DE2618668C3

DE2618668C3 - Metallische Wärmetauscherwand

Info

Publication number: DE2618668C3
Application number: DE2618668A
Authority: DE
Inventors: Clarence Elmo Villa Park Ill. Albertson (V.St.A.)
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Borg Warner Corp
Priority date: 1975-04-28
Filing date: 1976-04-28
Publication date: 1980-07-31
Also published as: DE2618668B2; AU1290676A; CA1088047A; FR2309821B1; JPS51130953A; DE2618668A1; AU498419B2; FR2309821A1; GB1497489A; US4018264A

Description

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

Derartige Wände finden beispielsweise Verwendung a's Siedefläche im Sumpf von Wärmetauschern. Sie sind beispielsweise .-eis. der DE-AS 14 51 230 bekannt. Die dort beschriebenen unregelmäßigen Erhebungen sind jedoch durch Ätzen im Grundmaicrial der Wärmetauscherwand entstanden. Hicrddrch 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 /u nehmen. Auch /eigen diese Rauhigkeiten keine besonders gule siedefördernde Wirkung, möglicherweise dcshaib. weil sie /ti 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 Teilmasehincn 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 47 3 beschriebene Wärmetauscherwand hat eine poröse Oberflächenschicht, die durch Aufsintern von feinen Mclalitcilchcn erhalten wird. Dieser Aufsintervorgang führt bei dünnen Wärmetauscherwänden zu einer Verminderung der mechanischen Festigkeit, so daß eine besondere Nachbehandlung erforderlich wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmetauscherwand der gattungsgemäßen ArI 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 I beschriebene Erfindung gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteraiisprüchen angegeben.

Dabei ist es an und für sich aus der US-PS 32 <)3 109 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

ίο 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-Übertragungs-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 gcsandet, mittels einer 15 Sekunden dauernden Ätzuag in 50%iger HNOj bei Zimmertemperatur gereinigt, gespült und dann in eine Schwcfelsäurelösung einer handelsüblichen Kupferplattiermischung eingetaucht, die als Cubath Nr. 2, herge-

jo stellt von der Sel-Rex-Co., bekannt ist. Diese Mischung enthält vermutlich ein Kupfcrsalz, beispielsweise Kupfcrsulfat, und Additive, beispielsweise Siabilisicrcr und Abklärer. Das Rohr wurde elektrisch mit einer Gleichstromquelle verbunden, so daß es als Kathode arbeitete. Eine ringförmige Kupfcrverbraiichselekirodc wurde um das Rohr herum angeordnet, so daß sie in gleichförmigem Abstand von der Oberfläche des Rohres war. Eine Stromdichte von K) 7b0 Λ/ηι² wurde ungefähr 20 Sekunden lang bei leichter Bewegung der Lösung angelegt. Darauf wurde ijic Stromdichte auf ungefähr 538 A/m² verringert; die !Mattierung wurde I '/2 bis 2 Stunden lang fortgesetzt, wodurch die einzelnen korallenartigen Erhebungen, nachfolgend auch »Knollen« oder »Dcndritc« genannt, mil einer starken, dichten Kupferschicht überzogen wurden.

Nach der clckirischcn Abscheidung der Endkupferschicht wurde die Übertragung der Kochwärmc 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 Wärmetauseher-Tcslzelle mit dem Källcmiltcl R-12 bei ungefähr 37 psig getestet. Die Figur zeigt eine Darstellung der Wärnicflußdichlc gegen die Tempcralurdiffcrcnz /wischen dem Kältemittel und der Rohrwand. Das knollcnrcichc Rohr, welches durch die Kurve A dargestellt wird, erwies sich als deutlich überlegen dem Wärmcübertiagungswirkungsgrad eines üblichen gerippten Rohrs ('/.("-26 Rippen/ 2.54 cm). Dieser Wirkungsgrad ist in Kurve ö 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 Tcmperaiurdiffcrenzcn bei Erhöhung der Wärmeflußelichte und darauffolgender Erniedrigung der Wärmeflußdichte dar.

Beispiel II

Ansieile 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 Anodennlatten 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 Fuü einer PTFE-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 2u Niedriggeschwindigkeitsmotor gedreht, de. 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 jo mittels einer Feder sichergestellt.

