow cross-section and the mixing effect is enhanced.
  • 3a to c represent exemplary applications for the aforementioned embodiments of the evaporator cartridge.
  • One or more microstructured evaporator inserts 7 are used in the embodiments shown in Figure 3a or b in a cylindrical recess of the adapter shell 5 and placed together on a heating surface 13. Heating surface and adapter part are mutually sealed by sealing rings 14.
  • the adapter upper part comprises a fluid connection 15 for the fluid inlet 10 as well as one or more steam outlets 16. The steam flows radially outwardly into an annular channel 17 and from there into the steam outlet 16 as shown in the arrows through the nozzle openings from the evaporator insert.
  • FIG. 3 a shows the embodiment with an evaporator insert 7
  • FIG. 3 b shows an embodiment with a plurality of stacked evaporator inserts 7 one above the other.
  • the fluid inlets 10 pierce the substrates and allow access of the fluid to be evaporated also to subsequent evaporator cartridges.
  • both sides of the evaporator inserts arranged heating surfaces and in the case of the embodiment according to. Fig.3b heating surfaces between two evaporator cartridges within the scope of the invention is not excluded.
  • FIG. 3 c shows an embodiment in which an evaporator insert is structured on both sides with the abovementioned evaporation stages and also has openings for electrical or fluidic operation.
  • ne heating cartridges 18 are provided in the substrate.
  • a separate heating surface as described in the aforementioned embodiments is not absolutely necessary and can be replaced by a lower housing part 19.

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Abstract

Die Aufgabe beisteht darin, einen Mikrostrukturverdampfer mit erhöhter Effizienz vorzuschlagen. Die Aufgabe wird durch einen Mikrostrukturverdampfer, umfassend einen Fluideintritt (10, 15), einen Dampfaustritt (16) sowie mindestens eine durch Heizmittel beheizte Verdampfungsstufe mit mindestens einer Düsenöffnung (2) jeweils mit mindestens zwei gegeneinander ausgerichteten Fluidzuführungen (3), gelöst.

Description

Mikrostrukturverdampfer
Die Erfindung betrifft einen Mikrostrukturverdampfer vorzugsweise zur kontinuierlichen Verdampfung von Flüssigkeiten oder Aerosolen gemäß des ersten Patentanspruchs.
Verdampfer sind verfahrenstechnische Vorrichtungen für die Überführung von Flüssigkeiten oder Aerosolen in einen dampfförmigen Zustand, wobei die Zuführung von bevorzugt thermischer Energie zwingend erforderlich ist. Eine Verdampfung einer Flüssigkeit oder eines Flüssigkeitsanteils erfolgt dann, wenn der von Temperatur und dem Umgebungsmedium abhängige Dampfdruck den Umgebungsdruck übersteigt. Folglich weisen thermisch betriebene Verdampfer für eine kontinuierliche Verdampfung eine Wärmeübertragungsfläche auf, über die thermische E- nergie in das zu verdampfende Medium übertragen wird.
Mikrostrukturverdampfern zeichnen sich durch eine Mikrostrukturierung der Wärmeübertragungsfläche aus, beispielsweise durch eine parallelen Anordnung von mehreren Mikrokanälen oder durch Wärmeübertragungsstrukturen, die von dem zu verdampfenden Stoff oder Stoffgemisch angeströmt werden. Durch die Mikrostrukturierung erhöht sich insbesondere die spezifische Oberfläche und verbessert damit die Wärmeübertragung auf die zu verdampfenden Stoffe. Mikrostrukturverdampfer kommen insbesondere als Mikroverdampfer zur Ausführung, die sich nicht nur durch kleine Abmessungen, sondern oftmals auch durch die Herstellung mit Verfahren der Mikrostrukturtechnik kennzeichnen.
DE 101 32 370 Al offenbart eine bekannte Mikroverdampferbauart mit einer Vielzahl von langen vorzugsweise geraden Mikrokanälen mit konstantem Strömungsquerschnitt. Dabei erfolgt ein erster Verdampfungs- prozess durch Erhitzen in mindestens einem ersten Erhitzerkanal und nach einer Homogenisierung des erhitzten Mediums in einem Zwischenvolumen eine weitere Erhitzung bis zu der gewünschten Verdampfung in wenigstens einem zweiten Erhitzerkanal. Der Mikrostrukturverdampfer weist einen schichtweisen Aufbau auf. Auch die DE 103 35 451 Al beschreibt ein Verfahren mit einem Mikro- verdampfer mit Kanälen für die Führung und Verdampfung eines zu verdampfenden Stoffgemisches . Der Mikroverdampfer weist hydraulische Kanaldurchmesser von 5 bis lOOOμm sowie eine spezifische Verdampferfläche von mindestens 103m2/m3 auf.
