Institut für Mikroverfahrenstechnik Thermische Verfahrenstechnik / Wärmeübertragung Vom Vorteil der Winzigkeit Effizienzsteigerung von Wärmeübertragern durch Miniaturisierung Jürgen J. Brandner [email protected] Institute for Micro Process Engineering (IMVT), Thermal Micro Process Engineering KIT – University of the State of Baden-Württemberg and National Research Center of the Helmholtz Association www.kit.edu 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 Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Warum winzig? – Miniaturisierung und die Folgen Zuse Z4 Ende der 40er Jahre 64 words zu 32 bits 1000 Befehle pro Stunde 3 Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Warum winzig? – Miniaturisierung und die Folgen Ericsson Mobiltelephon 4 Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Vom Vorteil der Winzigkeit Diffusiver Stofftransport Mixing time tM [s] 103 Diffusiver Stofftransport: D = 1 . 10-5 cm2/s, i.e. water @ 20°C 100 x2 tM 2 D tM D = 2 . 10-1 cm2/s, i.e. nitrogen @ 0,1 MPa and 20°C 10-3 10-6 10-6 x D s Mixing time Char. length m Diffusion coeffi. m2 s 10-3 Char. length [m] 5 Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Vom Vorteil der Winzigkeit Wärmeübertragung Heat transfer time tW [s] 103 aF = 1,4 . 10-3 cm2/s, i.e. water @ 20°C 100 Nu = 0,1 10-3 Nu = 1,0 Nu = 10,0 10-6 10-6 Wärmeübertragung: l2 tW aF Nu tW Heat transfer time l Char. length m aF Temperature conductivity of fluid Nu Nusselt number s m2 s 10-3 Char. length [m] 6 Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Wärmeübertragung Grundlegende Berechnung und Einflussnahme durch Strukturdimensionen VDI Wärmeatlas qV k aV Tm Tm 7 T W ,E TK , E TW , A TK , A TW , E TK , E ln TW , A TK , A W qV: 3 m spezifische Wärmetauscherleistung, auf das Volumen bezogen W k: 2 Wärmedurchgangskoeffizient m K m2 aV: 3 Oberflächen – Volumen - Verhältnis m Tm: K mittlere logarithmische Temperaturdifferenz Tx,y: C Temperatur des Fluids x an der Position y Indizes: W: K: E: A: Warmes Fluid Kaltes Fluid Eintritt Austritt Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Vom Vorteil der Winzigkeit Wärmeübertragung Wärmedurchgangskoeffizient k k ist, in erster Näherung, umgekehrt proprtional zum hydraulischen Durchmesser dh und zur Wärmeübertragungslänge s, dem Abstand der beiden Fluide. Je kleiner dh und s, desto größer k ! k steigt an !! Oberflächen – Volumen - Verhältnis aV = 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 aV steigt an !! 8 Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Beispielrechnung Vergleich verschiedener Wärmeübertrager Konventioneller Kreuzstrom -Plattenwärmeübertrager aus Edelstahl Wärmeleitfähigkeit des Materials: 0,25 m 15 9 W mK Kanaldimensionen: Breite Tiefe b = 10 mm t = 10 mm Trennschichtdicke s = 1 mm Wanddicke w = 1 mm Länge l = 100 mm/140 mm (wirksam/gesamt) Anzahl Folien n=2 Anzahl Kanäle nK = 2 x 8 = 16 Austauschfläche Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner A = 70400 mm2 Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Beispielrechnung Vergleich verschiedener Wärmeübertrager Konventioneller Kreuzstrom -Plattenwärmeübertrager aus Edelstahl Wärmeleitfähigkeit des Materials: 15 W mK Kanaldimensionen: Breite Tiefe Annahme: Höhe = 20 mm Trennschichtdicke 0,25 m Wanddicke 10 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 nK = 2 x 8 = 16 Austauschfläche Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner A = 70400 mm2 Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Beispielrechnung