DE2618668A1

DE2618668A1 - Nukleusbildende kochflaeche

Info

Publication number: DE2618668A1
Application number: DE19762618668
Authority: DE
Inventors: Clarence Elmo Albertson
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Borg Warner Corp
Priority date: 1975-04-28
Filing date: 1976-04-28
Publication date: 1976-11-11
Also published as: US4018264A; FR2309821B1; AU498419B2; DE2618668C3; GB1497489A; AU1290676A; JPS51130953A; CA1088047A; DE2618668B2; FR2309821A1

Description

Borg-Warner Corporation

200 South Michigan Avenue Anwaltsakte M-3890

Chicago, 111. 60604, USA 27. April 1976

Nukleusbildende Kochfläche

Die Erfindung betrifft eine nukleusbildende Kochfläche zur Vergrößerung des Kochwirkungsgrads des Sumpfes eines Wärmetauschers, bei welchem sich die kochende Flüssigkeit, vorzugsweise ein Kohlenwasserstoff-Kältemittel, in Kontakt mit der behandelten Oberfläche befindet. Eine recht zufriedenstellende, bisher bekannte Oberfläche ist im US-Patent 3 384 154 (Milton-Patent) beschrieben. Ein Nachteil des Milton-Verfahrens besteht darin, daß der auf die Oberfläche aufgebrachte Überzug an dieser Stelle gesintert wird, wodurch sich ein hochporöser metallischer Überzug auf dem Substrat ergibt. Dies bedeutet natürlich, daß das Rohr bzw. ein sonstiger Teil des Wärmetauschers in einem Ofen angeordnet und auf eine Sintertemperatur bei ungefähr 1760⁰F aufgeheizt werden muß. Dieser Erhitzungsprozeß hat jedoch unglücklicherweise einen nachteiligen

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Effekt auf die Rohrfestigkeit. Im Falle von Rohren mit dünnen Wänden sind besondere Handhabungsverfahren erforderlich; in einigen Fällen muß eine Verfestigung zur Wiederherstellung der Rohrfestigkeit erfolgen.

Die Oberflächen, welche von der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen werden, werden mittels bekannter Verfahren aufgebracht; die Erfindung besteht also darin, zu erkennen, daß die Kochcharakteristik verbessert werden kann, indem die Kochfläche des Substrats mit einer dendritischen oder knollenfeeichen Oberfläche versehen wird.

Das US-Patent 3 293 109 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer knollenreichen Oberfläche auf einer Kupferfolie. Hier sollen die Verbindungseigenschaften in einer laminaren Struktur oder für einen emaillierten Draht verbessert werden. Der Kupferkörper wird zunächst unter Verwendung relativ hoher Stromdichten elektroplattiert, wodurch die erwünschte knollenreiche Oberfläche hergestellt wird. Darauf wird weiteres Kupfer bei geringeren Stromdichten elektrisch niedergeschlagen, wodurch ein Überzug über den einzelnen Knollen erzeugt wird. Die US-Patente 3 701 698, 3 518 168 und 3 699 018 beschreiben jeweils Verfahren zur Erzeugung gerauhter Oberflächen, die ähnlich zum oben erwähnten US-Patent 3 293 109 die Verbindungscharakteristiken von Kupferkörpern verbessern sollen.

Die einzige Figur zeigt eine Darstellung, in welcher der Wärmeübertragungs-Wirkungsgrad eines Wärmetauscherrohrs gemäß der vor-

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liegenden Erfindung mit einem üblichen gerippten Rohr verglichen wird.

Zum besseren Verständnis der Grundlagen der vorliegenden Erfindung werden die folgenden Beispiele zur Illustration angegeben:

Beispiel I

Ein 3/4'' Kupferrohr mit einer Wandstärke von ungefähr 3/16'' wurde gesandet, mittels einer 15 Sekunden dauernden Ätzung in 50 %-iger HNO₃ bei Zimmertemperatur gereinigt, gespült und dann in eine Schwefelsäurelösung einer handelsüblichen Kupferplattiermischung eingetaucht, die als Cubath Nr. 2, hergestellt von der Sel-Rex-Co., bekannt ist. Diese Mischung enthält vermutlich ein Kupfersalz, beispielsweise Kupfersulfat, und Additive, beispielsweise Stabilisierer und Abklärer. Das Rohr wurde elektrisch mit einer Gleichstromquelle verbunden, so daß es als Kathode arbeitete. Eine ringförmige Kupferverbrauchselektrode wurde um das Rohr herum angeordnet, so daß sie in gleichförmigem Abstand von der Oberfläche

des Rohres war. Eine Stromdichte von 1000 Ampere pro Fuß wurde ungefähr 20 Sekunden lang bei leichter Bewegung der Lösung ange-

legt. Darauf wurde die Stromdichte auf ungefähr 50 Ampere pro Fuß verringert; die Plattierung' wurde 1 1/2 bis 2 Stunden lang fortgesetzt, wodurch die einzelnen Knollen mit einer starken,dichten Kupferschicht überzogen wurden.

