DE1451230B2

DE1451230B2 -

Info

Publication number: DE1451230B2
Application number: DE19641451230
Authority: DE
Inventors: Richard L. Toronto Ontario Hummel (Kanada)
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1964-12-31
Filing date: 1964-12-31
Publication date: 1974-07-11
Also published as: DE1451230A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kochen von Flüssigkeiten, enthaltend ein wandförmiges Wärmeübertragungselement mit einer Oberfläche, die mit der Flüssigkeit in Berührung steht, und eine Wärmequelle zum Erhitzen des Wärmeübertragungselements auf eine zum Kochen der Flüssigkeit ausreichende Temperatur, sowie ein Verfahren zur Herstellung von derartigen Wärmeübertragungselementen, mit dem Ziel, deren Wärmeübertragungskoeffizienten für siedende Filme und damit auch die Wärmeübertragungskapazität der Oberfläche zu erhöhen.

ίο Eine hochpolierte saubere Oberfläche, z. B. aus rostfreiem Stahl, ist relativ homogen und benetzbar, d. h. sie hat eine starke Affinität zu Wasser oder anderen hier in Betracht kommenden Flüssigkeiten.
Die Siedegeschwindigkeit einer Flüssigkeit an einer heißen Oberfläche ist zumindest bei relativ kleinen Temperaturdifferenzen (etwa 0,5 bis 10° C) zwischen der Oberfläche und der siedenden Flüssigkeit durch die Bildungsgeschwindigkeit der Dampfblasenkeime begrenzt. Wenn die Oberfläche homogen ist, ist die Bildungsgeschwindigkeit der Dampfblasenkeime und damit die Siedegeschwindigkeit und der Wärmeübertragungskoeffizient niedrig.

Aus der französischen Patentschrift 1 282 095 ist ein wandartiges Wärmeübertragungselement zwisehen einer Heizquelle und einer siedenden Flüssigkeit bekannt, wobei die Heizquelle von einer Vielzahl von Elementen mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit umgeben ist. Diese Elemente sind durch eine zylindrische Hülle aus Metall (z. B. eine Zirkonlegierung) abgedeckt. Die Hülle weist somit Bereiche mit unterschiedlicher Temperatur auf, hat aber eine homogene Oberfläche, die mit der Flüssigkeit in Berührung steht. Die Bildungsgeschwindigkeit der Dampfblasenkeime ist somit gering.

Aus der USA.-Patentschrift 2 919115 sind femer Wärmeübertragungselemente in Form von porösen Metallplatten bekannt, deren mit der Flüssigkeit in Berührung stehende Oberfläche mit einem nichtbenetzbaren Belag versehen ist. Der nichtbenetzbare Belag wird durch ein Material erzeugt, das aus Hohlräumen durch die Poren in der Metallplatte fließt und die Oberfläche in Form einer homogenen Schicht bedeckt.

Wie jedoch nachstehend noch näher ausgeführt ist, kommt es erfindungsgemäß auf eine heterogene Oberfläche an, um zunächst eine hohe Bildungsgeschwindigkeit der Dampfblasenkeime und anschließend ein leichtes Ablösen der Dampfblasen von der Oberfläche zu erzielen.

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Kochen von Flüssigkeiten der vorstehend bezeichneten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die mit der Flüssigkeit in Berührung stehende Oberfläche des Wärmeübertragungselements eine Vielzahl von eingelagerten, getrennten, nichtbenetzbaren, mikroskopischen oder nahezu mikroskopischen Flächen aufweist, an denen sich Blasenkeime bilden sollen, und daß zwischen diesen getrennten Flächen benetzbare Flächen vorhanden sind, an denen die Blasen schnell wachsen und sich ablösen sollen.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung von derartigen Wärmeübertragungselementen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man zur Erzeugung der nichtbenetzbaren und der benetzbaren Flächen auf einer benetzbaren Oberfläche der Wärmeübertragungselemente voneinander getrennte mikroskopische oder nahezu mikroskopische Vertiefungen erzeugt, diese Vertiefungen mit einem nicht-

