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Verdampferrohr Die Erfindung betrifft Verdampferrohre, deren äussere
Oberfläche eine poröse Schicht darstellt.
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Es sind Verdampferrohre bekannt, deren Aussenoberfläche mit einer
porösen Schicht als Siedeflächenüberzug versehen ist, Diese poröse Schicht der bekannten
Verdampferrohre, bei denen es sich insbesondere um Kupfer- oder Aluminiumrohre handelt,
besteht aus spratzigem Metallpulver, und die einainen Metallpulverkörner sind untereinander
und mit der Rohrblechoberfläche versintert. Damit eine bestimmte den Siedevorgang
optimal beeinflussende Porosität gewährleistet ist, mUssen die zum Aufbau der porösen
Schicht eingesetzten Metallpulverteilchen eine optimale Gestalt und eine bestimmte
abgestufte Kornverteilung aufweisen, um die gewUnschte gleichförmige Gesamtporosität
zu gewährleisten. Weiterhin müssen, damit bei den bekannten Verdampferrohren der
effektive Wirkungsgrad erreicht werden kann, Form- und Abmessung der einzelnen Poren
in der porösen Schicht entsprechend den Eigenschaften der Siedeflüssigkeit gewählt
werden. Dies ist herstellungsmässig kompliziert, denn die Einzelteilchen können
nicht nur nach ihrer Korngrösse ausgewählt werden, da diese nicht alleinbestimmend
für die Charakteristik der fertigen
porösen Schicht ist. Es müssen
darüber hinaus die Korngrössenverteilung und die Kornformverteilung für die Fertigung
besti-iter Schichten exakt ernittelt und bei wiederholter Fertigung genau eingehalten
werden. Darüber hinaus ist gut sortierte Lagerhaltung erforderlich, da für verschiedene
Siedeflüssigkeiten Verdampferrohre mit porösen Schichten von unterschiedlichen Charakteristiken
benötigt werden, so dass in bestehenden Vorrichtungen Je nach verwendeter Siedeflüssigkeit
die Verdaipferrohre gegebenenfalls entsprechend ausgewechselt werden müssen. Diese
Massnahmen rühren zu einem technischen Aufwand, der nachteilig ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese bisherigen Nachteile
zu beheben.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verdampferrohr, dessen äussere Oberfläche
eine poröse Schicht darstellt, und das dadurch gekamizeichnet ist, dass die poröse
Schicht aus mit den Rohrblech metallisch verbundenem Fasernetall besteht.
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Bei der Fasernetall-Beschichtung auf den erfindungsgemässen Verdaipferrohren
handelt es sich um ein poröses Material mit einer Je nach der Art der Aufbringung
und eventuellen Nachbearbeitung einstellbaren Porosität von etwa 40 - 98 %, das
aus einer Vielzahl von einzelnen Fasern aufgebaut ist. Die durch Abspanen von Band
oder Draht hergestellten einzelnen Fasern weisen stark aufgerissene Kanten auf,
wodurch sich die Fasern beim Agglomerieren ineinander verhaken und gegeneinander
fixieren. Die besondere vernetzte und vielfach inelnander verklammerte Struktur,
die die Fasernetall-Beschichtung infolgedessen aufweist, stellt ein metallisches
Faserskelett und ununterbrochenes Fasernetzwerk dar, das eine Vielzahl von niteinander
verbundenen, nicht geschlossenen, linearen Kapillaren darstellende Hohlräume gleichmässig
durch die gesamte Beschichtungsmasse verteilt enthält. Da die einzelnen Fasern
eine
gegenüber ihrer Stärke und Breite relativ grosse Länge aufweisen, bildet sich das
Kapillarsystem in dem Netzwerk praktisch linear in Form von Leitungsbahnen aus,
die in Art von zweiseitig offenen Kanälen eine praktisch durchgehende Verbindung
von der Rohrblechaussenfläche zu der Siedeflüssig keit ergeben. Bei dem Porenvolumen
von etwa 40 - 98 % ist die mittlere Porenweite der Kapillarhohlräume, die von Fa
serdurchmesser und Faserlänge abhängt, zwischen etwa 0,06 und 0,50 mm variierbar.
Die verwendeten Fasern weisen in der Regel eine mittlere Länge von mindestens 1,0
mm, vorzugsweise zwischen 1,5 - 5 mm auf, und der mittlere Faserdurchmesser liegt
gewöhnlich zwischen 50 und 150 µm.
