DE2936406C2 - Boiling surface for heat exchangers - Google Patents
Boiling surface for heat exchangersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Sied; iberfläche für Wärmeaustauscher gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a boil; Surface for heat exchangers according to the preamble of claim 1.
Bekanntlich ist man bestrebt, den Wärmeübergang von der beheizten Oberfläche eines Wärmeaustauschers an die Siedeflüssigkeit durch eine entsprechende Oberflächenstruktur zu verbessern.As is well known, efforts are made to reduce the heat transfer from the heated surface of a heat exchanger to improve the boiling liquid through an appropriate surface structure.
So ist es beispielsweise aus der US-PS 33 84 154 bekannt, auf die glatte, aus Metall bestehende Oberfläche eine poröse Metallschicht aufzubringen, welche Kapillaren mit Austrittsöffnungen in der Oberfläche der Schicht aufweist, die als Keimstellen für die Entstehung von Dampfblasen dienen. Derartige Schichten sind aus an den Berührungsflächen miteinander verbundenen Einzelkörpem aufgebaut, so daß sich in der Schicht Hohlräume befinden, welche in statistischer Verteilung miteinander verbunden sind, wobei eine Kapillarstruktur mit zahlreichen, zur Oberfläche hin offenen Kapillaren gebildet wird.For example, it is known from US-PS 33 84 154, on the smooth, metal surface to apply a porous metal layer, which capillaries with outlet openings in the surface of the layer, which serve as nucleation sites for the formation of vapor bubbles. Such layers are made up of individual bodies connected to one another at the contact surfaces, so that in the Layer cavities are located, which are interconnected in a statistical distribution, with one Capillary structure is formed with numerous capillaries open to the surface.
Der zur Erzielung einer Kapillarstruktur in der Siedeschicht erforderliche Aufbau aus vielen Einzelkörpem, die nur an den Berührungsflächen miteinander verbunden sind, bewirkt, daß der Wärmetransport innerhalb der Schicht nur über die von den Berührungsstellen gebildeten Wärmebrücken erfolgen kann und dadurch erheblich behindert wird. Dieses führt zu Wärmeleitwiderständen, welche den Wärmeübergang beim Sieden behindern.The structure of many individual bodies required to achieve a capillary structure in the boiling layer, which are only connected to each other at the contact surfaces, causes the heat transport within the layer can only take place via the thermal bridges formed by the contact points and thereby is significantly hindered. This leads to heat conduction resistances, which the heat transfer during boiling hinder.
Außerdem ist die feine Kapillarstruktur der Schicht sehr empfindlich sowohl gegen Verunreinigungen bei der Herstellung bzw. Weiterverarbeitung als auch bei ihrem Einsatz als Siedeschicht gegen Verunreinigungen der Siedeflüssigkeit.In addition, the fine capillary structure of the layer is very sensitive to both impurities the production or further processing as well as their use as a boiling layer against contamination of the boiling liquid.
Die Herstellung solcher Schichten kann beispielsweise durch aufwendige l.öt- ruler Sinterverfahren erfolgen, wie sie in der US-PS 33 84 154 beschrieben sind. Bei diesem Verfahren werden metallische Zusatzstoffe oder organische Hilfsstoffe verwendet, die teilweise in der Schicht erhalten bleiben.Such layers can be produced, for example, by means of a complex l.ötruler sintering process take place as described in US Pat. No. 3,384,154. This process uses metallic additives or organic auxiliaries used partially remain in the shift.
s Die metallischen Zusatzstoffe gehen zum überwiegenden Teil Verbindungen mit dem Werkstoff der Einzelkörper der Schicht und dem Grundwerkstoff ein oder bleiben auch zum Teil metallisch rein zurück, so daß die Schicht aus einer Vielzahl von Werkstoffen bzw.s The metallic additives are predominantly compounds with the material of the individual bodies of the layer and the base material or remain in some cases metallically pure, so that the layer made of a large number of materials or
ίο deren Verbindungen aufgebaut istίο whose connection is established
Die beim Sintern benötigten organischen Hilfsstoffe bleiben ebenfalls in kleineren Mengen in der Schicht
zurück.
Ein bedeutendes Einsatzgebiet von Wärmeaustauschem, deren Siedeschichten in der vorstehend
üeschriebenen Weise hergestellt sind, besteht im Verdampfen organischer Flüssigkeiten, die als Arbeitsmittel
in Kreisprozessen dienen.
Derartige, über lange Zeit verwendete Arbeitsmittel sind äußerst empfindlich im Kontakt mit organischen
und auch metallischen Fremdstoffen. Beispielsweise werden in Wärmepumpen- und Kälteanlagen als
Arbeitsmittel häufig fluorierte Chlorkohlenwasserstoffe verwendet, welche geringe Beimischungen von
Schmieröl der Kältemaschinen enthalten. In der Siedeschicht noch vorhandene organische Fremdstoffe
gehen mit dem Arbeitsmittel-Schmieröigemisch häufig schädliche chemische Verbindungen ein, während
metallische Fremdstoffe eine Zersetzung des Arbeitsmittels bewirken können.The organic auxiliaries required during sintering also remain in the layer in smaller quantities.
