DE1919556C3 - Wärmeleitende Wand für einen Wärmeaustauscher - Google Patents

Description

20

25

j

Die Erfindung betrifft eine wärmeleitende Wand für einen Wärmeaustauscher zum Sieden von Flüssigkeiten mit einem Kelvin-Parameter zwischen 0,0014 und 0,0254 cmK, deren eine Seite mit einer Wärmequelle in Berührung steht und deren andere Seite eine porige Schicht trägt, die von der Siedeflüssigkeit bedeckt ist und die Blasenbildung unterstützende Keimstellen bildet.

Es ist seit langem bekannt (US-PS 1931 268), bei einer solchen im Keimtauchsiedeverfahren arbeitenden wärmeleitenden Wand die in die Siedeflüssigkeit eintauchende porige Schicht aus einem Ebullatorwerkstoff in Form von Sand, Kieselgel, Porzellan, Antimon, Zink, Rohzink, Zinkschwamm oder Schlacke aufzubauen. Diese Werkstoffe eignen sich zwar für Ebullatoren, die in die zu siedende Flüssigkeit eintauchen, ohne selbst Wärme auf die Flüssigkeit zu übertragen, und deren Aufgabe es ist, die Übertemperatur zu vermindern und die Temperatur der Hauptmasse der Flüssigkeit besser in Gleichgewicht mit dem Flüssigkeitsdampfdruck zu bringen. Derart beschichtete Wärmeaustauscherwände erwiesen sich jedoch als wenig befriedigend. Die erzielten Siede-Wärmeübergangszahlen sind niedrig; bo bei vorgegebenem Δ T- Wert stellen sich nur bescheidene Wärmeströme ein. Die Betriebsdaten sind denen von unbeschichteten glatten Wärmeaustauscherwänden aus Kupfer nicht wesentlich überlegen.

Des weiteren ist es bekannt (Abhandlungen des b5 Deutschen Kältetechnischen Vereins, Nr. 18 »Beitrag zur Thermodynamik des Wärmeübergangs beim Sieden«, 1964, Seiten 12 bis 102), bei solchen Wärmeaustauscherwänden die in die Siedeflüssigkeit eintauchende Wandseite mit die Blasenbildung unterstützenden Vertiefungen zu versehen. Es ist gezeigt, daß an der rauhen Oberfläche die Wärmeübergangszahlen größer als an einer glatt polierten Oberfläche sind.

Daneben ist es bekannt (US-PS 30 95 255), bei einem Rieselverdampfer mehrere übereinander angeordnete Reihen von Wärmeaustauscherrohren vorzusehen, die mit einer dicken porigen Umhüllung aus einem verdichteten Metallpulver von guter Wärmeleitfähigkeit, insbesondere aus bei einem Druck von etwa 56,4 bar verpreßtem und anschließend gesintertem dentritischem Elektrolytkupferpulver, ausgestattet sind. Die zu verdampfende Flüssigkeit wird auf die Wärmeaustauscherrohre aufgesprüht

Der unterste Tei! der Umhüllung der untersten Rohrreihe taucht ferner in den sich am Boden des Wärmeaustauschers sammelnden Flüssigkeitssumpf ein und nimmt Flüssigkeit durch kapillare Absorption aus dem Sumpf auf. Die Flüssigkeitstemperatur liegt unter dem Siedepunkt der Flüssigkeit. Der Dampfdruck der Flüssigkeit ist geringer als der Druck des die Wärmeaustauscherrohre umgebenden Gases. Im Bereich des Eintauchens der Umhüllung in den Sumpf unterdrückt die Flüssigkeit jeden Siedevorgang an der Oberfläche der Umhüllung. Die Verdampfung erfolgt ausschließlich von den im Gasraum befindlichen Teilen der Umhüllung. Die gegenseitige Verbindung der Poren durch Kapillarkanäle hat den Zweck, an der Oberseite der Umhüllung verdampfende Flüssigkeit ständig zu ersetzen und einen dünnen Flüssigkeitsfilm aufrechtzuerhalten, bis der Flüssigkeitsvorrat der innenliegenden Poren erschöpft ist.

Für dentritisches Kupfer ist in Kieffer, Hotop »Pulvermetallurgie und Sinterwerkstoffe«, 1948, Seite 23 bis 25 eine Teilchengröße von 0,1 bis 30 μΐη genannt.

Eine andere bekannte, gleichfalls für Verdampfungsprozesse, also nicht für Siedevorgänge, bestimmte Wärmeaustauscherwand (US-PS 30 49 795) besteht aus einer Trägerplatte, insbesondere Kupferplatte, mit darauf befindlicher verdichteter und gesinterter poröser Kupferpulverschicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wärmeleitende Wand für einen Flüssigkeitssiedewärmeaustauscher zu schaffen, die beim Sieden von Flüssigkeiten mit einem Kelvin-Parameter zwischen 0,0014 und 0,0254 cmK eine wesentlich höhere Wärmeübergangszahl als vergleichbare bekannte wärmeleitende Wände hat und die es gestattet, der Siedeflüssigkeit große Wärmemengen bei besonders kleinen Δ T- Werten zuzuführen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die porige Schicht aus diskreten Teilchen hoher Wärmeleitfähigkeit aufgebaut ist, daß die überwiegende Menge der Teilchen eine Teilchengröße zwischen 125 und 500 μπι hat, daß die Teilchen in wahlloser Schichtung untereinander und mit der Wand unter Bildung eines gleichförmigen Gefüges verbunden sind, das miteinander in Verbindung stehende Poren aufweist, daß der äquivalente Porenradius zwischen 38 und 114 μΐη liegt und daß die Dicke der porigen Schicht mindestens gleich dem Wert der mittleren Teilchengröße, jedoch so klein ist, daß im Betrieb Flüssigkeit mittels Kapillarwirkung durch die porige Schicht hindurch bis zu der wärmeleitenden Wand gelangt.

