CH648651A5

CH648651A5 - BOILER SURFACE FOR HEAT EXCHANGERS.

Info

Publication number: CH648651A5
Application number: CH5695/80A
Authority: CH
Inventors: Fritz Zimmermann
Original assignee: Escher Wyss Gmbh
Priority date: 1979-09-08
Filing date: 1980-07-25
Publication date: 1985-03-29
Also published as: IT1132642B; GB2062207B; DE2936406A1; FR2465180B1; BR8005602A; GB2062207A; IT8024448A0; DE2936406C2; NL8004997A; ATA428580A; ZA805109B; FR2465180A1; ES494685A0; BE885100A; AT366493B; AR220863A1; ES8200765A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Siedeoberfläche für Wärmeaustauscher, bestehend aus einem metallischen Grundwerkstoff und einer aufgebrachten Metallschicht. The invention relates to a boiling surface for heat exchangers, consisting of a metallic base material and an applied metal layer.

Bekanntlich ist man bestrebt, den Wärmeübergang von der beheizten Oberfläche eines Wärmeaustauschers an die Siedeflüssigkeit durch eine entsprechende Oberflächenstruktur zu verbessern. As is known, efforts are made to improve the heat transfer from the heated surface of a heat exchanger to the boiling liquid by means of a corresponding surface structure.

So ist es bekannt, auf die glatte, aus Metall bestehende Oberfläche eine poröse Metallschicht aufzubringen, welche Kapillaren mit Austrittsöffnungen in der Oberfläche der Schicht aufweist, die als Keimstellen für die Entstehung von Dampfblasen dienen. Derartige Schichten sind aus an den Berührungsflächen miteinander verbundenen Einzelkörpern aufgebaut, so dass sich in der Schicht Hohlräume befinden, welche in statistischer Verteilung miteinander verbunden sind, wobei eine Kapillarstruktur mit zahlreichen, zur Oberfläche hin offenen Kapillaren gebildet wird. It is known, for example, to apply a porous metal layer to the smooth, metal surface, which has capillaries with outlet openings in the surface of the layer, which serve as germ sites for the formation of vapor bubbles. Such layers are made up of individual bodies connected to one another on the contact surfaces, so that there are cavities in the layer which are connected to one another in a statistical distribution, a capillary structure having numerous capillaries which are open towards the surface being formed.

Der zur Erzielung einer Kapillarstruktur in der Siedeschicht erforderliche Aufbau aus vielen Einzelkörpern, die nur an den Berührungsflächen miteinander verbunden sind, bewirkt, dass der Wärmetransport innerhalb der Schicht nur über die von den Berührungsstellen gebildeten Wärmebrük-ken erfolgen kann und dadurch erheblich behindert wird. The structure of many individual bodies required to achieve a capillary structure in the boiling layer, which are only connected to each other at the contact surfaces, means that the heat transport within the layer can only take place via the thermal bridges formed by the contact points and is thus considerably impeded.

Dieses führt zu Wärmeleitwiderständen, welche den Wärmeübergang beim Sieden behindern. This leads to thermal resistance, which hinders the heat transfer during boiling.

Ausserdem ist die feine Kapillarstruktur der Schicht sehr empfindlich sowohl gegen Verunreinigungen bei der Herstellung bzw. Weiterverarbeitung als auch bei ihrem Einsatz als Siedeschicht gegen Verunreinigungen der Siedeflüssigkeit. In addition, the fine capillary structure of the layer is very sensitive both to impurities in the manufacture or further processing and when used as a boiling layer against impurities in the boiling liquid.

Die Herstellung solcher Schichten kann beispielsweise durch aufwendige Löt- oder Sinterverfahren erfolgen, wie sie in der US-PS 3 384 154 beschrieben sind. Bei diesem Verfahren werden metallische Zusatzstoffe oder organische Hilfsstoffe verwendet, die teilweise in der Schicht erhalten bleiben. Such layers can be produced, for example, by complex soldering or sintering processes, as are described in US Pat. No. 3,384,154. This process uses metallic additives or organic additives, some of which are retained in the layer.

Die metallischen Zusatzstoffe gehen zum überwiegenden Teil Verbindungen mit dem Werkstoff der Einzelkörper der Schicht und dem Grundwerkstoff ein oder bleiben auch zum Teil metallisch rein zurück, so dass die Schicht aus einer Vielzahl von Werkstoffen bzw. deren Verbindungen aufgebaut ist. The metallic additives for the most part form connections with the material of the individual body of the layer and the base material or also remain partly pure metallic, so that the layer is made up of a large number of materials or their connections.

Die beim Sintern benötigten organischen Hilfsstoffe bleiben ebenfalls in kleineren Mengen in der Schicht zurück. The organic auxiliaries required for sintering also remain in the layer in smaller quantities.

Ein bedeutendes Einsatzgebiet von Wärmeaustauschern, deren Siedeschichten in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellt sind, besteht im Verdampfen organischer Flüssigkeiten, die als Arbeitsmittel in Kreisprozessen dienen. An important area of application for heat exchangers whose boiling layers are produced in the manner described above is in the evaporation of organic liquids which serve as working media in circular processes.