Vergleich verschiedener Wärmeübertrager Konventioneller Kreuzstrom -Plattenwärmeübertrager aus Edelstahl Wärmeleitfähigkeit des Materials: 15 W mK Kanaldimensionen: Breite Tiefe b = 10 mm t = 10 mm Annahme: Höhe = 20 mm Trennschichtdicke s = 1 mm w = 1 mm Oberflächen Wanddicke – Volumen – Verhältnis Länge l = 100 mm/140 mm (wirksam/gesamt) 2 3 V Anzahl Folien n=2 Anzahl Kanäle nK = 2 x 8 = 16 0,25 m a = 352 m /m 11 Austauschfläche Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner A = 70400 mm2 Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Beispielrechnung Vergleich verschiedener Wärmeübertrager Kreuzstrom - Mikrowärmeübertrager aus Edelstahl Wärmeleitfähigkeit des Materials: 15 W mK Kanaldimensionen: Breite Tiefe b = 0,2 mm t = 0,1 mm Trennschichtdicke s = 0,1 mm Wanddicke w = 0,1 mm Länge l = 10 mm / 14 mm (wirksam/gesamt) Anzahl Folien n = 50 Anzahl Kanäle nK = 50 x 34 = 1700 Austauschfläche A = 10200 mm2 Quelle: KIT - IMVT 12 Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Beispielrechnung Vergleich verschiedener Wärmeübertrager Kreuzstrom - Mikrowärmeübertrager aus Edelstahl Wärmeleitfähigkeit des Materials: 15 W mK Kanaldimensionen: Breite Annahme: TiefeHöhe = 10 mm b = 0,2 mm t = 0,1 mm Trennschichtdicke s = 0,1 mm Wanddicke w = 0,1 mm Länge l = 10 mm / 14 mm (wirksam/gesamt) Anzahl Folien n = 50 Anzahl Kanäle nK = 50 x 34 = 1700 Austauschfläche A = 10200 mm2 Quelle: KIT - IMVT 13 Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Beispielrechnung Vergleich verschiedener Wärmeübertrager Kreuzstrom - Mikrowärmeübertrager aus Edelstahl Wärmeleitfähigkeit des Materials: 15 W mK Kanaldimensionen: Breite Annahme: TiefeHöhe = 10 mm b = 0,2 mm t = 0,1 mm s = 0,1 mm Oberflächen –Trennschichtdicke Volumen – Verhältnis Wanddicke aV = Länge 5200 m2/m3 w = 0,1 mm l = 10 mm / 14 mm (wirksam/gesamt) Anzahl Folien n = 50 2 3 Anzahl Kanäle nK = 50 x 34 = 1700 V Konventionell: a = 352 m /m Austauschfläche A = 10200 mm2 Quelle: KIT - IMVT 14 Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Beispielrechnung Vergleich verschiedener Wärmeübertrager Wärmeleitfähigkeit des Materials: 15 W mK Kanaldimensionen konventionell: Breite b = 10 mm Tiefe t = 10 mm Kanaldimensionen mikro: Breite b = 0,2 mm Tiefe t = 0,1 mm Trennschichtdicke s = 1 mm Trennschichtdicke Wanddicke w = 1 mm Länge l = 100 mm (wirksam/gesamt) 140 mm Anzahl Folien n=2 Anzahl Kanäle nK = 2 x 8 = 16 Wanddicke w = 0,1 mm Länge l = 10 mm (wirksam/gesamt) 14 mm Anzahl Folien n = 50 Anzahl Kanäle nK = 50 x 34 = 1700 Austauschfläche A = 70400 mm2 Austauschfläche A = 10200 mm2 aV = 352 m2/m3 aV = 5200 m2/m3 s = 0,1 mm Vergrößerungsfaktor: 14,773 15 Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Beispielrechnung Vergleich verschiedener Wärmeübertrager kg h Tc ,in 10C mc 100 kg h h 90C m h 100 kg h Th ,in 90C mh 100 h: hot fluid c: cold fluid 16 Konventioneller Wärmeübertrager: Laminare Strömung: 100 kg/h symmetrisch Turbulente Strömung: Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Warm: 5000 kg/h Kalt: 10.000 kg/h Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Beispielrechnung Vergleich verschiedener Wärmeübertrager Konv. WT Charakteristische Daten laminar m s m wh 0,02 s Reynolds - Zahl Prandtl - Zahl Nusselt - Zahl h: hot fluid c: cold fluid 17 turbulent wc 1,55 m s m wh 0,79 s wc 1,64 Rec 190 Rec 19017 Rec 220 Re h 387 Re h 19330 Re h 612 Prc 5,52 Prc 5,52 Prc 6,88 Prh 2,53 Prh 2,53 Prh 2,24 Nuc 8,0 Nuc 156,8 Nuc 4,8 Nuh 8,1 Nuh 114,4 Nuh 4,8 wc 0,02 