Die Erfindung betrifft einen Mikrostrukturverdampfer vorzugsweise zur kontinuierlichen Verdampfung von Flüssigkeiten oder Aerosolen gemäß des ersten Patentanspruchs.

Verdampfer sind verfahrenstechnische Vorrichtungen für die Überführung von Flüssigkeiten oder Aerosolen in einen dampfförmigen Zustand, wobei die Zuführung von bevorzugt thermischer Energie zwingend erforderlich ist. Eine Verdampfung einer Flüssigkeit oder eines Flüssigkeitsanteils erfolgt dann, wenn der von Temperatur und dem Umgebungsmedium abhängige Dampfdruck den Umgebungsdruck übersteigt. Folglich weisen thermisch betriebene Verdampfer für eine kontinuierliche Verdampfung eine Wärmeübertragungsfläche auf, über die thermische E- nergie in das zu verdampfende Medium übertragen wird.

Mikrostrukturverdampfern zeichnen sich durch eine Mikrostrukturierung der Wärmeübertragungsfläche aus, beispielsweise durch eine parallelen Anordnung von mehreren Mikrokanälen oder durch Wärmeübertragungsstrukturen, die von dem zu verdampfenden Stoff oder Stoffgemisch angeströmt werden. Durch die Mikrostrukturierung erhöht sich insbesondere die spezifische Oberfläche und verbessert damit die Wärmeübertragung auf die zu verdampfenden Stoffe. Mikrostrukturverdampfer kommen insbesondere als Mikroverdampfer zur Ausführung, die sich nicht nur durch kleine Abmessungen, sondern oftmals auch durch die Herstellung mit Verfahren der Mikrostrukturtechnik kennzeichnen.

DE 101 32 370 Al offenbart eine bekannte Mikroverdampferbauart mit einer Vielzahl von langen vorzugsweise geraden Mikrokanälen mit konstantem Strömungsquerschnitt. Dabei erfolgt ein erster Verdampfungs- prozess durch Erhitzen in mindestens einem ersten Erhitzerkanal und nach einer Homogenisierung des erhitzten Mediums in einem Zwischenvolumen eine weitere Erhitzung bis zu der gewünschten Verdampfung in wenigstens einem zweiten Erhitzerkanal. Der Mikrostrukturverdampfer weist einen schichtweisen Aufbau auf. Auch die DE 103 35 451 Al beschreibt ein Verfahren mit einem Mikro- verdampfer mit Kanälen für die Führung und Verdampfung eines zu verdampfenden Stoffgemisches . Der Mikroverdampfer weist hydraulische Kanaldurchmesser von 5 bis lOOOμm sowie eine spezifische Verdampferfläche von mindestens 10 ³ m ² /m ³ auf.

Ferner zeigt die DE 10 2005 017 452 Al einen Mikroverdampfer mit Kanälen zur Verdampfung einer Flüssigkeit mit Querschnittsabmessungen im Submillimeterbereich, die auf einer Ebene nebeneinander angeordnet sind. Die als Wärmeübertragungsfläche dienenden Kanäle spannen ausgehend von einem Eintrittsvolumen strahlenförmig einen ebenen trapezförmigen Bereich auf und münden in eine alle Kanalaustritte überspannende gemeinsame Dampfsammelkämmer aus. Der sich in der Dampfsammeikammer homogenisierende Dampf wird anschließend über einen gemeinsamen Auslass abgeleitet.

Laminare Fluidströmungsanteile in Mikrokanälen erzeugen jedoch relativ zum Strömungsquerschnitt ausgeprägte Grenzschichten, die wiederum die Strömungsgeschwindigkeit begrenzen und/oder den Durchflusswiderstand mit der Strömungsgeschwindigkeit signifikant erhöhen.

Auch ergibt sich für die Verdampfung in Mikrokanälen eine Grenzgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Verdampfungsenthalpie des zu verdampfenden Mediums. Entspricht die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums in einem Mikrokanal dieser Grenzgeschwindigkeit, erfolgt eine vollständige Verdampfung des Mediums zu einem Nassdampf. Die Grenzgeschwindigkeit gibt somit die Verweilzeit des Mediums im Kanal vor, die für die vollständige Verdampfung erforderlich ist. Eine Überhitzung des Dampfes erfolgt nur bei Srömungsgeschwindigkeiten unterhalb der Grenzgeschwindigkeit, d.h. bei größeren Verweilzeiten. Übersteigt dagegen die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums in einem Mikrokanal diese Grenzgeschwindigkeit, erfolgt nur eine unvollständige Verdampfung. Beide vorgenannten Einschränkungen führen zu einer Begrenzung der Effizienz von Mikrostrukurverdampfern.