Zwei phosphorisiertc Kupferanoden mit den Maßen 12,7 · 27,9 · 0,64 cm wurden in dem Elektrolyt angebracht und vertikal im Abstand von elwa 11.4 cm übereinander angebracht. Eine Stromversorgung, die 0 j, bis 100 Ampere und 0 bis 15 Volt liefern konnte, wurde vcrwcndci. Es wurde ein einfaches Säuie-Kupferplaiticrbad verwendet, welches 52,2 g/l Schwefelsäure und 2IOg/ICuSÜ4 · 5 H₂O enthielt. Die l'lallierung wurde eingeleitet, indem 100 Ampere (ungefähr 8070 A/m-) eine Minute lang zugeführt wurden. Die S'.romsiärkc wurde dann auf 5 Ampere (ungefähr 409 A/m²) reduziert; die Platlieriing wurde I Stunde lang fortgeführt. Das plattierte Rohr zeigte eine gute Dendrilenbildung. insbesondere nahe an den Rohrenden.

B c i s ρ i e I III

Die Anoden wurden dann näher an die Rohre herangeführt und in einem Winkel von ungefähr 60" zur Basis des Plallicrtanks angeordnet. Auf diese Weise zeigten sie «lach 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 Knollcncntwicklung über ihren ganzen Bereich hinweg, bei einer nur gering stärkeren bo Entwicklung an den Enden verglichen mit der Mitte.

Beispiel IV

Beispiel III wurde unter Verwendung eines Platiicrbadcs wiederholt, welches 92.5 g/l CuSO₄ ■ 5 H₂O und 343 g/l H₂SO₄ enthielt. äc\ der Dcndritcnbildung 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 nacn Beispiel Il 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 56;/.) und gleichförmig in der Größe.

Beispiel V

Beispiel III wurde unter Verwendung eines Elektrolytbades wiederholt, welches 210 g/l 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 Vl

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 IM wurde unter Verwendung eines Bads wiederholt, welches 120 g/l Cu₂SO₄ · 5 H₂O und 75 g/l H₂SO₄ enthielt. Der Schritt der Dendritenbildunj; wurde bei 100 Ampere 1 Minute lang durchgeführt; dann wurden die Rohre wie im Beispiel Il plattiert. Gleichförmig verteilte und recht kleine Löcher waren das vorherrschende Merkmal. Die Plattierung war gleichmäßig über das Rohr verleih.

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 Elcktrolytzusammcnsctzungcn verwendet wurden.

Ein 6"-Rohr derselben Art, wie in Beispiel I beschrieben, wurde gereinigt und in 50^c/(>ivcr HNOj 15 Sekunden lang bei Zimmertemperatur geätzt. Es wurde dann in rlcr Plattiervorrichtung nach Beispiel I montiert, wobei ein 2"-Eisenrohr das Rohr umgab und als Anode arbeiten. Der Plattiertank wurde mit einem Eisenclcktrolyt gefüllt, der folgendermaßen hergestellt wurde: 35 g Fe₂Oi in 30OgNaOH, auf 500 ml mit Wasser verdünnt, wurden 3 Stunden lang vorsichtig gekocht. Das überschüssige Fe₂Oj wurde weggefiltert; es hinterblieb eine sirupartige Zusammensetzung. Das Rohr wurde einer hoiten 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 aufplatticrl. Ein stärker verdünntes Bad. welches vor Oxvdation aus der Luft

geschützt ist, würde vermutlich die Adhäsion verstärken.

Beispiel IX

Beispiel VIII wurde unter Verwendung eines 2"-Nikkelrohrs als Anode und eines Nickcl-Lleklrolylen wiederholt, welcher 40 g/l NiSO₄ · (Nm)₂SO₄UiKl IO g/l NaCI (pH 4—4.5. J0°C) enthielt. Der Strom wurde mit einer Stärke von 20 Ampere I 'i Sekunden lang angelegt: die l'latlierung wurde bei 3 Ampere 4~> Minuten King ausgeführt. Ls wurden relativ feine Nickelknollen erzeugt, die jedoch nur schwach haftend waren.

