[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen mit Strömungsleitelementen versehenen Strömungskanal.
[0002] In dem Stand der Technik werden eine Vielzahl von Strömungskanälen vorgestellt, in
welchen Einbauten vorhanden sind. Diese dienen der Durchmischung des Stoffstroms.
Beispielsweise ist aus der Patentschrift
DE 2808854 C3 eine Vorrichtung für den Wärmeaustausch bekannt. In dieser Vorrichtung wird vorwiegend
der Stoffstrom gemischt. Hierfür sind in dieser statische Mischelemente eingebaut.
Solche Einbauten liegen beispielsweise in Form von Stegen oder Steglatten vor, die
als Pakete zusammengefasst hintereinander im Kanal eingebaut sind. Es handelt sich
mithin um feste Einbauten, durch die die Kanalströmung umgelenkt wird. An den Kanten
bilden sich beispielsweise Strömungswirbel, die die Quervermischung verbessern. Bei
solchen statischen Mischern wird zugleich der Wärmeaustausch mit der Kanalwand als
Folge der erhöhten Quervermischung verbessert.
[0003] Weitere Beispiele für feste Einbauten finden sich in der
EP 1 067 352 A1, der
DE 1 032 6381 A1,
EP 1 332 794 B1,
DE 195 116 93 A1,
US 7,552741 B,
US 5,595,712 A,
US 2012/00370 A1 und
DE 195 368 56 A1. Ferner gibt es die Aufsätze
Norbert Schwesiger, Thomas Frank und Helmut Wurmus: "A modular microfluid system with
the integrated micromixture", Journal of micromechanisms and micro engineering (1996)
1, S. 99 - 102,
Hessel, V., Ehrfeld, W., Freimuth, H., Haferkamp, V., Löwe-Richter, Th., Stadel, M.
Und Wolf, A., "Publication and interconnection of ceramic microreaction systems for
high temperature applications", Proc. 1 St. INT. Conf. on microreaction technology,
1997, S. 156 - 157. Allen Dokumenten ist zu entnehmen, dass der Wärmeaustausch verbessert wird sowie
Turbulenzen erzeugt werden. In allen Fällen ist jedoch eine definierte Führung des
Volumenstroms nicht verwirklicht. Vielmehr handelt es sich um Mischelemente, mit dem
Nebeneffekt des verbesserten Wärmeaustausches.
[0004] WO 2011/115883 A2 beschreit eine Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgemäß, Strömungsführungen in einem Kanal
so zu gestalten, dass eine definierte Führung des Volumenstroms erreicht wird und
zugleich der erforderliche Wärme- und/oder Stoffaustausch z. B. mittels Diffusion
gewährleistet ist.
[0006] Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäss Anspruch 1 gelöst.
[0007] Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäss Anspruch 7 gelöst.
[0008] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzielung einer definierten Führung eines
Volumenstroms eines Fluids durch einen Strömungskanal, in welchem mikrokanalstruktuierte
(mikorstrukturierten) Strömungsleitelemente zur Aufteilung des Volumenstroms und der
definierten Führung der entstehenden Teilströme von Fluiden angeordnet sind.
[0009] Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können
Austauschvorgänge sowohl mit der Kanalwand als auch zwischen den Teilströmen ablaufen.
Durch die Aufteilung des Volumenstroms in Teilströme und abhängig von der Form der
Strömungsleitelemente wird die Kontaktstrecke mit der Rohrwand sowie zwischen den
einzelnen Teilströmen vorgegeben. Durch Variationen der geometrischen Form entlang
des Kanals kann die Kontaktstrecke prozessabhängig verändert und somit der Prozess
beeinflusst werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird die Kanalströmung demgemäß
nicht nur lokal umgelenkt, sondern es wird eine definierte Strömungsführung im Kanal
gewährleistet.
[0010] Erfindungsgemäß sind in dem Strömungskanal mikrostrukturierte Strömungsleitelemente
vorhanden. Strömungsleitelemente sind dünnwandige Bauteile, die in einen Strömungskanal
(z.B. ein Rohr) eingebaut werden. Aufgabe der Strömungsleitelemente ist es, die Strömungsführung
in einem Kanal so zu gestalten, dass ein Fluidstrom in Teilströme aufgeteilt und diese
Teilströme abwechselnd an die Wand des Strömungskanals geführt werden. Dadurch können
Austauschvorgänge mit der Kanalwand und/oder zwischen Teilströmen ablaufen. Die Strömungsleitelemente
werden aus Grundformelementen aufgebaut.
