DD277704A1 - Verfahren zur erzeugung poroeser beschichtungen auf festen gegenstaenden, insbesondere auf waermeuebertragungsflaechen zum sieden, durch thermisches spritzen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung poroeser Beschichtungen auf festen Gegenstaenden, insbesondere auf Waermeuebertragungsflaechen zum Sieden von Fluessigkeiten durch thermisches Spritzen. Die Erfindung loest die Aufgabe der Gestaltung einer definierten Porositaet in Auftragsschichten angepasster Schichtdicke, die eine gute Haftfestigkeit zur Grundflaeche und die Uebertragung grosser Waermemengen bei geringer Temperaturdifferenz ermoeglichen. Erfindungsgemaess wird ein matrixbildender Stoff und ein Salz mittels eines thermischen Spritzverfahrens gemeinsam auf eine Flaeche aufgespritzt sowie diese Beschichtung anschliessend einer Fluessigkeitsbehandlung zum Herausloesen des Salzes unterzogen. Der Salzanteil betraegt zwischen 5 und 60 Ma.-%. Als matrixbildende Stoffe kommen Metalle, Metallegierungen, Metalloxide und Karbide zum Einsatz. Durch die Wahl der Werkstoffe, der Verfahrensbedingungen und des Salzanteils koennen die Porositaet und die Porengroessen der Auftragsschicht entsprechend der Aufgabenstellung definiert eingestellt werden.

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung findet im Chemieanlagenbau zur Herstellung von hocheffektiven Wärmeübertragerflächen zum. Sieden von Flüssigkeiten Anwendung.

Das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren kann auch zur Herstellung von Wärmeisolationsschichten oder Filtern eingesetzt werden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Poröse Beschichtungen auf festen Gegenständen spielen zur Intensivierung von Siedevorgängen eine große Rolle. Aus diesem Grund wird der Entwicklung solcher poröser Beschichtungen und der Herstellungsverfahren, insbesondere für Rohrgeometrien, besondere Bedeutung beigemessen. Ein erfolgreiches Herstellungsverfahren ist das Sinterverfahren. Die Sinterverfahren sind allerdings technologisch und energetisch sehr aufwendig und nur für begrenzte Bauteilgeometrien und -abmessungen anwendbar.

Eine andere Möglichkeit zur Herstellung von porösen Lieschichtungen ist aus der US-PS 3990862 bekannt. Danach werden mit Hilfe eines speziellen Flammspritzverfahrens Metallteilchen auf den Grundwerkstoff aufgebracht. Ein wesentliches Merkmal dieses Herstellungsverfahrens besteht in der Oxidation der Metallteilchen in einer mit Sauerstoffüberschuß betriebenen Flamme. Kupfer ist für dieses Herstellungsverfahren nicht geeignet.

Aus der DE-PS 2936406 ist ebenfalls ein Flammspritzverfahren bekannt, bei dem die pulverförmigen Metallpartikel nur angeschmolzen und zum Grundwerkstoff transportiert werden. Die Beschichtung enthält nur Metallteilchen und keine Metalloxide.

Obwohl die thermische Spritztechnik für die Erzeugung poröser Boschichtungen sehr ökonomisch ist, konnte sie sich bisher nicht durchsetzen, weil die Beschichtung

- nur eine geringe Porosität aufweist (1 bis 8%)

-der herstellbare Porenraum durch Veränderung der Spritzparameter unter Beibehaltung der mechanischen Stabilität wenig beeinflußbar und damit wenig anpaßbar ist.

Aus der DE-OS 2603362, S.3 (Stand der Technik) ist ein thermisches Spritzverfahren bekannt, bei dem Kupfer mit einer Pulver-Spritzpistolo und Zink mit einer anderen Spritzpistole auf einer Kupferplatte gespritzt wurden. Anschließend wurde das Zink wieder herausgeätzt. Die dadurch entstandenen Hohlräume sollen eine Verbesserung dos Wärmeübergangs beim Blasensieden bewirken. Dieses Vorfahren geht zwar einen völlig nouen Weg, hat jodoch den Nachteil, daß wertvolle Rohstoffo eingesetzt wordon, die nur durch aufwendige Maßnahmen rückgewinnbar sind, der Arbeitsaufwand erhöht sich und die Entsorgung ist aufwendig. Das Ätzprofil wird bestimmt duch don Kontakt der Ätzlösung mit der Spritzschichtoberfläche. Die dabei anstehenden Reaktionsprodukte müssen ständig entfernt werden, da durch sie die Ätzgoschwindigkeit verringert wird. Mit zunehmender Ätztiefe kommt der Prozeß zum Erliegen. Ätzbäder und technologisch notwendige Neutralisationsbäder sind in ihren Abmessungen bogrenzt, wodurch die Größe der bearbeitbaren Bauteile ebenfalls eingeschränkt wird.

