DE10056242A1 - Kondensationswärmeübertrager - Google Patents
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Abstract
Die Wärmeübertragungsflächen eines Kondensationswärmeübertragers sind mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung versehen, die aus einer Schichtenfolge mit mindestens einer harten Schicht mit amorphem Kohlenstoff oder einem Plasmapolymer und mindestens einer weichen Schicht mit amorphem Kohlenstoff oder einem Plasmapolymer besteht. Dabei sind die harten und weichen Schichten alternierend aufgetragen, wobei die erste Schicht auf der Wärmeübertragungsfläche eine harte und die letzte Schicht der Beschichtung eine weiche Schicht ist. Die letzte, weiche Schicht zeichnet sich insbesondere durch hydrophobe Eigenschaften aus. Die Schichtenfolge gewährleistet Tropfenkondensation und zugleich einen Schutz gegen Tropfenschlagerosion.
Description
Die Erfindung betrifft einen Kondensationswärmeübertrager zur Kondensation von
nicht-metallischen Dämpfen und insbesondere eine Beschichtung der Wärme
übertragungsflächen des Kondensationswärmeübertragers. Die Beschichtung
dient der Verlängerung der Lebensdauer der Kühlrohre und der Verbesserung des
Wärmeübergangs an den Wärmeübertragungsflächen.
Bei Kondensationswärmeübertragern spielt die Lebensdauer der Wärme
übertragungsflächen eine bedeutende Rolle, da ein Schaden bei den Wärme
übertragungsflächen einen Ausfall der gesamten Anlage herbeiführt, in welcher
der Kondensationswärmeübertrager eingebaut ist. Der Zustand der Wärme
übertragungsflächen von Kondensationswärmeübertragern wird unter anderem
durch Tropfenschlagerosion sowie Korrosion beeinträchtigt. Schäden aufgrund
von Tropfenschlagerosion entstehen insbesondere an jenen Wärmeübertragungs
flächen, welche einem Dampfstrom von hoher Geschwindigkeit ausgesetzt sind.
Dort prallen Tropfen, welche in dem zu kondensierenden Dampf enthalten sind,
auf die Wärmeübertragungsflächen, wobei Energie durch den Aufschlag oder
durch Scherkräfte auf die Oberfläche übertragen wird. Erosion entsteht, wenn bei
sehr häufigem Tropfeneinschlag die übertragene Energie zur plastischen
Verformung des Oberflächenmaterials ausreicht, bei duktilem Material zu
Kriechen oder bei Hartwerkstoffen zu interkristallinem Ermüdungseinbruch führt.
Bei Dampfkondensatoren in Dampfkraftanlagen wurde beobachtet, dass
vergrösserte Tropfen mit Durchmessern im Bereich von 100 µm und
Geschwindigkeiten von 250 m/s Tropfenschlagerosion verursachen. Es sind dabei
insbesondere die Kühlrohre an der Peripherie eines Rohrbündels betroffen,
während die Rohre im Innern eines Rohrbündels von direkter Tropfenschlag
erosion verschont bleiben.
Das Auftreten von Tropfenschlagerosion hängt stark von den Material
eigenschaften ab, wie Härte, Duktilität, Elastizität, Mikrostruktur und Rauhigkeit,
wobei sich Werkstoffe aus Titan und Titanlegierungen durch einen gewissen, aber
nicht ausreichenden Erosionswiderstand auszeichnen, der vorwiegend durch ihre
hohe Härte bedingt ist. Bei Dampfkondensatoren in Dampfkraftanlagen werden
solche Tropfenschlagerosionen durch eine geeignete Materialwahl für die Kühl
rohre eingedämmt, wie zum Beispiel durch rostfreie Stähle, Titan oder Chrom
stähle.
Tropfenschlagerosion ist ferner besonders bei tiefen Kondensatordrücken ein
Problem wie zum Beispiel bei Dampfkondensatoren in Dampfkraftanlagen, welche
auf Teillast arbeiten.