[0011] Im Ergebnis handelt es sich darum, dass der Gegenstand der Erfindung keine Mischelemente
sind, sondern Strömungsleitelemente in einem Strömungskanal. Ziel ist die Unterteilung
einer Kanalströmung in definiert geführte Teilströme, wobei ein gezielter Wärmeaustausch
aller geführten Teilströme an der Wandung stattfinden soll.
[0012] Durch das erste im Strömungskanal eingebaute Strömungsleitelement wird ein in den
Strömungskanal einströmender Fluidstrom in Teilströme unterteilt. Ist ein Strömungsleitelement
aus nur einem Grundformelement aufgebaut, werden zwei Teilströme erzeugt. Wurde das
Strömungsleitelement aus mehreren Grundformelementen aufgebaut, legt deren Anordnung
die Anzahl der Teilströme fest.
[0013] Die mikrostrukturierten Strömungsleitelemente sind mit der sog. 3D-Drucktechnik herstellbar.
D.h. mit Hilfe der 3D-Drucktechnik lassen sich komplexe Formflächen (Freiformflächen
aufbauen. In bevorzugten Ausführungsformen haben die mikrostrukturierten Strömungsleitelemente
einen kreis-, kreisring-, ellipsen- oder rechtecksförmig ausgestalteten Querschnitt.
[0014] Die Kanalhöhe der mikrostrukturierten Strömungsleitelemente liegt bei 0,1 - 100 mm,
vorzugsweise 0,1 - 5 mm.
[0015] In demselben Bereich ist auch die Breite der mikrokanalstrukturierten Strömungleitelemente
anzusiedeln.
[0016] Die Länge der mikrostrukturierten Strömungsleitelemente beträgt 3 - 300 mm, vorzugsweise
5 - 50 mm
[0017] Die Wandstärke der mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelemente liegt bei 0,01
- 0,5 mm, vorzugsweise 0,1 - 0,3 mm.
[0018] Die Strömungsleitelemente werden derart in den Strömungskanal eingesetzt, dass sie
etwa 5 - 50 %, vorzugsweise 5 - 30 % des kanalförmigen Elements (Strömungskanals)
einnehmen.
[0019] Die erfindungsgemäßen mikrostrukturierten Strömungsleitelemente können auch ein katalytisch
wirksames Material aufweisen oder hieraus bestehen. Ebenso ist es möglich, dass die
Strömungsleitelemente mit katalytisch aktivem Material, einem Korrosionsschutz oder
einer Antifoulingschicht versehen sind oder mit beliebigen Kombinationen der genannten
Schichten beaufschlagt sind. Ebenso ist es möglich, dass die Strömungsleitelemente
aus den genannten Materialien bestehen.
[0020] Als bevorzugte Materialien für die Herstellung der mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelemente
können diese Metall, Keramik oder Kunststoffe enthalten oder hieraus bestehen, oder
beliebige Kombinationen der genannten Stoffe aufweisen oder aus diesen bestehen.
[0021] Durch die mikrostrukturierten Strömungsleitelemente kann der Volumenstrom eines Fluids
in beliebiger Weise aufgeteilt werden. Von zwei bis unendlich sind beliebige Teilströme
denkbar. Beispielsweise können vier oder sechs Teilströme vorgesehen sein.
[0022] Durch die Strömungsleitelemente wird eine Führung (definierte Strömungsführung) der
Teilströme erreicht. Hierbei ist die Konstruktion so ausgeführt, dass die Teilströme
abwechselnd mit der Innenwand des kanalförmigen Elements (Wandung des Strömungskanals)
und mit den anderen Teilströmen in Berührung gebracht werden. Der Wärmeaustausch mit
der Wandung des Srömungskanals wird durch die im Strömungskanal eingebauten Strömungsleitelemente
wie folgt verbessert:
Ein Teilstrom wird an die Wandung des Strömungskanals geführt. Infolge einer vorhanden
Temperaturdifferenz zwischen Fluid und Wandung des Strömungskanals findet ein Wärmeaustausch
zwischen Fluid und Wandung des Strömungskanals statt. Der sich einstellende Wärmestrom
zwischen Fluid und Wandung des Strömungskanals hat einen Wärmetransport durch die
Fluidschicht zur Folge.
