DE19917521B4

DE19917521B4 - Vorrichtung zum Erwärmen eines Fluids

Info

Publication number: DE19917521B4
Application number: DE19917521A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Schubert; Jürgen Brandner
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 1999-04-17
Filing date: 1999-04-17
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2019-04-18
Also published as: EP1046867B1; ATE263949T1; EP1046867A2; EP1046867A3; DE50005953D1; DE19917521A1

Abstract

Vorrichtung zum Erwärmen eines Fluids, bestehend aus mehreren Lagen mikrostrukturierter Folien (11), die in der Weise zu einem Stapel verbunden sind, dass Mikrokanäle (2) für ein Fluid (7) vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Stapeln nicht mikrostrukturierte Zwischenlagen (12) angeordnet sind, die Aussparungen aufweisen, in denen elektrische Heizelemente (9) eingesetzt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen eines Fluids mit einer Vielzahl von Mikrokanälen für die Ab- und Zufuhr des Fluids sowie einem, die Wärmeenergie auf das Fluid übertragenden Energieträger.

Es ist bekannt, Fluide durch elektrisch beheizte Elemente zu erhitzen, was den Vorteil hat, das sich die Temperaturregelung bei der Wärmeübertragung schnell und einfach mit Hilfe einer elektrischen Leistungsregelung realisieren lässt. In allen Fällen werden die Fluide durch den direkten Kontakt mit dem elektrisch auf hohe Temperatur gebrachten Heizelement aufgeheizt. Zur Übertragung größerer Leistungen muß jedoch wegen der kleineren Oberflächen der konventionellen Heizelemente die treibende Temperaturdifferenz groß sein, das heißt die Oberflächentemperaturen der Heizelemente müssen sehr hoch sein. Dies kann problematisch sein, wenn Fluide erhitzt werden sollen, die sensitiv gegen hohe Temperaturen und/oder lokale Überhitzungen sind, z. B. Milch. Auch haben konventionelle elektrische Heizapparate relativ niedrige Aufheizraten, das heißt, die erreichte Temperaturdifferenz pro Zeiteinheit ist gering und die Verweilzeiten sind, bedingt durch große aktive Wärmeübertragungsvolumina, relativ lang.

DE 24 32 904 A1 offenbart ein Heizelement zum Erhitzen von Strömungsmitteln durch direkte ohmsche Erwärmung in der Form eines elektrischen Widerstands-Heizkörpers mit Strömungskanälen. Ferner wird in der DE 34 06 238 A1 beispielhaft eine elektrische Heizpatrone offenbart.

Aus der DE 196 08 824 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Mikrowärmetauschern, bestehend aus mehreren Lagen mikrostrukturierter Folien, die in der Weise zu einem Stapel verbunden sind, dass Mikrokanäle für ein Fluid vorhanden sind, bekannt.

Ausgehend davon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Mikrostrukturapparat zu schaffen, mittels welchem Fluide mit kleinen Aufheizraten, kurzen Verweilzeiten und exakter Temperatursteuerung bei gleichzeitig technisch relevanten Durchsätzen aufgeheizt werden können. Unter Fluiden sind dabei sowohl Gase als auch Flüssigkeiten zu verstehen. Die Temperaturdifferenz zwischen dem zu erhitzenden Medium und der Oberfläche, von der die Leistung auf das Fluid übertragen wird, soll für bestimmte Anwendungen klein gehalten werden können.

Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung die Merkmale vor, die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführt sind.

Vorrichtungen zum Erwärmen eines Fluids mit Mikrokanälen bestehen im allgemeinen aus einem Stapel diffusionsverschweißter Metallfolien mit Foliendicken von z. B. 100 μm. In diese Metallfolien werden mit Hilfe formgeschliffener Werkzeuge die parallel zueinander verlaufenden Mikrokanäle für Fluidpassagen gegebenenfalls für eine zu erhitzende Flüssigkeit eingebracht. Die minimal zu realisierenden Kanalabmessungen liegen im Bereich von 10 μm. Die geometrische Form der Mikrokanäle ist frei wählbar. So sind zum Beispiel Rechteck- sowie auch kreisförmige Querschnitte möglich. Die Mikrokanäle können dabei auch unterschiedliche Abmessungen aufweisen. Um gleiche Durchflußmengenströme in den einzelnen Mikrokanälen einer Fluidpassage zu gewähr leisten, sind die Mikrokanäle einer solchen Fluidpassage untereinander gleich. Der charakteristische hydraulische Kanaldurchmesser von Mikrokanälen einer Fluidpassage i ergibt sich zum Beispiel aus der Beziehung: di = 4Ai/Ui,wobei
d_i = hydraulischer Durchmesser der Kanäle der Fluidpassage i
A_i = durchströmter Kanalquerschnitt der Fluidpassage i
U_i = benetzter Kanalumfang der Fluidpassage i
ist.