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Die Fasermetall-Beschichtung kann in Stärken bis zu etwa 2 mm und
mehr vorgesehen sein. Es hat sich jedoch gezeigt, dass Beschichtungsstärken zwischen
etwa 0,2 und 1,0 mm für die Zwecke der Erfindung ausreichend sind. Geringere Schicht
stärken sind aus herstellungstechnischen Gründen unzwechmässig, weil, bedingt durch
die infolge der üblichen Faserfertigung sich ergebenden Toleranzen, störende Ungleichförmigkeiten
in der Gesamtbeschichtung auftreten können. Grössere Schichtstärken bringen keine
erheblichen Wirkungsvoteile, so dass sie unzweckmässigen Materialverbrauch darstellen.
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Wie überraschend gefunden wurde, lässt sich mit den erfindungsgemässen
Verdampferrohren eine Verdampferleistung erzielen, die derjenigen der bekannten
Vordampforrohre erkeblich überlegen ist. Diese Verdampferleistung ist im wesentlichen
unabhängig von der Porosität und dem mittleren Porendurchmesser der Fasermetall-Beschichtung.
was besonders überraschend ist in Hinblick darauf, dass die bekannten, aus tallpulverteilchen
bestehenden porösen Beschichtungen nur dann eine gute Verdampferleistung aufweisen,
wenn die Metallteilchen,die zum Aufbau der porigen Siedeschicht verwendet werden,
eine bestimmte Teilchengrösse, und zwar eine Teilchengrösse zwischen 0,125 und 0,5
mm haben und wenn die in
der Siedeschicht vorhandenen Poren einen
Xquivalentradius zwischen 0,038 und 0,114 mm aufweisen. Dieser bestimmte Äquivalentradius
ist dort erforderlich, weil es sich un blasenförmige Poren handelt, in denen Danpfblasen
gebildet werden, die von der porigen Siedeechicht in den Flüssigkeitsfilm übergehen.
Durch diese Blasenbildung wird bei den bekannten Verdampferrohren ein verbesserter
Wärmeübergangsbeiwert auf der Verdampferrohr-Aussenseite und damit eine Verbesserung
des Wärmeübergangs bei kleinen Heizflächenbelastungen erzielt, Es ist jedoch nicht
möglich, die bei hohen Heizflächenbelastungen durch die sogenannte Filmverdampfung
verursachte wesentliche Verschlechterung des Wärmeübergangs damit zu beheben, so
dass bei diesen bekannten Verdampferrohren nit aus Netallpulverteilchen hergestellter
poröser Siedefläche der Wärmeübergangsbeiwert auf der Innenseite des Rohres zur
nassgebenden Grösse wird, denn der Vorgang der Wärnetibertragung setzt sich bekanntlich
aus drei Teilvorgingen zusammen, die durch die Wärmeübergangsbeiwerte auf beiden
Seiten der Wand und die für die aus Metallblech bestehende Verdampferrohrwand vernachlässigbare
Wärneleitzahl bestimmt werden.
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Uberraschend wurde gefunden, dass mit den errindungagerässen Verdampferrohren
die Wärmeübertragungseigenschaften nicht nur bei kleinen Heizflächenbelastungen,
d.h. kleinen Temperaturdifferenzen zwischen der Heizfläche und der Siedeflüssigkeit
verbessert werden, sondern dass ein verbesserter Wärmeübergang auch bei grossen
Heizflächenbelastungen in der Grössenordnung von etwa q = 100.000 bis 120.000 kcal/n2
h bestehen bleibt, und der Wärmeübergangsbeiwert etwa konstant bleibt, ein Umschlagspunkt
von der Blaßen- zur Filmverdampfung auch bei den höchsten in der Praxis auftretenden
Heizflächenbelstungen nicht mehr beobachtet wird. Dies mag durch die besondere Struktur
der Hohlräume in den Fasermetall-Netzwerk der auf den erfindungsgemässen Verdampferrohren
aufsitzenden porösen
Schicht bedingt sein. Das in diesem Netzwerk
strukturmässig vorliegende Kapillar-Leitungssystem, dessen Leitungen an beiden Enden
offen sind, stellt anscheinend eine auch bei hohen Temperaturdifferenzen zwischen
Heizfläche und der Siedeflüssigkeit für einen nicht-abreissenden Flüssigkeitsstrom
sich anbietenden Weg dar, wodurch die Bildung eines zusammenhängenden Dampffilms,
der sich isolierend zwischen Heizfläche und Flüssigkeit legen kann, unterhunden
wird. Die Saugwirkung der Kapillaren auf die Flüssigkeit bzw. festhaltende Wirkung
auf die diese Kapillarräume erfüllende Flüssigkeit, die durch die Oberflächenspannung
bestimmt ist, wirkt sich in diesen linearen Kapillaren anscheinend so stark aus,
dass eine Gasblasenbildung darin gar nicht erfolgt, so dass ein zusammenhängender
Dampffilm auf der Grenzfläche zwischen Siedeflässigkeit und Verdampferrohroberfläche
nicht zu entstehen vermag.
