Miniaturowy przeponowy wymiennik ciepła

Istota wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest miniaturowy wymiennik ciepła. W jego skład wchodzą dwie pokrywy wykonane ze złego przewodnika ciepła np. z wybranego tworzywa sztucznego lub z ceramiki. Na wewnętrznych powierzchniach pokryw wykonane są kanały (rowki) o trójkątnym przekroju poprzecznym. W każdej z płyt wykonano też po dwa kanały zbiorcze doprowadzające i odprowadzające media wymieniające ciepło. Cechą charakterystyczną tych kanałów jest zmienność ich przekroju poprzecznego, dzięki czemu obciążenie przepływającym medium w każdym kanaliku o przekroju trójkątnym jest takie samo.

Kanaliki (rowki) o przekroju trójkątnym (podstawa 2 mm, wysokość 1 mm) oddzielone są cienką przegrodą wykonaną z bardzo dobrego przewodnika ciepła, np. z mosiądzu, aluminium, miedzi a nawet ze srebra. Grubość tej przegrody nie powinna przekraczać 0,5 mm.

Dzięki temu opór cieplny ścianki jest pomijalnie mały. Na obrzeżach przegrody należy przewidzieć uszczelki by zapobiec mieszaniu się mediów lub wydostawaniu się ich na zewnątrz. Całość skręcona jest śrubami.

Na podstawie informacji literaturowych wiadomo że podstawową zaletą wymienników ciepła z mikrokanałami o średnicach lub średnicach ekwiwalentnych w granicach 0,05 do 2 mm, jest możliwość uzyskiwania bardzo wysokich wartości współczynników wnikania i przenikania ciepła już w zakresie przepływów laminarnych, co w odniesieniu do wielkogabarytowych wymienników płaszczowo - rurowych jest praktycznie niemożliwe.
W opisywanym wynalazku zastosowano mikrokanały o przekroju trójkątnym uznając że w porównaniu do kanałów o przekroju kołowy, półkolistym i prostokątnym mają pewne zalety.

Trójkątny przekrój poprzeczny kanałów ma na celu zminimalizowanie powierzchni kontaktu kanału z obudową a tym samym obniżenie strat ciepła do otoczenia. Przykładowo, porównując trzy kształty przekroju poprzecznego kanału: trójkątny, półkolisty i prostokątny o szerokości podstawy 2 mm i wysokości 1 mm uzyskuje się kolejno następujące wartości powierzchni kanału o długości jednostkowej 1 mm, którą ciepło tracone jest do obudowy:
- przekrój trójkątny, powierzchnia 2,828 mm2
- półkole, powierzchnia 3,142 mm2
- prostokąt, powierzchnia 4 mm2.

Kolejną zaletą trójkątnego przekroju poprzecznego kanału jest fakt, że na jednostkowej długości cieczy lub gazu znajduje się w bezpośrednim sąsiedztwie powierzchni wymiany ciepła, w stosunku do innych przekrojów kanału. Dzieląc wysokość rozpatrywanych kanałów na pół, można stwierdzić, że w przypadku kanału o przekroju prostokątnym połowa płynu jest przy samej powierzchni wymiany a połowa traci w tym czasie ciepło do obudowy. Natomiast w kanale trójkątnym 3/4 objętości płynu jest blisko powierzchni wymiany a tylko 1/4 kontaktuje się wyłącznie z obudową.

Ważną zaletą urządzenia jest możliwość wykorzystania do wymiany ciepła między mediami agresywnymi chemicznie. W tym wypadku należy zastąpić przeponę (przegrodę) metalową odpowiednią przegrodą z politetrafluoroetylenu, która odporna jest na wszystkie substancje agresywne chemicznie z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego.

