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Verfanren zur Oberflächenbe handlung von Wärmeübertragungsflächen
an hochsiedenden Filmen zur Erzielung eines großen Wärmeübertragungskoeffizienten
und hierdurch erhaltenes Produkt Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Behandlung von YIärmeübertragungsflächen derart, daß deren Wärmekoeffizient für
hochsiedende Filme bleibend in einem solchen Ausmaß verstärkt wird, daß, wie gut
ersichtlich ist, die gesamte Wärmeübertragungsleistung der Oberfläche dementsprechend
wesentlich erhöht wird. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren
zur Behandlung von Metallobertlächen vor allem derart, daß die letztlich gebildete
Oberfläche verhältnismäßig heterogen ist.
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Mit anderen Worten, eine gegebene hochpolierte saubere Oberfläehe
aus rostfreiem Stahl kann als relativ homogen angesehen werden, d.h., sie ist glatt
und besitzt in ihrer ganzen Gestalt kleine Löcher.
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@ine solche Oberfläche
als
benetzbare
| drirttru4lrC~L |
| Oberfläche eine |
Oberfläche, die hydrophil ist oder eine starke affinität zu Wasser oder anderen
hier in Betracht kommenden Flüssigkeiten aufweist, im Gegensatz zu einer sogenannten
hydrophoben Oberfläche, d.h. einerüberflache, der im normalen Sprachgebrauch eine
Affinität
zum Wasser fehlt.
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Eine Untersuchung hat gezeigt, daß die Siedegeschwindigkeit an einer
gegebenen heißen Oberfläche anscheinend begrenzt ist durch die Geschwindigkeit der
Bildung von Kernen von Dampfbläschen, zumindest bei vernünftigen kleinen Werten
der Temperaturdifferenz zwischen der Oberfläche und der siedenden Flüssigkeit. In
vorliegendem Fall reicht die besondere Temperaturdifferenz (¼T) von 1 bis 200F (0,5
- 100C). Bei å eder Geschwindigkeit wurde festgestellt, daß die Siedegeschwindigkeit
und insbesondere die damit zusammenhängende Menge, der Wärmeübertragungskoeffizient
an den siedenden Film erhöht werden kann, indem man eine relativ heterogene Oberfläche
schafft, die einerseits aus einer Vielzahl von Stellen einer hydrophoben Substanz
besteht, die z.B. eine Vieizahl von Löchern oder Vertiefungen aufweist, die relativ
nichtnetzbar oder hydrophob gemacht sind, indem man sie mit einer nichtnetzbaren
Substanz ausfüllt und andererseits einen etwas größeren Oberflächenbereich aus netzbaren
oder hydrophilen Anteilen besitzt. Beide Arten von Bereichen dieser heterogenen
Oberfläche stellen eine große Zahl von extrem kleinen, d.h. mikroskopisch oder nahezu
mikroskopischen Teilflächen dar. Bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung
stellen diese beneztbaren Bereiche die nackten und sauberen Oberflächen eines hydrophilen
Materials, z. B. von rostfreiem Stahl,
dar. Während die Locher und
Vertiefungen, die die nichtbenetzbaren Teilflächen darstellen, mit einem hydrophoben
Material, z.B. einem Kunststoff aus Epoxyharz, ausgefüllt sind, dem eine Affinität
zum Wasser fehlt. Für andere Flüssigkeiten, wie Erdöl oder flüssigem Sauerstoff,
kann der benetzbare Bereich ein dünner Überzug eines Kunststoffes auf der Originalmetallfläche
sein, und die nichtbenetzbaren Stellen können Löcher in dem Kunststoffüberzug darstellen,
die das OriginalmetWll freilegen.
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Somit wird einer der Begriff"nicntbenetzbar"in dem Sinn verwendet,
daß das Material eine große Grenzflächenspannung mit der jeweiligen Flüssigkeit
aufweist und somit dazu neigt,eine solche Flüssigkeit abzustoßen, im gleich zu der
restlichen relativ homogenen reilfläche der Oberfläche. folie letztgenannte ist
verhältnismäßig grutnbenetzear"sie kann charakterisiert werden als hydrophil oder
als eine relativ starke Affinität zur siedenden Flüssigkeit aufweisend. Es ist somit
ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung, daß der erwähnte Wärmeübertragungskoeffizient
an dem siedenden Film erhöht werden kann, indem man hydrophobe Stellen oder Vertiefungen
schafft, an denen enteder die Keimbildung der Dampfbläschen wesentlich leichter
gemacht ist, doer solche Stellen oder vertiefungen können als solche @ereiche betract.
tet erden, die, da sie nichtbenetzbar sind, äußerst kleine Dampfb@@se@en als @ermanente
Kerne aufrechterhalten und
zurückhalten. Es wurde ferner festgestellt,
daß es nach der Erfindung unerwünscht wäre, wenn die gesamte Oberfläche in der gleichen
Weise wie ihre nichtbenetzbaren Teilbereiche wirken würde. Es ist die Kombination
einer benetzbaren oder hydrophilen Oberfläche zusammen mit zahlreichen nichtbenetzbaren
oder hydrophoben Stellen, die die Grundlage für die Erhöhung der erwähnten Wärmeübertragungsleistung
liefert.
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Daher kann, wie angegeben, die Oberfläche nach der Erfindung als eine
heterogene Oberfläche angesehen werden, d. h. eine, die zum größeren Teil aus einer
benetzbaren Fläche besteht, in die über das Ganze verteilt eine große Anzahl von
Punkten eingelagert ist, die hydrophob und nichtbenetzbar sind oder denen eine Affinitat,
z. B. zum Wassetehlt.
