EP2431700A2 - Cross-flow micro heat exchanger - Google Patents

Abstract

The heat exchanger has a micro channel group (3) with micro channels (2) for flow of fluid to be tempered, and another micro channel group (5) with micro channels for flow of heat carrier fluid to temper the fluid to be tempered. Width and cross-section of each channel of the former group are increased in an upward direction of the latter group. Bars are arranged between the channels and have constant width, where the channels have constant distance to each other. The channels are formed as grooves in plates or films (1), where the films are joined together to form a film stack.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kreuzstrom-Wärmeübertrager, vorzugsweise einen Kreuzstrom-Mikrowärmeübertrager gemäß des ersten Patentanspruchs.The invention relates to a cross-flow heat exchanger, preferably a 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 Wärmeträgerfluidstrom in einer zweiten, die erste kreuzenden Kanalgruppe temperiert wird. Jede der Kanalgruppen weist eine Vielzahl vorzugsweise über ihre gesamte Länge parallel verschalteter und vorzugsweise auch parallel verlaufender Kanäle auf. Vorzugsweise sind die Kanäle je Kanalgruppe - wie bei Kreuzstrom-Wärmeübertragern üblich - parallel zueinander und vorzugsweise geradlinig auf einer Ebene angeordnet. Üblicherweise sind die erste und zweite Kanalgruppe mit oder ohne Zwischenlagen ohne Kanäle 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-Wärmeübertrager.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 transfer fluid flow in a second, the first crossing channel group. Each of the channel groups has a plurality of preferably over their entire length connected in parallel and preferably also parallel channels. Preferably, the channels per channel group - as usual in cross-flow heat exchangers - parallel to each other and preferably arranged in a straight line on a plane. 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 entirety of the channels of a channel group preferably forms a passage through the cross-flow heat exchanger.

In der [1] wird beispielhaft neben anderen Bauformen ein Kreuzstrom-Mikrowärmeübertrager offenbart, bei dem die Mikrokanäle 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 Schweißen miteinander verbunden, wobei die mit Rillen strukturierten Folienseiten jeweils an einer unstrukturierten Seite der benachbarten Folie anliegen.In [1], among other designs, a cross-flow micro heat exchanger is disclosed, in which the microchannels are integrated in layers as a plurality of parallel grooves on one side in metal foils. The films are preferably cut out square and stacked with the grooves crosswise alternately rotated by preferred 90 ° and connected together by gluing, soldering or welding, 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 Wärmeträgerfluids nicht kreuzen, sondern parallel zueinander geführt werden.As an alternative to a cross-flow heat exchanger, countercurrent and direct current 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 a use of cross-flow micro heat exchanger of the aforementioned type speak not only the outstanding thermal properties, described for example in [2] , but also easier compared to DC or Gegenstromwärmeübertragern because not intertwined to be realized and low-loss inlets and outlets 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 Wärmeübertragungsfluids verändert.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.

Eine wirtschaftliche und in allen Kanälen einer jeden Kanalgruppe gleichförmige Temperierung, d.h. Erhitzung oder Abkühlung der Fluide ist 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 Wärmeträgerfluidstrom realisierbar. Dies kann nur mit einem signifikant erhöhten Massenstrom an Wärmeübertragungsfluid erfolgen, was nicht nur den Wirkungsgrad, sondern auch die Wirtschaftlichkeit reduziert.An economical and in all channels of each channel group uniform temperature, ie heating or cooling of the fluids is virtually impossible 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 significantly increased Mass flow of heat transfer fluid done, which not only reduces the efficiency, but also the efficiency.

Folglich liegt die Aufgabe der Erfindung darin, ein weiter verbessertes Kreuzstromwärmeübertragersystem vorzuschlagen, das die vorgenannten Einschränkungen nicht aufweist und insbesondere eine gleichförmige Temperierung der Fluide in allen Kanälen je Kanalgruppe ermöglicht.Accordingly, the object of the invention is to propose a further improved cross-flow heat transfer system which does not have the aforementioned limitations and in particular allows a uniform temperature control of the fluids in all channels per channel group.