Nach der elektrischen Abscheidung der Endkupferschicht wurde die

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Übertragung der Kochwärme weiter dadurch verbessert, daß das Rohr zwischen drei Rollen einer Blechbiegemaschine gerollt wurde. Auf diese Weise wurden die einzelnen Knollen in engere Nachbarschaft zueinander gebracht und durch Verfestigung und mechanisches gegenseitiges Verhaken gestärkt.

Das Rohr wurde in einer Wärmetauscher-Testzelle mit dem Kältemittel R-12 bei ungefähr 37 psig getestet. Die Figur zeigt eine Dar-

stellung der Wärmeflußdichte (BTU/h . ft ) gegen die Temperaturdifferenz zwischen dem Kältemittel und der Rohrwand. Das knollenreiche Rohr, welches durch die Kurve A dargestellt wird, erwies sich als deutlich überlegen dem Wärmeübertragungswirkungsgrad eines üblichen gerippten Rohrs (3/4¹¹ 0.D.-26 Rippen/lineares Zoll). Dieser Wirkungsgrad ist in Kurve B der Figur gezeigt. Eine gewisse Hysteresis in der Temperaturdifferenz wurde bei Ermittlung der in Kurve A gezeigten Daten beobachtet. Die Kurve stellt deshalb einen Mittelwert der Temperaturdifferenzen bei Erhöhung der Wärmeflußdichte und darauffolgender Erniedrigung der Wärmeflußdichte dar.

Beispiel II

Anstelle der konzentrischen Anode, die in Beispiel I beschrieben wurde, können die Rohre gedreht werden, wobei sie sich in der Nachbarschaft von einer oder mehreren flachen Anodenplatten einer herkömmlicheren (und wirtschaftlicheren) Bauweise befinden.

Ein 3/4" (O.D.) Kupferrohr mit einer Gesamtlänge von ungefähr

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8" wurde an einem Gerät angebracht, welches es langsam während des Plattiervorgangs im Bad drehte. Der elektrische Kontakt zum Rohr erfolgte über eine Kupferplatte, welche an einem Fuß einer Teflon-Trägerstruktur angeschraubt war.

Diese Kupferplatte hatte einen zylindrischen Mittelabschnitt, welcher sich halb durch den Fuß der Befestigungsvorrichtung erstreckte. Dieser Abschnitt lag gegen das Kupferrohr an, welches sich gegenüber diesem verdrehte, wobei ein dauernder elektrischer Kontakt hergestellt wurde. Die Probe wurde mit ungefähr 11 Umdrehungen pro Minute von einem Niedriggeschwindigkeitsmotor gedreht, der an der Oberseite der Teflon-Trägerstruktur angeschraubt war. Ein O-Ring übertrug die Antriebskraft zwischen Riemenscheiben. Die untere Scheibe war an einer Teflon-Achse befestigt, deren anderes Ende gerade eng in das Kupferrohr paßte. Ein Stift konnte durch ein kleines Loch im Ende des Kupferrohres in das Teflon geschoben werden. So wurde sichergestellt, daß sich beide Teile nicht gegeneinander verdrehten. Der elektrische Kontakt am anderen Ende des Rohrs wurde mittels einer Feder sichergestellt.

Zwei phosphorisierte Kupferanoden mit den Maßen 5" χ 11" χ 1/4" wurden in dem Elektrolyt angebracht und vertikal im Abstand von etwa 4 1/2" übereinander angebracht. Eine Stromversorgung, die 0 bis 100 Ampere und 0 bis 15 Volt liefern konnte, wurde verwendet. Es wurde ein einfaches Säure-Kupferplattierbad verwendet, welches 52,2 g/l Schwefelsäure und 210 g/l CuSO. . 5H₂O enthielt.