Die Erfindung geht davon aus, daü niedrige Siede-Wärmeübergangszahlen oft eine erhebliche Beeinträchtigung des Wärmeübergangsvermögens von

Siedevorrichtungen zur Folge haben. Wenn beispielsweise die zum Sieden erforderliche Wärme durch Kondensation eines Dampfes auf einer glattwandigen Wärmeübergangsfläche zugeführt wird, kann die Kondensations-Wärmeübergangszahl leicht in der Größenordnung von 1,1 W/cm²K liegen, während die Siede-Wärmeübergangszahl an. der gegenüberliegenden Seite der Wärmeübergangsfläche nur 0,05 bis 0,11 W/cm²ii betragen kann. Werden die Wärmeübergangswiderstände wie üblich addiert, wenn die Siede-Wärmeübergangsfläche und die Kondensations-Wärmeübergangsfläche von gleicher Flächengröße sind, wird die resultierende Wärmeübergangszahl U näherungsweise wie folgt erhalten:

U =

h„

h„

wobei ha und hc die Siede-Wärmeübergangszahl bzw. i^r, die Kondensations-Wärmeübergangszahl sind. Wenn hs klein gegenüber hc ist, nähert sich der Wert von U dem Wert hu und geht der Vorteil einer hohen Kondensations-Wärmeübergangszahl weitgehend verloren. Es kommt daher darauf an, die Siede-Wärmeübergangs- w zahl he klein zu halten, was mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen gelingt. Dafür dürfte weitgehend die extrem geringe Dicke des sich bei der wärmeleitenden Wand nach der Erfindung innerhalb der Poren ausbildenden Flüssigkeitsfilms verantwortlich sein. Es r> wurde nämlich überraschend gefunden, daß neben dem im folgenden noch näher erläuterten Übertemperatur-zl Tder Gibbs-Clapeyron-Gleichung ein Δ T- Wert für den Flüssigkeitsfilm berücksichtigt werden muß, der wirkungsmäßig mit dem Übertemperatur-zl T in Reihe w liegt. Es stellte sich ferner heraus, daß das Flüssigkeitsfilm-^rim Gegensatz zu dem Übertemperatur-,47"mit zunehmendem äquivalentem Porenradius ansteigt und daß diese einander entgegengesetzten Einflüsse auf das Gesamt-dT zu einem Umkehrpunkt in der die 4-> Abhängigkeit des Gesamt-^Tvom äquivalenten Porenradius darstellenden Kurve führen, dem ein zugleich vom Kelvin-Parameter der Siedeflüssigkeit abhängiger optimaler Wert des äquivalenten Porenradius zugeordnet ist. w

Der äquivalente Porenradius entspricht dem Hohlraumradius /v der Gibbs-Clapeyron-Gleichung; -ir stellt zugleich den ungefähren Radius einer aus einem Hohlraum mit diesem Radius austretenden Blase dar. Ein Verfahren zum genauen Bestimmen des äquivalen- v, ten Porenradius ist weiter unten angegeben.

Unter dem Begriff Kelvin-Parameter wird die Größe 2Co TfJXPv verstanden, wobei

ο = Oberflächenspannung (dyn/cm), «>

Ts = Sättigungstemperatur der Siedeflüssigkeit entsprechend dem Dampfdruck der Flüssigkeit (K), Py= Dichte des Dampfes (g/cm^J),
λ = latente Wärme der Siedeflüssigkeit (J/g),
C = Umwandlungsfaktor b^r>

ihn cm

Kelvin-Parameter für typische Flüssigkeiten im Bereich von 0,0014 bis 0,0254 cmK sind in der untenstehenden Tabelle I angegeben.

Tabelle I

10

20

Flüssigkeit*)	Kelvin-Parameter
	(cmK)
Wasser bei 103 420 dyn/cm2	0,0254
absolut
Wasser	0,00325
Hydrazin	0,0031
Wasserstoffperoxyd	0,0028
Toluol	0,00198
Äthylenglykol	0,00183
Benzonitril	0,00155
Ammoniak	0,00341

*) Bei 1 bar Druck, falls nicht anders angegeben.

Entsprechend der bekannten Wärmeübergangsgleichung Q/A = MT erlaubt es die erfindungsgemäße wärmeleitende Wand beim Sieden von Flüssigkeiten den Gesamtwert der übertragenen Wärme Q zu erhöhen, die Fläche A zu verringern und/oder den Wert Δ T kleiner zu halten. Die wärmeleitende Wand ist von besonderem Vorteil in Systemen, die erhöhte Drücke erfordern, um einen notwendigen Temperaturunterschied zu erzielen. Durch Verwendung der wärmeleitenden Wand nach der Erfindung kann der nötige Druckunterschied zwischen den fließfähigen Medien herabgesetzt werden; die Energiekosten lassen sich kleinstmöglich halten.

Die Dicke der porigen Schicht ist vorzugsweise mindestens gleich dem doppelten Wert des mittleren Teilchendurchmessers.

Bei Anwendung der wärmeleitenden Wand für das Sieden von Wasser beträgt vorteilhaft der äquivalente Porenradius zwischen 51 und 102 μπι.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen den äquivalenten Porenradien für porige Schichten und dem Siedeseite-Temperaturunterschied für Wasser, und

F i g. 2 eine Kurvenschar für die Beziehung zwischen dem Wärmestrom und dem siedeseitigen Temperaturunterschied für wärmeleitende Wände nach der Erfindung sowie für glatte Siedeoberflächen.

Auf der wärmeleitenden Wand eines Wärmeaustauschers ist eine porige Siedeoberflächenschicht angebracht, um Wärme zu einer Flüssigkeit zu überführen. Die Schicht wird von wärmeleitenden Teilchen gebildet, die mechanisch und thermisch derart miteinander verbunden sind, daß untereinander in Verbindung stehende Poren von Kapillargröße innerhalb der Schicht entstehen. Die Poren sind in großer Anzahl in Flächeneinheit vorhanden. Zwischen den Poren befindet sich nur wenig nicht poriges Material. Die porige Schicht zeichnet sich durch eine ausgeprägte Kapillarwirkungaus.

Im Gegensatz zur Ebullatortechnik befindet sich die porige Schicht auf der heißen Wand der Siedevorrichtung zwischen dieser Wand und der zum Sieden zu

bringenden Flüssigkeit; der Werkstoff dieser Schicht muß wärmeleitend sein. Die Schicht soll eine sehr große Wärmemenge mit weitgehend vermindertem Wärmeübergangswiderstand, das heißt bei verringertem Temperaturunterschied zwischen Wand und Flüssigkeit, übergehen lassen. Dieser ein Maß für den Wärmeübergangswiderstand darstellende Temperaturunterschied zwischen warmer Wand und gesättigter Flüssigkeit ist der Wert Δ T in der normalen Wärmeübergangsgleichung.

