[0001] Die Erfindung betrifft eine Temperaturregelung für einen Mikrostrukturverdampfer
zur Kühlung von Flüssigkeiten gemäß des ersten Patentanspruchs.
[0002] Die Temperierung (Aufheizen oder Abkühlen) von Fluiden mit Wärmetauschern erfolgt
üblicherweise über einen Wärmetransfer auf ein Fluid (Flüssigkeit, Dampf, Gas) oder
auf elektrische betriebene Elemente wie eine elektrische Beheizung oder Peltierelemente.
Alternative Konzepte, wie z.B. eine Verdampfungskühlung, nutzen beispielsweise die
Energie eines Phasenübergangs für eine Erwärmung oder Abkühlung aus.
[0003] Die Regelung solcher Vorgänge ist für konventionelle Apparaturen im industriellen
Umfeld gut entwickelt und erforscht, hierzu gibt es sowohl für die Beheizung als auch
für die Kühlung Standardlösungen, z.B. druckluftgetriebene Steuerventile oder Ventile
mit elektrischem Stellantrieb, die eine Durchflussregelung erfüllen und allgemeiner
Stand der Technik sind (siehe z.B. Produktlinien von Firmen wie Endress & Hauser,
Jumo oder weiterer einschlägiger Hersteller und Vertreiber von Mess- und Regeltechnik).
[0004] Mikrostrukturierte Wärmeübertragungssystemen weisen aufgrund ihrer feinen Strukturen
eine hohe spezifische Wärmeübertragungsoberfläche und eine geringe thermische Masse
auf, was einerseits ihren Wirkungsgrad erheblich verbessert, andererseits auch ihren
Einsatzbereich erweitert
[1, 2]. Die kompakte Bauweise ermöglicht einen Einsatz auch in transportablen Anwendungen
oder im Küchenmaschinenbereich wie z.B. der Temperierung von Getränken direkt durch
den Endverbraucher.
[0005] Die reduzierte thermische Masse der Mikrowärmetauscher führt zu sehr kurzen Reaktionszeiten
bei Temperaturwechseln. Für die Beheizung von Flüssigkeiten stellt dies in der Regel
keinen Nachteil dar. Bei Verwendung eines Heizfluids wird dieses an anderer Stelle
z.B. elektrisch beheizt. Diese Beheizung kann mittels eines konventionellen, preisgünstigen
Reglers oder über simples Ein- und Ausschalten mittels eines Bimetallschalters oder
eines NTC- oder PTC-Sensors geregelt werden. Eine direkte elektrische Beheizung kann
sich ähnlicher Mechanismen bedienen. Entsprechende Regelungssysteme sind bekannt und
veröffentlicht
[3, 4]. In
[3] wird beschrieben, wie ein elektrisch beheizter Mikrostrukturapparat mit einem üblichen
Regelmechanismen betrieben wird.
[4] beschreibt die Anwendung eines elektrischen Schalters zur temperaturgesteuerten Regelung
einer elektrischen Last. Entsprechende PTC- bzw. NTC-Sensoren sind in der Zwischenzeit
z.B. als Übertemperatur-Schutzelemente sowie als kostengünstige Regelmechanismen auch
in Geräten für den Privatverbraucher (z.B. Fön) integriert. Selbstregelnde Heizelemente
auf Basis von PTC-Widerständen werden z.B. in [5] beschrieben und von verschiedenen
Herstellern von elektrischen Heizmitteln vertrieben (z.B.: David & Baader GmbH,
[6])
[0006] Anders sieht es bei der Kühlung von Mikrostrukturwärmeübertragern aus. Werden zur
Kühlung beispielsweise Peltier-Elemente direkt an den Mikrostrukturapparat angebracht
oder indirekt zur Kühlung eines Sekundärfluids eingesetzt, bieten sich für eine Leistungsregelung
oder Unterbrechungen einfache Abschaltmechanismen für die Versorgungsspannung der
Peltier-Elemente an. Dies ist technisch möglich, verkürzt jedoch in der Regel die
Lebensdauer der Peltierelemente. Da zudem Peltier-Elemente mit einem niedrigen Wirkungsgrad
oder mit einem niedrigen Temperaturhub arbeiten und eine relativ voluminöse Sekundärkühlung
zur Abfuhr der Verlustleistung benötigen, sind sie für den Einsatz mit Mikrostrukturapparaten
nur bedingt geeignet. Der recht hohe Preis von Peltier-Elementen und den zum Betrieb
benötigten Spannungsversorgungen bzw. Hochstromquellen reduziert die Einsatzmöglichkeiten
im Bereich der Heim- und Consumermärkte zusätzlich.
