EP1920208A1 - Wärmetauschervorrichtung zum schnellen aufheizen oder abkühlen von fluiden - Google Patents

Wärmetauschervorrichtung zum schnellen aufheizen oder abkühlen von fluiden

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EP1920208A1
EP1920208A1 EP06791789A EP06791789A EP1920208A1 EP 1920208 A1 EP1920208 A1 EP 1920208A1 EP 06791789 A EP06791789 A EP 06791789A EP 06791789 A EP06791789 A EP 06791789A EP 1920208 A1 EP1920208 A1 EP 1920208A1
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
channels
plates
fluid
fluids
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06791789A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Rolf Dahlbeck
Marcel Dierselhuis
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SYNTICS GmbH
Original Assignee
SYNTICS GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B01D—SEPARATION
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2250/00—Arrangements for modifying the flow of the heat exchange media, e.g. flow guiding means; Particular flow patterns
    • F28F2250/10—Particular pattern of flow of the heat exchange media
    • F28F2250/104—Particular pattern of flow of the heat exchange media with parallel flow
    • 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

  • Heat exchanger device for rapid heating or cooling of fluids
  • the invention relates to a heat exchanger device with which fluids can be cooled or heated very quickly and with great uniformity.
  • Heat exchangers are needed in numerous industrial applications. At the same time, the trend towards ever higher heat transfer rates in a small space is increasing. These requirements are met in particular by micro-heat exchangers. In the process technology, it is also desired that the heat transfer is very uniform, d. H. that no so-called. "hot spots" (hot zones) arise, which can lead to product damage due to an uncontrolled increase in temperature.
  • a microstructured heat exchanger is known from DE 100 22 972 A1, which is composed of small tubes or hollow fibers which are located in a graphite matrix.
  • micro-heat exchangers are also constructed from multiple layers of microstructured layers, the individual layers each having a number of microchannels.
  • the layers are arranged so that the microchannels of adjacent layers are aligned in a simple cross-flow construction, DC construction or countercurrent construction.
  • Such a micro heat exchanger is known from DE 196 08 824 A1.
  • the countercurrent heat exchanger achieves the highest heat exchange capacity per exchange surface. However, it can not be ruled out that inadmissibly high temperature differences can occur at the inlet of the warmer fluid, which leads to damage to the fluid to be heated.
  • the wall temperatures remain in a central region at all points of the heating surface. Due to the rapidly decreasing Temperature difference between the adjacent fluids, the heat exchange performance, however, is relatively poor.
  • the heat exchange rates are between those of the DC heat exchanger and the countercurrent heat exchanger.
  • the full heat exchange surface is not used efficiently because the temperature differences in a quadrant of the heat exchange surface are extremely small or no longer exist.
  • micro-heat exchanger no sufficient or no thermal insulation to the environment, which is particularly in modular microreaction systems, as they are, for. B. from DE 202 01 753 Ul, very detrimental effect, because it comes to an intensive heat exchange with adjacent modules.
  • the invention is based on the object, with the highest possible heat transfer performance, d. H. the creation of a large heat transfer surface to achieve an extremely low pressure drop for both the process fluid and the heat transfer fluid.
  • the heat exchanger is constructed of a stack of films or plates, in each of which adjacent channels for the fluids are formed, wherein the channels of the superimposed films or plates intersect.
  • the heat transfer fluid flows in the adjacent channels of a film or plate in partial streams in anti-parallel to each other, while in the overlying and underlying film or plate, the process fluid flows transversely to the heat transfer fluid in parallel in the adjacent channels.
  • the inlet conditions of each partial flow of the process fluid over the entire volume of the heat exchanger are produced at each crossing point of heat transfer fluid and process fluid Countercurrent heat exchanger with the known high temperature differences between heat transfer fluid and process fluid. Due to the numerous points of intersection of heat transfer fluid and process fluid, this results in an optimum temperature difference between heat transfer fluid and process fluid over the entire volume of the heat exchanger and thus an extremely high heat transfer performance per unit volume and at the same time an absolutely uniform heat transfer over the entire volume of the heat exchanger.
  • FIG. 3 is a section along the line C-C in Fig. 1 and Fig. 2,
  • FIG. 6 shows a schematic, perspective view of the arrangement of channels and lines of the heat exchanger
  • FIG. 8 is a cutaway perspective view of a housing with a micro heat exchanger from a film stack and
  • FIG. 9 schematically shows a grouping of a plurality of heat exchanger units according to FIG. 6, which form a heat exchanger of greater capacity.
  • Figs. 1 to 4 show schematically the structure of a micro heat exchanger 1, wherein Fig. 1 shows a stack of sheets or thin plates F, as indicated by dashed lines in Fig. 1.
  • the individual foils of the plates are channels and openings formed, wherein the horizontally extending channels may be formed in a film F, for example, by depressions, which are covered by the surface of the adjacent film F, so that there is a closed channel.
  • the lowermost film of the film stack is merely shown as a cover film for the lower row of channels 3.
  • FIG. 1 shows, as an example, a flow pattern in which a process fluid P flows through the channels 2 and a heat transfer fluid W flows through the channels 3 extending transversely thereto.
  • the channels 3 are juxtaposed in a film F and form a row 30 of channels in every other film F.
  • the channels 2 for the process fluid P are arranged side by side, each in a row 20, as shown in FIG. showing a section along the line AA in Fig. 1.
  • the process fluid P flows in parallel through the adjacent channels 2, while the heat transfer fluid W in two partial streams Wi and W 2 flows antiparallel through the adjacent channels 3, as schematically shows the flow pattern in Fig. 5.
  • the antiparallel flow of the partial flows of the heat transfer fluid can also be seen from Fig. 4, which shows a section along the line BB in Fig. 1, Fig. 4 shows only a partial section and the top and bottom edge portions of the heat exchanger unit 1 are not reproduced.