[0023] Bei einem Strömungskanal limitiert die Wärmeleitfähigkeit des Fluids den Wärmeübergang.
Bei einem Strömungskanal mit Strömungsleitelementen wird ein Teilstrom nach einer
Kontaktstrecke, die der Länge eines Strömungsleitelements entspricht, von der Wandung
des Strömungskanals weggeführt und während der Verweilzeit im Inneren des Strömungskanals
findet ein Temperaturausgleich im Teilstrom statt. Nach dem Durchströmen der Temperaturausgleichsstrecke
wird der Teilstrom wieder zurück an die Wandung des Strömungskanals geführt.
[0024] Die Strömungsleitelemente sind mit unterschiedlichen Mikrokanalformen gefertigt,
d. h. aus Grundformelementen aufgebaut. Dies ermöglicht es, dass die Teilströme beliebig
in dem kanalförmigen Element geführt werden können. Hier sind jedoch die mikrokanalstruktierten
Strömungsleitelemente fest eingebaut. Damit ist gewährleistet, dass ein ständiger
Kontakt mit der Kanalwand bzw. den anderen Teilströmen, an definierten Flächen gewährleistet
ist. Damit lässt sich gezielt ein Wärme- bzw. Stoffaustausch erreichen. Im Ergebnis
ist so eine kontrollierte Reaktions- und/oder Prozessführung bei gleichzeitiger Prozesstemperierung
innerhalb der mikrostrukturierten Strömungsleitelemente möglich. Im Folgenden wird
die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben:
I. Bezugszeichenliste
[0025]
- 1 - 6
- = Teilströme
- 7,8
- = Strömungsleitelement
- 9
- = Kanalförmiges Element
- 10
- = Rohrwand
- 11
- = Halbwellenlänge Lambda/2
- 10 -14
- = Teilebene
- 15
- = Kanal
- 16
- = Fluidstrom
- 17
- = Querschnitt des Teilstroms
- 18
- = Berührungsflächen
- 19
- = Grundformelemente
- 20
- = Position 1
- 21
- = Position 2
- 22
- = Position 3
- 23
- = äußerer Kreisring
- 24
- = innerer Kreisring
- 25
- = Innenkreis
- 26
- = Fluid 1
- 27
- = Fluid 2
II. Detailierte Figurenbeschreibung:
[0026] Gemäß Figur 1 ist die Rohrströmung in vier Teilströme zur Verbesserung des Wärmeübergangs
zwischen der Wand des kanalförmigen Elements und Stoffstrom aufgeteilt. In dem kanalförmigen
Element sind in dem Beispiel gemäß Fig. 1 zwei Strömungsleitelemente 7,8 eingebaut.
Die Wandstrukturen der Strömungsleitelemente 7,8 führen die Teilströme 1, 2, 3 und
4. Teilstrom 2 durchdringt Teilstrom 1 und wird zur Rohrwand 10 des kanalförmigen
Elementes geleitet. Die Strömungsleitelemente weisen an der Berührungsfläche zwischen
Teilstrom 2 und Teilstrom 3 keine Wand auf. Das heißt dort können die Teilströme sich
stofflich austauschen. An der Wand des kanalförmigen Elements findet ein Wärmeaustausch
statt. Der Teilstrom 1 wird von der Wand 10 des kanalförmigen Elementes Richtung Mitte
des kanalförmigen Elementes geleitet. Ein entsprechender Austausch findet bei den
Teilströmen 3 und 4 statt. Der entsprechende Austauschvorgang wiederholt sich im zweiten
mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelement 8. Die Wellenlänge für einen Austauschzyklus
entspricht der Länge von zwei Strömungsleitementen. Diese kann als Designparameter
abhängig von der Viskosität des Stoffstroms gewählt werden.
