DE3339584A1 - Vorrichtung zur verbesserung des waerme- und stoffuebergangs an verdampferheizflaechen und austreiberflaechen - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur Verbesserung des Wärme- und Stoffübergangs an Verdampferheizflächen und Austreiberflächen Stand des Wissens Es ist bekannt, daß beim Blasensieden extrem hohe Wärmeübergangskoeffizienten erreicht werden, die sich im wesentlichen durch den Rühreffekt der sich ablösenden und aufsteigenden Blasen einerseits und dem Transport von Latentwärme andererseits erklären lassen. Die Qualität einer Heizfläche kann durch eine Siedekennlinie beschrieben werden, die den Wärmestrom beim Sieden als Funktion der Temperaturdifferenz zwischen der Heizwand-Temperatur T und der Sättigungstemperatur T5 bei gegebenem Flüssigkeitsdruck darstellt (Fig. 1).
• Eine Heizfläche ist um so effizienter, je höhere Wärmestromdichten q bei gegebener Überhitzung (T-TS) der Heizfläche über die Sättigungstemperatur erreicht werden, bzw. je geringere überhitzungen bei gegebenem Wärmestrom erforderlich sind. Die Beziehung zwischen Wärmestromdichte und Überhitzung wird durch das Einsetzen wiederkehrender Blasenbildung an der Verdampferfläche bestimmt.
• Es ist prinzipiell bekannt, daß die Blasenbildung durch eine poröse Struktur der Verdampferfläche verbessert werden kann, zum Beispiel durch aufgesinterte Granulate, mechanisch erzeugte Vertiefungen, möglichst mit verengten Austrittsöffnungen oder einfach durch mechanisches Aufrauhen der Oberfläche (Schmirgeln) C1,21.
• Ebenso ist theoretisch zu erwarten, wenn auch experimentell nicht eindeutig belegt, daß durch Aufbringen benetzungshemmender Schichten die Blasenbildung an Verdampferflächen begünstigt werden kann (3).
• Der Nachteil einer solchen Behandlung von Wärmeaustauscherflächen besteht im hohen erforderlichen Aufwand und in dem Risiko, daß im Falle der Verschmutzung diese Oberflächenbehandlung an ausgeführten Verdampfern nur mit hohem Aufwand erneuert werden kann.
• Ferner wurde untersucht, inwieweit der Wärmeübergang an Verdampferheizflächen durch Auflegen von Metallgeweben verändert wird - insbesondere im Zusammenhang mit Wärmerohren. Jedoch wurde hierbei im allgemeinen keine wesentliche Verbesserung gefunden (4). Metalloberflächen, auch die Oberflächen von Metallgeweben etc., werden von Wasser, organischen Flüssigkeiten, Kältemitteln, usw.
• relativ gut benetzt, d. h. diese Flüssigkeiten bilden an Metalloberflächen Gleichgewichtsrandwinkel y S 60 Grad aus.
• Der Einsatz von Metallgeweben (4) in Wärmerohren hat in erster Linie den Zweck, auch gegen den Einfluß der Schwerkraft Wärmeüberträgerflüssigkeit im Wärmerohr an die Verdampfungszone an der heißen Seite heranzuführen.
• Diese "Dochtwirkung" ist naturgemäß nur mit gut benetzbaren Materialien wie blankem Metall möglich und steht deshalb in keinem Zusammenhang mit der erfindungsgemässen Verwendung schlecht benetzbarer Gewebe.
• Es ist bekannt, daß zur Erhaltung einer Blase vom Krümmungsradius r mindestens eine Überhitzung erforderlich ist, wobei a die Oberflächenspannung der Flüssigkeit an der Blase und (dp/dT)S der Temperaturgradient des Dampfdrucks bei Phasengleichgewicht ist.
• Für den Fall stationären Siedens, d. h. periodischer Blasenbildungjmuß die Überhitzung an der Blasenkeimstelle mindestens den Wert nach Gl. 1 für den beim Wachstum durchlaufenen größten Kehrwert von r annehmen.