Ferner zeigt die DE 10 2005 017 452 Al einen Mikroverdampfer mit Kanälen zur Verdampfung einer Flüssigkeit mit Querschnittsabmessungen im Submillimeterbereich, die auf einer Ebene nebeneinander angeordnet sind. Die als Wärmeübertragungsfläche dienenden Kanäle spannen ausgehend von einem Eintrittsvolumen strahlenförmig einen ebenen trapezförmigen Bereich auf und münden in eine alle Kanalaustritte überspannende gemeinsame Dampfsammelkämmer aus. Der sich in der Dampfsammeikammer homogenisierende Dampf wird anschließend über einen gemeinsamen Auslass abgeleitet.
Laminare Fluidströmungsanteile in Mikrokanälen erzeugen jedoch relativ zum Strömungsquerschnitt ausgeprägte Grenzschichten, die wiederum die Strömungsgeschwindigkeit begrenzen und/oder den Durchflusswiderstand mit der Strömungsgeschwindigkeit signifikant erhöhen.
Auch ergibt sich für die Verdampfung in Mikrokanälen eine Grenzgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Verdampfungsenthalpie des zu verdampfenden Mediums. Entspricht die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums in einem Mikrokanal dieser Grenzgeschwindigkeit, erfolgt eine vollständige Verdampfung des Mediums zu einem Nassdampf. Die Grenzgeschwindigkeit gibt somit die Verweilzeit des Mediums im Kanal vor, die für die vollständige Verdampfung erforderlich ist. Eine Überhitzung des Dampfes erfolgt nur bei Srömungsgeschwindigkeiten unterhalb der Grenzgeschwindigkeit, d.h. bei größeren Verweilzeiten. Übersteigt dagegen die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums in einem Mikrokanal diese Grenzgeschwindigkeit, erfolgt nur eine unvollständige Verdampfung. Beide vorgenannten Einschränkungen führen zu einer Begrenzung der Effizienz von Mikrostrukurverdampfern.
Davon ausgehend liegt die Aufgabe der Erfindung darin, einen Mikro- strukturverdampfer zur Verdampfung von Fluiden mit erhöhter Effizienz vorzuschlagen. Insbesondere soll dabei eine sehr homogene Dampfquali- tät erzielt werden, d.h. der Flüssigkeitsgehalt und/oder Tropfchenge- halt im Dampf soll bereits vor einer Überhitzung möglichst gering sein. Ferner soll der Mikrostrukturverdampfer nicht nur eine Überhitzung des Dampfes, sondern auch eine gute Regulierbarkeit ermöglichen.
Die Aufgabe wird mit einem Mikrostrukturverdampfer mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen wiedergegeben.
Die Lösung der Aufgabe sieht einen Wärmetauscher, vorzugsweise Mikrostrukturverdampfer mit mindestens einer Verdampfungsstufe vor, umfassend eine Düsenöffnung mit mindestens zwei gegeneinander ausgerichteten Fluidzuführungen. Die Fluidzuführungen sind vorzugsweise Fluidka- näle mit Wärmeübertragungsflächen als Wandungen.
Eine Verdampfungstufe kann auch mehrere der genannten Düsenöffnungen aufweisen, die parallel zueinander geschaltet sind und identische Betriebsparameter wie Druckabfall, AnStrömungsgeschwindigkeit, Mischungsverhalten und Temperaturen und vorzugsweise auch Abmessungen aufweisen. Vorteilhaft ist dabei, dass die DampfZusammensetzung aus allen parallel geschalteten Düsenöffnungen einer Verdampfungsstufe identisch oder fast identisch sowie in einem stationären Betrieb dabei gleichblei-bend ist und so einer nachfolgenden Nutzung oder weiterführenden Verdampfung wie z.B. in nachfolgenden Verdampfungstufen zugeführt wird.