Bei der Kondensation von Dampf an Wärmeübertragungsflächen wird nach dem
Stand der Technik ein Kondensatfilm gebildet, der sich über die gesamte Fläche
ausbreitet. Durch diesen Kondensatfilm erhöht sich der Gesamt-Wärme
widerstand zwischen Dampf und Kühlflüssigkeit, die in den Rohren strömt,
wodurch die Wärmeübertragungsleistung verringert wird. Aus diesem Grund sind
seit längerer Zeit Bestrebungen im Gange, Wärmeübertragungsflächen mit einer
Beschichtung zu versehen, welche aufgrund von hydrophoben Eigenschaften die
Bildung eines Kondensatfilms verhindert, sodass an der Oberfläche Tropfen
kondensation entsteht. Durch die Bildung von Tropfen kann das Kondensat
schneller als bei einer Filmbildung abrinnen. Die Oberfläche des Wärme
übertragers wird dadurch freigegeben, so dass Dampf erneut an der Oberfläche
kondensieren kann, ohne durch einen Kondensatfilm behindert zu sein. Der
Gesamt-Wärmewiderstand bleibt damit relativ gering. Hierzu sind beispielsweise
Teflon- oder Email-Schichten jedoch ohne grossen Erfolg versucht worden, wobei
diese Schichten gegen Erosion und Korrosion eine geringe Festigkeit zeigten.
Bei der Beschichtung gilt es, das Problem der Standfestigkeit gegen Erosion und
Korrosion sowie auch jenes der Haftung der Beschichtung an den Wärme
übertragungsflächen zu lösen. Insbesondere sind diese Probleme in Anbetracht
der gewünschten, langen Betriebsdauer des Kondensationswärmeübertragers zu
lösen, wie zum Beispiel bei den Kühlrohren eines Dampfkondensators, der über
eine Zeit von mehreren Jahren betriebsfähig sein muss.
Ein Beispiel einer Beschichtung ist in der WO 96/41901 und EP 0 625 588
offenbart. Hier ist eine metallene Wärmeübertragungsfläche mit einer
sogenannten Hartstoffschicht aus plasmamodifizierten amorphen Kohlen
wasserstoffschichten, auch unter Diamond-Like-Carbon bekannt, beschrieben.
Amorpher Kohlenstoff ist für seine elastischen, aussergewöhnlich harten und
chemisch stabilen Eigenschaften bekannt. Die Hartstoffschicht von amorphem
Kohlenstoff wird durch den Einbau von Elementen wie Fluor und Silizium in ihrem
Benetzungsverhalten derart verändert, dass sie eine hydrophobe Eigenschaft
erhält. Zwecks Haftung auf dem Substrat wird zwischen dem Substrat und der
Hartstoffschicht eine Zwischenschicht aufgetragen, wobei der Übergang von der
Zwischenschicht zur Hartstoffschicht durch eine Gradientenschicht realisiert wird.
Die Hartstoffschicht besitzt jedoch letztendlich eine Verschleißfestigkeit gegen
Erosion lediglich aufgrund ihrer inhärenten Härte.
In der DE 34 37 898 ist eine Beschichtung für die Oberflächen eines Wärme
übertragers, insbesondere für die Oberflächen von Kondensatorkühlrohren
beschrieben, bestehend aus einem Triazin-Dithiol-Derivat. Dieses Schichtmaterial
bewirkt Tropfenkondensation und somit eine Verbesserung des Wärme
übergangs. Ferner zeichnet sich die Beschichtung durch eine gute Haftung an den
Kühlrohren aus.
In der DE 196 44 692 ist eine Beschichtung aus amorphem Kohlenstoff
beschrieben, die auf den Kühlrohren von Dampfkondensatoren Tropfen
kondensation herbeiführt. Die Oberfläche eines Kühlrohres wird dabei vor dem
Aufbringen des amorphen Kohlenstoffs aufgerauht, wodurch die effektive
Grenzfläche zwischen der Kühlrohroberfläche und der Beschichtung vergrössert
wird. Dadurch wird der Wärmewiderstand zwischen Beschichtung und
Grundmaterial verringert. Nach der Beschichtung wird die Oberfläche geglättet,
sodass nebeneinander beschichtete sowie unbeschichtete Bereiche entstehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beschichtung für die
Wärmeübertragungsflächen eines Kondensationswärmeübertragers für die
Kondensation von nicht-metallischen Dämpfen zu schaffen, deren Standfestigkeit
gegen Tropfenschlagerosion und Korrosion im Vergleich zum Stand der Technik
erhöht ist und an denen zugleich eine verbesserte Wärmeübertragung durch die
Herbeiführung von Tropfenkondensation stattfindet.