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Die Dampfblasenbildung beginnt offensichtlich an den äusseren Kapillar-Porenrändern,
die als Unebenheiten der Verdampferrohroberfläche wirken. Da diese Kapillarränder
infolge der gleichförmigen Verteilung der Porenkap@llaren ebenfalls gleichförmig
über die gesamte Siedeoberfläche des erfindungsgemässen Verdampferrohres verteilt
sind, ist die Frequenz der Blasenbildung hoch und die Blasenbildung lebhaft und
gleichmässig über die Begrenzungsfläche zwischen Verdampferrohroberfläche und Flüssigkeit
verteilt.
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Man kann die erfindungsgemässen Verdampferrohre, wie dies für Verdampferrohre
allgemein bekannt ist, mit äusserer Profilierung, insbesondere mit gewellter Oberfläche,
ausbilden, wenn dies aus konstruktiven Gründen und/oder zur Verringerung des thermischen
Widerstands an der Innenfläche erwünscht ist.
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Gegenüber den durch die Fasermetall-Beschichtung der erfindungsgemässen
Verdampferrohre erzielten Vorteile fallen diese durch die Profilierung der Oberfläche
erreichbaren thermischen Verbesserungen Jedoch nur relativ geringfügig ins Gewicht.
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Die Fasermetall-Beschichtung auf den erfindungsgemässen Verdampferrohren
lässt sich nach beliebigen bekannten Methoden aufbringen, beispielsweise nach den
von der Anmelderin in den deutschen Patentanmeldungen P 20 57 053.0 und P 20 57
054.1 beschriebenen Verrahren zur Herstellung von Metallfaserfilzen.
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Eine besonders vorteilhafte Fertigungsart für die Fasermetall-Beschichtung
auf den erfindungsgemässen Verdampferrohren ist in der mit Datum vom 15. April 1972
eingereichten Parallelanmeldung der Anmelderin (meine Akte 713/72) beschrieben.
Je nach eingesetzter Faserart kann man die metallische Verbindung des Fasermetalls
mit der Rohrblechaussenfläche sowie die Verfestigung des Fasermetall-Netzwerks untereinander
durch Verlöten oder durch Versintern vornehmen. Das mit versintertem Fasermetall
beschichtete Verda@pferrohr hat den Vorteil, dass bei der Wärmebehandlung eine flüssige
Phase nicht vorhander ist. Eine gute Haftung lässt sich auch ohne Ausbildung einer
flüssigen Phase erreichen. Schon in leicht teigigem Zustand zeigen die Fasern untereinander
und mit der Rohroberfläche ein gutes Schweissverhalten.
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Falls es erwünscht list, gleichzeitig mit der Verhartung der Faserbeschichtung
eine Verringerung der Porosität zu erzielen, sollte die Fasermetall-Beschichtung
mit dem Rohrblech verlötet werden. Um eine gute Vermutung zu erreichen, muss die
Temperatur so gewählt werden, dass das Lot ausreichend flüssig ist Dadurch können
die linearen Kapillar-Poren im unteren Bereich der Beschichtung durch das Lot verkürzt
werden, so dass die Porosität zwar vermindert, die lineare Kapillar-Struktur Jedoch
nicht verändert wird.
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In der beiliegenden Zeichnung ist ein erfindungsgemässes Verdanpferrohr
in einer Teilansicht, teilweise im Schnitt, beispielsweise dargestellt. Das Verdampferrohr
1 besteht aus sauerstoff-freiem Kupfer, sogenanntem SF-Kupfer. Dieses
Rohr,
das eine Lunge von 1000 mm, einen Aussendurchmesser von 18,0 mr und eine Wandstärke
von 1,0 mm besass und an seinen beiden (nicht gezeigten) Enden in einem Bereich
von 45 mm auf einen Durchmesser von 19,05 mm-0,13 aufgeweitet war, wies auf seiner
Aussenfläche über die gesamte nicht auf geweitete Länge eine Fasermetall-Beschichtung
2 in einer Beschichtungsstärke von 0,25 mm auf, Das Rohr hatte dementsprechend in
beschichteten Bereich einen Aussendurchmesser von 18,5 mm. Die Struktur der Fasermetall-Schicht
ist bei 3 verdeutlicht. Als Fasern waren Kupferfasern aus SF-Kupfer in der Fasergradierung
0,1-0,2/1,5 vorhanden. Das Porenvolumen dieser Fasermetall-Beschichtung betrug 50
%.