An important field of application of heat exchangers, the boiling layers of which are produced in the manner described above, consists in the evaporation of organic liquids which serve as working media in cyclic processes.
Such equipment, which has been used for a long time, is extremely sensitive in contact with organic and metallic foreign substances. For example, fluorinated chlorinated hydrocarbons, which contain small admixtures of lubricating oil from the refrigerating machines, are frequently used as working media in heat pumps and refrigeration systems. Organic foreign substances still present in the boiling layer often enter into harmful chemical compounds with the work medium / lubricant mixture, while metallic foreign substances can cause the working medium to decompose.
Eine andere Möglichkeit zur Herstellung von Kapillarstrukturen in Siedeschichten wird in der US-PS 39 90 862 beschrieben. Danach werden mit Hilfe eines speziellen Flammspritzverfahrens Metallteilchen auf den Grundwerkstoff aufgebracht und dabei wird aus vielen, größtenteils stark deformierten Metallteilchen eine Siedeschicht mit der gewünschten Kapillarstruktur gebildet. Ein wesentliches Merkmal dieses Verfahrens besteht in der teilweisen Oxidation der Metallteilchen in einer mit Sauerstoffüberschuß beUiebenen Flamme. Zur Sicherstellung dieser Oxidation müssen Metalle verwendet werden, die in kurzer Zeit eine erhebliche Oxidhaut bilden, die sich in ihrem Schmelzpunkt deutlich von dem des Ausgangswerkstoffes unterscheidet.Another possibility for producing capillary structures in boiling layers is described in US Pat 39 90 862. Then, with the help of a special flame spraying process, metal particles are applied The base material is applied and it is made from many, largely severely deformed metal particles a boiling layer with the desired capillary structure is formed. An essential feature of this procedure consists in the partial oxidation of the metal particles in a flame filled with excess oxygen. To ensure this oxidation, metals must be used, which in a short time a considerable Form oxide skin, the melting point of which differs significantly from that of the starting material.
Beispielsweise ist Kupfer kein derartiges Metall. Die Metalloxide sollen die ausreichende Festigkeit der Siedeschicht bei vorhandener Kapillarstruktur gewährleisten. Sie sind jedoch chemische Verbindungen, die zu Zersetzungen des Arbeitsmittels führen können, wieFor example, copper is not such a metal. The metal oxides should have sufficient strength of the boiling layer ensure with existing capillary structure. However, they are chemical compounds that are too May cause decomposition of the work equipment, such as
;o bereits eingangs beschrieben.; o already described at the beginning.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Ausbildung einer Siedeoberfläche für Wärmeaustauscher, welche einen sehr guten Wärmeübergang von der Siedeoberfläche an die Siedeflüssigkeit sicherstellt, keine schädlichen Verunreinigungen aufweist und einen geringen Wärmeleitwiderstand besitzt.The object of the invention consists in the formation of a boiling surface for heat exchangers, which ensures a very good heat transfer from the boiling surface to the boiling liquid, no harmful Has impurities and has a low thermal resistance.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung. der Metallschicht besteht darin, daß die die Einzelkörper
bildenden Teilchen mit Hilfe des an sich bekannten Pulver-Flammspritzverfahrens auf den Grundwerkstoff
derart aufgebracht werden, daß in einen durch Verbrennung zweier Gase erhitzten und mittels eines KühlgasesThis object is achieved according to the invention with the features of claim 1.
An advantageous method of manufacture. The metal layer consists in that the particles forming the individual bodies are applied to the base material with the aid of the known powder flame spraying process in such a way that one is heated by combustion of two gases and one is heated by means of a cooling gas
6) gekühlten und beschleunigten Gasstrom, dessen Massenbilanz aller ihn verursachenden Teilströme ein stöchiometrisches Verhältnis von Brenngas und Sauerstoff aufweist, die Teilchen des Metallpulvers eingeschleust6) cooled and accelerated gas flow, its mass balance of all the partial flows causing it a stoichiometric ratio of fuel gas and oxygen has, introduced the particles of metal powder
werden, durch den Gasstrom erwärmt, an ihrer Oberfläche angeschmolzen und zum Grundwerkstoff transportiert werden.are heated by the gas flow on their surface melted and transported to the base material.