Diese Aufgabe ist durch einen Kondensationswärmeübertrager gemäss dem
Anspruch 1 gelöst. Die Wärmeübertragungsflächen eines Kondensations
wärmeübertragers weisen eine Beschichtung auf, die amorphen Kohlenstoff
enthält, auch unter Diamond Like Carbon bekannt. Erfindungsgemäss weist die
Beschichtung eine Schichtenfolge auf mit mindestens einer harten Schicht aus
amorphem Kohlenstoff und mindestens einer weichen Schicht aus amorphem
Kohlenstoff, wobei die harten und weichen Schichten alternierend aufgetragen
sind und die unterste oder erste Schicht auf der Wärmeübertragungsoberfläche
eine harte Schicht ist und die oberste oder letzte Schicht der Schichtenfolge eine
weiche Schicht ist. Die letzte und weiche Schicht der Schichtenfolge besitzt
insbesondere eine hydrophobe oder wasserabweisende Eigenschaft.
Die erfindungsgemässe Beschichtung bewirkt somit durch ihre letzte oder
äusserste Schicht ein hydrophobes Verhalten des gesamten Schichtsystems.
Dieses Verhalten beruht auf der niedrigen Oberflächenenergie des amorphen
Kohlenstoffs, wenn er relativ weich ist.
Unter amorphem Kohlenstoff sollen im folgenden wasserstoffhaltige
Kohlenstoffschichten mit 10 bis 50 at-% Wasserstoffgehalt und mit einem
Verhältnis von sp3 zu sp2-Bindungen zwischen 0.1 bis 0.9 verstanden werden.
Generell können alle mittels Carbon- oder Hydro-Carbon-Precursorn hergestellten
amorphen oder dichten Kohlenstoffschichten sowie Plasmapolymerschichten,
polymerähnliche oder dichte Kohlenstoff- und Kohlenwasserstoffschichten
verwendet werden, sofern sie die hydrophoben und die im folgenden genannten
mechanischen oder chemischen Eigenschaften des amorphen Kohlenstoffs zur
Herstellung von Schichtfolgen aufweisen.
Die Benetzbarkeit der Oberfläche von amorphem Kohlenstoff ist durch Variierung
seiner Härte veränderbar. Die Benetzbarkeit ist je geringer, je höher seine Härte.
Eine sehr harte Schicht mit zum Beispiel mehr als 3000 Vickers würde sich als
äusserste, hydrophobe Schicht weniger gut eignen als eine Schicht geringerer
Härte.
Auf der weichen, hydrophoben Oberfläche wird die Bildung von ausgedehnten
Kondensatfilmen verhindert, indem das Kondensat statt dessen Tropfen bildet,
welche bei einer bestimmten erreichten Grösse von der Oberfläche des Rohrs
abgleiten. Dabei bleibt einerseits ein grösserer Flächenanteil der Wärme
übertragungsfläche frei von Kondensat, anderseits ist auch die Verweilzeit des
Kondensats auf einer gegebenen Wärmeübertragungsfläche stark reduziert.
Hiermit wird die Wärmeübertragung an den Flächen und letztendlich die Leistung
des Kondensationswärmeübertragers erhöht.
Die erfindungsgemässe Schichtenfolge von jeweils einer harten Schicht gefolgt
von einer weichen Schicht bewirkt insbesondere eine erhöhte Beständigkeit gegen
Tropfenschlagerosion. Der Impuls von aufprallenden Tropfen wird durch die
weichen und harten Schichten aufgenommen, indem die Kompressionswellen, die
im Oberflächenmaterial vom Aufprall der Tropfen ausgehen, durch die Paare von
harten und weichen Schichten durch Interferenz ausgelöscht werden. Diese
Auslöschung von Kompressionswellen ist der Auslöschung von optischen Wellen
ähnlich, die durch Schichtpaare von dünnen Schichten mit jeweils hohem und
niedrigem Brechungsindex herbeigeführt wird.