Ein Ziel ist eine kontinuierliche Verdampfung mit oder ohne Überhitzung mit gleich bleibender und homogener Dampfqualität. Für die Sicherstellung auch einer kontinuierlichen möglichst vollständigen Überhitzung des Dampfes, d.h. aus dem Nassdampfgebiet hinaus in den
Bereich des überhitzten Dampfes sind vorzugsweise Verdampfungsstufen für die Verdampfung (bei Siedetemperatur) von flüssigen Bestandteilen und für die nachfolgende Überhitzung von Dampfbestandteilen auf Temperaturen oberhalb der Siedetemperatur vorzusehen. Hierfür sind mindestens zwei der vorgenannten Verdampfungsstufen in Reihe vorzusehen, die von dem zu verdampfenden Medium nacheinander durchlaufen werden. Vorzugsweise dient mindestens eine erste Stufe der genannten Verdampfung von flüssigen Bestandteilen, während mindestens eine zweite Stufe überwiegend für die Überhitzung herangezogen wird.
Eine zunehmende Zahl an Verdampfungsstufen mit Expansionsdüsen (Expansionsstufen) ist für einen kontinuierlichen Verdampfungsfortschritt vorteilhaft. Durch eine Unterteilung in mehrere kleinere Ex- pansions- und Verdampfungsschritten, vorzugsweise verbunden mit jeweils einer zusätzlichen Vermischung oder Homogenisierung sinkt insbesondere die Wahrscheinlichkeit, dass sich in den Fluidkanälen unkontrolliert Dampfblasen bilden, die in Richtung des Dampfaustritts oder dagegen beschleunigen und mit diesen Dampfblasen unverdampfte Flüssigkeitsanteile mitgerissen werden. Ferner ermöglichen eine zunehmende Anzahl von Expansionsstufen ein höheres Druckgefälle zwischen Fluideintritt und Dampfaustritt des Verdampfers. Außerdem teilt sich das Druckgefälle auf mehrere Expansionsschritte auf, womit an den jeweiligen Expansionsdüsen geringere Druckabsenkungen und damit grundsätzlich geringere maximale Strömungsgeschwindigkeiten in den Düsen auftreten. Die Schallgeschwindigkeit als obere Grenze für die Strömungsgeschwindigkeit in einer Düse wird bei kleinen Druckgefällen wesentlich später erreicht, was in vorteilhafter Weise zusätzlich eine Kapazitätserweiterung und eine Effizienzerhöhung bewirkt. Vorzugsweise weist der Mikrosturkturverdampfer mindestens drei, weiter bevorzugt mindestens sechs, weiter bevorzugt neun Verdampfer- bzw. Expansionsstufen zwischen Fluideintritt und Dampfaustritt auf.
Die Ausrichtung von mindestens zwei Kanälen gegeneinander bedeutet, dass die Kanäle oder die gedachten Verlängerungen dieser nach Aus- tritt aus den Kanälen strömungsabwärts gerichtet zusammengeführt werden oder sich auf eine andere Weise überschneiden. Vorzugsweise kreuzen sich die Kanäle oder die Symmetrielinien der Kanäle. Dabei kommt es zu einem Zusammenprall von mindestens zwei Stoffströmen aus unterschiedlichen Stromrichtungen und damit zu einer turbulenten Vermischung dieser Stoffströme.
Der Vermischungsbereich, d.h. der Bereich, in dem diese Vermischung stattfindet, mündet vorzugsweise direkt in eine Düse aus, über die die noch im turbulenten Zustand vorliegenden vermischten Stoffströme gemeinsam expandiert werden. Vor der Düse im Vermischungsbereich kommt es zunächst zu einem Stau der vermischten Stoffströme und damit zu einem erhöhten Staudruck im Vermischungsbereich, was einerseits zu einer verzögerten Verdampfung und damit zu einer Erhöhung des Flüssigkeitsanteils führt und andererseits die Turbulenzen in der Vermischung fördert. Nach der Vermischung expandiert der gemischte Stoffstrom beim Verlassen der Düse in einen Expansionsbereich, wobei es trotz adiabatischer Expansion durch spontane Druckminderung zu einer beschleunigten Überschreitung des Dampfdrucks und insbesondere zu einer simultanen Verdampfung im vermischen Stoffström kommt. Vorzugsweise ist der Expansionsbereich zur Entgegenwirkung einer Abkühlung durch die genannte adiabatische Expansion beheizt.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Dampf im Expansionsbereich durch eine Dampfumlenkung umgehend umgelenkt und in nachfolgende FIu- idführungen abgeleitet, während gegenüber der Düse im Expansionsbereich eine vorzugsweise beheizte Prallfläche vorgesehen ist. Auf dieser Prallfläche treffen die aufgrund ihrer Trägheit nicht oder nur unzureichend in die nachfolgenden Fluidführungen umgeleiteten flüssigen oder rekondensierten Dampfbestandteile des expandierten Stoffstroms auf und verdampfen erneut.
