Beschreibung Anordnung und Verfahren zur Diagnose von Verstopfungen in Kanälen eines Mikrowärmeübertragers Es ist bekannt, dass Ablagerungen (sog. Fouling) in Wärme- übertragern (Wärmetauschern) die Effektivität des Wärmeüber- gangs zwischen den am Wärmeaustausch beteiligten Fluiden stö- ren. In Mikrowärmeübertragern mit Mikrokanälen, deren Durch- messer < 1 mm ist, sind die gleichen Effekte zu beobachten, nur dass diese dort zur Blockade einzelner oder aller Mikro- kanäle führen. Berücksichtigt man, dass Mikroreaktoren insbe- sondere auch für extrem exotherme Reaktionen, explosive Gemi- sche oder toxische Chemikalien eingesetzt werden, so wird verständlich, dass frühzeitig erkannt werden muss, ob eine sichere Temperierung aufgrund der Verstopfung von Wärmeüber- tragern, die unter anderem als Verweilzeitstrecken genutzt werden, nicht mehr gewährleistet werden kann. Zur Durchsatz- erhöhung sind in Mikrowärmeübertragern häufig Mikrokanäle pa- rallel geschaltet. Eine Gleichverteilung der Fluide auf diese Mikrokanäle wird durch deren relativ hohen Strömungswider- stand erreicht. Werden nun einzelne Mikrokanäle blockiert, so sinkt die Wärmeübertragungsfläche und damit die Effizienz der Wärmeübertragung. Die Effizienz berechnet sich aus den Kapa- zitätsströmen (Massenstrom x spezifische Wärmekapazität) der am Wärmeaustausch beteiligten Fluide sowie deren Temperaturen bei Ein-und Austritt in bzw. aus dem Wärmetauscher. Die Fluidtemperaturen lassen sich jedoch nicht direkt in den Mikrokanälen erfassen, da die derzeit verfügbaren Temperatur- fühler so groß sind, dass sie zumindest einen großen Teil des Kanalquerschnitts blockieren würden und dass schon bei gerin- gem Kontakt mit der Kanalwand eine Verfälschung aufgrund von Wärmeleitung zu rechnen ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfache Diagnose von Verstopfungen in Kanälen eines Mikrowärmeüber- tragers zu ermöglichen.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebene Anordnung zur Diagnose von Verstopfungen in Kanä- len eines Mikrowärmeübertragers gelöst, wobei außen an dem Mikrowärmeübertrager mindestens ein Temperatursensor angeord- net ist, und daran eine Auswerteeinrichtung angeschlossen ist, die aufgrund von Änderungen der gemessenen Temperatur bei unveränderten Eintrittsparametern der am Wärmeaustausch beteiligten Fluide eine Verstopfung diagnostiziert. Ferner wird die Aufgabe durch ein entsprechendes in Anspruch 4 an- gegebenes Verfahren gelöst.

Die axiale Wärmeleitung in der Kanalwand spielt bei Mikro- wärmeübertragern im Gegensatz zu konventionellen Wärmeüber- tragern eine große Rolle, da das Verhältnis von Wandquer- schnittsfläche zu Kanalquerschnittsfläche stark erhöht ist.

Die Folge sind besonders bei gut wärmeleitenden Materialien stark geminderte Effizienzen gegenüber konventionellen Wärme- übertragern. Im Bereich kleiner NTUs (Number of Transfer Units), d. h. für kleine Verhältnisse des Produkts aus Wärme- übertragungsfläche und Wärmeübertragungskoeffizient zum Wär- mekapazitätsstrom sinkt die Effizienz mit fallender NTU, während sie im Bereich großer NTUs konstant bleibt. In den Mikrokanälen herrscht immer eine laminar-schleichende Strö- mung, so dass der Wärmeübergangskoeffizient unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit ist. Verstopfen nun einige Mikrokanäle, so erhöht sich zwar in den anderen Kanälen die Strömungsgeschwindigkeit ; der Wärmeübertragungskoeffizient bleibt aber konstant und die übertragene Wärmemenge sinkt aufgrund der verminderten Wärmeübertragungsfläche ab. Da der Wärmekapazitätsstrom konstant bleibt, sinkt die Effizienz.