[0007] Eine einfache Abschaltung oder Betriebsunterbrechungen anderer Kühlvorrichtungen
wie Kühlkompressoren, wie in handelsüblichen Kühlschränken vielfach eingesetzt, oder
einer Kühlung über Verdampfen eines Kühlmittels z.B. in Verbindung mit Mikrostrukturapparaten
sind ebenfalls technologisch nur eingeschränkt durchführbar. Ein Kompressor benötigt
grundsätzlich eine gewisse Anlaufzeit und erzeugt damit Totzeiten bei Schaltvorgängen.
Ebenso sind Verdampfungsvorgänge bei Veränderungen reaktionsträge und benötigen dabei
grundsätzlich Vorlaufzeiten, bis sich wieder ein stationärer Zustand einstellt. Der
besondere Vorteil einer schnellen Reaktionszeit von Mikrostrukturapparaten wird damit
teilweise oder ganz aufgehoben. Zudem rufen die genannten Mittel zusätzlich unerwünschte
Unregelmäßigkeiten in der Kühlleistung mit einer eigenen Dynamik hervor.
[0008] Davon ausgehend liegt die
Aufgabe der Erfindung darin, eine preiswerte und zuverlässige Temperaturregelung für einen Mikrostrukturverdampfer
zur Kühlung von Fluiden, vorzugsweise Flüssigkeiten vorzuschlagen, die die genannten
Nachteile nicht aufweist. Insbesondere soll die Regelung die Anforderungen von starken
Leistungsschwankungen innerhalb kurzer Zeit ohne nennenswerte Verzögerung erfüllen.
Diese Anforderung ergibt sich aus der Aufgabe, Heissgetränke auf Knopfdruck batchweise
auf eine definierte Temperatur abzukühlen.
[0009] Die Aufgabe wird mit einer Temperaturregelung für einen Mikrostrukturverdampfer zur
Kühlung von Flüssigkeiten mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Temperaturregelung werden in den Unteransprüchen wiedergegeben.
[0010] Die Lösung der Aufgabe sieht eine Temperaturregelung für einen Wärmetauscher, vorzugsweise
Mikrostrukturverdampfer zur Temperierung, vorzugsweise Kühlung von Flüssigkeiten vor,
wobei der Mikrostrukturverdampfer mit einem Temperierfluid, vorzugsweise einem Kühlmittel,
betrieben wird. Die Temperaturregelung wird durch eine Regelung des im Wärmetauscher
übertragenen Wärmemengenstroms, d.h. einer Wärmemengenregelung realisiert. Dabei erfolgt
eine Manipulation des durch den Wärmetauscher oder bevorzugten Mikrostrukturverdampfer
verlaufenden Temperierfluiddurchflusses z.B. durch Temperierung, Drosselung, Regelung,
Unterbrechung und/oder Bypass-Umleitung sowie einer Temperaturmessung am Temperierfluid
für die Erzeugung eines Stellsignals für die Regelung.
[0011] Im Rahmen der Temperaturregelung erfolgt die Manipulation eines Kühlmittelflusses
als Temperierfluiddurchfluss durch mindestens ein Strömungsventil zur Regulierung
eines Strömungswiderstandes im Kühlmittelstrom und/oder mindestens ein Absperrventil
zur Unterbrechung eines Kühlmitteldurchflusses.
