DE1551542B2 - Verfahren zum herstellen einer zur uebertragung von waerme auf eine siedende fluessigkeit dienenden wand - Google Patents

Description

Tabelle 1

Oberfläche

Temperaturdifferenz erforderlich für einen Wärmeübergang von
2700 kcal/m²h

Temperaturdifferenz erforderlich
für einen Wärmeübergang von
2700 kcal/m²h

Wärmeübertragungskoeffizient
für einen Wärmeübergang von

2700 kcal/m²h 2700 kcal/m²h

Aluminium, glattes

Aluminium, mechanisch aufgerauht durch Fräsen in einer Richtung, wobei die Öffnungen
weder verringert wurden noch sich unter der
Oberfläche befanden

Aluminium, mechanisch aufgerauht durch
kreuzweises Fräsen in rechten Winkeln, wobei die Öffnungen weder verringert wurden
noch sich unter der Oberfläche befanden ...

Aluminium, gemäß der Erfindung in einer einzigen Richtung geritzt, wobei Höhlungen unter der Oberfläche entstanden, die verkleinerte Öffnungen hatten (F i g. 5)

Aluminium, erfindungsgemäß kreuzweise in
rechten Winkeln geritzt, wobei unter der
Oberfläche Höhlungen entstanden, die verringerte Öffnungen hatten (Fig. 1 und 2) ..

2,8° C

1,4⁰C

0,85° C

0,28° C

0,17° C

13,9° C

2,8⁰C

1,3⁰C

1,1⁰C

0,55° C

972

1944

360

9 720

16 040

1944

9 720

21600

25 600

48 600

Die Oberfläche wurde deshalb mit einem Kunstharz imprägniert, damit beim anschließenden Schneiden und Polieren ihre Struktur nicht verändert wird. Der Schnitt in einem sehr spitzen Winkel zum Verlauf der zuerst geformten Nuten wurde vorgenommen, damit die senkrechte Kante die Struktur der Siedefläche an verschiedenen Stellen entlang der Grate wiedergibt. F i g. 2 ist ein solcher Schnitt in einem Winkel von 95° zu der Richtung der zuerst geformten Nuten. Die Vorsprünge, welche diese Figur zeigt, sind Querschnitte der Grate, die zwischen den zuerst geformten Nuten entstehen, nachdem ein stumpfes Ritzwerkzeug im rechten Winkel zu den Graten über diese gezogen war. In der F i g. 2 bedeutet der Punkt 1 einen Querschnitt durch einen solchen Grat in einer Ebene zwischen zwei benachbarten kreuzweise verlaufenden Nuten. Der Punkt 2 ist ein Querschnitt eines anderen Grates an einer Stelle in der Mitte von einer im zweiten Arbeitsgang erzeugten kreuzweise verlaufenden Nut. Es sei darauf verwiesen, daß die zweiten Nuten sehr flach sind im Vergleich mit der Tiefe der Nuten zwischen den Graten. Die Grate sind also nicht in einzelne Abschnitte unterteilt. Die Tiefe der späteren Nuten kann gemessen werden durch die Differenz in der Höhe des Grates am Punkt 1 und in der Höhe des Grates am Punkt 2. Der Punkt 3 zeigt einen Querschnitt eines weiteren Grates in einer Ebene entlang der rückwärtigen Kante einer zweiten Nut. Der Querschnitt nach F i g. 2 zeigt also von rechts nach links die Struktur der Grate in verschiedenen Ebenen, beginnend mit einer benachbarten kreuzweise verlaufenden Nut rechts, fortfahrend zu einer benachbarten Nut in der Mitte und durch diese Nut bis zu ihrer Rückwand links. Diese Struktur wiederholt sich von einer Kante der Siedefläche bis zur entgegengesetzten Kante. Die Höhlungen unter der Oberfläche nach Fig. 1 und 2 bestehen aus fast vollständig geschlossenen Tunneln entlang den Böden der zuerst gebildeten Nuten. Die zweite Reihe von Nuten ist nur oberflächlich, und die Form der zuerst gebildeten Nuten und Grate ist praktisch fast unabhängig von den darüber gelagerten zweiten Nuten. Man sieht aber, daß beim Punkt 2, welcher dem Bodenteil der zweiten darüberliegenden Nut entspricht, die Struktur des oberen Teiles des Grates so geändert ist, daß die zuerst gebildete Nut fast vollständig geschlossen ist. In der Nähe der Punkte 1 und 3, welche Stellen zwischen benachbarten kreuzweise verlaufenden Nuten entsprechen, sind die oberen Teile der Grate weniger verändert. Dort bestehen also keine Öffnungen zu der Oberfläche, die größer sind als die Öffnungen zwischen den Graten in der Nähe des Punktes 1. Es scheint auch so, daß die tunnelartigen Höhlungen in der Nähe des Punktes 2 größer sind als in der Nähe der Punkte 1 und 2. Die F i g. 3 ist ein Querschnitt durch eine mit kreuzweise verlaufenden Nuten versehene Siedefläche, die ähnlich geritzt ist wie die Oberfläche nach F i g. 2. Hierbei war aber ein Ritzwerkzeug mit einem schärferen Ende verwendet, und die quer verlaufenden Einritzungen wurden etwa halb so tief gemacht wie die Nuten zwischen den ersten Graten.

Die sich wiederholende Art der Struktur geht aus der F i g. 3 besser hervor als aus der F i g. 2. Der Grat am Punkt R befindet sich auf einer Ebene zwischen benachbarten, kreuzweise verlaufenden

. Nuten, wobei man die Böden dieser benachbarten Nuten leicht bemerken kann.

Die unter der Oberfläche befindlichen Aushöhlungen nach F i g. 3 sind verschieden von denen nach F i g. 2. Sie enthalten Teile unter den kreuzweise geritzten Nuten, die durch das darüberliegende Ma-

terial der Grate geschlossen sind und mit der Oberfläche nur durch die verengten, im rechten Winkel befindlichen öffnungen der benachbarten Höhlungen in Verbindung stehen.