Die Auslöschung von Kompressionswellen wird durch eine Schichtenfolge von
mehreren Schichtpaaren von harten und weichen Schichten erhöht. Eine optimale
Anzahl Schichten hängt dabei vom Neigungswinkel der Einfallrichtung der Tropfen
auf die Oberfläche ab. Bei schrägem Einfall ist eine kleinere Anzahl Schichten
notwendig, um die Kompressionswellen auszulöschen.
Der Gesamtwärmewiderstand der beschichteten Wärmeübertragungsfläche
nimmt mit steigender Schichtzahl und Schichtdicke zu. Es ist also die Anzahl der
Schichten in Anbetracht der Aufnahme der Kompressionswellen, die von
aufprallenden Tropfen ausgehen, sowie auch des Gesamtwärmewiderstands der
Wärmeübertragungsflächen zu optimieren.
Die Zusammenführung von einem oder mehreren Schichtpaaren von harten und
weichen Schichten erbringt eine stark verbesserte Erosionsbeständigkeit
gegenüber Beschichtungen mit amorphem Kohlenstoff mit nur einer Schicht von
relativ hoher Härte. Zugleich besitzt die erfindungsgemässe Beschichtung dank
ihrer äussersten, weichen Schicht die Fähigkeit, Tropfenkondensation zu bilden.
Dadurch ist eine erhöhte Beständigkeit gegen Tropfenschlagerosion und zugleich
eine hohe Wärmeübertragung aufgrund des vergrösserten kondensatfreien
Flächenanteils der Wärmeübertragungsflächen gewährleistet, sodass sowohl eine
verlängerte Lebensdauer der Wärmeübertragungsflächen als auch eine erhöhte
Leistung des Kondensationswärmeübertragers erreicht wird.
Die erfindungsgemässe Beschichtung eignet sich ausgezeichnet für Kühlrohre
von Dampfkondensatoren. Die Kühlrohre sind dort in der Regel in Rohrbündeln
angeordnet, wobei jene an der Peripherie eines Rohrbündels den mit hoher
Geschwindigkeit heranströmenden Tropfen mehr ausgesetzt sind als Kühlrohre im
Innern eines Bündels. Die zwei- oder mehrschichtige Beschichtung ist also
besonders für jene Rohre an der Peripherie geeignet. Die Rohre im Innern des
Bündels können mit der gleichen Beschichtung oder lediglich mit einer einfachen,
weichen, hydrophoben Schicht von amorphem Kohlenstoff versehen werden.
Diese bewerkstelligt Tropfenkondensation und die damit verbundene Erhöhung
der Wärmeübertragung. Ein Schutz vor Tropfenschlagerosion ist dort weniger
notwendig.
Wie erwähnt bewirkt die Tropfenkondensation eine Reduktion der Verweilzeit des
Kondensats auf den Kühlrohren des Kondensators. Dadurch resultiert eine
Reduktion des dampfseitigen Druckabfalls, wobei der Druckabfall von der Grösse
des Rohrbündels sowie des Volumens des Kondensats sowie von der Stegbreite
abhängt. Die Reduktion des dampfseitigen Druckabfalls führt eine Verbesserung
des gesamten Wärme-übertragungskoeffizienten herbei. Im Vergleich zu
Kondensatoren mit unbeschichteten Kühlrohren ist eine Erhöhung des
Wärmeübertragungs-koeffizienten um bis zu 25 Prozent erreichbar, wobei der
Kondensator um bis zu 20 Prozent mehr Dampf zu kondensieren vermag.