Vorzugsweise wird der gesamte Mikrostrukturverdampfer mit allen Verdampfungstufen als Kanalstruktur auf einem Substrat vorzugsweise aus einem guten Wärmeleiter wie Metall gefertigt. Dies erfolgt Vorzugs- weise durch Einarbeiten von Rillen für die Führung (für Fluide und
Dämpfe) wie die genannten Fluidführungen, Düsen, Vermischungsbereiche und Expansionsbereiche in das Substrat.
Eine besonders vorteilhafte Ausführung umfasst eine konzentrische Anordnung der Verdampfungsstufen auf einem beheizten Substrat um einen zentralen Fluideintritt . Insbesondere steht im Gegensatz zu unidirek- tional orientierten Verdampferbauarten mit konstanten Fluid- querschnitten einer grundsätzlich radial zunehmender Expansion ein zunehmender Raum zur Aufnahme des expandierenden Dampfes zur Verfügung.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von vorteilhaften Ausführungsformen mit den folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
Fig. Ia und b eine erste Ausführungsform mit Fluidkanälen mit ringförmig um den Fluideintritt angeordneten Wandungen,
Fig.2 eine zweite Ausführungsform mit Fluidkanälen mit elliptisch um den Fluideintritt angeordneten Wandungen sowie
Fig.3a bis c mögliche Applikationsbeispiele für die vorgenannten Ausführungsformen .
Die dargestellen Ausführungsformen weisen jeweils mehrere Verdampfungsstufen auf, beispielhaft dargestellt in Fig. Ib als Ausschnittsvergrößerung eines in Fig. Ia markierten Ausschnitts 1 (schematisch im Detail) . Die Ausschnittsvergrößerung zeigt eine Düsenöffnung mit zwei gegeneinander ausgerichtete Fluidzuführungen 3. Die beiden Fluidzuführungen münden in einen Vermischungsbereich 4 vor der Düsenöffnung aus. Die während eines Verdampfungsbetriebs von den Fluidzuführungen 3 zugeleiteten Fluidströme werden im Vermischungsbereich 4 vermischt und damit homogenisiert, wobei sich dort durch die gegeneinander orientierten Fluidströme vorzugsweise eine turbulente Strömung einstellt. Der dabei entstandene vermischte ge- meinsame Fluidstrom verlässt den Vermischungsbereich durch die Düsenöffnung 2 in einen Expansionsbereich 6, wobei es bei Durchtritt durch die Düsenöffnung zu einer Expansion und damit zu spontanen Verdampfungen im Fluidstrom kommt. Die Verdampfungsstufen mit den jeweiligen Fluidzuführungen 3 und Düsenöffnungen 2, vorzugsweise auch mit jeweiligen Vermischungsbereichen 4 und/oder Expansionsbereichen 6 sind durch Heizmittel, vorzugsweise elektrisch-ohmsche Beheizungen mit Festkörperkontakt beheizt.
Fig. Ia zeigt eine Ausführungsform eines Verdampfereinsatzes 7 einer ersten Ausführungsform des Mikrostrukturverdampfers in schematischer Draufsicht. Der Verdampfereinsatz umfasst ein scheibenförmiges Substrat 8 sowie auf diese aufgesetzte Mikrostrukturen 9, die die Wandungen (Stege) für die Fluidführungen wie die vorgenannten Fluidzuführungen 3, Düsenöffnungen 2, Vermischungsbereiche 4 und Expansionsbereichen 6 bilden. Die Verdampferstufen sind konzentrisch um einen zentralen Fluideintritt 10 angeordnet, wobei jede Verdampfungsstufe im Ausführungsbeispiel jeweils zwei gegenüberliegende Düsenöffnungen 2 mit jeweils zwei Fluidzuführungen 3 aufweist. Ausgehend von einem zentralen Fluideintritt 10 strömt das zu verdampfende Fluid durch eine erste Düsenanordnung 11 in die Fluidzuführungen 3 der ersten Verdampfungsstufe und von dort über die jeweiligen Düsenöffnungen in folgende, konzentrisch kreisförmig um den Fluideintritt angeordneten Verdampfungsstufen. Dabei sind je zwei gegenüberliegende Düsenöffnungen 2 (im 180°-Winkel zueinander) pro Verdampfungsstufe vorgesehen, die jeweils um den Fluideintritt um 90° versetzt zu den Düsenöffnungen der benachbarten Verdampfungsstufen angeordnet sind und damit eine gleich bleibende Länge der Fluidzuführungen zwischen zwei Düsenöffnungen in einer Verdampfungsstufe sicherstellen. Es sind auch drei, vier oder mehrere Düsenöffnungen je Verdampfungsstufe möglich, die jedoch bevorzugt gleichmäßig und in einem gleichen Winkel zueinander auf dem Umfang der konzentrischen Verdampfungsstufe angeordnet sind. Wesentlich für gleichlange Fluidzuführung pro Verdampfungsstufe ist, dass die Düsenöffnungen 2 benachbarter Verdampfungsstufen je- weils in der Winkelhalbierenden zu dem genannten Winkel zwischen zwei
Düsenöffnungen zueinander versetzt angeordnet ist.
