WO2012104058A1 - Cross-flow heat exchanger - Google Patents

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WO2012104058A1
WO2012104058A1 PCT/EP2012/000403 EP2012000403W WO2012104058A1 WO 2012104058 A1 WO2012104058 A1 WO 2012104058A1 EP 2012000403 W EP2012000403 W EP 2012000403W WO 2012104058 A1 WO2012104058 A1 WO 2012104058A1
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WO
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channel
channels
channel group
cross
flow
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Application number
PCT/EP2012/000403
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German (de)
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Inventor
Klaus Schubert
Achim Wenka
Roland Dittmeyer
Original Assignee
Karlsruher Institut für Technologie
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • 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
    • 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
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/04—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element
    • F28F3/048—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element in the form of ribs integral with the element or local variations in thickness of the element, e.g. grooves, microchannels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • 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 cross-flow heat exchanger, preferably a microstructured cross-flow micro heat exchanger according to the first claim.
  • Cross-flow heat exchangers are well known in the art. They have a heat exchange region in which a fluid flow in a first channel group is tempered by a heat carrier fluid flow in a second, the first crossing channel group.
  • Each of the channel groups has a plurality of preferably over their entire length parallel connected and preferably also parallel channels. Most of the channels per channel group - as usual in cross-flow heat transferers - parallel to each other and thereby arranged in a straight line on one level.
  • the first and second channel groups, with or without interleaves without channels are alternately arranged plane-wise, i. Cooling or heating of the fluid stream takes place by heat transfer at the intersections, which thus form the heat transfer areas.
  • a quantity of heat is transferred, wherein the fluid flow in a channel of the first group of channels passes through a plurality of intersections and thus heat transfer areas and add the amounts of heat transferred in each case.
  • the totality of the channels of a channel group forms preferably for a passage through the cross-flow heat exchanger.
  • a cross-flow micro heat exchanger is disclosed by way of example, in which the microchannels are integrated in layers as a multiplicity of parallel grooves on one side in metal foils.
  • the films are preferably cut square and stacked with the grooves crosswise alternately rotated by preferred 90 ° and by gluing, soldering or diffusion bonding together
  • countercurrent and DC heat exchangers are also known in which the channels of the fluid to be temperature-controlled and of the heat transfer fluid do not intersect, but are guided parallel to one another.
  • the object of the invention is to propose an improved cross-flow heat transfer system, which does not have the aforementioned limitations and in particular allows a uniform temperature of the fluids to be tempered by a heat transfer fluid in all channels per channel group, all channels for the fluids to be tempered in the heat transfer preferably have the same flow cross-section.
  • an object of the invention is to make a cross-flow micro heat exchanger so that even with the same mass flows (preferably identical fluids) or the same capacity flows (preferably different fluids) of the two fluids involved (fluid to be tempered and heat transfer fluid) in the two Passages and with good thermal efficiency, the exit temperatures of the fluid to be tempered from all the microchannels in the passage are equal or at least in a narrow temperature range.
  • the fluid to be tempered in have the same residence time for each microchannel through which it flows.
  • the solution of the problem is based on a modification of a cross-flow heat exchanger described above.
  • the channels are divided into two channel groups, each having a first channel group for the fluid to be tempered and a second channel group for the heat transfer fluid.
  • All channels of the first channel group preferably have an identical area, more preferably an identical geometry of the flow cross-sections, which more preferably do not change in each channel of the first channel group over the entire channel lengths in the region of the channel intersections.
  • Channel cross sections of the first channel group thus have at each point in the heat exchanger preferably one and the same cross section.
  • the channels are arranged in layers. Each level has channels only one channel group, the levels and thus the channel groups - as described above - are stacked in preferred alternating order to a heat exchanger.
  • the channels are connected in parallel for each channel group and preferably also arranged in parallel, wherein different channel groups are aligned differently and thus the channels intersect.
  • Intermediate planes without channels or adjacent planes with channels from the same channel group or planes with channels of the same channel group with plane-deviating dimensions are expressly excluded within the scope of the possible embodiments. It is essential that two channels from adjacent cross different Kanal weaknesszzu attemptkeit and arise in these intersections heat transfer areas for heat transfer between the adjacent channels.
  • the cross-flow heat exchanger is designed as Kreustrom- ikro stiirübübler, wherein the channels are microchannels, with narrowest cross sections between 0.001 mm 2 and 1 mm 2, and preferably with the narrowest cross-sectional dimensions between 0.01 mm and 1 mm.
  • Micro heat exchanger are preferably made of plate or film stacks (in the following description include films), wherein the microchannels of the microchannel groups as grooves on one or both sides in the films (or plates) incorporated and the films by pressing, gluing, soldering or welding to a Film stacks are joined together.
  • the grooves are incorporated in film surfaces (or plate surfaces), each film surface structured in this way being assigned to one of the aforementioned channel group.
  • the groove-structured film surfaces each lie on an unstructured film surface of the respective adjacent film.
  • the inlets and outlets of the microchannels are preferably laterally, for each channel group preferably on its own side surface.
  • fluid feeds of the heat transfer fluid can also be initiated by feed channels which are preferably orthogonal to the film planes and through the entire film stack in the form of bores or recesses which open out into the preferably superimposed microchannels.
  • Optional recesses in the films away from the microchannels and other fluid guides serve, on the one hand, for thermal insulation and, on the other hand, for reducing the heat capacity in the micro-heat exchanger. They reduce heat losses on the one hand by undesired heat conduction in the heat exchanger away from the heat transfer areas and on the other hand also by heat storage in the 9,überismemate- rial. In addition, a reduced heat capacity, ie a lower storable amount of heat in the heat exchanger due to the lower thermal inertias favored fast reaction times with temperature changes and a better control behavior of the outlet temperatures of the fluid to be tempered.
  • a film stack comprises at least one level, i. one slide surface per channel group. Assuming that each film surface textured with microchannels is covered by an unstructured film surface, this results in a minimum of three films.
  • a preferred embodiment provides for separate films for the first and second channel group, wherein the microchannels are incorporated on one side in each case one side of the film.
  • the films are stacked with alternating channel group membership, with the textured film surfaces facing in one direction.
  • Unstructured cover or intermediate films serve as a closure film and / or for thermal insulation.
