DE102006012131A1

DE102006012131A1 - Steigerung der Wärmeübertragung bei Kondensations- und Verdampfungsvorgängen, Erzielung von Oberflächen mit verringerter Ablagerungsbildung bzw. vermindertem Fouling und Korrosionsvermeidung durch Aufbringen einer hydrophoben Schicht mittels der Sol-Gel Technologie auf Wärmetauscheroberflächen

Info

Publication number: DE102006012131A1
Application number: DE200610012131
Authority: DE
Inventors: Helmut Aaslepp
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-03-16
Filing date: 2006-03-16
Publication date: 2007-09-20

Abstract

Erfahrungsgemäß kondensiert der Dampf in technischen Apparaten aus metallischen Werkstoffen auf den WT-Elementen filmförmig aus. Durch Aufbringen einer sehr dünnen Schicht anorganisch-organischen, hydrophoben Hybridpolymers auf die Kondensationselemente ist es möglich, die Filmkondensation durch die wesentlich effektivere Tropfenkondensation zu ersetzen. Das Aufbringen einer hydrophoben Polymerschicht bewirkt eine deutliche Steigerung des Antifoulingverhaltens, verbunden mit einer leicht zu reinigenden Oberfläche. Grundsätzlich können alle Metalle durch die vorgeschlagene Beschichtung, durch Anwendung bestimmter Oberflächeneigenschaften mit Resistenz gegenüber allen gängigen Säuren, Lösungsmitteln und Laugen, gegen Korrosion geschützt werden.

Description

Wärmeübertragung bei Kondensations- und Verdampfungsvorgängen
Zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades ist es nach Kondensationsdampfturbinen notwendig, die Expansion des Strömungsmediums bis in das Nassdampfgebiet hineinzuführen. Dabei entstehen unvermeidlich höhere Verluste, verursacht durch das verzögerte Einsetzen der Kondensation.

Erfahrungsgemäß kondensiert der Dampf in technischen Apparaten aus metallischen Werkstoffen auf den WT-Elementen filmförmig aus, das bedeutet, das Kondensat bildet bei der Filmkondensation, im Gegensatz zur Tropfenkondensation, eine zusammenhängende, die Kondensatorrohre bedeckende Flüssigkeitsschicht. Bedingt durch die hohen Dampfgeschwindigkeiten von bis 190 m/s kondensiert der Dampf bei unbeschichteter Oberfläche auf der Oberseite der äußeren WT-Rohre, welche an der Peripherie des Rohrbündels angeordnet sind, in einem dünnen turbulenten Film. Auf den inneren Rohren dagegen kondensiert der Dampf in einem geschlossenen dickeren Film. Metallische Oberflächen haben eine sehr hohe Oberflächenenergie, wodurch Flüssigkeiten wie Wasser, mit ihrer niedrigeren Oberflächenspannung, in einem die Oberfläche bedeckenden Film kondensieren. Dieser Film fließt auf der Oberfläche entlang und verändert dabei seine Dicke. Daher wird die Wärme mit vergrößerter Filmdicke, speziell bei waagerecht verlegten Kondensatorrohren an der Rohrunterseite anwachsend, immer schlechter übertragen.

Außerdem ist die Kondensationsgeschwindigkeit bei der Tropfenkondensation deutlich größer als bei der Filmkondensation.

Durch Aufbringen eines anorganisch-organischen, hydrophoben Hybridpolymers, in einer sehr dünnen, nur etliche μm dicken Schicht mit einer Oberflächenspannung von ~20mN/m auf die Kondensationselemente, ist es möglich die Filmkondensation durch die wesentlich effektivere Tropfenkondensation zu ersetzen.

Nach Literaturangaben beträgt der Wärmeübergangskoeffizient:

– Prof. Dr. W. Ohling Filmkondensation = 4000 bis 12000 W/m² K Tropfenkondensation = 40000 bis 120000 W/m² K,
– Techn. Universität Darmstadt Filmkondensation = ~6000 W/m² K Tropfenkondensation = ~40000 W/m² K,
– Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik, ITW Universität Stuttgart Filmkondensation = 5000 bis 50000 W/m² K Bei Tropfenkondensation sind Wärmeübergangskoeffizienten bis 300000 W/m² K möglich,
– Prof. Dr. A. Leipert: Die Tropfenkondensation erreicht das 10fache der Filmkondensation, überdies ist die Kondensatunterkühlung erheblich geringer als bei der Filmkondensation.