Die erfindungsgemäße Schicht besteht sonv' aus einem einzigen Werkstoff, so daß der bei den bekannten Kapillarstrukturen auftretende schädliche Einfluß von Fremdstoffen wegfälltThe layer according to the invention consists of a single material, so that the harmful influence of the known capillary structures No foreign matter
Durch den Aufbau der Schicht aus einer Vielzahl von Einzelkörperii verschiedpner Formen besitzt diese im Bereich der Grenzschicht der Siedeflüssigkeit eine vergrößerte Obetfiäche. Dadurch kann ein großes Flüssigk¥<Kvo!umen im Grenzschichtbereich in kurzer Zeit erwärmt werden. Die entstehenden Dampfblasen führen folglich große Mengen erwärmter Grenzschicht-Flüssigkeit von der Siedeoberfläche weg, was den sehr guten Wärmeübergang von der Siedeoberfläche an die Siedeflüssigkeit sicherstellt.By building the layer from a variety of Individual bodies of different forms have this in the Area of the boundary layer of the boiling liquid an enlarged surface. This allows a large amount of liquid to flow be heated in the boundary layer area in a short time. The resulting vapor bubbles lead consequently large amounts of heated boundary layer liquid away from the boiling surface, which causes the very ensures good heat transfer from the boiling surface to the boiling liquid.
An den Übergängen der Einzelkörper sind zahlreiche Kerben, Hinterschneidungen und ähnliche Geometrien ausgebildet, welche als Blasenkeimstellen wirken. Dadurch ist eine intensive Blasenentstehung gewährleistet, was für den Abtransport der erwärmten Grenzschicht-Flüssigkeit notwendig istThere are numerous notches, undercuts and similar geometries at the transitions between the individual bodies formed, which act as bladder nuclei. This ensures an intensive formation of bubbles, what is necessary for the removal of the heated boundary layer liquid
Zum besseren Verständnis der mit Hilft der Erfindung erreichten Wirkungsweise sei auf folgenden Sachverhalt hingewiesen.For a better understanding of the mode of action achieved with the aid of the invention, reference is made to the following facts pointed out.
Der Siedevorgang an Oberflächen erfolgt nach Gesetzen, wie sie z. B. in der DKV-Abhandlung Nr. 18,1964 »Beitrag zur Thermodynamik des Wärmeüberganges beim Sieden« von K. Stephan beschrieben sind, wobei an Blasenkeimstellen, die auf der Oberfläche statistisch verteilt sind, kleine Dampfblasen entstehen, bis zu ihrem Abreißdurchmesser anwachsen und dann von der Oberfläche abreißen und in der Siedeflüssigkeit aufsteigen. Es entsteht eine neue Dampfblase, und der Vorgang wiederholt sich mit der sogenannten Blasenfrequenz. Wie z. B. von Han und Griffith in dem Artikel »The Mechanism of Heat Transfer in Nucleate Pool Boiling«, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 8, 1965, S. 887-914 und von Beer und Durst im Artikel »Mechanismen der Wärmeübertragung beim Blasensieden und ihre Simulation«, Chemie-Ing.-Tech. 40 (1968), 13, S. 632-638 nachgewiesen wird, zerfällt die durch den Begriff »Blasenfrequenz« beschriebene Zeit in zwei Teile, nämlich in die Wartezeit und die eigentliche Zeit der Blasenentstehung, wobei die Wartezeit 60 bis 80% der Gesamtzeit ausmacht. In der Wartezeit wird durch Wärmeleitung die an der Siedeoberfläche haftende Flüssigkeitsgrenzschicht erwärmt. Nach dem Aufbau eines gewissen Temperaturprofils in dieser Grenzschicht, beginnt die Dampfblase zu entstehen, wächst auf den Blasenabreißdurchmesser an und reißt von der Siedeoberfläche ab. Bei diesem Abreißen führt die Dampfblase die sie umgebende, erwärmte Flüssigkeitsgrenzschicht durch »Massen-Konvektion« oder durch ihre indizierte ».Drift-Strömung« von der Siedeoberfläche weg. Dabei entspricht der Einflußbereich der Driftströmung auf die Grenzschicht etwa dem Blasenabreißdurchmesser. Nach der Grenzschicht-Massen-Konvektion strömt »kalte Flüssigkeit'« zur Siedeoberfläche und wird dort wieder aufgewärmt. Die Wärme wird von der Siedeoberfläche also weitgehend durch instationäre Wärmeleitung abgeführt.The boiling process on surfaces takes place according to laws such as those used for B. in DKV treatise no. 18, 1964 "Contribution to the thermodynamics of heat transfer during boiling" are described by K. Stephan, whereby at bubble nuclei, which are statistically distributed on the surface, small vapor bubbles arise, up to their tear-off diameter and then tear off the surface and rise in the boiling liquid. A new vapor bubble is created and the process is repeated with the so-called bubble frequency. Such as B. by Han and Griffith in the article "The Mechanism of Heat Transfer in Nucleate Pool Boiling ", Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 8, 1965, pp. 887-914 and by Beer and Durst in the article “Mechanisms the heat transfer during nucleate boiling and its simulation «, Chemie-Ing.-Tech. 40 (1968), 13, pp. 632-638 is proven, the time described by the term »bubble frequency« is divided into two Parts, namely the waiting time and the actual time of the bubble formation, whereby the waiting time is 60 to 80% the total time. During the waiting time, the heat conduction that adheres to the boiling surface is removed Liquid boundary layer heated. After building up a certain temperature profile in this boundary layer, the vapor bubble begins to form, grows to the bubble tear-off diameter and tears away Boil surface. During this break-off, the vapor bubble leads the surrounding, heated liquid boundary layer through "mass convection" or through their indexed "drift flow" from the boiling surface path. The area of influence of the drift flow on the boundary layer corresponds approximately to the bubble tear-off diameter. After the boundary-layer-mass convection "cold liquid" flows to the boiling surface and is warmed up there again. The heat is largely carried through from the boiling surface unsteady heat conduction dissipated.