[0012] Das Strömungsventil und/oder das Absperrventil öffnen und schließen sich temperaturabhängig
geregelt. Die Temperatur wird im Rahmen der Erfindung an unterschiedlichen Stellen
gemessen.
[0013] Vorzugsweise erfolgt eine Regelung der im Wärmetauscher übertragenen Wärmemenge über
die Eintrittstemperatur oder die Austrittstemperatur des Kühlmittels am Mikrostrukturverdampfer.
[0014] Regelung über die Eintrittstemperatur:
[0015] Die am Eintritt in einen Einzelfluidkanal, vorzugsweise Verdampfungspassage, eines
Wärmetauschers (Mikrostrukturverdampfer) gemessene Temperatur T
ein korreliert in vorteilhafter Weise direkt mit dem Verdampfungsdruck P
Dampf am Eintritt in die Verdampferpassage im Wärmetauscher. Dieser ergibt sich aus der
Summe des Druckabfalls ΔP über der Verdampferpassage des Mikrowärmeübertragers und
des Drucks P
nieder in der Saugleitung eines Kühlmittelkreislaufs nach Austritt aus dem Verdampfer. Entsprechend
errechnet sich der Druckverlust ΔP zu:

[0016] Der Druckabfall ΔP ist hierbei aufgrund der mikroskopischen Abmessungen, vorzugsweise
zwischen 50 und 1000 µm der Querschnitte des Einzelfluidkanals, deutlich größer als
in entsprechenden makroskopischen Verdampfern. Wird dem Kühlmittel im Mikrowärmeübertrager
eine Wärmemenge Q
warm zugeführt, die größer oder gleich der Kälteleistung Q
kalt (für eine vollständige Verdampfung erforderliche Wärmemenge) des Kreislaufs ist,
verdampft das Temperierfluid vollständig innerhalb der Einzelfluidkanäle im Wärmetauscher.
[0017] Durch die verdampfungsbedingte Volumenzunahme steigt die Fließgeschwindigkeit in
den einzelnen Einzelfluidkanälen signifikant an und bewirkt damit einen Anstieg des
vorgenannten Druckabfalls ΔP. Bedingt hierdurch kommt es zu einem Anstieg des Verdampfungsdruck
P
Dampf und Anstieg der Verdampfereintrittstemperatur T
ein.
[0018] Für den Fall, dass die dem Wärmetauscher durch die zu temperierende Flüssigkeit zugeführte
Wärmemenge kleiner als die Kälteleistung des Kreislauf ist Q
warm< Q
kalt, verdampft nur noch ein Teil des Temperierfluids innerhalb der Einzelfluidkanäle
im Wärmetauscher. Aufgrund des höheren Flüssigkeitsanteils im Temperierfluid im Verdampfer
reduzieren sich auch das Fluidvolumen und damit die Fließgeschwindigkeit des Temperierfluids
im Einzelfluidkanal. Der Druckabfall ΔP über die Verdampferpassage nimmt signifikant
ab, hierdurch sinkt der Verdampfungsdruck P
Dampf und mit ihm die Verdampfungstemperatur am Verdampfereintritt T
ein.
[0019] Um ein Einfrieren der zu kühlenden Flüssigkeit (z.B. Wasser) auszuschließen, wird
der Temperierfluidfluss über ein dem Wärmetauscher nachgeschaltetes Magnetventil geschlossen,
sobald T
ein einen Schwellenwert unterschreitet, der etwa 2K über dem Gefrierpunkt des zu kühlenden
Fluids liegt (bei Wasser ca. 2°C.). Überschreitet der bei T
ein gemessene Wert wieder den Schwellenwert, öffnet das Magnetventil den Temperierfluidfluss
wieder, die volle Kälteleistung steht unmittelbar wieder zur Verfügung.