  • a one-sided structuring allows a simpler and more precise structuring (an unstructured surface than a smooth support surface, for example for a vacuum tension) and thus in principle a better possibility, channel cross-sections and the heat conduction paths in the heat transfer areas also by the depth of the groove structuring, i. to adjust the microchannels more accurately.
  • Another embodiment provides unstructured foils between the channels of different levels. Between each two unstructured films, the channels are each arranged in a structured film per level in such a way that they are preferably adjacent to both limiting unstructured films as passage openings in the structured film.
  • This embodiment has the advantage that the heat transfer Extend areas between the channel groups on areas excluding the unstructured slides.
  • the unstructured Foli ⁇ en of a good heat conductor such as silver, gold or copper, or as thin as possible, preferably thinner than 0.1 mm, more preferably made less than 0.05 mm thick.
  • the structured films with the channels themselves are preferred to reduce heat loss from a poor heat-conducting material such as VA steel, plastic, glass or ceramic produced.
  • the preparation of this embodiment is carried out wet-chemically or by means of another structuring process (eg LIGA process) which acts selectively on the structured film from an initially unstructured film composite comprising an unstructured film and a film structured according to the structuring process, for example a steel-plastic composite film or a gold foil. glass laminate.
  • LIGA process another structuring process
  • the depth of the microchannels i. the groove depth in the individual foils or plates and the web width between the channels are constant, so that the different cross sections are realized by different channel widths.
  • the basic idea is to equalize the fluid flows in all channels of the first and / or second channel group just by geometrically individual design of the intersections and thus the thermal transmission paths in the heat transfer areas in total. Every heat transfer a heat transfer capacity. These heat transfer capacities are dimensioned for each microchannel of the second microchannel group as a function of the respective other upstream or downstream heat transfer regions of the same microchannel.
  • the aim is to allow the quantities of heat exchanged with the first channel group and no longer available for subsequent heat transfer areas to be taken into account mathematically in the dimensioning of the subsequent heat transfer areas.
  • the areas, ie, the heat transfer capacities of the heat transfer areas flowed through in series, in particular gradually increase in the same flow cross sections in the first channel group downstream.
  • an equal temperature change of the fluid flow in the first channel group is advantageously realized in total; the outlet temperatures of the fluids to be tempered are kept within a narrow temperature range. The risk of hypothermia or overheating of fluid components and thus crystallization or vapor formation is effectively reduced. This advantageously also allows a more exact maintenance and utilization of a definable temperature window and thus a use of fluids with phase transitions near the temperature window.
  • the fluid streams of the first channel group leaving the heat exchanger have a homogeneous temperature and can be introduced directly into a reactor or a further heat exchanger, for example, without an intermediate mixer stage.
  • the claimed cross-flow heat exchanger or cross-flow micro heat exchanger is thus particularly suitable for use in process engineering processes.
  • An essential feature of the invention is to steadily expand the flow cross-sections of the channels or microchannels of the second channel group downstream. With this steady expansion the overlapping area to the respective adjacent Ka ⁇ nälen the first channel group, and thus the heat transfer capacity of the heat transfer regions are steadily increasing with increasing flow path length.
  • the heat loss from thetician istfuid which causes when passing through each heat transfer area to an increasing adaptation of the temperatures to be tempered fluid in the first and the heat transfer fluids in the second channel group (temperature difference is smaller), by a correspondingly larger capacity or area of the following Heat transfer areas balanced.
  • the continuous expansion of the flow cross-section of a channel is preferably carried out continuously (mathematically continuous), i. without gradual or abrupt cross-sectional changes. This serves u.A. to largely avoid turbulence or backflow in the expanding channel.
  • An integration of conductive structures in ducts for flow conduction is optional, but is not required for microchannels due to the generally deviating flow conditions (and the associated deviating heat transfer dymamics over the duct walls).
  • the preferred design of the downstream-widening channels of the second channel group advantageously allows the heat-transfer regions to be tailored such that the heat-transfer fluid of each channel of the second channel group at each of the serially crossing junctions with a channel of the first channel group (only one intersection with each channel the first channel group), ie the same amount of heat to be tempered over each heat transfer area Fluid transfers. Because of this recherisch be simulated precise fabrication of heat transfer areas in terms of the same heat transfer in all intersections of each channel of the second channel group required for a reliable temperature control channel number of these two ⁇ th channel group compared to conventional cross-flow heat ⁇ exchangers can be reduced advantageously.
  • the number of widening microchannels of the second channel group is preferably between 2 and 10, more preferably between 2 and 6, more preferably 3 or 4 channels per channel plane (foil) in the case of micro heat exchangers.
  • the ratio of the channel inlet cross sections to channel outlet cross sections or the cross sections at the first heat transfer area (first channel intersection) to that at the last heat transfer area (last channel intersection of the channel) of the second channel group is between 0.02 and 0.8, preferably between 0.05 and 0, 5 and more preferably between 0.1 and 0.2.
  • the ratio of the sum of the aforementioned channel inlet cross sections of channel group 2 to the sum of Channel cross sections of channel group 1 at preferably 0.05 to 0.5, preferably at 0.1 to 0.2, more preferably at 0.12 to 0.18.
  • Kreustrom heat exchanger which is particularly suitable for a cross-flow micro heat exchanger as a film stack, provides to subdivide the channels of the second channel group into two equal channel subgroups, wherein the first channel subgroup in countercurrent to the second channel subgroup group are oriented. Consequently, the first and second channel subgroups are not to be directed unidirectionally in one direction but in counter-current arrangement of the channels across or under the first channel group. Both channel subgroups are preferably fed with the same heat transfer fluid at the same temperature. The channel sub-groups are thus connected in counter-flow heat exchanger assembly and tau ⁇ rule therefore mutually and together with the fluid to be tempered in he first channel group warmth.
  • the counterflow arrangement advantageously brings about a particularly uniform heat source on the fluid to be tempered.
  • the individual channels of the first and second channel subgroups are arranged either per subgroup in a planar alternating manner (only one channel subgroup per level) or - particularly preferably - in common planes, but in alternating order in opposite directions (both channel subgroups common planes).
  • the in the second alternative mentioned (both channel sub-common levels) alternately opposite to each other expanding channels of the second group can be arranged to save space and with low embwandungspitn into each other.
  • the heat exchanged countercurrently within the second group of channels makes it possible in particular to compensate for heat exchanged with the first group of channels, which significantly brings the aim of equal temperature application to the fluid flows in all channels of the first group of channels through the second group of channels.