  • the discharge of the heat transfer fluid W takes place on the opposite side by a line 4a, which is formed by corresponding openings in the superimposed films F and also in the plane of FIG. 2 from top to bottom or vice versa respectively transverse to the channels 2 and 3 runs.
  • the adjacent in Fig. 2 channels 3, flow through the partial streams W 2 from right to left, are supplied by a formed by apertures 5 line, which lies in front of and behind the line 4a.
  • the removal of the partial streams W 2 is carried out by lines 5a in front of and behind the line 4 in Fig.
  • Fig. 1 shows in the same way through openings formed lines 7 and 8 on the opposite sides of the intersecting channels 2 and 3, wherein in the illustrated embodiment, the process fluid P is supplied from above through the line 7 and discharged through the line 8.
  • the flow direction is represented by X in Fig. 1 to 4 away from the viewer and by a point the flow direction to the viewer.
  • FIG. 5 shows schematically the flow pattern in the core region of the heat exchanger with intersecting channels 2 and 3, wherein the heat transfer fluid W in the first upper row 30 of channels 3 in Fig. 1 and the process fluid P in the underlying row in FIG of channels 2, without reproducing the channels themselves.
  • FIG. 5 shows the flow in the core region of the heat exchanger only by arrows, with the process fluid P flowing in parallel through the channels 2 arranged in rows and the heat transfer fluid W transversely thereto in each case in antiparallel flow of the partial streams Wi and W 2 .
  • Fig. 6 shows in a schematic perspective view of a heat exchanger unit 1.
  • the core of the heat exchanger is formed by the intersecting channels 2 and 3, which are each arranged in rows 20 and 30, wherein the heat transfer fluid W in adjacent channels 3 antiparallel or in Countercurrent is guided while the process fluid P flows in DC through the adjacent channels 2.
  • the fluid supply and removal takes place in each case on the outer sides of the block-shaped arrangement of the intersecting channels 2, 3 by lines which are formed by the apertures 4, 5 and 7, 8 in the films F.
  • the heat exchange in the inner block of intersecting channels 2,3, while the supply and discharge lines are arranged 4.5 and 7.8 on the outside of the block.
  • the reproduced in Fig. 1 and 3 lines 6 are not shown on opposite outer sides of the heat exchanger 1.
  • the heat-transfer fluid W first flows through openings 6, which are formed in FIG. 1 on the outside of the supply and discharge lines 7 and 8 for the process fluid P, so that through these lines 6 with cold heat transfer fluid W an efficient thermal insulation of the warm process fluid P in the channels 7 and 8 is achieved with respect to the environment.
  • the heat transfer fluid W is supplied through the apertures 4 to the channels 3 running out of the drawing plane in FIG. 2 through a line guide, not shown, on the upper and lower side in FIG.
  • the block of intersecting channels 2 and 3 on the four outer sides is insulated from the environment by a series of conduits 6, only two outer sides being shown in FIG.
  • the outer sides of the heat exchanger core located at the top and at the bottom in FIGS. 1 and 2 are also formed by rows 30 of the channels 3, through which the heat transfer fluid W flows. In this way, the process fluid P to be cooled in the channels 2, 7 and 8 is effectively shielded from the environment.
  • the micro-heat exchanger 1 is used for heating a process fluid P or as an evaporator, then the feeds of the heat-transfer fluid W and of the process fluid P can be exchanged so that in this case too the colder fluid flows into the external lines 6, 7 and 8, so that a thermal insulation is given to the environment.
  • the design is chosen so that the arranged on the outer sides channel rows 30 are also flowed through by the colder fluid.
  • the structure described allows for a variety of customization options by changing the number of films F and the channels 2, 3 and adapted to the respective desired flow rates. By increasing the stack of films or thin plates F, the capacity of the micro heat exchanger 1 can be increased accordingly. It is also possible to flow both the process fluid P and the heat transfer fluid W antiparallel through the respective rows 20, 30 of channels 2, 3. It may also be advantageous to allow only the process fluid P to flow antiparallel or in countercurrent through the adjacent channels 2, while the heat transfer fluid W flows transversely thereto in one direction in the channels 3.
  • the channels 2,3 and the lines 4 to 8 can be designed so that they have the same cross section throughout. This results in a minimal pressure drop in the flow through the heat exchanger. But it is also possible to make the lines 4 to 8 larger in cross-section than the channels 2 and 3.
  • FIG. 8 schematically shows a film stack FS in a housing 100, in which lines for the supply and discharge of process fluid P and heat transfer fluid W are formed.
  • the housing Io0 is constructed as a module which can be combined with other modules for the treatment of a process fluid P.
  • the heat exchanger 1 described with reference to FIGS. 1 to 4 can also be used without a housing 100, wherein in Fig. 1 on the upper and lower side in each case a device for routing is provided which the connections for the lines 4, 5, 6 , 7 and 8 have.
  • Fig. 7 shows in an embodiment distributor plates or foils Fl to F3 in an exploded view, which shows the supply of the heat transfer fluid W from the bottom of a film stack and the division into the partial streams Wi and W 2 .
  • an opening 10 is formed through which the heat transfer fluid W is supplied.
  • a channel 10a extends in the film plane, which divides into two channels 10b, which in turn split into two channels 10c and so on, until on the right side in Fig. 7, the number of lines 10e is available , which is required for the supply of the channels 3 of a row 30 for the heat transfer fluid in the core region of the heat exchanger.
  • openings 5 are formed in a row, which are opposite to the ends of the individual lines 1 Oe, so that the heat transfer fluid W, as indicated by dashed line, can flow up through the openings 5.
  • a branching line 11 is formed on each second opening 5, which in the film plane to the opposite side the core region of the heat exchanger unit 1 leads.
  • a series of openings 4 is formed, which lie opposite the ends of the lines 11, so that a partial flow Wi of the heat transfer fluid can flow through the openings 4 upwards.