Die Plattierung wurde eingeleitet, indem 100 Ampere (ungefähr

750 Ampere/ft ) eine Minute lang zugeführt wurden. Die Stromstärke

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wurde dann auf 5 Ampere (ungefähr 38 Ampere/Fuß ) reduziert; die Plattierung wurde 1 Stunde lang fortgeführt. Das plattierte Rohr zeigte eine gute Dendritenbildung, insbesondere nahe an den Rohrenden.

Beispiel III

Die Anoden wurden dann näher an die Rohre herangeführt und in einem Winkel von ungefähr 60° zur Basis des Plattiertanks angeordnet. Auf diese Weise zeigten sie nach oben und außen, weg vom Rohr, wie bei einem "V". Kupferrohre, wie sie in Beispiel II beschrieben wurden, wurden plattiert, wobei sich die Anoden in dieser Lage ungefähr 1ⁿ vom Rohr entfernt befanden. Dies ermöglichte ein gleichförmigeres Plattieren sowohl bei der hohen als auch bei der niedrigen Stromdichte. Das Rohr wurde unter denselben Bedingungen wie in Beispiel II plattiert. Die Probe zeigte eine gute Knollenentwicklung über ihren ganzen Bereich hinweg, bei einer nur gering stärkeren Entwicklung an den Enden verglichen mit der Mitte.

Beispiel IV

Beispiel III wurde unter Verwendung eines Plattierbades wiederholt, welches 92,5 g/l CuSO. . 5H₂O und 343 gl H₃SO₄ enthielt. Bei der Dendritenbildung wurden 95 Ampere etwa 20 Sekunden lang zugeführt; dann wurde die Stromstärke in den Bereich zwischen 90 und 60 Ampere 20 weitere Sekunden lang zurückgeführt. Danach

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wurde das Rohr in das Bad mit der Zusammensetzung nach Beispiel II gebracht und eine weitere Stunde lang bei 5 Ampere plattiert. Das Rohr zeigte eine recht gute Lochentwicklung,aber keine erkennbare Knollen. Die Löcher waren sehr klein im Durchmesser (ungefähr 2,2 mil) und gleichförmig in der Größe.

Beispiel V

Beispiel III wurde unter Verwendung eines Elektrolytbades wiederholt, welches 210 g/l CuSO₄ . 5H₂O und 25 gl H₃SO enthielt. Eine Stromstärke von 95 bis 100 Ampere wurde ungefähr 45 Sekunden lang zugeführt und dann auf einem Bereich zwischen 95 bis 75 Ampere 15 Sekunden lang reduziert. Obwohl die Ausbildung der Dendriten gut war und eine recht gleichförmige Plattierung auftrat, wurde festgestellt, daß die Dendriten relativ schwach waren.

Beispiel VI

Beispiel III wurde unter Verwendung eines Elektrolytbades wiederholt, welches 210 g/l CuSO₄ und 75 g/l H₃SO₄ enthielt. Dieses Rohr wurde 40 Sekunden lang bei 95 bis 100 Ampere und 20 weitere Sekunden lang im Bereich zwischen 95 und 30 Ampere plattiert. Es wurde eine weitere Stunde in der Kupf erbadzusaitunensetzung nach Beispiel II bei 5 Ampere zur Ausbildung einer Aufbäuplattieruhg plattiert." Dieses Rohr enthielt eine gute Kombination von Löchern und Dendriten, welche etwas besser an den Enden als in der Mitte ausgebildet waren.

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Beispiel VII

Beispiel III wurde unter Verwendung eines Bads wiederholt, welches 120 g/l Cu₂SO₄ . 5 H₃O und 75 g/l H₃SO₄ enthielt. Die Stufe der Dendritenbildung, die hier manchmal als "Kernbildung" bezeichnet wird, wurde bei 100 Ampere 1 Minute lang durchgeführt; dann wurden die Rohre wie im Beispiel II plattiert. Gleichförmig verteilte und recht kleine Löcher waren das vorherrschende Merkmal. Die Plattierung war gleichmäßig über das Rohr verteilt.

Beispiel VIII

Um die Durchführbarkeit der Ausbildung von Dendriten durch Plattieren mit anderen Metallen und Metallegierungen zu prüfen, wurde eine Anzahl von Rohren auf eine Weise überzogen,welche den vorhergehenden Beispielen ähnlich war, wobei jedoch andere Elektrolytzusammensetzungen verwendet wurden.