[0027] Die Randbedingungen für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer
Vorrichtung gemäß Fig. 1 sind folgende:
Anzahl der Teilströme n = 4
Innendurchmesser des kanalförmigen Elements d = 10 mm
Länge der Strömungsleitelemente 7 und 8 l = 15 mm
Wellenlänge Lambda = 30 mm
Wandstärke der Strömungsleitelemente 7,8 s = 0,3 mm
[0028] Das mikrostrukturierte Strömungsleitelement wurde mithilfe der 3D-Drucktechnik aus
Metall hergestellt. Der Volumenverbrauch durch die Einbauten beträgt in dem Beispiel
gemäß Figur 1 8 % des Innenvolumens des kanalförmigen Elementes.
[0029] Mit der Anlage gemäß Figur 1 können hochviskose Fluide bei geringem Druckverlust
homogen aufgeheizt werden.
[0030] Die Aufteilung der Volumenströme in dem kanalförmigen Element 9 erfolgt gemäß Figuren
2 und 3 in 18 Teilströme. Hierdurch lässt sich eine Optimierung der Prozessführung
einer heterogenen Gasphasenreaktion und Temperierung über die Wand 10 des kanalförmigen
Elementes 9 erreichen.
[0031] In einem kanalförmigen Element 9 sind drei mikrokanalstrukturierte Strömungsleitelemente
eingelegt. Der Volumenstrom wird in dem ersten Element wiederum in sechs Teilebenen
unterteilt. In jeder Teilebene wird der Volumenstrom nochmals in drei Teilströme aufgeteilt,
so dass insgesamt 18 Teilströme entstehen.
[0032] Figur 3 zeigt den Verlauf der Teilströme je Teilebene (1.1, 2.1, 3.1, 4.1, 5.1, 6.1)
auf einer Wegstrecke von 3 Strömungsleitelement-Längen. Aus der Figur ist ersichtlich,
dass die Strömungsleitelemente in sechs Teilebenen unterteilt sind, die Teilströme
werden systematisch von Teilebene zu Teilebene geführt. Jeder Teilstrom wird einmal
an die Wandung des Strömungskanals geführt, wie dies aus Figur 3 ersichtlich ist.
D.h. jedes mikrostrukturierte Strömungsleitelement kann einmal einen Wärmeaustausch
an der Wandung des Strömungskanals durchführen. Nach einer Wegstrecke von sechs Einbauelementlängen
haben die Teilströme wieder die Ausgangsposition erreicht, d.h. ein Austauschzyklus
wurde durchlaufen. In dem Beispiel gemäß den Figuren 2 und 3 entspricht die Wellenlänge
für einen Austauschzyklus der Länge von sechs mikrostrukturierten Strömungsleitelementen.
Die Kontaktstrecke an der Wandung des Strömungskanals und die Verweilzeit zwischen
zwei Wandkontakten wird durch die Geometrieparameter definiert. Alle Teilströme haben
gleich lange (äquivalente) Kontaktstrecken.
[0033] In dem Beispiel gemäß Figur 2 und 3 wurde das mikrostrukturierte Strömungsleitelement
mithilfe der 3D-Drucktechnik aus Metall mit einer konstanten Wandstärke s = 0,2 mm
hergestellt. Die mikrostrukturierten Strömungsleitelementformen und -längen sind so
gewählt, dass die Bauteile sicher mit einem katalytisch aktiven Material zu beschichten
sind, bzw. aus katalytischem Material bestehen.
[0034] In dem Beispiel gemäß den Figuren 4 und 5 ist ein kreisförmiges, kanalförmiges Element
dargestellt. Gemäß Figur 4 wird im Querschnitt des kanalförmigen Elements gezeigt,
wie in den einzelnen kreisförmig angeordneten Teilebenen der Elemente 7, 12 - 14,
die Teilströme mit den mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelementen angeordnet
sind. Aus Figur 4 ist ersichtlich, dass je Teilebene drei Teilströme definiert sind.
[0035] Gemäß Figur 5 ist ersichtlich, dass die Teilebenen 12, 13 und 14 als Einbauten konstruiert
sind, zwischen denen die Teilströme radial ausgetauscht werden. Auch hier ist gewährleistet,
dass jeweils ein Teilstrom mindestens einmal an die Kanalwand geführt wird und mit
anderen Teilströmen in Berührung gerät, so dass hier ein Stoffaustausch stattfinden
kann.