Den Höhlungen nach den F i g. 2 und 3 ist gemeinsam, daß sie verengte öffnungen haben, am welchen während des Siedens Dampf entweicher kann, ohne daß die eingeschlossenen Dampfblasen abgelöst werden. Beide Höhlungen haben ferner an

in einem Winkel von etwa 95° mit den waagerechten Nuten der F i g. 1 geführt ist;

F i g. 3 ist eine etwa vierzigfach vergrößerte Fotografie eines Querschnittes einer erfindungsgemäß hergestellten Wandung ähnlich Fig. 2;

F i g. 4 ist eine etwa vierzigfach vergrößerte Fotografie eines Querschnittes einer anderen erfindungsgemäß hergestellten Oberfläche ähnlich F i g. 2;

Fig. 5 ist eine etwa zwanzigfach vergrößerte Fotografie der Oberfläche einer erfindungsgemäß hergestellten Wandung mit in einer einzigen Richtung verlaufenden Nuten;

F i g. 6 ist eine etwa vierzigfach vergrößerte Fotografie eines Querschnittes einer anderen Oberfläche mit in einer einzigen Richtung verlaufenden Nuten, der in einem rechten Winkel zu den Graten und Nuten geführt ist;

Fig. 7 zeigt graphisch das Siedeverhalten von Wasser in Berührung mit einer glatten Oberfläche aus Aluminium und mit einer gemäß der Erfindung hergestellten Aluminiumoberfläche;

Fig. 8 zeigt graphisch das Siedeverhalten von flüssigem Stickstoff in Berührung mit einer glatten Aluminiumoberfläche und mit einer gemäß der Erfindung hergestellten Aluminiumoberfläche;

F i g. 9 zeigt im Querschnitt eine Vorrichtung zum Ritzen von Nuten in einer Richtung;

Fig. 10 zeigt im Querschnitt eine Vorrichtung zum Ritzen von Oberflächen, mit der in beiden Richtungen gearbeitet werden kann;

Fig. 11 zeigt im Querschnitt eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Einritzen von mehreren Nuten unter Verwendung eines runden Werkzeuges;

Fig. 12 zeigt eine Endansicht der Vorrichtung nach Fig. 11;

Fig. 13 zeigt graphisch das Siedeverhalten von flüssigem Stickstoff in Berührung mit einer glatten Aluminiumoberfläche und mit in einer einzigen Richtung geritzten erfindungsgemäß hergestellten Oberflächen mit Abständen der Nuten von 0,1 bis 0,9 mm;

Fig. 14 zeigt graphisch das Siedeverhalten von Wasser in Berührung mit einer glatten Aluminiumoberfläche und mit in einer einzigen Richtung geritzten erfindungsgemäß hergestellten Aluminiumoberflächen mit Abständen der Nuten von 0,1 bis 0,9 mm;

Fig. 15 zeigt graphisch das Siedeverhalten von Wasser in Berührung mit glatten metallischen Oberflächen und in Berührung mit kreuzweise geritzten Oberflächen aus verschiedenen Metallen, wobei die Nuten Abstände von 0,11 bis 0,55 mm haben.

Die verbesserte Wärmeübertragung mit den erfindungsgemäß hergestellten Siedeflächen beruht darauf, daß die in geringen Abständen befindlichen engen Nuten nur einen sehr dünnen Flüssigkeitsfilm um die eingeschlossenen Dampfblasen herum entstehen lassen. Deshalb hat die Wärme von der Oberfläche der Wandung bis zur Grenzfläche zwischen der flüssigen und der Dampfphase nur eine kurze Strecke zurückzulegen und trifft auf einen nur geringen Widerstand. Die in Dampf übergeführte Flüssigkeit wird kontinuierlich ersetzt durch neue Flüssigkeit, die durch die öffnungen der Taschen bildenden Nuten oder durch öffnungen der querverlaufenden Nuten zufließt.

Bei einer üblichen glatten Metalloberfläche gibt es nur wenige Stellen, an welchen Dampfblasen entstehen. Damit die Dampfblasen wachsen können, ist eine erhebliche Überhitzung erforderlich, um die Oberflächenspannung kleiner Blasen zu überwinden, welche die Dampfblasen zusammendrückt. Die Wärme zum Wachsen der Dampfblasen muß durch Konvektion und Leitung von dem Metall zu den verhältnismäßig weit entfernten Phasenoberflächen der Blasen gebracht werden, die fast vollständig von größeren Flüssigkeitsmengen umgeben sind. Bei den erfindungsgemäß hergestellten Siedeflächen findet die Verdampfung der Flüssigkeit ganz innerhalb der Höhlungen statt, und eine Überhitzung der Hauptmenge der Flüssigkeit ist nicht erforderlich und tritt nicht ein.

Das oben beschriebene Verhalten der Siedefläche ist nicht in der Hauptsache ein Ergebnis der Vergrößerung ihrer Oberfläche, z. B. durch Aufrauhen. Das wird bewiesen durch Vergleichsversuche. Hierbei wurde eine mit kreuzweise verlaufenden Nuten versehene erfindungsgemäß hergestellte Siedefläche verwendet, die mit einem Kupferblock verbunden war. Der Kupferblock enthielt im Inneren Heizschlangen, um eine Flüssigkeit, wie flüssigen Stickstoff, zu erhitzen, in welchen der ganze Block eingetaucht war. Bei einem sehr geringen Wärmefluß, der nicht genügte, um die Höhlungen mit wesentlichen Mengen von Dampf zu füllen, waren der Wärmeübertragungskoeffizient und die sichtbare Blasenbildung ähnlich denjenigen, die mit einem Kupferblock mit glatter Oberfläche beobachtet wurden. Bei größeren Wärmeflüssen, bei welchen größere Dampfmengen in den Höhlungen entstanden, waren außergewöhnlich hohe Siedekoeffizienten zu beobachten, die mit einem Block mit einer glatten Oberfläche oder mit einer mechanisch aufgerauhten Oberfläche nicht zu erreichen waren. Die nachstehende Tabelle enthält die beobachteten Werte beim Sieden von Stickstoff an einer glatten und einer nach der Erfindung kreuzweise geritzten Oberfläche.