  • the opposite row of apertures 5 in the film F3 is opposite to the apertures 5 in the film F2, of which no lines branch off 11, so that through the apertures 5, a partial stream W 2 flows upwards.
  • a channel arrangement according to FIG. 4 may be formed in the next film plane in which the two partial streams Wi and W 2 flow in countercurrent through the channels 3.
  • the return lines 4a and 5a are not shown in the films Fl to F3. They can be formed by corresponding openings in the films, wherein according to the films Fl and F2 the back-flowing heat transfer fluid W is collected and discharged through a common outlet corresponding to the opening 10.
  • the supply of the process fluid P in the illustrated embodiment is carried out from above by an arrangement of distributor plates corresponding to that shown in Fig. 7, wherein the bottom in Fig. 7 plate Fl forms the top plate for the supply of the process fluid. Since the process fluid P flows through the channels 2 in DC, it is not necessary to provide a distributor plate corresponding to the distributor plate F2. On the contrary, a film with openings corresponding to film F3, in which rows of openings 7 and 8 are formed, instead of the row of openings 4 and 5 shown in FIG. 7, can adjoin the uppermost film corresponding to the film F1.
  • the films Fl to F3 are disc-shaped, while in Figs. 1 to 4 and 6 each only a block-shaped arrangement of channels 2,3 and lines 4 to 8 is shown.
  • the channels and lines shown in these figures can be found in the be formed in the same manner in disc-shaped films, so that a round stack FS of films F results, as shown in Fig. 8.
  • the heat transfer fluid W is supplied from below and discharged upward so that any air contained in the heat exchanger is pushed up.
  • the process fluid can be supplied from above and discharged on the bottom again.
  • another flow direction of the fluids P and W is also possible.
  • the heat transfer fluid W can be supplied from above and also discharged upward again, while the process fluid P is supplied from below and discharged down.
  • FIG. 9 schematically shows a grouping of individual heat exchanger units 1, one of which is shown in FIG.
  • a plurality of such heat exchanger units 1 can be arranged side by side and one above the other, as shown in FIG. 9, wherein a further layer of heat exchanger units 1b and 1c is arranged above a lower layer of heat exchanger units 1a.
  • the heat transfer performance can be multiplied without substantially increasing the total pressure drop by the individual heat exchanger units 1 are supplied in parallel fluidly.
  • each individual heat exchanger unit 1 can be supplied with fluid via distributor plates according to FIG. 7, wherein the various distributor plates can be centrally supplied with fluid by means of an additional distributor plate. Between the individual layers of heat exchanger units Ia.
  • Ib and Ic can be provided distributor plates in which openings are formed for the formation of vertical between the heat exchanger units Ia upwardly leading lines through which the heat exchanger units Ib and Ic are supplied with the fluids W and P.
  • manifold plates may be provided on the top of the block from a plurality of heat exchanger units.
  • only a group of heat exchanger units Ia can be supplied in parallel to increase the heat transfer capacity, which corresponds to the lower layer in FIG.
  • said additional distributor plate having a central fluid supply of the channels to the individual openings 10 of the individual heat exchanger units Ia lead away according to the reproduced in Fig. 7 film Fl.
  • temperature sensors can advantageously be integrated in the immediate vicinity of the microstructured films or thin plates.
  • fluid or process fluid is to be understood according to the invention and includes both liquids and gases as well as emulsions, dispersions and aerosols.
  • the device can be used both for cooling and for heating
  • Microstructured channels are structures that are smaller than 1 mm in at least one spatial dimension.
  • the walls between the microstructured channels are preferably between 10 ⁇ m and 500 ⁇ m thick.
  • the films or thin plates from which the micro heat exchanger is joined together consist of sufficiently inert material, preferably metals, semiconductors, alloys, stainless steels, composite materials, glass, quartz glass, ceramics or polymer materials or combinations of these materials.
  • the structuring of the films or thin plates can, for. B. carried out by milling, laser ablation, etching, the LIGA-V experienced, galvanic molding, sintering, stamping or deformation.
  • the device can not only be used as a micro heat exchanger, but z. B. also use as an evaporator or condenser as in their combination (rectification) is possible.
  • the structure of a heat exchanger according to the invention is not only suitable for the microstructure. It can also be used for larger sized heat exchangers. These may e.g. be constructed of thicker plates in which punched channels, milled or stamped and formed instead of openings holes. Such structures can also be formed by spark erosion on the plates.
  • the material of the plates or foils F preferably consists of inert material or of the fluids used with respect to sufficiently inert material.

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Abstract

Aus einem Stapel von Folien oder Platten (F) aufgebauter Wärmetauscher (1), insbesondere Mikrowärmetauscher, wobei in den einzelnen Platten (F) Durchbrüche (4, 5, 7, 8) und in der Plattenebene verlaufende Kanäle (2, 3) ausgebildet und die Platten (F) so übereinander angeordnet sind, dass sich die Kanäle (2, 3) in aufeinander folgenden Platten (F) kreuzen, ein erstes Fluid (P) durch die Kanäle (2) einer Platte (F) und ein zweites Fluid (W) durch die Kanäle (3) in der benachbarten Platte (F) strömt, an den Außenseiten des sich ergebenden Blocks von sich kreuzenden Kanälen (2, 3) Zuführ- und Abführleitungen durch die Durchbrüche (4, 5, 7, 8) ausgebildet sind, und wobei zumindest eines der beiden Fluide (P,W) antiparallel bzw. abwechselnd in Gegenrichtung durch die Kanäle der betreffenden Platte strömt.

Description

Wärmetauschervorrichtung zum schnellen Aufheizen oder Abkühlen von Fluiden
Die Erfindung betrifft eine Wärmetauschervorrichtung, mit der sehr schnell und mit großer Gleichmäßigkeit Fluide abgekühlt oder erwärmt werden können.