Weiter eignet sich die Beschichtung als Erosions- und Korrosionsschutz in
Wärmeübertragern, wie zum Beispiel gegen Ammoniakerosion bei Kondensatoren
mit Wärmeübertragungsoberflächen aus Kupferlegierungen. Eine weitere
Anwendung liegt im Schutz gegen SO3- oder NO2-Korrosion bei Kondensatoren in
Apparaten zur Wärmerekuperation aus Kaminabgasen. In dieser Anwendung
muss die Grenzflächenenergie sehr klein sein gegenüber der Oberflächen
spannung des Kondensats. Da die Oberflächenspannung von Schwefelsäure
kleiner ist als die von Wasser, muss also die Grenzflächenenergie der äussersten
Schicht eher kleiner sein als die in Dampfkondensatoren. Hier sollte die Härte der
äussersten Schicht zwischen 600 und 1500 Vickers liegen.
Ferner ist die erfindungsgemässe Beschichtung bei weiteren Kondensations
wärmeübertragern anwendbar wie zum Beispiel in Kältemaschinen und überhaupt
allen Wärmeübertragern, in denen eine Kondensation stattfindet und Tropfen
schlagerosion verhindert werden muss.
Die erfindungsgemässe Beschichtung kann nach verschiedenen, allgemein
bekannten Herstellungsverfahren realisiert werden, wie zum Beispiel Abscheidung
mittels Glimmentladung in einem Plasma aus kohlenwasserstoffhaltigen
Precursorn, Ionenstrahlbeschichtung und Sputtern von Kohlenstoff in wasser
stoffhaltigem Arbeitsgas. Bei diesen Verfahren wird das Substrat einem Strom von
Ionen von mehreren 100 eV ausgesetzt. Bei der Glimmentladung wird das
Substrat in einer Reaktorkammer in Kontakt mit einer Kathode, die kapazitiv mit
einem 13.56 MHz RF Generator verbunden ist, angeordnet. Die geerdeten Wände
der Plasmakammer bilden dabei eine grosse Gegenelektrode. In dieser
Anordnung lässt sich jeder Kohlenwasserstoffdampf oder jedes Kohlenwasserstoffgas
als erstes Arbeitsgas für die Beschichtung verwenden. Um besondere
Schichteigenschaften zu erzielen, beispielsweise verschiedene Oberflächen
energien, Härten, optische Eigenschaften usw. werden verschiedene Gase zum
ersten Arbeitsgas dazugegeben. Unter Zugabe von Stickstoff, fluor-, oder silizium
haltigen Gasen werden beispielsweise hohe oder niedrige Oberflächenenergien
erreicht. Die Zugabe von Stickstoff führt zusätzlich zu einer Erhöhung der Härte
der resultierenden Schicht. Ferner ist mittels der Veränderung der Bias-Spannung
über den Elektroden zwischen 100 und 1000 V die resultierende Härte der Schicht
steuerbar, wobei eine hohe Bias-Spannung zu einer harten, amorphen
Kohlenstoffschicht und eine tiefe Spannung zu einer weichen amorphen
Kohlenstoffschicht führt.
In einem Ausführungsbeispiel beträgt die Härte einer harten Schicht eines
Schichtpaares zwischen 1500 und 3000 Vickers während die Härte einer weichen
Schicht eines Schichtpaares zwischen 800 und 1500 Vickers liegt. Die Dicken der
Einzelschichten liegen dabei zwischen 0.1 und 2 µm, vorzugsweise zwischen 0.2
und 0.8 µm, wenn in der Schichtenfolge mehrere Schichten nacheinander
aufgetragen werden. Die Gesamt-Schichtdicke liegt dabei im Bereich von 2 bis 10 µm,
vorzugsweise zwischen 2 und 6 µm. Die Dicke der härteren und weicheren
Schichten sind dabei vorzugsweise in umgekehrtem Verhältnis zu ihren Härten.
Die erfindungsgemässe Beschichtung weist mindestens ein Schichtpaar mit einer
harten Schicht und einer weichen Schicht auf. Dabei ist eine grössere Anzahl von
Schichtpaaren realisierbar, wie zum Beispiel zwei Schichtpaare von je einer
harten und einer weichen Schicht, vorausgesetzt die Schichtenfolge beginnt mit
einer harten und endet mit einer weichen Schicht mit hydrophoben Eigenschaften.