[0020] Regelung über die Austrittstemperatur:
[0021] Eine Regelung über die Austrittstemperatur T
aus des Temperierfluids aus dem Wärmeüberträger ist dann vorteilhaft, wenn eine Regelung
über Messung der Temperatur T
ein am Verdampfereintritt aufgrund des höheren Montageaufwands oder aufgrund des Designs
des Mikrowärmeübertragers (beispielweise bei einer Intergration der Expansionsblende
in den Mikrowärmeübertrager) technisch nicht möglich oder unwirtschaftlich ist. Die
Aufnahme dieser Temperatur erfolgt bevorzugt direkt am Temperierfluid nach Austritt
aus der Verdampferpassage oder kostengünstiger durch Messung der Oberflächentemperatur
der Saugleitung am Anschlusspunkt Mikrowärmeübertrager-Verdampferaustritt (Austritt
am Wärmetauscher). Die Regelung erfolgt hierbei analog zu der vorgenannten Temperaturregelung
über die Eintrittstemperatur, mit dem Unterschied, dass die Austrittstemperatur als
Regelgröße verwendet wird.
[0022] Wird dem Temperierfluid im Mikrowärmeübertrager über das zu kühlende Fluid, bevorzugt
eine Flüssigkeit, eine Wärmemenge zugeführt, die die Kälteleistung des Kreislaufes
übersteigt Q
warm > Q
kalt, verdampft das Temperierfluid vollständig bis zum Austritt aus den Einzelfluidkanälen
(Verdampferpassage). Es kommt zu einer Überhitzung des Temperierfluids in den gasförmigen
Bereich; die Temperatur am Temperierfluidaustritt T
aus ist dann deutlich größer als 0°C. Im Beispiel wurde hierzu ein Kältemittel R134A
verwendet, andere Temperierfluide sind jedoch ebenfalls möglich und praktikabel, wie
z.B. R744 oder R600a.
[0023] Wird hingegen zuwenig Wärme über das zu kühlende Fluid zugeführt (Q
warm < Q
kalt), verdampft das Temperierfluidmittel nicht vollständig innerhalb der Einzelfluidkanäle
(Verdampferpassage). Nicht verdampftes Temperierfluid verdampft in diesem Fall unmittelbar
nach Austritt aus der Verdampferpassage bei Eintritt in die Saugleitung und kühlt
daher unmittelbar die Saugleitung respektive den Temperatursensor T
aus.
[0024] Als Schaltwert für das Schließen des Magnetventils ist ein Wert von etwa T
aus < 1° (für wässrige zu temperierende Flüssigkeiten) zu wählen, um ein Einfrieren zu
verhindern.
[0025] Die Erfindung umfasst eine Verwendung der Temperaturregelung für eine Kühlung vorzugsweise
in mikrostrukturierten Wärmetauschern von Heißgetränken, vorzugsweise frisch gebrühten
Heißgetränken wie Kaffee oder Tee, oder anderen Getränken wie z.B. Milchgetränken,
die auf Kundenwunsch vorzugsweise unmittelbar nach einer Wärmebehandlung gekühlt werden
sollen (Kaltgetränk on demand).
[0026] Die Erfindung umfasst ferner eine Verwendung der Temperaturregelung für eine Temperierung,
vorzugsweise Kühlung bei chemischen Prozessen oder Verfahren, bei denen z.B. aufgrund
einer exothermen Reaktion oder einer Aufheizung zeitabhängig unterschiedliche Temperaturen
auftreten oder unterschiedliche Wärmemengen geregelt abgeführt werden müssen, um eine
stabile Versuchsführung oder Temperaurkonstanz zu gewährleisten.
[0027] Die Erfindung umfasst auch eine Verwendung der Temperaturregelung für eine Temperierung
von kleineren Klimaanlagen in z.B. tragbaren Geräten des Elektronik- und IT-Bereichs
oder im Automobilbereich, in denen starke Leistungsschwankungen und damit auch starke
Schwankungen der Abwärme auftreten und mit Wärmetauschern kleiner Abmessungen ausgetauscht
werden.
