DE2603362B2

DE2603362B2 - Heizflächen von Wärmeaustauschern für Flüssigkeiten und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2603362B2
Application number: DE2603362A
Authority: DE
Inventors: Michael M. Lakewood Dahl; Lester D. Littleton Erb
Original assignee: Gates Rubber Co
Current assignee: Gates Rubber Co
Priority date: 1975-01-31
Filing date: 1976-01-29
Publication date: 1979-07-19
Also published as: AU502151B2; CA1059500A; IT1054449B; GB1540121A; DE2603362C3; JPS51102243A; US3990862A; JPS59120393U; AU1031276A; US4093755A; BR7600462A; DE2603362A1; FR2299611B1; FR2299611A1

Description

bO

Die Erfindung betrifft Heizflächen von Wärmeaustauschern für Flüssigkeiten aus einem Schichtträger und einem daran befestigten offenzelligen porösen Überzug aus einem passivierenden oxidfümbildenden Metall sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

An Heizflächen von Wärmeaustauschern zum Sieden von Flüssigkeiten, beispielsweise Kältemitteln, ist es vom thermodynamischen Standpunkt aus erwünscht, daß die Verdampfung der Flüssigkeit - wenn überhaupt — mit sehr geringem Überhitzen der Flüssigkeitsmasse stattfindet Um thermodynamisch zu beeinflussen, wie die Flüssigkeit verdampft wird, werden offenzellige poröse Überzüge auf den Warmeaustauscherheizflächen verwendet.

Ein poröser Oberflächenüberzug auf Heizflächen zum Verdampfen von Flüssigkeiten weist im Betrieb eine Vielzahl von miteinander verbundenen, teilweise mit Flüssigkeit gefüllten offenen Zellen auf, die als Keimbildungsstellen für das Wachstum einer Vielzahl von Dampf blasen einer siedenden Flüssigkeit wirksam sind. Wenn die Zellen nicht miteinander verbunden sind, ist ihre Wirksamkeit als Keime für das Blasenwachstum entscheidend davon abhängig, daß eingeschlossene Luft oder Dampf in den Zellen zurückgehalten wird, um Verdampfung auszulösen.

Bei miteinander verbundenen Zellen kann jedoch der in einer Zelle gebildete Dampf eine oder mehrere porös miteinander verbundene benachbarte Zellen so aktivieren, daß den Zellen vorzugsweise ein Flüssigkeitsfilm zugeführt wird. Wärme wird von den Zellwänden zum dünnen Flüssigkeitsfilm übertragen, wodurch Verdampfung verursacht wird. Dampfblasen wachsen und treten aus den miteinander verbundenen Zellen aus >ind lösen sich von der Oberfläche des Überzuges und steigen durch die Flüssigkeiten nach oben. Benachbarte Flüssigkeit fließt durch Kapillarwirkung in die miteinander verbundenen Zellen und bedeckt die Zellwände. Ein hoher Siedekoeffizient ergibt sich hierbei, weil im Gegensatz zum Überhitzen einer dicken Flüssigkeitsschicht nur ein dünner Flüssigkeitsfilm innerhalb der Zellen verdampft wird, um Verdampfung zu bewirken.

Ein poröser Überzug allein als solcher wirkt nicht als eine Heizfläche in Wärmeaustauschern, die das Sieden aus Keimzentren zu begünstigen vermag. Der Überzug oder die Oberfläche muß noch gewisse andere physikalische Voraussetzungen erfüllen. Beispielsweise müssen die Zellen eine Größe haben, die kapillaraktiv auf die zu verdampfende Flüssigkeit wirkt, und die Zellen müssen miteinander verbunden sein, so daß sie nach dem Austritt einer Blase erneut mit Flüssigkeit gefüllt werden können. Ferner müssen die Zellen offen sein, damit die verdampfte Flüssigkeit austreten kann. Der Überzug muß einen guten wärmeleitenden Weg darstellen, so daß ausreichender Wärmeübergang von den Zellwänden zu der darin befindlichen Flüssigkeit möglich ist.

Beispielsweise kann ein poröser Aluminiumüberzug durch Flammspritzen von runden Aluminiumteilchen auf eine Unterlage nach üblichen Flammspritzverfahren gebildet werden. Wie in »Metal Spraying and Sprayed Metal« von W. E. Ballard (1948), Seite 207, Fig. 1S3, beschrieben, ist bei aufgespritztem Aluminiumpulver eine Porosität von 34,3 % erzielbar. Die Zellen sind jedoch im allgemeinen geschlossen und nicht miteinander verbunden. Ein solcher Oberflächenüberzug kann den Wärmeübergang nur steigern, wenn die Oberfläche vergrößert wird. Bei diesen Verfahren wird ferner keine offenzellige Struktur des Überzuges ausgebildet, in der Keimbildung hervorgerufen und mit kapillarem Pumpen der Flüssigkeit und Ausstoßen des Dampfes fortgesetzt werden kann.