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Das vorstehende ist zum Teil ein Ausdruck dessen, was als die der
Erfindung zugrundeliegenden Theorie betrachtet werden kann, d.h., daß ungewöhnlich
hohe Wärmeübertragungskoeffizienten eines Qberflächenfilms erhalten werden können,
wenn eine solche heterogene Oberfläche hergestellt v.'ird als Oberfläche für das
Sieden einer gegebenen Flüssigkeit. Jedoch die vorstehend in dieser Hinsicht gegebenen
theoretischen Erklarungen sowie auch jede nachstehende Auslegung der zugrundeliegenden
Theorie der Arbeitsweise der Erfindung sollen den Umfang der Erfindung nicht begrenzen.
Mit
anderen Worten, diese Darlegungen der der Erfindung zugrundeliegenden Theorie führen
nicht von der Tatsache weg, daß eine Oberfläche, die hergestellt ist gemäß den durch
die Erfindung verbesserten Verfahren, einen mit wesentlich höheren und wirksameren
Wärmeübertragungseffekten an Oberflächenfilmen zeigt als bisner durch den Stand
der Technik dargetan wurde.
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Gemäß der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung einer
Oberfläche vorgesehen, das wesentlich die Gesamtleistung der Wärmeübertragung dieser
Oberfläche erhöht, oder etwas anders ausgedrückt, das den Wärmeübertragungskoeffizienten
am siedenden ilm wesentlich erhöht.
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Somit wird gemäß der Erfindung ein Verfahren der vorstehend allgemein
darrestellten Art geschaffen, durch das eine so behandelte Oberfläche bleibend oder
mindestens ausreichend bleiuend so Deschaffen ist, daß sie ihre Eigenschaft einer
hohen wärmeäbertragungsleisung üuer eine verhältnismäßig lanze Zeit einer industriellen
Verwendung ohne wesentliche Zerstörung bei-Denalt.
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Gemäß der erfindung ist eine Oberflächenbehandlung vorgesehen, die
zu dem fährt, was man eine heterogene Oberfläche nennen kann, oder zu einer, die
eine Vielzahl von ungwleichcn Teil
flächen aufweist, von denen die
einen leicht benetzbar oder hydrophil sind, und deren andere teilflächen nichtbenetzbar
oder hydrophob sind, wobei diese letztgenannten den Ausgangspunkt für Bläschenkerne
darstellen und auch die letztgenannten wesentlich zur schnellen Bildung der Blasen
beitragen, was wiederum das Primärerfordernis für ein schnelles und wirksames Sieden
ist.
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Bei der Durchführung dieser Erfindung können zahlreiche mechanische,
chemische, elektrische oder thermische Arbeitsgänge angewendet werden, um das letzte
Ziel zu erreichen, d.h. eine Oberfläche, von der ein großer Teil benetzbar ist,
aber die im übrigen Teil nichtbene tzb @ r ist, alles zu dem Ziele, daß die Kernbildung
für Bläschen und das schließliche Wachsen der @läschen wesentlich im Sinne einer
schnelleren Blaschenbildung als erste Stufe des Phänomens des Sieden einer Flüssigkeit
verstrikt werden. Das Verfahren kann oder kann auch nicht die Erzeugung von Löchern
in der Oberfläche beinLsilten, welche Löcher sowohl ein mittel zur örtlichen Bildung
von nichtnetzbaren Stellen darstellen als auch einen Schutz für nichtbenetzbare
Stellen schaffen, z.B. gegen eine mechanische Reinigung oder Entrostung der Oberfläche.
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Sie nachstehende Erläuterung der Erfindung erfolgt im Zusammenhang
mit
einigen beigefügten schematischen oder erläuternden Zeichnungen.
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Figur 1 erläutert schematisch ein Bläschen, das gebildet ist auf einer
Oberfläche, die gut benetzt ist oder ihrer Natur nach hydrophil ist.
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Figur 2 erläutert schematisch, wie das gleiche Bläschen gebildet wird
auf einer verhältnismäßig nichtbenetzbaren festen Oberfläche, was im Vergleich zu
Figur 1 zeigt, daß in diesem Fall das Bläschen ein Segment einer Kugelfläche mit
einem vergrößerten Krümmungsradius darstellt.
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Figur 2a zeigt schematisch das Wachstum des Bläschens, wie es auf
Figur 2 dargestellt ist, auf einer Oberfläche, die wenig benetzt ist in ilirer äesamtheit,
was wiederum die AuSechterhaltung ihrer halbkugeligen orm zeigt.
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Figur 2b zeigt schematisch das Wacnstum des Bläschenkernes wie in
Figur 3 dargestellt ist und soll graphisch die schnelle Sntwicklung dieses Kerne
zu einem großen Bläschen sphärischer Form erläutern, wenn eine solche schlechtbenetzte
Fiäche, wie sie in Figur 2 gezeigt ist, von einer benetzbaren Oberfläche umgeben
ist.
figur 3 zeigt schematisch die @ildung eines Bläschenkernes
an einer Stelle, an der die Oberfläche an einem mikroskopischen oder nahezu mikroskopischen
Punkte mit einem Loch versehen ist und diese Stelle mit einem relativ hydrophoben
Material ausgefüllt ist.
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Figur 4 ist eine Vergleichende graphische Darstellung, die wesentlich
erhöhten Wärmeübertragungskoeffizienten an Oberflächenfilmen zeigen, wei sie bei
Druchführung der vorliegenden Erfindung erhalten werden, im Vergleich zu wesentlich
geringeren Wärmeübertragungskoeffizienten von Oberflächen, die nicht so hergestellt
wurden.