Durch das Auftreten von Turbulenzen beim Spritzen mittels zwei Pistolen auf eine Stelle kann nur eine äußerst geringe Haftfestigkeit der Beschichtung erreicht werden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Beschichtung, insbesondere für Wärmeübertragungsflächen, das sehr ökonomisch ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung poröser Beschichtungen auf festen Gegenständen zu entwickeln, das die Gestaltung einer definierten Porosität in Auftragsschichten angepaßter Schichtdicke und dadurch bedingt die Übertragung großer Wärmemengen bei geringer Temperaturdifferenz ermöglicht sowie eine hohe Haftfestigkeit der porösen Beschichtung gewährleistet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein matrixbildender Stoff und ein Salz mittels eines thermischen Spritzverfahrens gemeinsam aufgespritzt werden und anschließend diese Beschichtung einer Flüssipkoitsbehandlung bis zum Herauslösen des Salzanteils unterzogen wird. Entsprechend den Verfahrenszielen unterliegen das Salz und das Verhältnis zwischen matrixbildendem Stoff und Salz bestimmten Einschränkungen. Das Salz muß auch nach dem thermischen Spritzen noch löslich sein. Die Verdampfungstemperatur des Salzes darf nicht wesentlich geringer als die Arbeitstemperatur des thermischen Spritzverfahrons sein. Der Salzanteil wird begrenzt von der minimalen Porosität und der Haftfestigkeit und Stabilität der porösen Schicht. Der Salzgehalt wird zwischen 5-60 Ma.-% variiert. Die verwendete Partikelfraktion des körnigen Salzes läßt sich auf die Größe der angestrebten Zielporen abstimmen. Die Auswahl der Sc Ize erfolgt nach Löslichkeit und Lö; ungsmittel, Aggressivität und Wiedergewinnbarkeit sowie nach Verfügbarkeit und Koston.

Als matrixbildende Stoffe sind Metalle, Metallegierungen, Metalloxide und Karbide sowie deren Mischungen unter- bzw. miteinander verwendbar, die ju nach Anwendungsgebiet ausgewählt werden. Diese matrixbildenden Stoffe werden als Pulver, Pulvermischungen, Stäb"e und als slrangförmige (rohrförmige) Halbzeuge verwendet. Bei der Verwendung von Pulvern oder Pulvermischungen läßt sich erforderlichenfalls eine Erhöhung der Rieselfähigkeit, auch für technologische Zwischenschritte, durcn Trocknung erzielen.

Vorteilhaft läßt sich ein dünnwandiges Kupferrohr, das mit der ausgewählten Menge Salz gefüllt ist, mit einer Flammspritzpistole auftragen. Die größte Haftfestigkeit des Matrixwerkstoffes und die größte Wirtschaftlichkeit, d. h. die höchste Abschmelzleistung an mit Salz gefülltem Pulverdraht, wird beim Draht-Lichtbogenspritzen erreicht.

Mechanisch sehr stabile Beschichtungen kann man erreichen, wenn man 15Ma. -/odes matrixbildenden Stoffes durch ein Pulver aus Aluminiumbronze ergänzt.

Als feste Gegenstände, o'e mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens beschichtet werden, können Metalle und Nichtmetalle unterschiedlicher Formgebung verwendet werden. Eine Vorbehandlung des zu beschichtenden Werkstoffes, z. B. durch Sandstrahlen oder Haftgrundspritzen, kann bei entsprechenden Anforderungen an die Haftfestigkeit durchgeführt werden.

Das thermi >ciio Spritzverfahren kann als

- Flammsp.itzverföhren,

- Plasmaspritzverfahren oder

- Lichtbogenspritzverfahren realisiert werden.

Als besonders vorteilhaft erweist sich, daß gegenüber der in der DE-OS 2603362, Seite 3 angegebenen Methode keine zweite Spritzpistole erforderlich ist, so daß sich der technologische Aufwand wesentlich reduziert. Gleichzeitig ist durch das gemeinsame Verspritzen mittels einer Spritzeinrichtung der Vorteil verbunden, daß keine Schichtenbildung beim Auftragen der Materialien eintreten kann.