Die Aufgabe wird durch einen Kreuzstrom-Mikrowärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen wieder.The object is achieved by a cross-flow micro heat exchanger having the features of claim 1. Subclaims 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. 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 sind im Rahmen der möglichen Ausführungsformen nicht ausgeschlossen. Wesentlich ist, dass sich zwei Kanäle aus benachbarten Ebenen mit unterschiedlicher Kanalgruppenzugehörigkeit kreuzen und in diesen Kreuzungen Wärmeübertragungsbereiche für eine Wärmeübertragung zwischen den angrenzenden Kanälen entstehen.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. 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 levels without channels or adjacent levels with channels from the same channel group are not excluded within the scope of the possible embodiments. It is essential that two channels from adjacent levels cross with different channel group membership and heat transfer areas for heat transfer between the adjacent channels arise in these intersections.

Vorzugsweise ist der Kreuzstrom-Wärmeübertrager als Kreustrom-Mikrowärmeübertrager 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 gefertigt, wobei die Mikrokanäle der Mikrokanalgruppen als Rillen einseitig oder beidseitig in die Platten oder Folien eingearbeitet und die Folien durch Pressung, Klebung, Lötung oder Schweißung zu einem Folienstapel zusammengefügt sind. Die Ein- und Austritte der Mikrokanäle sind seitlich, für jede Kanalgruppe bevorzugt auf einer eigenen Seitenfläche.Preferably, the cross-flow heat exchanger is designed as a Kreustrom-Mikrowärmeübertrager, the channels are micro-channels, with narrowest cross sections between 0.001 mm ² and 1 mm ^2, and preferably with closest cross-sectional dimensions between 0.01 mm and 1 mm. Micro heat exchanger are preferably made of plate or film stacks, wherein the microchannels of the microchannel groups are incorporated as grooves on one side or both sides in the plates or films and the films are joined together by pressing, gluing, soldering or welding to form a film stack. The inlets and outlets of the microchannels are laterally, for each channel group preferably on its own side surface.

Die Grundidee liegt darin, die Fluidströme in allen Kanälen der ersten und zweiten Kanalgruppe allein durch geometrisch individuelle Gestaltung der Kreuzungen und damit der thermischen Übertragungswege in den Wärmeübertragungsbereichen in Summe gleich zu temperieren. Damit wird in vorteilhafter Weise in Summe eine gleiche Temperaturänderung des Fluidstroms in der ersten Kanalgruppe wie auch des Wärmeträgerfluidstroms in der zweiten Kanalgruppe realisiert. Damit werden die Austrittstemperaturen der zu temperierenden Fluide und des Wärmeträgerfluids in engen Temperaturintervallen 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 weisen beide den Wärmeübertrager verlassende Fluidströme je 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, bei dem beide eingesetzten Fluide in beiden Mikrokanalgruppen und nicht nur das Fluid in der ersten Mikrokanalgruppe verfahrenstechnisch verändert werden.The basic idea is to equalize the fluid flows in all channels of the first and second channel group just by geometrically individual design of the intersections and thus the thermal transmission paths in the heat transfer areas in total. Thus, an equal temperature change of the fluid flow in the first channel group as well as the heat carrier fluid flow in the second channel group is realized in an advantageous manner in total. Thus, the outlet temperatures of the fluids to be tempered and the heat transfer fluid are kept in close temperature intervals. 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, both fluid flows leaving the heat exchanger per channel group have a homogeneous temperature and can be introduced directly without intervening mixer stage, for example in a reactor or another heat exchanger. The claimed cross-flow heat exchanger or cross-flow micro heat exchanger is thus particularly suitable for use in process engineering Processes in which both fluids used in both micro-channel groups and not only the fluid in the first micro-channel group are procedurally changed.