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Wie im vorstehenden angegeben, können die zusammenhängenden Ziele
er Erfindung praktisch realisiert werden, indem man die Oberfläche hinsichtlich
inrer Bene tzbarkeit starker neterogen macht. Insbesonder wird eine so bearbeitete
Oberflache als neterogen angesehen, im Hinblick auf die Reaktion ihrer e-ntsprechnden
Teilflächen auf die Grenzflächenspannung, wobei diese bei den Berechnungen gewöhnlich
durch das Symbol "y" wiedergegeben wird. Der variable Faktor "y" kann als das willkurliche
Indiz der rëlativen Benetzbarkeit oder relativen hydrophilen Natur einer gegebenen
Oberflache betrachtet werden. rur der vrliegende Erfindung wird angenommen, daß
große Wirkungen oder große Warmeubertragungskoe ffizienten erreicht werden
können
oder beeinflußt werden können durch die nachstehenden Faktoren: 1. indem man eine
Oberfläche schafft, an der größere Differenzen oder ein Maximum der Differenz in
der Benetzbarkeit der verschiedenen Teile dieser Oberfläche vorhanden ist, d.h.
einige Teile der Gesamtoberfläche ausgesprochen hydrophob sind, während andere Abschnitte
davon ausgesprociien hydrophil sind; 2%. dadurch, d diese respelctiven Teile der
Oberfläche eine sehr kleine Größe aufweisen, wobei deren benetzbare Teile sowie
deren nichtberzetzbüre Teile von mikroskopischer oder nahezu mikroskopischer Größe
sind und sich vollständig über die gesamte fläche verteilen; 3. indem man berücksichtigt,
daß diese Abnschnitte nicht nur extrem klein sind, wie eben bewchrieben, sondern
man eine Oberfläche schafft, an der die Gesamtfläche der hydrophilen leile die Gesamtfläche
der hydrophoben Teilflächen der gegebenen Oberflache überschreitet. Der optimale
Bereich für jede einzelne hydrophobe Stelle oder Loch und möglicherweise das optimale
Verhältnis von hydrophober zu hydrophiler Fläche hängt von der Bauweise, den Arbeitsbedingunggen,
von
dem L'' T-Wert, detn Druck und der flüssigkeit ab.
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Im Einblick auf eiiiie möglichst ideale voìberei tete Fläche, wie
man sie erhält, wenn diese eben angegebenen Faktoren als Leitweg benutzt werden,
muß natürlich anerkannt werden, daß alle Oberflächen in einem gewissen Ausmaß heterogen
sind, d.h., daß es nicht möglich ist, eine gegebene Metalloberfläche sc rein oder
so ohne Vorsprünge herzustellen, daß sie als vollständig homogen angesehen werden
kann. Jedocn was hier Dehandelt wird, ist eine heterogenität als verwandter Begriff,
wobei die ideale Oberfläche eine solche is, die nydrophil ist über bestimmte Bereiche,
in dem praktisch vollständigen Ausmaß, und die hydrophob ist über andere Flächenbereichen
in dem praktisch vollständigen Ausmaß, obgleich in einem weniger voll ständigen
Ausmaß als die hydrophilen Flächenbereiche.
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Es ist natürlich grundlegend, daß das @ieden einer Flüssigkeit auf
einer Metallfläche erfordert, daß Dampfbläsc en in der Flüssigkeit oder zwischen
Flüssigkeit und Metallfläche gebildet werden. Zu Zeiten und an Stellen, an denen
kein Dampf erzeugt wird, findet eine Sieden nicht Statt und die Geschwindigkeit
der Wärmeübertragung oder die Wärmeübertragungskoeffizienten sind gering. jedes
Dampfläschen wird notwendigerweise im Keim erzeugt als sehr kleines Bläschen, d.h.
mit Dimenaionen
einer Größenordnung, die nicht viel größer ist
als die Molekulardimensionen. Es wird daher angenommen, daß ein Energieüberschuß
erforderlich ist für eine Blasenbildung, die viel größer ist als die von kleineren
Bläschen. Somit stellt die Bildung der kleinen Bläschen eine große Energiebarriere
für das sieden dar. Daraus folgt, daß die Frequenz der Bläschenbildung und nachfolgend
die Geschwindigkeit der- Wärmeübertragung während des Siedens sehr weitgehend von
der Größe dieser Energiebarriere abhängt.
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Die erforderliche Überschußenergie ergibt sich aus der betreffenden
oberflächenspannung, die einen gleichmäßigen Druck auf die Oberfläche einer reinen
Flüssigkeit darstellt und die versucht, die Oberfläche auf ein MInimum zu reduzieren.
Eine Oberflächenspannun g ist definiert als eine Eigenschaft; abhängig von den Molekularfunktionen,
die in dem Oberflächenfilm aller Flüssigkeiten vorhanden ist, und die dazu neigt
; das vorhandene Volumen in die Form mit der kleinsten Oberfläche zu gen.
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In Figur 1 ist ein kugeliges Blaschen 15 gezeigt; die gegeneinander
ausgewogenen Kräfte; die auf die'se.s B sehen ausgeübt werden sind die nachstehenden:
lo
Der Druck P der Flüssigkeit auf die vorstehenden Flächen der oberen und unteren
Hemisphären des Bläschens, die dazu drängen, die beiden Hemisphären zusammenzudrücken.
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2. Der Dampfdruck P plus A T, der dazu drängt, die beiden Hemisphären
auseinanderzudrücken; 3. die Oberflächenspannung, die rund'um den Umfang der Berührung
der beiden Hemisphären wirkt und dazu drängt die beiden Hemisphären zusammenzudrücken.