Wärmetauscher werden in zahlreichen industriellen Anwendungen benötigt. Dabei verstärkt sich der Trend zu immer höheren Wärmeübertragungsleistungen auf kleinstem Raum. Diesen Anforderungen werden insbesondere Mikrowärmetauscher gerecht. In der Prozesstechnik ist es zudem gewünscht, dass die Wärmeübertragung sehr gleichmäßig erfolgt, d. h. daß keine sog. „hot-spots" (Heiße Zonen) entstehen, die aufgrund einer unkontrollierten Temperaturerhöhung zu einer Produktschädigung führen können.
Ein Mikrostruktur- Wärmetauscher ist aus DE 100 22 972 A 1 bekannt, der aus kleinen Röhrchen bzw. Hohlfasern zusammengesetzt ist, die sich in einer Graphitmatrix befinden.
Weiterhin werden Mikrowärmetauscher auch aus mehreren Lagen mikrostrukturierter Schichten aufgebaut, wobei die einzelnen Schichten jeweils eine Anzahl von Mikrokanälen aufweisen. Die Schichten sind so angeordnet, dass die Mikrokanäle benachbarter Schichten in einfacher Kreuzstrombauweise, Gleichstrombauweise oder Gegenstrombauweise ausgerichtet sind. Ein derartiger Mikrowärmetauscher ist aus DE 196 08 824 A 1 bekannt.
Beim Gegenstromwärmetauscher wird die höchste Wärmeaustauschleistung pro Austauschfläche erreicht. Jedoch ist nicht auszuschließen, dass sich am Eintritt des wärmeren Fluids unzulässig hohe Temperaturdifferenzen einstellen können, die zu einer Schädigung des zu erwärmenden Fluids führen.
Beim Gleichstromwärmetauscher wiederum bleiben die Wandtemperaturen an allen Stellen der Heizfläche in einem mittleren Bereich. Aufgrund der schnell abnehmenden Temperaturdifferenz zwischen den benachbarten Fluiden ist die Wärmeaustauschleistung jedoch relativ schlecht.
Bei einfachen Kreuzstromwärmetauschern, wie sie bei Mikrowärmetauschern derzeit bekannt sind, liegen die Wärmeaustauschleistungen zwischen denen des Gleichstromwärmetauschers und des Gegenstromwärmetauschers. Allerdings wird hier die volle Wärmeaustauschfläche nicht effizient genutzt, da die Temperaturdifferenzen in einem Quadranten der Wärmeaustauschfläche extrem klein werden bzw. nicht mehr gegeben sind.
Weiterhin weisen die bekannten Mikrowärmetauscher keine ausreichende bzw. keine Wärmeisolierung zur Umgebung auf, was sich insbesondere bei modularen Mikroreaktionsanlagen, wie sie z. B. aus DE 202 01 753 Ul bekannt sind, sehr nachteilig auswirkt, weil es zu einem intensiven Wärmeaustausch mit benachbarten Modulen kommt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, bei einer möglichst hohen Wärmeübertragungsleistung, d. h. der Schaffung einer großen Wärmeübertragungsfläche, einen extrem geringen Druckabfall sowohl für das Prozessfluid als auch für das Wärmeträgerfluid zu erreichen.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Wärmetauscher aus einem Stapel von Folien oder Platten aufgebaut ist, in denen jeweils nebeneinander liegende Kanäle für die Fluide ausgebildet sind, wobei sich die Kanäle der übereinander angeordneten Folien oder Platten kreuzen. Das Wärmeträgerfluid strömt dabei in den nebeneinander liegenden Kanälen einer Folie oder Platte in Teilströmen antiparallel zueinander, während in der darüber und darunter liegenden Folie oder Platte das Prozessfluid quer zum Wärmeträgerfluid parallel in den nebeneinander liegenden Kanälen strömt. Durch die jeweils gerade Kanalführung wird der Druckabfall in dem Wärmetauscher minimiert.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich für jeden Teilstrom des Prozessfluids über das gesamte Volumen des Wärmetauschers an jedem Kreuzungspunkt von Wärmeträgerfluid und Prozessfluid die Eingangsbedingungen eines Gegenstromwärmetauschers mit den bekannt hohen Temperaturdifferenzen zwischen Wärmeträgerfluid und Prozessfluid. Aufgrund der zahlreichen Kreuzungspunkte von Wärmeträgerfluid und Prozessfluid erhält man dadurch über das gesamte Volumen des Wärmetauschers eine optimale Temperaturdifferenz zwischen Wärmeträgerfluid und Prozessfluid und somit eine extrem hohe Wärmeübertragungsleistung pro Einheitsvolumen und gleichzeitig eine absolut gleichmäßige Wärmeübertragung über das gesamte Volumen des Wärmetauschers.
Mit der vorliegenden Erfindung werden zum einen die Vorteile eines Gegenstromwärmetauschers mit den Vorteilen eines Kreuzstromwärmetauschers kombiniert.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend beispielsweise näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Folienstapel,
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 1 ,
Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie C-C in Fig. 1 und Fig. 2,
Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 1 ,
Fig. 5 schematisch das Strömungsmuster'in zwei übereinander liegenden Lagen von Strömungsbahnen,
Fig. 6 eine schematische, perspektivische Ansicht der Anordnung von Kanälen und Leitungen des Wärmetauschers,
Fig. 7 eine auseinandergezogene Ansicht von Verteilerplatten,
Fig. 8 in einer aufgeschnittenen perspektivischen Darstellung ein Gehäuse mit einem Mikrowärmetauscher aus einem Folienstapel und
Fig. 9 schematisch eine Gruppierung von mehreren Wärmetauschereinheiten nach Fig. 6, die einen Wärmetauscher größerer Kapazität bilden.