Als Variationsparameter dienen nicht nur die spezifische Kontaktfläche der Fluidströme zu den Kanalwandungen, sondern auch die Fluidstromdichte oder der Massenstrom an den Kreuzungen.Not only the specific contact surface of the fluid flows to the channel walls, but also the fluid flow density or the mass flow at the intersections serve as variation parameters.

Wesentlich ist, dass die Kanäle einer jeden Ebene für sich, d.h. beide Kanalgruppen unterschiedliche geometrische Abmessungen in ihren Kanälen (z.B. Querschnitt, Breite) und/oder in den Kanalabständen und/oder Stegbreiten aufweisen. Dabei nimmt in jeder Ebene die Kanalbreite oder der Kanalquerschnitt in stromaufwärts der jeweils anderen Kanalgruppe gelegener Richtung, d.h. zu den jeweiligen Fluideintritten der jeweils anderen Kanalgruppe hin zu. Durch diese Variation ändert man das Wärmeübertragungsverhalten in den Wärmeübertragungsbereichen der Kreuzungen.It is essential that the channels of each level are separate, i. both channel groups have different geometric dimensions in their channels (e.g., cross-section, width) and / or in channel spacings and / or land widths. In this case, in each plane, the channel width or the channel cross-section increases in the direction upstream of the respective other channel group, ie. to the respective fluid inlets of the other channel group towards. By this variation, one changes the heat transfer behavior in the heat transfer areas of the crossings.

Vorzugsweise wird die Aufgabe durch einen Kreuzstrom-Mikrowärmeübertrager gelöst, bei dem die Kanäle in beiden Kanalgruppen je Ebene mit unterschiedlichen, vorzugsweise abgestuften Querschnitten ausgebildet sind. 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 object is achieved by a cross-flow micro heat exchanger, in which the channels are formed in two channel groups per level with different, preferably stepped cross-sections. 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.

Die Abstufung der Querschnitte und der vorgenannten Kanalbreiten je Ebene erfolgt vorzugsweise in kontinuierlichen Schritten mit jedem Kanal stets zu- oder abnehmend, wobei der Kanal mit dem größten Querschnitt bzw. der größten Breite nahe den Fluideintritten der jeweils kreuzenden Kanäle der anderen Kanalgruppe angeordnet ist. Die folgenden Kanäle auf der Ebene weisen stufenweise immer kleinere Querschnitte oder Breiten auf, wobei der Kanal mit dem kleinsten Querschnitt nahe den Fluidaustritten der jeweils kreuzenden Kanäle der anderen Kanalgruppe angeordnet ist.The gradation of the cross sections and the aforementioned channel widths per level is preferably always in continuous steps with each channel increasing or decreasing, wherein the channel is arranged with the largest cross section or the largest width near the fluid inlets of the respective intersecting channels of the other channel group. The following channels on the level gradually show smaller and smaller sections or widths on, wherein the channel with the smallest cross-section is arranged near the fluid exits of the respective intersecting channels of the other channel group.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, das optional auch mit einzelnen oder allen vorgenannten Maßnahmen zusätzlich kombinierbar oder erweiterbar ist. Es zeigtThe invention is explained below with reference to an embodiment, which is optionally also combinable or expandable with individual or all the above measures. It shows

Fig. 1 eine perspektivische abschnittsweise Darstellung eines Kreuzstrom-Mikrowärmeübertragers. Fig. 1 a perspective sectional view of a cross-flow micro heat exchanger.