Wie aus den vorstehend genannten Veröffentlichungen hervorgeht, können zur Abschätzung der Größen die nachfolgenden Beziehungen verwendet werden. Der Blasenabreißuurchmesser istAs can be seen from the publications mentioned above, in order to estimate the sizes the following relationships are used. The bubble diameter is
G10146 -ß° G 1 0146 -ß °
; Die Blasenfrequenz kann näherungswsisc nut Hl.fe au nachstehenden Beziehung bestimmt werden:; The bubble frequency can näherungswsisc nut Hl.fe au following relationship can be determined:
/•Üy/2 = 1,75/ • Ü y / 2 = 1.75
ίο Die Grenzschichtdicke beim Ablösen der Blase beträgt ίο The boundary layer thickness when detaching the bubble is
l:) Dabei sind l :) Are there
g — Erdbeschleunigung g - acceleration due to gravity
(m) Blasenabreißdurchmesser
β (grd) Randwinkel der anhaftenden Dampfblase(m) bubble tear-off diameter
β (degree) contact angle of the adhering vapor bubble
α (N/m) Oberflächenspannung ».er siedenden Flüssigkeit α (N / m) surface tension of the boiling liquid
\f (m3/kg) spez. Volumen der Flüssigkeit \ f (m 3 / kg) spec. Volume of liquid
v" (mVkg) spez. Volumen des entstehenden Dampfesv "(mVkg) specific volume of the resulting steam
/ (l/r,) Blasenfrequenz/ (l / r,) bladder frequency
α (m2/s) Temperaturleitzahl der Flüssigkeit α (m 2 / s) thermal diffusivity of the liquid
Tyn (S) Wartezeit Ty n (S) waiting time
T0 (s) Zeit für Blasenwachstum T 0 (s) time for bubble growth
öA (m) Grenzschichtdicke beim Ablösen ö A (m) boundary layer thickness during detachment
In der Tabelle 1 sind die berechneten Werte für einige in der Kältetechnik üblichen Siedeflüssigkeiten und üblichen Siedetemperaturen-Bereiche angegeben.Table 1 shows the calculated values for some of the boiling liquids commonly used in refrigeration technology and usual boiling temperature ranges given.
Die bisher beschriebenen physikalischen Vorgänge beim Sieden führen zu der erfinderischen Erkenntnis, daß eine Verbesserung des Wärmeüberganges erzielt werden kann, wenn die Siedeoberfläche :m Einflußbereich der Grenzschicht und der Blasen erheblich vergrößert wird.The previously described physical processes during boiling lead to the inventive knowledge, that an improvement in the heat transfer can be achieved if the boiling surface: m area of influence the boundary layer and the bubbles is significantly enlarged.
Hierdurch kann die Zeit, die zur Ausbildung des Temperaturprofils der Grenzschicht, d. h. die Wartezeit, wesentlich verringert werden und außerdem das Volumen der Grenzschichtflüssigkeit, welches von einer Blase von der Siedeoberfläche wegtransportiert wird, wesentlich vergrößert werden.This can reduce the time it takes to form the temperature profile of the boundary layer, i.e. H. the waiting time, can be significantly reduced and also the volume of the boundary layer liquid, which of a Bubble is transported away from the boiling surface, are significantly enlarged.