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Da die Summe von Kräften in vertikaler Richtung gleich Null sein muß,
können die nachstehenden Gleichungern aufgestellt werden
worin r der Kugelradius ist; in gleicher Weise wird die Kraft,
die erforderlich ist, zur Erzeugung eines Bläschens beliebiger Größe über diejenige,
die erforderlich ist, zur Dampferzeugung durch die nachstehenden Gleichungen
wiedergegeben. Wenn man diese durch das Volumen dividiert, um die zusätzliche Arbeit
je Volumeneinheit zu erhalten, so gilt
Z.B. hat ein Bläschen von einem Radius von 50 R eine zusätzliche Arbeitsgröße, die
mehrmals so groß ist, wie seine Verdampfungswärme, und gestaltet somit die Bildung
von Bläschen von 50 i oder kleiner theoretisch sehr ungünstige
Es
wurde festgestellt, daß die Überschußenergie, die erforderlich ist für die Bildung
kleiner Bläschen oder von deren Kernen an der Grenzfläche zwischen einer Flüssigkeit
und einer festen Oberfläche weitgehend von den Eigenschaften der daran beteiligten
festen Fläche beeinflußt wird. Wenn die feste Oberfläche, wie sie bei 10 gezeigt
ist, gut benetzt ist, d.h. einen Berührungswinkel von Null aufweist, wird jedes
gebildete Bläschen eine Form haben, die nahezu derjenigen ist, wie sie in der Figur
1 bei 15 gezeigt. Wenn andererseits die Oberfläche des Bestkörpers 10 von der Flüssigkeit
nicht gut benetzt wird, d.h. wenn ein großer Berührungswinkel besteht, wird ein
Bläschen des gleichen Volumens etwa die Form haben, wie sie in der Figur 2 gezeigt
und dort mit 16 bezeichnet ist. Es wird infolgedessen einen viel größeren Krümmungsradius
zeigen und daher auch
einen wesentlich verminderten Überschußdruck
und/oder Überschußarbeit der Bildung zeigen.
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Das Muster eines kontinuierten Anwachsens in der Größe eines solchen
Bläschens 16, wie es auf einer nichtbenetzbaren oder hydrophoben Oberfläche gebildet
wird, ist schematisch in der Figur 2a angedeutet, wobei sich das Bläschen allmählich
vergrößert zu den Dimensionen der gestrichelten Linie 17 und sich dann weiter vergrößert
zu der Dimension der gestrichelten Linie 18, wobei in beiden Pällen das Bläschen
seine charakteristische halbkugelige r'orm beibehält. ist Wenn jedoch das hydrophobe
Material begrenzt/auf eine kleine Stelle auf einer hydrophilen Oberfläche, wie es
gemäß der Erfindung verlangt wird, kehrt das Bläschen schnell zur sphärischen Form
zurück. Dies ist schematisch erlautert in der Bigur 2b. In dieser Figur ist die
nichtbenetzbare Stelle 20 umgeben von einer benetzbaren Fläche 10 und ist, gegenüber
seiner tatsächlichen Größe um das vielfacne vergrößert dargestellt, und in diesem
ball ist der Krümmungsradius im wesentlichen um ein kennzeichnendes Ausmaß verkleinert,
und somit sind der Überschubdruck und die tjberschußarbeit in noch größerem Ausmaß
vermindert. hat sich einmal auf dieser unendlich kleinen Flache ein Bläschen
25
gebildet, so neigt es- däzu , sehr schnell zu wachsen, indem es Wärme aus der umgebenden
Flüssigkeit und dem Festkörper absorbiert, wie in Figur 2b erläutert ist. Die anfänglich
semi-halbkugelige Form des Bläschens 25 nimmt schnell die -sphärische Form an, die
durch die gestrichelte Linie 26 angedeutet-ist und das Bläschen expandiert-auch
sehr schnell zu einem Bläschen 27, das das-Vielfache des Durchmessers des ursprünglichen
Bläschens aufweist. Während dieser Phase der Bläschenbildung ist es unerwünscht,
daß die ganze Wärmeübertraghungsfläche d.h. die metallfläche durchgebhend schlecht
benetzt oder hydrophob ist, da, wenn sie hydrophobe Eigenschaften zeigt, der Dampf
wahrscheinlich die feste Oberfläche abdeckt, anstelle daß sich das bläschen von
der Oberfläche ablöst, wenn es hinreichende Größe erreicht hat. Ferner vernindert
eine solche Abdckung der Oberfläche mit Dampf eine wirksame Wärmeübertragung auf
die flüssigkeit, die' no twendig ist, um das S'ieden fortzusetzen.
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Som@t ist deHr einzigartige Gedanke der vorliegenden Erfindung, der
die Schwierigkeit der Blaschenbildung auf einer homogenen u die' übe'r i'h"re"-
e-s'-'Sm''theit g--üt beneztbar is,t -vtll--e'--r' kenntund in Rechnung setzt, daraus
zu sehne, daß es, um hone Wärmeübertragungsgeschwindigkei ten oder none Wärmeübertragungs.
koeffizienten während des Siedens zu erzielen, notwendig ist, daß die Dampfblaschen
zunachst an einer Fläche gebildet werden, die schlecht benetzt oder hydrophob ist,
und daß es ebenfalle kennzeichnend ist, daß man die Blaschen dann
an
einer Oberfläche wachsen läßt, die von der zu siedenden Flüssigkeit gut benetzt
wird oder ihr gegenüber hydrophil ist.
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Die Lösung für das Problem, das der vorliegenden Erfindung zugrunde
liegt, besteht, wie vorstehend angegeben ist, darin, daß man eine gemischte oder
heterogene Fläche erzeugt, von der ein Teil der Natur nach hydrophob ist und von
der ein Teil im weseitlichen hydrophil ist und somit für die Wärmeübertragung auf
die Flüssigkeit geeignet ist, sowie auch voll wirksam ist für das Wachstum und das
Ablösen der Bläschen, wobei auch ferner vorgesehen ist, daß ein größerer Gesamtanteil
der benetzbaren Fläche vorhanden ist.