Der in Fig. 1 dargestellte Kreuzstrom-Mikrowärmeübertrager besteht aus Folien 1 mit rillenförmigen geradlinig eingearbeiteten Kanälen 2 einer ersten Kanalgruppe 3 für ein zu temperierendes Fluid (Fluidstromrichtung 4) sowie einer zweiten Kanalgruppe 5 für ein Wärmeträgerfluid (Fluidstromrichtung 6). Die zum Betrachter hinweisenden Stirnflächen 7 umfassen jeweils die Fluideintritte. Zwischen zwei Kanälen einer Folie befindet sich ein Steg als Kanalbegrenzung sowie zur Kanaltrennung. Jede Folie mit Kanälen weist nur Kanäle einer Kanalgruppe auf und grenzt einseitig oder beidseitig vorzugsweise stets an Folien mit Kanälen der jeweils anderen Kanalgruppe an. Die Kanäle weisen gleiche Tiefen und unterschiedliche Breiten auf. Die Fluidanschlüsse des Kreuzstrom-Mikrowärmeübertragers sind in Fig. 1 nicht dargestellt. Im Ausführungsbeispiel weisen alle Kanäle 2 beider Kanalgruppen eine Tiefe von 0,1 mm sowie eine Stegbreite zwischen den Mikrokanälen ebenfalls von 0,1 mm auf. Die Folien 1 bestehen im Ausführungsbeispiel aus VA-Stahl (18-8-Chrom-Nickel-Stahl) und weisen eine Stärke von 0,2 mm auf.The in Fig. 1 illustrated cross-flow micro heat exchanger consists of films 1 with groove-shaped rectilinear 2 incorporated channels of a first channel group 3 for a fluid to be tempered (fluid flow direction 4 ) and a second channel group 5 for a heat transfer fluid (fluid flow direction 6 ). The facing to the viewer end surfaces 7 each include the fluid inlets. Between two channels of a film is a web as a channel boundary and channel separation. Each film with channels has only channels of a channel group and preferably one-sided or two-sided always adjacent to films with channels of the other channel group. The channels have equal depths and different widths. The fluid connections of the cross-flow micro heat exchanger are in Fig. 1 not shown. In the exemplary embodiment, all channels 2 of both channel groups have a depth of 0.1 mm and also a web width between the microchannels of 0.1 mm. The foils 1 in the exemplary embodiment consist of VA steel (18-8-chromium-nickel steel) and have a thickness of 0.2 mm.

Im Folgenden wird die rechnerische Ermittlung der individuellen Abstufungen der Breiten und damit der Querschnitte der Mikrokanäle der beiden Kanalgruppen beschrieben. Die Querschnitte und Abstufungen sind im konkreten Ausführungsbeispiel für beide Kanalgruppen identisch, wobei sich die Anmeldung nicht nur auf diese Ausführungsform beschränkt. Die Berechnung erfolgt somit unter der Annahme, dass in beiden Kanalgruppen identische thermische Kapazitätsströme, z.B. die gleichen Massenströme des gleichen Fluids durchgesetzt werden. Dies wird insbesondere durch eine ähnliche oder gleiche Wärmeleitzahl und Viskosität realisiert. Als Eintrittstemperaturen werden für die erste Kanalgruppe 8°C, für die zweite Kanalgruppe 95°C angenommen.In the following, the computational determination of the individual gradations of the widths and thus the cross sections of the microchannels of the two channel groups will be described. The cross sections and gradations are in the concrete embodiment for both channel groups identical, the application is not limited to this embodiment. The calculation is thus based on the assumption that in both channel groups identical thermal capacitance currents, for example the same mass flows of the same fluid, are enforced. This is realized in particular by a similar or identical thermal conductivity and viscosity. Entry temperatures are assumed to be 8 ° C for the first channel group and 95 ° C for the second channel group.

Für die Abstufung oder Verringerung der Breiten B_n der Mikrokanäle für beide Kanalgruppen gilt folgende Beziehung $$B_n=\left(\frac{1}{4,1}-\frac{1}{208}\mathrm{.}n+\frac{1}{1,3\cdot n^2}\right)\cdot B_1$$

For the gradation or reduction of the widths B _{n of} the microchannels for both channel groups, the following relationship holds $$B_n=\left(\frac{1}{4.1}-\frac{1}{208}\mathrm{,}n+\frac{1}{1.3\cdot n^2}\right)\cdot {\mathrm{<figure-callout\; id="1"\; label="B"\; filenames="imgf0001.png"\; state="\{\{state\}\}">B</figure-callout>}}_1$$