Derartige, über lange Zeit verwendete Arbeitsmittel sind äusserst empfindlich im Kontakt mit organischen und auch metallischen Fremdstoffen. Beispielsweise werden in Wärmepumpen- und Kälteanlagen als Arbeitsmittel häufig fluorierte Chlorkohlenwasserstoffe verwendet, welche geringe Beimischungen von Schmieröl der Kältemaschinen enthalten. In der Siedeschicht noch vorhandene organische Fremdstoffe gehen mit dem Arbeitsmittel-Schmierölgemisch häufig schädliche chemische Verbindungen ein, während metallische Fremdstoffe eine Zersetzung des Arbeitsmittels bewirken können. Work tools of this type, which have been used for a long time, are extremely sensitive in contact with organic and also metallic foreign substances. For example, fluorinated chlorinated hydrocarbons, which contain small amounts of lubricating oil in the refrigeration machines, are frequently used as working media in heat pumps and refrigeration systems. Organic foreign substances still present in the boiling layer often form harmful chemical compounds with the working fluid lubricating oil mixture, while metallic foreign substances can cause the working medium to decompose.

Eine andere Möglichkeit zur Herstellung von Kapillarstrukturen in Siedeschichten wird in der US-PS 3 990 862 beschrieben. Danach werden mit Hilfe eines speziellen Flammspritzverfahrens Metallteilchen auf den Grundwerkstoff aufgebracht und dabei wird aus vielen, grösstenteils stark deformierten Metallteilchen eine Siedeschicht mit der gewünschten Kapillarstruktur gebildet. Ein wesentliches Merkmal dieses Verfahrens besteht in der teilweisen Oxidation der Metallteilchen in einer mit Sauerstoffüberschuss betriebenen Flamme. Zur Sicherstellung dieser Oxidation müssen Metalle verwendet werden, die in kurzer Zeit eine erhebliche Oxidhaut bilden, die sich in ihrem Schmelzpunkt deutlich von dem des Ausgangswerkstoffes unterscheidet. Beispielsweise ist Kupfer kein derartiges Metall. Die Metalloxide sollen die ausreichende Festigkeit der Siedeschicht bei vorhandener Kapillarstruktur gewährleisten. Sie sind jedoch chemische Verbindungen, die zu Zersetzungen des Arbeitsmittels führen können, wie bereits eingangs beschrieben. Another possibility for producing capillary structures in boiling layers is described in US Pat. No. 3,990,862. Then, with the help of a special flame spraying process, metal particles are applied to the base material and a large boiling layer with the desired capillary structure is formed from many, largely strongly deformed metal particles. An essential feature of this process is the partial oxidation of the metal particles in a flame operated with an excess of oxygen. In order to ensure this oxidation, metals must be used which form a considerable oxide skin in a short time and whose melting point differs significantly from that of the starting material. For example, copper is not such a metal. The metal oxides should ensure the sufficient strength of the boiling layer when the capillary structure is present. However, they are chemical compounds that can lead to decomposition of the work equipment, as already described at the beginning.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Ausbildung einer Siedeoberfläche für Wärmeaustauscher, welche einen sehr guten Wärmeübergang von der Siedeoberfläche an die Siedeflüssigkeit sicherstellt, keine schädlichen Verunreinigungen aufweist und einen geringen Wärmeleitwiderstand besitzt. The object of the invention is to provide a boiling surface for heat exchangers which ensures very good heat transfer from the boiling surface to the boiling liquid, has no harmful impurities and has a low thermal conductivity.

Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Schicht aus teilweise zusammenhängenden, metallischen Einzelkörpern verschiedener Formen besteht, und dass die Schicht im wesentlichen frei von sie durchsetzenden Kapillaren und von geschlossenen Poren ist, und dass die Tiefe der zwischen Einzelkörpern freibleibenden und gegen die Siedeoberfläche offenen Räume im Mittel mehr als 40% der Schichtdicke beträgt, wobei die über die höchste Erhebung gemessene Schichtdicke 30 bis 300 um beträgt. According to the invention, this object is achieved in that the layer consists of partially coherent, metallic individual bodies of different shapes, and that the layer is essentially free of capillaries penetrating it and of closed pores, and that the depth of the remaining between individual bodies and against the The surface area of open spaces is on average more than 40% of the layer thickness, the layer thickness measured over the highest elevation being 30 to 300 μm.

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

648 651 648 651

Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung der Siedeoberfläche besteht darin, dass die die Einzelkörper bildenden Teilchen mit Hilfe eines Pulver-Flammspritzverfahrens auf den Grundwerkstoff derart aufgebracht werden, dass in einen durch Verbrennung von Brenngas und Sauerstoff erhitzten und mittels eines Kühlgases gekühlten und beschleunigten Gasstrom die Teilchen des Metallpulvers eingeschleust werden, durch den Gasstrom erwärmt, an ihrer Oberfläche angeschmolzen und zum Grundwerkstoff transportiert werden. An advantageous method for producing the boiling surface is that the particles forming the individual bodies are applied to the base material with the aid of a powder flame spraying process in such a way that the particles of the gas are heated in a gas stream heated by combustion of fuel gas and oxygen and cooled and accelerated by means of a cooling gas Metal powder are introduced, heated by the gas stream, melted on their surface and transported to the base material.

Die erfindungsgemässe Schicht besteht somit aus einem einzigen Werkstoff, so dass der bei den bekannten Kapillarstrukturen auftretende schädliche Einfluss von Fremdstoffen wegfällt. The layer according to the invention thus consists of a single material, so that the harmful influence of foreign substances which occurs in the known capillary structures is eliminated.