Die in der Fig. 1 gezeigte Siedefläche war mit kreuzweise verlaufenden Nuten versehen, die durch Einritzen hergestellt waren. Das Werkzeug wurde zunächst entlang der Oberfläche von links nach rechts gezogen, wobei man oben begann. Nach der Bildung jeder Nut brachte man das Werkzeug ein Stückchen weiter nach abwärts, so daß hierbei schließlich eine Reihe von parallel verlaufenden Graten entstand, die durch Nuten voneinander getrennt waren. Dann wurde das Werkzeug quer zu diesen ersten Graten hinweggezogen, wobei kreuzweise verlaufende Nuten entstanden. Hierbei führte man das Werkzeug praktisch in einem Winkel von 90° zu den zuerst gebildeten Graten, und zwar von oben nach unten. Nach Fertigstellung der einen Nut wurde das Werkzeug von rechts nach links in der Figur etwas versetzt. Hierbei entstand eine zweite Reihe von Nuten in rechten Winkeln zu den zuerst gebildeten Graten. Um die Struktur der Oberfläche zu verstehen, ist eine Fotomikrografie der Oberfläche, wie sie die Fig. 1 zeigt, nicht ganz geeignet, da man an ihr nicht sieht, welche Struktur sich unterhalb der Oberfläche befindet. Um diese Tatsachen deutlicher darzustellen, wurde eine Oberfläche nach F i g. 1 mit einem Kunstharz imprägniert. Dann schnitt man sie senkrecht zur Ebene in einem sehr spitzen Winkel zu dem Verlauf der zuerst geformten Nuten auf. Einer dieser Schnitte wurde dann poliert und fotografiert.

dere Öffnungen, durch welche Flüssigkeit zum Ersatz der verdampften Flüssigkeit und zur Bildung eines dünnen Flüssigkeitsfilmes zwischen den Dampfblasen und der Siedeoberfläche eintreten kann. Nach F i g. 2 und 3 können nicht alle Höhlungen Dampfblasen einschließen oder Dampf freisetzen, da die Siedefläche niemals ganz gleichmäßig geformt ist. Immerhin besitzen Siedeflächen nach den Fig. 1 bis 3 mehrere Zehntausende von blasenbildenden Stellen. Selbst wenn nicht alle Punkte derart sind, gibt es doch so viele von ihnen, daß das überraschend gute Siedeverhalten verständlich ist.

Die F i g. 4 ist ein senkrechter Querschnitt durch eine andere Siedefläche, wobei, wie nach F i g. 2, die ersten Nuten sehr viel tiefer sind als die zweiten Einritzungen. Die abgebildete Struktur unterscheidet sich von der nach F i g. 2 dadurch, daß die verengten Öffnungen an der äußeren Oberfläche durch Überlappen der äußeren verformten Teile der Grate und nicht durch seitliche Verformung der gesamten Grate gebildet sind.

Die F i g. 5 zeigt eine Siedefläche mit in einer einzigen Richtung verlaufenden Nuten, die durch ein ritzendes Werkzeug hergestellt sind. Das Werkzeug war von rechts nach links über die Oberfläche gezogen worden, und zwar in einem Winkel von 10° zu der Senkrechten, d. h. in einem Winkel von + 10°. Nach jedem Ritzstrich wurde das Werkzeug von unten nach oben versetzt.

Die F i g. 6 zeigt einen senkrechten Querschnitt einer anderen Siedefläche mit in einer Richtung verlaufenden Nuten. Der Schnitt ist im rechten Winkel zu den Graten und den Nuten gemacht. Hierbei war das ritzende Werkzeug senkrecht gehalten worden und bewegte sich von rechts nach links, wobei die letzte Nut links geformt wurde. Auch hier entstanden die verformten Grate von dem ritzenden Werkzeug, das die Grate in Richtung der vorher eingestellten Nut umbog. Die charakteristischen tunnelartigen Aushöhlungen mit ihren verengten Öffnungen nach der Oberfläche sind hier deutlich zu sehen.

Die Unterschiede in der Struktur der verschiedenen Oberflächen hängen von verschiedenen Variablen ab, z. B. von dem Abstand der Nuten, von der Tiefe der eingeritzten Nuten, von dem Neigungswinkel des Werkzeuges, von der Geschwindigkeit, mit welcher das Werkzeug bewegt wird, gegebenenfalls, von der Art des beim Ritzen verwendeten Schmiermittels, von der Form der Werkzeugspitze u. dgl. Ritzt man z. B. bei einem gegebenen Abstand die Nuten tiefer, so werden die Grate stärker verformt. Ebenfalls bewirkt eine Neigung des ritzenden Werkzeuges in einem Minuswinkel oder in einem größeren Pluswinkel eine stärkere Verformung der Grate. Bei geringeren Tiefen der Nuten kann eine gegebene höhere Wirksamkeit erzielt werden durch ein zweites Ritzen senkrecht zu dem ersten, da hierbei wiederum die Grate stärker verformt werden.

Die Siedeflächen nach den F i g. 1 bis 6 waren auf einer ebenen wärmeaustauschenden Wandung hergestellt worden. Ähnliche Strukturen können aber auch beispielsweise auf gewölbten Oberflächen erhalten werden, z. B. auf den Oberflächen von wärmeaustauschenden Rohren.

Vorzugsweise verfährt man bei der erfindungsgemäßen Herstellung von Oberflächen mit kreuzweise verlaufenden Nuten so, daß das Metall nicht entfernt, sondern verformt wird. Bei der Bildung der parallelen Nuten beim ersten Bearbeiten verdrängt das ritzende Werkzeug das Metall nach oben und nach außen. Werden dann die parallelen Nuten einer zweiten, im Winkel hierzu verlaufenden Reihe hergestellt, so wird das schon früher verdrängte Metall der Grate erneut verformt. Hierbei werden die ersten Nuten teilweise geschlossen, so daß Höhlungen entstehen, die unter der Oberfläche vergrößert sind und verengte Öffnungen nach außen haben.