• Der beim Blasenwachstum auftretende größte Kehrwert von r und damit die erforderliche Überhitzung nach Gl. 2 sind im allgemeinen bei gegebener Oberflächenstruktur umso geringer, je schlechter die Flüssigkeit die Blasenkeimstelle benetzt, d. h. je größer der ausgebildete Benetzungsrandwinkel y ist, In sehr schlecht benetzten Poren und Spalten können Blasen mit konvexen Oberflächen entstehen, für die der Krümmungsradius der Blasenoberfläche als negativ definiert ist, d. h. für die T-TS nach Gl. 1 negativ iste diese Blasen sind bereits unterhalb der Sättigungstemperatur T5 stabil und werden bereits durch sehr geringe Überhitzung zum periodischen Wachstum angeregt, Es ist ferner bekannt, daß Maßnahmen zur Begünstigung der Blasenbildung ebenso wie zur Senkung der treibenden Temperaturdifferenz beim Sieden (Uberhitzung) auch zur Senkung der treibenden Konzentrationsdifferenz (Ubersättigung) beim Austreiben von in Flüssigkeiten gelösten Gasen benutzt werden können.
• Wesenszüge der Erfindung Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zur Verbesserung des Wärmeübergangs an Verdampferheizflächen, Auflagen, die aus möglichst schlecht benetzbarem Material bestehenr oder dieses enthalten, auf die Heizfläche aufzubringen. Solche Auflagen können Fasern, Gewebe, Gespinste, Vliese, Gitter, perforierte Platten oder ähnliches sein, die entweder ganz aus einem schlecht benetzbaren Material,wie zum Beispiel PTFE oder Siliconharz gegenüber Wasser/ bestehen, oder mit einem solchen beschichtet oder kombiniert sind.
• Schlecht benetzbar werden hier solche Materialien genannt, an denen die zu verdampfenden Flüssigkeiten Randwinkel Y > 600 ausbilden, z. B. Kunststoffe wie PTFE, Siliconharze, polymerisierte Kohlenwasserstoffe. Für flüssige Metalle, z. B. Quecksilber, flüssiges Natrium oder Kalium können auch feste Metalloberflächen schlecht benetzbar sein.
• Erfindungsgemäß müssen ferner zur Vermeidung von den Wärmeübergang hemmenden Dampfpolstern unter den Auflagen die Maschen, Poren oder Durchbrüche ausreichend groß sein, um das Entweichen des Dampfes nicht zu behindern, und /oder die Auflagen müssen einen Anteil an gut benetzbaren Fasern oder ähnlichem z. B. Glas, Baumwolle gegenüber Wasser, enthalten, welche als Dochte Flüssigkeit durch ein allenfalls entstehendes Dampfpolster an die Heizfläche heranführen.
• Erfindungsgemäß können solche Auflagen zur Begünstigung der Blasenbildung, evtl. kombiniert mit einer Dochtwirkung,ebenfalls zur Senkung der erforderlichen Überhitzung bzw. übersättigung zum Austreiben von in Flüssigkeiten gelösten Gasen benutzt werden.
• Zur Veranschaulichung zeigt Fig. 2 den Fall der Blasenbildung an der Berührungsstelle zwischen zwei gut benetzbaren Fäden oder Zylindern ( r < 600).
• Fig. 3 zeigt den Fall der Blasenbildung an der Berührungsstelle zweier schlecht benetzbarer Fäden (y > 900).
• Aus den Fig. 2 und 3 ist ersichtlich, daß im Fall der guten Benetzung der kleine positive Blasenradius im Sinne der Gleichung (1) eine größere und im Falle der schlechten Benetzung (Fig. 3) der große positive oder gar negative Blasenradius (konvexe Flüssigkeitsoberfläche) eine wesentlich geringere Temperaturdifferenz zur Erhaltung und zum Wachstum der Blase erfordert, bzw.
• daß die Blase sogar unterhalb der Sättigungstemperatur durch Kapillardepression spontan entsteht.
• Konstruktive Möglichkeiten Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Gewebe aus schlecht benetzbaren Fasern oder mit einem ausreichenden Anteil solcher Fasern über einer Verdampfer-oder Austreiberheizfläche gespannt wird und dort den Wärmeübergang verbesssert. Dies kann für ebene Heizflächen in einem Behälter durch Aufspannen des Gewebes o.ä. mit einem Spannrahmen erfolgen (Fig. 4). Für Heizstäbe oder röhrenförmige Heizkörper und Beheizung von innen durch einen übergezogenen Gewebeschlauch oder Strumpf (Fig. 5).
• Anstelle von Geweben können auch gewirkte Kunststofffasern, Lochplatten, Siebe, Netze oder Fäden aus schlecht benetztem Material verwendet werden. Für von außen geheizte Rohre oder Behälter kann durch ein eingelegtes an der Innenwand liegendes Gewebe oder gewirkte Kunststofffasern der gleiche Effekt erzielt werden.