Um wirksam zu sein, muß die porige Schicht bestimmte Bedingungen hinsichtlich des äquivalenten Porenradius erfüllen. Es wurde nämlich gefunden, daß es sich bei der überraschenden Verbesserung der Wärmeübergangszahl h um einen in beträchtlichem Umfang nur in sehr kleinen Poren auftretenden Effekt handelt, der bei Ebullatoren keinen wesentlichen Faktor darstellt. Das Betriebsverhalten von Ebullatoren wird durch die Kombination der bekannten Gleichungen von Gibbs und Clapyron beschrieben, die das für das Anwachsen einer Blase erforderliche Wärmepotential (ausgedrückt als die Übertemperatur der die Blase umgebenden Flüssigkeit) mit der Größe der Blase in Beziehung setzen:

T -"%' P₁. ■ P₁ -T

wobei

r_c — Hohlraumradius (entsprechend dem vorliegend verwendeten Begriff äquivalenter Porenradius r; auch der ungefähre Radius einer aus einem Hohlraum vom Radius r_c ausgehenden Blase) (cm),

σ = Oberflächenspannung (dyn/cm),

T = Temperatur der eine Blase umgebenden Flüssigkeit (K),

Ts = Sättigungstemperatur der siedenden Flüssigkeit entsprechend dem Dampfdruck der Flüssigkeit

Dichte der Flüssigkeit (g/cm³),

Dichte des Dampfes (g/cm³),

latente Wärme der siedenden Flüssigkeit (J/g),

Umwandlungsfaktor

dyncm

Der Wert von T muß um einen Betrag größer als Ts sein, der ausreicht, um eine Blase vom Radius r_c gegen die Oberflächenspannung zum Wachsen zu bringen. Infolgedessen ist die Größe T— Ts die minimale Übertemperatur, die zur Aufrechterhaltung des Siedevorganges benötigt wird. Entsprechend der Gibbs-Clapeyron-Gleichung wird die für das Blasenwachstum erforderliche Obertemperatur verringert, das heißt T— Ts minimal gehalten, indem r_c erhöht wird. Infolgedessen ist ein Ebullator mit einer porigen Oberfläche zu versehen, die möglichst große Poren aufweist, die noch in der Lage sind, das eingeschlossene Gas zu halten. In Fig. 1 zeigt die Kurve A den Wert von r_c in Abhängigkeit von der zur Aufrechterhaltung des . Blasenwachstums benötigten Übertemperaturid T, das heißt T-Ts, entsprechend der Gibbs-Clapeyron-Gleichung für Wasser, das in Kontakt mit Oberflächen von verschiedener Porengröße bei einem Wärmestrom von 0,95 W/cm² siedet Der Arbeitspunkt eines guten Ebullators liegt in dem Teil der Kurve A, der niedrigen Werten von Δ Tuna hohen Werten von r_c entspricht.

Um jedoch das Gesamtsiedeverhalten zu verbessern, reicht es nicht aus, nur die zur Aufrechterhaltung des "i Blasenwachstums erforderliche Übertemperatur zu verringern. Wenn der Siedevorgang durch die Bildung von Blasen innerhalb der Poren oder Hohlräume einer Oberfläche mit zugeordneter Wärmequelle fortschreitet, ist, wie gefunden wurde, das in der Gibbs-Clapey-

H) ron-Gleichung auftretende Übertemperatur-Λ T, das heißt der Wert T— Ts, nur einer der Widerstände, die bei dem Gesamtsiedeprozeß eine Rolle spielen. Es tritt ein zweites Δ T an dem Flüssigkeitsfilm in Form des Temperaturunterschiedes zwischen der Wandtemperatür Tw und der Temperatur Tan der Zwischenfläche zwischen dem überhitzten Dampf und der Flüssigkeit auf; dieses Film-47"liegt in Reihe mit dem Übertemperatur-ΛΓ der Gibbs-Clapeyron-Gleichung. Das Gesamt-^ Γ zwischen der Wand und dem Dampf ist die

Summe des Übertemperatur-4 7"und des Film-il T. In der Kurve B der F i g. 1 ist der Wert von r in Abhängigkeit von diesem Gesamt-/! Γ aufgetragen. Es wurde überraschenderweise gefunden, daß das Ψ\\τη-ΔΤ, das heißt Tiv— T, ansteigt, wenn r anwächst, ein Effekt, der dem

für das Übertemperatur^ T, das heißt T— Ts, beobachteten Effekt entgegengesetzt ist. Der waagrechte Abstand zwischen den Kurven A und Bder Fig. 1 stellt dieses Film-/! Tdar.
F i g. 1 läßt also erkennen, daß dann, wenn der

jo äquivalente Porenradius r kleiner wird, das Film-ΛΓ abnimmt und das Übertemperatur-zl T in der aus der Gibbs-Clapeyron-Gleichung zu erwartenden Weise weitgehend das Gesamt-4T bestimmt. Nimmt umgekehrt der äquivalente Porenradius r zu, wird das Übertemperatur-4Tkleiner und bestimmt das FWm-ΔΤ vorherrschend das Gesamt-^Γ. Die einander entgegengesetzten Einflüsse auf das Gesamt-^ Tführen zu einem Umkehrpunkt in der Kurve B entsprechend einem optimalen Wert von r und einem Kleinstwert des Gesamt-4 T.

Für Wasser bei Atmosphärendruck und einem typischen Wert des Wärmestromes Q/A von 0,95 W/cm² liegt, wie aus F i g. 1 hervorgeht, der optimale Wert von r zwischen 51 und 102 um. Fi g. 1 ist zugleich repräsentativ für andere Flüssigkeiten mit einem Kelvin-Parameter zwischen 0,0014 und 0,0254 cmK. Der Kelvin-Parameter ist näherungsweise gleich r_c (T- 7yt ermittelt durch die oben angegebene Gibbs-Clapeyron-Gleichung; er unterscheidet sich nur

so in der Annahme, daß Pl — /Vgleich Pl ist.