Durch den Aufbau der Schicht aus einer Vielzahl von Einzelkörpern verschiedener Formen besitzt diese im Bereich der Grenzschicht der Siedeflüssigkeit eine vergrösserte Oberfläche. Dadurch kann ein grosses Flüssigkeitsvolumen im Grenzschichtbereich in kurzer Zeit erwärmt werden. Die entstehenden Dampfblasen führen folglich grosse Mengen erwärmter Grenzschicht-Flüssigkeit von der Siedeoberfläche weg, was den sehr guten Wärmeübergang von der Siedeoberfläche an die Siedeflüssigkeit sicherstellt. Because the layer is made up of a large number of individual bodies of different shapes, it has an enlarged surface in the area of the boundary layer of the boiling liquid. As a result, a large volume of liquid in the boundary layer area can be heated in a short time. The resulting vapor bubbles consequently lead large quantities of heated boundary layer liquid away from the boiling surface, which ensures very good heat transfer from the boiling surface to the boiling liquid.

An den Übergängen der Einzelkörper sind zahlreiche Kerben, Hinterschneidungen und ähnliche Geometrien ausgebildet, welche als Blasenkeimstellen wirken. Dadurch ist eine intensive Blasenentstehung gewährleistet, was für den Abtransport der erwärmten Grenzschicht-Flüssigkeit notwendig ist. Numerous notches, undercuts and similar geometries are formed at the transitions of the individual bodies, which act as bladder germ sites. This ensures intensive bubble formation, which is necessary for the removal of the heated boundary layer liquid.

Zum besseren Verständnis der mit Hilfe der Erfindung erreichten Wirkungsweise sei auf folgenden Sachverhalt hingewiesen. For a better understanding of the mode of operation achieved with the aid of the invention, reference is made to the following facts.

Der Siedevorgang an Oberflächen erfolgt nach Gesetzen, wie sie z.B. in der DKV-Abhandlung Nr. 18,1964 «Beitrag zur Thermodynamik des Wärmeüberganges beim Sieden» The boiling process on surfaces takes place according to laws such as those e.g. in DKV treatise No. 18.1964 "Contribution to the thermodynamics of heat transfer during boiling"

von K. Stephan beschrieben sind, wobei an Blasenkeimstellen, die auf der Oberfläche statistisch verteilt sind, kleine Dampfblasen entstehen, bis zu ihrem Abreissdurchmesser anwachsen und dann von der Oberfläche abreissen und in 5 der Siedeflüssigkeit aufsteigen. Es entsteht eine neue Dampfblase, und der Vorgang wiederholt sich mit der sogenannten Blasenfrequenz. Wie z. B. von Han und Griffith in dem Artikel «The Mechanism of Heat Transfer in Nucleate Pool Boi-ling» Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 8, 1965, S. 887-914 io und von Beer und Durst im Artikel «Mechanismen der Wärmeübertragung beim Blasensieden und ihre Simulation», Chemie-Ing.-Tech. 40 (1968), 13, S. 632-638 nachgewiesen wird, zerfallt die durch den Begriff «Blasenfrequenz» beschriebene Zeit in zwei Teile, nämlich in die Wartezeit und i5 die eigentliche Zeit der Blasenentstehung, wobei die Wartezeit 60 bis 80% der Gesamtzeit ausmacht. In der Wartezeit wird durch Wärmeleitung die an der Siedeoberfläche haftende Flüssigkeitsgrenzschicht erwärmt. Nach dem Aufbau eines gewissen Temperaturprofils in dieser Grenzschicht, be-20 ginnt die Dampfblase zu entstehen, wächst auf den Blasen-abreissdurchmesser an und reisst von der Siedeoberfläche ab. Bei diesem Abreissen führt die Dampfblase die sie umgebende, erwärmte Flüssigkeitsgrenzschicht durch «Massen-Konvektion» oder durch ihre indizierte «Drift-Strömung» 25 von der Siedeoberfläche weg. Dabei entspricht der Einflussbereich der Driftströmung auf die Grenzschicht etwa dem Blasenabreissdurchmesser. Nach der Grenzschicht-Massen-Konvektion strömt «kalte Flüssigkeit» zur Siedeoberfläche und wird dort wieder aufgewärmt. Die Wärme wird von der 30 Siedeoberfläche also weitgehend durch instationäre Wärmeleitung abgeführt. are described by K. Stephan, whereby small vapor bubbles form at bladder germ sites that are statistically distributed on the surface, grow up to their tear-off diameter and then tear off from the surface and rise in the boiling liquid. A new vapor bubble is created and the process is repeated at the bubble frequency. Such as B. von Han and Griffith in the article "The Mechanism of Heat Transfer in Nucleate Pool Boiling" Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 8, 1965, pp. 887-914 io and von Beer and Durst in the article “Mechanisms of heat transfer during bubble boiling and their simulation”, Chemie-Ing.-Tech. 40 (1968), 13, pp. 632-638, the time described by the term “bubble frequency” breaks down into two parts, namely the waiting time and i5 the actual time of the bubble formation, the waiting time being 60 to 80% of the total time matters. In the waiting time, the liquid boundary layer adhering to the boiling surface is heated by heat conduction. After a certain temperature profile has been built up in this boundary layer, the vapor bubble begins to form, grows to the bubble tear-off diameter and tears off the boiling surface. During this tearing off, the vapor bubble guides the surrounding, heated liquid boundary layer away from the boiling surface by “mass convection” or by its “drift flow” 25. The area of influence of the drift flow on the boundary layer corresponds approximately to the bubble tear-off diameter. After the boundary layer mass convection, «cold liquid» flows to the boiling surface and is warmed up there again. The heat is largely dissipated from the boiling surface by unsteady heat conduction.