Dabei ist n die laufende Nummer des Kanals (n= 1, ..., N), beginnend mit dem breitesten Mikrokanal (Breite B₁ in mm) vorzugsweise parallel nahe den fluideintrittsseitigen Stirnflächen der kreuzenden Mikrokanäle. Ergibt sich für B_n ein Wert kleiner 0,05 mm, erfolgt vorzugsweise (und im Rahmen der vorliegenden Berechnung) eine Aufrundung dieses B_n-Wertes auf einen Wert von 0,05 mm.In this case, n is the serial number of the channel (n = 1,..., N), starting with the widest microchannel (width B ₁ in mm), preferably parallel near the fluid-entry-side end faces of the intersecting microchannels. If a value of less than 0.05 mm is found for B _n , a rounding-off of this B _n value to a value of 0.05 mm preferably takes place (and in the context of the present calculation).

Die Breite des breitesten Mikrokanals berechnet sich zu $$B_1={10}^{-3}\cdot \left(-3,3\cdot N+800\right)\cdot \frac{\left(0,314-0,815\cdot \mathrm{ln\lambda }\right)}{0,69}\left[\mathrm{mm}\right]$$

wobei N die Gesamtzahl der Mikrokanäle pro Ebene (Folie) ist und zwischen 10 und 60 liegt sowie λ die Wärmeleitzahl in W/mK des jeweiligen Fluids in den Kanälen. Die Stegbreiten sind zumindest für jede Kanalgruppe konstant und vorzugsweise im Bereich zwischen 10 und 15% von B₁.The width of the widest microchannel is calculated to $${\mathrm{<figure-callout\; id="1"\; label="B"\; filenames="imgf0001.png"\; state="\{\{state\}\}">B</figure-callout>}}_1={10}^{-3}\cdot \left(-3.3\cdot N+800\right)\cdot \frac{\left(0.314-0.815\cdot \mathrm{ln\lambda }\right)}{0.69}\left[\mathrm{mm}\right]$$

where N is the total number of microchannels per plane (foil) and is between 10 and 60 and λ is the thermal conductivity in W / mK of the respective fluid in the channels. The ridge widths are constant at least for each channel group, and preferably in the range between 10 and 15% of B ₁ .

In analoger Weise, d.h. mit grundsätzlich den gleichen Formeln lassen sich anstelle der Abstufungen der Breite B_n auch die der Querschnittsflächen An der Kanäle berechnen. Die Stegbreite ist dabei zu korrigieren. Vorzugsweise wird hier der Kanalabstand zwischen den Mittellinien der einzelnen Kanäle herangezogen, der sich zu der Stegbreite zuzüglich der mit (1) berechneten Breite B_n bei einer zugrundeliegenden Kanaltiefe summiert.In an analogous manner, ie with basically the same formulas can be calculated instead of the gradations of the width B _n and the cross-sectional areas at the channels. The web width is to be corrected. Preferably, the channel spacing between the center lines of the individual channels is used here, which adds to the web width plus the width B _n calculated with (1) at an underlying channel depth.

Tab. 1 zeigt die unter den vorgenannten Annahmen und Beziehungen ermittelten Kanalbreiten B_n und die Austrittstemperaturen von kalter (Wärme aufnehmender) und warmer (Wärme abgebender) Kanalgruppe eines Kreuzstrom-Mikrowärmeübertragers, ausgelegt für Wasser (λ = 0,5562 W/mK). Bei dem Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Mikrowärmeübertrager im Kreuzstrom mit quadratischen Folien mit jeweils 34 Mikrokanälen. Die Tiefe der Mikrokanäle beträgt 0,1 mm, die Breite der Stege zwischen den Mikrokanälen 0,1 mm. Der Massendurchsatz pro Folie beträgt 1kg/h, wobei die Folien eine Abmessung von 10 x 10 mm aufweisen und einseitig auf 8 mm Breite mit 0,1 mm tiefen Kanälen strukturiert sind. Table 1 shows the channel widths B _n determined under the aforementioned assumptions and relationships and the outlet temperatures of cold (heat-receiving) and warm (heat-emitting) channel group of a cross-flow micro heat exchanger, designed for water (λ = 0.5562 W / mK). The exemplary embodiment is a cross-flow micro heat exchanger with square foils each having 34 microchannels. The depth of the microchannels is 0.1 mm, the width of the webs between the microchannels 0.1 mm. The mass throughput per film is 1 kg / h, the films have a dimension of 10 x 10 mm and are structured on one side to 8 mm wide with 0.1 mm deep channels.