Ein 6"Rohr derselben Art, wie in Beispiel I beschrieben, wurde gereinigt und in 50 %-iger HNO₃ 15 Sekunden lang bei Zimmertemperatur geätzt. Es wurde dann in der Plattiervorrichtung nach Beispiel I montiert, wobei ein 2" Eisenrohr das Rohr umgab und als Anode arbeitete. Der Plattiertank wurde mit einem Eisenelektrolyt gefüllt, der folgendermaßen hergestellt wurde: 35 g Fe₃O₃ in 300 g NaOH, auf 500 ml mit Wasser verdünnt, wurden

|3 Stunden lang vorsichtig gekocht. Das überschüssige Fe₃O₃ wurde

jweggefiltert; es hinterblieb eine sirupartige Zusammensetzung.

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Das Rohr wurde einer hohen Stromdichte - 50 Ampere bei 75°C ausgesetzt und dann bei 5 Ampere 45 Minuten bei 75⁰C plattiert. Ein sehr feines, schwach haftendes Eisenpulver wurde auf das Rohr aufplattiert. Ein stärker verdünntes Bad, welches vor Oxydation aus der Luft geschützt ist, würde vermutlich die Adhesion verstärken.

Beispiel IX

Beispiel VEII wurde unter Verwendung eines 2"-Nickelrohr als Anode und eines Nickel-Elektrolyten wiederholt, welcher 40 g/l NiSO. (NH₄)₂S0₄ und 10 g/l NaCl (pH 4-4,5, 30⁰C) enthielt. Der Strom wurde mit einer Stärke von 20 Ampere 15 Sekunden lang angelegt; die Plattierung wurde bei 3 Ampere 45 Minuten lang ausgeführt. Es wurden relativ feine Nickelknollen erzeugt, die jedoch nur schwach haftend waren.

Beispiel X

Das nach Beispiel IX sich ergebende Rohr wurde 1 Minute lang in 10 %-iger HCl (30°) aktiviert und dann neu plattiert, um so die Stärke der Knollen aufzubauen. Der Elektrolyt enthielt 240 g/l NiCl₂ . 6H₂O und 30 g/l Borsäure (pH:1,0). Das Rohr wurde bei 3 Ampere 1 Stunde lang plattiert; das Ergebnis war ein haftender, abriebfester überzug mit einer hervorragenden Dendritenbildung.

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Beispiel XI

Beispiel VIII wurde wiederholt, wobei eine rohrförmige Zinkanode und ein Zinkelektrolyt verwendet wurde, der 180 g/l ZnSO₄ . 7H„0 und 45 g/l Natriumacetat (pH:6) enthielt. Die Plattierfolge war: 15 Sekunden bei 60 Ampere; 30 Minuten bei 5 Ampere; 1 Stunde bei 3 Ampere. Das Rohr zeigte gleichförmige, helle und dichte Zinkdendriten, deren Haftung jedoch schlecht war.

Beispiel XII

Beispiel XI wurde wiederholt unter Verwendung abwechselnder Kernbildungs- und Plattierzyklen. Fünf Zyklen wurden durchgeführt, wobei jeweils 50 Ampere 2 bis 3 Sekunden lang zur Kernbildung und 3 Ampere 10 Minuten lang zur Plattierung verwendet wurden. Das Rohr war mit stark haftenden Zinkdendriten bedeckt.

Beispiel XIII

Beispiel XII wurde wiederholt, wobei jedoch 40 g/l Glukose dem Zinkelektrolyten zugefügt wurden. Es bildeten sich starke, dichte Zinkdendriten an der unteren Hälfte des Rohres und etwas schwächere Dendriten an der oberen Hälfte. Dieser Niederschlag schien sehr ähnlich den Kupferdendriten von Beispiel I, welche einen guten Wärmeübergang ergaben.

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Beispiel XIV

Es wurde auch festgestellt, daß Rohre, die mit einem dendritischen Überzug aus einem Metall versehen sind, mit einem anderen, verschiedenen Metall plattiert werden können, um so wirksame Wärmeübertragungsflächen zu erzeugen. Ein 3/4" Kupferrohr, das gemäß Beispiel II hergestellt wurde, wurde einer Nickelplattierfolge ausgesetzt. Nach einem Ätzvorgang von 10 Sekunden in 50 %-iger HNOo wurde das Rohr gespült und in einer Lösung plattiert, welche 240 g/l NiCl₂ . 6H₃O und 30 g/l Borsäure enthielt. Es wurde 30 Minuten bei 3 Ampere unter Verwendung einer Nickelrohranode plattiert. Die Nickelplattierung bedeckte vollständig die Dendriten; sie war hell und metallisch auf glatten Flächen und grau auf Dendritenflächen. Die nickelplattierten Dendritenüberzüge hafteten stark an den Kupferrohren; sie tendierten dazu, die Fläche der Kupferdendriten, welche in mechanische Berührung gerollt waren, zu überbrücken und zu verstärken.