Bei der Erfindung wurde erkannt, daß zur Erzielung so des verbesserten Wärmeüberganges die der Oberflächenvergrößerung dienende Struktur in ihrer Gesamthöhe, d. h. in der über die höchste Erhebung gemessenen Schichtdicke, in der Größenordnung der Grenzschichtdicke liegen muß, deren fünffachen Wert aber nie!*» überschreiten darf.In the invention it was recognized that to achieve the improved heat transfer that of the surface enlargement serving structure in its total height, d. H. in that measured over the highest elevation Layer thickness, must be in the order of magnitude of the boundary layer thickness, but its five-fold value never! * »may exceed.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in derThe invention is illustrated below with reference to in
Zeichnung dargestellten Ausführungsiformen von Metallschichten und einer Vorrichtung zur Herstellung der Metallschichten sowie einem zugehörigen Diagramm erläutert. Es zeigtEmbodiments shown in the drawing Metal layers and a device for producing the metal layers and an associated diagram explained. It shows
Γ ig. 1 die erzielbare Flächenvergrößerung der Struktur in Abhängigkeit von verschiedenen Formen der Einzelkörper,Γ ig. 1 the achievable increase in area of the structure depending on the different shapes of the individual bodies,
Fig. 2 ein Ausschnitt eines Längsschnittes der Metallschicht schematisch dargestellt,Fig. 2 shows a detail of a longitudinal section of the metal layer shown schematically,
Fig? 'ind 4 mit einem Rasterelektronenrr.ik-oskop erstellte, fotographische Aufnahmen von Oberflächenstrukturen im Maßstab 100 :1 bzw. 500 :1,Fig? 'ind 4 with a scanning electron microscope created, photographic recordings of surface structures on a scale of 100: 1 or 500: 1,
Fig. 5 eine Flammspritzvorrichtung zur Herstellung einer Metallschicht während des Betriebes in einer vereinfachten schematischen Darstellung,5 shows a flame spray device for manufacture a metal layer during operation in a simplified schematic representation,
Fig. 6 Meßkurven der übertragenen Wärmeleistungen in Abhängigkeit von der Übertemperatur aufgetragen. Fig. 6 plotted curves of the transferred heat output as a function of the excess temperature.
Zur Abschätzung der erzielbaren Flächenvergrößerung FZF0 gegenüber einer glatten Grundfläche F0 durch eine Feinstrukturierung der Oberfläche in der erfindungsgemäßen Weise wurde eine Berechnung für Einzelkörper einfacher Geometrie wie Quader, Zylinder, Pyramiden und dgl. durchgerührt. Hierzu wurde von einer dichten Anordnung der Einzelkörper auf der glatten Grundfläche ausgegangen, wobei das Verhältnis V des kürzesten Abstandes zwischen benachbarten Einzelkörpern zu der Kantenlänge bzw. dem Durchmesser ihrer Grundfläche sehr klein, d. h. K<0,2, ist.To estimate the achievable area enlargement FZF 0 compared to a smooth base area F 0 by fine structuring the surface in the manner according to the invention, a calculation was carried out for individual bodies of simple geometry such as cuboids, cylinders, pyramids and the like. For this purpose, a dense arrangement of the individual bodies on the smooth base was assumed, the ratio V of the shortest distance between adjacent individual bodies to the edge length or the diameter of their base area being very small, ie K <0.2.
Die sich hierbei ergebenden Flächenvergrößerungen FZF0 sind in Abhängigkeit des Verhältnisses V Tür verschiedene Geometrien in Fig. 1 dargestellt. Dabei gilt die Kurve /für Quader miteinem Verhältnis ihrer Höhe h The resulting area enlargements FZF 0 are shown in FIG. 1 with different geometries as a function of the ratio V door. The curve / applies to cuboids with a ratio of their height h
zu ihrer Kantenlänge s von - = 1; die Kurve // für Zylinder mit einem Verhältnis ihrer Höhe h zu ihrem Durchmesser d von -; = 1; die Kurve /// für Kegel mit einem a to their edge length s of - = 1; the curve // for cylinders with a ratio of their height h to their diameter d of -; = 1; the curve /// for cones with an a
Spitzenwinkel von y = 30°; die Kurve IV für Pyramiden mit einem Spitzenwinkel von γ = 45°; die Kurve V für Kegel mit einem Spitzenwinkel von γ = 45°; die Kurve Vl für Halbkugeln.Point angle of y = 30 °; curve IV for pyramids with an apex angle of γ = 45 °; the curve V for cones with an apex angle of γ = 45 °; the curve Vl for hemispheres.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, können erhebliche Flächenvergrößerungen erzielt werden, wobei diese unabhängig von der absoluten Höhe der Einzelkörper sind. Werden verschiedene Körperformen in der auf einen Grundwerkstoff aufgebrachten Schicht überlagert, so können noch erheblichere Flächenvergrößerungen erzielt werdenAs can be seen from Fig. 1, considerable increases in area can be achieved, these being independent of the absolute height of the individual bodies. If different body shapes are superimposed in the layer applied to a base material, so even more substantial area enlargements can be achieved
Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellungsweise einen Längsschnitt durch eine auf einer metallischen Wand 1 aufgebrachten Schicht. Die Einzelkörper weisen unterschiedliche Formgebungen auf, die hauptsächlich bei der Herstellung, auf die später noch eingegangen wird, erzeugt werden. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist die Schicht aus nahezu kugelförmigen und stärker abgeplatteten Einzelkörpern 4 und 5 gebildet. Ein Teil der Körper haftet auf der Wand 1 bzw. haften benachbarte Körper an den Berührungsflächen 2 und 3 aneinander, wobei auch als Umklammerungen ausgebildete Berührungsflächen 6 entstehen. Derart wird eine feste Schicht mit guten Wärmeleitübergängen gebildet. Der Übergang der Oberfläche eines Körpers zur Oberfläche des angrenzenden Körpers erfolgt in vielen Fällen in Form von Kerben 7. Die verschiedenartigen Körperformen ergeben einen überaus heterogenen Aufbau der Schicht 11, wodurch sich zwischen den einzelnen Körpern Löcher 8 bis zum Grundwerkstoff, Krater 9, langgezogene Spalte 10 und ähnliche Formen ergeben, welche sich ausgezeichnet als Blasenkeimstellen eignen und dadurch eine mindestens vollständige Bedeckung der Siedeoberfläche mit Dampfblasen sicherstellen, auch dann, wenn die Übertemperatur T-Ts der Siedeoberfläche gegenüber der Sättigungstemperatur T1 der Siedeflüssigkeit sehr klein ist.FIG. 2 shows a schematic representation of a longitudinal section through a layer applied to a metallic wall 1. The individual bodies have different shapes, which are mainly generated during manufacture, which will be discussed later. As can be seen from FIG. 2, the layer is formed from almost spherical and more flattened individual bodies 4 and 5. Some of the bodies adhere to the wall 1 or neighboring bodies adhere to one another at the contact surfaces 2 and 3, with contact surfaces 6 also being formed as clasps. In this way, a solid layer with good thermal conduction transitions is formed. The transition of the surface of one body to the surface of the adjacent body takes place in many cases in the form of notches 7. The different body shapes result in an extremely heterogeneous structure of the layer 11, whereby holes 8 up to the base material, crater 9, elongated gaps arise between the individual bodies 10 and similar shapes result, which are ideally suited as bubble nucleation sites and thus ensure at least complete coverage of the boiling surface with vapor bubbles, even if the excess temperature TT s of the boiling surface compared to the saturation temperature T 1 of the boiling liquid is very small.
Die Schichtdicke ös wird zwischen der höchsten Erhebung und der Oberfläche der wärmeabgebenden Wand gemessen und beträgt 30 bis 300 um. Zwischen den Schichtkörpern und ihrer definierten Höhe bleiben offene Räume, deren Tiefe zwischen wenigen Prozenten und 100% der Schichtdicke liegen kann, im Mittel aber mehr als 40% der Schichtdicke beträgt. Die mit der Erfindung erzielte Oberflächenstruktur geht auch aus den Schichtaufnahmen gemäß Fig. 3 und 4 hervor, in welchen die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 verwendet sind.The layer thickness ö s is measured between the highest elevation and the surface of the heat-emitting wall and is 30 to 300 μm. Open spaces remain between the layers and their defined height, the depth of which can be between a few percent and 100% of the layer thickness, but is on average more than 40% of the layer thickness. The surface structure achieved with the invention is also evident from the layer recordings according to FIGS. 3 and 4, in which the same reference numerals as in FIG. 2 are used.
Wie bereits erwähnt, kann mit Hilfe der ausgebildeten Struktur der Metallschicht gegenüber der Oberfläche des Grundwerkstoffes eine wesentliche Oberflächenvergrößerung erzielt werden, beispielsweise in der Größenordnung von 2 bis 10.As mentioned earlier, with the help of the trained can Structure of the metal layer compared to the surface of the base material a significant increase in surface area can be achieved, for example on the order of 2 to 10.
Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung der Schicht besteht in einer modifizierten Art des an sich bekannten Pulver-Flammspritzverfahrens, wobei die Metallteilchen des Ausgangsstoffes in angeschmolzenem oder teigigem Zustand auf den Grundwerkstoff aufgesprüht werden. Die geometrische Form der Metallteilchen vor dem Aufsprühen kann verschiedenartig sein. Es können z. 3. kugelige, würfelförmige, prismatische, polyederlormige, dendritische und spratzige Formen verwendet werden. Diese Metallteilchen werden in einen heißen Gasstrom geschleust und in diesem Gasstrom gleichmäßig verteilt. Der Gasstrom dient einmal als Transportmittel für die Metallteilchen zum Grundwerkstoff und andererseits als Wärmequelle für die Erwärmung der Metallteilchen. Dabei werden die Metall teilchen von ihrer Oberfläche her erwärmt, wobei man mit Hilfe der Temperatur und der Geschwindigkeit des Gasstromes sowie der Flugstrecke dei Teilchen der Verweilzeit der Metallteilchen im Gasstrom und damit den Grad der Erwärmung bzw. der Anss-hmelzung in bekannter Weise beeinflussen kann. Entsprechend dem Grad de: Anschmelzung und der Auftreffgeschwindigkeit der Metallteilchen auf den Grundwerkstoff werden diese sich verformen und mit dem Grundwerkstoff und an den Berührungs^tellsn r ^einander verklammern, verkrailen oder verschweißen, wie dieses aus den Fig. 2 bis 4 hervorgeht. Die Abmessungen der die Schicht bildenden Körper können durch geeignete Wahl der Abmessungen der Metallteilchen so gehalten werden, daß sie den in Tabelle 1 angegebenen Werten für die Grenzschichtdicke in der Größenordnung entsprechen. Vorteilhaft werden als Ausgangsstoff Metallteilchen kugeliger Form mit Durchmessern zwischen d = 30 und 150 um verwendet.An advantageous method for producing the layer consists in a modified type of the known powder flame spraying method, the metal particles of the starting material being sprayed onto the base material in a melted or doughy state. The geometric shape of the metal particles before spraying on can be different. It can e.g. 3. Spherical, cube-shaped, prismatic, polyhedral, dendritic and lumpy shapes are used. These metal particles are channeled into a hot gas flow and distributed evenly in this gas flow. The gas flow serves on the one hand as a means of transport for the metal particles to the base material and on the other hand as a heat source for heating the metal particles. The metal particles are heated from their surface, with the help of the temperature and the speed of the gas flow as well as the flight distance of the particles, the residence time of the metal particles in the gas flow and thus the degree of heating or melting can be influenced in a known manner . According to the degree of melting and the speed at which the metal particles hit the base material, they will deform and cling, wedge or weld to the base material and the contact information, as can be seen in FIGS. 2 to 4. The dimensions of the bodies forming the layer can be kept by a suitable choice of the dimensions of the metal particles so that they correspond to the values given in Table 1 for the boundary layer thickness in the order of magnitude. Advantageously be used as a starting material metal spherical shape with diameters between D = 30 and 150 microns.