Wie aus den vorstehend genannten Veröffentlichungen hervorgeht, können zur Abschätzung der Grössen die nachfolgenden Beziehungen verwendet werden. Der Blasenab-35 reissdurchmesser ist dA = 0,0146 .yS ° As can be seen from the above publications, the following relationships can be used to estimate the sizes. The bubble ab-35 tear diameter is dA = 0.0146 .yS °

2 . er .V' .v" g. (v" - v1) 2nd he .V '.v "g. (v" - v1)

Die Blasenfrequenz kann näherungsweise mit Hilfe der nachstehenden Beziehung bestimmt werden: The bubble frequency can be approximated using the following relationship:

f • dA'A = 1,75 Die Grenzschichtdicke beim Ablösen der Blase beträgt f • dA'A = 1.75 The boundary layer thickness when detaching the bubble is

7 7

ÓA " a -(rwz -fa)1'/7 ÓA "a - (rwz -fa) 1 '/ 7

TT.a TT.a

Dabei sind g Here are g

§ §

Erdbeschleunigung dA Acceleration due to gravity dA

(m) (m)

Blasenabreissdurchmesser Bubble tear-off diameter

ß ß

(o) (O)

Randwinkel der anhaftenden Dampfblase Contact angle of the attached vapor bubble

5 5

(N/m) (N / m)

Oberflächenspannung der siedenden Flüs Surface tension of the boiling rivers

sigkeit liquidity

V V

(m3/kg) (m3 / kg)

spez. Volumen der Flüssigkeit v" spec. Volume of liquid v "

(m3/kg) (m3 / kg)

spez. Volumen des entstehenden Dampfes f spec. Volume of steam generated f

(1/s) (1 / s)

Blasenfrequenz a Bubble frequency a

(m2/s) (m2 / s)

Temperaturleitzahl der Flüssigkeit Temperature control number of the liquid

TWz TWz

(s) (s)

Wartezeit waiting period

Ta Ta

(s) (s)

Zeit für Blasenwachstum Time for bubble growth

Sa Sat

(m) (m)

Grenzschichtdicke beim Ablösen Boundary layer thickness when detaching

Auf Seite 15 sind in der Tabelle 1 die berechneten Werte für einige in der Kältetechnik üblichen Siedeflüssigkeiten 55 und üblichen Siedetemperaturen-Bereiche angegeben. On page 15, the calculated values for some boiling liquids 55 and boiling temperature ranges common in refrigeration are given in Table 1.

Die bisher beschriebenen physikalischen Vorgänge beim Sieden führen zu der erfinderischen Erkenntnis, dass eine Verbesserung des Wärmeüberganges erzielt werden kann, wenn die Siedeoberfläche im Einflussbereieh der Grenz-6o schicht und der Blasen erheblich vergrössert wird. The previously described physical processes during boiling lead to the inventive finding that an improvement in the heat transfer can be achieved if the boiling surface is influenced by the boundary layer and the bubbles are considerably enlarged.

Hierdurch kann die Zeit, die zur Ausbildung des Temperaturprofils der Grenzschicht, d.h. die Wartezeit, wesentlich verringert werden und ausserdem das Volumen der Grenzschichtflüssigkeit, welches von einer Blase von der Siede-65 Oberfläche wegtransportiert wird, wesentlich vergrössert werden. This allows the time required to form the temperature profile of the boundary layer, i.e. the waiting time can be significantly reduced and, in addition, the volume of the boundary layer liquid, which is transported away from the boiling surface by a bubble, can be increased significantly.

Bei der Erfindung wurde erkannt, dass zur Erzielung des verbesserten Wärmeüberganges die der Oberflächenvergrös In the case of the invention, it was recognized that in order to achieve the improved heat transfer, that of the surfaces increased

648 651 648 651

4 4th

serung dienende Struktur in ihrer Gesamthöhe, d.h. in der über die höchste Erhebung gemessenen Schichtdicke, zweckmässig in der Grössenordnung der Grenzschichtdicke liegen muss, deren fünffachen Wert aber nicht überschreiten darf. overall structure, i.e. in the layer thickness measured over the highest elevation, expediently must be in the order of magnitude of the boundary layer thickness, but its five-fold value must not exceed.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen von Siedeoberflächen und einer Vorrichtung zur Herstellung der Siedeoberflächen sowie einem zugehörigen Diagramm erläutert. The invention is explained below with reference to embodiments of boiling surfaces shown in the drawing and a device for producing the boiling surfaces and an associated diagram.

Fig. 1 zeigt in einem Diagramm die erzielbare Flächen-vergrösserung der Struktur in Abhängigkeit von verschiedenen Formen der Einzelkörper. 1 shows in a diagram the achievable area enlargement of the structure as a function of different shapes of the individual bodies.

In Fig. 2 ist schematisch ein Ausschnitt eines Längsschnittes der Metallschicht dargestellt. 2 schematically shows a section of a longitudinal section of the metal layer.