[0036] Gemäß Figur 6 besteht ein Strömungsleitelement 7,8 in der einfachsten Form aus genau
einem Grundformelement 19 und kann in einen Strömungskanal 15 mit rechteckigem Querschnitt
eingebaut werden. Die geometrische Form ist so konstruiert, dass der in Teilströme
aufgeteilte Fluidstrom ein Strömungsleitelement 7,8 mit minimalem Druckverlust durchströmt.
[0037] Gemäß Figur 7 kann der Fluidstrom 16 in Teilströme 1, 2 aufgeteilt werden. Der Kanalquerschnitt
17 wird durch das Strömungsleitelement 7,8 in zwei Teilströme 1 und 2 unterteilt.
[0038] Gemäß Figur 8 erfolgt ein Austausch der Teilströme. Der Teilstrom 1 wird durch das
Strömungsleitelement 7,8 nochmals in die Teilströme 2.1 und 2.2 unterteilt.
[0039] Gemäß Figur 9 ist die Berührungsfläche 18 zweier Teilströme 2.1 und 2.2 dargestellt.
Die Teilströme 2.1 und 2.2 werden nach Umströmung von Teilstrom 1 wieder zusammengeführt.
Über die Berührungsfläche 18 ist ein Wärmeaustausch und/oder Stoffaustausch (z.B.
durch Diffusion) möglich.
[0040] In Figur 10 ist die Anordnung der Grundformelemente 19 dargestellt. Durch Parallelschaltung
in Richtung der X-Koordinatenachse wird die Anzahl der Teilströme 1 - 6 erhöht. Ein
Strömungselement, aufgebaut aus drei parallelen Grundformelementen unterteilt einen
Fluidstrom 16 in sechs Teilströme 1 - 6.
[0041] Gemäß Figur 11 ist eine Reihenschaltung in Richtung der Z-Koordinatenachse darstellt.
[0042] Die Strömungsleitelemente 7,8 werden in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet.
Die Teilströme 1 und 2 werden getrennt durch den Kanal geführt. Der Teilstrom 1 wird
durch einen Strömungsquerschnitt 17a geführt. In gleicher Weise wird der Teilstrom
2 durch einen Strömungsquerschnitt 17b geführt.
[0043] Figur 12 zeigt die Anordnung der Grundformelemente 19 bzw. Strömungsleitelemente
7,8. Es erfolgt eine Parallelschaltung in Richtung der Y-Achse und Reihenschaltung
in Richtung der Z-Achse. Durch die Parallelschaltung von Grundformelementen 19 in
Richtung der Y-Koordinatenachse wird die Anzahl der Teilströme auf 1 - 3 erhöht und
durch eine zusätzliche Reihenschaltung der Strömungsleitelemente 7,8 werden die Teilströme
1-3 abwechselnd an die Kanalwand geführt. D.h. ein Strömungsleitelement 7,8, aufgebaut
aus zwei parallel geschalteten Grundformelementen 19 unterteilt einen Fluidstrom in
drei Teilströme 1, 2, 3. Hierbei werden die Strömungsleitelemente aus Grundformelementen
aufgebaut. Die geometrische Form ist so konstruiert, dass Fluidströme mit einem minimalen
Druckverlust ein Strömungsleitelement 7,8 durchströmen. Ein Strömungsleitelement 7,8
kann aus einem oder mehreren parallel geschalteten Grundformelementen 19 aufgebaut
sein.
[0044] Gemäß Figur 13 werden Strömungsleitelemente 7,8 in einem Kanal angeordnet. Die Strömungsführung
der Teilströme erfolgt mit Parallel- und Reihenschaltung. Das Strömungsleitelement
7,8 ist aus zwei in Richtung der y-Koordinatenachse parallel geschalteten Grundformelementen
19 aufgebaut. Die drei Strömungsleitelemente 7,8 sind in Reihe (z-Richtung) geschaltet.