Fig. 1 bis 4 zeigen schematisch den Aufbau eines Mikrowärmetauschers 1, wobei Fig. 1 einen Stapel von Folien oder dünnen Platten F wiedergibt, wie dies durch gestrichelte Linien in Fig. 1 angedeutet ist. In den einzelnen Folien der Platten sind Kanäle und Durchbrüche ausgebildet, wobei die horizontal verlaufenden Kanäle in einer Folie F beispielsweise durch Vertiefungen ausgebildet sein können, die durch die Fläche der benachbarten Folie F abgedeckt werden, so dass sich ein geschlossener Kanal ergibt. Bei dem Ausfuhrungsbeispiel nach Fig. 1 ist die unterste Folie des Folienstapels lediglich als Abdeckfolie für die untere Reihe von Kanälen 3 dargestellt. Es ist aber auch eine andere Form der Kanalbildung in den einzelnen Folien oder Platten F möglich, beispielsweise indem eine Trennlinie zwischen zwei benachbarten Folien F jeweils längs der Mitte der horizontal verlaufenden Kanäle 2 und 3 verläuft.
Fig. 1 zeigt als Beispiel ein Strömungsmuster, bei dem durch die Kanäle 2 ein Prozessfluid P und durch die quer dazu verlaufenden Kanäle 3 ein Wärmeträgerfluid W strömt. Die Kanäle 3 liegen in einer Folie F nebeneinander und bilden eine Reihe 30 von Kanälen in jeder zweiten Folie F. In der gleichen Weise sind die Kanäle 2 für das Prozessfluid P nebeneinander liegend jeweils in einer Reihe 20 ausgebildet, wie dies Fig. 2 zeigt, die einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 1 wiedergibt. Das Prozessfluid P strömt jeweils parallel durch die nebeneinander liegenden Kanäle 2, während das Wärmeträgerfluid W in zwei Teilströmen Wi und W2 antiparallel durch die benachbarten Kanäle 3 strömt, wie dies schematisch das Strömungsmuster in Fig. 5 wiedergibt. Die antiparallele Strömung der Teilströme des Wärmeträgerfluids ist auch aus Fig. 4 ersichtlich, die einen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 1 wiedergibt, wobei Fig. 4 nur einen Teilausschnitt wiedergibt und die oben und unten liegenden Randbereiche der Wärmetauschereinheit 1 nicht wiedergegeben sind.
Die Zuführung des Wärmeträgerfluids W erfolgt über Durchbrüche 4 in den Folien F, die in Fig. 2 eine Leitung 4 von unten nach oben bilden, die etwa in einem Winkel von 90° quer zu den horizontal verlaufenden Kanälen 2 und 3 verläuft. Die Abführung des Wärmeträgerfluids W erfolgt auf der gegenüberliegenden Seite durch eine Leitung 4a, die durch entsprechende Durchbrüche in den übereinander liegenden Folien F ausgebildet ist und ebenfalls in der Zeichenebene der Fig. 2 von oben nach unten bzw. umgekehrt jeweils quer zu den Kanälen 2 und 3 verläuft. Die in Fig. 2 benachbarten Kanäle 3, durch die Teilströme W2 von rechts nach links fließen, werden durch eine durch Durchbrüche 5 gebildete Leitung versorgt, die vor und hinter der Leitung 4a liegt. Die Abführung der Teilströme W2 erfolgt durch Leitungen 5a vor und hinter der Leitung 4 in Fig. 2, wie dies auch aus Fig. 6 ersichtlich ist. Fig. 1 zeigt in der gleichen Weise durch Durchbrüche ausgebildete Leitungen 7 und 8 auf den gegenüberliegenden Seiten der sich kreuzenden Kanäle 2 und 3, wobei bei dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel das Prozessfluid P von oben durch die Leitung 7 zugeführt und durch die Leitung 8 abgeführt wird.
Zur Verdeutlichung des Strömungsverlaufs ist mit X in Fig. 1 bis 4 die Strömungsrichtung weg vom Betrachter wiedergegeben und durch einen Punkt die Strömungsrichtung auf den Betrachter zu.
Fig. 5 zeigt schematisch das Strömungsmuster im Kernbereich des Wärmetauschers mit sich kreuzenden Kanälen 2 und 3, wobei das Wärmeträgerfluid W in der ersten oberen Reihe 30 von Kanälen 3 in Fig. 1 und das Prozessfluid P in der in Fig. 1 darunter liegenden Reihe 20 von Kanälen 2 wiedergegeben ist, ohne dass die Kanäle selbst wiedergegeben sind. Fig. 5 zeigt also nur durch Pfeile die Strömung im Kernbereich des Wärmetauschers, wobei jeweils das Prozessfluid P parallel durch die in Reihen angeordneten Kanäle 2 strömt und das Wärmeträgerfluid W quer dazu in jeweils antiparalleler Strömung der Teilströme Wi und W2.
Fig. 6 zeigt in einer schematischen perspektivischen Ansicht eine Wärmetauschereinheit 1. Der Kern des Wärmetauschers wird durch die sich kreuzenden Kanäle 2 und 3 gebildet, die jeweils in Reihen 20 und 30 angeordnet sind, wobei das Wärmeträgerfluid W in benachbarten Kanälen 3 antiparallel bzw. im Gegenstrom geführt ist, während das Prozessfluid P im Gleichstrom durch die benachbarten Kanäle 2 fließt. Die Fluidzuführung und -abführung erfolgt jeweils auf den Außenseiten der blockförmigen Anordnung der sich kreuzenden Kanäle 2, 3 durch Leitungen, die durch die Durchbrüche 4, 5 sowie 7, 8 in den Folien F ausgebildet sind. Damit erfolgt der Wärmetausch in dem inneren Block von sich kreuzenden Kanälen 2,3, während die Zu- und Abführleitungen 4,5 und 7,8 auf der Außenseite des Blocks angeordnet sind.