Davon ausgehend liegt die Aufgabe der Erfindung darin, einen Mikro- strukturverdampfer zur Verdampfung von Fluiden mit erhöhter Effizienz vorzuschlagen. Insbesondere soll dabei eine sehr homogene Dampfquali- tät erzielt werden, d.h. der Flüssigkeitsgehalt und/oder Tropfchenge- halt im Dampf soll bereits vor einer Überhitzung möglichst gering sein. Ferner soll der Mikrostrukturverdampfer nicht nur eine Überhitzung des Dampfes, sondern auch eine gute Regulierbarkeit ermöglichen.

Die Aufgabe wird mit einem Mikrostrukturverdampfer mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Die Lösung der Aufgabe sieht einen Wärmetauscher, vorzugsweise Mikrostrukturverdampfer mit mindestens einer Verdampfungsstufe vor, umfassend eine Düsenöffnung mit mindestens zwei gegeneinander ausgerichteten Fluidzuführungen. Die Fluidzuführungen sind vorzugsweise Fluidka- näle mit Wärmeübertragungsflächen als Wandungen.

Eine Verdampfungstufe kann auch mehrere der genannten Düsenöffnungen aufweisen, die parallel zueinander geschaltet sind und identische Betriebsparameter wie Druckabfall, AnStrömungsgeschwindigkeit, Mischungsverhalten und Temperaturen und vorzugsweise auch Abmessungen aufweisen. Vorteilhaft ist dabei, dass die DampfZusammensetzung aus allen parallel geschalteten Düsenöffnungen einer Verdampfungsstufe identisch oder fast identisch sowie in einem stationären Betrieb dabei gleichblei-bend ist und so einer nachfolgenden Nutzung oder weiterführenden Verdampfung wie z.B. in nachfolgenden Verdampfungstufen zugeführt wird.

Ein Ziel ist eine kontinuierliche Verdampfung mit oder ohne Überhitzung mit gleich bleibender und homogener Dampfqualität. Für die Sicherstellung auch einer kontinuierlichen möglichst vollständigen Überhitzung des Dampfes, d.h. aus dem Nassdampfgebiet hinaus in den

Bereich des überhitzten Dampfes sind vorzugsweise Verdampfungsstufen für die Verdampfung (bei Siedetemperatur) von flüssigen Bestandteilen und für die nachfolgende Überhitzung von Dampfbestandteilen auf Temperaturen oberhalb der Siedetemperatur vorzusehen. Hierfür sind mindestens zwei der vorgenannten Verdampfungsstufen in Reihe vorzusehen, die von dem zu verdampfenden Medium nacheinander durchlaufen werden. Vorzugsweise dient mindestens eine erste Stufe der genannten Verdampfung von flüssigen Bestandteilen, während mindestens eine zweite Stufe überwiegend für die Überhitzung herangezogen wird.

Eine zunehmende Zahl an Verdampfungsstufen mit Expansionsdüsen (Expansionsstufen) ist für einen kontinuierlichen Verdampfungsfortschritt vorteilhaft. Durch eine Unterteilung in mehrere kleinere Ex- pansions- und Verdampfungsschritten, vorzugsweise verbunden mit jeweils einer zusätzlichen Vermischung oder Homogenisierung sinkt insbesondere die Wahrscheinlichkeit, dass sich in den Fluidkanälen unkontrolliert Dampfblasen bilden, die in Richtung des Dampfaustritts oder dagegen beschleunigen und mit diesen Dampfblasen unverdampfte Flüssigkeitsanteile mitgerissen werden. Ferner ermöglichen eine zunehmende Anzahl von Expansionsstufen ein höheres Druckgefälle zwischen Fluideintritt und Dampfaustritt des Verdampfers. Außerdem teilt sich das Druckgefälle auf mehrere Expansionsschritte auf, womit an den jeweiligen Expansionsdüsen geringere Druckabsenkungen und damit grundsätzlich geringere maximale Strömungsgeschwindigkeiten in den Düsen auftreten. Die Schallgeschwindigkeit als obere Grenze für die Strömungsgeschwindigkeit in einer Düse wird bei kleinen Druckgefällen wesentlich später erreicht, was in vorteilhafter Weise zusätzlich eine Kapazitätserweiterung und eine Effizienzerhöhung bewirkt. Vorzugsweise weist der Mikrosturkturverdampfer mindestens drei, weiter bevorzugt mindestens sechs, weiter bevorzugt neun Verdampfer- bzw. Expansionsstufen zwischen Fluideintritt und Dampfaustritt auf.