• Fig. 6 zeigt beispielsweise die beim Sieden von Wasser an einer ebenen Heizfläche ohne erzwungene Strömung erzielte Wärmeübergangsverbesserung durch Auflegen eines feinfaserigen PTFE-Gewebes mit ca. 3 cm Maschenweite.
• Darlegung der wirtschaftlichen Bedeutung Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich dazu, die erforderliche Überhitzung bei Verdampfen von Flüssigkeiten zu verringern, bzw. bei vorgegebener Überhitzungsgrenze, den Wärmeübergang erheblich zu verbessern.
• Dies hat entweder eine schonendere Behandlung der Flüssigkeit oder aber die Reduzierung der kostenbestimmenden Wärmeübergangsflächen zur Folge.
• Gegenüber allen Maßnahmen zur Wärmeübergangsverbesserung durch mechanische Behandlung oder Beschichtung der Verdampferfläche selbst hat die Vorrichtung den Vorteil, daß sie sich im allgemeinen kostengünstiger ausführen läßt, von dem Material der Verdampferfläche unabhängig ist und - gegenüber der mechanischen Behandlung - dessen Festigkeit nicht beeinträchtigt.
• Vor allen Dingen enstehen bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Verschmutzungen oder Verkrustungen nur zum kleineren Teil an der Heizfläche selbst, zum größeren Teil an der Auflage und können durch Austausch der Auflage leicht entfernt werden.

Claims (8)

1. Ans p-rüche () Vorrichtung zur Verbesserung des Wärmeübergangs an VerdampferheiæElAchen, bestehend aus einer dampfdurchlässigen Auflage aus der Heizfläche, die ganz oder teilweise schlecht benetzbar ist und hierdurch die Blasenbildung unterstützt.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage aus Fäden, Fasern, Geweben, Vliesen, perforierten Platten besteht, die ganz oder teilweise aus einem schlecht benetzbaren Material bestehen, mit diesem beschichtet sind oder durch eine chemische oder physikalische Behandlung schlecht benetzbar gemacht wurden.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schlecht benetzbaren Komponenten mit gut benetzbaren kombiniert werden, um die Heranführung von FlUssigkeit an die Heizfläche durch Dochtwirkung zu unterstützen und die Entstehung von isolierenden Dampfpolstern zu verhindern.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die BerUhrungsstellen schlecht benetzbarer Fäden oder Fasern als Keimstellen für die Blasenentstehung dienen (Abb. a 3.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schlecht benetzbaren Materialien oder Bestandteile als solche technisch bekannt sind, wie z. B. Polytetrafluorethylen, Siliconharze, Kohlenwasserstoffpolymere gegenüberW'asser und vielen organischen Flüssigkeiten, oder daß sie mittels Messung des Gleichgewichtsrandwinkels dadurch identifiziert werden, daß dieser für die zu verdampfenden Flüssigkeiten mindestens y > 600, am besten Y > 900 ist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie stets auf der Wärme aufnehmenden Seite der Verdampferheizflächen angeordnet ist, z.B.

   auch an der Außenseite von innenbeheizten Rohren oder Stäben, oder an der Innenseite von außenbeheizten Rohren oder Gefäßen.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie wahlweise mit der Verdampferheizfläche in unmittelbarem Kontakt stehen, oder einen gewissen Abstand aufweisen kann.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, jedoch dadurch gekennzeichnet, daß die Heizflächen nicht der Verdampfung der beheizten Flüssigkeit, sondern der Austreibung eines in ihr gelösten Gases dienen und die Wirkung durch die Vorrichtung verbessert wird.

   Literaturverzeichnis (13 Nakayuma, W., Enhancement of Heat Transfer, Proc. 7. Int. Heat Transfer Conf., Vol. 1, S. 223, München, 1982 (2) Stephan, K., Beitrag zur Thermodynamik des Wärmeübergangs beim Sieden, Abhandlung des Deutschen Kältetechnischen Vereins, Nr. 18, Karlsruhe, 1964 (3) Hinrichs, T. et al., The Effect of Plasma-Deposited Polymers on the Nucleate Boiling Behavior of Copper Heat Surfaces, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 24 (1981) (4) Rannenberg, M., Die Wärmeübertragung beim Sieden in kapillarporösen Drahtgewebestrukturen, Diss. Darmstadt 1980