Ströme in Wärmetauschern dirigieren

In vielen Prozessen, bei denen Wärme als Nebenprodukt entsteht, ist der Einsatz von Wärmetauschern sinnvoll. Hierbei wird die ungenutzte thermische Energie mithilfe von Wärmeübertragung wiederverwendet: Die freigesetzte Wärmeenergie geht auf eine Flüssigkeit, etwa Wasser, in einen Kühlkreislauf über. Die Kühlflüssigkeit wird wiederum an mindestens einem Strömungskanal vorbeigeführt. So ermöglicht die wärmeleitfähige Kanalwand den Wärmeübergang vom wärmeren zum kälteren Medium. Die Abwärme wird übertragen und kann weiter genutzt werden, beispielsweise in einem Heizsystem. Wissenschaftler am Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) des KIT haben spezielle mikrostrukturierte Strömungsleitelemente entwickelt, mit denen Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher noch effizienter betrieben werden können. Dabei werden zwei ineinander gesteckte Rohre, die als Druckbehälter fungieren, mit den Strömungsleitelementen versehen – jeweils im inneren Rohr und im Ringspalt zwischen äußerem und innerem Rohr. Die metallischen Leitelemente werden mittels selektivem Laserschmelzen in 3D gedruckt und passgenau in die Strömungskanäle eingesetzt. Zwei Fluidströme, deren Temperatur differiert, werden in entgegengesetzter Richtung in die bestückten Rohre geleitet. Die am KIT entwickelte Geometrie der Leitelemente ist entscheidend für den hocheffizienten Wärmeübergang. Sie teilt den Fluidstrom im jeweiligen Rohr in beliebig viele Teilströme, die kontrolliert aneinander vorbeifließen. Da die einzelnen Teilströme in Stufen nach oben und unten geführt werden, kommen sie im Strömungsverlauf mit der Rohrwand als auch mehrfach mit den anderen Teilströmen in Kontakt, ohne sich dabei zu vermischen. Nach jedem Kontakt mit der Rohrwand gleicht sich die Temperatur eines Teilstroms im Strömungsverlauf im Inneren des Leitelements aus. Dabei sorgt die definierte Strömung für den optimalen Wärmeübergang, sodass der thermische Wirkungsgrad erheblich höher ist. Dies erlaubt insgesamt eine reduzierte Baugröße des Wärmetauschers. Durch die temperaturregulierende Wirkung können die Strömungsleitelemente auch zur Prozesstemperierung eingesetzt werden, um eine bestimmte Betriebstemperatur stabil zu halten. Das KIT sucht Anwender zum Einsatz der Elemente sowie Kooperationspartner zur Weiterentwicklung der Technologie.