Ein bekannter Oberflächenüberzug, der die Fähigkeit hat, Keimbildungsstellen auszubilden, wird in »Conception of Nucleate Boiling with Liquid Nitro-

gene von Almgren und Smith (Vortrag über »Modem Developments in Heat Transfer«, supplemental notes special summer program, Rohsenow and Bergles, MIT 1968) beschrieben. Gemäß dieser Veröffentlichung wird eine Wärmeübertragungsfläche ausgebildet, indem Kupfer mit einem groben Schleifmittel so sandgestrahlt wird, daß die mechanische Bindung von durch Flammspritzen aufgebrachten Teilchen an das Kupfer verbessert wird. Zink und Kupfer werden gleichzeitig aus zwei getrennten Flammspritzpistolen aufgespritzt. Die Oberfläche wird zur Entfernung des Zinks in Salzsäure geätzt, wobei eine poröse, Metallische Oberflächenschicht aus Kupfer zurückbleibt. Die Herstellung der Oberfläche erfordert zusätzliche Stufen des Aufspritzen aus einer zusätzlichen Pistole und Entfernung eines verlorengehenden Elements, des Zinks. Strukturell wii d der Wärmeübergangsweg an der Grenzfläche von Unterlage und Kupfer drastisch verkürz.», weil die Zinkteilchen vom Substrat weggeätzt werden. Ferner kann nicht vollständig weggeätztes Zink eine Verunreinigung für gewisse Arbeitsflüssigkeiten sein.

Die US-PS 3 384154 beschreibt ein Verfahren zum thermischen Verbinden einer porösen Schicht oder eines porösen Überzuges mit einem Wärmeaustauscher als wirksamem Mittel zur Ausbildung einer Vielzahl von Keimbildungsstellen, die in der Lage sind, das Blasensieden aus Keimzentren bei sehr geringer erforderlicher Überhitzung zu begünstigen und aufrecht zu erhalten. Der in der US-PS 3 384154 beschriebene Überzug ist zwar sehr gut vom Standpunkt der Auslösung und Aufrechterhaltung des Blasensiedens aus Keimzentren, jedoch sind mit dem thermischen Verbinden durch Hartlöten, Löten oder Sintern, wie es in der US-Patentschrift beschrieben wird, mehrere Probleme oder Nachteile verbunden. Das thermische Verbinden gemäß der US-PS 3384154 erfordert die Verwendung eines dritten Elements, das entweder beim Prozeß des thermischen Verbindens (d. h. Löten oder Hartlöten) erhalten bleibt oder verloren geht (d. h. als temporäres Bindemittel oder Suspendiermittel). Eine weitere, aber weniger bevorzugte Ausführungsform stellt ein Überzug dar, der direkt durch Sintern von Kupfer gebildet wird. Ein Verfahren der gleichen Art würde bei Metallen, die Oxidfilme bilden, wie bei Aluminium, unbrauchbar sein. Die Arten von thermischem Verbinden, die in der US-PS 3384154 genannt sind, sind auf die wirtschaftliche Herstellung unter Verwendung von oxidfilmbildenden Metallen wie Aluminium nicht ohne weiteres übertragbar.

Löten und Hartlöten sind miteinander insofern verwandt, als bei beiden getrennte Metallteile mit einer schmelzbaren Legierung vereinigt werden. Die US-PS 3 384154 macht keine Angaben darüber, wie Teilchen unter Bildung eines porösen Überzuges durch Hartlöten oder Löten miteinander verbunden werden können oder wie der Überzug durch Hartlöten oder Löten auf die Heizfläche von Wärmeaustauschern aufgebracht werden kann. Es kann nur angenommen werden, daß übliche Lot- und Hartlötverfahren angewandt werden, um einzelne Teilchen des Überzuges miteinander und den Überzug oder die Schicht mit der metallischen Oberfläche eines Wärmeaustauschers zu verbinden. In jedem Fall wird jedoch ein drittes Legierungselement mitverwendet, das zusätzliche Arbeitsschritte zur Erzeugung der Oberfläche erfordert. Ferner ist bei vielen Metallen, beispielsweise Aluminium, das Löten oder Hartlöten, insbesondere im Korngrößenbereich von 37 bis 420 μ, sehr schwierig.