  • the feeds for the second channel group are - as mentioned above - by inlet channels, of which preferably each superposed channels open.
  • the inlet channels are preferably orthogonal to the film planes and through the entire film stack extending holes or recesses, which open into the microchannels, ie from above and / or below in the heat exchanger.
  • FIG. 1 shows a schematic plan view of a first embodiment with channels of both channel groups in a foil stack
  • 3a and b is a schematic plan view of further embodiments of the cross-flow heat exchanger with different Temper istsdynamiken for the temperature-controlling fluids in the first channel group and
  • Figures 4 and b are schematic plan views of two embodiments with countercurrent arrangement of the second channel group.
  • micro heat exchanger comprising a stack of films or plates with incorporated channels.
  • All embodiments shown in schematic plan view in FIGS. 1 to 3 show features of the invention by way of example using cross-flow micro-heat exchanger designs, each consisting of a film 2 (film stack) structured with microchannels 1 and stacked one above the other.
  • the Ka- Valves of the first channel group 3 for the fluid to be tempered, and the channels of the second channel group 4 for the heat carrier fluid as tempering medium are each arranged plane-wise and preferably each on a separate film surface, wherein the channels structured surfaces in the stack on each of an unstructured film surface are covered.
  • the two channel groups intersect in the heat exchanger.
  • the crossing regions, ie the regions which are cut by both channel groups, form, to a first approximation, the heat transfer regions 5.
  • the first channel group comprises groove-shaped straight-line channels, each with the same and over the entire channel length of the same width and depth.
  • the second channel group comprises a channel width which increases linearly with the flow direction 9 through the channels, over the entire channel length or, as shown, at least in the region of the heat transfer regions.
  • the size of the heat transfer regions 5 arranged serially in each channel increases together with the channel width of the second channel group (linear in the example).
  • the exchanged at previous exchanged between the channel groups amounts of heat with the associated lower temperature differences between the fluid to be tempered and the heat transfer fluid by correspondingly larger heat transfer areas.
  • In each heat transfer region of each channel of the second channel group at least approximately equal heat transfer to the fluid to be tempered in the first channel group is achieved.
  • All films preferably have the same dimensions.
  • the thicknesses and the depths of the microchannels per channel group are also constant.
  • the heat transfer areas are preferably on both sides of the ikrokanäle ⁇ ordered ordered preferably have the same thickness and there ⁇ heat transfer paths between the channels of the two channel groups. Calculated flow in the interpretation of the heat transfer areas in addition to the crossing area extension and the material thickness with a. A better heat transfer with lower heat losses flowing laterally out of the heat transfer areas can basically be utilized by a small material thickness on the one hand, but also by recesses 10 shown by way of example in FIG. 2 in film areas not used for the heat transfer in the heat transfer medium.
  • FIGS. 1 and 2 each show an embodiment in which all channels of the second channel group have identical dimensions and, crossing at a constant distance between adjacent channels, intersect the channels of the first channel group.
  • 2 shows the aforementioned recesses in not used for the heat transfer areas. Not only do they not have to be tempered in an advantageous manner, but they can also be used as additional heat barriers and thus serve to reduce the abovementioned loss heat flow in or out of the heat exchanger.
  • the recesses are either as breakthroughs through the entire film thickness or the film stack (see Fig.2) or as one-sided incorporated not extending through the entire film thickness blind channels or blank volumes between the individual channels of the same level.
  • FIG. 3a and b show schematically exemplary embodiments, which in the basic structure of the embodiment according to. Fig.l correspond, However, differ by non-constant distances of the channels of the second channel groups with each other.
  • the embodiment disclosed in FIG. 3a has a smaller distance between two channels 4 of the second channel group in the inflow region 11 of the first channel group than in the outflow region 12 of the first channel group.
  • the initial strong tempering takes place with increasing approximation of the fluid to be tempered to the outflow region 12 of the first channel group, a further continuous temperature due to increasing distances between two channels 4 of the second channel group with lower temperature change rates.
  • Temperature profile (beyond the channel length of the first channel group), after an initial temperature change with large rates of temperature change, passes into a subsequent range with moderate rates of temperature change.
  • FIG. 3 b discloses an embodiment which, in the inflow region 11 of the first channel group, has a greater distance between two channels 4 of the second channel group than in the outflow region 12 of the first channel group.
  • the heat transfer areas in the heat exchanger concentrate towards the discharge area 12 of the first channel group.
  • the temperature profile over the channel length of the first channel group reduces in particular the high temperature change rates near the inflow region of the first channel group, while these rates of change in the outflow region increase again due to the higher density of active heat transfer regions.
  • the temperature change rate on the channel lengths corresponding to the data transmitted between the two channel groups ⁇ amount of heat behavior.
  • FIGS. 3a and b with variable channel spacings of the second channel group each represent only one possible mode of implementation.
  • a similar effect is achieved by using, for example, a decreasing channel width of the second channel group for temperature profile measuring over the channel length of the first instead of an increasing channel spacing.
  • FIGs. A and 4b show embodiments in which the second channel group is divided into two equal channel subgroups, the first channel subgroup 15 being in countercurrent, i. alternately to the second channel subgroup 16
  • Countercurrent arrangement is oriented transversely above or below the channels 3 of the first channel group.
  • the inflow region of the two channel subgroups of the second channel group is formed by inlet channels 17, of which preferably each one above the other lying channels of the same channel subgroup.
  • the inlet channels 17 are preferably apertures through the individual film planes and through the entire film stack as holes or recesses which open into the microchannels, ie from above and / or below into the heat exchanger.
  • the inlet channels have means which limit a premature interaction of the heat carrier fluid flows in the inlet channels 17, ie even before entering the channels 4 of the second channel group on the laterally adjacent channels 3 of the first channel group.
  • These means preferably comprise non-inflatable structures, cavities or openings around the inlet channels or between the inlet channels and the adjacent channels 3 of the first channel group in the films in which the first channel group is arranged.
  • the inlet channels can be lined inside by a thermal insulation such as with a slotted or porous plastic pipe.
  • Both channel subgroups are preferably fed with the same heat transfer fluid at the same temperature.
  • the counterflow arrangement advantageously brings about a particularly uniform heat source on the fluid to be tempered.