Die Ausrichtung von mindestens zwei Kanälen gegeneinander bedeutet, dass die Kanäle oder die gedachten Verlängerungen dieser nach Aus- tritt aus den Kanälen strömungsabwärts gerichtet zusammengeführt werden oder sich auf eine andere Weise überschneiden. Vorzugsweise kreuzen sich die Kanäle oder die Symmetrielinien der Kanäle. Dabei kommt es zu einem Zusammenprall von mindestens zwei Stoffströmen aus unterschiedlichen Stromrichtungen und damit zu einer turbulenten Vermischung dieser Stoffströme.

Der Vermischungsbereich, d.h. der Bereich, in dem diese Vermischung stattfindet, mündet vorzugsweise direkt in eine Düse aus, über die die noch im turbulenten Zustand vorliegenden vermischten Stoffströme gemeinsam expandiert werden. Vor der Düse im Vermischungsbereich kommt es zunächst zu einem Stau der vermischten Stoffströme und damit zu einem erhöhten Staudruck im Vermischungsbereich, was einerseits zu einer verzögerten Verdampfung und damit zu einer Erhöhung des Flüssigkeitsanteils führt und andererseits die Turbulenzen in der Vermischung fördert. Nach der Vermischung expandiert der gemischte Stoffstrom beim Verlassen der Düse in einen Expansionsbereich, wobei es trotz adiabatischer Expansion durch spontane Druckminderung zu einer beschleunigten Überschreitung des Dampfdrucks und insbesondere zu einer simultanen Verdampfung im vermischen Stoffström kommt. Vorzugsweise ist der Expansionsbereich zur Entgegenwirkung einer Abkühlung durch die genannte adiabatische Expansion beheizt.

In einer weiteren Ausführungsform wird der Dampf im Expansionsbereich durch eine Dampfumlenkung umgehend umgelenkt und in nachfolgende FIu- idführungen abgeleitet, während gegenüber der Düse im Expansionsbereich eine vorzugsweise beheizte Prallfläche vorgesehen ist. Auf dieser Prallfläche treffen die aufgrund ihrer Trägheit nicht oder nur unzureichend in die nachfolgenden Fluidführungen umgeleiteten flüssigen oder rekondensierten Dampfbestandteile des expandierten Stoffstroms auf und verdampfen erneut.

Vorzugsweise wird der gesamte Mikrostrukturverdampfer mit allen Verdampfungstufen als Kanalstruktur auf einem Substrat vorzugsweise aus einem guten Wärmeleiter wie Metall gefertigt. Dies erfolgt Vorzugs- weise durch Einarbeiten von Rillen für die Führung (für Fluide und

Dämpfe) wie die genannten Fluidführungen, Düsen, Vermischungsbereiche und Expansionsbereiche in das Substrat.

Eine besonders vorteilhafte Ausführung umfasst eine konzentrische Anordnung der Verdampfungsstufen auf einem beheizten Substrat um einen zentralen Fluideintritt . Insbesondere steht im Gegensatz zu unidirek- tional orientierten Verdampferbauarten mit konstanten Fluid- querschnitten einer grundsätzlich radial zunehmender Expansion ein zunehmender Raum zur Aufnahme des expandierenden Dampfes zur Verfügung.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von vorteilhaften Ausführungsformen mit den folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. Ia und b eine erste Ausführungsform mit Fluidkanälen mit ringförmig um den Fluideintritt angeordneten Wandungen,

Fig.2 eine zweite Ausführungsform mit Fluidkanälen mit elliptisch um den Fluideintritt angeordneten Wandungen sowie

Fig.3a bis c mögliche Applikationsbeispiele für die vorgenannten Ausführungsformen .