[0028] Die Erfindung umfasst zudem ein Verfahren zur Temperaturregelung für einen Mikrostrukturverdampfer
zur Kühlung von Flüssigkeiten, wobei der Mikrostrukturverdampfer mit einem Temperierfluiddurchfluss
(Kühlmittelstrom) betrieben wird. Für die Temperaturregelung wird dieser Temperierfluiddurchfluss
durch den Wärmetauscher in genannter Weise durch mindestens ein Mittel zur Manipulation
des Temperierfluiddurchflusses in Massenfluss, Volumenfluss, Druck und/oder Temperatur
eingestellt.
[0029] Die Erfindung wird im Folgenden mit Ausführungsbeispielen und den folgenden Figuren
näher erläutert. Es zeigen
Fig.1 eine Ausführung mit Bypassleitung um den Mikrostrukturverdampfer sowie einem Magnetventil
im Kühlmittelhauptstrom,
Fig.2 eine Ausführung mit regelbarem Durchlassventil im Kühlmittelhauptstrom vor dem Mikrostrukturverdampfer
sowie
Fig.3 eine Ausführung mit regelbarem Durchlassventil im Kühlmittelhauptstrom nach dem Mikrostrukturverdampfer.
[0030] Fig.1 bis 3 geben Ausführungsformen mit Gegenstromwärmetauscher
1 als Mikrostrukturverdampfer wieder. Dieser eignet sich einerseits für die Temperierung
von Fluiden mit hohen Temperaturunterschieden. Zudem weist er eine parallele Führung
einer Vielzahl von Einzelfluidkanälen für zu temperierende Flüssigkeit
3 und Temperiermedium
4 (zwei Fluidkanalfraktionen) auf, womit in jedem der grundsätzlich identisch konzipierten
Fluidkanäle pro Fluidkanalfraktion gleiche Temperierbedingungen vorherrschen. Folglich
erfährt eine zu temperierende Flüssigkeit im Hauptstrom
2 nach Aufzweigung in mehrere Einzelfluidkanäle in diesen im Gegensatz zu einem Kreuzstromwärmetauscher
grundsätzlich auch eine identische thermische Beaufschlagung.
[0031] Ein Kreuzstromwärmetauscher stellt dagegen eine wirtschaftlich günstig herzustellende
Komponente dar. Ein Einsatz ist dann vorteilhaft und daher anzustreben, wenn das Temperierfluid
beim Durchtritt durch den Wärmetauscher nur geringe Temperaturänderungen durchläuft.
Dies liegt dann vor, wenn das Temperiermedium einen isothermen Phasenübergang von
Flüssig zu Gasförmig oder umgekehrt durchläuft und der Phasenübergang der zu temperierenden
Flüssigkeit zusätzlich Wärme entzieht oder zuführt. Diese Ausführungsform eignet sich
daher insbesondere für Verdampfungskühler.
[0032] Eine erste Ausführung (
Fig.1) sieht eine Bypassleitung
5 für ein Kühlmittel als Temperierfluid um den Mikrostrukturverdampfer (Gegenstromwärmetauscher
1) vor. Die Umleitung des Kühlmittels in die Bypassleitung erfolgt mit Hilfe eines
temperaturgesteuerten Magnetventils
6, das vorzugsweise in der Kühlmittelleitung
13 zwischen Abzweigung
7 zur Bypassleitung
5 und Mikrostrukturverdampfer, d.h. im Kühlmittelstrom
8 vor Eintritt in den Mikrostrukturverdampfer eingesetzt ist. Die Temperatur wird -
wie zuvor beschrieben - im Temperierfluid (Kühlmittel) direkt am Eintritt
11 oder direkt am Austritt
12 des Wärmetauschers, oder alternativ am Flüssigkeitsaustritt
14 am Wärmetauscher
1 im Hauptstrom
2 gemessen und als Regelgröße einer nicht dargestellten Regelung (Regelungselektronik)
für die Ansteuerung des Magnetventils
6 herangezogen. In der Regelung wird die gemessene Temperatur mit einem einstellbaren
Schwellwert verglichen und das Magnetventil bei Über- und Unterschreitung entweder
geschlossen bzw. geöffnet. Eine Messung am Flüssigkeitsaustritt
14 weist den Vorteil auf, dass die Temperatur direkt an oder in der zu temperierenden
Flüssigkeit gemessen wird und damit diese besonders exakt temperierbar ist. Um ein
Einfrieren der Flüssigkeit bei stehender Flüssigkeit hierbei zu verhindern, muss allerdings
zusätzlich die Temperatur des Temperierfluids am Ein- oder Austritt überwacht werden.