Fig. 3 und 4 zeigen mit einem Rasterelektronenmikroskop erstellte, photographische Aufnahmen von Oberflächenstrukturen im Massstab 100:1 bzw. 500:1. 3 and 4 show photographic recordings of surface structures on a scale of 100: 1 and 500: 1 taken with a scanning electron microscope.

Fig. 5 zeigt in einer vereinfachten, schematischen Darstellungsweise eine Flammspritzvorrichtung zur Herstellung einer Metallschicht während des Betriebes. 5 shows a simplified, schematic representation of a flame spraying device for producing a metal layer during operation.

In Fig. 6 sind in einem Diagramm Messkurven der übertragenen Wärmeleistungen in Abhängigkeit von der Übertemperatur aufgetragen. In FIG. 6, measurement curves of the transferred heat outputs as a function of the excess temperature are plotted in a diagram.

Zur Abschätzung der erzielbaren Flächenvergrösserung F/F0 gegenüber einer glatten Grundfläche Fc durch eine Feinstrukturierung der Oberfläche in der erfindungsgemäs-sen Weise wurde eine Berechnung für Einzelkörper einfacher Geometrie wie Quader, Zylinder, Pyramiden und dgl. durchgeführt. Hierzu wurde von einer dichten Anordnung der Einzelkörper auf der glatten Grundfläche ausgegangen, wobei das Verhältnis V des kürzesten Abstandes zwischen benachbarten Einzelkörpern zu der Kantenlänge bzw. dem Durchmesser ihrer Grundfläche sehr klein, d.h. V<0,2, ist. To estimate the achievable area enlargement F / F0 compared to a smooth base area Fc by fine structuring of the surface in the manner according to the invention, a calculation was carried out for single bodies of simple geometry such as cuboids, cylinders, pyramids and the like. For this purpose, a dense arrangement of the individual bodies on the smooth base surface was assumed, the ratio V of the shortest distance between adjacent individual bodies to the edge length or the diameter of their base surface being very small, i.e. V <0.2.

Die sich hierbei ergebenden Flächenvergrösserungen F/ F0 sind in Abhängigkeit des Verhältnisses V für verschiedene Geometrien in Fig. 1 dargestellt. Dabei gilt die Kurve I für Quader mit einem Verhältnis ihrer Höhe h zu ihrer Kanten- The resulting area enlargements F / F0 are shown in FIG. 1 as a function of the ratio V for different geometries. Curve I applies to cuboids with a ratio of their height h to their edge

länge s von — = 1; die Kurve II für Zylinder mit einem Ver-s hältnis ihrer Höhe h zu ihrem Durchmesser d von — = 1; length s from - = 1; curve II for cylinders with a ratio of their height h to their diameter d of - = 1;

d die Kurve III für Kegel mit einem Spitzenwinkel von y = 30°; die Kurve IV für Pyramiden mit einem Spitzenwinkel von y = 45 ; die Kurve V für Kegel mit einem Spitzenwinkel von y = 45' ; die Kurve VI für Halbkugeln. d curve III for cones with a tip angle of y = 30 °; curve IV for pyramids with a tip angle of y = 45; curve V for cones with a tip angle of y = 45 '; curve VI for hemispheres.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, können erhebliche Flächenvergrösserungen erzielt werden, wobei diese unabhängig von der absoluten Höhe der Einzelkörper sind. Werden verschiedene Körperformen in der auf einen Grundwerkstoff aufgebrachten Schicht überlagert, so können noch erheblichere Flächenvergrösserungen erzielt werden. As can be seen from FIG. 1, considerable increases in area can be achieved, these being independent of the absolute height of the individual bodies. If different body shapes are superimposed in the layer applied to a base material, even larger surface areas can be achieved.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellungsweise einen Längsschnitt durch eine auf einer metallischen Wand 1 aufgebrachten Schicht. Die Einzelkörper weisen unterschiedliche Formgebungen auf, die hauptsächlich bei der Herstellung, auf die später noch eingegangen wird, erzeugt werden. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist die Schicht aus nahezu kugelförmigen und stärker abgeplatteten Einzelkörpern 4 und 5 gebildet. Ein Teil der Körper haftet auf der Wand 1 bzw. haften benachbarte Körper an den Berührungsflächen 2 und 3 aneinander, wobei auch als Umklammerungen ausgebildete Berührungsflächen 6 entstehen. Derart wird eine feste Schicht mit guten Wärmeleitübergängen gebildet. Der Übergang der Oberfläche eines Körpers zur Oberfläche des angrenzenden Körpers erfolgt in vielen Fällen in Form von Kerben 7. Die verschiedenartigen Körperformen ergeben einen überaus heterogenen Aufbau der Schicht 11, wodurch sich zwischen den einzelnen Körpern Löcher 8 bis zum 2 shows a schematic representation of a longitudinal section through a layer applied to a metallic wall 1. The individual bodies have different shapes, which are mainly produced during manufacture, which will be discussed later. As can be seen from FIG. 2, the layer is formed from almost spherical and more flat individual bodies 4 and 5. Some of the bodies adhere to the wall 1 or neighboring bodies adhere to one another at the contact surfaces 2 and 3, contact surfaces 6 also being formed as clasps. In this way a solid layer with good heat transfer is formed. The transition from the surface of a body to the surface of the adjacent body takes place in many cases in the form of notches 7. The different body shapes result in an extremely heterogeneous structure of the layer 11, as a result of which holes 8 through to the individual bodies

Grundwerkstoff, Krater 9, langgezogene Spalte 10 und ähnliche Formen ergeben, welche sich ausgezeichnet als Blasenkeimsteilen eignen und dadurch eine mindestens vollständige Bedeckung der Siedeoberfläche mit Dampfblasen sicherstellen, auch dann, wenn die Übertemperatur T-Ts der Siedeoberfläche gegenüber der Sättigungstemperatur Ts der Siedeflüssigkeit sehr klein ist. Base material, crater 9, elongated gaps 10 and similar shapes result, which are excellently suitable as bubble germ parts and thereby ensure at least complete coverage of the boiling surface with vapor bubbles, even if the overtemperature T-Ts of the boiling surface is very small compared to the saturation temperature Ts of the boiling liquid is.

