DE2618668B2 - Metallische Wärmetauscherwand - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine metallische Wärmetauscherwand nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Wände finden beispielsweise Verwendung als Siedefläche im Sumpf von Wärmetauschern. Sie sind beispielsweise aus der DE-AS 14 51 230 bekannt. Die dort beschriebenen unregelmäßigen Erhebungen sind jedoch durch Ätzen im Grundmaterial der Wärmetauscherwand entstanden. Hierdurch wird nicht nur die mechanische Stabilität der Wärmetauscherwand selber in Mitleidenschaft gezogen; es ist auch nur sehr beschränkt möglich, auf die Größe und Gestalt der erzeugten Erhebungen Einfluß zu nehmen. Auch zeigen diese Rauhigkeiten keine besonders gute siedefördernde Wirkung, möglicherweise deshalb, weil sie zu gleichmäßig und glatt sind.

In der FR-PS 15 33 025 ist eine Wärmetauscherwand beschrieben, bei der in eine Oberfläche Vertiefungen eingeritzt, eingedrückt oder eingepreßt sind. Die Herstellung einer derartigen Wärmetauscherwand ist nicht nur teuer (Verwendung von Teilmaschinen ähnlich wie bei der Herstellung der Originale für optische Strichgitter); sie führt ebenfalls auch zu einer erheblichen mechanischen Schwächung des Materials der Wärmetauscherwand.

Die in der AT-PS 2 90 473 beschriebene Wärmetauscherwand hat eine poröse Oberflächenschicht, die durch Aufsintern von feinen Metallteilchen erhalten wird. Dieser Aufsintervorgang führt bei dünnem Wärmetauscherwänden zu einer Verminderung der mechanischen Festigkeit, so daß eine besondere Nachbehandlung erforderlich wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmetauscherwand der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die sowohl ein gutes Verdampfen der siedenden Flüssigkeit ermöglicht als auch eine gute mechanische Festigkeit aufweist

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 beschriebene Erfindung gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Dabei ist es an und für sich aus der US-PS 32 93 109 bekannt, daß eine mit korallenartigen Erhebungen versehene Oberfläche durch Elektroplattieren hergestellt werden kann. Danach wird so vorgegangen, daß zunächst der Grundkörper unter Verwendung relativ hoher Stromdichten elektroplattiert wird, was zu den gewünschten Erhebungen führt Darauf wird weiteres Metall bei geringeren Stromdichten elektrisch niedergeschlagen, wodurch die korallenartigen Erhebungen einen metallischen Oberzug erhalten. Die Verwendbarkeit derartiger Flächen als Wärmetauscherflächen wurde jedoch in dieser Vorveröffentlichung nicht

to erkannt Vielmehr geht es hier um die Aufgabe, die Verbindungseigenschaften in einer laminaren Struktur oder für einen emaillierten Draht zu verbessern.

Die Figur zeigt eine Darstellung, in welcher der Wärme-Öbertragungs-Wirkungsgrad eines Wärmetauscherrohrs gemäß der Erfindung mit einem üblichen gerippten Rohr verglichen wird.

Zum besseren Verständnis der Grundlagen der 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 10 760 A/m² wurde ungefähr 20 Sekunden lang bei leichter Bewegung der Lösung angelegt. Darauf wurde die Stromdichte auf ungefähr 538 A/m² verringert; die Plattierung wurde IV2 bis 2 Stunden lang fortgesetzt, wodurch die einzelnen korallenartigen Erhebungen, nachfolgend auch »Knollen« oder »Dendrite« genannt, mit einer starken, dichten Kupferschicht überzogen wurden.

Nach der elektrischen Abscheidung der Endkupferschicht wurde die 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 Darstellung der Wärmeflußdichte 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 (³/₄"-26 Rippen/ 2^4 cm). Dieser Wirkungsgrad ist in Kurve ß 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 gedreiit werden, wobei sie sich in der Nachbarschaft von einer oder s mehreren flachen Anodenplatten einer herkömmlicheren (und wirtschaftlicheren) Bauweise befinden.

Ein 3/4"-Kupferrohr mit einer Gesamtlänge von ungefähr 203 cm 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 PTFE-Trägerstruktur angeschraubt war.

Diese Kupferplatte hatte einen zylindrischen Mittelabschnitt welcher sich halb durch den Fuß der is Befestigungsvorrichtung erstreckte. Dieser Abschnitt lag gegen das Kupferrohr an, welches sich gegenüber diesem verdrehte, wobei ein dauernder elektrischer Kontakt hergestellt wurde. Die Probe vurde mit ungefähr Il Umdrehungen pro Minute von einem Niedriggeschwindigkeitsmotor gedreht der an der Oberseite der PTFE-Trägerstruktur angeschraubt war. Ein O-Ring übertrug die Antriebskraft zwischen Riemenscheiben. Die untere Scheibe war an einer PTFE-Achse befestigt deren anderes Ende gerade eng in das Kupferrohr paßte. Ein Stift konnte durch ein kleines Loch im Ende des Kupferrohres in das PTFE 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 12,7 · 27,9 · 0,64 cm wurden in dem Elektrolyt angebracht und vertikal im Abstand von etwa 11,4 cm 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 CuSO₄ ■ 5H₂O enthielt. Die Plattierung wurde eingeleitet, indem 100 Ampere (ungefähr 8070 A/m²) eine Minute lang zugeführt wurden. Die Stromstärke wurde dann auf 5 Ampere (ungefähr 409 A/m²) reduziert; die Plattierung wurde 1 Stunde lang fortgeführt. Das plattierte Rohr zeigte eine gute Dendritenbildung, insbesondere nahe an den Rohrenden.