In Fig. 5 ist eine Vorrichtung 20 zur Durchführung
des modifizierten Pulver-Flammspritzverfahrens schematisch dargestellt.
Durch die Zuführungen 21 und 22 wird Brenngas und Sauerstoff in die Vorrichtung eingeleitet. Das Gemisch
strömt durch einen Düsenring 23 und wird danach in der Flamme verbrannt. Die heißen Flammengase werden
mit einem durch eine Zuführung 24 in die Vorrichtung eingeleiteten und durch einen außenliegenden
Düsenring 25 in die Flamme eingeblasenen Kühlgas vermischt und dadurch gekühlt. Ein Teil des Kühlgases
wirkt ebenfalls als Transportmittel für das in die Vorrichtung durch eine Zuführung 26 eingeleitete Metallpulver.
In dem Gasstrom verteilt sich das Pulver entsprechend den Strömungsverhältnissen und wird zu
einer aus dem Grundwerkstoff bestehenden Wand 27 transportiert und trifft dort in einer nahezu kreisförmigen
Fläche auf, die mit Spritzfleck bezeichnet werden soll. Dieser Spritzfleck wird über die Oberfläche des
Grundwerkstoffes geführt und derart ein flächiger Auftrag der Schicht erzielt. Die Relativgeschwindigkeit des
Grundwerkstoffes senkrecht zum Spritzstrahl ist eine Einflußgröße für die Qualität der Schicht. Bei zu kleinerIn Fig. 5 a device 20 for carrying out the modified powder flame spraying method is shown schematically.
Fuel gas and oxygen are introduced into the device through feed lines 21 and 22. The mixture flows through a nozzle ring 23 and is then burned in the flame. The hot flame gases are mixed with a cooling gas introduced into the device through a feed 24 and blown into the flame through an external nozzle ring 25 and are thereby cooled. A part of the cooling gas also acts as a means of transport for the metal powder introduced into the device through a feed 26. In the gas flow, the powder is distributed according to the flow conditions and is transported to a wall 27 made of the base material, where it strikes an almost circular area which is to be referred to as the spray spot. This spray spot is passed over the surface of the base material and a flat application of the layer is achieved in this way. The relative speed of the base material perpendicular to the spray jet is an influencing factor for the quality of the layer. If it is too small
Relativgeschwindigkeit wäre die Verweilzeit der aufgetragenen Schicht im Spritzstrahl zu groß und die Metallteilchen der Schicht würden abschmelzen und eine relativ homogene Schicht ohne Körperformen und ohne eine genügend große Anzahl von Blasenkeimstellen bilden. Beim Aufbringen der Schicht stehen Relativgeschwindigkeit, Schichtdicke und der Pulverdurchsatz durch die Spritzdüse in einem gewissen Zusammenhang. Für die Qualität der Schicht sind weiterhin die Gasströme vor der Spritzdüse und der Abstand zwischen Spritzdüse und Grundwerkstoff der, wie bereits an vorstehender Stelle erwähnt, zusarrrnfin mit dem Gasstrom nach der Spritzdüse die Verweilzeit der Metallteilchen in diesem Gasstrom bestimmt, wesentlich. Da eine metallisch reine Schicht angestrebt wird, ist es erforderlich, daß alle, die Spritzdüse durchströmenden Gase zusammen eine stöchiometrische Bilanz zwischen Brenngas und Sauerstoff ergeben. Auf diese Weise können sicher Oxidationen und andere chemische YerändeP-ingep. der Mctaü'pi'^hp.n vermieden In Tabelle 2 sind in einem Zahlenbeispiel die Durchsatzmengen der Gasströme, des Metallpulver sowie der zugehörige Spritzabstand und die Relativgeschwindigkeit des Grundwerkstoffes senkrecht zum Spritzstrahl für ein Herstellungsverfahren einer erfindungsgemäß ausgebildeten Schicht angegeben.The dwell time of the applied layer in the spray jet would be too long and the relative speed Metal particles of the layer would melt away and a relatively homogeneous layer without body shapes and without a sufficiently large number of bladder nuclei form. When applying the layer, there are relative speeds, Layer thickness and the powder throughput through the spray nozzle in a certain relationship. For the quality of the layer, the gas flows in front of the spray nozzle and the distance between them are still important Spray nozzle and base material which, as already mentioned above, together with the Gas flow after the spray nozzle determines the residence time of the metal particles in this gas flow, essentially. Since a metallically pure layer is sought, it is necessary that all flow through the spray nozzle Gases together result in a stoichiometric balance between fuel gas and oxygen. To this Way can safely oxidations and other chemical changesP-ingep. the Mctaü'pi '^ hp.n avoided In Table 2 are a numerical example of the throughput rates of the gas streams, the metal powder and the associated spray distance and the relative speed of the base material perpendicular to the spray jet for a method of manufacturing a layer designed according to the invention.