Die Schichtdicke 8S wird zwischen der höchsten Erhebung und der Oberfläche der wärmeabgebenden Wand gemessen und beträgt erfindungsgemäss 30 bis 300 um. Zwischen den Schichtkörpern und ihrer definierten Höhe bleiben offene Räume, deren Tiefe zwischen wenigen Prozenten und 100% der Schichtdicke liegen kann, im Mittel aber mehr als 40% der Schichtdicke beträgt. Die mit der Erfindung erzielte Oberflächenstruktur geht auch aus den Schichtaufnahmen gemäss Fig. 3 und 4 hervor, in welchen die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 verwendet sind. The layer thickness 8S is measured between the highest elevation and the surface of the heat-emitting wall and, according to the invention, is 30 to 300 μm. Open spaces remain between the layers and their defined height, the depth of which can be between a few percent and 100% of the layer thickness, but on average is more than 40% of the layer thickness. The surface structure achieved with the invention can also be seen from the layer recordings according to FIGS. 3 and 4, in which the same reference numerals as in FIG. 2 are used.

Wie bereits erwähnt, kann mit Hilfe der erfindungsgemäss ausgebildeten Struktur der Metallschicht gegenüber der Oberfläche des Grundwerkstoffes eine wesentliche Ober-flächenvergrösserung erzielt werden, beispielsweise in der Grössenordnung von 2 bis 10. As already mentioned, with the aid of the structure of the metal layer designed according to the invention, a substantial increase in surface area can be achieved compared to the surface of the base material, for example in the order of 2 to 10.

Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung der Schicht besteht in einer modifizierten Art des an sich bekannten Pulver-Flammspritzverfahrens, wobei die Metallteilchen des Ausgangsstoffes in angeschmolzenem oder teigigem Zustand auf den Grundwerkstoff aufgesprüht werden. Die geometrische Form der Metallteilchen vor dem Aufsprühen kann verschiedenartig sein. Es können z. B. kugelige, würfelförmige, prismatische, polyederförmige, dendritische und spratzige Formen verwendet werden. Diese Metallteilchen werden in einen heissen Gasstrom geschleust und in diesem Gasstrom gleichmässig verteilt. Der Gasstrom dient einmal als Transportmittel für die Metallteilchen zum Grundwerkstoff und andererseits als Wärmequelle für die Erwärmung der Metallteilchen. Dabei werden die Metallteilchen von ihrer Oberfläche her erwärmt, wobei man mit Hilfe der Temperatur und der Geschwindigkeit des Gasstromes sowie der Flugstrecke der Teilchen der Verweilzeit der Metallteilchen im Gasstrom und damit den Grad der Erwärmung bzw. der Anschmel-zung in bekannter Weise beeinflussen kann. Entsprechend dem Grad der Anschmelzung und der Auftreffgeschwindig-keit der Metallteilchen auf den Grundwerkstoff werden diese sich verformen und mit dem Grundwerkstoff und an den Berührungsstellen miteinander verklammern, verkrallen oder verschweissen, wie dieses aus den Fig. 2 bis 4 hervorgeht. Die Abmessungen der die Schicht bildenden Körper können durch geeignete Wahl der Abmessungen der Metallteilchen so gehalten werden, dass sie den in Tabelle 1 angegebenen Werten für die Grenzschichtdicke in der Grössenordnung entsprechen. Vorteilhaft werden als Ausgangsstoff Metallteilchen kugeliger Form mit Durchmessern zwischen d = 30 und 150 Jim verwendet. An advantageous method for producing the layer consists in a modified type of the powder flame spraying method known per se, the metal particles of the starting material being sprayed onto the base material in a molten or pasty state. The geometric shape of the metal particles before spraying can be of various types. It can e.g. B. spherical, cube-shaped, prismatic, polyhedral, dendritic and spattered shapes can be used. These metal particles are introduced into a hot gas stream and distributed evenly in this gas stream. The gas flow serves on the one hand as a means of transport for the metal particles to the base material and on the other hand as a heat source for heating the metal particles. The surface of the metal particles is heated, whereby the temperature and velocity of the gas flow and the flight distance of the particles can influence the residence time of the metal particles in the gas flow and thus the degree of heating or melting in a known manner. Depending on the degree of melting and the speed of impact of the metal particles on the base material, they will deform and cling, claw or weld with the base material and at the contact points, as can be seen in FIGS. 2 to 4. The dimensions of the bodies forming the layer can be kept by a suitable choice of the dimensions of the metal particles such that they correspond in the order of magnitude to the values for the boundary layer thickness given in Table 1. Metal particles of spherical shape with diameters between d = 30 and 150 Jim are advantageously used as the starting material.