In Fig. 6 sind die in Fig. 1 und 3 wiedergegebenen Leitungen 6 auf gegenüberliegenden Außenseiten des Wärmetauschers 1 nicht gezeigt. Wird in einer alternativen Ausgestaltung der Mikrowärmetauscher 1 zum Abkühlen eines Prozessfluids P verwendet, so fließt das Wärmeträgerfluid W zunächst durch Durchbrüche 6, die in Fig. 1 auf der Außenseite der Zu- und Abführleitungen 7 und 8 für das Prozessfluid P ausgebildet sind, so dass durch diese Leitungen 6 mit kaltem Wärmeträgerfluid W eine effiziente Wärmeisolierung des warmen Prozessfluids P in den Kanälen 7 und 8 gegenüber der Umgebung erreicht wird. Anschließend wird durch eine nicht dargestellte Leitungsführung auf der Ober- und Unterseite in Fig. 1 das Wärmeträgerfluid W über die Durchbrüche 4 den in Fig. 2 aus der Zeichenebene heraus laufenden Kanälen 3 zugeführt, wonach das Wärmeträgerfluid über die durch die Durchbrüche 8 ausgebildeten Leitungen austritt. Bei dieser Ausgestaltung wird der Block von sich kreuzenden Kanälen 2 und 3 auf den vier Außenseiten jeweils durch eine Reihe von Leitungen 6 gegenüber der Umgebung isoliert, wobei in Fig. 1 nur zwei Außenseiten wiedergegeben sind. Auch die in Fig. 1 und 2 oben und unten liegenden Außenseiten des Wärmetauscherkerns werden durch Reihen 30 der Kanäle 3 gebildet, durch die Wärmeträgerfluid W strömt. Auf diese Weise wird das zu kühlende Prozessfluid P in den Kanälen 2, 7 und 8 wirksam gegenüber der Umgebung abgeschirmt.
Wenn der Mikrowärmetauscher 1 zum Aufheizen eines Prozessfluids P oder als Verdampfer verwendet wird, so können die Zuführungen des Wärmeträgerfluids W und des Prozessfluids P ausgetauscht werden, so dass auch in diesem Fall das kältere Fluid in die außen liegenden Leitungen 6, 7 und 8 strömt, damit eine Wärmeisolierung zur Umgebung gegeben ist. Hierbei wird die Auslegung so gewählt, dass die an den Außenseiten angeordneten Kanalreihen 30 ebenfalls vom kälteren Fluid durchströmt werden.
Der beschriebene Aufbau lässt eine Vielzahl von Anpassungsmöglichkeiten zu, indem die Anzahl der Folien F und der Kanäle 2, 3 verändert und an die jeweils gewünschten Durchflussmengen angepasst wird. Durch eine Vergrößerung des Stapels aus Folien oder dünnen Platten F kann die Kapazität des Mikrowärmetauschers 1 entsprechend vergrößert werden. Es ist auch möglich, sowohl das Prozessfluid P als auch das Wärmeträgerfluid W antiparallel durch die jeweiligen Reihen 20, 30 von Kanälen 2, 3 strömen zu lassen. Ebenso kann es vorteilhaft sein, nur das Prozessfluid P antiparallel bzw. im Gegenstrom durch die benachbarten Kanäle 2 strömen zu lassen, während das Wärmeträgerfluid W quer dazu in einer Richtung in den Kanälen 3 fließt.
Die Kanäle 2,3 und die Leitungen 4 bis 8 können so gestaltet werden, dass sie durchgehend den gleichen Querschnitt haben. Hierdurch ergibt sich ein minimaler Druckabfall bei der Durchströmung des Wärmetauschers. Es ist aber auch möglich die Leitungen 4 bis 8 im Querschnitt größer zu gestalten als die Kanäle 2 und 3.
Fig. 8 zeigt schematisch einen Folienstapel FS in einem Gehäuse 100, in dem Leitungen für die Zuleitung und Ableitung von Prozessfluid P und Wärmeträgerfluid W ausgebildet sind. Wie dargestellt, ist das Gehäuse Io0 als Modul aufgebaut, das mit anderen Modulen für die Behandlung eines Prozessfluids P kombiniert werden kann. Der anhand der Fig. 1 bis 4 beschriebene Wärmetauscher 1 kann aber auch ohne Gehäuse 100 eingesetzt werden, wobei in Fig. 1 auf der oberen und unteren Seite jeweils eine Vorrichtung zur Leitungsführung vorgesehen wird, welche die Anschlüsse für die Leitungen 4, 5, 6, 7 und 8 aufweisen.
Fig. 7 zeigt in einem Ausführungsbeispiel Verteilerplatten bzw. -folien Fl bis F3 in einer auseinandergezogenen Ansicht, die die Zuführung des Wärmeträgerfluids W von der Unterseite eines Folienstapels und die Aufteilung in die Teilströme Wi und W2 wiedergibt. In der untersten Folie F 1 ist ein Durchbruch 10 ausgebildet, durch den das Wärmeträgerfluid W zugeführt wird. Von dem Durchbruch 10 aus erstreckt sich ein Kanal 10a in der Folienebene, der sich in zwei Kanäle 10b aufteilt, die sich wiederum in zwei Kanäle 10c aufteilen usw., bis auf der rechten Seite in Fig. 7 die Anzahl von Leitungen 10e zur Verfügung steht, die für die Versorgung der Kanäle 3 einer Reihe 30 für das Wärmeträgerfluid im Kernbereich des Wärmetauschers benötigt wird. In der darüber liegenden Folie F2 sind Durchbrüche 5 in einer Reihe ausgebildet, die den Enden der einzelnen Leitungen 1 Oe gegenüberliegen, so dass das Wärmeträgerfluid W, wie durch gestrichelte Linie angedeutet, nach oben durch die Durchbrüche 5 strömen kann. In der Folie F 2 ist an jedem zweiten Durchbruch 5 eine abzweigenden Leitung 11 ausgebildet, die in der Folienebene zur gegenüberliegenden Seite des Kernbereichs der Wärmetauschereinheit 1 führt. In der darüber liegenden Folie F3 ist eine Reihe von Durchbrüchen 4 ausgebildet, die den Enden der Leitungen 11 gegenüberliegen, so dass ein Teilstrom Wi des Wärmeträgerfluids durch die Durchbrüche 4 nach oben strömen kann. Die gegenüberliegende Reihe von Durchbrüchen 5 in der Folie F3 liegt den Durchbrüchen 5 in der Folie F2 gegenüber, von denen keine Leitungen 11 abzweigen, so dass durch die Durchbrüche 5 ein Teilstrom W2 nach oben strömt.