[0033] Die Abzweigung
7 ist als Strömungsweiche vorzugsweise so konzipiert, dass sie den Kühlmittelstrom
bei geöffnetem Magnetventil
6 vollständig in den Wärmetauscher leitet und erst bei Verschließen desselben den Kühlmittelstrom
in die Bypassleitung leitet. Der zur Bypassleitung
5 parallele Kühlmittelstrom durch den Wärmetauscher zwischen Abzweigung
7 und der Einleitung
16 ist der Kühlmittelhauptstrom und entspricht in
Fig.1 der Kühlmittelleitung
13.
[0034] Ist eine Aufteilung des Kühlmittelstroms in Bypassleitung
5 und Kühlmittelleitung
13 mit kontinuierlich einstellbarem Massenstromverhältnis für eine kontinuierliche Temperaturregelung,
d.h. Wärmemengenregelung erforderlich, ist ein kontinuierlich verstellbares Ventil
(z.B. Schieberventil) oder eine kontinuierlich verstellbare Blende vorzusehen.
[0035] Es liegt grundsätzlich im Rahmen der Erfindung und ist mit allen dargestellten Ausführungsbeispielen
kombinierbar, ein Ventil oder Blende mit einer Temperaturerfassung mit Regelung durch
eine temperaturabhängige Stellblende, d.h. eine Komponente ohne zusätzliche ggf. erforderliche
Spannungsversorgung einer Regelung, zu ersetzen, vorzugsweise einer Bimetallblende
So könnte z.B. ein Schieber über ein Bimetall-Biegeelement gegen eine voreingestellte
Federkraft geschlossen bzw. geöffnet werden. Auch die Kombination von zwei unterschiedlichen
Bimetall-Biegelementen zum Öffnen bzw. Schliessen der Blende im gegenläufigen Betrieb
ist denkbar. Diese Stellblende ist vorzugsweise direkt am Eintritt
11 oder direkt am Austritt
12 des Wärmetauschers angeordnet.
[0036] Das Wärme- oder Kältepotential im Kühlmittelstrom in der Bypassleitung ist z.B. durch
einen weiteren Wärmetauscher
9 für weitere Verwendungen nutzbar. Insbesondere in einem Haushaltsgerät (sog. Consumer-Maschine)
zur Herstellung von Heiß- und Kaltgetränken ist die Kühlleistung indirekt über einen
zusätzlichen Nebenkühlkreislauf oder direkt für eine Kühlung des Frischwasserreservoirs
oder von Zubehörkomponenten wie Tassen, Bechern oder andere Gefäße nutzbar. Eine weitere
Möglichkeit ist das direkte Vorkühlen der zu kühlenden Flüssigkeit, um z.B. eine Degradation
(im Falle von Wasser: Algenbildung) zu reduzieren oder zu unterbinden. Dies stellt
einen entscheidenden hygienischen Vorteil gegenüber einfachen Lagerkomponenten dar.
[0037] Die zweite und dritte Ausführung gem.
Fig.2 bzw.
Fig.3 offenbaren alternative Temperaturregelungen ohne eine Bypassleitung. Die Kühlleistung
des Kühlmittelstroms
8 (hier gleichbedeutend mit Kühlmittelhauptstrom) wird mittels einer temperaturgesteuerten
Blende
10 (Strömungsventil) oder eines Magnetventils
6, alternativ auch die vorgenannte kontinuierlich temperaturabhängige Stellblende, durch
die Höhe des Massenstroms des Temperierfluids (Kühlmittels) manipuliert. Die Höhe
des Massenstroms bestimmt die Höhe des durch das Kühlmittel durch den Wärmetauscher
1 eingeleiteten Wärmemengenstroms und damit direkt die im Wärmetauscher auf den Hauptstrom
2 zu übertragene Wärmeleistung.