Im Expansionsbereich erfolgt im Rahmen des in Fig. Ia und b dargestellten Ausführungsbeispiels eine direkt Anströmung in Richtung einer vorzugsweise beheizten Prallfläche 12 auf der Wandung der gegenüberliegenden Mikrostruktur (Fig. Ib). Während bereits verdampfte oder gasförmige Bestandteile bereits umgehend nach Verlassen der Düsenöffnung 2 in nachfolgende Fluidzuführungen umgelenkt werden, treffen massenträgere Flüssigkeitsbestandteile auf der Prallfläche auf und werden dort verdampft.
Fig.2 zeigt eine weitere Ausführungsform, die im grundsätzlichen Aufbau der in Fig. Ia und b gezeigten Ausführung entspricht, sich jedoch darin unterscheidet, dass die Strukturen 9 nicht kreisförmig, sondern elliptisch konzentrisch um den Fluideintritt 10 angeordnet sind. Die Düsenöffnungen befinden sich an der kürzesten Ellipsenachse. Dabei werden auch verjüngende Fluidquerschnitte in den Fluidzuführungen 3 zu den Düsenöffnungen 2 hin realisiert, wodurch sich die Strömungsgeschwindigkeit in den sich verjüngenden Fluidzuführungen zu den Düsenöffnungen bzw. zu den Vermischungsbereichen 4 hin erhöht und damit insbesondere eine turbulente Vermischung vor den Düsenöffnungen fördert. Allerdings weist diese Ausführungsform einen größeren Abstand zwischen Düsenöffnung 2 und Prallfläche 12 auf und verschlechtert damit in diesem Bereich die Trennung von flüssiger und bereits verdampfter Phasen.
Bei einer beispielhaften Verdampfung z.B. von Wasser geht man von der Vorstellung aus, dass der Nassdampf durch die Düsenöffnungen expandiert und sich in zwei Teilströme aufteilt. Diese Teilströme werden über die Fluidzuführungen weitergeleitet und prallen an den nächsten beiden stromabwärts liegenden Düsenöffnungen aufeinander, so dass es an diesen Positionen zu einer Vermischung der Flüssigkeit mit dem Dampf kommt, die den Verdampfungsvorgang unterstützt. Bei der dargestellten Ausführungsform mit den mikrostrukturierten Ronden mit vie- len Ringen existieren eine zunehmende Anzahl von Verdampfungsstufen, so dass anzunehmen ist, dass der Verdampfungsvorgang quasikontinuierlich und damit insgesamt effektiver durchführbar ist als bei einer Geometrie mit wenigen Ringen (Verdampfungsstufen) . Verwendet man Mik- rokanäle mit nicht konstantem Strömungsquerschnitt (vgl. Fig.2), wie es bei den konzentrisch angeordneten Ellipsen der Fall ist, so wird der Nassdampf zusätzlich durch die Reduzierung des Strömungsquerschnitts beschleunigt und der Mischungseffekt verstärkt.
Fig.3a bis c geben beispielhafte Applikationen für die vorgenannten Ausführungformen des Verdampfereinsatzes wieder.