Strömungsgeschwindigkeit µ WT Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner m s m wh 1,68 s Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Beispielrechnung Vergleich verschiedener Wärmeübertrager Konv. WT Charakteristische Daten Wärmeübergangskoeffizient Wärmedurchgangskoeffizient Druckverlust laminar kW m2 K kW h 0,54 2 m K c 0,49 kW k 0,25 2 m K µ WT turbulent kW m2 K kW h 7,55 2 m K c 9,62 k 3,30 kW m2 K kW m2 K kW h 23,94 2 m K c 21,61 k 10,56 kW m2 K pc 7,7 106 MPa pc 0,0026 MPa pc 0,036 MPa ph 5,2 106 MPa ph 0,0007 MPa ph 0,019 MPa h: hot fluid c: cold fluid 18 Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Beispielrechnung Vergleich verschiedener Wärmeübertrager Konv. WT Charakteristische Daten Übertragene Leistung qV 1450 Faktor: 19 turbulent Q 1,25 kW Übertragene Leistung pro Volumen h: hot fluid c: cold fluid laminar µ WT kW m3 Q 18,44 kW qV 21343 Q 2,89 kW kW kW q 1 . 480 . 356 V m3 m3 1020 (laminar/laminar) 69 (laminar/turbulent) Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Mikrowärmeübertrager Verwendung unterschiedlicher Materialien Kreuzstrom-Mikrowärmeübertrager aus Metallen. Im Uhrzeigersinn: Kupfer, Feinsilber, Edelstahl 20 Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Mikrowärmeübertrager Verwendung unterschiedlicher Materialien und unterschiedlicher Designs 1 2 1: connection of thermocouple; 3 2: connection of pressure transducer; 3: feeding/exhaust port of the 4 5 first fluid; 4: metallic cover; 5: PEEK cover with 133 parallel 6 microchannels; 6: partition foil between two 5 fluids; 7: feeding/exhaust port of the second fluid 7 21 Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering 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 Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Mikrowärmeübertrager Design und integrierte Mikrostruktur Kreuzstrom- und Gegenstrom-Mikrowärmeübertrager Kreuzstrom-Mikrowärmeübertrager mit den aktiven Volumina 1 cm3, 8 cm3 und 27 cm3 Wasservolumenstrom von bis zu 7000 kg/h bei p=0.5 MPa GegenstromMikrowärmeübertrager Wasservolumenstrom von bis zu 500 kg/h bei p=0.5 MPa 23 Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Mikrowärmeübertrager Design und integrierte Mikrostruktur … ca. 600 kg/h… …das ist umgerechnet… …ein Eimer Wasser JEDE Minute… 24 Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Mikrowärmeübertrager Integration von unterschiedlichen Mikrostrukturen J.J. Brandner et al., Exp. Therm. Fluid Sci., 30, 2006 thermal power [kW] 10 straight micro channels micro columns, linear arrangement micro columns, staggered arrangement 8 6 4 2 0 0 50 100 150 200 250 cold water mass flow [kg/h] 25 Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Mikrowärmeübertrager Integration von unterschiedlichen Mikrostrukturen overall heat transfer coefficient k [kW/(m2 K)] J.J. Brandner et al., Exp. Therm. Fluid Sci., 30, 2006 60 straight micro channels microcolumns, linear arrangement 50 micro columns, staggered arrangement 40 30 20 10 0 0 50 100 150 200 250 cold water mass flow [kg/h] 26 Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Mikrowärmeübertrager Integration von unterschiedlichen Mikrostrukturen J.J. Brandner et al., Exp. Therm. Fluid Sci., 30, 2006 0,40 straight micro channels pressure drop p [MPa] micro columns, linear arrangement micro columns, staggered arrangement 0,30 0,20 0,10 0,00 0 50 100 150 200 250 cold water mass flow [kg/h] 27 Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Mikrowärmeübertrager Integration von