DE19644693A1

DE19644693A1 - Beschichtung sowie ein Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE19644693A1
Application number: DE1996144693
Authority: DE
Inventors: Harald Prof Dr Dr Reiss; Johann Dr Nienburg
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1996-10-28
Filing date: 1996-10-28
Publication date: 1998-04-30

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Beschichtung für Bauelemente sowie ein Verfah ren zu deren Herstellung gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 5.

Solche Beschichtungen sind beispielsweise für Bauelemente vorgesehen, deren Be grenzungsflächen in einen direkten Kontakt mit dampfförmigen Medien gebracht wer den.

Rohrleitungen für Kühlmittel von Kondensatoren, die Bestandteil von Kraftwerken sind, werden bis jetzt teilweise oder vollflächig mit einem Flüssigkeitsfilm benetzt, wenn das für den Wärmetransport benutzte Arbeitsfluid an diesen Rohrleitungen durch Phasenübergang von seinem dampfförmigen in seinen flüssigen Zustand über geführt wird.

Diese Flüssigkeitsfilme stellen wegen der vergleichsweise geringen Wärmeleitfähig keit des Arbeitsfluids einen Wärmewiderstand dar, der etwa 30% des Gesamtwär mewiderstands ausmacht. Dieser setzt sich zusammen aus dem konvektiven Wär mewiderstand an der Grenzfläche zwischen Kühlmittel und den Innenflächen der Rohrleitungen des Kondensators, dem Wärmewiderstand des Rohrmaterials, dem Wärmewiderstand von eventuellen Ablagerungen auf den Rohrleitungen oder nicht kondensierbaren Dämpfen sowie dem Wärmewiderstand, der durch den oben er wähnten Phasenübergang an der äußeren Oberfläche der Rohrleitung erzeugt wird.

Durch einen solchen zusammenhängenden Flüssigkeitsfilm wird weiterhin der Strö mungswiderstand erhöht, den das dampfförmige Arbeitsfluid beim Durchströmen der Zwischenräume zwischen den Rohrleitungen zu überwinden hat, da Reibungskräfte zwischen dem Dampf und dem Kondensat auftreten.

Eine solche Filmkondensation bringt nicht nur diese Nachteile mit sich, sondern sie kann auch zu Verunreinigungen und Ablagerungen auf den Bauelementen führen, wenn entsprechende Stoffe im Arbeitsfluid mitgeführt oder in ihm gelöst sind. Solche Ablagerungen können ihrerseits wiederum den Wärmewiderstand an den Begren zungsflächen der Rohrleitungen vergrößern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beschichtung zu schaffen, mit der die Ausbildung von Flüssigkeitsfilmen auf den Begrenzungsflächen von Bauelementen und die Bildung fester Ablagerungen vermieden werden können, sowie ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem diese Beschichtung hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird, die Beschichtung betreffend durch die Merkmale des Patentan spruchs 1 gelöst.

Diese Aufgabe wird, das Verfahren betreffend, durch die Merkmale des Patentan spruchs 4 gelöst.

Mit Hilfe eines Überzugs aus einer nichtbenetzbaren organisch modifizierten Keramik auf den Begrenzungsflächen von Bauelementen, die mit dem Dampf und/oder dem Kondensat eines Mediums unmittelbar in Kontakt stehen, ist es möglich, die Ausbil dung eines zusammenhängenden Kondensatfilms zu verhindern. Vor allem kann mit einem solchen Überzug erreicht werden, daß sich das für den Wärmetransport in Kraftwerken verwendete Arbeitsfluid im Kondensator auf den Oberflächen von Rohr leitungen, durch die ein Kühlmittel geleitet wird, nur in Form von Tropfen nieder schlägt. Damit erhöht sich der Wärmedurchgangskoeffizient des Kondensators um ca. 5 bis 15%. Da mit diesen Maßnahmen auch der Druckabfall des Arbeitsfluids beim Durchströmen der Zwischenräume zwischen den Rohrleitungen verringert wird, läßt sich das Vakuum des Kondensators um ca. 4 bis 8 hPa bei einem Kondensator auslegedruck von ca. 50 hPa absenken.