Der Teilstrom 3 wird im ersten und zweiten Strömungsleitelement von Teilstrom 3 über
die Position 20 nach Position 21 geführt. Im dritten Srömungsleitelement wird der
Teilstrom 3 wieder von Position 20 nach Position 22 geführt. Das Strömungsleitelement
ist mit den Ziffern 7,8 gekennzeichnet.
[0045] Die Figuren 14, 15, 16 sind geometrisch identisch. Sie snd Varianten der Figuren
4 und 5.
[0046] Gemäß Figur 14 erfolgt eine Parallelschaltung transformierter Grundformelemente 19
in Radial- und Umfangsrichtung in einem Rohr mit der Rohrwand 10 in einem kanalförmigen
Element 9. In dem Beispiel liegen zwei gekrümmte Grundformelement 19 in radialer Richtung
oder drei gekrümmte Grundformeiemente 19 in Umfangsrichtung vor. Durch die Anzahl
der parallel geschalteten Grundformelemente 19 wird die Anzahl der Teilströme 1 -
6 definiert. Bei drei Grundelementen 19 können neun Teilströme resultieren. In der
Abbildung gemäß Fig. 14 teilt das kreisförmige Strömungsleitelement 7,8 den Fluidstrom
in einen Kreisring 23 . Darunter folgt ein Kreisring 24 und ein Innenkreis 25.
[0047] Gemäß Figur 15 erfolgen in einem kreisförmigen, kanalförmigen Element 9 Aufteilungen
des Fluidstroms 16. Z.B. kann ein Strömungsleitelement 7,8 aus 2 in radialer Richtung
und 3 in Umfangsrichtung gekrümmten Grundformelementen aufgebaut sein. Der Kanalquerschnitt
wird durch das Strömungsleitelement 7,8 in Kreis- bzw. Kreisringteilstromquerschnitt
unterteilt. Der in das kanalförmige Element 9 eintretende Fluidstrom 16 wird durch
das erste Strömungsleitelement in 9 Teilströme aufgeteilt. In Position 1 im Kreisring
sind die Teilströme 20. In Position 2 im Kreisring sind die Teilströme 21 und in Position
3 sind die Teilströme 22 im Innenkreis angeordnet.
[0048] Figur 16 stellt eine weitere Variation der Funktion der Strömungsleitelemente in
einem kreisförmigen, kanalförmigen Element 9 dar. Das Strömungsleitelement ist aus
2 x 3 gekrümmten Grundformelementen 19 aufgebaut. Der Kanalquerschnitt (Querschnitt
des kanalförmigen Elements 9) wird durch das Strömungsleitelement in Kreis- bzw. Kreisringteilstromquerschnitt
unterteilt. Der in den Kanal eintretende Fluidstrom 16 wird durch das erste Strömungsleitelement
in neun Teilströme aufgeteilt. In Position 1 sind die Teilströme 20 im äußeren Kreisring
dargestellt. Die Teilströme 21 sind im inneren Kreisring vorhanden. Die Teilströme
22 sind im Innenkreis vorhanden.
[0049] Figur 17 zeigt einen Versuchsaufbau für die Messung des thermischen Wirkungsgrades.
Hierbei sind mit T die Temperaturen gekennzeichnet. Gemessen wird T
10 des einfließenden Fluids 1 und die Temperatur T
11 des ausfließenden Fluids 1. Auf der anderen Seite wird das Fluid 2 mit der Temperatur
T
20 gemessen und die Temperatur T
21 zeigt das Fluid 2. Das Fluid 1 hat die Ziffer 26, und das Fluid 2 die Ziffer 27.
[0050] Die folgende Tabelle zeigt die Messergebnisse der Versuche mit Strömungsleitelementen
und ohne Strömungsleitelemente. Die letzte Spalte zeigt den thermischen Wirkungsgrad.
[0051] Dieser ist bei den erfindungsgemäßen Vorrichtungen und mit Strömungsleitelementen
erheblich größer als ohne Strömungsleitelement. Die dunkel unterlegten Zeilen geben
die Ergebnisse der Versuche mit Strömungsleitelementen an. Die hellgrau unterlegten
Zeilen geben die Ergebnisse der Versuche ohne Strömungsleitelemente an.