Dei¹ äquivalente PörciifäuiüS Γ ciHcf porigen oicuc-

oberflächenschicht wird sehr einfach und genau dadurch bestimmt, daß das eine Ende der Schicht in eine frei benetzende Flüssigkeit lotrecht eingetaucht und der kapillare Anstieg der Flüssigkeit entlang der Schichtoberfläche gemessen wird. Dann gilt r gleich 2 al ph, wobei ρ die Dichte der Flüssigkeit, in die das Ende der Schicht eintaucht, in g/cm³, σ die Oberflächenspannung dieser Flüssigkeit in dyn/cm, und h der lotrechte kapillare Anstieg der Flüssigkeit entlang der Schichtoberfläche in cm ist

Die Verwendung einer frei benetzenden Flüssigkeit zur Bestimmung des äquivalenten Porenradius hat den Vorteil, daß der Flüssigphasen-Kontaktwinkel Θ, den die Flüssigkeitsoberflächen mit dem Werkstoff der porigen Schicht bilden, sehr klein ist und die Messung nicht beeinflußt Wird keine frei benetzende Flüssigkeit verwendet muß der Ausdruck 2 al ph dem Ausdruck

r/cos Θ gleichgesetzt und der Kontaktwinkel θ berücksichtigt werden. Unter frei benetzender Flüssigkeit sollen vorliegend Flüssigkeiten verstanden werden, die mit dem Werkstoff, aus dem die porige Schicht aufgebaut ist, einen Kontaktwinkel von weniger als 20° ^r> bilden. Solche Flüssigkeiten können verwendet werden, ohne den Einfluß des Kontaktwinkels zu berücksichtigen, weil der auf die Vernachlässigung des Kontaktwinkels zurückzuführende Fehler unter 5% bleibt.

Beispiele geeigneter Flüssigkeiten, die Aluminium- und Kupferoberflächen (zwei der bevorzugten Werkstoffe für die Fertigung von porigen Siedeoberflächenschichten) frei benetzen, sind Methanol, Fluortrichlormethan, Dichlortetrafluoräthan, Aceton, Äthylchlorid, flüssiger Sauerstoff und flüssiger Stickstoff. Die zur r> Ermittlung des äquivalenten Porenradius verwendete Flüssigkeit sollte vorzugsweise für Öl und Fett ein gutes Lösungsmittel darstellen, so daß der Einfluß des Vorhandenseins dieser häufig anzutreffenden Oberflächenverunreinigungen so klein wie möglich gehalten wird. Reines Wasser stellt keine frei benetzende Flüssigkeit dar, da sein Kontaktwinkel Θ mit einer Aluminiumoberfläche etwa 66° beträgt.

Der äquivalente Porenradius hängt nicht von den Eigenschaften des Werkstoffs ab, der zum Aufbau der 2^r> porigen Schicht benutzt wird. Er bestimmt in qualitativer Hinsicht die geometrischen und größenmäßigen Eigenschaften der Schicht, erlaubt aber keine Voraussage des quantitativen Verhaltens einer bestimmten Schicht, da dieses unter anderem von dem Schichtwerk- jo stoff und der Siedeflüssigkeit abhängt.

Um beispielsweise den äquivalenten Porenradius für die porige granuläre Kupfer-Nickel-Schicht gemäß Ziffer 1 der Tabelle II mit einer Teilchengröße von 125 bis 149 μιη zu bestimmen, wurde ein schmaler Streifen aus Kupferblech mit darauf aufgebrachter poriger Schicht lotrecht aufgehängt und mit dem einen Ende in Fluortrichlormethan eingetaucht. Die Flüssigkeit benetzte die Oberfläche durch Kapillarwirkung bis zu einer Höhe h über dem Flüssigkeitsspiegel von 50,9 mm. Fluortrichlormethan hat eine Oberflächenspannung von 18,98 dyn/cm und eine Dichte von 1,46 g/cm³. Werden diese Werte in die Gleichung für den äquivalenten Porenradius eingesetzt, ergibt sich ein Wert für r von 53 μπι.

In Tabelle II, Spalte 2 sind die Werte für den effektiven Porenradius zusammengestellt, die für eine Anzahl von Oberflächen sowie für porige Siedeoberflächenschichten der vorliegend betrachteten Art in frei benetzenden Flüssigkeiten, insbesondere Methanol, Fluortrichlormethan und Dichlortetrafluoräthan, experimentell bestimmt wurden. Die Spalte 3 der Tabelle II zeigt die Werte für die Temperaturunterschiede, die bei den verschiedenen Oberflächen erforderlich sind, um 0,95 W/cm² übergehen zu lassen, wenn Wasser bei Atmosphärendruck siedet. Da das Verhältnis Q/A konstant auf 0,95 W/cm² gehalten wird, sind die einzigen Variablen der Wärmeübergangsgleichung Δ T und h; diese Variablen sind umgekehrt proportional. Folglich wird bei einer Verringerung des erforderlichen Δ Τ um einen Faktor 10 die Wärmeübergangszahl Λ um einen Faktor 10 erhöht. Die Spalte 3 der Tabelle II gestattet es daher, die Wärmeübergangseigenschaften der verschiedenen Oberflächen in einer gemeinsamen Flüssigkeit miteinander zu vergleichen.

Tabelle II	Äquivalenter	Δ T(K) erforderlich für
Oberfläche	Porenradius	QIA = 0.95 W/cm2
	(μιη)
Porige Siedeoberflächenschichten	53	0,78
1. Kupfer-Nickel, Teilchengröße
125-149 μιη, granulär	86	0,56
2. Kupfer, Teilchengröße
250-500 μιη, granulär	76	0,50
3. Kupfer-Nickel, Teilchengröße
250-297 jj.m, granulär	46	1,28
4. Aluminium, Teilchengröße
53-105 μιη, granulär	69	0,44
5. Aluminium, Teilchengröße
250-500 um, granulär	51	0,94
6. Kupfer-Nickel, Teilchengröße
44-297 μπι, granulär	178	1,11
7. Aluminium, Teilchengröße
500-710 μιη, granulär
Glatte Oberflächen		8,33
8. Kupfer*) (nicht porig)		12,78
9. Aluminium*) (nicht porig)

*) Besitzt keine Kapillarität.