Das Sinterverfahren, das gemäß der US-PS > 3 384154 angewandt wird, um Metallpulver thermisch so zu verbinden, daß eine poröse Oberflächenschicht gebildet wird, erfordert die Verwendung eines verlorengehenden Materials, z. B. eines Isobutylen- oder MethylceOulosepolymerisats. Die zeitweiligen Binde-

K) mittel werden mit dem Pulvermaterial unter Bildung von Aufschlämmungen gemischt, die verwendet werden, um die Verteilung zu erleichtern und das Pulver in seiner Lage zu halten, bis eine thermische Verbindung erreicht ist und das Bindemittel abgetrieben

ι i wird. Wenn das Bindemittel abgetrieben wird, werden die Pulver gleichzeitig gesintert.

Es ist zu bemerken, daß einige Metallpulver nicht gesintert werden können, wenn nicht besondere Vorsichtsmaßnahmen ergriffen werden. Es handelt sich

2t> hierbei gewöhnlich um Metalle wie Aluminium, die oxidierte Filme bilden. Besondere Sorgfalt ist erforderlich, um solche Pulver mit Zusätzen zu versehen, die das Sintern begünstigen oder eine reduzierende oder inerte Atmosphäre bilden. In jedem Fall ist zur

2"> Bildung des Überzuges die Verwendung eines dritten Elemente erforderlich, das auch zusätzliche Verfahrensschritte erfordert. Einige Metallpulver, z. B. Kupferpulver, können ohne Zuhilfenahme eines zeitweiligen Bindemittels gesintert werden.

in Probleme sind jedoch damit verbunden, das Pulver zum Sintern aufzubringen und in seiner Lage zu halten. Ferner sind die Zwischenräume zwischen den Teilchen weniger gut einstellbar und regelbar, weil bei einem solchen Sinterverfahren Druck zur Einwirkung

r> gebracht werden muß. Außerdem werden durch das Sintern die Grenzflächen zwischen benachbarten Teilchen abgerundet und eingeschnürt, wodurch scharfe Spalten, die sonst die Kapillarität des Überzuges steigern wurden, beseitigt werden. Metallpulver, die Oxidfilme bilden, können ohne eine spezielle Behandlung nicht gesintert werden. Aluminium wird häufig in inerter oder reduzierender Atmosphäre gesintert. Dies erfordert eine Spezialbehandlung oder andernfalls zusätzliche Verfahrensschritte. Wenn

4> Aluminium gesintert wird, werden die Teilchen fest gegeneinander gepreßt. Dieses Zusammenpressen schließt die Bildung einer die Keimbildung bei der Blasenverdampfung fördernden offenzelligen Struktur aus miteinander verbundenen Teilchen aus. Das Sintern von Aluminiumteilchen mit einer Aluminiumoxidhaut wird auch dadurch kompliziert, daß die Temperaturen, die zum Sintern der Aluminiumoxidhaut erforderlich sind, erheblich über dem Schmelzpunkt der AluminiumteQchen liegen.

->5 In der sich ebenfalls mit Wärmeüberführung beschäftigenden DE-OS 1919555 werden Wärmeaustauscher beschrieben, deren porige Siedefläche aus feinem Metallpulver gebildet ist. Die Metallteilchen sollen kugelig oder granular sein und sollen miteinan-

bfl der und mit dem Grundmetall eine Bindung eingehen. Die Bindung einer Vielzahl von Teilchen mit Teilen anderer Teilchen erfolgt mechanisch unter Bildung einer netzförmigen Wärmeverteilungsstruktur, wobei jedoch auch hier bevorzugt ein Kunststoffbindemittel beim Sinterprozeß verwendet wird.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, Heizflächen von Wärmeaustauschern verfügbar zu machen, bei denen die thermische Bindung von Schichtträger

und porösem Metallüberzug nicht durch Löten, Hartlöten oder Sintern erfolgt ist und bei deren Herstellung auch kein Kunststoffbindemittel zur Anwendung kommt.