Verminderte Ablagerungsbildung auf WT-Oberflächen.

Das Aufbringen einer hydrophoben Polymerschicht bewirkt eine deutliche Steigerung des Antifoulingverhaltens, verbunden mit einer leicht zu reinigenden (easy to clean) Oberfläche. Diese Beschichtung bewirkt durch die Foulingreduzierung eine deutliche Verlängerung der Reinigungsintervalle, da die gegenwärtige Wärmeübertragung wesentlich länger erhalten bleibt. Das ist wichtig, denn die Kosten, die durch das Fouling entstehen, sind hoch. Nach Erhebungen in verschiedenen Industrieländern wurde festgestellt, daß ~0,25 % des Bruttosozialproduktes (BSP) durch Fouling verloren gehen. Die Verschmutzungsmechanismen werden in:

a) Partikelfouling – Strömungsabhängig
b) Kristallisationsfouling – Oberflächenabhängig
c) Korrossionsfouling – Oberflächenabhängig

unterteilt.

Das Partikelfouling wird im wesentlichen durch die Strömungsverhältnisse im Wärmetauscher bestimmt. Das Kristallisationsfouling jedoch kann durch eine schmutz-, staub- und wasserabweisende Schicht vermieden werden und eine chemikalienresistente Beschichtung verhindert das Korrossionsfouling.

Korrosionsverhütung von metallischen Oberflächen mit niedriger Korrosionsbeständigkeit

Die geschlossene Polymerschicht ist für Flüssigkeiten undurchdringlich, folglich ist die beschichtete Oberfläche vor Korrosion geschützt. Grundsätzlich können alle Metalle durch die vorgeschlagene Beschichtung, durch Anwendung bestimmter Oberflächeneigenschaften mit Resistenz gegenüber allen gängigen Säuren, Lösungsmittel und Laugen, gegen Korrosion geschützt werden.

Erhöhung der Oberflächenhärte von Wärmetauscherwänden

Durch die Nutzbarmachung bestimmter Oberflächeneigenschaften und durch die Kombination von Nanopartikel mit anorganischen-organischen Hybridmaterialien, z. B. durch Einbindung von keramischen oder metallischen Hartstoffen, können Werkstoffe generiert werden, die den Stand der Technik weit übertreffen. Als Beispiel:
Durch Verwendung bestimmter organisch-anorganischer Hybrid-Schichten können Oberflächenhärten mit dem 1,5 fachen des Stahles CrNi1810 erreicht werden.

Claims

Verfahren zur Reduzierung der Oberflächenspannung, Erhöhung der Antihafteigenschaften und Vermeidung der Korrosion auf metallischen Wärmetauscherwänden durch das Aufbringen eines anorganisch-organischen, hydrophoben Hybridpolymers.
Verfahren zur Reduzierung der Oberflächenspannung, Erhöhung der Antihafteigenschaften und Vermeidung der Korrosion auf metallischen Wärmetauscherwänden nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hybridpolymerschicht nach dem Sol-Gel-Verfahren erzeugt wird.
Verfahren zur Reduzierung der Oberflächenspannung, Erhöhung der Antihafteigenschaften und Vermeidung der Korrosion auf metallischen Wärmetauscherwänden nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Polymerschichten aufgebracht werden können.
Verfahren zur Reduzierung der Oberflächenspannung, Erhöhung der Antihafteigenschaften und Vermeidung der Korrosion auf metallischen Wärmetauscherwänden nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgebrachte Hybridpolymerschicht keramische oder andere Hartstoffe enthält.
Verfahren zur Reduzierung der Oberflächenspannung, Erhöhung der Antihafteigenschaften nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hybridpolymerschicht auf keramische Wärmetauscherwände aufgebracht wird.