  • Both subgroups are arranged nested on respective common levels.
  • the channels are divided among each other by webs 18.
  • a heat exchange between adjacent channels of different subgroups is expressly desired and is promoted by the fact that the webs and the heat transfer areas are made of the same preferably thermally conductive material of a film, preferably of a metal.
  • the foil regions directly adjoining the inflow and outflow regions 11 to 14 are preferably with channel-like structures or other recesses which can not be flowed through, as illustrated by way of example only in FIG integrated in the slides (eg used) or fitted insulating provided.
  • a first preferred variant acc. 4a has channels of the second channel group, which have the same cross-sectional profile over the respective channel length for both channel subgroups.
  • each extend a channel 15, 16 per channel subgroup as a channel pair over a rectangular area spanning the channels of the first channel group.
  • each individual one of the channels 3 of the first channel group is advantageously covered and thermally influenced in the same channel section by the aforementioned channel pair.
  • the distances of the channel pairs from one another are constant in FIG. 4a, but are configurable with different distances in a further variant according to the designs explained with reference to FIGS. 3a and b and the associated effects described.
  • FIG. 4 b shows, by way of example, an alternative embodiment with different channel widths of the second channel groups.
  • the first and the last channel 4 of the second channel group crossing the channels 3 of the first channel group extend narrower over the channel length than the remaining channels of the second channel group.
  • they are thus designed so that each one of the channels 3 of the first channel group in the same channel section covered by the channels of the second channel group and thermally affected.

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Abstract

The invention relates to a cross-flow heat exchanger for rapidly controlling the temperature of a fluid flow in a first channel group (3) by a heat exchanger fluid flow in a second channel group (5) crossing the first, each having a plurality of channels (2), wherein the channels of each channel group are each disposed in a dedicated plane. The aim of the invention is to provide a cross-flow heat exchanger that allows uniform temperature control of the fluid, the temperature of which is to be controlled, by means of a heat carrier fluid in all channels of the first channel group. The aim is achieved in that the flow cross section of channels of the second channel group increases downstream of the heat exchanger fluid flow.

Description

Kreuzstrom-Wärmeübertrager Cross flow heat exchanger
Die Erfindung betrifft einen Kreuzstrom-Wärmeübertrager, vorzugsweise einen mikrostrukturierten Kreuzstrom-Mikrowärmeüber trager gemäß des ersten Patentanspruchs. The invention relates to a cross-flow heat exchanger, preferably a microstructured cross-flow micro heat exchanger according to the first claim.
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 . Cross-flow heat exchangers are well known in the art. They have a heat exchange region in which a fluid flow in a first channel group is tempered by a heat carrier fluid flow in a second, the first crossing channel group. Each of the channel groups has a plurality of preferably over their entire length parallel connected and preferably also parallel channels. Most of the channels per channel group - as usual in cross-flow heat transferers - parallel to each other and thereby arranged in a straight line on one level. Typically, the first and second channel groups, with or without interleaves without channels, are alternately arranged plane-wise, i. Cooling or heating of the fluid stream takes place by heat transfer at the intersections, which thus form the heat transfer areas. At each intersection, a quantity of heat is transferred, wherein the fluid flow in a channel of the first group of channels passes through a plurality of intersections and thus heat transfer areas and add the amounts of heat transferred in each case. The totality of the channels of a channel group forms preferably for a passage through the cross-flow heat exchanger.
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 In [1], among other designs, a cross-flow micro heat exchanger is disclosed by way of example, in which the microchannels are integrated in layers as a multiplicity of parallel grooves on one side in metal foils. The films are preferably cut square and stacked with the grooves crosswise alternately rotated by preferred 90 ° and by gluing, soldering or diffusion bonding together
BESTÄTIGUNGSKOPIE verbunden, wobei die mit Rillen strukturierten Folienseiten jeweils an einer unstrukturierten Seite der benachbarten Folie anliegen . CONFIRMATION COPY connected, wherein the groove-structured foil sides in each case rest on an unstructured side of the adjacent foil.
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 . As an alternative to a cross-flow heat exchanger, countercurrent and DC heat exchangers are also known in which the channels of the fluid to be temperature-controlled and of the heat transfer fluid do not intersect, but are guided parallel to one another.
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. For use of cross-flow micro heat exchangers of the aforementioned type, not only the outstanding thermal properties, described e.g. in [2], but also easier compared to DC or Gegenstromwärmeübertragern because not intertwined to be realized and low-loss inlet and outlet lines of the fluid streams.
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. The disadvantage of a cross-flow heat exchanger in comparison to a countercurrent or DC heat exchanger is that the fluid flow to be tempered is not tempered the same in each channel because of the cross-flow heat transfer fluid. With each crossing between two intersecting channels there is a heat transfer, which also changes the temperature of the heat transfer fluid. In principle, both a counter and a DC heat exchanger can expect a very uniform temperature of the fluids involved, since the heat transfer areas between the channels in parallel and not arranged in series as in a cross-flow heat exchanger and the amounts of heat transferred in these are approximately equal for all channels. However, this advantage of the countercurrent heat exchanger is more or less canceled out by the fluid flows intersecting in the supply line with the associated increased pressure losses due to fluid deflection. An economical and in all channels of each channel group uniform temperature, ie heating or cooling of the fluids is practically not possible in a cross-flow heat exchanger of conventional design without a distorted temperature profile of the fluid stream to be tempered at the exit from the channels. Since there is a transfer of heat at each intersection of two channels, which is no longer available at a subsequent intersection, a nearly uniform temperature of the fluid in all channels can be realized only with a considerable excess of heat energy in the heat transfer fluid flow. This can only be done with a significantly increased mass flow of heat transfer fluid, which not only reduces the efficiency, but also the efficiency.
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. Consequently, the object of the invention is to propose an improved cross-flow heat transfer system, which does not have the aforementioned limitations and in particular allows a uniform temperature of the fluids to be tempered by a heat transfer fluid in all channels per channel group, all channels for the fluids to be tempered in the heat transfer preferably have the same flow cross-section.
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 . In particular, an object of the invention is to make a cross-flow micro heat exchanger so that even with the same mass flows (preferably identical fluids) or the same capacity flows (preferably different fluids) of the two fluids involved (fluid to be tempered and heat transfer fluid) in the two Passages and with good thermal efficiency, the exit temperatures of the fluid to be tempered from all the microchannels in the passage are equal or at least in a narrow temperature range. In this case, the fluid to be tempered in have the same residence time for each microchannel through which it flows.