werden.will.
Als Brenngas kann beispielsweise Acetylen oder Wasserstoff und als Kühlgas z. B. getrocknete und gereinigte Luft oder Stickstoff verwendet werden. Als Werkstoff für die Metallteilchen werden vorzugsweise Kupfer und Kupferlegierungen verwendet. Jedoch können auch andere Metalle, wie z. B. Eisen und Eisenlegierungen verwendet werten.As a fuel gas, for example, acetylene or hydrogen and as a cooling gas z. B. dried and Purified air or nitrogen can be used. The preferred material for the metal particles is Copper and copper alloys are used. However, other metals, such as. B. iron and iron alloys used values.
In einem Versuch wurde eine Schicht, wie sie beispielsweise die Fig. 3 und 4 zeigt, aus Kupferkörpern auf ein Kupferrohr mit 18 mm Außendurchmesser aufgemacht. In einer entsprechenden Apparatur wurde die Wärmeübertragungsleitung qa beim Sieden gemessen und zwar bei Bedingungen, wie sie in überfluteten "Rohrbündelverdampfern von Turbo-Kältemaschinen herrschen, unter Verwendung des Kältemittels CF2Cl2 und bei einer Verdampfungstemperatur von 00C.In an experiment, a layer, as shown, for example, in FIGS. 3 and 4, was made of copper bodies on a copper tube with an outer diameter of 18 mm. The heat transfer line q a during boiling was measured in a suitable apparatus under conditions such as those prevailing in the flooded tube bundle evaporators of turbo refrigerating machines, using the refrigerant CF 2 Cl 2 and at an evaporation temperature of 0 ° C.
In Fig. 6 sind die hierbei ermittelten Wärmeübertragungsleistungen qa in Abhängigkeit von der Übertemperatur A T eingetragen (siehe Kurve W), wobei zum Vergleich auch die Wärmeübertragungsleistungen eingetragen sind, die sich an Rohren mit »glatter« Oberfläche ergeben (siehe Kurve Z). The heat transfer capacities q a determined in this way are plotted in FIG. 6 as a function of the excess temperature AT (see curve W), with the heat transfer capacities also being plotted for comparison that result from pipes with a "smooth" surface (see curve Z).
SS.
060
0
6472
64
745589
745
5140
51
-3030th
-30
6572
65
732569
732
5950
59
-4020th
-40
5968
59
6453
64
-60-20
-60
6875
68
655549
655
5447
54
-80-40
-80
6572
65
734592
734
5447
54
Brenngas:
Acetylen C2H2, bei 1 bar 0,5-1,0 0,74 (m3/H)Fuel gas:
Acetylene C 2 H 2 , at 1 bar 0.5-1.0 0.74 (m 3 / H)
Oxidationsgas:
Sauerstoff O2, bei 1 bar 0,6-1,2 0,85 (mVh)Oxidizing gas:
Oxygen O 2 , at 1 bar 0.6-1.2 0.85 (mVh)
Kühlgas:
Luft, bei 1 bar 3,1-6,2 5,3 (mVh)Cooling gas:
Air, at 1 bar 3.1-6.2 5.3 (mVh)
Pulver:Powder:
Kupfer 2,5-10 3,0 (kg/h)Copper 2.5-10 3.0 (kg / h)
kugelig 30-150 40-80 (μπι)spherical 30-150 40-80 (μπι)
Spritzabstand: 5-15 10 (cm)Spray distance: 5-15 10 (cm)
Relativgeschwindigkeit: 0,02-0,1 0,05 (m/s)Relative speed: 0.02-0.1 0.05 (m / s)
Hierzu 4 Blatt ZeichnungenFor this purpose 4 sheets of drawings
Claims (2)
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