Die Lösung dieser Aufgabe sind Heizflächen von Wärmeaustauschern für Flüssigkeiten aus einem Schichtträger und einem daran befestigten offenzelligen porösen Überzug aus einem passivierenden oxidfilmbildenden Metall, der eine Vielzahl von im allgemeinen nicht abgeflachten Teilchen enthält, von denen eine Vielzahl mit Teilen anderer Teilchen mechanisch verbunden ist und die verbundenen Teilchen eine netzförmige Wärmeverteiluiigsstruktur bilden, die dadurch gekennzeichnet sind, daß eine Vielzahl mit Teilen anderer Teilchen durch einen Oxidfilm adhäsiv aneinander haftet und eine Vielzahl mit Teilen anderer Teilchen kohäsiv verschmolzen ist, wobei eine Vielzahl der Teilchen eine oxidierte Oberfläche aufweist und die nicht verbundenen Teile zwischen den Teilchen eine Vielzahl von porös miteinander verbundenen offenen Keimbildungszellen bildet.

Als passivierende oxidf Umbildende Metalle werden bevorzugt die aus der aus Aluminium, Eisen, rostfreiem Stahl, Nickel und Titan bestehenden Gruppe ausgewählt.

Zweckmäßig hat der Schichtträger eine aufgerauhte Oberfläche und eine Vielzahl der Teilchen ist mit der aufgerauhten Oberfläche zur Befestigung des Überzuges am Schichtträger verklammert.

Das Verfahren gemäß der Erfindung zur Herstellung dieser Wärmeaustauscherheizflächen ist dadurch gekennzeichnet, daß man eine Vielzahl von Pulverteilchen eines passivierenden oxidfilmbildenden Metalls in einer sauerstoffreichen, Kohlenstoff enthaltenden Atmosphäre erhitzt, die Teilchen in dieser Atmosphäre unter gleichzeitigem Erhitzen einer Vielzahl der Teilchen bis zu einem mindestens plastischen Zustand beschleunigt und eine Vielzahl der Teilchen gegen einen metallischen Schichtträger und gegen sich selbst aufprallen läßt unter Deformieren und Befestigen einer Vielzahl der Teilchen an dem Schichtträger und an Teilen dieser Teilchen unter Hinterlassen von nicht miteinander verbundenen Teilen zwischen einer Vielzahl von Teilchen und Bildung einer Vielzahl von porös miteinander verbundenen offenen Keimbildungszellen.

Dieses Verfahren eignet sich zum Aufspritzen von oxidfilmbildenden Pulvern ohne Zuhilfenahme von speziellen Verfahrensstufen, bei denen eine spezielle Atmosphäre verwendet wird, um die Teilchen thermisch miteinander zu verbinden.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß oxidfilmbildende Metalle in Pulverform auf eine Unterlage in wirtschaftlicher Weise so aufgebracht werden können, daß eine Struktur ausgebildet wird, die sich zur Auslösung und Aufrechterhaltung der Keimbildung bei der Blasenverdampfung eignet Hierbei ist es besonders günstig, daß ohne Kunststoffbindemittel gearbeitet werden kann.

Die Erfindung hat den weiteren Vorteil, daß die gebildeten Heizflächen von Wärmeaustauschern für Flüssigkeiten hohe Wärmeübergangszahlen im Vergleich zu üblichen aufgerauhten oder gerippten Oberflächen unter Verwendung üblicher und verhältnismäßig billiger, nicht entscheidend wichtiger Metalle ergeben.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert

Fig. 1 ist die Wiedergabe eines Schliffbildes, das im Querschnitt die aus einem Aluminiumüberzug auf einem Substrat bestehende Heizfläche eines Wärmeaustauschers zeigt;

"> Fig. 2 zeigt schematisch verschiedene Werkstückformen;

Fig. 3 zeigt schematisch die Hauptschritte des Verfahrens gemäß der Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte Heizfläche 10 eines Wärmeaustauschers für Flüssigkeiten mit miteinander verbundenen offenen Zellen 12 (zum besseren Kontrast schwarz dargestellt) wird durch Flammspritzen und Aufbringen von Metallteilchen 14 auf ein Werkstück 16 unter Bildung eines Überzuges 18 aufge- > bracht. Das Werkstück bildet eine Wand eines typischen Wärmeaustauschers, durch die Wärme in genügender Menge auf eine Flüssigkeit übertragen wird, die hierdurch verdampft wird. Das Werkstück 16 kann eine beliebige typische Wärmeaustauscher-

-° form, z. B. die Form der in Fig. 2 dargestellten flachen, gekrümmten oder gerippten Wände haben. Allgemein gebräuchlich sind Wärmeaustauschwände in Form von Rohren. Die Wärmeaustauschwand wird so gewählt, daß sie mit der beim Wärmeübertragungs-

-> prozeß verwendeten Flüssigkeit verträglich ist. Die Wand hat zur wirksamen Wärmeübertragung vorzugsweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Drei allgemein verwendete Werkstoffe in Wärmeaustauscher-Systemen sind Kupfer, nichtrostender Stahl und

i» Aluminium. Kupfer ist zwar hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit zu bevorzugen, jedoch sehr teuer, da es ein Sparmetall ist. Werkstoffe wie Aluminium werden häufig als wirtschaftlicher Ersatz verwendet, obwohl im allgemeinen eine größere Wandfläche erforderlich

J'i ist.