Die Erfindung nutzt nun die Tatsache, dass aufgrund der hohen Wärmeleitung die Temperatur der Mikrowärmeübertragerwand bei unveränderten Eintrittsparametern der am Wärmeaustausch be- teiligten Fluide, das heißt bei konstanten Massenströmen und konstanten Fluideingangstemperaturen, und bei ausreichend kleinen NTU (etwa > 5) ein Maß für die Effizienz des Wärme-

übertragers ist. Gleichzeitig ist die Temperatur, ebenfalls aufgrund der hohen Wärmeleitung in der Wand, in Mikrowärme- übertragern relativ homogen, so dass anhand der Temperatur des Mikrowärmeübertragers auf die Effizienz zurückgeschlossen werden kann, die sich wiederum wesentlich einfacher erfassen lässt, da die Montage des Temperatursensors außen an dem Mikrowärmeübertrager unproblematisch ist. Ein weiterer Vor- teil besteht darin, dass der Temperatursensor nicht mit den Fluiden in Berührung kommt, so dass nicht auf die chemische Beständigkeit oder die katalytische Wirkung des Temperatur- sensors geachtet werden muss. Bei sehr großen Mikrowärmeüber- tragern, kann die Temperaturmessung mit mehreren Temperatur- sensoren an mehreren Stellen erfolgen.

Bei einer alternativen Anordnung zur Diagnose von Verstop- fungen in Kanälen eines Mikrowärmeübertragers werden die Ver- stopfungen nicht aufgrund von Änderungen der gemessenen Tem- peratur diagnostiziert ; statt dessen ist an dem Temperatur- sensor eine Regeleinrichtung angeschlossen, die den Massen- strom eines der am Wärmeaustausch beteiligten Fluide im Sinne einer Konstanthaltung der gemessenen Temperatur regelt, wobei aufgrund von Änderungen des Massenstroms eine Verstopfung diagnostiziert wird.

Wird der Mikrowärmeübertrager als Verweiler für chemische Re- aktionen verwendet, so muss zusätzlich die zu-oder abzufüh- rende Reaktionswärme berücksichtigt werden, was durch eine aufwendigere Auswertung (Fuzzy, neuronale Netze) erfolgen kann.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen, im Einzelnen zeigen Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel und Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsge- mäßen Mikrowärmeübertragers.

Figur 1 zeigt einen Mikrowärmeübertrager 1 mit einer Zulei- tung 2 und einer Ableitung 3 für ein zu kühlendes Fluid 4 und einer Zuleitung 5 und einer Ableitung 6 für ein Kühlfluid 7.

Innerhalb des Mikrowärmeübertragers 1 sind zwischen den Zu- und Ableitungen 2 und 3 bzw. 5 und 6 jeweils parallele Mikro- kanäle 8 mit einem Kanaldurchmesser < 1 mm ausgebildet. Außen an dem Wärmeübertrager 1 ist ein Temperatursensor 9 angeord- net, der die Temperatur an der Mikrowärmeübertragerwand misst und an einer Auswerteeinrichtung 10 angeschlossen ist. Diese detektiert eine Verringerung der Effizienz des Wärmeübertra- gers 1, wenn sich die gemessene Temperatur bei konstanten Massenströmen und konstanten Fluideingangstemperaturen än- dert.

Das in Figur 2 gezeigte Ausführungsbeispiel des erfindungsge- mäßen Mikrowärmeübertragers unterscheidet sich von dem nach Figur 1 dadurch, dass anstelle der Auswerteeinrichtung 10 eine Regeleinrichtung 11 vorgesehen ist, die über ein Stell- glied 12 den Massenstrom des Kühlfluids 7 im Sinne einer Kon- stanthaltung der mit dem Temperatursensor 8 gemessenen Tempe- ratur des Mikrowärmeübertragers 1 regelt.