Zur Verringerung des Wärmewiderstands zwischen dem Überzug aus einer nichtbe netzbaren organisch modifizierten Keramik und einem Bauelement wird dieses vor der Beschichtung mit der nichtbenetzbaren organisch modifizierten Keramik soweit aufgerauht, daß die effektive Grenzfläche zwischen Bauelement und Beschichtung vergrößert wird. Die Vergrößerung hängt von der Struktur der Rauhigkeit und der Tiefe der Aufrauhung ab. Die zu beschichtenden Begrenzungsflächen des Bauele ments werden vorzugsweise 0,1 und 20 µm tief aufgerauht. Das Aufrauhen erfolgt mittels chemischem oder physikalischem Ätzen. Vorzugsweise wird Plasmaätzen an gewendet. Hiermit wird die effektive Grenzfläche um etwa einen Faktor 1,5 bis 2 ver größert. Bei der anschließenden Beschichtung wird der Überzug so dick aufgetragen, daß eine geschlossene und glatte Oberfläche aus nichtbenetzbarer organisch modi fizierter Keramik gebildet wird, auf welcher der Dampf kondensieren kann.

Bei Bauelementen, deren Begrenzungsflächen nicht mit dem erfindungsgemäßen Überzug versehen sind, werden Tropfen, die beim Kondensieren von dampfförmigen Medien entstehen, so auseinandergezogen, daß sie ineinander fließen und geschlos sene Flüssigkeitsschichten bilden. Ein Maß für das Nichtbenetzen einer Fläche durch eine Flüssigkeit ist der Benetzungswinkel. Die erfindungsgemäße Beschichtung ist so ausgebildet, daß der stationäre Benetzungswinkel zwischen dem Überzug und der Flüssigkeit größer als 90 Grad ist. Dieses bedeutet, daß das dampfförmige Arbeits fluid nur in Form von Tropfen auf den beschichteten Flächen kondensiert. Kondensa te, die sich beispielsweise in einem Kraftwerkskondensator bilden, erzeugen deshalb keinen geschlossen Film auf Flächen aus, die mit einer nichtbenetzbaren organisch modifizierten Keramik beschichtet sind. Die Grenzflächenwechselwirkungen zwischen dem Überzug und dem Arbeitsfluid sind hierbei so klein, daß die Tropfen nicht oder nur geringfügig auf den Flächen haften. Unter der Einwirkung der Schwerkraft rinnen sie schließlich an den Flächen der Rohrleitungen herab. Dabei werden andere Trop fen mitgerissen und freie Bereiche auf den Oberflächen der Rohrleitungen gebildet, in denen wieder dampfförmiges Arbeitsfluid kondensieren kann. Durch das schnelle Herabrinnen der Tropfen wird die Verweilzeit des Arbeitsfluids auf den Rohrleitungen verringert und damit der Aufbau eines erhöhten Wärmewiderstands durch einen Kon densatfilm verhindert.

Die erfindungsgemäßen Überzüge werden bevorzugt aus einer nichtbenetzbaren or ganisch modifizierten Keramik hergestellt, die perfluorierte Seitenketten aufweist. Diese nichtbenetzbaren organisch modifizierten Keramiken weisen eine niedrige Oberflächenenergie von ca. 20 mJ/m² auf. Sie haben zudem den Vorteil, daß sich auf ihnen keine Ablagerungen bilden können, die beispielsweise durch kleine Partikel oder gelöste Stoffe hervorgerufen werden, welche von einem Arbeitsfluid mitgeführt werden. Oxidschichten können sich auf einem solchen Überzug ebenfalls nicht aus bilden.

Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Fig. 1 Bauelemente mit der erfindungsgemäßen Beschichtung,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus einer beschichteten Begrenzungsfläche.

Die zur Beschreibung gehörige Fig. 1 zeigt zwei rohrförmige Bauelemente 1 aus Me tall. Die Bauelemente 1 gehören zu einem Bündel von Rohrleitungen eines Kon densators, der Bestandteil eines Kraftwerks (hier nicht dargestellt) ist. Die beiden Bauelemente 1 sind aus Titan gefertigt und weisen jeweils eine Wandstärke von 0,5 bis 0,7 mm auf. Sie sind mit einem Wandabstand von etwa 5 mm bis 10 mm voneinan der angeordnet. Jedes der beiden Bauelemente 1 ist auf seiner Begrenzungsfläche 1B mit einer Beschichtung 2 versehen. Diese Beschichtung 2 wird bei dem hier be schriebenen Ausführungsbeispiel durch einen vollflächigen glatten Überzug 3 aus ei ner nichtbenetzbaren organisch modifizierten Keramik gebildet, die perfluorierte Sei tenketten aufweist, und sich gemäß folgender Strukturformel darstellen läßt:

