Vom Vorteil der Winzigkeit Effizienzsteigerung von Wärmeübertragern durch Miniaturisierung

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1 Institut für Mikroverfahrenstechnik Thermische Verfahrenstechnik / Wärmeübertragung Vom Vorteil der Winzigkeit Effizienzsteigerung von Wärmeübertragern durch Miniaturisierung juergen.brandner@kit.edu, KIT University of the State of Baden-Württemberg and National Research Center of the Helmholtz Association

2 Überblick Einleitung - Miniaturisierung und die Folgen - Einfluss der Dimensionen auf Stoff- und Wärmeübertragung Beispielrechnung - Klassischer Wärmeübertrager vs. Mikroapparat, durchgeführt mit einem einfachen EXCEL-Berechnungstool - Beispiel für CFD-Simulation Design und integrierte Mikrostrukturen Anwendungen in Forschung und Industrie Ausblick und Zusammenfassung 2

3 Warum winzig? Miniaturisierung und die Folgen Zuse Z4 Ende der 40er Jahre 64 words zu 32 bits 1000 Befehle pro Stunde 3

4 Warum winzig? Miniaturisierung und die Folgen Ericsson Mobiltelephon 4

5 Mixing time t M [s] Vom Vorteil der Winzigkeit Diffusiver Stofftransport 10 3 Diffusiver Stofftransport: D = cm 2 /s, i.e. 20 C D = cm 2 /s, i.e. 0,1 MPa and 20 C t M tm x 2 x 2 D Mixing time s Char. length m m 2 D Diffusion coeffi. s Char. length [m] 5

6 Heat transfer time t W [s] Vom Vorteil der Winzigkeit Wärmeübertragung a F = 1, cm 2 /s, i.e. 20 C Nu = 0,1 Nu = 1,0 Nu = 10,0 t Wärmeübertragung: W W a F 2 l Nu t Heat transfer time s l af Char. length m Temperature conductivity of fluid m 2 s Char. length [m] Nu Nusselt number 6

7 Wärmeübertragung Grundlegende Berechnung und Einflussnahme durch Strukturdimensionen VDI Wärmeatlas q V T m k a V T m T T T T W, E ln K, E T T W, E W, A T T W, A K, E K, A K, A q V : spezifische Wärmetauscherleistung, auf das Volumen bezogen W k: 2 Wärmedurchgangskoeffizient m K a V : T m : T x,y : W m 3 m m 2 3 K C Oberflächen Volumen - Verhältnis mittlere logarithmische Temperaturdifferenz Temperatur des Fluids x an der Position y Indizes: W: Warmes Fluid K: Kaltes Fluid E: Eintritt A: Austritt 7

8 Vom Vorteil der Winzigkeit Wärmeübertragung Wärmedurchgangskoeffizient k k ist, in erster Näherung, umgekehrt proprtional zum hydraulischen Durchmesser d h und zur Wärmeübertragungslänge s, dem Abstand der beiden Fluide. Je kleiner d h und s, desto größer k! k steigt an!! Oberflächen Volumen - Verhältnis a V = A / V Miniaturisierung der äußeren Abmessungen: Das Volumen reduziert sich mit der 3. Potenz der Außenabmessungen Die Oberfläche reduziert sich mit der 2. Potenz der Außenabmessungen a V steigt an!! 8

9 0,25 m Beispielrechnung Vergleich verschiedener Wärmeübertrager Konventioneller Kreuzstrom -Plattenwärmeübertrager aus Edelstahl Wärmeleitfähigkeit des Materials: W 15 m K Kanaldimensionen: Breite Tiefe Trennschichtdicke Wanddicke b = 10 mm t = 10 mm s = 1 mm w = 1 mm Länge l = 100 mm/140 mm (wirksam/gesamt) Anzahl Folien n = 2 Anzahl Kanäle n K = 2 x 8 = 16 Austauschfläche A = mm 2 9

10 0,25 m Beispielrechnung Vergleich verschiedener Wärmeübertrager Konventioneller Kreuzstrom -Plattenwärmeübertrager aus Edelstahl Wärmeleitfähigkeit des Materials: W 15 m K Kanaldimensionen: Breite Tiefe Annahme: Höhe = 20 mm Trennschichtdicke Wanddicke b = 10 mm t = 10 mm s = 1 mm w = 1 mm Länge l = 100 mm/140 mm (wirksam/gesamt) Anzahl Folien n = 2 Anzahl Kanäle n K = 2 x 8 = 16 Austauschfläche A = mm 2 10