Beispiel X

ι-ΊΐΝ i'uiCn ueiN|'Mei ιλ sich cipcuciide Kolli wiiiuc I Minute lang in 10'Voiger HCI (30 ) aktiviert und dann neu plattiert, um so die Stärke der Knollen aufzubauen. Der Llektrolyt enthielt 240 g/l NiCI, b II..O und 3OgI Borsäure (pH: 1.0). Das Rohr wurde bei J Ampere

1 Stunde lang plattiert: das Lrgebnis war ein haftender, abriebfester Überzug mit einer hervorragenden Dendrilenbildung.

Beispiel Xl

Beispiel VIII wurde wiederholt, wobei eine rohrlormige Zinkanocle und ein Zinkelektrolvi verwendet wurde, der 180 g/l ZnSO₄ ■ 7 H.>() und 43 g/l Natriumacet.it (pH: b) enthielt. Die Plattierfolge war: 15 Sekunden bei bO 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 Xl wurde wiederholt unter Verwendung abwechselnder Kernhildiings- und Platiierzv. klen I Tint Zvklen wurden durchgeführt, wobei icweils 50 Ampere

2 bis 3 Sekunden lang zur Kernbildung und i Ampere 10 Minuten lang zur Plattierung verwendet wurden. Das Rohr war mit stark haftenden Zinkdendriten bedeckt.

Beispiel XIII

Beispiel XII wurde wiederholt, wobei jedoch 4Og-¹I Glukose dem Z^;"kelektrolvten zugefügt wurden. Ls 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.

Beispiel XIV

Ls wurde auch festgestellt, daß Rohre, die mit einem dendritischen Überzug aus einem Metall versehen sind. mit einem anderen, verschiedenen Metall plaltierl werden können, um so wirksame Wärnieiiberiragungsflächen zu erzeugen. Min J/4"-Kupierrohr, das gemäß Beispiel Il hergestellt wurde, wurde einer Nickelplatticrfolgc ausgesetzt. Nach einem Ät/vnrgang von 10 Sekunden in W.-niger HNOi wurde das Rohr gespült und in einer Losung plattiert, welche 240 g/l NiCI' MU) und 30 p/l Borsäure einhielt. Is wurde 30 Minuten bei 3 Ampere unter Verwendung einer Nickelrohranode plattiert. Die Nickelplatiicrung be deckte vollständig die Dendriten: sie war hell und metallisch auf glatten I lachen und grau auf Dendriteniliiciien. Die iiickeipiaiiienen Dcndriienünerzüg·.¹ hafteten stark an den Kupierrohren: sie tendierten dazu, die l-'läehe 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 !Mattierung des Rohres verdichtet werden. Die Verdichtung dei Knollen kann in einer Vielzahl von Weisen auspefühn werden, beispielsweise durch Hämmern, durch Kugel strahlen, durch Rollen zwischen großen Rollen, mn (.'incr kleinen flachen Rolle oder einer walzenartigeii Rolle, welche entlang dem sich dienenden Rohr bewegt wird. Das Verdichtungswerkzeiig kann mn einer I etli.-i oder Gewichten belastet sein, um so dieselbe Kraft aiii 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 Gröllenvariationen der Dendriten und Rohre. Diese Verdichtung kann mittels eines Werkzeugs bewerkstelligt werden, welches über die Oberfläche gleitet, anstatt zu rollen.

n\t- Ohi-rfliich.> dip um <l,-r vnriipwpniliTi l'rfiniliin» geschaffen wird, ist durch makroskopische, korallenartige Lrhebungen in unregelmäßiger Anordnung über der Oberfläche des Grundkörpers gekennzeichnet Du se Lrhebungen (»Knollen«. »Dendrite«) sind einstückig nut den Kupferkörnern des Substrates verbunden. Die Hügel und Täler der Oberfläche, wie sie insbesondere durch mechanische Deformation der Vorsprungsspiizen verstärkt werden können, ergeben nuklcusbildende Stellen.

Die vorliegende Krfindung kann offensichtlich für verschiedene Arten kochender flüssigkeiten und verschiedene Arten von Wärmeaustauschern, beispielsweise Rohr und Hülse, direkte Expansion oder platlcnartigcn Konstruktionen, verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

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 !,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. Wärmetaucherwand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial aus "kupfer und die korallenartigen Erhebungen aus Kupfer oder Nicke! bestehen.