DD278850A1

DD278850A1 - Verfahren zur erzeugung kapillarporoeser oberflaechenschichten auf waermeuebertragungsflaechen

Info

Publication number: DD278850A1
Application number: DD32421788A
Authority: DD
Inventors: Jens-Peter Heinss; Reinhold Weiss; Thomas Schwarz; Peter Kurze; Joachim Schreckenbach; Waldemar Krysmann; Klaus Rabending
Original assignee: Komplette Chemieanlaen Dresden
Priority date: 1988-12-28
Filing date: 1988-12-28
Publication date: 1990-05-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung kapillarporoeser Oberflaechenschichten auf Waermeuebertragungsflaechen. Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von Oberflaechenschichten auf Waermeuebertragungsflaechen, mit denen grosse Waermemengen bei geringer Temperaturdifferenz uebertragen werden koennen und die eine Schichtausbildung auf schwer zugaenglichen Flaechen ermoeglichen. Erfindungsgemaess werden sperrschichtbildende Metalle in waessrigen Elektrolyten als Anode geschaltet und mit Gleichspannung beaufschlagt, einer, eine Konversionsschicht erzeugenden, plasmagestuetzten, elektrochemische Oberflaechenoxidation im Bogenentladungsbereich unterzogen.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung findet im Chemieanlagenbau zur Herstellung von hocheffektiven Wärmeübertragungsflächen zum Sieden von Flüssigkeiten Anwendung. Insbesondere stellt das Verfahren eine ökonomische Verfahrensweise zur Erzeugung kapillar-poröser Oberflächenschichten auf schwer zugänglichen Wärmeübertragungsflachen dar.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Kapillar-poröse Schichten auf metallischen Flächen werden als ideale Voraussetzung für das Blasensieden von Flüssigkeiten angesehen. Kapillarporöse Schichten bewirken eine Intensivierung der Wärmeübertragung in die Flüssigkeit. Aufbau und Wirkungsgrad für leistungsfähige Oberflächenschichten, wie zum Blasensieden erforderlich, sind bekannt. Aus dem Grund wird der Entwicklung von Verfahren und Technologien zur Erzeugung solcher kapillar-poröser Schichten international große Aufmerksamkeit geschenkt. Es gibt eine große Anzahl von Vorschlägen, durch Löten, Schweißen und Sintern sowie durch die thermische Pulverspritztechnik Auftragsschichten auf der Wärmeübertragungsfläche herzustellen. Dabei kommen Werkstoffe, die auch vom Grundmaterial der Wärmeübertragungsfläche abweichen, zum Einsatz. Sinterverfahren sind z. B. aus der DE-AS 1919556 bekannt. Die Nachteile der Sinterverfahren bestehen im hohen Energieverbrauch und der technologisch komplizierten Verfahrensführung.