Über der Folie F3 kann eine Kanalanordnung entsprechend Fig. 4 in der nächsten Folienebene ausgebildet sein, in der die beiden Teilströme Wi und W2 im Gegenstrom durch die Kanäle 3 fließen. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in den Folien Fl bis F3 die Rücklaufleitungen 4a und 5a nicht wiedergegeben. Sie können durch entsprechende Durchbrüche in den Folien ausgebildet werden, wobei entsprechend den Folien Fl und F2 das zurückströmende Wärmeträgerfluid W gesammelt und durch einen gemeinsamen Auslass entsprechend dem Durchbruch 10 abgeführt wird.
Die Zuführung des Prozessfluids P bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt von oben durch eine Anordnung von Verteilerplatten entsprechend der in Fig. 7 wiedergegebenen, wobei die in Fig. 7 unterste Platte Fl die oberste Platte für die Zuführung des Prozessfluids bildet. Da das Prozessfluid P im Gleichstrom durch die Kanäle 2 fließt, ist es nicht erforderlich, eine der Verteilerplatte F2 entsprechende Verteilerplatte vorzusehen. Vielmehr kann sich an die oberste Folie entsprechend der Folie Fl eine Folie mit Durchbrüchen entsprechend Folie F3 anschließen, in der Reihen von Durchbrüchen 7 und 8 ausgebildet sind, anstelle der in Fig. 7 gezeigten Reihe von Durchbrüchen 4 und 5.
Bei der Darstellung in Fig. 7 sind die in Fig. 1 und 3 außen liegenden Leitungen 6 zur Vereinfachung der Darstellung nicht wiedergegeben, die ebenfalls durch Durchbrüche in den einzelnen Folien F ausgebildet sind.
In Fig. 7 sind die Folien Fl bis F3 scheibenförmig wiedergegeben, während in den Fig. 1 bis 4 und 6 jeweils nur eine blockformige Anordnung von Kanälen 2,3 und Leitungen 4 bis 8 wiedergegeben ist. Die in diesen Figuren wiedergegeben Kanäle und Leitungen können in der gleichen Weise in scheibenförmigen Folien ausgebildet sein, so dass sich ein runder Stapel FS von Folien F ergibt, wie er in Fig. 8 wiedergegeben ist.
Bei der in Fig. 8 wiedergegebenen Wärmetauschereinheit wird das Wärmeträgerfluid W von unten zugeführt und nach oben abgeführt, damit eventuell im Wärmetauscher enthaltene Luft nach oben herausgedrückt wird. Das Prozessfluid kann von oben zugeführt und auf der Unterseite wieder abgeführt werden. Es ist aber auch eine andere Strömungsrichtung der Fluide P und W möglich. So kann das Wärmeträgerfluid W von oben zugeführt und auch nach oben wieder abgeführt werden, während das Prozessfluid P von unten zugeführt und nach unten abgeführt wird.
Fig. 9 zeigt schematisch eine Gruppierung von einzelnen Wärmetauschereinheiten 1 , von denen eine in Fig. 6 wiedergegeben ist. Für sehr große Wärmeübertragungsleistungen bzw. große Fluidströme können mehrere solcher Wärmetauschereinheiten 1 neben- und übereinander angeordnet werden, wie dies Fig. 9 zeigt, wobei über einer unteren Lage von Wärmetauschereinheiten Ia eine weitere Lage von Wärmetauschereinheiten Ib und Ic angeordnet ist. Dadurch kann ohne wesentliche Erhöhung des gesamten Druckabfalls die Wärmeübertragungsleistung vervielfacht werden, indem die einzelnen Wärmetauschereinheiten 1 parallel fluidisch versorgt werden. Mit anderen Worten kann jede einzelne Wärmetauschereinheit 1 über Verteilerplatten entsprechend Fig. 7 mit Fluid versorgt werden, wobei die verschiedenen Verteilerplatten durch eine zusätzliche Verteilerplatte zentral mit Fluid versorgt werden kann. Zwischen den einzelnen Lagen von Wärmetauschereinheiten Ia. Ib und Ic können Verteilerplatten vorgesehen sein, in denen Durchbrüche zur Ausbildung von senkrecht zwischen den Wärmetauschereinheiten Ia nach oben führenden Leitungen ausgebildet sind, durch die die Wärmetauschereinheiten Ib und Ic mit den Fluiden W bzw. P versorgt werden. In gleicher Weise können Verteilerplatten auf der Oberseite des Blocks von mehreren Wärmetauschereinheiten vorgesehen werden.
Nach einer einfacheren Ausgestaltung kann zur Vergrößerung der Wärmeübertragungsleistung nur eine Gruppe von Wärmetauschereinheiten Ia parallel versorgt werden, die der unteren Lage im Fig. 9 entspricht. Bei einer solchen Ausgestaltung kann zusätzlich zu den in Fig. 7 wiedergegebenen Verteilerplatten auf der Ober- und Unterseite eine weitere Verteilerplatte vorgesehen werden, von der aus die einzelnen Durchbrüche 10 mit Fluid versorgt werden, wobei diese zusätzliche Verteilerplatte eine zentrale Fluidzuführung aufweist von der Kanäle zu den einzelnen Durchbrüchen 10 der einzelnen Wärmetauschereinheiten Ia wegführen entsprechend der in Fig. 7 wiedergegebenen Folie Fl .