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Aus den vorstehenden wird entnommen, daß die gewünschten Ziele einer
erhöhten Wärmeübertragung erzielt werden, indem man kleine Stellen von hydrophobem
Material zu einer hydrophilen Oberfläche hinzugibt oder dort entwickelt, so daß
jede Stelle umgeben ist von einer hydrophilen Fläche, die für die Wärmeübertragung
des Bläschens ausgenutzt werden kann, und vorzugsweise werden bei der Durchführung
der Erfindung solche Stellen oder Yertiefungen wirksam gemacht, wie in Figur 3,
indem eine angenähert abgerundete oder konkav-konvexe Form ausgebildet wird. eitere
Methoden zur Erzielung dieses Oberflächeneffektes, d.h.
zur Erzeugung
oder Anreicherung der vorhandenen Heterogenität der Oberfläche können angewendet
werden, z. B. durch chemische, mechanische, elektrische, akustische, thermische
oder sonstige Verfahren zur Modifizierung der Oberfläche, wie sie für den Sachkundigen
beim Verstehen der vorliegenden Erfindung ersichtlich werden. Die g=ewünschte Heterogenität
kann erreicht werden, indem man das hydrophobe Material einer hydrophilen fläche
zuführt oder umgekehrt diese Stellen erzeugt ; z.B. kann ein hydrophober Kunststoff
in einem Lösungsmittel, das die Wärmeübertragungsfläche nicht benetzt, gelöst werden,
und diese Lösung kann in einer viel größeren Menge eines stärker flüchtigen Lösungsmittels
aufgelöst werden, das die Metallfläche benetzt. Die Endlösung stellt dann eine Tauchlösung
für die Metalloberfläche dar. Sie ergibt zunächst einen Film der Lösung, der gleichmäßig
über die Oberfläche ausgebreitet ist, der beim Verdampfen des das Metall benetzenden
Lösungsmittels als kleine Tröpfchen einer nichtbenetzenden Lösung sammelt, die bei
weiterem Verdampfen die gewünschten kleinen Bereiche von hydrophobem Kunststoff
hinterläßt. Das umgekehrte kann z.B. für die Erdöldestillation die Ablagerung einer
sehr dünnen Schicht eines das Erdöl benetzenden Kunststoffes sein, in den kolloidale
Teilchen von nassem Salz eingemischt sind, das bei Behandlung mit Wasser sich auflöst
und Löcher in dem Kunststoff auf einer nichtbenetzbaren Metallfläche hinterläßt.
Für-beide Oberflächenarten kann Ultraschall
verwendet werden,
um die beiden Flüssigkeiten oder eine Flüssigkeit und einen Feststoff miteinander
zu emulgieren und zu diesem Zweck die suspendierte Flüssigkeit oder den suspendierten
Feststoff in einem Muster anzuordnen, das durch die Knoten der stehenden Welle bestimmt
ist. Auch eine Wärmebehandlung kann verwendet werden, um nichtbenetzbare Einschlüsse
auf der Oberfläche zu erzeugen oder die Diffusion solcher anorganischer Einschlüsse
zur Oberfläche zu verstärken. Ein elektrisch beladener Nebel einer geeigneten Flüssigkeit
kann veranlaßt werden, sich auf einer metallfläche in Form von kleinen Tröpfchen
abzusetzen, die entweder einen nichtnetzbaren Rückstand abscheiden oder andererseits
mit der Oberfläche unter Erzeugung eines nichtbenetzbaren Materials chemisch zu
reagieren vermögen. Diese Beispiele können unbegrenzt erweitert werden.
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Eine sehr wichtige Unterklasse der Behandlung ist die Verwendung von
chemischen, mechànischen, elektrischen, akustischen, thermischen öder anderen Verfahren
zur Erzeugung von Vertiefungen in der Oberfläche bei anschliekendem oder gleichzeitigem
Einschluß ether nichtbenetzbaren Substanz in diese Vertiefungen.
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Wie angegeben ist,- können diee'e VertiefungeX öder @öcher chemisch
durch Aufbringen eines geeigneten chemischen Reagenzes erhalten werden. Sie können
mechanisch erzeugt werden durch leicht tes Beblasen mit Sand; durch Oberflächenbeühung
von Fläche zu Fläche mit einer geeigneten raunen Oberfläche, durch Ausnonlung
durch
Ultraschall und dergeleichen. Ach elektrische Mittel können verwendet werden, z.B.
Lichtbogenbehandlung, elektrochemische tocherzeugung, Plattierung und ähnliches.
Kurz, jedes Verfahren zur Erzeugung einer Oberfläche mit Löchern kann als erste
Stufe bei der Erzeugung der gewünschten heterogenen Oberfläche dienen.
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Bei den ersten Versuchen wurden die Oberflächen von Streifen aus rostfreiem
Stahl zunächst nach einem chemischen Verfahren zum Erzeugen. von Löchern behandelt.
Die Oberfläche wurde dann mit einem Epokykunststoff überzogen und anschließend poliert,
um die Hauptmenge des KunststOffes zu entfernen. Die in dieser Weise behandelten
Metallstreifen wurden in eine geeignete Versuchsvorrichtung eingebrachtiW die elektrisch
erhitzt wurde um Wasser zu kochen. Der lMärmeubertrågùngskoeffizient des siedenden
Filmes wurde durch übliche und bekannte Berechnungsverfahren bestimmt. In einem
Fall wurde ein Wert von 4000 BTU/HR/FT2/°F bei #T (Temperaturdiffertial) von 2°F
erhalten. Hinsichtlich dieser anfänglichen Versuchszahlen wurde gefunden, dak nichtüberzogenen
oder unbehandelte Streifen aus rostfreiem Stahl, bei denen der Wärmeübertragungskoeffizient
im allgemeinen in der gleichen Weise wie enben beschrieben, bestimmt wurde', einen
W Wert aufwiesen von nicht mehr als etwa 200 bis 500 bei dem gleichen # T (2°F).
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Die nachstenenden speziellen Beispiele der Druchprüfung der Erfindung
sind
nur erläuternd.