Thermische Pulverspritzverfahren sind u.a. aus der US-PS 3990862 und der DE-PS 2936406 bekannt. Obwohl alle diese Verfahren zu wirksamen kapillar-porösen Schichten führen, haben sie den gemeinsamen Nachteil, daß sie technologisch schwer beherrschbar sind und keine Innenbeschichtung von rohrförmigen Wärmeübertragungsflächen gestatten. Aus der DE-OS 2603362 ist ein Flammspritzverfahren zur wirtschaftlichen Herstellung von Aluminium· Wärmeübertragungsflächen bekannt. Bei diesem Verfahren werden die zu beschichtende Oberfläche und die Beschichtungspartikel oxidiert, wodurch eine höhere Porosität erreicht wird. Aber auch dieses auf Aluminium-Wärmeübertragungsflächen zugeschnittene Verfahren hat die zuvor bereits genannten Nachteile. Aus der Literatur sind auch Verfahren zur Veredlung von Aluminium durch Erzeugung einer Oxidschicht bekannt. Diese Verfahren haben das Ziel, dünne, feste Oxidschichten auf dem Aluminium zu erzeugen. Einsatzgebiete dafür sind insbesondere das Bauwesen, Haushaltwaren, Schmuckindustrie, Mikroelektronik, Medizin und Solartechnik. Alle diese Verfahren arbeiten nach der elektrochemischen anodischen Oxidation (ANOX) oder der anodischen Oxidation unter Funkenentladung (ANOF). Mit diesen Verfahren erzeugte Schichten werden den Qualitätsanforderungen, wie sie an Hochleistungswärmeübertragungsflächen für das Blasensieden gestellt werden, nicht gerecht.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Entwicklung eines technologisch einfachen Verfahrens zur Erzeugung kapillar-poröser Oberflächenschichten auf Wärmeübertragungsflächen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung kapillar-poröser Oberflächenschichten auf Wärmeübertragungsflächen zu entwickeln, das den Aufbau von Schichten, die eine Übertragung großer Wärmemengen bei geringer Temperaturdifferenz gewährleisten, auf schwer zugänglichen Wärmeübertragungsflächen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wärmeübertragungsflächen aus sperrschichtbildenden Metallen, wie Aluminium, Titanium, Niobium, Tantal oder deren Legierungen bestehen. Diese Wärmeübertragungsflächen können jede gewünschte geometrische Gestalt aufweisen. Sie werden in bekannten wäßrigen Elektrolyten als Anode geschaltet und mit Gleichspannung beaufschlagt einer plasmagestützten, elektrochemischen Oberflächenoxidation im Bogenentladungsbereich unterzogen. Dor Bogenentladungsbereich ist dadurch gekennzeichnet, daß keine selbständige und bleibende Passivierung durch den Schichtaufbau erfolgt, da es ständig zu partiellen Zerstörungen der gebildeten Oxidschicht und zur neuerlichen Oxidation des Substratmaterials kommt. Es fließt also ständig ein Strom gleicher Stärke. Die elektrischen Werte sind stark von der Materialart, von der Geometrie der Wärmeübertragungsfläche, vom Abstand Anode/Kathode und dem gewählten Elektrolyten abhängig. Die Beherrschung dieser Abhängigkeiten gehört aber zum Fachwissen und slellt den Fachmann vor keinerlei Probleme.

Die angestrebten Konvsrsionsschichten erreichen bei dieser Arbeitsweise im Bogenentladungsbereich Schichtdicken bis 120μπι. Ausreichend für das Blasensieden sind aber bereits durchschnittliche Schichtdicken von etwa 50Mm. Die technisch verbreitetsten Anwendungsfälle werden sich auf Wärmeübertragungsflächen aus Aluminium beziehen. Gemäß der Aufgabenstellung der Erfindung kommen Aluminiumprofile, insbesondere Aluminiumrohr mit kleinstem Innendurchmesser zur Anwendung. Da sich die kapillar-poröse Oberflächenschicht durch eine Gas-Festkörper-Reaktion aus der Wärmeübertragungsfläche selbst aufbaut (Konversion), kann auf jeder Innenfläche eine Schießausbildung erreicht werden. Zur Ausbildung dieser kapillar-porösen Konversionsschicht arbeitet man bei Wärmeübertragungsflächen aus Aluminium bei Gleichspannung und im Bogenentladungsbereicr. mit Strommengen zwischen 7000 und 15000As/dm². Die anzuwendende Anodenspannung errechnet sich nach dem Ohmschen Gesetz. Die Zusammensetzung des Elektrolyten hat natürlich auch großen Einfluß auf die anzuwendenden elektrischen Parameter, sie sind dem Fachmann aber grundsätzlich bekannt. Unter Anwendung der o.g. Bedingungen erreicht man bei Verwendung eines wäßrigen, basischen Elektrolyten mit zusätzlichen Schwermetallsalzen bei Gleichspannung und der Arbeit im Bogenentladungübereich eine mittlere Porosität der Konversionsschicht auf Aluminium von etwa 60%. Oberflächen, auf denen die Schichtausbildung unerwünscht ist, werden maskiert oder mit anderen bekannten Techniken geschützt.

Die Vorteile der Erfindung bestehen in der Bereitstellung eines Verfahrens zui Erzeugung einer Oberflächenschicht auf sperrschichtbildenden Metallen, das erstmals kapillar-poröse Schichten erzeugt. Gegenüber den Beschichtungsverfahren, bei denen mittels mechanischer Hilfsmittel die Flächen beschichtet werden, hat βκ den großen Vorteil, daß durch chemische Reaktion eine Schicht auf der Materialoberfläche, aus dem Grundmaterial heraus, durch Konversion entsteht. Bei diesem Verfahren braucht nur der Zutritt der Flüssigkeit zur Mateiialoberfläche gesichert zu werden. Dadurch können alle Oberflächen, auch von schwer zugänglichen Stellen, wie sie z. B. praktisch durch die Innenflächen von Rohren mit geringen Durchmessern gekennzeichnet sind, erreicht werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die sich bildende Konversionsschicht die Dicke des Materials nicht wesentl. ;h erhöht und somit nicht diesbezüglich konstruktiv berücksichtigt zu werden braucht. Da dieses elegante Verfahren zur Erzeugung von kapillarporösen Konversionsschichten auf einem für industrielle Wärmeübertragungsanlagen geeigneten Material, Aluminium, anwendbar ist, kann dieses Verfahren zur Substituierung von Kupfer durch Aluminium für Wärmeübertrager im Bereich des Biusensiedens beitragen.