3 4

benetzbaren synthetischen Harz füllt und das über- keim 15 die in F i g. 1 dargestellte Form. Wenn die

schüssige Harz von den nicht vertieften Bereichen feste Oberfläche 10 dagegen von der Flüssigkeit

entfernt. nicht gut benetzt wird, d. h. wenn ein großer Berüh-

Die Erfindung ist an Hand der Zeichnung erläu- rungswinkel vorliegt, hat der Blasenkeim 16 die in

tert. 5 F i g. 2 dargestellte Form. Er hat infolgedessen einen

F i g. 1 zeigt die Bildung eines Blasenkeimes auf viel größeren Krümmungsradius, weshalb die zu sei-

einer gut benetzten oder hydrophilen Oberfläche; ner Bildung erforderliche Überschußenergie entspre-

F i g. 2 zeigt die Bildung eines Blasenkeimes auf chend geringer ist.

einer verhältnismäßig unbenetzbaren festen Ober- Das Wachstum des Blasenkeimes 16 auf einer

fläche, wobei der Blasenkeim im Vergleich zu F i g. 1 io nichtbenetzbaren Oberfläche bis zu der gestrichelten

ein Kugelsegment mit einem größeren Krümmungs- Linie 17 und dann weiter bis zu der gestrichelten Li-

radius darstellt; nie 18 ist schematisch in F i g. 2 a dargestellt, wobei

F i g. 2 a zeigt das Wachstum des Blasenkeimes der Blasenkeim immer seine charakteristische halb-

von F i g. 2 auf einer verhältnismäßig unbenetzbaren kugelige Form beibehält.

Oberfläche; 15 Ist jedoch das nichtbenetzbare Material erfin-

F i g. 2 b zeigt das Wachstum des Blasenkeimes von dungsgemäß auf einen kleinen Bereich 20 auf einer

F i g. 3 zu einem großen Bläschen sphärischer Form, benetzbaren Oberfläche 10 begrenzt, so wird das

wenn die verhältnismäßig unbenetzbare Oberfläche Bläschen schnell wieder sphärisch, wie es in F i g. 2 b

nach F i g. 2 von einer benetzbaren Oberfläche umge- dargestellt ist. Sobald sich also einmal auf der mi-

ben ist; 20 kroskopisch kleinen Fläche 20 ein Blasenkeim gebil-

F i g. 3 zeigt die Bildung eines Blasenkeimes an det hat, so wächst er sehr schnell, indem er Wärme

einer von einer benetzbaren Oberfläche umgebenen aus der umgebenden Flüssigkeit und dem Körper

mikroskopischen oder nahezu mikroskopischen Ver- aufnimmt, wobei sich ein Bläschen mit Kugelform

tiefung, die mit einem relativ unbenetzbaren oder hy- (gestrichelte Linie 26) bildet, das sehr schnell zu

drophoben Material ausgefüllt ist; 25 einem Bläschen 27 mit dem Vielfachen des durch-

F i g. 4 zeigt eine vergleichende graphische Dar- messers des ursprünglichen Blasenkeimes 25 weiter-

stellung der Wärmeübertragungskoeffizienten an er- wächst. Das kugelförmige Bläschen 27 kann sich

findungsgemäß behandelten und anderen Oberflä- leicht ablösen, da es nicht die ganze Wärmeübertra-

chen. gungsfläche 10 bedeckt, Durch diese kann die

Erfindungsgemäß kommt es darauf an, eine hin- 3° Wärme ungehindert übertragen werden, was bei einer

sichtlich ihrer Benetzbarkeit stark heterogene Ober- schlecht benetzbaren Oberfläche nicht der Fall wäre,

fläche zu schaffen, um hohe Wärmeübertragungsko- da diese durch den Dampf der Flüssigkeit abgedeckt

effizienten zu erzielen. wäre.