ίο Um den Zutritt der Flüssigkeit zu den Höhlungen zu erleichtern und um solche Höhlungen überhaupt zu bilden, macht man die zweiten Einritzungen vorzugsweise nicht so tief wie die ersten. Hierbei entstehen Höhlungen an dem Boden der ersten Nuten, die oben teilweise durch Metall verschlossen sind, welches durch die zweiten überlappenden Einritzungen verformt ist. Hierdurch entstehen ungestörte Verbindungen in Kanalform zwischen den Höhlungen unter der Oberfläche. Derartige unterschnittene Formen erleichtern das Einfangen von Dampf in den Höhlungen.

Vorzugsweise stellt man die ersten Nuten mit einem Werkzeug her, das gegen die Oberfläche geneigt ist, so daß auch geneigte Nuten entstehen. Das Werkzeug zur Herstellung der zweiten Nuten wird vorzugsweise in der Richtung bewegt, in welcher die ersten Nuten geneigt sind; hierbei entstehen am besten die gewünschten Höhlungen mit verengten Öffnungen.

Wichtig für die erfindungsgemäß hergestellten Oberflächen ist der Abstand der Nuten voneinander. Bei geringeren Abständen entstehen kleinere Höhlungen, die insbesondere zum Sieden von Flüssigkeiten mit verhältnismäßig niedriger Oberflächen-Spannung, wie Sauerstoff und Stickstoff, geeignet sind. Für diese beiden Flüssigkeiten und für Flüssigkeiten mit einer ähnlichen Oberflächenspannung ist eine Oberfläche aus Aluminium mit Abständen der Nuten von 0,12 bis 0,18 mm voneinander geeignet.

Bei größeren Abständen der Nuten entstehen größere Höhlungen, die besonders geeignet sind zum Sieden von Flüssigkeiten mit einer verhältnismäßig hohen Oberflächenspannung, wie Wasser. Für Wasser und für Flüssigkeiten mit einer ähnlichen Oberflächenspannung sind Abstände der Nuten von 0,21 bis 1,25 mm voneinander vorzuziehen. Bei siedenden Flüssigkeiten mit einer mittleren Oberflächenspannung zwischen der von Wasser und der von flüssigem Sauerstoff oder Stickstoff sollten auch die Abstände zwsichen den Nuten einen mittleren Wert haben.

Die angegebenen Abstände zwischen den Nuten sind deshalb vorzuziehen, weil sie Höhlungen von optimaler Größe ergeben. Man kann aber natürlich auch mit einer Siedefläche, die für flüssigen Stickstoff vorgesehen ist, auch Wasser zum Sieden bringen; das Verhalten einer solchen Oberfläche in Wasser ist dem einer glatten Oberfläche immer überlegen, auch wenn die Höhlungen nicht die optimale Größe haben.

Im allgemeinen soll man den größten Abstand der Nuten voneinander wählen, um das gewünschte Verhalten zu erzielen. Der Grund hierfür ist der, daß bei größeren Abständen dickere und widerstandsfähigere Grate entstehen, die durch Korrosion oder Erosion weniger beschädigt werden und sich leichter herstellen lassen.

In der Tabelle 2 sind einige Werte für Siedeflächen nach den Fig. 1 bis 6 enthalten.

309 517/Π

ίο

	Nuten	Tabelle 2	Tiefe	Tiefe	Neigungswinkel
	Abstände	Spitzenwinkel	der ersten Nuten	der zweiten Nuten	des ritzenden
Figur	mm1)	des ritzenden	mm	mm	Werkzeuges2)
	0,18	Werkzeuges	0,40	0,06	+ 10°
Iund2	0,12	30°	0,28	0,20	+ 10°
3	.. 0,42	30°	0,58	0,20	+ 10°
4	0,11	30°	0,20	0	+ 10°
5	0,11	30°	0,31	0	0°
6	30°

¹J Die Abstände der Nuten in beiden Richtungen waren dieselben.

²) Ein Pluswinkel bedeutet, daß das ritzende Werkzeug in der Richtung seiner Fortbewegung geneigt war; ein Minuswinkel bedeutet, daß daß ritzende Werkzeug in der entgegengesetzten Richtung geneigt war.

Die F i g. 7 und 8 zeigen das Siedeverhalten von erfindungsgemäß hergestellten Oberflächen im Vergleich zu glatten Oberflächen. Die F i g. 7 enthält die Ergebnisse für Wasser, die Fig. 8 für flüssigen Stickstoff.

In der F i g. 7 zeigt die Kurve 1 das Verhalten einer aus Aluminium bestehenden Siedefläche, die Nuten lediglich in einer Richtung nach F i g. 5 enthält. Die Kurve 2 zeigt das Verhalten einer typischen, mit kreuzweise verlaufenden Nuten versehenen Oberfläche aus Aluminium. Diese letztere Oberfläche hatte erste Nuten mit einer Tiefe von 0,38 mm und zweite darüber hinweglaufende Nuten mit einer Tiefe von 0,28 mm. In beiden Richtungen hatten die Nuten Abstände von 0,26 mm. Die Kurve 3 zeigt das Verhalten einer Siedefläche aus Kupfer nach Fig. 4 und Tabelle 2. Wie die Fig. 7 zeigt, übertragen die beiden durch die Kurven 1 und 2 dargestellten erfindungsgemäßen Oberflächen etwa 5mal so viel Wärme wie die durch die gestrichelte Lime 4 dargestellte glatte Oberfläche aus Aluminium. Man sieht, daß alle drei Kurven 1, 2 und 3 in dieser Beziehung eine Überlegenheit der erfindungsgemäßen Siedeflächen zeigen gegenüber einer bekannten Siedefläche aus Kupfer nach der Kurve 5, in welche Riefen in Abständen von 1,9 mm voneinander eingefräst waren.

Die größere Steigung der Kurven 1 und 2 zeigt ferner, daß die Wärmeübertragung nach diesen Kurven bei Erhöhung der Temperaturdifferenz stärker zunimmt als bei einer glatten Oberfläche.