Zudem ergibt sich, dass die Austrittstemperaturen bei der beschriebenen Ausfürhungsform mit abgestuften Kanalbreiten in allen Kanälen beider Kanalgruppen bis auf ±4% (Bezug auf °C) und ±0,6% (Bezug auf Kelvin) gleich sind.In addition, it follows that the exit temperatures in the described embodiment with graduated channel widths in all channels of both channel groups are equal to ± 4% (referenced to ° C) and ± 0.6% (refer to Kelvin).

Für den Fall, dass ein größeres Temperaturintervall von ±8% (Bezug auf °C) für die aus den Mikrokanälen austretenden Fluide einer Kanalgruppe tolerierbar ist, berechnen sich die Breiten mit n = 1,..., N zu $$B_n=\left(\frac{1}{n^{1\sqrt{2}}}\right)\cdot B_1$$

Tabelle 1: Kanalbreiten und Austrittstemperaturen Kanal-Nr.: Kanal-breite Austrittstemperatur kalte Passage Austrittstemperatur warme Passage in mm in K in °C in K in °C Kanal 1 0,706 324,6 51,4 322,7 49,5 Kanal 2 0,299 322,7 49,5 325,5 52,3 Kanal 3 0,221 323,1 50,0 325,2 52,1 Kanal 4 0,191 323,2 50,0 325,4 52,2 Kanal 5 0,176 323,0 49,9 325,7 52,5 Kanal 6 0,166 322,8 49,7 326,0 52,9 Kanal 7 0,159 322,5 49,4 326,4 53,3 Kanal 8 0,153 322,3 49,1 326,8 53,7 Kanal 9 0, 148 322,0 48,8 327,2 54, 1 Kanal 10 0,143 321,7 48,6 327, 6 54,4 Kanal 11 0,139 321,5 48, 3 327,9 54, 8 Kanal 12 0,135 321,3 48,2 328,2 55,0 Kanal 13 0,131 321,2 48,0 328,4 55,3 Kanal 14 0,127 321,1 47, 9 328,6 55,4 Kanal 15 0,123 321,0 47, 9 328,7 55,5 Kanal 16 0,119 321,0 47,9 328,7 55, 6 Kanal 17 0,116 321,0 47, 9 328,8 55, 6 Kanal 18 0,112 321,1 47, 9 328,7 55,6 Kanal 19 0,109 321,2 48,0 328,7 55,5 Kanal 20 0,105 321,3 48,2 328,5 55,3 Kanal 21 0,102 321,5 48,4 328,3 55,2 Kanal 22 0,098 321,8 48,6 328,0 54, 9 Kanal 23 0,095 322,0 48, 9 327,7 54, 6 Kanal 24 0,091 322,3 49,2 327,4 54,2 Kanal 25 0,088 322, 6 49,5 327,0 53,9 Kanal 26 0,085 322,9 49,8 326,7 53,5 Kanal 27 0,081 323,3 50,1 326,3 53,1 Kanal 28 0,078 323,6 50,4 325,9 52,7 Kanal 29 0,074 323, 9 50,8 325,5 52,4 Kanal 30 0,071 324,2 51,0 325,3 52,1 Kanal 31 0,067 324,4 51,3 325,0 51,9 Kanal 32 0,064 324, 6 51,4 324,9 51,7 Kanal 33 0,061 324,7 51,6 324,8 51,6 Kanal 34 0,057 324,7 51,6 324,8 51,6 In the event that a larger temperature interval of ± 8% (with respect to ° C) is tolerable for the fluids of a channel group emerging from the microchannels, the widths with n = 1,..., N increase $$B_n=\left(\frac{1}{n^{1\sqrt{2}}}\right)\cdot B_1$$