Es sollen also Teile der Oberfläche hydrophob Wie es in F i g. 3 dargestellt ist, können die mi- und andere hydrophil sein, wobei beide Teile oder 35 kroskopisch kleinen nichtbenetzbaren Flächen VerBereiche mikroskopisch oder nahezu mikroskopisch tiefungen 30 darstellen. Die mikroskopisch kleinen, klein sein sollen und der Anteil der hydrophilen Be- nichtbenetzbaren Flächen können auf chemischem, reiche an der Gesamtfläche überwiegen soll. mechanischem, elektrischem, akustischem, thermi-

Beim Sieden einer Flüssigkeit an einer Metallober- schem oder auf einem sonstigen Weg erzeugt werden.

fläche bilden sich Dampfblasenkeime in der Flüssig- 40 Die gewünschte Heterogenität kann erreicht werden,

keit oder an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit indem das nichtbenetzbare Material auf eine benetz-

und Metalloberfläche. Deren Größe liegt im moleku- bare Fläche aufgetragen wird oder umgekehrt; z. B.

laren Bereich. Damit die Blasen wachsen können, kann ein nichtbenetzbares Kunstharz in einem Lö-

muß Energie zugeführt werden, die um so größer ist, sungsmittel, das die Wärmeübertragungsfläche nicht

je kleiner die Blasenkeime sind. Beim Sieden ist also 45 benetzt, gelöst werden, und diese Lösung kann in

eine Energiebarriere zu überwinden, die die Wärme- einer viel größeren Menge eines flüchtigeren Lö-

übertragungsgeschwindigkeit beim Sieden sehr weit- sungsmittels gelöst werden, das die Metallfläche

gehend beeinflußt. benetzt. Die erhaltene Lösung stellt dann eine Tauch-

Die zum Sieden erforderliche Überschußenergie lösung für die Metalloberfläche dar.

hängt von der Oberflächenspannung der Flüssigkeit 5° Zunächst bildet sich ein gleichmäßig über die

ab. Auf den in Fi g. 1 dargestellten Blasenkeim 15 Oberfläche ausgebreiteter Film der Lösung, der beim

wirken folgende Kräfte ein: Verdampfen des das Metall benetzenden Lösungs-

Der Druck der Flüssigkeit, der die obere und die mittels zu kleinen Tröpfchen einer nichtbenetzenden

untere Hemisphäre des Blasenkeimes zusammenzu- Lösung zusammenläuft, die bei weiterem Verdamp-

drücken sucht, der Dampfdruck, der die beiden He- 55 fen die gewünschten mikroskopisch kleinen Flächen

misphären auseinanderzudrücken sucht, und die aus nichtbenetzbarem Kunststoff hinterläßt. Umge-

Oberflächenspannung, die die beiden Hemisphären kehrt kann z.B. für die Erdöldestillation eine sehr

zusammenzudrücken sucht. dünne Schicht eines das Erdöl benetzenden Kunst-

Die zur Blasenkeimbildung erforderliche, auf die harzes abgeschieden werden, in das kolloidale Teil-Volumeinheit bezogene Überschußenergie ist weiter- ⁶° chen von nassem Salz eingemischt sind, das durch hin umgekehrt proportional dem Kugelradius des Wasser aufgelöst wird und im Kunstharz Löcher hin-Blasenkeimes, so daß die Bildung von Blasenkeimen terläßt, die bis zu einer nichtbenetzbaren Metallmit molekularen Dimensionen energetisch ungünstig fläche reichen. Für beide Arten der Oberflächenbeist. handlung kann Ultraschall verwendet werden, um die

Die Übschußenergie wird aber weitgehend von den 65 beiden Flüssigkeiten oder eine Flüssigkeit und einen