Zur Bestimmung der Temperatur der Fluide können vorteilhafter Weise Temperaturfühler in unmittelbarer Nähe der mikrostrukturierten Folien oder dünnen Platten integriert werden.
Der Begriff Fluid oder Prozessfluid ist erfindungsgemäß weit zu verstehen und umfasst sowohl Flüssigkeiten als auch Gase sowie Emulsionen, Dispersionen und Aerosole. Die Vorrichtung kann sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen verwendet werden
Unter mikrostrukturierten Kanälen werden Strukturen verstanden, die in mindestens einer Raumdimension kleiner als 1 mm sind. Die Wände zwischen den mikrostrukturierten Kanälen sind bevorzugt zwischen 10 μm und 500 μm dick.
Vorteilhaft bestehen die Folien oder dünnen Platten, aus denen der Mikrowärmetauscher zusammen gefügt wird, aus hinreichend inertem Material, bevorzugt Metalle, Halbleiter, Legierungen, Edelstahle, Verbundmaterialien, Glas, Quarzglas, Keramik oder Polymermaterialien oder aus Kombinationen dieser Materialien.
Als geeignete Verfahren zum fluidisch dichten Verbinden der Folien oder dünnen Platten kommen z. B. Verpressen, Nieten, Kleben, Löten, Schweißen, Diffusionslöten, Diffusionsschweißen, anodisches oder eutektisches Bonden in Frage.
Die Strukturierung der Folien oder dünnen Platten kann z. B. erfolgen durch Fräsen, Laserablation, Ätzen, dem LIGA-V erfahren, galvanisches Abformen, Sintern, Stanzen oder Verformen. Für den einschlägigen Fachmann ist es leicht nachzuvollziehen, dass die Vorrichtung nicht nur als Mikro Wärmetauscher angewendet werden kann, sondern z. B. auch eine Verwendung als Verdampfer oder Kondensator so wie in deren Kombination (Rektifikation) möglich ist.
Weiterhin ist der erfindungsgemäße Aufbau eines Wärmetauschers nicht nur für die Mikrobauweise geeignet. Er kann auch für größer dimensionierte Wärmetauscher verwendet werden. Diese können z.B. aus dickeren Platten aufgebaut sein, in denen Kanäle eingestanzt, gefräst oder eingeprägt und anstelle von Durchbrüchen Bohrungen ausgebildet sind. Solche Strukturen können auch durch Funkenerosion an den Platten ausgebildet werden.
Das Material der Platten oder Folien F besteht vorzugsweise aus inertem Material bzw. aus den verwendeten Fluiden gegenüber ausreichend inertem Material.

Claims

Ansprüche
1. Aus einem Stapel von Folien oder Platten (F) aufgebauter Wärmetauscher (1), insbesondere Mikrowärmetauscher, wobei in den einzelnen Platten (F) Durchbrüche (4,5,7,8) und in der Plattenebene verlaufende Kanäle (2, 3) ausgebildet und die Platten (F) so übereinander angeordnet sind, dass sich die Kanäle (2,3) in aufeinander folgenden Platten (F) kreuzen, ein erstes Fluid (P) durch die Kanäle (2) einer Platte (F) und ein zweites Fluid (W) durch die Kanäle (3) in der benachbarten Platte (F) strömt, an den Außenseiten des sich ergebenden Blocks von sich kreuzenden Kanälen (2,3) Zuführ- und Abführleitungen durch die Durchbrüche (4,5,7,8) ausgebildet sind, und wobei zumindest eines der beiden Fluide (P,W) antiparallel bzw. abwechselnd in Gegenrichtung durch die Kanäle der betreffenden Platte strömt.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Kanäle (2, 3) jeweils nebeneinanderliegend in Reihen (20, 30) in einer Platte angeordnet sind, und auf den Außenseiten des Blocks von sich kreuzenden Kanälen (2,3) Reihen von Zuführ- und Abführleitungen durch die Durchbrüche (4,5,7,8) ausgebildet sind.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest auf zwei gegenüberliegenden Außenseiten des Blocks von sich kreuzenden Kanälen (2,3) und auf den Außenseiten der Zuführ- und Abführleitungen (7,8) jeweils eine Reihe von Leitungen (6) durch Durchbrüche in den einzelnen Folien oder Platten (F) ausgebildet ist, durch die eines der Fluide zur Wärmeisolierung des im Wärmetauscher (1) strömenden anderen Fluids gegenüber der Umgebung strömt.
4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der Ober- und Unterseite des Stapels aus Folien oder Platten (F) Verteilerplatten (F1-F3) angeordnet sind, durch die eine zentrale Zuführung (10) des Fluids (P; W) in Teilkanäle aufgeteilt und durch Durchbrüche (4,5) zu den einzelnen Kanälen (2,3) in den Platten (F) geleitet wird.
5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stapel aus Folien oder dünnen Platten (F) in einem Gehäuse (100) angeordnet ist, das mit Zufuhr- und Abführleitungen für die beiden Fluide (W,P) versehen ist.
6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mehrere Wärmetauscher (1) 2x1 einer Gruppe in einem Block zusammengefasst sind und jeder einzelne Wärmetauscher (1) gesondert mit den beiden Fluiden (W, P) versorgt wird, das von einer gemeinsamen Zuleitung aus auf die einzelnen Wärmetauscher (1) verteilt und durch eine gemeinsame Abführleitung abgeleitet wird.
7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Folien oder Platten (F) aus gegenüber den Fluiden ausreichend inertem Material gefertigt sind.
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