Darüber hinaus dient dieses Verfahren zur Herstellung von Wärmeübertragungsflächen, deren ungünstige Geometrie keine mechanische Beschichtung gestattet oder bei denen bisher keine qualitativ befriedigende Schießausbildung erreichbar war. Das erfindungsgemäße Verfahren ist technologisch wesentlich günstiger als die bekannten Verfahren der Sintertechniken und der thermischen Pulverspritztechniken. Des weiteren beträgt der energetische Aufwand pro Flächeneinheit zur Beschichtung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ungefähr die Hälfte gegenüber den bekannten Sinterverfahren.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend näher erläutert.

Die erfindungsgemäße Wärmeübertragungsfläche, bestehend aus Aluminium als Trägermaterial, wird mittels plasmagestützter elektrochemischer Oxydation in einem wäßrigen Elektrolyten, welcher 0,5mol/l NaF, 0,5mol/l NaH₂BO₄,0,1 mol/l Na₂P₄O₇ und 0,5mol/l Cu₂P₂O₇ enthält, gebildet. Bei der verwendeten Badgeometrie wurde ein Abstand Werkstück-Kathode von 20cm realisiert. Die Zellspannung betrug während der Beschichtung 145V bei einer Strommenge von 10000As/dm². Bei der verwendeten Badgeometrie und Probenfläche von 1,5dm² floß ein mittlerer Strom von 20 A. Es wurde ein Gleichstrom mit einer Restwelligkeit von 10% verwendet. Bei diesen physikalischen Bedingungen erfolgte die Schichtausbildung im Bogenentladungsbereich bis zu einer für das Blasensieden gut geeigneten mittleren Schichtdicke von 50Mm. Die Beschichtungszeit dafür betrug 12 Minuten. Die ermittelte Porosität der kapillar-porösen Konversionsschicht beträgt 55%. Mit der optischen Auswertung der Schichtoberseite und von zur Schicht senkt echten Schliffen wurde gezeigt, daß der größte Anteil der Poren miteinander verbunden ist.

Es wurden experimentelle Untersuchungen zum Wärmeübergang im flüssigen Stickstoff im Bereich des Blasensiedens an der ebenen Probengeometrie (F 5cm²) durchgeführt. Die Wärmestromdichte q wurde durch eine elektrische Heizung aufgeprägt und die sich einstellende Temperaturdifferenz T zwischen Wand und Flüssigkeit mit Thermoelementen gemessen. Für den Nachweis der hohen Intensivierung des Wärmeüberganges im Bereich des Blasensiedens gegenüber unbeschichteten Flächen soll angeführt werden, daß bei einer Wärmestromdichte von 1 Wcm~^: die notwendige Überhitzung der erfindungsgemäß hergestellten Schicht bei einer durch schrittweise Erniedrißung der Heizleistung aufgenommenen Siedekurve weniger als ein Viertel der unter gleichen Bedingungen gemessenen Temperaturdifferenz der glatten Fläche beträgt.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung kapillar-poröser Oberflächenschichten auf Wärmeübertragungsflächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsflächen aus sperrschichtbildenden Metallen bestehen, die in wäßrigen Elektrolyten, als Anode geschalte und mit Gleichspannung beaufschlagt, einer, eine Konversionsschicht erzeugenden, plasmagestützten, elektrochemischen Oberflächenoxidation im Bogenentladungsbereich unterzogen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als spen schichtbildendes Metall Aluminium verwendet wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminiumprofile verwendet werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminiumrohr mit geringem Durchmesser verwendet und insbesondere auf der Innenfläche eine Konversionsschicht erzeugt wird.

5. Verfahren nach den Ansprachen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Aluminium im BogenentliK. . igsbereich Strommengen zwischen 7000 und 15000As/dm² angewendet werden.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß kapillar-poröse Konversionsschichten mit durchschnittlichen Schichtdicken von 50 pm erzeugt werden.