Beispiel 111

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 Il beschrieben wurden, wurden plattiert, wobei sich die Anoden in dieser Lage ungefähr 2,54 cm 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 Il 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 111 wurde unter Verwendung eines Plattierbades wiederholt welches 92,5 g/l CuSO₄ · 5 H₂O und 343 g/l H₂SO₄ 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 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 56μ) und gleichförmig in der Größe.

Beispiel V

Beispiel III wurde unter Verwendung eines Elektrolytbades wiederholt, welches 210 g/I CuSO₄ - 5 H₂O und 25 g/l H₂SO₄ 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 H₂SO₄ 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 Kupferbadzusammensetzung nach Beispiel II bei 5 Ampere zur Ausbildung einer Aufbauplattierung plattiert. Dieses Rohr enthielt eine gute Kombination von Löchern und Dendriten, welche etwas besser an den Enden als in der Mitte ausgebildet waren.

Beispiel VII

Beispiel III wurde unter Verwendung eines Bads wiederholt, welches 120 g/l Cu₂SO₄ - 5 H₂O und 75 g/l H₂SO₄ enthielt. Der Schritt der Dendritenbildung 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 5O°/oiger HNO3 15 Sekunden lang bei Zimmertemperatur geätzt. Es wurde dann in der Plattiervorrichtung nach Beispiel 1 montiert, wobei ein 2"-Eisenrohr das Rohr umgab und als Anode arbeitete. Der Plattiertank wurde mit einem Eisenelektrolyt gefüllt der folgendermaßen hergestellt wurde: 3SgFe₂O₃ in 30OgNaOH, auf 500 ml mit Wasser verdünnt, wurden 3 Stunden lang vorsichtig gekocht. Das überschüssige Fe₂O₃ wurde weggefiltert; es hh.ierblieb eine sirupartige Zusammensetzung. Das Rohr wurde einer hohen Stromdichte — 50 Ampere bei 75°C — ausgesetzt und dann bei 5 Ampere 45 Minuten bei 75° C plattiert. Ein sehr feines, schwach haftendes Eisenpulver wurde auf das Rohr aufplattiert. Ein stärker verdünntes Bad. welches vor Oxvdation aus der Luü

geschützt ist, würde vermutlich die Adhäsion verstärken.

Beispiel IX

Beispiel VIII wurde unter Verwendung eines 2"-Nikkelrohrs als Anode und eines Nickel-Elektrolyten wiederholt, welcher 40 g/l NiSO₄ ■ (N H₄J₂SO₄ und 10 g/l NaCI (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 HCI (30°) aktiviert und dann neu plattiert, um so die Stärke der Knollen aufzubauen. Der Elektrolyt enthielt 240 g/i NiCi₂ · 6 H₂O 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.

Beispiel XI

Beispiel VIII wurde wiederholt, wobei eine rohrförmige Zinkanode und ein Zinkelektrolyt verwendet wurde, der 180 g/l ZnSO₄^H₂O 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 XH

Beispiel XI wurde wiederholt unter Verwendung abwechselnder Kernbildungs- und Plattierzyklen. Fünf Zyklen wurden durchgeführt wobei jeweils 50 Ampere

2 bis 3 Sekunden lang zur Kembildung 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 Zinkeiektrolyten 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 1, welche einen guten Wärmeübergang ergaben.

Beispiel XlV

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 Wänmeübertragungsflächen zu erzeugen. Ein 3/4"-Kupferrohr, das gemäß Beispiel Il hergestellt wurde, wurde einer Nickelplattierfolge ausgesetzt. Nach einem Ätzvorgang von 10 Sekunden in 50%iger HNO3 wurde das Rohr gespült und in einer Lösung plattiert welche 240 g/l NiCI₂ · 6 H₂O und 30 g/l Borsäure enthielt Es wurde 30 Minuten bei 3 Ampere unter Verwendung einer Nickelrohranode plattiert Die Nickelplattierung be-

is deckte vollständig die Dendriten; sie war helf 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 Weisen ausgeführt werden, beispielsweise durch Hämmern, durch Kugelstrahlen, durch Rollen zwischen großen Rollen, mit einer kleinen flachen Rolle oder einer walzenartigen Rolle, welche entlang dem sich drehenden Rohr bewegt wird. Das Verdichtungswerkzeug kann mit einer Feder oder Gewichten belastet sein, um so dieselbe Kraft auf die Dendriten auszuüben und Unregelmäßigkeiten in der Dendritenrohrfläche 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, korallenartige Erhebungen in unregelmäßiger Anordnung über der Oberfläche des Grundkörpers gekennzeichnet Diese Erhebungen (»Knollen«, »Dendrite«) 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, ergeben nukleusbildende Stellen.

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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Metallische Wärmetauscherwand zur Wärmeübertragung zwischen einem Fluid auf eine siedende Flüssigkeit, wobei die der siedenden Flüssigkeit zugewandte Oberfläche makroskopische Rauhigkeiten aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauhigkeiten aufplattierte, korallenartige Erhebungen sind.

2. Wärmetauscherwand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die korallenartigen Erhebungen breitgedrückt sind.

3. Wärmetauscherwand nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die korallenartigen Erhebungen mit einer dünnen, durchgehenden Metallschicht bedeckt sind.

4. Wärme&ucherwand nach einem der Ansprache 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial aus Kupfer und die korallenartigen Erhebungen aus Kupfer oder Nickel bestehen.