Eine porige Siedeoberflächenschicht der oben beschriebenen Art sorgt im Betrieb für eine Vielzahl von untereinander verbundenen, teilweise mit Flüssigkeit gefüllten Kapillaren, die als Keime für das Anwachsen vieler Blasen der siedenden Flüssigkeit wirken. Wären die Poren nicht miteinander verbunden, hinge ihre

ständige Wirksamkeit als Keime für das Blasenwachstum in kritischer Weise davon ab, daß innerhalb der Poren eingefangene Luft oder eingefangener Dampf festgehalten wird. Bei gegenseitig verbundenen Poren kann jedoch in einer Pore gebildeter Dampf eine oder mehrere benachbarte Poren aktivieren, so daß der Prozeß ohne Unterbrechung weiterläuft und nicht von dem Einschluß von Luft oder Dampf abhängt. Mindestens einige der Poren innerhalb des Porengefüges dürften auch Flüssigkeit an benachbarte Poren liefern. Wenn die Blasen anwachsen, treten sie schließlich auf Grund der fortgesetzten Dampferzeugung innerhalb der Kapillaren aus den miteinander verbundenen Kapillaren aus, lösen sich von der Oberfläche ab und steigen durch den die porige Siedeschicht bedeckenden Flüssigkeitsfilm hindurch nach oben. Die Flüssigkeit strömt ständig in die Kapillaren ein und hält die Wände der Kapillaren benetzt, wodurch es zu einer erhöhten Oberflächenverdampfung kommt. Die hohe Siede-Wärmeübergangszahl ist darauf zurückzuführen, daß die die Grundmetalloberfläche verlassende Wärme nicht durch eine merkliche Flüssigkeitsschicht hindurchzuwandern braucht, bevor sie auf eine eine Verdampfung bewirkende Dampf-Flüssigkeits-Grenzschicht trifft.

Innerhalb der porigen Schicht wird eine Vielzahl von Blasen zum Wachsen gebracht, so daß die Wärme zur Erreichung einer Dampf-Flüssigkeits-Grenzschicht nur eine extrem dünne Flüssigkeitsschicht durchqueren

Tabelle III

muß, deren Dicke erheblich kleiner als der Durchmesser der die Schicht umschließenden Pore ist. Die Verdampfung der Flüssigkeit findet vollständig innerhalb der Poren statt; es ist praktisch keine Überhitzung der

^ Masse der Flüssigkeit erforderlich; eine solche Überhitzung kann auch nicht auftreten.

Das oben beschriebene Betriebsverhalten einer porigen Schicht ist nicht nur auf die größere Oberfläche zurückzuführen, wie sie zum Beispiel auch durch

ίο mechanische Aufrauhung erreicht wird. Um dies nachzuweisen, wurde eine porige Schicht eingetaucht, die mit einem Kupferblock verbunden war, in den Heizschlangen eingebettet waren, um Wasser bei Atmosphärendruck zum Sieden zu bringen. Bei sehr

r> niedrigen Wärmeströmen, die nicht ausreichen, um die Poren mit Dampf zu aktivieren, waren die Siede-Wärmeübergangszahl und die wahrzunehmenden Blasenpunkte sehr ähnlich wie bei einem Kupferblock mit glatter Oberfläche. Bei höheren Wärmeströmen, die zu einer Dampfaktivierung der Poren führten, wurden dagegen extrem hohe Siede-Wärmeübergangszahlen erreicht, die sich unmöglich mit dem glatten Block oder mit einem Block erzielen lassen, der sorgfältig mechanisch aufgerauhte Oberflächen besitzt. Die

2·) folgenden Versuchsergebnisse für siedendes Wasser veranschaulichen die Wirkung von porigen Schichten bei drei Temperaturdifferenzen und bei Wärmeströmen, die ausreichend groß sind, um für eine Dampfaktivierung der Poren zu sorgen.

Flache Plattenoberfläche mit poriger
Siedeschicht

Äquivalenter
Porenradius

(rim) Λ T(K)

1. Kupfer-Nickel, Teilchengröße 36
125-149 μιη, granulär

2. Kupfer, Teilchengröße 86
250-500 am, granulär

3. Kupfer-Nickel, Teilchengröße 76
250-297 um, granulär

4. Aluminium, Teilchengröße 46
53-105 am, granulär

5. Aluminium, Teilchengröbe 6V
250-500 [xm, granulär

6. Kupfer-Nickel, Teilchengröße 51
44-298 μηι. granulär

7. Aluminium, Teilchengröße 178
500-710 μηι, granulär

0,83
1,11

0,83
1,11
1,39

0,83
1,11
1,39

1,39
0,83

1,11
1,39

0,83

1,11
1,39

1,11
1,39

Wärmestrom*)	Wärmeüber
QfA	gangszahl
(W/cnr)	(W/cnr K)
1,10	1,33
5,52	4,97
2,68	3,21
5,52	4,97
9,78	7,04
3,00	3,59
5,52	4,97
0,88	0,64
1,77	1,25
2,84	3,41
4.73	4,26
7,10	5,11
0,69	0,83
1,45	1,31
2,62	1,89
0,95	0,85
1,77	1,25

*) Wo Werte weggelassen sind, liegt der Wärmestrom QIA außerhalb des in Fig. 2 wiedergegebenen Bereiches von 0,95 bis 11 W/cm².

Fi g. 2 zeigt die Daten der Tabelle III in Form eines Diagramms mit dem Wärmestrom als Ordinate und der Temperaturdifferenz 4TaIs Abszisse. Gleiche Oberflächen sind in der Tabelle 11, der Tabelle III und F i g. 2 mit gleichen Kennziffern versehen. Ein Vergleich der einzelnen Geraden für porige Schichten, die aus b5 Teilchen unterschiedlicher Größe gefertigt sind, zeigt weitgehende Unterschiede hinsichtlich des Betriebsverhaltens. Der Vergleich kann beispielsweise auf dem Wert von Δ Tbei gleichem Wärmestrom beruhen, wobei

die wirksamste Oberfläche das kleinste Δ Τ erfordert, während die Oberfläche mit geringstem Wirkungsgrad den größten Δ T-Wert verlangt (die Temperaturdifferenz kann unmittelbar in den Energiebedarf umgesetzt werden).