[0038] Zusätzlich (oder grundsätzlich auch alternativ) zu den vorgenannten Volumenstromregelungen
ist grundsätzlich eine Manipulation der Kühlleistung des Wärmetauschers auch durch
Mittel zur Temperierung
15 des Temperierfluids vor Eintritt in den Wärmetauschers durchführbar (vgl.
Fig.3). Hier eignen sich insbesondere elektrische Elemente wie Peltier-Elemente für eine
Kühlung oder Widerstandsheizelement für eine Aufheizung, wobei diese bevorzugt über
die vorgenannte Regelung in ihrer Leistung vorzugsweise kontinuierlich regelbar sind.
[0039] Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines dem Wärmetauscher nachgeschalteten
Magnetventils (
Fig.3), welches über einen Temperaturfühler am Eintritt 11 oder Austritt
12 des Wärmetauschers
1 geregelt wird.
[0040] Die schnellen Schaltzeiten eines Magnetventils der vorgenannten Art ermöglichen es,
die Vorteile der aufgrund der geringen Kanalabmessungen der Einzelfluidkanäle realisierbaren
sehr kurzen Wärmeleitungsweglängen vom Temperierfluid im Kühlmittelstrom
8 zur temperierenden Flüssigkeit im Hauptstrom
2 und daher sehr kurzen Wärmeübertragungsreaktionszeiten von Mikrowärmeübertragen für
eine sehr schnelle Abkühlung zu erhalten. Es gelingt somit, äußerst preisgünstig bei
variabler Durchflussmenge des zu temperierenden Fluids immer die notwendige Kühlleistung
einzustellen, ohne eine Kühlquelle (Kühlkompressor, Peltier-Element) schalten zu müssen.
Dadurch sind Totzeiten oder Regelverzögerungen ausgeschlossen und die Vorteile der
Mikrowäremtauscher können vollständig genutzt werden. Herkömmliche Regelsysteme sind
für diese für Mikrowärmetauscher oder -verdampfer üblichen sehr kurzen Reaktionszeiten
zu langsam oder technisch sehr aufwendig und damit teuer.
[0041] Ein bevorzugtes intervallartiges Freischalten und Unterbrechen des Kühlmittelstroms
durch das Ventil reduziert zudem das Frostrisiko für die zu kühlende Flüssigkeit in
den Einzelfluidkanälen für die zu temperierende Flüssigkeit
3.
[0042] Der Einsatz eines dem Wärmetauscher
1 nachgeschalteten temperaturgesteuerten Magnetventils (
Fig.3) ermöglicht zudem den Einsatz einer kostengünstigen zusätzlichen festen Drosselblende
vor Eintritt
11 in den Wärmetauscher (z.B. Verdampfer) bzw. die direkte Integration dieser Drosselfunktion
in den Mikrowärmeübertrager, da die Durchflussregelung ausschließlich über das Magnetventil
erfolgt. Eine komplizierte und teure Stellblende ist zwar immer noch möglich, jedoch
nicht mehr zwingend.
[0043] Das Nachschalten des Magnetventils hinter dem Wärmetauscher gem.
Fig.3 hat gegenüber den Ausführung in
Fig.2 mit vorgeschaltetem Magnetventil insbesondere bei einer Verdampfungskühlung einen
wesentlichen Vorteil. Da der Temperierfluidfluss erst nach Austritt 12 aus der Verdampferpassage
blockiert wird, steigt der Verdampfungsdruck D
ampf innerhalb den Einzelfluidkanälen (Verdampfungspassage des Mikrowärmeübertragers)
an. Dadurch steigt auch die Verdampfungstemperatur im kompletten Mikrowärmeübertrager
an, sodass eine weitere Abkühlung und damit ein Einfrieren der zu kühlenden Flüssigkeitspassage
physikalisch ausgeschlossen ist. Das System reguliert sich damit selbständig.