Die Verwendung von Salz garantiert gegenüber Zink wesentliche Vorteile hinsichtlich Arbeits-, Gesundheits- und Umweltschutz. Das Herauslösen der Salze ist ebenfalls technologisch einfac'.er und kostengünstiger zu realisieren als der Umgang mit einem Ätzbad. Durch die hohe Löslichkeit der Salze wird ein ausreichend vollständiges Herauslösen garantiert. Die Entsorgung der Salzlösung ist problemlos. Die Entfernung der löslichen Komponente ZinV ist aufgrund der eingeschränkten Ätztiefe und Ätzwirkung nicht vollständig gewährleistet.

A'jsführungsbeisplel

Die Erfindung wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: Ein Schliffbild dor erfindungsgemäß hergestellten porösen Beschichtung Fig. 2: Siedokurvon an einer erfindungsgemäß hergestellten porösen beschichtung und einer unbeschichteten Fläche.

Im folgenden soll diü Herstellung einer porösen Schicht auf einer zylindrischen Probenscheibe aus Kupfer mittels des orfindungsgemäßen thermischen Spritzverfahrens beschrieben werden.

Als Spritzmaterial wurdo ein Gomisch aus 60Vol.-% kugelförmigem Kupferpulver (vorher durch Aussieben auf 100-125Mm fraktioniert) und 40Vol.-% feinkörnigem Natriumchlorid (vorher durch Aussieben auf 90-200pm fraktioniert) verwendet. Zum thermischen Spritzen wurde eine Pulverflammspritzpistole KMP 64/I eingesetzt. Diese wurde mit einem Brenngasgemisch Azetylen (etwa 300l/h) - Sauerstoff (etwa 250l/h) betrieben. Der Spritzabstand betrug etwa 35cm, der Spritzwinkel nahezu

90 Grad. Das Kupferpulver und Salz wurden gemeinsam und gleichzeitig auf den Gegenstand aus Kupfer gespritzt. Die Beschichtung der nachfolgend ausgewerteten Probe dauerte 25 Sekunden.

Als nächster Arbeitsschritt erfolgte eine zweistündige Wässerung der Substratscheibe mit der Spritzschicht, um das eingelagerte Salz herauszulösen. Dabei entstand die hochporöse, salzfreie Beschichtung. Die angeschmolzenen Metallteilchen verformen sich beim Aufprall und nehmen eine bevorzugte Orientierung parallel zur Schichtebene ein. Dadurch bedingt besitzen die Poren ebenfalls eine Vorzugsrichtung, aber es entstehen auch durchgehende senkrechte Kanäle. Die Poren sind untereinander verbunden.

In der Figur 1 ist ein Schliffbild senkrecht zur Auftragsschicht abgebildet. Die Schichtdicke wurde zu d = (740 ± 140) μιτι bestimmt.

Es wurden experimentelle Untersuchungen zum Wärmeübergang im flüssigen Stickstoff im Bereich des Blasensiedens an der ebenen Probengeometrie (F = 5cm²) durchgeführt. Die Wärmestrcmdichte q wurde durch eine elektrische Heizung aufgeprägt und die sich einstellende Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen Wand und Flüssigkeit mit Thermoelementen gemessen.

In der Figur 2 ist die Siedekurve der beschichteten Probe dargestellt. Nach dem Durchlaufen des Konvektionsbereiches setzt bei q = 0,13 Wem"² bzw. ΔΤ - 2,2 K das Blasensieden ein, wobei aktive Keimstellen gleichmäßig auf der gesamten Fläche verteilt waren. Die Aktivierung der Blasenzentren ist mit einem Temperaturrücksprung auf ΔΤ» 0,27 K verbunden. Die weitere Erhöhung der zugeführten Heizleistung bewirkt im Gebiet der Flächenaktivierung eine geringfügige Verringerung der Oberflächentemperatur. Das Ende dieses Bereiches befindet sich bei q = 1 Wem"², ΔΤ = 0.26K. Für das sich anschließende entwickelte BIa jensieden kann die ΔΤ-Zunahme mit wachsender Wärmestromdichtf; durch die Potenz η = 2 wiedergegeben werden. Für Wärmestromdichten q > 3Wcm~² wurde eine sehr hohe Zunahme der Temperaturdifferenz gemessen. Durch Vergleich mit den eigenen experimentellen Ergebnisen anderer kapillarporöser Schichten sowie Aussagen aus der Literatur wird geschlußfolgert, daß diese Temperaturzunahme durch die Austrockung der kapillar porösen Schicht bewirkt wird. Da bei q - 5WcrrT² eine deutliche Anstiegserhöhung einsetzt, muß die Austrocknungsfront die Schichtoberseite erreicht haben, so daß für größere Heizleistung die Spritzschicht im wesentlichen als ausgetrocknot angesehen werden muß. In diesem sich anschließenden Austrocknungsbereich nimmt die Temperaturdifferenz bis zum Erreichen des Maximums bei q_max = 23Wcm"² zu. Für diese Heizleistungen muß die ausgetrocknete Spritzschicht als ein zusätzlicher Wärmewiderstand wirken, wobei die Verdampfung nur noch auf der Schichtoberseite vor sich geht.