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Beispiel 1 In diesem Beispiel wurde die Oberfläche eines Streifens
aus rostfreiem Stahl mit Löchern versehen, indem man den Streifen einer Säureätzung
aussetzte, indem man ihn in heiße Schweoelsäure (H2S04) eintauchte, die bei einer
Temperatur von etwa 800 gehalten wurde. Obgleich etwa 7 Minuten getaucht wurde,
zeigt gen weitere Versuche, daß die Zeit der Säurebehandlung für die spezielle Legierung
vorzugsweise im Bereich von 5 bis 10 Minuten fällt. Der Streifen wurde dann mit
Wasser gewaschen. Anschließend an dieses Waschen wurde der Streifen in eine verdünnte
Lösung Ferrychlorid in Wasser überführt und in dieser Lösung etwa 10 Minuten belassen.
Beide Reagenzien (Schwefelsäure und Ferrychlorid) ergaben die erforderte Lochbildung
durch auflösung eines Teiles des Metalls.
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Eine geeignete Untersuchung bestätigte, daß die Oberfläche des Streifens
durch die vorstehende Behandlung Löcher hatte über ihre Gesamtfläche als kleine,
jedoch zumindes mikroskopisch unterscheidbare Vertiefungen oder Punktierungen.
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Der streifen wurde dann mit einer nichtnetzbaren Substanz überzogen,
in diesem Fall mit einem nichtpolaren Harz. Im speziellen
enthielt
dieses ein Epoxyharz, das im Handel als von 828" (Handelsmarke) hergestellt von
der Shell Oil Company, verkauft wird. Dieses Epoxyharz wurde mit Diäthylentriamin
als Härter in einem Verhältnis'von 10 Teilen Harz zu einem Teil Härter vermischt.
Die anfallende Lösung wurde weiter mit Methyläthylketon als Lösungsmittel verdünnt.
Die Lösung wurde mit einem Pinsel auf das Muster aufgestrichen.
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Das Harz wurde 24 Stunden bei Raumtemperatur gehärtet. Nachdem das
Harz auf der Oberfläche des Streifens gehärtet war, wurde leicht mit einem feinen
Schmirgeltuch besandet, um das an der ebenen Oberfläche haftende Harz zu entfernen,
während das Harz in den Löchern oder funktierungen, die durch das vorstehend beschriebene
chemische Lochbildungsverfahren erzeugt waren, zurückblieb.
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Ob eine solche Sandbehandlung oder einanderes SchZeifverfahren für
die Entfernung des gehärteten Harzes an der Oberfläche der Platte geeignet war oder
nicht, wurde bestirsnt, indem man einen Tropfen Wasser auf eine solche Oberfläche
auSbrachte ; denn wenn diese im allgemeinen benetzbar war, breitete sich das Wassertröpfchen
über die Oberfläche aus und zeigte eine richtige Schleifbehandlung an. Wenn zuviel
Kunststoff auf der Oberfläche zurückblieb, breitete sich das Tröpfchen nicht aus
und zeigte an, daß der nichtbenetzbare Überzug in diesem Fall das Epoxyharz
nicht
ausreichend von der Oberfläche entfernt war.
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Diese sandbehandlung oder Schleifbehandlung entfernte, wie angegeben,
den nichtbenetzbaren Überzug von der Oberfläche der Platte, er entfernte aber nicht
diesen aus den vorher gebildeten Löchern. Daher stellten diese Löcher zahlreiche
nichtbenetzbare Stellen oder Punkte dar, die für die Erzeugung von Bläschenkernen,
wie vorstehend beschrieben ist, geeignet waren.
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Nach der Sandbehandlung wurde die Platte gut mit Seife und Wasser
gewaschen, vor der Untersuchung in einer geeigneten Siedevorrichtung.
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Zum Vergleich wurde ein Streifen aus rostfreiem Stahl zum glei chen
Ausmaß wie die behandelte Platte mit Sand behandelt und ebenfalls mit Seife und
Wasser gewaschen, bevor er der Siedebehandlung unterworfen wurde.
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Während der Siedebehandlung jedes Stseifens @ man behandelte einen
behandelten und -einen unbehandelten - wurde der Wäremübertragungskoeffizient von
beiden bestimmt, durch bekannte Meßinstrumentierung. und geeignete Verfahren der
Berechnung> wie sie dem Sachkundigen oekannt sind0
Die erhaltenen
Werte wurden in der Figur 4 graphisch aufgetragen. Es ist ersichtlich, daßder behandelte
Streifen, hergestellt gemäß diesem Beispiel, einen Wärmeübertragungskoeffizienten
bei einer Temperaturdiffere-nz von etwa 1,5°F etwas größer als 2000 zeigte. Zum
Vergleich zeigte der nichtbehandelte Streifen bei diesem Temperaturdifferenzial
(1 , ,5°F) einen Wärmeübertragungskoeffizienten von nur etwa 240. Mit anderen -Worten,
bei diesem Wert zeigte der behandelte Streifen einen Wärmeübertragungskoeffizienten
von etwa 1700 Einheiten oberhalb dessen des unbehandelten Streifens oder ein äußerst
beverkenswertes Ansteigen der Wäremübertraghungsleistung gegenüber dem unbehandelten
Streifen yon etwa 740 %.
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Bei höheren Werten von # T ist ersichtlich, daß, obgleich sich der
Unterschied zwischen den behandelten und den unbehandelten Streifen verkleinert
hat, der Anstieg der Wärmeübertragungsleistung noch äußerst bemerkenswert bleibt.
Ferner ist aus Figur 4 ersichtlich, daß bei einer Temperaturdifferenz von etwa 100
der unbehandelte Streifen einen Wärmeübertragungskoeffizienten von nur etwa 900
ergibt, während bei einer gleichen Differenz der behandelte Streifen den Wärmeübertragungskoeffizienten
für den siedenden Film von etwa 2500 oder eine äußerst bedeutsame Differenz von
etwa 1600 Einhei-ten ergibt.
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Somit zeigte, wie klar aus Figur 4 hervorgeht, die gemäß der Erfindung
behandelte Metalloberfläche einen dramatischen Anstieg in der Wärmeübertragungsleistung
gegenüber der gleichen Metallart in unbehandeltem Zustand.