[0044] Ist dies nicht der Fall und ist der Temperierfluidkreislauf über ein vorgeschaltetes
Ventil vor dem Eintritt in den Verdampfer unterbrochen, käme es zunächst zu einer
weiteren Abkühlung des Bauteils, da Temperierfluidreste bei weiter sinkendem Verdampfungsdruck
und dadurch weiter sinkender Verdampfungstemperatur aus dem Mikrowärmeübertrager gesaugt
würden. Hierbei ist davon auszugehen, dass das zu kühlende Fluid einfriert. Eine aufwendigere
Regelung wäre notwendig, um dies zu verhindern.
[0045] Für eine reaktionsschnelle und einfache Temperaturkontrolle, die ein Einfrieren ausschließt,
ist daher ein Nachschalten des Magnetventils oder auch einer Blende wie vorgeschlagen
vorteilhaft.
Literatur:
[0046]
- [1] Schubert et al.: Microstructure Devices for Applications; Thermal and Chemical Process
Engineering, Microscale Thermophys. Eng., vol.5, No.1, 17-39.
- [2] Brandner et al.: Microstructure Heat Exchanger Applications; Laboratory and Industry
Heat Transfer Engineering, vol. 28, No.8-9, Aug. 2007, 761-771
- [3] Brandner et. al. : Fast Temperature Cycling in Microstructure Devices ; Chemical Eng.
J., 101/1-3, 2004, 217-224
- [4] EP 0 208 318 A2
- [5] http://de.wikipedia.org/wiki/Heizelement, Stand 20.02.2009
- [6] http://dbk-group.de/ger/Produktbereiche/Heizkomponenten-Aggregate/PTC-Heizelemente, Stand 20.02.2009
Bezugszeichenliste
[0047]
- 1
- Gegenstromwärmetauscher
- 2
- Hauptstrom
- 3
- Einzelfluidkanal für zu temperierende Flüssigkeit
- 4
- Einzelfluidkanal für Temperiermedium
- 5
- Bypassleitung
- 6
- Magnetventil
- 7
- Abzweigung
- 8
- Kühlmittelstrom
- 9
- Wärmetauscher
- 10
- Blende
- 11
- Eintritt
- 12
- Austritt
- 13
- Kühlmittelleitung
- 14
- Flüssigkeitsaustritt
- 15
- Mittel zur Temperierung
- 16
- Einleitung
1. Temperaturregelung für einen Mikrostrukturverdampfer (1) zur Kühlung von Flüssigkeiten (2), wobei der Mikrostrukturverdampfer mit einem Temperierfluiddurchfluss (8) betrieben wird, umfassend mindestens ein Mittel (5, 6, 10, 15) zur Manipulation des Temperierfluiddurchflusses.
2. Temperaturregelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturerfassung im Temperierfluiddurchfluss vor Eintritt (11) oder nach Austritt (12) aus dem Mikrostrukturverdampfer vorgesehen sind und die Mittel zur Manipulation
durch die Temperatur schalt- oder regelbar sind.
3. Temperaturregelung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerfassung ein Temperatursensor zur Messung oder ein Bimetallelement
zur Überwachung einer Temperatur umfasst.
4. Temperaturregelung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Manipulation mindestens ein Strömungsventil (10) zur Regulierung eines Strömungswiderstandes und/oder mindestens ein Absperrventil
zur Unterbrechung des Temperierfluiddurchflusses umfassen.
5. Temperaturregelung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrventil ein Magnetventil (6) im Temperierfluiddurchfluss ist.
6. Temperaturregelung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetventil (6) im Temperierfluiddurchfluss dem Mikrostrukturverdampfer (1) nachgeschaltet ist.
7. Temperaturregelung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Manipulation eine Bypassleitung (5) für das Temperierfluid umfassen.
8. Temperaturregelung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung Mittel (9) für eine weitere Wärmenutzung umfasst.