In der F i g. 8 gibt die Kurve 1 das Verhalten einer aus Aluminium bestehenden Oberfläche nach F i g. 5 wieder, die Kurve 2 das Verhalten einer aus Aluminium bestehenden Oberfläche nach F i g. 3 und die Kurve 3 das Verhalten einer aus Aluminium bestehenden Oberfläche nach den Fig. 1 und 2. Im Vergleich hierzu gibt die gestrichelte Kurve 5 das Verhalten einer glatten Oberfläche aus Aluminium wieder. Wie man sieht, ist das Verhalten der erfindungsgemäßen Siedeflächen mehr als 50mal besser als das Verhalten einer glatten Oberfläche aus Aluminium.

Kreuzweise verhältnismäßig tiefe Nuten und geringe Abstände der Nuten führen zu einem extremen Überschneiden und einer starken Verdrängung von Metall. Solche Siedeflächen haben eine unregelmäßige Orientierung der obersten Schichten, und das Metall solcher Schichten ist etwas brüchig. Wie aber die Kurve 4 nach F i g. 8 zeigt, ist auch das Siedeverhalten solcher Oberflächen ausgezeichnet. Diese Oberfläche aus Aluminium hatte Abstände der Nuten von 0,11 mm in beiden Richtungen und Nuten von 0,25 mm Tiefe in beiden Richtungen. Derartige Oberflächen sind besonders geeignet, um Flüssigkeiten mit einer niedrigen Oberflächenspannung, wie niedrigsiedende verflüssigte Gase, zum

ao Sieden zu bringen.

Die erfindungsgemäß hergestellten Siedeflächen lassen sich zum Sieden von verflüssigtem Stickstoff und zum Sieden von anderen niedrigsiedenden verflüssigten Gasen verwenden. Der zwar nicht so große, aber immerhin bemerkenswerte Fortschritt beim Sieden von Wasser zeigt, daß die erfindungsgemäß hergestellten Oberflächen sich auch z. B. beim Entsalzen von Seewasser durch Destillation verwenden lassen, wo kleine Temperaturdifferenzen auftreten und eine hohe Wirksamkeit gefordert wird.

Wie schon gesagt, werden die Oberflächen vorzugsweise mittels eines ritzenden Werkzeuges zur Herstellung wenigstens einer Reihe von Nuten bearbeitet, d. h., das Metall wird seitlich verdrängt und nicht abgehoben. Beim Ritzen entstehen keine glatten Schnitte, und die Vertiefungen können Grate, Metallbruchstücke u. dgl. enthalten und ziemlich rauh sein. Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn die geritzte Oberfläche mittels einer Lösung,

z. B. mit Aceton, gereinigt wird, um lose Metallteilchen zu entfernen. Die fest haftenden rauhen Vorsprünge sollen nicht entfernt werden, da sie häufig durch ihre Struktur zu der guten Wirksamkeit beitragen.

Die erfindungsgemäß hergestellten Siedeflächen können in Wärmeaustauschern mit Platten und Rippen verwendet werden. Hierbei behandelt man die flachen Bleche erfindungsgemäß, welche die engen Leitungen abteilen. Die ebenen Platten und Bleche werden üblicherweise so eingeritzt, daß man sie gegen das Bett einer Hobelvorrichtung preßt und das Werkzeug in üblicher. Weise über die Platte lauf en läßt. Beim Hindurchlaufen unter dem Werkzeug wird die Oberfläche eingeritzt. Nach jedem Schnitt wird das Werkzeug einige hundertstel Millimeter versetzt, um die nächste Einritzung herzustellen. Hierfür ist eine sehr feste Maschine erforderlich, bei welcher der Werkzeughalter und die Vorrichtung zum Versetzen des Werkzeugs . wenig vibrieren.

Man kann aber auch nach dem ersten Nutbildungsvorgang die querverlaufenden Nuten mittels eines Fräsers herstellen, wobei das Werkstück festgehalten wird und das Werkzeug sich waagerecht über das Werkstück bewegt. Auch hierbei wird nach jedem Schnitt das Werkzeug in eine Stellung für den nächsten Schnitt versetzt.

Die Fig. 9 bis 12 zeigen ritzende Werkzeuge zum

11 12

erfindungsgemäßen Herstellen von Oberflächen. Nach spannung) und da die Siedetemperaturen zwischen

der Fig. 9 hat das Werkzeug 11 eine einzige —196 und 100° C liegen.

Schneide 12, die nur in einer Richtung einritzt, Alle Siedeflächen waren aus Aluminiumblechen wobei in der Wandung 14 die Einritzungen 13 ent- hergestellt. Zur Bearbeitung dieser Flächen wurden stehen. Beim Gebrauch fährt das Werkzeug über 5 Werkzeuge nach den Fig. 9 und 10 verwendet. Mit die ganze Länge der Wandung, dann wird es ab- Ausnahme der Abstände der Nuten waren alle Paragehoben und wieder in seine Ausgangsstellung ge- meter identisch. Die nominelle Tiefe der Nuten bebracht, worauf die nächste Ritze hergestellt wird. trug 0,2 mm, d. h., das ritzende Werkzeug und das

Fig. 10 zeigt ein Werkzeug 11' mit zwei symme- Werkstück waren so eingestellt, daß Nuten dieser

irischen Schneiden 12 a und 12 b, die in beiden io Tiefe geschnitten wurden. Der Schneidenwinkel des

Richtungen wirken können. Das Werkzeug 11' formt Werkzeuges betrug 30°. Das Werkzeug war in einem

eine Einritzung 13' bei der Bewegung in der einen Winkel von +10° gegen die Fläche geneigt. Die

Richtung und sofort anschließend daran eine weitere Abstände der Nuten voneinander sind in der nach-

Einritzung bei der umgekehrten Bewegung. Auf stehenden Tabelle 3 wiedergegeben, diese Art ist das Einritzen billiger und geht schneller 15
vonstatten.