Die zum Aufbau der porigen Schicht verwendeten Metallteilchen können unterschiedliche Teilchengrößen besitzen. Ein größerer Anteil der Teilchen soll jedoch durch ein Sieb mit einer Maschenweite von 500 μηι hindurchgehen, um Poren hinreichend kleiner Abmessung zu erhalten, die bei niedrigem 47"aktiv werden. In F i g. 2 stellen die Geraden 8 und 9 glatte Oberflächen dar. Das Betriebsverhalten verbessert sich demgegenüber bei der Oberflächenschicht mit den größten Poren (Nr. 7 mit einer Teilchengröße von 500 bis 710 μΐη); es r> verbessert sich weiter mit feineren Poren (Nr. 2,5,3 und 1 mit Teilchengrößen von 250 bis 500 μιη, 250 bis 500 μιη, 250 bis 300 μπι bzw. 125 bis 149 μηι), um anschließend bei noch feineren Poren (Nr. 4 mit Teilchengrößen von 53 bis 105 μηι und Nr. 6 mit Teilchengrößen von 44 bis 297 μιη) wieder schlechter zu werden. Um optimale Ergebnisse zu erhalten, sollten infolgedessen die zum Aufbau der porigen Schicht benutzten Teilchen eine Teilchengröße zwischen 125 und 500 μιη haben, was bedeutet, daß im wesentlichen >·ί sämtliche Metallteilchen durch ein Sieb mit einer Maschenweite von 500 μιη hindurchgehen und von einem Sieb mit einer Maschenweite von 125 μιη zurückgehalten werden. Pulver, die zur Herstellung dieser bevorzugten Oberflächen verwendet werden, m können kleinere Prozentsätze an Teilchen enthalten, die gröber oder feiner als der Bereich vor, 125 bis 500 μιη sind. Versuche lassen erkennen, daß derartige Teilchen in kleinen Mengen, zum Beispiel 10 Gew.-%, unabhängig davon, ob sie größer oder kleiner als die Teilchen des ι -, bevorzugten Bereiches sind, das Belriebsverhalten weder verbessern noch verschlechtern.

Während im allgemeinen kleinere Teilchen zu porigen Schichten mit kleineren äquivalenten Radien führen, besteht zwischen diesen beiden Parametern keine unmittelbare Beziehung. Dies ist zum Teil darauf zurückzuführen, daß die zur Herstellung einer bestimmten porigen Schicht benutzten Einzelteilchen weder · notwendigerweise die gleiche Gestalt besitzen, noch unbedingt die gleiche Gestalt wie zur Herstellung -r, anderer poriger Schichten benutzte Teilchen mit unterschiedlicher Teilchengröße haben. Außerdem werden die Teilchen ungeordnet auf die wärmeleitende Wand aufgebracht und können die Größen der interstitiellen, miteinander verbundenen Poren erheb- ->o lieh schwanken. Die Teilchengestalt beeinflußt die Porengröße, da beispielsweise Kugeln eine dichtere Packung als Teilchen mit unregelmäßiger Form haben und zu kleineren Hohlräumen führen. Die unzähligen Variationen, die diese Faktoren zulassen, machen es -ss praktisch unmöglich, für alle geeigneten Pulver eine gemeinsame Vorschrift anzugeben. Demgegenüber bildet der äquivalente Porenradius, der durch Routineversuche an Proben der fertigen porigen Schicht in der oben beschriebenen Weise bestimmt wird, eine ui Möglichkeit zu einer genauen Identifikation.

Allgemein ist jeder metallische Werkstoff für die Herstellung der porigen Schicht geeignet, vorausgesetzt, daß er gute Wärmeleitfähigkeit hat, als feines Pulver zur Verfügung steht, die Metallteilchen untereinander und mit dem Grundmetall eine Bindung eingehen können und der Werkstoff durch die zu siedende Flüssigkeit leicht benetzt wird. Die für die Fertigung der porigen Schicht verwendeten Pulverteilchen sind vorzugsweise entweder granulär oder kugelig. Geometrische Überlegungen deuten darauf hin, daß solche Teilchen wirksamer als Flocken oder dendritische Teilchen sind, wenn es darum geht, eine große Anzahl von Poren ungefähr gleicher Größe zu erzeugen. Sehr dünne Flocken sind weniger geeignet, da sie als diskrete Teilchen nur schwierig miteinander verbunden werden können und ihre extrem große Oberfläche eine gründliche Reinigung des Pulvers erschwert.

Unter anderem wurden als Werkstoff für porige Siedeoberflächenschichten Nickel und Kupfer auf einem Kupfergrundwerkstoff unter identischen Bedingungen geprüft. Die Wärmeübergangszah! für Kupferauf-Kupfer ist ungefähr dreimal so groß wie die Wärmeübergangszahl der Kombination Nickel-auf-Kupfer, was wegen der größeren Wärmeleitfähigkeit von Kupfer zu erwarten ist. Kupfer hat auch gewisse Vorteile gegenüber Aluminium; die Leitfähigkeit dieser Metalle liegen bei 388 bzw. 203 W/(mK). In korrodierenden Umgebungen können gegen chemische Angriffe widerstandsfähige Legierungen, beispielsweise rostfreier Stahl, benutzt werden.

Die Dicke der porigen Schicht kann ohne wesentliche Beeinträchtigung um einen Faktor von mindestens 10 variieren und wird durch die physikalischen Eigenschaften der Siedeflüssigkeit nur wenig beeinflußt. Die Dicke sollte über dem mittleren Teilchendurchmesser liegen und vorzugsweise mindestens den doppelten Wert des mittleren Teilchendurchmessers haben. Bei feinen Teilchen, beispielsweise Teilchengrößen von 44 μιη, bestimmen die Gleichförmigkeit und der Zusammenhang des Überzuges im allgemeinen die aufzubringende minimale Dicke.

Die maximale Dicke, die ohne nachteilige Wirkungen verwendet werden kann, wird funktionsmäßig nur durch die Kapillarität der Schicht und die Fähigkeit der Schicht bestimmt, den beim Sieden erzeugten Dampf abzugeben. Im Betrieb sollte die Schicht in der Lage sein, die Flüssigkeit durch die volle Dicke der Schicht hindurch bis zum Grundwerkstoff zu ziehen, so daß die Oberfläche vollständig benetzt wird, während gleichzeitig der Dampf aus den Poren abgegeben wird und sich von den Poren löst. Hervorragende Ergebnisse wurden mit verhältnismäßig dicken Schichten erzielt. Beispielsweise ist die porige Schicht des Beispiels 5 der Tabelle 11 und der F i g. 2 ungefähr 1,1 mm dick.