Der Überzug kann direkt auf die Wand aufgebracht werden. Vorzugsweise wird jedoch die Oberfläche vor dem Aufbringen des Überzuges gereinigt. Besonders bevorzugt wird jedoch eine Aufrauhung 20 der Ober-

fläche vor dem Aufbringen des Überzuges 18. Die aufgerauhte Oberfläche der Wand stellt ein Mittel zur mechanischen Verzahnung 22 des Überzuges mit der Wand dar und steigert außerdem die wirksame Oberflächengröße der Wand. Eine aufgerauhte Oberfläche 5 bildet ferner eine Vielzahl von nach vielen Richtungen verlaufenden Wärmewegen, die vorteilhaft in der Wirksamkeit des Überzuges sind.

Zu den Hauptvariablen, die die Porosität des Überzuges beeinflussen, gehören beim Flammspritzen von

so Metallpulvern die Gasbilanz, der Spritzabstand und Spritzwinkel, die Art des Pulvers (einschließlich Korngrößenverteilung, Art der Legierung, Bildsamkeit oder Duktilität und Schmelzpunkt), Art des Brenngases, zugeführte Pulvermenge, Temperatur der Werkstückoberfläche, Anwesenheit von Verunreinigungen, Form des Werkstücks (z. B. flach oder gekrümmt) und Art der zum Aufbringen des Überzuges verwendeten Spritzdüse. Bei üblichen Flamm spritzverfahren entstehen dichte Überzüge, da die

μ Teilchen sich beim Aufprall auf das Werkstück und aufeinander nach der Art von Fischschuppen abflachen. Bei diesen Überzügen ist gewöhnlich eine gewisse Porosität vorhanden, wie sie beispielsweise durch Verunreinigung des pulverfönnigen Spritz werkstoffs oder des Werkstücks verursacht sein kann. Bei diesen Überzügen sind jedoch im allgemeinen die Poren oder Zellen nicht in hohem Maße miteinander verbunden, und das gesamte Hohlraumvolumen in

mittlerer Porengröße ist verhältnismäßig klein. Im Gegensatz hierzu werden gemäß der Erfindung Überzüge gebildet, die in der Lage sind, die Keimbildung bei der Blasenverdampfung auszulösen und aufrecht zu erhalten, weil eine Struktur entsteht, die porös miteinander verbundene offene Zellen aufweist, wo die Keimbildung einsetzt und sich mit kapillarem Pumpen der Flüssigkeit und Ausstoßen des Dampfes fortsetzt.

Es wurde gefunden, daß das Verhältnis von Oxidationsmittel und Brenngas von größter Bedeutung ist, wenn aus oxidfilmbildenden Metallen Überzüge hergestellt werden, die porös miteinander verbundene offene Zellen aufweisen, die Keimbildung bei der Blasenverdampfung zu bewirken vermögen.

Fig. 3 zeigt eine typische Spritzdüse 24 für das Aufspritzen von Metallpulvern. Die Düse weist eine Vielzahl von Kanälen zum Ansaugen von Brenngas (26), Luft (28), oxidierendem Gas (30) und eine Pulverzuführung 32 auf. Das Brenngas als Trägergas wird mit dem Metallpulver gemischt, bevor es aus der Düse ausgestoßen wird, und mit einem oxidierenden Gas verbrannt. Luft wird durch das Brenngas und das oxidierende Gas angesaugt und gemischt und nimmt am Vereinigungsprozeß teil.