Vorrichtung zum Erwärmen eines Fluids der genannten Art sind allgemein dadurch gekennzeichnet, dass entweder die charakteristischen hydraulischen Kanaldurchmesser di oder die Kanalabmessungen a_i, wobei a_i die größte Abmessung eines Mikrokanals senkrecht zur Fluidpassage i ist, aller Mikrokanäle zumindest einer Fluidpassage i kleiner 1000 μm sind. Die kleinste Wandstärke b_i, das heißt der geringste Abstand zwischen einzelnen Fluidpassagen ist ebenfalls kleiner 1000 μm, vorzugsweise kleiner 200 μm zu wählen. Diese Aussagen gelten auch für den Fall, dass die Mikrokanäle einer Fluidpassage i untereinander unterschiedlich groß sind.

Die deutliche Erhöhung der Wärmeübertragungsleistung in solchen Vorrichtungen zum Erwärmen eines Fluids beruht darauf, dass durch die kleinen hydraulischen Kanaldurchmesser di, vor allem aber durch die kleinen Kanalabmessungen a_i, die Transportwege für zu übertragenden Wärmeströme sehr kurz sind. Gegenüber Wämedurchgangskoeffizienten von ca. 1000 W/K m in konventionellen Wärmeüberträgern ergeben sich in Vorrichtungen zum Erwärmen eines Fluids zur Wärmeübertragung Werte in der Größenordnung 20000 W/K m, bei Fluidpassagen mit d_i = 80 μm, a_i = 70μm. Die spezifische Wärmeübertragungsfläche kann dabei Werte größer 100 cm²/cm³ erreichen. Daraus resultiert insgesamt eine Steigerung der volumenspezifischen Wärmeübertragungsleistung um mindestens einen Faktor 100 gegenüber konventionellen Wärmeüberträgern.

Aus gewonnenen experimentellen Daten von Vorrichtungen zum Erwärmen eines Fluids zur Wärmeübertragung ergeben sich bei Verweilzeiten herunter bis zu wenigen Millisekunden Aufheizraten von bis zu 10000 K pro Sekunde. Daher kann ein Flüssigkeitsstrom von 400 kg/h in einem Vorrichtung zum Erwärmen eines Fluids von 1 cm³ aktivem Volumen bei 6 bar Eintritts- und 1 bar Austrittsdruck in 3 Millisekunden um 30°K erhitzt werden. Für größere Vorrichtung zum Erwärmen eines Fluids mit 27 cm³ aktivem Volumen ergeben sich Durchsätze von ca. 4000 kg/h. Unter dem aktiven Volumen eines Vorrichtung zum Erwärmen eines Fluidss ist das Volumen im Inneren zu verstehen, in welchem die Mikrokanäle verlaufen, wobei das Volumen von Deck- und Seitenplatten sowie das der Anschlüsse nicht mitgerechnet ist.

Bei der neuen Vorrichtung zum Erwärmen eines Fluids wird das zu erhitzende Fluid durch mindestens eine Ebene bzw. Schicht mit einer Vielzahl von nebeneinander liegenden Mikrokanälen bzw. Mikrodurchbrüchen geleitet, deren Querabmessungen wie bereits erwähnt kleiner 1000 μm sind, bevorzugt kleiner 500 μm, wobei unmittelbar angrenzend an diese fluidführende Ebene mindestens eine Schicht mit mindestens einem elektrisch beheizten Heizelement angeordnet ist, welches gegenüber dem Material der Fluidebene elektrisch isoliert ist. Für größere Durchsätze sind viele Ebenen bzw. Schichten mit Mikrodurchbrüchen für die Fluide abwechselnd mit Schichten mit elektrisch beheizten Heizelementen zu einer kompakten Einheit angeordnet, wie in den später beschriebenen 1 und 2 prinzipiell gezeigt.

Die Heizelemente können je nach Anwendung bezüglich des Stromflusses in Reihe oder parallel oder in einer Kombination davon geschaltet werden. Zur Erzeugung eines aufge prägten Temperaturprofils in Strömungsrichtung des zu erwärmenden Fluides können in den Heizschichten mehrere Heizelemente, – in Strömungsrichtung gesehen –, hintereinander angeordnet werden, die unterschiedliche elektrische Leistungen abgeben. Damit können die fluidführenden Mikrostrukturen, – wieder in Strömungsrichtung gesehen –, auf unterschiedliche Temperaturen aufgeheizt werden. Dadurch kann ein Temperaturprofil in der Vorrichtung zum Erwärmen eines Fluids zur Ausübung eines Verfahrens in dem strömenden Fluid erzeugt werden. Dies kann dann von Bedeutung sein, wenn z. B. in dem Vorrichtung zum Erwärmen eines Fluids ein chemischer, endothermer Prozess geführt wird, bei dem die Temperatur in Strömungsrichtung erst konstant gehalten und danach gezielt erhöht werden muss.

Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden und anhand der 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen:
die 1 die schematische Darstellung eines elektrisch beheizten Vorrichtung zum Erwärmen eines Fluids und
die 2 die weitere Ausführung eines solchen.
In der 1 ist nun eine Vorrichtung zum Erwärmen eines Fluids 1 schematisch dargestellt, in den elf Foliendoppelstücke eingebaut sind, die jeweils zusammengeschweißt und übereinander gestapelt elf Reihen von Mikrokanälen 2 ergeben. Jedes der Foliendoppelstücke enthält eine Vielzahl von Mikrokanälen mit 150 μm Breite und Höhe sowie einer Länge von 22 mm. Ihr hydraulischer Durchmesser liegt bei 133 μm. Die elf zusammengeschweißten Foliendoppelstücke sind jeweils an ihren Rändern übereinander mit zehn Abstandsstücken 3 zu einem Block verschweißt, so dass durch die Abstandstücke 3 flache Hohlräume 4 zwischen den Foliendoppelstücken gebildet werden, in welche plattenförmige, keramische elektrische Heizelemente 5 eingesetzt werden. Auf die Stirnseiten der Vorrichtung zum Erwärmen eines Fluids 1 mit den Öffnungen der Mikrokanäle 2 sind hohle Adapterstücke 6 gesetzt, durch welche das zu erwärmende Fluid 7 in die Mikrokanäle 2 geleitet wird. Der Vorrichtung zum Erwärmen eines Fluids 1 ist oben und unten mit zwei Endplatten 7 komplettiert, die mit den Strukturen der Foliendoppelstücke sowie der Abstandsstücke 3 zu einem geschlossenen Block diffusionsverschweißt sind.
Als Material für direkt einsetzbare Heizelemente 5 werden neben der bereits erwähnten elektrisch leitfähigen Keramik Materialien mit einem relativ hohen spezifischen Widerstand verwendet. In Frage kommen neben anderem z. B. Tantal, Titan, Wolfram, Konstantan und Fecralloy, wobei letzteres auf seiner Oberfläche eine Chromoxyd-Aluminiumoxyd-Schutzschicht ausbildet, die eine natürliche Isolierung bildet. Letztlich können die beheizten Schichten oder Heizelemente aber auch aus einem anderen Metall bzw. einer Metalllegierung mit einer Oxydschicht auf der Oberfläche zur Isolierung bestehen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Erwärmen eines Fluids ist in der 2 dargestellt. Bei dieser Vorrichtung 13 werden Widerstandsheizpatronen 9 zum Heizen verwendet. Zwischen zwei Stahlplatten 10 als Deckel und Boden der Vorrichtung zum Erwärmen eines Fluids sind jeweils mehrere mit Mikrokanälen 14 strukturierte Stahlfolien 11 und Zwischenlagen 12 als beheizte Schichten in alternierender Ordnung übereinander geschichtet und miteinander diffusionsverschweißt. In die mikrostrukturierten Folien 11 sind jeweils eine Vielzahl von Mikrokanälen 14 für das Fluid 7 mit etwa den bereits angeführten Abmessungen eingebracht. Die Heizpatronen 9 sind in Bohrungen der Zwischenlagen 12 eingeschoben. Der Fluidanschluß an die Mikrokanäle 14 erfolgt mittels nicht dargestellter Standardfittings die als Verbindungsstücke dienen. Abhängig von der Zahl und der Leistung der Heizpatronen 9 kann die Gesamtleistung einer solchen Vorrichtung zum Erwärmen eines Fluids 13 im Bereich von einigen 100W bis zu mehreren kW liegen.

1: Vorrichtung zum Erwärmen eines Fluids
2: Mikrokanäle
3: Abstandsstücke
4: Hohlräume
5: Heizelemente
6: Adapterstücke
7: Fluid
8: Endplatten
9: Heizpatronen
10: Stahlplatten
11: Folien
12: Zwischenlagen als beheizte Schichten
13: Vorrichtung zum Erwärmen eines Fluids
14: Mikrokanäle

Claims

Vorrichtung zum Erwärmen eines Fluids, bestehend aus mehreren Lagen mikrostrukturierter Folien (11), die in der Weise zu einem Stapel verbunden sind, dass Mikrokanäle (2) für ein Fluid (7) vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Stapeln nicht mikrostrukturierte Zwischenlagen (12) angeordnet sind, die Aussparungen aufweisen, in denen elektrische Heizelemente (9) eingesetzt sind.