In Fig. 5 ist eine Vorrichtung 20 zur Durchführung des modifizierten Pulver-Flammspritzverfahrens schematisch dargestellt. 5 schematically shows a device 20 for carrying out the modified powder flame spraying process.

Durch die Zuführungen 21 und 22 wird Brenngas und Sauerstoff in die Vorrichtung eingeleitet. Das Gemisch strömt durch einen Düsenring 23 und wird danach in der Flamme verbrannt. Die heissen Flammengase werden mit einem durch eine Zuführung 24 in die Vorrichtung eingeleiteten und durch einen aussenliegenden Düsenring 25 in die Flamme eingeblasenen Kühlgas vermischt und dadurch gekühlt. Ein Teil des Kühlgases wirkt ebenfalls als Transportmittel für das in die Vorrichtung durch eine Zuführung 26 eingeleitete Metallpulver. In dem Gasstrom verteilt sich das Pulver entsprechend den Strömungsverhältnissen und wird zu einer aus dem Grundwerkstoff bestehenden Wand 27 Fuel gas and oxygen are introduced into the device through the feeders 21 and 22. The mixture flows through a nozzle ring 23 and is then burned in the flame. The hot flame gases are mixed with a cooling gas introduced into the device through a feed 24 and blown into the flame through an external nozzle ring 25 and thereby cooled. Part of the cooling gas also acts as a means of transport for the metal powder introduced into the device through a feed 26. The powder is distributed in the gas stream according to the flow conditions and becomes a wall 27 made of the base material

s s

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

transportiert und trifft dort in einer nahezu kreisförmigen Fläche auf, die mit Spritzfleck bezeichnet werden soll. Dieser Spritzfleck wird über die Oberfläche des Grundwerkstoffes geführt und derart ein flächiger Auftrag der Schicht erzielt. Die Relativgeschwindigkeit des Grundwerkstoffes senkrecht zum Spritzstrahl ist eine Einflussgrösse für die Qualität der Schicht. Bei zu kleiner Relativgeschwindigkeit wäre die Verweilzeit der aufgetragenen Schicht im Spritzstrahl zu gross und die Metallteilchen der Schicht würden aufschmelzen und eine relativ homogene Schicht ohne Körperformen und ohne eine genügend grosse Anzahl von Blasenkeimstellen bilden. Beim Aufbringen der Schicht stehen Relativgeschwindigkeit, Schichtdicke und der Pulverdurchsatz durch die Spritzdüse in einem gewissen Zusammenhang. Für die Qualität der Schicht sind weiterhin die Gasströme vor der Spritzdüse und der Abstand zwischen Spritzdüse und Grundwerkstoff der, wie bereits an vorstehender Stelle erwähnt, zusammen mit dem Gasstrom nach der Spritzdüse die Verweilzeit der Metallteilchen in diesem Gasstrom bestimmt, wesentlich. Da eine metallisch reine Schicht angestrebt wird, ist es erforderlich, dass alle, die Spritzdüse durchströmenden Gase zusammen eine stöchiometrische Bilanz zwischen Brenngas und Sauerstoff ergeben. Auf diese Weise können sicher Oxidatio-nen und andere chemische Veränderungen der Metallteilchen vermieden werden. transports and hits there in an almost circular area, which is to be referred to as a spray spot. This spray spot is guided over the surface of the base material and a flat application of the layer is achieved in this way. The relative speed of the base material perpendicular to the spray jet is an influencing factor for the quality of the layer. If the relative speed were too low, the dwell time of the applied layer in the spray jet would be too long and the metal particles of the layer would melt and form a relatively homogeneous layer without body shapes and without a sufficiently large number of bladder germ sites. When the layer is applied, the relative speed, layer thickness and the powder throughput through the spray nozzle are in a certain connection. For the quality of the layer, the gas flows in front of the spray nozzle and the distance between the spray nozzle and the base material, which, as already mentioned above, together with the gas flow after the spray nozzle, determine the residence time of the metal particles in this gas flow, are also important. Since a purely metallic layer is desired, it is necessary for all the gases flowing through the spray nozzle to give a stoichiometric balance between fuel gas and oxygen. In this way, oxidation and other chemical changes in the metal particles can be safely avoided.

Als Brenngas kann beispielsweise Acetylen oder Wasserstoff und als Kühlgas z. B. getrocknete und gereinigte Luft oder Stickstoff verwendet werden. Als Werkstoff für die Metallteilchen werden vorzugsweise Kupfer und Kupferlegierungen verwendet. Jedoch können auch andere Metalle, wie z. B. Eisen und Eisenlegierungen verwendet werden. For example, acetylene or hydrogen can be used as the fuel gas, and z. B. dried and cleaned air or nitrogen can be used. Copper and copper alloys are preferably used as the material for the metal particles. However, other metals, such as. B. iron and iron alloys can be used.

In einem Versuch wurde eine Schicht, wie sie beispielsweise die Fig. 3 und 4 zeigen, aus Kupferkörpern auf ein Kupferrohr mit 18 mm Aussendurchmesser aufgebracht. In einer entsprechenden Apparatur wurde die Wärmeübertragungsleitung qa beim Sieden gemessen und zwar bei Bedingungen, wie sie in überfluteten Rohrbündelverdampfern von Turbo-Kältemaschinen herrschen, unter Verwendung des Kältemittels CF2C12 und bei einer Verdampfungstemperatur von 0 C. In an experiment, a layer such as that shown in FIGS. 3 and 4 was applied from copper bodies to a copper tube with an outer diameter of 18 mm. In an appropriate apparatus, the heat transfer line qa was measured during boiling under conditions such as those found in flooded tube bundle evaporators in turbo chillers, using the CF2C12 refrigerant and at an evaporation temperature of 0 C.