11 0,25 m Beispielrechnung Vergleich verschiedener Wärmeübertrager Konventioneller Kreuzstrom -Plattenwärmeübertrager aus Edelstahl Wärmeleitfähigkeit des Materials: W 15 m K Kanaldimensionen: Breite Tiefe Annahme: Höhe = 20 mm Trennschichtdicke b = 10 mm t = 10 mm s = 1 mm Oberflächen Wanddicke Volumen Verhältnis w = 1 mm Länge l = 100 mm/140 mm (wirksam/gesamt) a V = 352 m 2 /m 3 Anzahl Folien n = 2 Anzahl Kanäle n K = 2 x 8 = 16 Austauschfläche A = mm 2 11

12 Beispielrechnung Vergleich verschiedener Wärmeübertrager Kreuzstrom - Mikrowärmeübertrager aus Edelstahl Wärmeleitfähigkeit des Materials: W 15 m K Kanaldimensionen: Breite Tiefe Trennschichtdicke Wanddicke b = 0,2 mm t = 0,1 mm s = 0,1 mm w = 0,1 mm Länge l = 10 mm / 14 mm (wirksam/gesamt) Anzahl Folien n = 50 Anzahl Kanäle n K = 50 x 34 = 1700 Austauschfläche A = mm 2 Quelle: KIT - IMVT 12

13 Beispielrechnung Vergleich verschiedener Wärmeübertrager Kreuzstrom - Mikrowärmeübertrager aus Edelstahl Wärmeleitfähigkeit des Materials: W 15 m K Kanaldimensionen: Breite Annahme: Höhe = 10 mm Tiefe Trennschichtdicke Wanddicke b = 0,2 mm t = 0,1 mm s = 0,1 mm w = 0,1 mm Länge l = 10 mm / 14 mm (wirksam/gesamt) Anzahl Folien n = 50 Anzahl Kanäle n K = 50 x 34 = 1700 Austauschfläche A = mm 2 Quelle: KIT - IMVT 13

14 Beispielrechnung Vergleich verschiedener Wärmeübertrager Kreuzstrom - Mikrowärmeübertrager aus Edelstahl Wärmeleitfähigkeit des Materials: W 15 m K Kanaldimensionen: Breite Annahme: Höhe = 10 mm Tiefe Trennschichtdicke Oberflächen Volumen Verhältnis Wanddicke a V = 5200 m 2 /m 3 b = 0,2 mm t = 0,1 mm s = 0,1 mm w = 0,1 mm Länge l = 10 mm / 14 mm (wirksam/gesamt) Anzahl Folien n = 50 Anzahl Kanäle n K = 50 x 34 = 1700 Konventionell: a V = 352 m 2 /m 3 Austauschfläche A = mm 2 Quelle: KIT - IMVT 14

15 Beispielrechnung Vergleich verschiedener Wärmeübertrager Kanaldimensionen konventionell: Breite Tiefe Trennschichtdicke Wanddicke b = 10 mm t = 10 mm s = 1 mm w = 1 mm Länge l = 100 mm (wirksam/gesamt) 140 mm Anzahl Folien n = 2 Anzahl Kanäle n K = 2 x 8 = 16 Austauschfläche A = mm 2 Wärmeleitfähigkeit des Materials: 15 Kanaldimensionen mikro: Breite Tiefe Trennschichtdicke Wanddicke a V = 352 m 2 /m 3 a V = 5200 m 2 /m 3 W m K b = 0,2 mm t = 0,1 mm s = 0,1 mm w = 0,1 mm Länge l = 10 mm (wirksam/gesamt) 14 mm Anzahl Folien n = 50 Anzahl Kanäle n K = 50 x 34 = 1700 Austauschfläche A = mm 2 Vergrößerungsfaktor: 14,773 15

16 Beispielrechnung Vergleich verschiedener Wärmeübertrager m T c c, in kg 100 h 10C kg m h 100 h 90C h h: hot fluid c: cold fluid m T h h, in kg 100 h 90C Konventioneller Wärmeübertrager: Laminare Strömung: 100 kg/h symmetrisch Turbulente Strömung: Warm: 5000 kg/h Kalt: kg/h 16