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Beispiel 2 In diesem Beispiel war die Hälfte der Oberfläche wiederum
eine, in der Vertiefungen erzeugt und mit schlecht benetzbarem Material gefüllt
waren, während der größere Teil der Oberfläche seine ursprüngliche eigenschaft einer
guten Benetzbarkeit beibehalten hatte. Aber die Art der Anbringung der Vertiefung
in der Oberfläche, das verwendete, schlecht benetzbare Material und die sättel zur
Aufrechterhaltung der guten Benetzbarkeit der allgemeinen Oberfläche waren wie immer.
Auch war der Metallstreifen vor der Behandlung viel glatter. Ein Streifen aus reinem
glattem rostfreiem Stahl Typ 304 wurde mechanisch in nachsteheiider Weise mit Löchern
versehen. Es wurde ein zusammengelegtes Stück hergestellt, unter Verwendung eines
Stückes mittelfeinen Schloeifpapieres zwischen zwei Metallstreifen, wobei die tierzustellende
Probe mit der Kornseite des Schleifpapieres in Berührung stand. Dieses zusammengesetzte
Schichtstück wurde auf einer weite Xehä alert, um die Körner an vielen und willkürlich
gewählten Stellen in das Musterstück zu treiben. Die Folgerung war
daß
auf der Oberfläche des behandelten Streifens eine große Anzahl von sehr kleinen
Vertiefungen oder Löchern erzeugt wurde. Die Oberfläche wurde anschließend gereinigt,
indem man sie einem Wasserstrahl und anschließend einem alkalischen Bad aussetzte.
Der Streifen wurde dann mit destilliertem Wasser gespült und getrocknet.
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-3 Es wurde auf einen Teil der Oberfläche ein Überzug aus Polytetrafluoräthylen
aufgepinselt, wobei man Sorge trug, alle Löcher auszufüllen. Es wurde ein Stück
steifes Papier mit geringer Absorptionsfähigkeit verwendet, um das Polytetrafluoräthylen
von der Oberfläche abzuwischen, wobei viele Löcher partieli gefüllt mit Polytetrafluorathylen
blieben. Der Streifen wurde dann in einem Ofen bei etwa 340 (3500F) 10 Minuten gebrannt,
um das Polytetrafluoräthylen zu härten.
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Nach dem Brennen wurde der Streifen in eine Ufasserlösung eingebracht,
das Wasser wurde zum Kochen gebracht, und es wurde dann der Wärmeübertragungskoeffizient
des"voll behandelten Teiles der Oberfläche bestimmt.
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Ein Teil der mit Löchern versehenen Flache wurde nicht mit Polytetrafluoräthylen
behandelt und diente als Kontrolle zur Bestimmung der Verbesserung. Der Wärmeübertragungskoeffizient
dieses
Teiles der Oberfläche wurde ebenfalls berechnet, aus Daten, die gleichzeitig mit
den Daten für den voll behandelten Teil des Streifens entnommen wurden.
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Die Ergebnisse der Berechnungen der Wärmeübertragungskoeffizienten
für den siedenden Film des behandelten und des unbehandelten Materials wurde ebenfalls
graphisch in die Figur 4 eingetragen. Diese Ergebnisse waren ähnlich denen, die
nach Beispiel 1 erhalten werden. Wie in dieser Figur zu sehen ist, zeigte bei einem
# T oder einer Temepraturdifferenz von etwa 30F die Kontrollfläche einen Wärmeübertrangungskoeffizienten
von etwa 260 Einheiten. In scharfem Gegensatz hierzu ergab die voll behandelte Fläche
bei gleichem # T einen Wärmeübertragungskoeffizienten von mehr als 1500 Einheiten.
Ein Anstieg des Wärmeübertragungskoeffizienten zwischen der vollbehandelten und
der Kontrolloberflche betrug somit. etwa 510 s,.
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Bei hinreichend @ohen # T-Werten fällt die prozentuale Verbesserung
des Wärmeübertragungskoeffizienten ab, aber bei einem A T von etwa 140F ergab die
Kontrollfläche einen Wert von nur etwa 450 Einheiten, während die vollbehandelte
Oberfläche auf eine Wert von etwa 5500 Einheiten erhöht war. Der Anstieg der-Wärmeübertragungsleistung
zwischen der vollbehandungelten und der Kontrollfläclhe oetrug somit etwa 5000 Einneiten
oder mehr als
1000 % bei dieesem # T-Wert, Beispiel 3 In diesem
Beispiel unterschied sich die erzeugte Oberfläche von denen der beiden vorstehenden
Beispiele dadurch, daß keine Vertiefungen erzeugt wurden. Das Ausgangsmetallstück
war das gleiche wie in Beispiel 2, soweit es aus schlecht benetzbarem Material bestand,
aber in diesem Fall wurde dieses in Horm von Pünktchen auf das glatte Metall aufgebracht.
Somit wurde in dem Beispiel ein Streifen aus gereinigtem glattem rostfreiem Stahlstück
Uyp 304 mit einer Emaille aus Polytetrafluoräthylen besprüht.
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Dieser Sprühregen aus einem Parfümzerstäuber war direkt terichtet
in einen herabfalleiiden Luftstrom,um die größten Teilchen zu entfernen. Die kleineren
Tröpfchen wurden gegen den Streifen geführt, der horizontal quer zum Luftstrom aufgehängt
war. Der Streifen wurde dann bei etwa 3400 (650°F) 10 Minuten zum Elften des Überzuges
gebrannt. Anschließend wurde der Streifen in eine wässrige Lösung eingetaucht, die
Lösung wurde zum Kochen gebracht, und es wurde der Wärmeübertragungskoeffizient
der behandelten Oberfläche bestimmt. Zum Vergleich wurde ein gleicher gereinigter
glatter Streifen ebenfalls in dem siedenden Wasser untersucht.