1. Vorrichtung zur Erzielung einer definierten Führung eines Volumenstroms eines Fluids
durch ein kanalförmiges Element, wobei in dem kanalförmigen Element mikrokanalstrukturierte
Strömungsleitelemente zur Aufteilung des Volumenstroms und Führung der entstehenden
Teilströme von Fluiden angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Konstruktion so ausgeführt ist, dass die Teilströme abwechselnd mit der Innenwand
des kanalförmigen Elements und mit den anderen Teilströmen in Berührung gebracht werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass in dem kanalförmigen Element zur Führung der Teilströme wenigstens ein mikrokanalstrukturiertes
Strömungsleitelement angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle der Strömungsleitelemente an definierten Berührungsflächen von Teilströmen
ohne Wand zwecks Austausch der Teilströme ausgestaltet sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des kanalförmigen Elements kreis-, kreisring-, elipsen- oder rechtecksförmig
ausgestaltet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitelemente katalytisch wirksames Material aufweisen oder hieraus bestehen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelemente mit katalytisch aktivem Material,
Korrosionsschutz oder einer Antifoulingschicht versehen sind oder mit beliebigen Kombinationen
der genannten Schichten beaufschlagt sind, oder die genannten Materialien aufweisen,
oder hieraus bestehen, oder beliebige Kombinationen der genannten Materialien aufweisen
oder hieraus bestehen.
7. Verfahren zur Erzielung einer definierten Führung eines Volumenstroms eines Fluids
durch ein kanalförmiges Element
dadurch gekennzeichnet, dass
- das Fluid in das kanalförmige Element einströmt,
- das Fluid in, vorzugsweise laminare, Teilströme aufgeteilt wird,
- die Aufteilung mittels in dem kanalförmigen Element vorhandenen mikrokanalstrukturierten
Strömungsleitelementen erzielt wird,
- die Teilströme durch die mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelemente definiert
geführt werden und
- die Teilströme derart geführt werden, dass sie mit der Innenwand des kanalförmigen
Elements und untereinander in Berührung gebracht werden, wobei die Teilströme abwechselnd
mit der Innenwand des kanalförmigen Elements und mit den anderen Teilströmen in Berührung
gebracht werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Teilströme derart geführt werden, dass sie abwechselnd mit der Innenwand des
kanalförmigen Elements und mit den anderen Teilströmen in Berührung gebracht werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass jeder Teilstrom mindestens einmal an die Innenwand des kanalförmigen Elements geführt
wird.
10. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 6 zur Erzielung eines Wärmeaustauschs
mit der Innenwand eine kanalförmigen Elementes oder den anderen Teilströmen, und/oder
zur Erzielung eines Stoffaustauschs mit den anderen Teilströmen.
11. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 6 zur Erzielung einer kontrollierten
Reaktions- und/oder Prozessführung innerhalb der mikrokanalstrukturierten Strömungsleitelemente
und/oder Prozesstemperierung an der Innenwand des kanalförmigen Elements.
1. Device for achieving a defined guidance of a volume flow of a fluid through a channel-shaped
element ,wherein in the channel-shaped element microchannel structured flow guide
elements are arranged for dividing the volume flow and for guidance of the resulting
partial flows of fluids,
characterized in that the construction is arranged in such a way that the partial streams are guided such
that they are brought into contact alternately with the inner wall of the channel-shaped
elements and with the other partial streams.
2. Device according to claim1, characterized in that in the channel-shaped element for guiding the partial flows at least a microchannel
structured flow guide element is arranged.
3. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that for the replacement of the partial streams, the microchannels of the flow guide elements
are designed at defined contact surfaces of partial streams without a wall.
4. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the cross section of the channel-shaped element is designed in a circular, circular-ring,
elliptical or rectangular shape.
5. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the flow guiding elements have catalytically active material or consist therof.
6. Device according to claim 5, characterized in that the microchannel structured flow guide elements are provided with catalytically active
material, corrosion protection or with an antifouling layer or are applied with any
combinations of the mentioned layers or they have the mentioned materials, or consist
thereof, or have any of the combinations of the mentioned material or consist therof.