17 Beispielrechnung Vergleich verschiedener Wärmeübertrager Charakteristische Daten Strömungsgeschwindigkeit Konv. WT laminar w c 0, 02 w h 0, 02 m s m s turbulent w c 1, 55 w h 0, 79 m s m s µ WT m w c 1, 64 s m w h 1, 68 s Reynolds - Zahl Re 190 c 387 Re h Re c Re h Re 220 c 612 Re h Prandtl - Zahl Pr 5,52 c 53 Pr 2, h Pr 5,52 c 53 Pr 2, h Pr 6,88 c 24 Pr 2, h h: hot fluid c: cold fluid Nusselt - Zahl Nu c 8,0 Nu h 8,1 Nu c Nu h 156,8 114,4 Nu c Nu h 4,8 4,8 17

18 Beispielrechnung Vergleich verschiedener Wärmeübertrager Charakteristische Daten Konv. WT laminar turbulent µ WT Wärmeübergangskoeffizient c kw 0,49 m K kw 0,54 m K 2 h 2 c kw 9,62 m K kw 7,55 m K 2 h 2 c kw 21,61 m K kw 23,94 m K 2 h 2 Wärmedurchgangskoeffizient k kw 0,25 m K 2 k kw 3,30 m K 2 k kw 10,56 m K 2 Druckverlust p p c h 7,710 5, MPa MPa p p c h 0,0026 MPa 0,0007 MPa p p c h 0,036 MPa 0,019 MPa h: hot fluid c: cold fluid 18

19 Beispielrechnung Vergleich verschiedener Wärmeübertrager Charakteristische Daten Konv. WT laminar turbulent µ WT Übertragene Leistung Q1, 25kW Q18, 44 kw Q2, 89kW Übertragene Leistung pro Volumen kw q V 1450 m 3 kw kw q V q m 3 V 3 m h: hot fluid c: cold fluid Faktor: 1020 (laminar/laminar) 69 (laminar/turbulent) 19

20 Mikrowärmeübertrager Verwendung unterschiedlicher Materialien Kreuzstrom-Mikrowärmeübertrager aus Metallen. Im Uhrzeigersinn: Kupfer, Feinsilber, Edelstahl 20

21 Mikrowärmeübertrager Verwendung unterschiedlicher Materialien und unterschiedlicher Designs : connection of thermocouple; 2: connection of pressure transducer; 3: feeding/exhaust port of the first fluid; 4: metallic cover; 5: PEEK cover with 133 parallel microchannels; 6: partition foil between two fluids; 7: feeding/exhaust port of the second fluid 7 21

22 Mikrowärmeübertrager Verwendung unterschiedlicher Materialien und unterschiedlicher Designs Flexible design Separation sheet between heat transfer layers exchangeable different materials can be tested Number of heat transfer layers adjustable from 2 to about 40 Heat exchanger design changeable within a single device. By flip of one layer change from crossflow to countercurrent or cocurrent flow arrangement Sensors integrated in the inlet and outlet volumes 22

23 Mikrowärmeübertrager Design und integrierte Mikrostruktur Kreuzstrom- und Gegenstrom-Mikrowärmeübertrager Kreuzstrom-Mikrowärmeübertrager mit den aktiven Volumina 1 cm 3, 8 cm 3 und 27 cm 3 Wasservolumenstrom von bis zu 7000 kg/h bei p=0.5 MPa Gegenstrom- Mikrowärmeübertrager Wasservolumenstrom von bis zu 500 kg/h bei p=0.5 MPa 23

24 Mikrowärmeübertrager Design und integrierte Mikrostruktur ca. 600 kg/h das ist umgerechnet ein Eimer Wasser JEDE Minute 24

25 thermal power [kw] Mikrowärmeübertrager Integration von unterschiedlichen Mikrostrukturen J.J. Brandner et al., Exp. Therm. Fluid Sci., 30, straight micro channels micro columns, linear arrangement micro columns, staggered arrangement cold water mass flow [kg/h] 25