Ebenfalls wurde das Siedeverhalten dieser Probe bei schrittweiser Verringerung der Heizleistung untersucht. Die erhaltene Siedkurve ist in der Figur 2 dargestellt. Der Startpunkt für diese Abwärtsmessung wurde in dem Gebiet der vollständigen Schichtaustrocknung mit q = 20 Wem"² gewählt. Es ist ersichtlich, daß fürWärmestromdichten ΐ\ > 9Wcm~²die Meßkurven bei schrittweiser Erhöhung und Erniedrigung deckungsgleich sind. Bei weiterer Verringerung der Heizleistung ergibt sich eine „entgegengesetzte" Hysterese, da gegenüber glatten Wärmeübertragungsflächon die Abwärtsmessung zu größeren Temperaturdifferenzen verschoben ist. Besonders stark wird diese Verschiebung im Übergangsbereich (Figur ?). Die Ausprägung des Hystereseunterschiedes vorschwindet für den Bereich des entwickelten Blasensiedens der Abwärtsmessung nahezu völlig. Allerdings weitet sich der Siedbzustand, bei dem die Fläche dicht mit aktiven Blasenzentren bedeckt ist, bis zu Wärmestromdichten q = 0,1 Wem'² aus. Daran schließt sich das Gebiet der Flächenaktivierung mit einem steileren Anstieg der Siedekurve an.

Es zeigt sich, daß auf der Versuchsprobe selbst bei den kleinsten untersuchten Heizleistungen noch stabile Blasenbildungszentren auftraten, wodurch Überhitzen von ΔΤ ~ 0,1 K gewährleistet und gemessen wurden.

Für den Nachweis der außerordentlichen Intensivierung des Wärmeüberganges ist in der Figur 2 die an einer unbeschichteten Fläche ebenfalls gemessene Siedekurve zum Vergleich eingetragen. Es ist ersichtlich, daß z. B. bei einer Heizleistung von 1 Wem"² die notwendige Überhitzung der erfindungsgemäß hergestellten Schicht weniger als ein Zehntel der gemessenen Temperaturdifferenz der glatten Fläche beträgt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Erzeugung poröser Beschichtungen iiuf festen Gegenständen, insbesondere auf Wärmeübertrayungsflächen zum Sieden von Flüssigkeiten, durch thermisches Spritzen, bei dem zwei Stoffe unterschiedlicher Eigenschaften aufgespritzt werden und nach Erreichen der erforderlichen Schichtdicke aus der aufgespritzten Schicht ein Stoff entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein matrixbildender Stoff und ein Salz, dessen Löslichkeit auch nach dem thermischen Spritzen erhalten bleibt und dessen Verdampfungstemperatur die Arbeitstemperatur beim thermischen Spritzen nicht wesentlich unterschreitet, gemeinsam aufgespritzt werden, wobei der Salzgehalt 5-60Ma.-% beträgt, und anschließend diese Beschichtung einer Flüssigkeitsbehandlung bis zum Herauslösen des Salzanteils unterzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Salzgemische verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Natriumchlorid verwendet wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als matrixbildende Stoffe Metalle, Metallegierungen, Metalloxide und Karbide sowie deren Mischungen mit- und untereinander verspritzt werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die matrixbildenden Stoffe als Pulver, Stab oder strangförmige Halbzeuge verspritzt werden.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der matrixbildende Stoff als rohrförmiges Halbzeug, das mit dem pulverförmigen Salz gefüllt ist, verspritzt wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem matrixbildender Stoff 15Ma.-% eines selbsthaftenden Pulversaus Aluminiumbronze, bezogen auf die Masse des matrixbildenden Stoffes, zugesetzt wird.