7. Method for achieving a defined guidance of a volume flow of a fluid through a channel-shaped
element,
characterized in that
- the fluid flows into the channel-shaped element
- the fluid is divided in preferably laminar, partial flows
- the division is achieved by microchannel structured flow guide elements, which are
present in the channel-shaped element
- the partial flows are guided in a defined manner through the microchannel structured
flow guide elements
- the partial flows are guided such that they are brought into contact with the inner
surface of the channel shaped elements and among each other, whereby the partial flows
alternately are brought into contact with the inner wall of the channel-shaped elements
and with the other partial streams.
8. Method according to claim 7, characterized in that the partial flows are guided in such a manner that they alternately get in contact
alternately with the inner wall of the channel-shaped elements and with the other
partial streams.
9. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that each partial flow is guided at least once to the inner surface of the channel - shaped
element.
10. Use of the device according to any of the claims 1 - 6 for obtaining a heat-exchange
with the inner wall of a channel-shaped element or the other partials flows , and/or
to achieve a mass transfer with the other partial flows.
11. Use of the device according to any of the 1 - 6 for achieving a controlled reaction
and/or process control within the microchannel structured flow guide elements and/or
temperature controle at the inner wall of the channel-shaped element.
1. Dispositif pour obtenir une guidage definie d'un circuit de volume d'un fluide par
un élément en forme de canal, en ce que dans l'élément en forme de canal des éléments
de guidage de circuit en structure microcanal sont arrangés pour la division du circuit
et la guidage des circuits partiels résultants des fluides, caractérisé en ce que la construction est arrangée de telle sorte que les circuits partiels sont guidés
d'une telle manière qu'ils sont mis en contact alternativement avec la paroi intérieure
des éléments en forme de canal et avec les autres circuits partiels.
2. Dispositif selon la revendication1, caractérisé en ce e que dans l'élément en forme
de canal pour la guidage des circuits partiels, au moins un élément de guidage de
circuit en structure de microcanal est arrangé.
3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les microcannaux des éléments de guidage des circuits sont formés aux définies surfaces
de contact des circuits partiels sans paroi pour replacement des circuits partiels.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la section transversale de l'élément en structure de canal est formée en forme circulaire,
anneau-circulaire, elliptiquement ou rectangulaire.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments de guidage de circuits ont un matériau catalytiquement actif ou sont
composés de celui-ci.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce e que des éléments de guidage
de circuits en forme de microcanal sont munis d'un matériau catalytiquement actif,
protection contre la corrosion ou avec une couche antifouling ou sont appliqués avec
diverses combinaisons des couches mentionnées, ou qui ont des matériaux mentionnés
ou sont composés de ceux-ci ou ont toutes les combinaisons possibles du matériau mentionné
ou sont composé de ceux-ci.
7. Procédé pour obtenir la guidage definie d'un circuit de volume d'un fluide par un
élément en forme de canal,
caractérisé en ce que
- le fluide coule dans l'élément en forme de canal
- le fluide est divisé en des circuits partiels, en préférence laminaires
- la division est obtenue par des éléments de guidage de circuits en structure de
microcanal, que sont présents dans l'élément en forme de canal
- les circuits partiels sont guidés dans une manière definie par les éléments de guidage
de circuits en structure microcanal
- les circuits partiels sont guidés d'une telle manière qu'ils sont mis en contact
avec la paroi intérieure de l'élement en forme de canal et l'un avec l'autre , et
les circuits partiels sont mis en contact alternativement avec la paroi intérieure
de l'élément en forme de canal et avec les autres circuits partiels.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les circuits partiels sonte guidés d'une telle manière qu'ils sont mis en contact
alternativement avec la paroi intérieure de l'élément en forme de canal et avec les
autres circuits partiels.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque circuit partiel est guidé au moins une fois à la paroi intérieure de l'élément
en forme de canal.
10. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 - 6 pour obtenir un échange
de chaleur avec la paroi intérieure d'un élément en forme de canal ou les autres circuits
partiels, et/ou pour obtenir un transfert de mass avec les autres circuits partiels.
11. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 - 6 pour obtenir une réaction
controllée et/ou un procès de contrôle dans les éléments de guidage de circuits en
structure microcanal et/ou le procès de côntrole de la température à la paroi intérieure
de l'élément en forme de canal.