Die Aufgabe wird durch einen Kreuzstrom-Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die auf diesen rückbezogene Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen wieder. The object is achieved by a cross-flow heat exchanger with the features of claim 1. The back related to these claims give advantageous embodiments again.
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. The solution of the problem is based on a modification of a cross-flow heat exchanger described above. The channels are divided into two channel groups, each having a first channel group for the fluid to be tempered and a second channel group for the heat transfer fluid.
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 . All channels of the first channel group preferably have an identical area, more preferably an identical geometry of the flow cross-sections, which more preferably do not change in each channel of the first channel group over the entire channel lengths in the region of the channel intersections. Channel cross sections of the first channel group thus have at each point in the heat exchanger preferably one and the same cross section.
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. The channels are arranged in layers. Each level has channels only one channel group, the levels and thus the channel groups - as described above - are stacked in preferred alternating order to a heat exchanger. The channels are connected in parallel for each channel group and preferably also arranged in parallel, wherein different channel groups are aligned differently and thus the channels intersect. Intermediate planes without channels or adjacent planes with channels from the same channel group or planes with channels of the same channel group with plane-deviating dimensions are expressly excluded within the scope of the possible embodiments. It is essential that two channels from adjacent cross different Kanalgruppenzzugehörigkeit and arise in these intersections heat transfer areas for heat transfer between the adjacent channels.
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. Preferably, the cross-flow heat exchanger is designed as Kreustrom- ikrowärübübler, wherein the channels are microchannels, with narrowest cross sections between 0.001 mm 2 and 1 mm 2, and preferably with the narrowest cross-sectional dimensions between 0.01 mm and 1 mm. Micro heat exchanger are preferably made of plate or film stacks (in the following description include films), wherein the microchannels of the microchannel groups as grooves on one or both sides in the films (or plates) incorporated and the films by pressing, gluing, soldering or welding to a Film stacks are joined together. The grooves are incorporated in film surfaces (or plate surfaces), each film surface structured in this way being assigned to one of the aforementioned channel group. The groove-structured film surfaces each lie on an unstructured film surface of the respective adjacent film. The inlets and outlets of the microchannels are preferably laterally, for each channel group preferably on its own side surface. Alternatively, fluid feeds of the heat transfer fluid can also be initiated by feed channels which are preferably orthogonal to the film planes and through the entire film stack in the form of bores or recesses which open out into the preferably superimposed microchannels.
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 . Optional recesses in the films away from the microchannels and other fluid guides (eg inlets and outlets) serve, on the one hand, for thermal insulation and, on the other hand, for reducing the heat capacity in the micro-heat exchanger. They reduce heat losses on the one hand by undesired heat conduction in the heat exchanger away from the heat transfer areas and on the other hand also by heat storage in the Wärmeüberträgermate- rial. In addition, a reduced heat capacity, ie a lower storable amount of heat in the heat exchanger due to the lower thermal inertias favored fast reaction times with temperature changes and a better control behavior of the outlet temperatures of the fluid to be tempered.
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. A film stack comprises at least one level, i. one slide surface per channel group. Assuming that each film surface textured with microchannels is covered by an unstructured film surface, this results in a minimum of three films.
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. A preferred embodiment provides for separate films for the first and second channel group, wherein the microchannels are incorporated on one side in each case one side of the film. The films are stacked with alternating channel group membership, with the textured film surfaces facing in one direction. Unstructured cover or intermediate films serve as a closure film and / or for thermal insulation. A one-sided structuring allows a simpler and more precise structuring (an unstructured surface than a smooth support surface, for example for a vacuum tension) and thus in principle a better possibility, channel cross-sections and the heat conduction paths in the heat transfer areas also by the depth of the groove structuring, i. to adjust the microchannels more accurately.
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. Another embodiment provides unstructured foils between the channels of different levels. Between each two unstructured films, the channels are each arranged in a structured film per level in such a way that they are preferably adjacent to both limiting unstructured films as passage openings in the structured film. This embodiment has the advantage that the heat transfer Extend areas between the channel groups on areas excluding the unstructured slides. Preferably, for an efficient heat transition the unstructured Foli ¬ en of a good heat conductor such as silver, gold or copper, or as thin as possible, preferably thinner than 0.1 mm, more preferably made less than 0.05 mm thick. The structured films with the channels themselves, however, are preferred to reduce heat loss from a poor heat-conducting material such as VA steel, plastic, glass or ceramic produced. Due to their lower thermal conductivity they reduce heat conduction away from the heat transfer areas and thus heat losses. The preparation of this embodiment is carried out wet-chemically or by means of another structuring process (eg LIGA process) which acts selectively on the structured film from an initially unstructured film composite comprising an unstructured film and a film structured according to the structuring process, for example a steel-plastic composite film or a gold foil. glass laminate.
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 . Preferably, the depth of the microchannels, i. the groove depth in the individual foils or plates and the web width between the channels are constant, so that the different cross sections are realized by different channel widths.
Demgegenüber bieten unterschiedlich tiefe Rillen den Vorteil der Exnflussnahme auf die Dynamik und Übertragungskapaziäten der Wärmeübertragungsbereiche über eine Variation der Wärmeleitwege zwischen zwei Kanälen. On the other hand, differently deep grooves offer the advantage of exnflussfluss on the dynamics and transmission capacities of the heat transfer areas via a variation of the heat conduction paths between two channels.
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. The basic idea is to equalize the fluid flows in all channels of the first and / or second channel group just by geometrically individual design of the intersections and thus the thermal transmission paths in the heat transfer areas in total. Every heat transfer a heat transfer capacity. These heat transfer capacities are dimensioned for each microchannel of the second microchannel group as a function of the respective other upstream or downstream heat transfer regions of the same microchannel. The aim is to allow the quantities of heat exchanged with the first channel group and no longer available for subsequent heat transfer areas to be taken into account mathematically in the dimensioning of the subsequent heat transfer areas. In this case, in each microchannel of the second channel group, the areas, ie, the heat transfer capacities of the heat transfer areas flowed through in series, in particular gradually increase in the same flow cross sections in the first channel group downstream.
