DE69101298T2

DE69101298T2 - Verbesserte Wärmeübertragungsfläche.

Info

Publication number: DE69101298T2
Application number: DE69101298T
Authority: DE
Inventors: Stephen Forbes Pearson
Original assignee: Star Refrigeration Ltd
Current assignee: Star Refrigeration Ltd
Priority date: 1990-11-06
Filing date: 1991-11-06
Publication date: 1994-06-09
Anticipated expiration: 2011-11-07
Also published as: GB2251363A; GB9024056D0; EP0485194A1; ATE102338T1; GB9123544D0; DE69101298D1; EP0485194B1; GB2251363B

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte Wärmeübertragungsfläche zum Kochen einer Flüssigkeit, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung derselben.
Es ist wohl bekannt daß die für das Kochen einer Flüssigkeit zutreffende Wärmedurchgangszahl dadurch verbessert werden kann, daß man die Wärmeübertragungsfläche des Wärmeaustauschers mit einer Grundmasse aus kleinen wärmeleitenden Partikeln überzieht, welche ein Netzwerk von miteinander verbundenen einspringenden Hohlräumen bildet.
Die Patentschrift US-A-3384154 beschreibt ein Verfahren zum Beschichten von Wärmeübertragungsflächen mit kleinen metallischen Partikeln, welche anschließend an das Grundmaterial aufgesintert werden. Solche Überzüge führen zu Wärmedurchgangszahlen welche zwischen zwei- und zehnmal größer sein können als die sich bei der Benutzung eines glatten Rohres ergebenden Durchgangszahlen.
Die Ursachen aufgrund welcher einzelne Arten von Oberzügen hohe Wärmedurchgangszahlen ergeben sind komplex. Die wichtigen Parameter umfassen die Partikelgröße, die Porenabmessungen, den Bereich der Porenabmessungen, die Aktivität der Partikel, die Oberflächenspannung der zu kochenden Flüssigkeit und den Kontaktwinkel zwischen der Flüssigkeit und der Partikeloberfläche in Gegenwart von Dampf.
Im wesentlichen beruht die vorliegende Erfindung auf der Benutzung von porösen Kohlenstoffpartikeln, welche mit Hilfe eines Netzwerkes von Metallpartikeln in der Wärmeübertragungsfläche verankert sind.
Die vorliegende Erfindung beschafft ein Wärmeübertragungselement das einen mit einem Oberflächenüberzug versehenen Schichtträger aufweist, welch ersterer poröse Kohlenstoffpartikel enthält die in eine Grundmasse aus Metallpartikeln eingebettet sind.
Gemäß einem anderen Gesichtspunkt liefert die Erfindung ein Verfahren Zur Herstellung einer Wärmeübertragungsfläche zum Kochen einer Flüssigkeit, das ein Aufspritzen einer Mischung aus Metallpartikeln und aus Kohlenstoffpartikeln auf den Schichtträger beinhaltet, sodaß die Kohlenstoffpartikel in die mit dem Schichtträger verbundene Grundmasse aus Metallpartikeln eingebettet werden.
Der Ausdruck "Aufspritzen" muß breit ausgelegt werden, sodaß er solche Verfahren einschliesst bei welchen im wesentlichen feste körnige, halbfeste oder flüssige Materialien auf eine Oberfläche aufgeschleudert werden.
Die Metallpartikel bestehen vorzugsweise aus einemhitzeübertragenden Material, so wie Aluminium oder andere in der Technik bekannte Metalle oder Legierungen mit hoher Leitfähigkeit. Die Korngrösse liegt üblicherweise in dem Bereich 1 - 100 Mikron, insbesondere 10 - 60 Mikron, und die Dicke des Oberzuges beträgt vorzugsweise weniger als 250 Mikron. Folglich erstreckt sich der Überzug im Durchschnitt gewöhnlich über ungefähr 2 - 5 Metallpartikeldicken, sodaß die Kohlenstoffpartikel der Flüssigkeit ausgesetzt sind.
Der poröse Kohlenstoff besteht vorzugsweise aus Aktivkohle oder aus Holzkohle von mikroporöser Beschaffenheit. Die Korngrösse der Kohlenstoffpartikel liegt üblicherweise in dem Bereich 1 - 100 Mikron, insbesondere 10 - 60 Mikron.