Zur Erläuterung wird nachstehend ein Verfahren zur Herstellung einer aus Aluminium bestehenden Heizfläche für einen Wärmeaustauscher für Flüssigkeiten beschrieben. Das Verhältnis von oxidierendem Gas zu Brenngas wird so eingestellt, daß das oxidierende Gas im Überschuß über der stöchiometrischen Menge vorliegt. Als Brenngas wird Acetylen (C₂H₂) und als oxidierendes Gas Sauerstoff (O₂) verwendet. Die Verbrennung der Gase findet außerhalb der Düse 24 statt, wo sie zu einem Strom 34 von hoher Geschwindigkeit expandieren. Die Aluminiumteilchen werden von der ansaugenden Luft mitgetragen und in den verbrennenden Gasen erhitzt. Es wird angenommen, daß die sauerstoff reiche Atmosphäre, in der Kohlenstoff vorhanden ist, einen oxidierten Film 36 bildet, der jedes Aluminiumteilchen 14 umhüllt. Der Oxidfilm 36 hat einen höheren Schmelzpunkt als das Aluminiumteilchen, und die Oberflächenspannung des Oxidfilms hält das Teilchen während seines Fluges bis zum Auftreffen auf dem Werkstück oder auf anderen Teilchen intakt. Es wird ferner angenommen, daß der Oxidfilm verhindert, daß die Teilchen sich beim Aufprall auf dem Werkstück oder auf anderen Teilchen vollständig abflachen.

Der Abstand D von der Düse zum Werkstück ist ebenfalls wichtig, da er die Flugzeit des Teilchens, während der es erhitzt und oxidiert wird, bestimmt. Ein Abstand von 30,5 cm erwies sich als allgemein geeignet für Aluminium. Beim Aufprall wird eine Vielzahl der Teilchen durch das aufgerauhte Werkstück deformiert und mechanisch damit verklammert 22. Weitere Teilchen, die auf die bereits auf das Werkstück aufgebrachten Teilchen gespritzt werden, werden beim Aufprall nicht vollständig abgeflacht (d. h. sie sind im wesentlichen nicht abgeplattet). Es wird angenommen, daß der Oxidfüm stellenweise beim Aufprall bricht, so daß geschmolzenes Aluminium zwischen einigen Teilchen an sog. erstarrten Flüssigkeitsgrenzflächen 38 miteinander verschmelzen oder zusammenf ritten kann. Andere Teilchen sind mechanisch miteinander verklammert Der Oxidüberzug trägt ferner dazu bei, die Teilchen als Klebstoff miteinander zu verbinden. Es wird somit angenommen, daß jedes Teilchen mit Teilen eines anderen Teilchens kohäsiv und adhäsiv verbunden ist. Wo der Oxidfilm bricht, stellt sich gute Wärmeleitung in der im wesentlichen netzwerkförmigen Struktur ein. Das Aluminium wird in einer solchen Dicke auf das Werk- ~> stück aufgespritzt, daß ein Überzug 18 gebildet wird, der leicht das Blasensieden mit Keimbildung auslöst und aufrecht erhält. Bekanntlich sollte der Überzug eine Mindestdicke von zwei oder mehr Teilchen aufweisen. In der folgenden Tabelle sind die Flamm-'< > spritzbedingungen des vorstehend beschriebenen Beispiels zur Herstellung eines als Heizfläche dienenden Aluminiumüberzuges auf einer Aluminiumunterlage zusammengestellt.

Brenngas: Acetylen (C₂H₂)
i~> Oxidierendes Gas: Sauerstoff (O₂)

Durchflußmenge in mVStd.:

Brenngas: 0,453 bis 0,736 (vorzugsweise 0,481) Oxidierendes Gas: 0,651 bis 1,331 (vorzugsweise

1,090 bis 1,331)
J» Druck: Brenngas 0,7 atü; oxidierendes Gas 1,05 atü

Spritzabstand: 30,5 cm

Trägergas: Brenngas

Ansauggas: Luft

Pulvertyp: +99% Aluminium; 44 bis 88 μ

Zugeführte Pulvermenge: 1,7 kg/Std.

Fig. 1 veranschaulicht eine Wärmeaustauschwand, die aus einem Rohr von 25,4 mm Durchmesser besteht. Der Überzug wurde in einer Dicke von 305 bis »ι 381 μ aufgebracht. Natürlich können dickere oder dünnere überzüge gespritzt werden. Wie die Figur zeigt, sind Teile einer Vielzahl von im wesentlichen nicht abgeflachten Teilchen mit Teilen anderer Teilchenverbunden. Die Verbindungsstellen sind von uni> terschiedlicher Art. Einige Teilchen sind mechanisch miteinander verklammert 40, während andere Teilchen dort, wo der Oxidfilm gebrochen ist 38, kohäsiv miteinander verbunden sind. Andere Teilchen sind adhäsiv durch den Oxidfilm 36 miteinander verbunden. Es wird angenommen, daß die Teilchen beim Durchfliegen des Spritzstrahls sich entweder im geschmolzenen oder im plastischen Zustand befinden. Beim Aufprall auf das Werkstück oder aufeinander bricht der Oxidfilm einiger Teilchen, wodurch sie ko-•r> häsiv an der erstarrten Flüssigkeitsgrenzfläche verbunden werden und ein wärmeleitf ähiger Weg durch benachbarte Teilchen ausgebildet wird. Die mechanisch verklammerten Teilchen haben ebenfalls gute Wärmeleitung. Die miteinander verbundenen Teil- >o chen bilden gemeinsam eine netzförmige Wärmeverteilungsstruktur.