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. With the aforementioned design of the heat transfer areas, an equal temperature change of the fluid flow in the first channel group is advantageously realized in total; the outlet temperatures of the fluids to be tempered are kept within a narrow temperature range. The risk of hypothermia or overheating of fluid components and thus crystallization or vapor formation is effectively reduced. This advantageously also allows a more exact maintenance and utilization of a definable temperature window and thus a use of fluids with phase transitions near the temperature window. Furthermore, the fluid streams of the first channel group leaving the heat exchanger have a homogeneous temperature and can be introduced directly into a reactor or a further heat exchanger, for example, without an intermediate mixer stage. The claimed cross-flow heat exchanger or cross-flow micro heat exchanger is thus particularly suitable for use in process engineering processes. An essential feature of the invention is to steadily expand the flow cross-sections of the channels or microchannels of the second channel group downstream. With this steady expansion the overlapping area to the respective adjacent Ka ¬ nälen the first channel group, and thus the heat transfer capacity of the heat transfer regions are steadily increasing with increasing flow path length. Thus, the heat loss from the Wärmeträgerfuid which causes when passing through each heat transfer area to an increasing adaptation of the temperatures to be tempered fluid in the first and the heat transfer fluids in the second channel group (temperature difference is smaller), by a correspondingly larger capacity or area of the following Heat transfer areas balanced.
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. The continuous expansion of the flow cross-section of a channel is preferably carried out continuously (mathematically continuous), i. without gradual or abrupt cross-sectional changes. This serves u.A. to largely avoid turbulence or backflow in the expanding channel. An integration of conductive structures in ducts for flow conduction is optional, but is not required for microchannels due to the generally deviating flow conditions (and the associated deviating heat transfer dymamics over the duct walls).
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. The preferred design of the downstream-widening channels of the second channel group advantageously allows the heat-transfer regions to be tailored such that the heat-transfer fluid of each channel of the second channel group at each of the serially crossing junctions with a channel of the first channel group (only one intersection with each channel the first channel group), ie the same amount of heat to be tempered over each heat transfer area Fluid transfers. Because of this recherisch be simulated precise fabrication of heat transfer areas in terms of the same heat transfer in all intersections of each channel of the second channel group required for a reliable temperature control channel number of these two ¬ th channel group compared to conventional cross-flow heat ¬ exchangers can be reduced advantageously.
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) . The number of widening microchannels of the second channel group is preferably between 2 and 10, more preferably between 2 and 6, more preferably 3 or 4 channels per channel plane (foil) in the case of micro heat exchangers.
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. The ratio of the channel inlet cross sections to channel outlet cross sections or the cross sections at the first heat transfer area (first channel intersection) to that at the last heat transfer area (last channel intersection of the channel) of the second channel group is between 0.02 and 0.8, preferably between 0.05 and 0, 5 and more preferably between 0.1 and 0.2.
Für den besonderen Fall, dass die die Summe aller Fluidströme in Kanalgruppe 1 in ihrem Wärmekapazitätsstrom (Massenstrom x spezifische Wärmekapazität cp) 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. For the special case that the sum of all fluid flows in channel group 1 in their heat capacity flow (mass flow x specific heat capacity c p ) corresponds to the sum of all fluid flows in channel group 2, the ratio of the sum of the aforementioned channel inlet cross sections of channel group 2 to the sum of Channel cross sections of channel group 1 at preferably 0.05 to 0.5, preferably at 0.1 to 0.2, more preferably at 0.12 to 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. One design of the Kreustrom heat exchanger, which is particularly suitable for a cross-flow micro heat exchanger as a film stack, provides to subdivide the channels of the second channel group into two equal channel subgroups, wherein the first channel subgroup in countercurrent to the second channel subgroup group are oriented. Consequently, the first and second channel subgroups are not to be directed unidirectionally in one direction but in counter-current arrangement of the channels across or under the first channel group. Both channel subgroups are preferably fed with the same heat transfer fluid at the same temperature. The channel sub-groups are thus connected in counter-flow heat exchanger assembly and tau ¬ rule therefore mutually and together with the fluid to be tempered in he first channel group warmth. The counterflow arrangement advantageously brings about a particularly uniform heat source on the fluid to be tempered.
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. The individual channels of the first and second channel subgroups are arranged either per subgroup in a planar alternating manner (only one channel subgroup per level) or - particularly preferably - in common planes, but in alternating order in opposite directions (both channel subgroups common planes).
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 . The in the second alternative mentioned (both channel sub-common levels) alternately opposite to each other expanding channels of the second group can be arranged to save space and with low Zwischenwandungsstärken into each other. The heat exchanged countercurrently within the second group of channels makes it possible in particular to compensate for heat exchanged with the first group of channels, which significantly brings the aim of equal temperature application to the fluid flows in all channels of the first group of channels through the second group of channels. The feeds for the second channel group are - as mentioned above - by inlet channels, of which preferably each superposed channels open. The inlet channels are preferably orthogonal to the film planes and through the entire film stack extending holes or recesses, which open into the microchannels, ie from above and / or below in the heat exchanger. The on the other hand obligations for the second channel group carried laterally out of the heat exchanger terminating in corresponding sealing seeded ¬ collecting volumes. The arrangement of the inlet and outlet of the first channel group takes place at the not yet occupied by the An ¬ conclusions of the second channel group end faces of the heat exchanger.
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 The invention will be explained below with reference to exemplary embodiments, which are optionally also combinable or expandable with individual or all of the aforementioned measures. Show it
Fig.l eine schematische Aufsicht einer ersten Ausführung mit Kanäle beider Kanalgruppen in einem Folienstapel, 1 shows a schematic plan view of a first embodiment with channels of both channel groups in a foil stack,
Fig.2 die in Fig.l dargestellte Ausführungsform, jedoch mit zusätzlichen Aussparungen abseits der Kanäle, 2 shows the embodiment shown in Fig.l, but with additional recesses away from the channels,
Fig.3a und b eine schematische Aufsicht weiterer Ausführungen des Kreuzstromwärmetauschers mit unterschiedlichen Temperierungsdynamiken für die temperierenden Fluide in der ersten Kanalgruppe sowie 3a and b is a schematic plan view of further embodiments of the cross-flow heat exchanger with different Temperierungsdynamiken for the temperature-controlling fluids in the first channel group and
Fig.4 und b schematische Aufsichten zweier Ausführungsformen mit Gegenstromanordnung der zweiten Kanalgruppe. Figures 4 and b are schematic plan views of two embodiments with countercurrent arrangement of the second channel group.