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Wie in Figur 4 zu ersehen iat, gab die besprähte Oberfläche bei einem
4---- T-Wert von etwa 1 11°F eine Wärmeübertragungskoeffizienten
von
mehr aLs, 2500 Einheiten, Während die unbehandelte Oberfläche einen Wert von roh
300 Einneiten zeigte. Somit betrug die Verbesserung zwischen behandelter und nichtbehandelter
Oberfloche etwa 2200 Einheiten oder etwa 830 % bei diesem # T-Vert.
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Figur 4 gibt auch die Vergleichsergebnisse der behandelten Oberfläche
der Beispiele 1,2 und 3 graphisch wiede-r, mit Ergebnissen, die erhältlich sind
illit einer Oberfläche aus rostfreiem Stahl,auf die ein öliger Film aufgebracht
wurde. Jede Art von Mineralöl oder pflanzlichem Öl kann als Überzug für eine solche
Oberfläche verwendet erden, wobei sich ergibt, daß eine solche Oberfläche vergleichsweise
stärker nichtbenetzbar oder stärker hydeophob gemacbt ist.
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Es SO bemerkt, daß eine Öloberfläche einen stärkeren Anstieg der Wärmeübertugung
ergab als das reine Bezugsbeispiel, Es sei jedoch restgestellt, daß eine solche
ölige Oberflache, wenn sie gleichförmig nichtbenetzbar ist, sich in einen siedenden
Film urnwandelt und infolgedessen einen sehr geringen iärmeübertragungskoeffizienten
zeigt bei einein # T-Wert, der nicht viel größer sit ais derjenige, der gemessen
wird, während die behandelten Proben wirksam arbeiten sollen, bis zu Temperaturdifferencen
von dwer Grökenordnung von 500. Wenn andererseits
das Öl sich an
örtlichen Flächenteilen lokalisiert hat, dann gelangt die Oberfläche in den Schutzumfang
der vorliegenden Erfindung. In diesem Ball jedoch ist zu bemerken, daß die ständige
Bildung von Bläschen während des Siedens das Öl schnell von der Oberflache vertreibt.
Daher gibt ein etwaiger Anstieg der Leistung, der als Folge einer öligen Oberfläche
entwickelt wird, keine dauernde Lösung für das Problem, und da er seiner Natur nach
temporär ist, sind solche Oberflächen für jede Art von angerstrebter technischer
Verwendung unbrauchbar. Im Vergleich hierzu sind die Oberflächen, wie sie durch
Anwendung der vorliegenden Erfindung erhültlich sind, bleibend und dauerhaft und
ergeben einen starken Anstieg in der @eristung der Wärmeübertragung, insbesondere
bei niedrigen Tem, eraturdifferenzialen von weniger als 10°F.
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Es sollM natürlich ersichtlich sein, daß es viele abgeänderte Verfahren
gibt, die zur herstellung der Wärmeüb ertragungsfl@che angewendet werden können,
wiesie hier beschrieben ist. Diese wurden angegeben. In jedem Fall dreht sich die
wesentliche Betrachtung der Erfindung um die Rerstellung einer solchen oberfläche,
in der Weise, daß die hydrophilen oder hydrrophoben Teilflächen äu3erst klein sind,
und von mikoskopischer oder nahezu mikroskopischer Größe sind. ziels trifft insbesondere
hinsicht. lich der hydrophoben Flächen zu, die den @sugangspunkt oder die
kernbildnden
Teilflächen darstellen für die kleinen Frimär-Bläschen, die Während des Sieden erzeugt
werden. Es ist auch wichtig, daß die hydrophilen Flächenbereiche mindestens ebenso
groß sind, wie die nichtbenetzbaren Stellen, wobei vorzugsweise das gesamte Gebiet
des benetzbaren Anteils der Oberfläche größer ist aus das gesamte Gebiet der Kernbildung.
Dies ist, da die Bildung der Bläschen selbst an einer extrem kleinen, nahezu mikroskopischen
Fläche beginnt, aber es ist das Bestreben, daß sich, benachbart zu dieser kernbildenden
Stelle, ein etwas größeres flächenstäck für das wachstum des Bläschens befindet.
Wenn der Wachstumsflächentereich benetzbar ist, wächst das Bläschen schneller, wird
schneller vollständig und löst sich selbst schneller ab. Die Folge ist dann eine
@eschleunigung des Sieden oder anders dargestellt, ein Erzielen des Anstiegs des
Wärmeübertragungskoeffizienten des behandelten Ma terials in dem siedenden Film.
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Es ist klar, da. 3 viele andere organische harze und anorganische
Verbindunoen als diejenigen, die hier speziell erwähnt sind, verwendet werden können
für das Ziel der Schaffung von hydrophoben Stellen oder Vertiefungen. Die @Achkundigen
sind in der Lage, solche Überzugsmaterialien, wie sie geeignet sind, auszumä@@en,
wenn sie einmal wissen, da3 der überzug beim Verfahren, wie es in den @eispielen
1 und 2 z.B. dargestellt ist, hydrophob oder nichtbenetzbar sein muß, und eine relative
Permanenz
über lange Zeiten einer industriellen Verwendung zeigen
muß.
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Viele Anwendungen des behandelten Materials und insbesondere eines
so behandelten Metalles wie Stahl, Eisen, Messing, Kupfer usw. sind leicht ersichtlich.
Ein Anstieg in der Wärmeübertragungsleistung-war ein Problem, dem viele Industrien
gegenüberstanden und beliebige Metalle, behandelt gemäß der vorliegenden Erfindung
sind für die Verwendung in Kesselrohren, Wärmeaustauschern, Verdampfern u.ä. höchst
wünschenswert, oder. bei beliebigen speziellen industriellen Anwendungen, bei denen
eine wirksame Jfärmeübertragung an einem siedenden Film immer von großer Bedeutung
ist0 - Patentansprüche -