Es wird angenommen, daß die Teilchen mit einem im wesentlichen homogenen Oxidfilm 36 bedeckt sind. Die nicht miteinander verbundenen Teile zwisehen den Teilchen begrenzen eine Vielzahl von porös miteinander verbundenen, offenen Keimbildungszellen oder Keimzentren 12. Die kohäsive Verbindung von Teilchen an den erstarrten Flüssigkeitsgrenzflächen bilden eine netzförmige Wärmeverteilungsstruktur aus, die den Blasensiedeprozeß aus Keimzentren fördert.

Aus den Figuren ist die gegenseitige Verbinc jng der Keimbildungszellen, die für den Kontakt mit den Teilchen schwarz schattiert sind, nicht ohne weiteres erkennbar. Die gegenseitige Verbindung der Zellen ist deshalb nicht leicht erkennbar, weil die Abbildungen einen zweidimensionalen Querschnitt darstellen, während die Verbindung zwischen den Zellen in drei

Dimensionen vorliegt. Die gegenseitige Verbindung der Zellen läßt sich vielleicht am besten auf der Grundlage der gezeigten physikalischen Eigenschaften beschreiben.

Für übliches Flammspritzen von Aluminiumpulver wird Wasserstoff als Brenngas empfohlen. Versuche haben jedoch ergeben, daß Wasserstoffgas unter den vorstehend genannten Bedingungen ungeeignet ist, da die Aluminiumteilchen im wesentlichen vollständig zu Aluminiumoxid oxidiert werden. Unerklärlicherweise scheint die Anwesenheit von Kohlenstoff in der sauerstoffreichen Verbrennungszone die Teilchen gegen Überoxidation zu schützen, so daß es möglich ist, den Überzug gemäß der Erfindung herzustellen.

Die durch Aufspritzen von Aluminium erzeugte Oberflächenschicht wurde analysiert, um die mit den Überzügen vorhandenen Elemente zu bestimmen, y- und χ-AIuminiumoxid (AIjO₃) und Kohlenstoff, der möglicherweise in Form von Aluminiumcarbid (Al₄C₃) oder als freier Kohlenstoff vorliegt, wurden in den Überzügen gefunden.

Um das Wärmeübertragningsvennögen der vorstehend beschriebenen Heizfläche des Wärmeaustauschers experimentell zu bestimmen, wurde ein Rohr von 25,4 mm Druchmesser mit einem Überzug einer Dicke zwischen 0,254 und 0,381 mm in Aceton getaucht, um die Kapillarität zu ermitteln. Y Ii 4 Stunden bei Umgebungstemperatur und Normaldruck war das Aceton um wenigstens 30,5 cm über die freie Oberfläche der Flüssigkeit gestiegen. Dies entspricht natürlich einem äquivalenten Porenradius von 20,3 μ.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, daß ein mittlerer Porenradius von weniger als 114 μ einen ausgesprochen deutlichen Einfluß auf die Fähigkeit einer Oberfläche hat, Blasensieden mit Keimbildung zu begünstigen. Ein äquivalenter Porenradius ist zwar nützlich, jedoch muß man vorsichtig sein, seine Bedeutung für die Festlegung der Kriterien für das Blasensieden aus Keimzellen für verschiedene Flüssigkeiten über unterschiedliche Temperaturbereiche nicht überzubetonen. Wenn beispielsweise alle Zellen einen Porenradius von 114 μ haben würden, wäre der Überzug nur für begrenzte thermische Bedingungen und nicht für einen Bereich von thermischen Bedin-

gungen wirksam. Es sollte eine gute Zellgrößenverteilung in einer solchen Weise vorliegen, daß, falls gewünscht, sehr unterschiedliche Flüssigkeiten über die verschiedensten Temperaturbereiche verwendet werden können. Der mittlere Porenradius beim vorstehenden Beispiel liegt im ungefähren Bereich von 7,62 bis 152,4 μ.

Der Porenradius ist ein wirksames Mittel zur Voraussage der erwarteten Leistung eines Überzuges, jedoch muß der Überzug unter geregelten Bedingungen getestet werden, um seine Fähigkeit, Blasensieden aus Keimzentren zu fördern, zu ermitteln.