Alle in den Figuren dargestellte Ausführungsformen zeigen beispielhaft Mikrowärmeübertrager, umfassend einen Stapel Folien oder Platten mit eingearbeiteten Kanälen. All embodiments shown in the figures show by way of example micro heat exchanger, comprising a stack of films or plates with incorporated channels.
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. All embodiments shown in schematic plan view in FIGS. 1 to 3 show features of the invention by way of example using cross-flow micro-heat exchanger designs, each consisting of a film 2 (film stack) structured with microchannels 1 and stacked one above the other. The Ka- Valves of the first channel group 3 for the fluid to be tempered, and the channels of the second channel group 4 for the heat carrier fluid as tempering medium are each arranged plane-wise and preferably each on a separate film surface, wherein the channels structured surfaces in the stack on each of an unstructured film surface are covered. The two channel groups intersect in the heat exchanger. The crossing regions, ie the regions which are cut by both channel groups, form, to a first approximation, the heat transfer regions 5. De facto, with an exact design of the heat transfer regions, the adjacent material regions and channel walls are to be evaluated and recorded as active heat conduction and / or heat exchange surfaces. The first channel group comprises groove-shaped straight-line channels, each with the same and over the entire channel length of the same width and depth. By contrast, the second channel group comprises a channel width which increases linearly with the flow direction 9 through the channels, over the entire channel length or, as shown, at least in the region of the heat transfer regions.
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. What is essential is that with respect to the flow direction 9 of the heat transfer fluid in the second channel group, the size of the heat transfer regions 5 arranged serially in each channel increases together with the channel width of the second channel group (linear in the example). Thus, the exchanged at previous exchanged between the channel groups amounts of heat with the associated lower temperature differences between the fluid to be tempered and the heat transfer fluid by correspondingly larger heat transfer areas. In each heat transfer region of each channel of the second channel group, at least approximately equal heat transfer to the fluid to be tempered in the first channel group is achieved. All films preferably have the same dimensions. Preferably, the thicknesses and the depths of the microchannels per channel group are also constant. They are preferably congruently cut out and stacked and have on the side of the heat exchanger wall 6 connection funnel 7 with inlets and outlets 8 for the two fluids mentioned. The heat transfer areas are preferably on both sides of the ikrokanäle ¬ ordered ordered preferably have the same thickness and there ¬ heat transfer paths between the channels of the two channel groups. Calculated flow in the interpretation of the heat transfer areas in addition to the crossing area extension and the material thickness with a. A better heat transfer with lower heat losses flowing laterally out of the heat transfer areas can basically be utilized by a small material thickness on the one hand, but also by recesses 10 shown by way of example in FIG. 2 in film areas not used for the heat transfer in the heat transfer medium.
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. FIGS. 1 and 2 each show an embodiment in which all channels of the second channel group have identical dimensions and, crossing at a constant distance between adjacent channels, intersect the channels of the first channel group. 2 shows the aforementioned recesses in not used for the heat transfer areas. Not only do they not have to be tempered in an advantageous manner, but they can also be used as additional heat barriers and thus serve to reduce the abovementioned loss heat flow in or out of the heat exchanger. The recesses are either as breakthroughs through the entire film thickness or the film stack (see Fig.2) or as one-sided incorporated not extending through the entire film thickness blind channels or blank volumes between the individual channels of the same level.
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. 3a and b show schematically exemplary embodiments, which in the basic structure of the embodiment according to. Fig.l correspond, However, differ by non-constant distances of the channels of the second channel groups with each other.
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 The embodiment disclosed in FIG. 3a has a smaller distance between two channels 4 of the second channel group in the inflow region 11 of the first channel group than in the outflow region 12 of the first channel group. This means that the heat transfer takes place near the said inflow region, i. the fluid to be tempered preferably immediately after entry into the heat exchanger due to the high temperature differences of the fluids in the two channel groups to each other at high temperature change rates strongly tempered, preferably strongly cooled (quenched) is. After the initial strong tempering takes place with increasing approximation of the fluid to be tempered to the outflow region 12 of the first channel group, a further continuous temperature due to increasing distances between two channels 4 of the second channel group with lower temperature change rates. The
Temperaturprofil (über die Kanallänge der ersten Kanalgruppe) geht nach einer anfänglichen Temperaturänderung mit großen Temperaturänderungsraten in einen nachfolgenden Bereich mit moderaten Temperaturänderungsraten über. Temperature profile (beyond the channel length of the first channel group), after an initial temperature change with large rates of temperature change, passes into a subsequent range with moderate rates of temperature change.
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. Conversely, FIG. 3 b discloses an embodiment which, in the inflow region 11 of the first channel group, has a greater distance between two channels 4 of the second channel group than in the outflow region 12 of the first channel group. Thus, in contrast to the embodiment disclosed in FIG. 3a, the heat transfer areas in the heat exchanger concentrate towards the discharge area 12 of the first channel group. As a result, the temperature profile over the channel length of the first channel group reduces in particular the high temperature change rates near the inflow region of the first channel group, while these rates of change in the outflow region increase again due to the higher density of active heat transfer regions. Basically, the temperature change rate on the channel lengths corresponding to the data transmitted between the two channel groups ¬ amount of heat behavior. This is generally a ¬ each other hand, from the differences in temperature of the fluids in the two channel groups, on the other hand, ie the intersection ¬ areas between the two channel groups enced substantially affect the size and distribution density of the heat transfer regions. Consequently, FIGS. 3a and b with variable channel spacings of the second channel group each represent only one possible mode of implementation. A similar effect is achieved by using, for example, a decreasing channel width of the second channel group for temperature profile measuring over the channel length of the first instead of an increasing channel spacing.
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 On the other hand, Figs. A and 4b show embodiments in which the second channel group is divided into two equal channel subgroups, the first channel subgroup 15 being in countercurrent, i. alternately to the second channel subgroup 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.  (Countercurrent arrangement) is oriented transversely above or below the channels 3 of the first channel group. The inflow region of the two channel subgroups of the second channel group is formed by inlet channels 17, of which preferably each one above the other lying channels of the same channel subgroup.