Die dargestellen Ausführungsformen weisen jeweils mehrere Verdampfungsstufen auf, beispielhaft dargestellt in Fig. Ib als Ausschnittsvergrößerung eines in Fig. Ia markierten Ausschnitts 1 (schematisch im Detail) . Die Ausschnittsvergrößerung zeigt eine Düsenöffnung mit zwei gegeneinander ausgerichtete Fluidzuführungen 3. Die beiden Fluidzuführungen münden in einen Vermischungsbereich 4 vor der Düsenöffnung aus. Die während eines Verdampfungsbetriebs von den Fluidzuführungen 3 zugeleiteten Fluidströme werden im Vermischungsbereich 4 vermischt und damit homogenisiert, wobei sich dort durch die gegeneinander orientierten Fluidströme vorzugsweise eine turbulente Strömung einstellt. Der dabei entstandene vermischte ge- meinsame Fluidstrom verlässt den Vermischungsbereich durch die Düsenöffnung 2 in einen Expansionsbereich 6, wobei es bei Durchtritt durch die Düsenöffnung zu einer Expansion und damit zu spontanen Verdampfungen im Fluidstrom kommt. Die Verdampfungsstufen mit den jeweiligen Fluidzuführungen 3 und Düsenöffnungen 2, vorzugsweise auch mit jeweiligen Vermischungsbereichen 4 und/oder Expansionsbereichen 6 sind durch Heizmittel, vorzugsweise elektrisch-ohmsche Beheizungen mit Festkörperkontakt beheizt.

Fig. Ia zeigt eine Ausführungsform eines Verdampfereinsatzes 7 einer ersten Ausführungsform des Mikrostrukturverdampfers in schematischer Draufsicht. Der Verdampfereinsatz umfasst ein scheibenförmiges Substrat 8 sowie auf diese aufgesetzte Mikrostrukturen 9, die die Wandungen (Stege) für die Fluidführungen wie die vorgenannten Fluidzuführungen 3, Düsenöffnungen 2, Vermischungsbereiche 4 und Expansionsbereichen 6 bilden. Die Verdampferstufen sind konzentrisch um einen zentralen Fluideintritt 10 angeordnet, wobei jede Verdampfungsstufe im Ausführungsbeispiel jeweils zwei gegenüberliegende Düsenöffnungen 2 mit jeweils zwei Fluidzuführungen 3 aufweist. Ausgehend von einem zentralen Fluideintritt 10 strömt das zu verdampfende Fluid durch eine erste Düsenanordnung 11 in die Fluidzuführungen 3 der ersten Verdampfungsstufe und von dort über die jeweiligen Düsenöffnungen in folgende, konzentrisch kreisförmig um den Fluideintritt angeordneten Verdampfungsstufen. Dabei sind je zwei gegenüberliegende Düsenöffnungen 2 (im 180°-Winkel zueinander) pro Verdampfungsstufe vorgesehen, die jeweils um den Fluideintritt um 90° versetzt zu den Düsenöffnungen der benachbarten Verdampfungsstufen angeordnet sind und damit eine gleich bleibende Länge der Fluidzuführungen zwischen zwei Düsenöffnungen in einer Verdampfungsstufe sicherstellen. Es sind auch drei, vier oder mehrere Düsenöffnungen je Verdampfungsstufe möglich, die jedoch bevorzugt gleichmäßig und in einem gleichen Winkel zueinander auf dem Umfang der konzentrischen Verdampfungsstufe angeordnet sind. Wesentlich für gleichlange Fluidzuführung pro Verdampfungsstufe ist, dass die Düsenöffnungen 2 benachbarter Verdampfungsstufen je- weils in der Winkelhalbierenden zu dem genannten Winkel zwischen zwei

Düsenöffnungen zueinander versetzt angeordnet ist.

Im Expansionsbereich erfolgt im Rahmen des in Fig. Ia und b dargestellten Ausführungsbeispiels eine direkt Anströmung in Richtung einer vorzugsweise beheizten Prallfläche 12 auf der Wandung der gegenüberliegenden Mikrostruktur (Fig. Ib). Während bereits verdampfte oder gasförmige Bestandteile bereits umgehend nach Verlassen der Düsenöffnung 2 in nachfolgende Fluidzuführungen umgelenkt werden, treffen massenträgere Flüssigkeitsbestandteile auf der Prallfläche auf und werden dort verdampft.

Fig.2 zeigt eine weitere Ausführungsform, die im grundsätzlichen Aufbau der in Fig. Ia und b gezeigten Ausführung entspricht, sich jedoch darin unterscheidet, dass die Strukturen 9 nicht kreisförmig, sondern elliptisch konzentrisch um den Fluideintritt 10 angeordnet sind. Die Düsenöffnungen befinden sich an der kürzesten Ellipsenachse. Dabei werden auch verjüngende Fluidquerschnitte in den Fluidzuführungen 3 zu den Düsenöffnungen 2 hin realisiert, wodurch sich die Strömungsgeschwindigkeit in den sich verjüngenden Fluidzuführungen zu den Düsenöffnungen bzw. zu den Vermischungsbereichen 4 hin erhöht und damit insbesondere eine turbulente Vermischung vor den Düsenöffnungen fördert. Allerdings weist diese Ausführungsform einen größeren Abstand zwischen Düsenöffnung 2 und Prallfläche 12 auf und verschlechtert damit in diesem Bereich die Trennung von flüssiger und bereits verdampfter Phasen.