Ein oder mehrere mikrostrukturierte Verdampfereinsätze 7 werden in der in Fig.3a bzw. b dargestellten Ausführungen in eine zylindrische Vertiefung des Adapteroberteils 5 eingesetzt und gemeinsam auf einer Heizfläche 13 aufgesetzt. Heizfläche und Adapterteil werden gegenseitig durch Dichtungsringe 14 abgedichtet. Das Adapteroberteil umfasst dabei einen Fluidanschluss 15 für den Fluideintritt 10 wie auch einen oder mehrere Dampfaustritte 16. Der Dampf strömt gemäß den dargestellten Pfeilen durch die Düsenöffnungen aus dem Verdampfereinsatz radial nach außen in einen Ringkanal 17 und von dort in den Dampfaustritt 16.
Fig.3a zeigt die Ausführung mit einem Verdampfereinsatz 7, Fig.3b eine Ausführung mit mehreren gestapelten Verdampfereinsätzen 7 übereinander. Bei einer gestapelten Anordnung durchstoßen die Fluideintritte 10 die Substrate und ermöglichen einen Zugang des zu verdampfenden Fluids auch zu nachfolgenden Verdampfereinsätzen. Grundsätzlich sind auch beidseitig zu den Verdampfereinsätzen angeordnete Heizflächen sowie im Falle der Ausführungsform gem. Fig.3b Heizflächen zwischen zwei Verdampfereinsätze im Rahmen der Erfindung nicht ausgeschlossen.
Fig.3c zeigt dagegen eine Ausführungsform, bei der ein Verdampfereinsatz beidseitig mit den vorgenannten Verdampfungsstufen strukturiert ist und zudem Öffnungen für elektrisch oder fluidisch betriebe- ne Heizpatronen 18 im Substrat vorgesehen sind. Eine separate Heizfläche wie in den vorgenannten Ausführungen beschrieben ist dabei nicht zwingend erforderlich und kann durch ein Gehäuseunterteil 19 ersetzt werden.
Bezugszeichenliste :
1 markierter Abschnitt
2 Düsenöffnung
3 Fluidzuführung
4 Vermischungsbereich
5 Adapteroberteil
6 Expansionsbereich
7 Verdampfereinsatz
8 scheibenförmiges Substrat
9 Mikrostruktur
10 Fluideintritt
11 erste Düsenanordnung
12 Prallfläche
13 Heizfläche
14 Dichtungsring
15 Fluidanschluss
16 Dampfaustritte
17 Ringkanal
18 Heizpatrone
19 Gehäuseunterteil

Claims

Patentansprüche :
1. Mikrostrukturverdampfer, umfassend einen Fluideintritt (10, 15), einen Dampfaustritt (16) sowie mindestens eine durch Heizmittel beheizte Verdampfungsstufe mit mindestens einer Düsenöffnung (2) jeweils mit mindestens zwei gegeneinander ausgerichteten Fluidzu- führungen (3) .
2. Mikrostrukturverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeder Düsenöffnung (2) und der jeweiligen Fluidzu- führungen (3) jeweils ein Vermischungsbereich (4) angeordnet ist.
3. Mikrostrukturverdampfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidzuführungen (3) sich zu den Düsenöffnung (2) hin im Strömungsquerschnitt verjüngen.
4. Mikrostrukturverdampfer nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse in einen beheizten Expansionsbereich (6) ausmündet.
5. Mikrostrukturverdampfer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Expansionsbereich (6) eine Dampfumlenkung sowie gegenüber der Düsenöffnung (2) eine durch Heizmittel beheizte Prallfläche (12) für flüssige Dampfbestandteile aufweist
6. Mikrostrukturverdampfer nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Verdampfungsstufe mindestens zwei parallel geschaltete Düsenöffnungen (2) jeweils mit Fluidzuführungen (3) mit identischen Abmessungen aufweist.
7. Mikrostrukturverdampfer nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizmittel durch mindestens eine ebene Heizfläche gebildet werden, auf die die Verdampfungsstufen angeordnet ist.
8. Mikrostrukturverdampfer nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungsstufen als Kanalstrukturen auf oder in einem Substrat (8) eingearbeitet sind.
9. Mikrostrukturverdampfer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat Heizmittel aufweist.
10. Mikrostrukturverdampfer nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungsstufen konzentrisch um den Fluideintritt angeordnet sind.
11. Mikrostrukturverdampfer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidkanäle kreisringförmig um den Fluideintritt angeordnete Wandungen aufweisen.
12. Mikrostrukturverdampfer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidkanäle elliptisch um den Fluideintritt angeordnete Wandungen aufweisen.
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