Die Fig. 11 und 12 zeigen weitere zum Ritzen _. ... . labelled ...... _XI

geeignete Werkzeuge, die schneller arbeiten. Mehrere ^Obe^^ache Abstandest Nuten Werkzeugella bis 11/ sind auf einer Welle 15 befestigt und durch zylindrische Abstandshalter 16a 20 * ^*

bis 16e voneinander getrennt. Jedes Werkzeug ist ir J^'^

tellerförmig mit einer Schneide 12a bis 12/ entlang (\οκ

seines ganzen Umfanges. Alle Werkzeuge sind mit j| η λ 9.

der Welle 15 verkeilt. Die Welle ruht in einem Lager ~ Jj'ir

17, die ihrerseits an einem Werkzeughalter 18 und 25 )> \l*

an einer Vorrichtung zum Versetzen befestigt ist, S

wobei die ganze Vorrichtung einer Hobelbank ähnelt.

Eine Scheibe oder ein Getriebe 19 ist mit dem Ende Die Fig. 13 zeigt, daß selbst die Oberflächen 1 der Welle 15 verkeilt. Diese Scheibe 19 hat einen und 2 mit verhältnismäßig großen Abständen der Stift 20, der durch Löcher oder Zähne geführt wird 30 Nuten erheblich besser sind als eine glatte Ober- und in einen Ausschnitt im Werkzeughalter 18 ein- fläche nach der gestrichelten Kurve 7. Wenn beigreift. Dadurch werden die Werkzeuge gegen Ro- spielsweise ein Wärmefluß von 13 500kcal/m²/h getieren gesichert. Beim Bewegen der Unterlage 14 fordert wird, so kann dieser bei einer erfindungsunter diesen Werkzeugen entstehen mehrere Nuten gemäß hergestellten Oberfläche schon bei einer 13. Da die Schneiden der Werkzeuge in jeder Rieh- 35 Temperaturdifferenz von 3,3° C erreicht werden, tung symmetrisch sind, können beim Rückwärts- während bei einer glatten Oberfläche (Nr. 7) eine gang weitere Reihen von Nuten erzeugt werden. Temperaturdifferenz von 7,5° C notwendig ist. Bei

Wenn die Schneiden der Werkzeuge in einer Stel- höheren Wärmeflüssen sind die Unterschiede noch

lung abgetragen oder stumpf werden, so entfernt größer, was aus dem steileren Verlauf der Kurven

man den Stift 20, dreht das gesamte Werkzeug um 40 für die erfindungsgemäß hergestellten Oberflächen

einige Grad und sichert es dann durch Einsetzen gegenüber der glatten Oberfläche hervorgeht. Es sei

des Stiftes 20 durch ein anderes Loch. noch bemerkt, daß die Oberfläche Nr. 6 mit den

Das Werkzeug kann auf zwei Arten die Struktur geringsten Abständen der Nuten für einen gegebenen

der beim Ritzen entstehenden Oberflächen beein- Wärmefluß die geringsten Temperaturdifferenzen

flüssen. Wichtig ist der Neigungswinkel des Werk- 45 erfordert, daß aber diese Kurve stärker geneigt ist

zeuges, der oben schon erwähnt wurde. Ferner ist als die Kurven für Oberflächen mit Nuten mit grö-

wichtig der Winkel, den die Schneide des Werk- ßeren Abständen (1 bis 5). Bei verhältnismäßig

zeuges hat. Ein großer Schneidenwinkel erzeugt hohen Wärmeflüssen zeigt die Fig. 13, daß die

breitere Einritzungen, während mittels eines Werk- Oberfläche 6 den Oberflächen 4 und 5 nur wenig

zeuges mit einem kleineren Schneidenwinkel enge 50 überlegen ist. Die letzteren sind daher zum Sieden

schlitzartige Einritzungen hergestellt werden. Dieser von flüssigem Stickstoff vorzuziehen, da sie sich

letztere Winkel beeinflußt auch die Menge des Me- billiger herstellen lassen und haltbarer sind,

tails, das in eine parallele benachbarte Nut hinein- Die Fig. 14 zeigt die beim Sieden von Wasser

gedrückt wird. Der Schneidenwinkel beeinflußt auch erzielten Fortschritte. Bei einem Wärmefluß von

die Lebensdauer des Werkzeuges. Werkzeuge mit 55 beispielsweise 27 000 kcal/m²/h ist bei einer glatten

kleinem Schneidenwinkel zerspanen leicht und haben Oberfläche nach der gestrichelten Kurve 7 eine Tem-

eine verhältnismäßig kurze Lebensdauer. Der peraturdifferenz von 8,3° C erforderlich, während

Schneidenwinkel der Werkzeuge sollte zwischen 20 diese Temperaturdifferenzen bei den Oberflächen 1,4

und 45°, vorzugsweise zwischen 20 und 30° liegen. und 6 nur 3,2, 2,3 und 1° C betragen.

Die Fig. 13 und 14 zeigen ebenfalls die Über- 60 Die Fig. 13 und 14 zeigen ebenso wie die Fig. 7 legenheit von erfindungsgemäß hergestellten Ober- und 8, daß die erfindungsgemäß hergestellten Oberflächen mit Nuten lediglich in einer Richtung bei flächen unabhängig von der Oberflächenspannung siedendem verflüssigtem Stickstoff (Fig. 13) und bei der siedenden Flüssigkeiten erhebliche Vorteile mit siedendem Wasser (Fig. 14). Die beiden Flüssig- sich bringen.

keiten, Wasser und Stickstoff, sind ausgesucht, da 65 Die Fig. 15 zeigt das Verhalten von zehn ver-

sie einerseits sehr verschiedene Oberflächenspannun- schiedenen, kreuzweise geritzten Oberflächen mit

gen haben (flüssiger Stickstoff mit niedriger Ober- Abständen der Nuten von 0,11 bis 0,55 mm im Ver-

flächenspannung, Wasser mit hoher Oberflächen- gleich mit einer glatten Oberfläche nach der ge-

strichelten Kurve 11 beim Sieden von verflüssigtem Stickstoff bei —196° C. Die Oberflächen bestanden aus sechs verschiedenen Metallen. Alle Oberflächen waren mit Werkzeugen nach den Fig. 9 und 10 ein-

geritzt. Die zweite Reihe der Nuten verlief in einem Winkel von 90° zu der ersten Reihe der Nuten und Grate. Die Tabelle 4 enthält die erforderlichen Angaben für diese Oberflächen.