Bei einer beispielhaften Verdampfung z.B. von Wasser geht man von der Vorstellung aus, dass der Nassdampf durch die Düsenöffnungen expandiert und sich in zwei Teilströme aufteilt. Diese Teilströme werden über die Fluidzuführungen weitergeleitet und prallen an den nächsten beiden stromabwärts liegenden Düsenöffnungen aufeinander, so dass es an diesen Positionen zu einer Vermischung der Flüssigkeit mit dem Dampf kommt, die den Verdampfungsvorgang unterstützt. Bei der dargestellten Ausführungsform mit den mikrostrukturierten Ronden mit vie- len Ringen existieren eine zunehmende Anzahl von Verdampfungsstufen, so dass anzunehmen ist, dass der Verdampfungsvorgang quasikontinuierlich und damit insgesamt effektiver durchführbar ist als bei einer Geometrie mit wenigen Ringen (Verdampfungsstufen) . Verwendet man Mik- rokanäle mit nicht konstantem Strömungsquerschnitt (vgl. Fig.2), wie es bei den konzentrisch angeordneten Ellipsen der Fall ist, so wird der Nassdampf zusätzlich durch die Reduzierung des Strömungsquerschnitts beschleunigt und der Mischungseffekt verstärkt.

Fig.3a bis c geben beispielhafte Applikationen für die vorgenannten Ausführungformen des Verdampfereinsatzes wieder.

Ein oder mehrere mikrostrukturierte Verdampfereinsätze 7 werden in der in Fig.3a bzw. b dargestellten Ausführungen in eine zylindrische Vertiefung des Adapteroberteils 5 eingesetzt und gemeinsam auf einer Heizfläche 13 aufgesetzt. Heizfläche und Adapterteil werden gegenseitig durch Dichtungsringe 14 abgedichtet. Das Adapteroberteil umfasst dabei einen Fluidanschluss 15 für den Fluideintritt 10 wie auch einen oder mehrere Dampfaustritte 16. Der Dampf strömt gemäß den dargestellten Pfeilen durch die Düsenöffnungen aus dem Verdampfereinsatz radial nach außen in einen Ringkanal 17 und von dort in den Dampfaustritt 16.

Fig.3a zeigt die Ausführung mit einem Verdampfereinsatz 7, Fig.3b eine Ausführung mit mehreren gestapelten Verdampfereinsätzen 7 übereinander. Bei einer gestapelten Anordnung durchstoßen die Fluideintritte 10 die Substrate und ermöglichen einen Zugang des zu verdampfenden Fluids auch zu nachfolgenden Verdampfereinsätzen. Grundsätzlich sind auch beidseitig zu den Verdampfereinsätzen angeordnete Heizflächen sowie im Falle der Ausführungsform gem. Fig.3b Heizflächen zwischen zwei Verdampfereinsätze im Rahmen der Erfindung nicht ausgeschlossen.

Fig.3c zeigt dagegen eine Ausführungsform, bei der ein Verdampfereinsatz beidseitig mit den vorgenannten Verdampfungsstufen strukturiert ist und zudem Öffnungen für elektrisch oder fluidisch betriebe- ne Heizpatronen 18 im Substrat vorgesehen sind. Eine separate Heizfläche wie in den vorgenannten Ausführungen beschrieben ist dabei nicht zwingend erforderlich und kann durch ein Gehäuseunterteil 19 ersetzt werden.

Bezugszeichenliste :

1 markierter Abschnitt

2 Düsenöffnung

3 Fluidzuführung

4 Vermischungsbereich

5 Adapteroberteil

6 Expansionsbereich

7 Verdampfereinsatz

8 scheibenförmiges Substrat

9 Mikrostruktur

10 Fluideintritt

11 erste Düsenanordnung

12 Prallfläche

13 Heizfläche

14 Dichtungsring

15 Fluidanschluss

16 Dampfaustritte

17 Ringkanal

18 Heizpatrone

19 Gehäuseunterteil