Eine solche Schicht kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, daß Teilchen aus wärmeleitendem Metall, beispielsweise Kupfer, mit einer Größe von 250 bis 500 μπι auf die Wand aufgesintert werden, die die Wärme für die Siedeflüssigkeit liefert. Die Teilchen werden in solcher Menge aufgebracht, daß eine porige Schicht mit einer Dicke von ungefähr 1,1 mm entsteht Die Zwischen- oder Hohlräume zwischen den Teilchen sollten im wesentlichen Irei von massivem Werkstoff und innerhalb der Schicht miteinander verbunden sein. Die Größe der auf diese Weise gebildeten, miteinander verbundenen Poren schwankt in weiten Grenzen. Viele Poren liegen, wie mikroskopisch ermittelt wurde, in einem Durchmesserbereich von 100 bis 200 μπι. Pro Flächeneinheit der Oberfläche ist eine große Anzahl von Poren vorhanden.

Zur Erzeugung der porigen Schicht auf einem metallischen Grundwerkstoff können verschiedene Verfahren eingesetzt werden. Vorzugsweise wird ein Bindemittel, beispielsweise ein Kunststoff, verwendet, das auf der Oberfläche des Grundwerkstoffes einen

gleichförmigen Oberzug bildet und das sich während der Aufheizung und des Sinterprozesses zersetzt und verdampft Ein geeigneter Kunststoff ist u.a. ein Isobutylpolymer mit einem Molekulargewicht von ungefähr 140 000, das im Handel unter der Bezeichnung »Vistanex« (Wz) erhältlich ist.

Das Kunststoffbindemittel wird in einem Lösungsmittel, beispielsweise Kerosin oder Tetrachlorkohlenstoff, gelöst. Es wird eine ausreichende Menge an Metallpulver zugesetzt, um einen gleichförmigen, viskosen Brei mit einem Metall-Kunststoff-Gewichtsverhältnis von ungefähr 92:1 zu erhalten. Die Oberfläche des Grundwerkstoffes muß frei von Fett, Öl und Oxydschichten sein, um für eine einwandfreie Bindung des porigen Überzuges zu sorgen. Unmittelbar bevor der Brei aufgetragen wird, kann die Oberfläche mit der Kunststufflösung gespült werden, um die Benetzung durch den Brei zu erleichtern, wodurch eine gleichmäßigere Verteilung sichergestellt wird. Das Aufbringen eines breiigen Oberzuges auf das Grundmetall kann in verschiedenartiger Weise, z. B. durch Sprühen oder Tauchen erfolgen.

Der Überzug wird entweder während oder nach dem Aufbringen luftgetrocknet. Der Großteil des Lösungsmittels wird auf diese Weise durch Verdampfen entfernt. Es verbleibt eine feste, selbsttragende Schicht, die durch das Bindemittel an Ort und Stelle gehalten wird. Sodann werden das Grundmetall und der Überzug mit einer leicht reduzierenden Atmosphäre abgedeckt. Die Temperatur wird für eine Zeitspanne erhöht, die jo ausreicht, um die Teilchen miteinander und mit dem Grundmetall zu sintern. Das umlaufende reduzierende Gas beseitigt den dünnen Oxydfilm und spült außerdem Zersetzungsprodukte weg. Im Falle von Kupfer wird der Überzug bei ungefähr 100 K unterhalb des r> Schmelzpunktes oder ungefähr 96O⁰C gesintert.

Es ist auch möglich, nur das Bindemittel und das Lösungsmittel auf die Oberfläche aufzutragen und das Metallpulver dann in trockener Form auf den klebrigen Überzug aufzustäuben. Dies hat den Vorteil, daß das Lösungsmittel verdampft werden kann, bevor die Metallteilchen aufgebracht werden, und daß der Kunststoff weniger fließfähig ist. Bei sorgfältigem Aufstäuben kann eine sehr gleichförmige Schicht erhalten werden, die eine verringerte Neigung zum 4-, Laufen oder Absacken hat. Die Überzugs- und Aufstäubvorgänge können wiederholt werden, um verhältnismäßig dicke Schichten aus dünnen Teilschichten aufzubauen. Dieses Vorgehen eignet sich für die Herstellung von porigen Schichten auf der Außenwand von Wärmeaustauscherrohren. Der Kunststoffüberzug läßt sich durch Aufsprühen oder Aufbürsten leicht aufbringen. Das Pulver läßt man zweckmäßigerweise von einem über der Trägerfläche angeordneten Sieb herunterfallen. Statt dessen kann das mit Kunststoff überzogene Rohr auch in dem Metallpulver gewälzt und dann aufgestampft werden, um überschüssige Teilchen abzulösen, die nicht fest anhaften.

Ein anderes geeignetes Bindemittel ist ein im Handel unter dem Namen »Methocel« (Wz) bekanntes Methyl- ω cellulosepolymer mit einer Viskosität von 4000 cP. Vorzugsweise werden 32 g Kupferpulver in 100 cm³ einer 2%igen wäßrigen Lösung des Polymers eingemischt. Der auf das Grundmetall aufgebrachte Überzug wird an Luft bei normalen Temperaturen (unterhalb des b5 Siedepunktes von Wasser) vorgetrocknet, anschließend bei ungefähr 400⁰C im Ofen in einer Atmosphäre von mit Wasser gesättigtem Glühgas weiter getrocknet und dann gesintert.

Ein anderes brauchbares Kunststoffbindemittel ist Polystyrol, das ein Molekulargewicht von ungefähr 90 COO hat und in Toluol oder Xylol löslich ist.

Das Bindemittel hat die Aufgabe, die Verteilung zu erleichtern und das Pulver zwischenzeitig an Ort und Stelle zu halten, bis eine dauerhafte thermische Bindung erzielt ist Wenn es die Oberflächenausbildung erlaubt, kann das Pulver jedoch auch ohne Bindemittel aufgebracht und in trockener Form gesintert werden.