Tabelle

Kurve	Material	Abstände der Nuten	Tiefe .· der ersten Nuten	Tiefe der zweiten Nuten	Schneidenwinkel des Werkzeuges **)
		mm	mm	mm
1	Kupfer	0,42	0,58	0,20	30°
2	30% Cu*), 67% Ni	0,30	0,20	0,15	—
3	30% Cu*), 67% Ni	0,13	0,28	0,20	—
4	Nickel	0,18 ■	0,20	0,20	—
5	70% Cu, 30% Ni	0,25	0,20	0,10***)	—
6	90% Cu, 10% Ni	0,18	0,20	0,10***)	—
7	Aluminium	0,55	0,20	0,20	30°
8	Aluminium	0,25	0,20	0,20	30°
9	Aluminium	0,21	0,20	0,10	45°
10	Aluminium	0,11	0,20	0,20	30°

*) Der Rest von 3 %> besteht aus Eisen, Mangan und Spurenelementen.

**) Der Neigungswinkel des Werkzeuges betrug in allen Fällen +10°, außer wo andere Werte angegeben sind. ***) Der Neigungswinkel des Werkzeuges betrug 0°.

Der Vergleich der Kurven 5 und 6 mit den Kurven? und 8 nach Fig. 15 zeigt, daß im allgemeinen geringere Abstände der Nuten die Oberflächen wirksamer machen. Genau dasselbe war bei den lediglich in einer Richtung geritzten Oberflächen nach Fig. 14 zu sehen. Der Grund hierfür liegt wieder bei der verhältnismäßig niedrigen Oberflächenspannung von flüssigem Stickstoff. Die Fig. 15 zeigt ferner, daß erfindungsgemäß hergestellte Oberflächen aus beliebigen Metallen erhebliche Fortschritte mit sich bringen. Alle Kurven 1 bis 10 zeigen eine bessere Wirksamkeit, als sie glatte Oberflächen haben.

Es wurde ferner gefunden, daß erfindungsgemäß hergestellte Siedeflächen eine ausgezeichnete Wärmeübertragung haben, wenn man salziges Seewasser unter solchen Bedingungen zum Sieden bringt, daß Kesselstein entsteht. Auch dann, wenn Kesselstein entstand und die Wirksamkeit der Oberflächen sank, konnte die ursprüngliche Fähigkeit zur Wärmeübertragung vollständig wiederhergestellt werden, wenn man dem Seewasser 0,5% Salzsäure zugab. Diese Salzsäure löste den Kesselstein aus der mit Vertiefungen versehenen Schicht.

Eine mit kreuzweise verlaufenden Nuten versehene Kupferoberfläche nach F i g. 4, die in der Tabelle 4 mit 1 bezeichnet war und Nuten in Abständen von 0,42 mm hatte, wurde verwendet, um im Kreislauf drei verschiedene, dem Seewasser ähnliche Lösungen zum Sieden zu bringen mit einem konstanten .Wärmefluß von 13 500 kcal/m²/h. Die Alkalität betrug etwa 100 ppm, und der Konzentrationsfaktor war 2,5 bis 3,0. Der Konzentrationsfaktor ist das Verhältnis des Salzgehaltes zu dem Salzgehalt von normalem Seewasser. Die erste Lösung enthielt genügend Kalziumcarbonat, das als Kesselstein niedergeschlagen wurde, wobei der pH-Wert um etwa 0,5 höher lag als der SättigungspH-Wert von 6,9. Unter diesen Umständen sank der Siedekoeffizient von etwa 14 580 auf etwa 2430 kcal/m²/h/° C. Bei Zugabe von 0,5% Salzsäure löste sich der aus Kalziumcarbonat bestehende Kesselstein unter Entwicklung von Kohlendioxyd, worauf der Siedekoeffizient wieder den Wert von 14 580kcal/m²/h/°C erreichte. Auf Grundlage der zugesetzten Salzsäure wurde geschätzt, daß die Menge des Niederschlages 540 bis 1080 g/m² betrug, wenn der Siedekoeffizient auf seinen niedrigsten Wert gesunken war.

Dann wurde der Konzentrationsfaktor auf 3,0 erhöht, wobei CaSO₄ und CaSO₄ · 1/2 H₂O in einer Menge über ihrer Sättigung vorhanden waren. Der pH-Wert bei diesem Versuch wurde herabgesetzt, um das Ausfällen anderer kesselsteinbildender Verbindungen zu verhüten. Die Wärmeübertragung sank wieder auf 3640 kcal/m²/h/° C, was das Niederschlagen von Kesselstein anzeigte. Wiederum gab man Salzsäure in derselben Konzentration wie oben hinzu. Hierbei wurde aber kein Kohlendioxyd entwickelt, was auf die Abwesenheit von Kalziumcarbonat hindeutete. Der Siedekoeffizient stieg wieder auf 14 580kcal/m²/h/°C, was zeigte, daß Kesselstein aus CaSO₄ durch Waschen mit Säure entfernt wird. Dann ließ man das ganze System mehrere Tage lang unter solchen Bedingungen arbeiten, daß die hauptsächlichen kesselsteinbildenden Verbindungen, Kalziumcarbonat, Kalziumsulfat und Magnesiumhydroxyd, unter ihrer Löslichkeit bei dem Siedepunkt zugegen waren. Der Siedekoeffizient blieb konstant bei etwa 14 580kcal/m²/h/°C, was zeigte, daß die Bildung von Kesselstein die mit Vertiefungen versehene Schicht nicht geschädigt hatte. Dieser Koeffizient ist etwa lOmal höher als einer, der unter den gleichen Bedingungen mit einer entsprechenden glatten Metalloberfläche erzielt wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 2 der Nuten jeweils im Zuge des Bildens der nächst- Patentansprüche: folgenden Nut durch Verformen des die beiden Nuten trennenden Grates in Richtung der zuvor