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. As in the micro-heat exchanger shown, the inlet channels 17 are preferably apertures through the individual film planes and through the entire film stack as holes or recesses which open into the microchannels, ie from above and / or below into the heat exchanger. Preferably, the inlet channels have means which limit a premature interaction of the heat carrier fluid flows in the inlet channels 17, ie even before entering the channels 4 of the second channel group on the laterally adjacent channels 3 of the first channel group. These means preferably comprise non-inflatable structures, cavities or openings around the inlet channels or between the inlet channels and the adjacent channels 3 of the first channel group in the films in which the first channel group is arranged. Alternatively or additionally, the inlet channels can be lined inside by a thermal insulation such as with a slotted or porous plastic pipe.
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. Both channel subgroups are preferably fed with the same heat transfer fluid at the same temperature. The counterflow arrangement advantageously brings about a particularly uniform heat source on the fluid to be tempered.
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. Both subgroups are arranged nested on respective common levels. The channels are divided among each other by webs 18. A heat exchange between adjacent channels of different subgroups is expressly desired and is promoted by the fact that the webs and the heat transfer areas are made of the same preferably thermally conductive material of a film, preferably of a metal.
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. In order to reduce heat losses from the heat exchanger via the foils to the outside, the foil regions directly adjoining the inflow and outflow regions 11 to 14 are preferably with channel-like structures or other recesses which can not be flowed through, as illustrated by way of example only in FIG integrated in the slides (eg used) or fitted insulating provided.
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. A first preferred variant acc. 4a has channels of the second channel group, which have the same cross-sectional profile over the respective channel length for both channel subgroups. In the illustrated variant each extend a channel 15, 16 per channel subgroup as a channel pair over a rectangular area spanning the channels of the first channel group. In this case, each individual one of the channels 3 of the first channel group is advantageously covered and thermally influenced in the same channel section by the aforementioned channel pair. The distances of the channel pairs from one another are constant in FIG. 4a, but are configurable with different distances in a further variant according to the designs explained with reference to FIGS. 3a and b and the associated effects described.
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. By contrast, FIG. 4 b shows, by way of example, an alternative embodiment with different channel widths of the second channel groups. In the example, the first and the last channel 4 of the second channel group crossing the channels 3 of the first channel group extend narrower over the channel length than the remaining channels of the second channel group. Preferably, they are thus designed so that each one of the channels 3 of the first channel group in the same channel section covered by the channels of the second channel group and thermally affected.
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 : The latter design measure fundamentally improves, and also applies to all other embodiments shown, a uniform tempering (preferably heating) of the fluid to be tempered in all channels 3 of the first channel group. This effect can be further improved by an improved heat and / or mass transfer between adjacent channels of the first channel group with each other, for example by transfer openings between the channels or by narrow webs between the channels of a thermally conductive material (eg channels in a metal foil). Literatu:
[1] DE 37 09 278 C2  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 [2] Schubert, K. et al. : Microstructure Devices for Applications in Thermal and Chemical Process Engineering; Microscale Thermophysical Eng. 5 (2001) p.17-39
Bezugszeichenliste : List of reference numbers:
1 Mikrokanal 1 microchannel
2 Folie  2 foil
3 Kanal der ersten Kanalgruppe  3 channel of the first channel group
4 Kanal der zweiten Kanalgruppe  4 channel of the second channel group
5 Wärmeübertragungsbereich  5 heat transfer area
6 Wärmetauscherwandung  6 heat exchanger wall
7 Anschlusstrichter  7 connection funnel
8 Zu-/Ablauf  8 inlet / outlet
9 Fließrichtung  9 flow direction
10 Aussparung  10 recess
11 Zuströmungsbereich der ersten Kanalgruppe 11 inflow region of the first channel group
12 Abströmungsbereich der ersten Kanalgruppe12 discharge area of the first channel group
13 Zuströmungsbereich der zweiten Kanalgruppe13 inflow region of the second channel group
14 Abströmungsbereich der zweiten Kanalgruppe14 outflow region of the second channel group
15 Kanal der ersten Kanaluntergruppe 15 channel of the first channel subgroup
16 Kanal der zweiten Kanaluntergruppe  16 channel of the second channel subgroup
17 Zulaufkanal  17 inlet channel
18 Steg  18 footbridge

Claims

Patentansprüche claims
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, 1. cross-flow heat exchanger for rapid temperature control of a fluid flow in a first channel group (3) by a heat transfer fluid flow in a second, the first crossing channel group (5) each having a plurality of channels (2), the channels per channel group in their own levels are arranged
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
sich die Kanäle der zweiten Kanalgruppe in ihrem jeweiligen Durchströmungsquerschnitt stromabwärts des Wärmeträgerflu- idstroms erweitern.  expand the channels of the second channel group in their respective flow cross-section downstream of the Wärmeträgerflu- idstroms.
2. Kreuzstrom-Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle der ersten Kanalgruppe über die gesamte Kanallänge jeweils einen gleichbleibenden 2. Cross-flow heat exchanger according to claim 1, characterized in that the channels of the first channel group over the entire channel length each have a constant
Durchströmungsquerschnitt aufweisen .  Have flow cross-section.
3. Kreuzstrom-Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle Kanäle der ersten Kanalgruppe denselben Durchströmungsquerschnitt aufweisen. 3. Cross-flow heat exchanger according to claim 1 or 2, characterized in that all channels of the first channel group have the same flow cross-section.
4. Kreuzstrom-Wärmeübertrager nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Kanäle der zweiten Kanalfraktion in eine Richtung ausgerichtet sind. 4. Cross-flow heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that all the channels of the second channel fraction are aligned in one direction.
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. 5. Cross-flow heat exchanger according to one of claims 1 to 3, characterized in that the channels of the second channel group are divided into two equal channel subgroups, wherein the first channel subgroup is arranged in countercurrent to the second channel subgroup.
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. 6. cross-flow heat exchanger according to claim 5, characterized in that the channels of the first and second channel subgroup on common planes away from the first channel group are arranged in alternating order.
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 . 7. Cross-flow heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that fluid feeds are formed for the heat transfer fluid flow through inlet channels from each of which open out the channels of the second channel group.
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. 8. Cross-flow heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the channels of both channel groups are incorporated as micro channels of two micro channel groups as grooves with narrowest flow cross sections between 0.001 mm 2 and 1 mm 2 in metal foils and the metal foils are joined together to form a film stack.
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