Je grösser die Anzahl Schichten, umso besser funktioniert die Auslöschung der
Einschlagenergie, umso grösser wird allerdings auch der Wärmewiderstand, da
die harten und weichen Schichten unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit haben.
Die Haftung der erfindungsgemässen Beschichtung ist bei den meisten Substrat
typen gut gewährleistet, insbesondere bei den Werkstoffen, die Karbide bilden wie
zum Beispiel Titan, Eisen und Silizium sowie auch Aluminium, jedoch nicht auf
Edelmetallen, Kupfer oder Kupfer-Nickel-Legierungen. Dabei ist eine Aufrauhung
der Substratoberfläche zur Verbesserung der Haftung nicht notwendig. Wird die
Beschichtung auf eine glatte Substratoberfläche aufgebracht, ergibt sich ein
Schichtverbund, der gegen Tropfenschlagerosion noch stabiler ist, weil dies die
Absorption der Anschlagenergie durch das Grundmaterial verringert.
Die erfindungsgemässe Beschichtung lässt sich deshalb auf verschiedene
Substratmaterialien, die für die Wärmeübertragungsflächen verwendet werden,
wie zum Beispiel Titan, rostfreie Stähle, Chromstähle, Aluminium sowie sämtliche
Karbidbildner, anwenden.
Claims (8)
1. Kondensationswärmeübertrager mit Wärmeübertragungsflächen zur
Kondensation von nicht-metallischen Dämpfen, wobei die
Wärmeübertragungsflächen eine Beschichtung aufweisen, die amorphen
Kohlenstoff enthält
dadurch gekennzeichnet, dass
die Beschichtung aus einer Schichtenfolge besteht mit mindestens einer harten
Schicht mit amorphem Kohlenstoff oder einem Plasmapolymer, die auf die
Wärmeübertragungsfläche aufgebracht ist, und mindestens einer weichen Schicht
mit amorphem Kohlenstoff oder einem Plasmpolymer, wobei die harten Schichten
und weichen Schichten alternierend aufgebracht sind und die letzte Schicht eine
weiche Schicht ist und hydrophobe Eigenschaften besitzt.
2. Kondensationswärmeübertrager nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass
die Beschichtung eine Anzahl von zwei Schichtpaaren mit jeweils einer harten und
einer weichen Schicht mit amorphem Kohlenstoff oder einem Plasmapolymer
aufweist.
3. Kondensationswärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2
dadurch gekennzeichnet, dass
die harten Schichten jeweils eine Härte im Bereich von 1500 bis 3500 Vickers und
die weichen Schichten eine Härte im Bereich von 600 bis 1500 Vickers aufweisen.
4. Kondensationswärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dicke der harten und weichen Schichten der Beschichtung jeweils zwischen
0.1 und 2 Mikrometern liegen.
5. Kondensationswärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2
dadurch gekennzeichnet, dass
die Beschichtung mehrere Schichtpaare von jeweils einer harten und einer
weichen Schicht aufweist und die Gesamtdicke der Beschichtung zwischen 2 und
10 Mikrometern liegt.
6. Kondensationswärmeübertrager nach einem der vorangehenden
Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmeübertragungsflächen Titan, rostfreien Stahl, Chromstahl, Aluminium,
Kupferlegierungen oder Karbidbildner enthalten.
7. Kondensationswärmeübertrager nach einem der vorangehenden
Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
die Beschichtung als Schutz gegen Ammoniakerosion oder Korrosion verwendet
wird.
8. Kondensationswärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kondensationswärmeübertrager ein Dampfkondensator in einer
Dampfkraftanlage ist, mit Bündeln von Kühlrohren, an denen der Dampf
kondensiert, und die äusseren Kühlrohre an der Peripherie der Rohrbündel die
Beschichtung mit mindestens einer harten und mindestens einer weichen Schicht
aufweist, und die inneren Kühlrohre der Bündel die gleiche Beschichtung oder
eine Beschichtung mit nur einer weichen, hydrophoben Schicht mit amorphem
Kohlenstoff aufweist.
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