unterschiedlichen Mikrostrukturen KIT / IMVT short micro channels fin fin flat metal foil inlet outlet L = 0.6 mm Flow pattern W = 0.8 mm heat transfer area for a single micro channel 28 Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner 3D-arrangement of the micro heat transfer structure Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Mikrowärmeübertrager Integration von unterschiedlichen Mikrostrukturen KIT / IMVT cold water inlet cold water outlet 29 structured area O-Ring unstructured metal foil Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Mikrowärmeübertrager Integration von unterschiedlichen Mikrostrukturen KIT / IMVT cold water inlet cold water outlet structured area O-Ring hot water inlet Hot water outlet cold water inlet cold water outlet 30 unstructured metal foil metal foil Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Mikrowärmeübertrager overall heat transfer coefficient k [kW/(m2 K)] Integration von unterschiedlichen Mikrostrukturen 70 straight micro channels 60 micro columns, linear arrangement micro columns, staggered arrangement new short micro channel design 50 40 30 20 10 0 1 10 100 1000 10000 Reynolds number Re heat flux [W cm-2] 500 Straight micro channels micro columns, linear arrangement micro columns, staggered arrangement new short micro channel design 400 300 200 100 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 pressure drop [MPa] 31 Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Mikrowärmeübertrager Industrieller Einsatz …boldly to go… 32 Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering 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), 2007 1.0 max cell disruption after sampling Number of destroyed cells due to shear stress, determined with different cell densities in a 15 ml sample. absorbance / 490 nm 0.8 B 0.6 0.4 0.2 5.7 % 11.4 % 2.2 % 0.0 2.49E+06 Quelle: KIT - IMVT 33 Number of cells in suspension 1x Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner 4.13E+06 5.90E+06 total cells / 1/ mL 7.67E+06 3x Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering 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 Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Mikrowärmeübertrager Industrieller Einsatz Mikrowärmeübertrager für industrielle Anwendungen Konventionelle Kreuzstrom Wärmeübertrager (Chiller) Temperaturwechsel dauern lange Lange Verweilzeit Groß, Schwer Nicht für mobile Anwendungen 1m 35 Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Mikrowärmeübertrager Industrieller Einsatz 5 cm Maximum Wasserdurchsatz: 35 t pro Stunde und Passage, ergibt Maximal übertragbare thermische Leistung: 1 Megawatt 300.000 t / a Quelle: KIT - IMVT 36 Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Ausblick Grundlagenforschung - Mehrphasige Strömungen Effiziente Verdampfung und Kondensation Wärmeübertrager für Gasströmungen Fouling in Mikroapparaten picture = 3.8 ∙ 10-3 s s=0 Anwendungen - Chemische und pharmazeutische Industrie - Automotive, Luft- & Raumfahrt - Medizintechnik, Lab-on-a-Chip - Elektrotechnik, Elektronik - Consumer - Andere…. 37 Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering 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 Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering Hinweis in eigener Sache… 39 Festvortrag Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft Jürgen J. Brandner Institute for Micro Process Engineering (IMVT) Thermal Micro Process Engineering
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