In Fig. 6 sind die hierbei ermittelten Wärmeübertragungsleistungen qa in Abhängigkeit von der Übertemperatur 6, the heat transfer powers qa determined here are a function of the excess temperature

5 648 651 5 648 651

AT eingetragen (siehe Kurve W), wobei zum Vergleich auch die Wärmeübertragungsleistungen eingetragen sind, die sich an Rohren mit «glatter» Oberfläche ergeben (siehe Kurve Z). In Tabelle 2 auf Seite 17 sind in einem Zahlenbeispiel die 5 Durchsatzmengen der Gasströme, des Metallpulvers sowie der zugehörige Spritzabstand und die Relativgeschwindigkeit des Grundwerkstoffes senkrecht zum Spritzstrahl für ein Herstellungsverfahren einer erfindungsgemäss ausgebildeten Schicht angegeben. AT entered (see curve W), whereby for comparison the heat transfer capacities are also entered, which result on pipes with a «smooth» surface (see curve Z). A numerical example in Table 2 on page 17 shows the 5 throughput quantities of the gas streams, the metal powder and the associated spraying distance and the relative speed of the base material perpendicular to the spray jet for a production process of a layer designed according to the invention.

10 10th

Tabelle 1 Table 1

t(°Q dA 8a s (Um) (Jim) t (° Q dA 8a s (Um) (Jim)

15 15

CF2C1.CF2C1 (R114) CF2C1.CF2C1 (R114)

60 60

72 72

589 589

40 40

0 0

64 64

745 745

51 51

CF2C121 (R12) CF2C121 (R12)

30 30th

72 72

569 569

50 50

20 20th

-30 -30

65 65

732 732

59 59

CHF2C1 (R22) CHF2C1 (R22)

20 20th

68 68

672 672

53 53

-40 -40

59 59

877 877

64 64

CF3Br (R13B1) CF3Br (R13B1)

-20 -20

75 75

549 549

47 47

25 25th

-60 -60

68 68

655 655

54 54

CF3C1 (R13) CF3C1 (R13)

-40 -40

72 72

592 592

47 47

-80 -80

65 65

734 734

54 54

30 30th

Tabelle 2 Table 2

Bereich vorzugsweise Area preferred

Brenngas: Fuel gas:

0,5-1,0 0.5-1.0

~ 0,74~~ ~ 0.74 ~~

(m3/h) (m3 / h)

35 Acetylen C2H2, bei 1 bar 35 acetylene C2H2, at 1 bar

Oxidationsgas: Oxidizing gas:

0,6-1,2 0.6-1.2

0,85 0.85

(m3/h) (m3 / h)

Sauerstoff 02, bei 1 bar Oxygen 02, at 1 bar

Kühlgas: Luft, bei 1 bar Cooling gas: air, at 1 bar

3,1-6,2 3.1-6.2

5,3 5.3

(m3/h) (m3 / h)

Pulver: Kupfer Powder: copper

2,5-10 2.5-10

3,0 3.0

(kg/h) (kg / h)

40 kugelig 40 spherical

30-150 30-150

40-80 40-80

(um) (around)

Spritzabstand: Spraying distance:

5- 5-

-15 -15

10 10th

(cm) (cm)

Relativgeschwindigkeit: Relative speed:

0,02-0,1 0.02-0.1

0,05 0.05

(m/s) (m / s)

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

S S

4 Blatt Zeichnungen 4 sheets of drawings

Claims

648 651

1. boiling surface for heat exchanger, consisting of a metallic base material and an applied metal layer, characterized in that the layer consists of partially connected, metallic individual bodies of different shapes, and that the layer is essentially free of capillaries penetrating it and of closed pores, and that the depth of the spaces remaining between individual bodies and open to the boiling surface is on average more than 40% of the layer thickness, the layer thickness measured over the highest elevation being 30 to 300 μm.

2. Boiling surface according to claim 1, characterized in that the grain size of the starting material forming the individual body is between 30 and 150 µm.

2nd

PATENT CLAIMS

3. A method for producing the boiling surface according to claim 1 and 2, characterized in that the particles forming individual bodies are applied to the base material with the aid of a powder flame spraying process in such a way that it is heated by combustion of fuel gas and oxygen and by means of a cooling gas cooled and accelerated gas flow, the particles of the metal powder are introduced, heated by the gas flow, melted on their surface and transported to the base material.

4 "Method according to claim 3, characterized in that the metal powder consists of copper particles with a grain size between 40 and 80 jxm and the mass flow rate of the metal powder is between 2.5 and 10 kg / h, and acetylene is used as fuel gas with a volume flow between 0.5 and 1.0 m3 / h at 1 bar and pure oxygen is used as the oxidizing gas with a volume flow between 0.6 and 1.2 m3 / h at 1 bar, and air of ambient temperature is used as the cooling gas with a volume flow between 3.1 and 6.2 m3 / h at 1 bar, where the spraying distance is between 5 and 15 cm and the relative speed between the spraying spot and the base material is between 0.02 and 0.1 m / s.