Dabei kann Si teilweise durch Ti, Zr, oder Al ersetzt werden. X steht stellvertretend für HO-, alky-O- oder Cl-. R steht für modifizierte Gruppen wie

oder -(CF₂)_n-CF₃, bzw. für polymerisierte Gruppen in Form von

-(CH₂)₃-OH-CH-CH₂ oder

Zur Verringerung des Wärmewiderstands zwischen den Beschichtungen 2 und den Bauelementen 1 werden die Begrenzungsflächen 1B vor der Beschichtung auf gerauht, derart, daß die effektive Grenzfläche zwischen den Bauelementen 1 und den Beschichtungen 2 vergrößert wird. Diese Vergrößerung hängt von der Struktur der Rauhigkeit und der Tiefe der Aufrauhung ab. Die zu beschichtenden Begrenzungsflä chen 1B werden vorzugsweise 0,1 µm und 20 µm tief aufgerauht. Das Aufrauhen er folgt beispielsweise mittels chemischem oder physikalischem Ätzen. Bevorzugt erfolgt das Aufrauhen mittels Plasmaätzen. Hiermit wird die effektive Grenzfläche um etwa einen Faktor 1,5 bis 2 vergrößert. Bei dem anschließenden Beschichten der Begren zungsflächen 1B wird der Überzug 3 mit einer Dicke von 15 bis 50 µm aufgetragen. Das Auftragen des Überzugs 3 kann z. B. durch Tauchen oder Sprühen erfolgen. In Fig. 2 ist der Teilbereich einer Begrenzungsfläche 1B vergrößert dargestellt. Wie Fig. 2 zu entnehmen ist, wird durch den Überzug 3 eine geschlossene und gleichzeitig glatte Oberfläche 1S aus nichtbenetzbarer organisch modifizierter Keramik gebildet. Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, wird durch das Kondensat eines dampfförmigen Arbeits fluid 10, das an die beschichteten Bauelemente 1 herangeführt wird und daran kon densiert, kein geschlossener Flüssigkeitsfilm erzeugt. Vielmehr bleibt das Kondensat an dem Überzug 3 nur in Form von Tropfen 11 kurzzeitig haften.

Claims

1. Beschichtung für Bauelemente, dadurch gekennzeichnet, daß die Be grenzungsflächen (1B) eines jeden Bauelements (1) aufgerauht sind und darauf we nigstens bereichsweise ein Überzug (3) aus einer nichtbenetzbaren organisch mo difizierten Keramik aufgetragen ist, die perfluorierte Seitenketten aufweist.

2. Beschichtung für Bauelemente, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsflächen (1B) 0,1 und 20 µm tief aufgerauht sind und der Über zug (3) eine Dicke von 15 bis 50 µm aufweist.

3. Beschichtung für Bauelemente, nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß die nichtbenetzbare organisch modifizierte Keramik mit perfluorierten Seitenketten gemäß folgender Strukturformel darstellbar ist:
Si kann teilweise durch Ti, Zr, oder Al ersetzt werden, X steht für HO-, alky-O- oder Cl, während R für modifizierte Gruppen wie
oder -(CF₂)_n-CF₃, bzw. für polymerisierte Gruppen in Form von
-(CH₂)₃-O-CH-CH₂ oder
steht.

4. Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung, dadurch gekennzeichnet daß die Begrenzungsflächen (1B) eines jeden Bauelements (1) aufgerauht werden und darauf wenigstens ein Überzug (3) aus einer nichtbenetzbarer organisch modifi zierter Keramik mit perfluorierten Seitenketten aufgetragen wird.

5. Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsflächen (1B) eines jeden Bauelements (1) bis zu einer Tiefe von 0,1 µm bis 20 µm aufgerauht werden, und daß darauf ein Überzug (3) aus nichtbenetzbarer organisch modifizierter Keramik mit perfluorierten Sei tenketten in einer Dicke von 15 µm bis 50 µm aufgetragen wird.