Korzyści

1. Zastosowanie obudowy z tworzywa sztucznego lub ceramiki cechujących się małymi wartościami współczynnika przewodzenia ciepła (przykładowo dla PTFE wynosi on 0,24 W/(mK)) hamuje straty ciepła przez obudowę do otoczenia. Wykorzystanie tworzyw sztucznych, w szczególności PTFE, chroni wymiennik przed gromadzeniem się osadów na powierzchniach wymiany ciepła.
2. Niewielkie rozmiary urządzenia i ukształtowanie kanałów pozwalają na zastosowanie bardzo cienkiej przegrody rzędu 0,2 do 0,4 mm pomiędzy mediami wymieniającymi ciepło. Przegroda może być wykonana z dobrych przewodników ciepła takich jak: mosiądz, miedź, aluminium a nawet srebro.
3. Trójkątny przekrój poprzeczny kanałów dodatkowo, korzystnie wpływa na intensywność transportu ciepła między mediami.
4. Zastosowanie mikrokanałów pozwala na uzyskanie bardzo wysokich, w porównaniu do tradycyjnych kanałów i rur, współczynników wnikania i przenikania ciepła, które rzutują na wielkość strumienia wymienianego ciepła. W praktyce średnice stosowanych mikrokanałów wahają się między 0,05 do 2 mm. Prezentowany mikrowymiennik ma kanały, których średnica ekwiwalentna wynosi 0,829 mm.
5. Bardzo wysokie wartości współczynników wnikania ciepła rzędu kilkunastu a nawet kilkudziesięciu tysięcy W/(m2K) uzyskuje się już w zakresie przepływu laminarnego co również jest raczej niemożliwe do osiągnięcia w wielkogabarytowych wymiennikach ciepła. 6. Zmienna wartość przekroju kanałów zbiorczych, doprowadzających i odprowadzających media zapewnia jednakową prędkość przepływu we wszystkich kanałach o przekroju trójkątnym.
7. Realizacja wymiany ciepła w zakresie przepływów laminarnych zapewnia niskie straty ciśnienia w wymienniku a więc obniżenie zużycia energii na przetłaczanie mediów a tym samym obniżenie kosztów eksploatacyjnych.
8. Wymiennik może być również zastosowany do pracy w obecności mediów agresywnych chemicznie takich jak stężone zasady i kwasy, pod warunkiem że przegrodę między mediami wykona się np z politetrafluoroetylenu. Zwiększy to nieco opory cieplne ale zapewni bezpieczną pracę z płynami agresywnymi chemicznie.
9. Prosta konstrukcja urządzenia ułatwia jego wykonanie i zmniejsza koszty produkcji.
10. Zwiększenie wydatków mediów wymieniających ciepło lub zmian temperatur można osiągnąć przez łączenie równoległe i szeregowe pojedynczych miniwymienników.
11. Miniaturowy wymiennik może być stosowany do: chłodzenia, ogrzewania, skraplania i odparowania.
12. Prezentowany wymiennik posiada bardzo korzystny stosunek powierzchni wymiany ciepła do objętości zajmowanej przez media.
Jego małe rozmiary pozwalają na pełną kontrolę ilości wymienianego ciepła i minimalizację strat praktycznie do zera.

Potencjał komercjalizacji

Prototyp wymiennika został przebadany na układzie woda - woda zarówno z przeponą miedzianą o grubości 0,4 mm jak i z przegrodą z PTFE również grubości 0,4 mm.
Wynalazek może być wdrożony wszędzie tam gdzie zachodzi konieczność ogrzania, chłodzenia, skraplania lub odparowania niewielkich ilości mediów.

Możliwe zastosowania to:
- chłodzenie ciekłego CO2 w instalacji do obróbki kawy,
- jako element składowy mikroogniwa paliwowego,
- jako element przenośnej, miniaturowej instalacji klimatyzacyjnej do osobistego użytku przez pracowników lub żołnierzy działających w trudnych warunkach klimatycznych
- ogrzewanie mieszkań przez odpowiednio dobrane zestawy mikrowymienników przystosowanych specjalnie do tego celu
- w transporcie drogowym, wspomaganie układu zapłonowego samochodów, w szczególności ciężarowych w warunkach zimowych
- przemysł kosmiczny, lotnictwo i przemysł farmaceutyczny.