26 overall heat transfer coefficient k [kw/(m 2 K)] Mikrowärmeübertrager Integration von unterschiedlichen Mikrostrukturen J.J. Brandner et al., Exp. Therm. Fluid Sci., 30, straight micro channels microcolumns, linear arrangement micro columns, staggered arrangement cold water mass flow [kg/h] 26

27 pressure drop p [MPa] Mikrowärmeübertrager Integration von unterschiedlichen Mikrostrukturen J.J. Brandner et al., Exp. Therm. Fluid Sci., 30, ,40 0,30 straight micro channels micro columns, linear arrangement micro columns, staggered arrangement 0,20 0,10 0, cold water mass flow [kg/h] 27

28 Mikrowärmeübertrager Integration von unterschiedlichen Mikrostrukturen KIT / IMVT short micro channels fin fin flat metal foil inlet outlet L = 0.6 mm W = 0.8 mm heat transfer area for a single micro channel Flow pattern 3D-arrangement of the micro heat transfer structure 28

29 Mikrowärmeübertrager Integration von unterschiedlichen Mikrostrukturen KIT / IMVT cold water inlet structured area O-Ring cold water outlet unstructured metal foil 29

30 Mikrowärmeübertrager Integration von unterschiedlichen Mikrostrukturen KIT / IMVT cold water inlet cold water outlet structured area O-Ring hot water inlet cold water inlet cold water outlet unstructured metal foil metal foil Hot water outlet 30

31 heat flux [W cm -2 ] [kw/(m 2 K)] Mikrowärmeübertrager Integration von unterschiedlichen Mikrostrukturen overall heat transfer coefficient k straight micro channels micro columns, linear arrangement micro columns, staggered arrangement new short micro channel design Reynolds number Re Straight micro channels micro columns, linear arrangement micro columns, staggered arrangement new short micro channel design ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 pressure drop [MPa] 31

32 Mikrowärmeübertrager Industrieller Einsatz boldly to go 32

33 absorbance / 490 nm Mikrowärmeübertrager Industrieller Einsatz Instantaneous cooldown of cell suspensions to stop the metabolism and analyze the effect of drugs. C. Wiendahl, J.J. Brandner et al., Chem. Eng. Tech. 30 (3), B max cell disruption after sampling 0.6 Number of destroyed cells due to shear stress, determined with different cell densities in a 15 ml sample % 2.2 % 11.4 % Quelle: KIT - IMVT Number of cells in suspension E E E E+06 1 x total cells / 1/ ml 3 x 33

34 Mikrowärmeübertrager Industrieller Einsatz Cooling of the production flow of a highly exothermic chemical reaction for fine chemicals M. Kraut et al., Proc. ANQUE6, 2006 Product Acid Organic Quelle: KIT - IMVT 34

35 Mikrowärmeübertrager Industrieller Einsatz Mikrowärmeübertrager für industrielle Anwendungen Konventionelle Kreuzstrom - Wärmeübertrager (Chiller) Temperaturwechsel dauern lange Lange Verweilzeit Groß, Schwer 1 m Nicht für mobile Anwendungen 35

36 Mikrowärmeübertrager Industrieller Einsatz 5 cm Maximum Wasserdurchsatz: 35 t pro Stunde und Passage, ergibt t / a Maximal übertragbare thermische Leistung: 1 Megawatt Quelle: KIT - IMVT 36

37 Ausblick Grundlagenforschung - Mehrphasige Strömungen - Effiziente Verdampfung und Kondensation - Wärmeübertrager für Gasströmungen - Fouling in Mikroapparaten picture = s s = 0 37 Anwendungen - Chemische und pharmazeutische Industrie - Automotive, Luft- & Raumfahrt - Medizintechnik, Lab-on-a-Chip - Elektrotechnik, Elektronik - Consumer - Andere.

38 Zusammenfassung Einleitung - Miniaturisierung und die Folgen - Einfluss der Dimensionen auf Stoff- und Wärmeübertragung Beispielrechnung - Klassischer Wärmeübertrager vs. Mikroapparat, durchgeführt mit einem einfachen EXCEL-Berechnungstool - Beispiel für CFD-Simulation Design und integrierte Mikrostrukturen Anwendungen in Forschung und Industrie Ausblick und Zusammenfassung 38

39 Hinweis in eigener Sache 39