Die porige Schicht kann beispielsweise auf die Innenwand von Wärmeaustauscherrohren aufgebracht werden. Dabei wird vorteilhaft zunächst das Pulver/Bindemittel-Gemisch innerhalb des Rohres über dessen Länge verteilt und das Rohr dann um seine Achse mit einer Drehzahl gedreht, die ausreicht, um einen glatten Überzug entstehen zu lassen. Als zweckmäßig erwies sich zum Beispiel eine Drehzahl von 200 U/min. Der Überzug wird während des Drehvorganges luftgetrocknet und dann unter den oben beschriebenen Bedingungen im Ofen gesintert. Um insbesondere flache oder gewellte Flächen und zylindrische Außenflächen zu beschichten, wird zweckmäßig ein Brei aus Metallpulver und Kunststoffbii demittel von einem Trichter aus auf die Außenfläche einer polierten Walze in gleichförmiger Schicht aufgebracht. Während die Walze langsam rotiert, erhärtet der Kunststoffilm durch Verdampfung des Lösungsmittels. Der Kunststoffilm wird von der Walze in Form einer Kunststoffolie mit eingebettetem Metallpulver ständig abgezogen und mit der Oberfläche eines Metallbleches in Kontakt gebracht, das in den Ofen eingeführt wird, wo der Kunststoff verdampft und das Metallpulver auf das Blech aufgesintert wird.

Die wärmeleitende Wand eignet sich für Wärmeaustauscher, bei denen mindestens zwei Kanäle über die Wand einander derart thermisch zugeordnet sind, daß die zu siedende Flüssigkeit durch einen ersten Kanal und ein wärmeres, fließfähiges Medium durch den zweiten Kanal hindurchströmt. Dabei bildet das wärmere fließfähige Medium die Wärmequelle, während die wärmeleitende Wand Wärme von dem wärmeren fließfähigen Medium aufnimmt. Die porige Schicht ist Teil des ersten Kanals. Dynamische Wärmeaustauscher, für die sich die beschriebene Wand eignet, sind unter anderem Platten-Wärmeaustauscher, bei denen mehrere parallele, in Abstand voneinander angeordnete Trennbleche in einem Kernabschnitt untergebracht sind, wobei zweckentsprechende Sammlerstücke und Sammelleitungen für die Ströme der fließfähigen Medien vorhanden sind. Der Wärmeaustauscher kann auch ein Mantel/Rohr-Wärmeaustauscher sein, bei dem ein oder mehrere Rohre innerhalb eines Mantels derart untergebracht sind, daß die Rohre einen ersten Kanal und der umgebende Mantel einen zweiten Kanal bilden. Die porige Schicht wird auf die eine Seite der Rohrwand aufgebracht, so daß sie mit der Siedeflüssigkeit in Kontakt steht. Die Wand läßt sich auch bei Beckensiedewärmeaustauschern vorsehen, bei denen die eine Seite der Wand mit einem wärmeren fließfähigen Medium oder einer elektrischen, kerntechnischen oder anderen Feststoff-Wärmequelle in Kontakt steht. Die porige Schicht wird mit der zu siedenden Flüssigkeit bedeckt; der entstehende Dampf wird von der porigen Schicht freigegeben und gelangt durch das Flüssigkeitsbad hindurch in den darüberliegenden Gasraum.

Die porige Schicht kann ferner auf die Innenwände eines Rohrbündels aufgebracht sein, das in einem Mantel lotrecht angeordnet ist. Die kühlere Flüssigkeit

in den Rohren wird durch das wärmere fließfähige Medium innerhalb des Mantels, das mit der Rohraußenfläche in Kontakt kommt, aufgeheizt und zum Sieden gebracht. Die Flüssigkeit siedet mit einem Perkolationseffekt, wobei die aus der porigen Schicht aufsteigenden Dampfblasen den verhältnismäßig dünnen Flüssigkeitsfilm durchqueren, der die porige Schicht vollständig bedeckt. Der aufsteigende Dampf, der Flüssigkeitsteilchen mit sich führt, wird von dem oberen Ende der Rohre aus abgeleitet

Bei der Anwendung der wärmeleitenden Wand braucht die zu siedende Flüssigkeit nur einen dünnen

Film über der porigen Schicht zu bilden; es kommt lediglich darauf an, daß diese Schicht vollständig bedeckt ist Bei anderen Ausführungsformen taucht die porige Schicht in ein verhältnismäßig tiefes Flüssigkeitsbad ein. Die wärmeleitende Wand kann jeden beliebigen Winkel zwischen einer waagrechten Lage und einer lotrechten Lage einnehmen. Bei einer schrägen oder lotrechten Anordnung kann die zu siedende Flüssigkeit in der oben beschriebenen Weise am unteren Ende eingeführt werden; statt dessen ist es aber auch möglich, die Flüssigkeit am oberen Ende aufzugeben, so daß sie nach unten strömt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Wärmeleitende Wand für einen Wärmeaustauscher zum Sieden von Flüssigkeiten mit einem Kelvin-Parameter zwischen 0,0014 und 0,0254 cmK, deren eine Seite mit einer Wärmequelle in Berührung steht und deren andere Seite eine porige Schicht trägt, die von der Siedeflüssigkeit bedeckt ist und die Blasenbildung unterstützende Keimstellen bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die porige Schicht aus diskreten Teilchen hoher Wärmeleitfähigkeit aufgebaut ist, daß die überwiegende Menge der Teilchen eine Teilchengröße zwischen 125 und 500 μΐη hat, daß die Teilchen in wahlloser Schichtung untereinander und mir der Wand unter Bildung eines gleichförmigen Gefüges verbunden sind, das miteinander in Verbindung stehende Poren aufweist, daß der äquivalente Porenradius zwischen 38 und 114 μπι liegt und daß die Dicke der porigen Schicht mindestens gleich dem Wert der mittleren Teilchengröße, jedoch so klein ist, daß im Betrieb Flüssigkeit mittels Kapillarwirkung durch die porige Schicht hindurch bis zu der wärmeleitenden Wand gelangt.

2. Wärmeleitende Wand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der porigen Schicht mindestens gleich dem doppelten Wert des mittleren Teilchendurchmessers ist.

3. Wärmeleitende Wand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung der wärmeleitenden Wand für das Sieden von Wasser der äquivalente Porenradius zwischen 51 und 102 um beträgt.

io