<b> Table 1: </ b> Channel widths and outlet temperatures Channel No .: Channel wide Exit temperature cold passage Exit temperature warm passage in mm in K in ° C in K in ° C Channel 1 0.706 324.6 51.4 322.7 49.5 Channel 2 0.299 322.7 49.5 325.5 52.3 Channel 3 0.221 323.1 50.0 325.2 52.1 Channel 4 0.191 323.2 50.0 325.4 52.2 Channel 5 0.176 323.0 49.9 325.7 52.5 Channel 6 0.166 322.8 49.7 326.0 52.9 Channel 7 0,159 322.5 49.4 326.4 53.3 Channel 8 0.153 322.3 49.1 326.8 53.7 Channel 9 0, 148 322.0 48.8 327.2 54, 1 Channel 10 0.143 321.7 48.6 327, 6 54.4 Channel 11 0,139 321.5 48, 3 327.9 54, 8 Channel 12 0.135 321.3 48.2 328.2 55.0 Channel 13 0.131 321.2 48.0 328.4 55.3 Channel 14 0,127 321.1 47, 9 328.6 55.4 Channel 15 0.123 321.0 47, 9 328.7 55.5 Channel 16 0,119 321.0 47.9 328.7 55, 6 Channel 17 0.116 321.0 47, 9 328.8 55, 6 Channel 18 0.112 321.1 47, 9 328.7 55.6 Channel 19 0.109 321.2 48.0 328.7 55.5 Channel 20 0.105 321.3 48.2 328.5 55.3 Channel 21 0,102 321.5 48.4 328.3 55.2 Channel 22 0.098 321.8 48.6 328.0 54, 9 Channel 23 0,095 322.0 48, 9 327.7 54, 6 Channel 24 0.091 322.3 49.2 327.4 54.2 Channel 25 0.088 322, 6 49.5 327.0 53.9 Channel 26 0.085 322.9 49.8 326.7 53.5 Channel 27 0.081 323.3 50.1 326.3 53.1 Channel 28 0.078 323.6 50.4 325.9 52.7 Channel 29 0.074 323, 9 50.8 325.5 52.4 Channel 30 0,071 324.2 51.0 325.3 52.1 Channel 31 0.067 324.4 51.3 325.0 51.9 Channel 32 0.064 324, 6 51.4 324.9 51.7 Channel 33 0,061 324.7 51.6 324.8 51.6 Channel 34 0.057 324.7 51.6 324.8 51.6

Literatur:Literature:

1. [1] DE 37 09 278 C2 [1] DE 37 09 278 C2
2. [2] Schubert, K. et al.: Microstructure Devices for Applications in Thermal and Chemical Process Engineering; Microscale 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

11

Foliefoil

22

Kanalchannel

33

erste Kanalgruppefirst channel group

44

Fluidstromrichtung in der ersten KanalgruppeFluid flow direction in the first channel group

55

zweite Kanalgruppesecond channel group

66

Fluidstromrichtung in der zweiten KanalgruppeFluid flow direction in the second channel group

77

Stirnflächeface

Claims (6)