Wie in Beispiel I bemerkt wurde, lassen sich einige Vorteile erzielen, wenn die Knollen nach der Plattierung des Rohres verdichtet werden. Die Verdichtung der Knollen kann in einer Vielzahl von j Weisen ausgeführt werden, beispielsweise durch Hämmern, durch Kugelstrahlen, durch Rollen zwischen großen Rollen, mit einer ,

jkleinen flachen Rolle oder einer faßförmigen Rolle, welche entlang i

idem sich drehenden Rohr mittels eines lattenartigen Werkzeugs be- ^; jwegt wird. Das Verdichtungswerkzeug kann mit einer Feder oder

!Gewichten belastet sein, um so dieselbe Kraft auf die Dendriten

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auszuüben und Unregelmäßigkeiten in der Dendrxtenrohrfläche zu folgen; es könnte auch so eingestellt sein, daß das Rohr auf einen bestimmten Durchmesser verdichtet wird, unabhängig von Größenvariationen der Dendriten und Rohre. Diese Verdichtung kann mittels eines Werkzeugs bewerkstelligt werden, welches über die Oberfläche gleitet, anstatt zu rollen.

Die Oberfläche, die von der vorliegenden Erfindung geschaffen wird, ist durch makroskopische VorSprünge in unregelmäßiger Anordnung über die Oberfläche des Substrates gekennzeichnet. Diese Vorsprünge oder Knollen sind einstückig mit den Kupferkörnern des Substrates verbunden. Die Hügel und Täler der Oberfläche, wie sie insbesondere durch mechanische Deformation der Vorsprungsspitzen verstärkt werden können, scheinen Wiedereintrittshohlräume zu ergeben, wie sie bekanntermaßen zu aktiven, nukleusbildenden Stellen führen.

Die vorliegende Erfindung kann offensichtlich mit verschiedenen Arten kochender Flüssigkeiten und verschiedenen Arten von Wärmeaustauschern, beispielsweise Rohr und Hülse, direkte Expansion und plattenartigen Konstruktionen.verwendet werden.

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Claims

Borg-Warner Corporation

South Michigan Avenue Anwaltsakte M-3890

Chicago, 111. 60604, USA 27. April 1976

Patentansprüche
J Verfahren zur Wärmeübertragung von einem warmen Strömungsmittel auf eine kochende Flüssigkeit, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Der knollenreiche, metallische, aufplattierte Überzug auf einer Seite einer wärmeleitenden Wand eines Wärmetauschers wird vollständig mit der genannten Flüssigkeit bedeckt; die andere Seite der genannten Wand wird mit dem warmen Strömungsmittel in Berührung gebracht, wobei der genannte Überzug die Bildung und den Ausstoß von Dampf als Blasen, welche über der mit dem genannten Überzug bedeckten Fläche aufsteigen, fördert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug aus einer Fläche mit makroskopischen Vorsprüngen besteht, welche im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der

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genannten Wand verlaufen und unregelmäßig angeordnet sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug mit einer dünnen, metallischen Einkapselung der genannten Vorsprünge versehen ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug mit Endabschnitten der genannten VorSprünge versehen ist, welche lateral deformiert sind.
5. Wärmetauscher mit einer wärmeleitenden Wand, deren eine Oberfläche in Berührung mit einer kochenden Flüssigkeit und deren andere Oberfläche in Berührung mit einem warmen Strömungsmittel gebracht werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein knollenreicher, metallischer überzug auf der genannten ersten Oberfläche befindet, die mit makroskopxschen VorSprüngen versehen ist, welche sich von der genannten Oberfläche in einer unregelmäßigen Anordnung wegerstrecken.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Vorsprünge mechanisch deformiert sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge mit einer dünnen Metallschicht eingekapselt sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der überzug sich auf der Außenfläche eines rohrförmigen Wärmetauscherelements befindet.

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9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand und der Überzug aus Kupfer hergestellt sind.

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