Aluminiumpulver wurde auf Kupferrohre und Aluminiumrohre von 25,4 mm Durchmesser flammgespritzt. Vergleichsversuche wurden durchgeführt, um die Leistung der Spritzschichten im Vergleich zu unbeschichteten Rohren zu bewerten. Beide Rohre wurden in Trichlortrifluoräthan unter einem Druck von 0,87 kg/cm² getaucht. Wasser wurde als Medium mit einem Wärmekoeffizienten von 975 BTU/hr-FT²-°F geleitet, um das Trichlortrifluoräthan (z. B. Kältemittel 113) zum Sieden zu bringen. Die graphische Darstellung A zeigt deutlich den Unterschied im Wärmestrom in BTU/hr/FT².

In der gleichen Weise wurde das Aluminiumrohr in Wasser getaucht, während Dampf durch das R
geleitet wurde. Der Siedekoeffizient wurde berechnet und mit dem Wärmestrom für unbeschichtete und sandgestrahlte Kupferrohre verglichen. Die Ergebnisse sind im Diagramm B dargestellt.

Als weitere oxidfilmbildende Metalle können nach den vorstehend beschriebenen Verfahren Eisen, nichtrostender Stahl, Nickel, Titan, Silber, Zinn und Zink verspritzt werden. Die genauen Gasbedingungen und der Spritzabstand müssen den Erfordernissen des jeweiligen Metalls angepaßt werden. Ebenso können beliebige gewünschte Werkstoffe als Wärmeaustauschwand verwendet werden, vorausgesetzt, daß sie durch den Flammspritzprozeß nicht nachteilig beeinflußt werden. Geeignet sind Werkstoffe, die bei einer Temperatur von wenigstens 204° C einige Sekunden beständig sind. Als Beispiele solcher Werkstoffe sind Eisen, nichtrostender Stahl, Nickel, Titan, Silber, Zinn, Zink, Kupfer, Messing, Glas, Kunststoffe und Gummi zu nennen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Heizflächen von Wärmeaustauschern für Flüssigkeiten aus einem Schichtträger und einem > daran befestigten offenzelligen porösen Überzug aus einem passivierenden oxidfümbildenden Metall, der eine Vielzahl von im allgemeinen nicht abgeflachten Teilchen enthält, von denen eine Vielzahl mit Teilen anderer Teüchen mechanisch >° verbunden ist und die verbundenen Teilchen eine netzförmige Wärmeverteüungsstniktur bilden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl mit Teüen anderer Teüchen durch einen Oxidfilm adhäsiv aneinander haftet und eine Vielzahl mit i> Teilen anderer Teüchen kohäsiv verschmolzen ist, wobei eine Vielzahl der Teilchen eine oxidierte Oberfläche aufweist und die nicht verbundenen TeUe zwischen den Teüchen eine Vielzahl von porös miteinander verbundenen offenen Keimbil- dungszellen bildet.

2. Heizflächen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das passivierende oxidfilmbildende Metall des Überzuges aus der aus Aluminium, Eisen, rostfreiem Stahl, Nickel und Titan -> bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

3. Heizflächen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtträger eine aufgerauhte Oberfläche hat und eine Vielzahl der Teilchen mit der aufgerauhten Oberfläche zur Be- i< > festigung des Überzuges am Schichtträger verklammert ist.

4. Heizflächen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Überzug eine Vielzahl von Teilchen kohäsiv mit einer er- *"> starrten Flüssigkeitsgrenzfläche unter AusbUdung eines wärmeleitenden Weges verbunden ist.

5. Verfahren zur Herstellung von Heizflächen von Wärmeaustauschern nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man eine to Vielzahl von Pulverteilchen eines passivierenden oxidfilmbüdenden Metalls in einer sauerstoffreichen, Kohlenstoff enthaltenden Atmosphäre erhitzt, die Teilchen in dieser Atmosphäre unter gleichzeitigem Erhitzen einer Vielzahl der Teil- 4·> chen bis zu einem mindestens plastischen Zustand beschleunigt und eine Vielzahl der Teilchen gegen einen metallischen Schichtträger und gegen sich selbst aufprallen läßt unter Deformieren und Befestigen einer Vielzahl der Teilchen an dem > <> Schichtträger und an Teilen dieser Teilchen unter Hinterlassen von nicht miteinander verbundenen Teilen zwischen einer Vielzahl von Teilchen und Bildung einer Vielzahl von porös miteinander verbundenen offenen Keimbildungszellen. «