Kreuzstrom-Mikrowärmeübertrager zum schnellen Temperieren eines Fluidstroms in einer ersten Mikrokanalgruppe (3) durch einen Wärmeträgerfluidstrom in einer zweiten, die erste kreuzende Mikrokanalgruppe (5) jeweils mit einer Vielzahl an Mikrokanälen (2) mit jeweils einer Kanalbreite, einem Kanalabstand zu einem benachbarten Mikrokanal der gleichen Mikrokanalgruppe sowie einem Kanalquerschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalbreite oder der Kanalquerschnitt für jeden Kanal beider Kanalgruppen stromaufwärts in Richtung der jeweils anderen Kanalgruppe hin gerichtet zunimmt.Cross-flow micro heat exchanger for rapid temperature control of a fluid flow in a first microchannel group (3) by a heat transfer fluid flow in a second, the first crossing microchannel group (5) each having a plurality of microchannels (2) each having a channel width, a channel spacing to an adjacent microchannel same microchannel group and a channel cross-section, characterized in that the channel width or the channel cross-section for each channel of both channel groups increases upstream directed towards the other channel group group out. Kreuzstrom-Mikrowärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Mikrokanälen (2) einer Mikrokanalgruppe (3, 5) Stege angeordnet sind, die eine konstante Stegbreite aufweisen oder die Mikrokanäle je Mikrokanalgruppe einen konstanten Kanalabstand zueinander aufweisen.Cross-flow micro heat exchanger according to claim 1, characterized in that between two micro-channels (2) of a micro-channel group (3, 5) webs are arranged, which have a constant web width or the microchannels per micro-channel group have a constant channel distance from one another. Kreuzstrom-Mikrowärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefen aller Mikrokanäle (2) gleich sind und die Breiten B_n der fortlaufend mit n (n = 1, ... , N) bezeichneten Mikrokanäle für beide Mikrokanalgruppen sich ausgehend von einer ersten Kanalbreite B₁ gemäß einer Formel $B_n=\left(\frac{1}{4,1}-\frac{1}{208}\mathrm{.}n+\frac{1}{1,3\cdot n^2}\right)\cdot B_1$

berechnen, wobei sich B₁ in Abhängigkeit der Gesamtzahl N der Mikrokanäle und der Wärmeleitfähigkeit λ sowohl des Fluids als auch des Wärmeträgerfluidstroms zu $B_1={10}^{-3}\cdot \left(-3,3\cdot N+180\right)\cdot \frac{\left(0,314-0,815\cdot \ln \lambda \right)}{0,69}$

in Millimeter berechnet.Cross-flow micro heat exchanger according to claim 1 or 2, characterized in that the depths of all microchannels (2) are equal and the widths B _{n of} the microchannels consecutively denoted by n (n = 1, ..., N) for both microchannel groups starting from a first channel width B ₁ according to a formula $B_n=\left(\frac{1}{4.1}-\frac{1}{208}\mathrm{,}n+\frac{1}{1.3\cdot n^2}\right)\cdot B_1$

calculate, wherein B ₁ as a function of the total number N of the microchannels and the thermal conductivity λ of both the fluid and the heat transfer fluid to $B_1={10}^{-3}\cdot \left(-3.3\cdot N+180\right)\cdot \frac{\left(0.314-0.815\cdot \ln \lambda \right)}{0.69}$

calculated in millimeters. Kreuzstrom-Mikrowärmeübertrager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gemäß der Formel berechneten Kanalbreiten B_n unterhalb eines Wert von 0,05 mm auf 0,05 mm aufgerundet werden.Cross-flow micro heat exchanger according to claim 3, characterized in that the calculated according to the formula channel widths B _n below a value of 0.05 mm are rounded up to 0.05 mm. Kreuzstrom-Mikrowärmeübertrager nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Mikrokanal (2) einer Mikrokanalgruppe (3, 5) einen unveränderten Querschnitt aufweist.Cross-flow micro heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that each microchannel (2) of a microchannel group (3, 5) has an unchanged cross section. Kreuzstrom-Mikrowärmeübertrager nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (2) der Mikrokanalgruppen (3, 5) als Rillen einseitig oder beidseitig in Platten oder Folien (1) eingearbeitet und die Folien zu einem Folienstapel zusammengefügt sind.Cross-flow micro heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the microchannels (2) of the micro-channel groups (3, 5) as grooves on one side or both sides in plates or films (1) incorporated and the films are joined together to form a film stack.

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