1. Verfahren zum Herstellen einer zur Über- gebildeten Nut erfolgt.

tragung von Wärme auf eine siedende Flüssig- 5 Die Wirkung der damit beanspruchten Maßnahkeit dienenden Wand, die eine Vielzahl von im men besteht darin, daß mittels eines kombinierten wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Kerb- und Verformungswerkzeuges in einem Arund durch Grate getrennten Nuten aufweist, beitsgang eine Nut gebildet wird und gleichzeitig wobei die oberen Teile der Grate in ihrer Längs- die öffnung der zuvor gebildeten Nut in unregelrichtung über eine benachbarte Nut ragen, so io mäßiger Weise verengt wird,
daß deren Öffnung verengt ist, dadurch ge- Neben der wirtschaftlichen Herstellungsweise hat kennzeichnet, daß die Nuten durch span- das Verfahren gemäß der Erfindung den Vorteil, loses Kerben der Wand nacheinander und in so daß eine so hergestellte Wand einen erheblich höhegeringen Abständen hergestellt werden, daß das ren Wirkungsgrad als bekannte Wände zur Über-Verengen der öffnungen der Nuten jeweils im 15 tragung von Wärme auf eine Flüssigkeit aufweist. Zuge des Bildens der nächstfolgenden Nut durch Da die zwischen den Nuten stehenden Grate nicht Verformen des die beiden Nuten trennenden in einem zweiten Arbeitsgang nachbearbeitet werden, Grates in Richtung der zuvor gebildeten Nut können die Nuten sehr eng benachbart sein und erfolgt. ^:-' damit die gesamte, dem Wärmeaustausch zur Ver-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- 20 fügung stehende Oberfläche vergrößern. Die Unkennzeichnet, daß beim spanlosen Kerben der regelmäßigkeit der Nutenöffnungen ergibt sich bei Wand zwischen den Seitenwandungen jeder Nut diesem Verfahren aus der granulösen Struktur des ein Winkel von 20 bis 45° erzeugt wird. Materials und übertrifft merklich die mittels eines

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, da- Rändelwerkzeuges hergestellte — regelmäßige — durch gekennzeichnet, daß beim spanlosen Ker- 25 Unregelmäßigkeit.

ben der Wand Nuten erzeugt werden, deren Aus der USA.-Patentschrift 3 299 949 ist es be-

Mittelebene zur Wandebene geneigt ist. reits bekannt, eine dem Wärmeaustausch dienende

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge- Oberfläche dadurch herzustellen, daß zwischen aufkennzeichnet, daß quer zur geneigt ausgebildeten recht stehenden Stegen Nuten gebildet werden und Nutenreihe eine zweite Nutenreihe in derjenigen 30 anschließend die Stege in der Mitte geschlitzt und Richtung gekerbt wird, in der die Grate der dann über die benachbarten Nuten auseinanderersten Reihe geneigt sind. gebogen werden. Auf diese Weise wird ebenfalls

eine Verengung der Nutenöffnungen erzielt, die jedoch über die ganze Nutenlänge konstant ist und

35 zu deren Herstellung es einer Mehrzahl von Arbeitsschritten bedarf. Die USA.-Patentschrift 3 235 004 zeigt bereits eine dem Wärmeaustausch dienende

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Her- Oberfläche, die mit längs- und querverlaufenden stellen einer zur Übertragung von Wärme auf eine Nuten versehen ist, deren öffnung jedoch weder in siedende Flüssigkeit dienenden Wand, die eine Viel- 40 gleichmäßiger noch in unregelmäßiger Weise verzähl von im wesentlichen parallel zueinander ver- engt sind. Aus der Veröffentlichung in »Forschung«, laufenden und durch Grate getrennten Nuten auf- 2. Band, Heft 12, S. 435 bis 437, sind zwar bereits weist, wobei die oberen Teile der Grate in ihrer Siedewandungen mit Rillen bzw. Nuten bekannt, die Längsrichtung über eine benachbarte Nut ragen, so im Abstand von 0,3 mm voneinander angeordnet daß deren Öffnung verengt ist. 45 sind, jedoch ist dieser Veröffentlichung kein Hinweis

Bei solchen Wänden hat es sich als vorteilhaft auf eine Verengung der Nutenöffnungen noch auf erwiesen, wenn die öffnungen der Nuten in unregel- das Herstellungsverfahren der Nuten zu entnehmen, mäßiger Weise verengt sind; es ergibt sich damit Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsein wesentlich höherer Wirkungsgrad der Wand als gemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß bei gleichmäßiger Verengung der Nutenöffnungen. 50 beim spanlosen Kerben der Wand zwischen den Zu diesem Zweck ist aus der britischen Patent- Seitenwandungen jeder Nut ein Winkel von 20 bis schrift 1 035 460 bekannt, bei einer mit parallelen 45⁰ erzeugt wird.

Nuten, die von Rippen oder Graten voneinander Bei einer weiteren vorteilhaften Ausbildung wer-

getrennt sind, versehenen Oberfläche die öffnungen den beim spanlosen Kerben der Wand Nuten erder Nuten durch Rändeln der Grate in unregel- 55 zeugt, deren Mittelebene zur Wandebene geneigt ist. mäßiger Weise zu verengen. Neben dem zusatz- Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfin-

lichen Herstellungsschritt des Rändeins erfordert dung ist dadurch gekennzeichnet, daß quer zur gedieser bekannte Gegenstand auch ein besonderes neigt ausgebildeten Nutenreihe eine zweite Nuten-Rändelwerkzeug, reihe in derjenigen Richtung gekerbt wird, in der

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung 60 die Grate der ersten Reihe geneigt sind,
darin, eine Wand der eingangs genannten Art mit Die Zeichnungen erläutern einige Ausführungsunregelmäßig verengten Nutenöffnungen in einem formen der Erfindung.

Arbeitsgang und ohne zusätzliches Rändelwerkzeug F i g. 1 ist eine etwa zwanzigfach vergrößerte Fotoherzustellen, grafie der Oberfläche einer erfindungsgemäß her-

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch ge- 65 gestellten Wandung mit sich kreuzenden Nuten;
löst, daß die Nuten durch spanloses Kerben der Fig. 2 ist eine etwa fünfundsiebzigfach ver

Wand nacheinander und in so geringen Abständen größerte Fotografie eines Schnittes durch eine Ober hergestellt werden, daß das Verengen der Öffnungen fläche nach Fig. 1, wobei dieser Schnitt senkrech