Eigenschaften der festen Fläche beeinflußt. Wenn die Feststoff miteinander zu emulgieren und zu diesem

feste Oberfläche 10 gut benetzbar ist, d. h. einen Be- Zweck die suspendierte Flüssigkeit oder den suspen-

rührungswinkel von Null aufweist, hat der Blasen- dierten Feststoff in einem Muster anzuordnen, das

durch die Knoten von stehenden Wellen bestimmt ist. Auch eine Wärmebehandlung kann angewendet werden, um nichtbenetzbare Einschlüsse auf der Oberfläche zu erzeugen oder die Diffusion solcher anorganischer Einschlüsse zur Oberfläche zu verstärken. Es kann auch ein elektrisch aufgeladener Nebel einer geeigneten Flüssigkeit auf einer Metalloberfläche in Form von kleinen Tröpfchen abgeschieden werden, die entweder einen nichtbenetzbaren Rückstand bilden oder mit der Oberfläche unter Bildung eines nichtbenetzbaren Materials chemisch reagieren.

Vorzugsweise werden auf chemischem, mechanischem, elektrischem, akustischem, thermischem oder auf einem anderen Weg Vertiefungen in der Oberfläche erzeugt, die anschließend oder gleichzeitig mit einer nichtbenetzbaren Substanz gefüllt werden.

Diese Vertiefungen können chemisch durch Aufbringen einer geeigneten chemischen Substanz erhalten werden. Sie können auch mechanisch durch leichtes Beblasen mit Sand, durch Reiben an einer geeigneten rauhen Oberfläche, durch Aushöhlung mit Ultraschall usw. erzeugt werden. Auch elektrische Verfahren können angewendet werden, z.B. eine Lichtbogenbehandlung, elektrochemische Locherzeugung, Galvanisierung usw.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Kochen von Flüssigkeiten, enthaltend ein wandförmiges Wärmeübertragungselement mit einer Oberfläche, die mit der Flüssigkeit in Berührung steht, und eine Wärmequelle zum Erhitzen des Wärmeübertragungselements auf eine zum Kochen der Flüssigkeit ausreichende Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Flüssigkeit in Berührung stehende Oberfläche des Wärmeübertragungselements eine Vielzahl von eingelagerten, getrennten, nicht benetzbaren, mikroskopischen oder nahezu mikroskopischen Flächen aufweist, an denen sich Blasenkeime bilden sollen, und daß zwischen diesen getrennten Flächen benetzbare Flächen vorhanden sind, an denen die Blasen schnell wachsen und sich ablösen sollen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtbenetzbaren Flächen der Oberfläche des Wärmeübertragungselementes so weit begrenzt sind, daß das gesamte Gebiet der benetzbaren Flächen größer ist als das gesamte Gebiet der nichtbenetzbaren Flächen.

3. Verfahren zur Herstellung von Wärmeübertragungselementen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Erzeugung der nichtbenetzbaren und der benetzbaren Flächen auf einer benetzbaren Oberfläche der Wärmeübertragungselemente voneinander getrennte mikroskopische oder nahezu mikrokopische Vertiefungen erzeugt, diese Vertiefungen mit einem nichtbenetzbaren synthetischen Harz füllt und das überschüssige Harz von den nicht vertieften Bereichen entfernt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Vertiefungen durch Anätzen einer Metalloberfläche mit einem anorganischen Ätzmittel erzeugt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Vertiefungen mechanisch erzeugt.

6. Verfahren nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß man zum Ausfüllen der Vertiefungen ein Epoxyharz verwendet.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man anschließend das überschüssige Epoxyharz von den nicht vertieften Stellen durch Abschleifen entfernt.

8. Verfahren zur Herstellung von Wärmeübertragungselementen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man auf die Metalloberfläche des Wärmeübertragungselementes mikroskopische oder nahezu mikroskopische Volumina eines nichtbenetzbaren synthetischen Harzes voneinander getrennt, z. B. durch Aufsprühen, aufbringt.

9. Verfahren nach Anspruch 3 bis 5 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß man als synthetisches Harz Polytetrafluoräthylen verwendet.