Der aktive Kohlenstoff macht im allgemeinen zwischen 20 bis 80 Volumenprozent der Schicht der Grundmasse aus. Die aus Kohlenstoff- und Metallpartikeln bestehende Mischung wird üblicherweise unter solchen Bedingungen aufgespritzt, welche einen Abbau der Kohlenstoffpartikel durch eine übermäßige Temperatur oder durch Oxydation verhindern. Gewöhnlich wird die Mischung zusammen mit einem Inertgas, wie Stickstoff oder Argon, verspritzt.
Falls notwendig, kann die Oberfläche der aufgetragenen Grundmasse mechanisch bearbeitet werden, beispielsweise durch Walzen, um seine mechanischen Eigenschaften zu verbessern und um ein Loslösen der Kohlenstoffpartikel während des Gebrauches zu verhindern.
Gewöhnlich weist der Schichtträger die Form eines Wärmeübertragungsrohres auf, er kann aber auch von einer Platte oder von einem anderen Wärmeübertragungselement gebildet sein. Der Schichtträger besteht üblicherweise aus Metall, wie zum Beispiel Cupro-Nickel, Kupfer, Stahl oder rostfreiem Stahl.
Das erfindungsgemäße Wärmeübertragungselement erlaubt es, zum Kochen von Flüssigkeiten benutzbare Wärmeaustauscher mit einer hohen Wärmedurchgangszahl herzustellen. Kohlenstoff hat ebenfalls den Vorteil eine verhältnismäßig hohe Wärmeleitfähigkeit zu besitzen. Das Element findet insbesondere auf dem Gebiet der Kälteerzeugung Anwendung.
Eine Ausführungsform der Erfindung, die lediglich als Beispiel dienen soll, wird nun im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben, in letzteren ist:
Figur 1 eine teilweise Schnittansicht von einem Wärmeübertragungsrohr das zwecks Anwendung in einer Testausrüstung mit einer Heizung ausgestattet ist;
Figur 2 eine Testausrüstung zum Vergleichen der Wärmeleitfähigkeit eines erfindungsgemäßen Rohres M mit zwei anderen Rohren; und
Figur 3 ein Diagramm der Temperaturdifferenz (Delta T) zu der Leistung P der drei Rohre.
Das Wärmeübertragungsrohr gemäß der Erfindung wurde wie nachstehend beschrieben hergestellt. Ein Cupronickelrohr (90% Cu 10% Ni) wurde durch Sandstrahlen gereinigt und dann dem Plasmaspritzen unterzogen. Dafür wurde eine Mischung aus Partikeln von metallischem Aluminium und von Kohlenstoff (beide mit einem Partikelkaliber von ungefähr 60 Mikron) in einem Inertgas oder in einer reduzierenden Atmosphäre benutzt, um so einen Oberflächenüberzug 8 mit einer Stärke von 100-200 Mikron herzustellen. Es wurde eine einzige mit zwei separaten Vorratskammern für das Metall und für den Kohlenstoff ausgerüstete Spritzpistole benutzt.
Für die Tests wurde das Wärmeübertragungsrohr 2 dann mit einer Heizung 4 ausgestattet, so wie in Figur 1 gezeigt, und die bei tiefen Temperaturen schmelzende Legierung Ostalloy 158 wurde in den freien Raum 9 zwischen der Heizung und dem Rohr gegossen, um einen guten thermischen Kontakt zu schaffen. Das Rohr wurde mit einem Oberflächenthermoelementpaar 6 versehen, um die Temperatur an der Oberfläche des Rohres 2 zu messen.
Figur 2 zeigt eine Testausrüstung zum Messen der Temperaturdifferenz zwischen der Oberfläche des Rohres und der kochenden Flüssigkeit, in diesem Fall das Kühlmittel R11. Die Oberflächentemperatur des Rohres wird mittels des Thermoelementes 6 gemessen und die Temperatur des Kühlmittels R11 wird mit einer Reihe von (nicht gezeigten) in der Masse der Flüssigkeit angeordneten Thermoelementen bestimmt. Ein versiegelter Behälter 10 wird mit der Flüssigkeit R11 gefüllt, welche durch einen (nicht gezeigten) Kühler in Umlauf gebracht wird, und zwar durch den Zufluß 12 und den Ausfluß 14. Die Flüssigkeit wird mittels drei beheizten Rohren H, P, und M, wovon jedes mit einer Heizung und einer regelbaren Stromzufuhr ausgestattet ist, zum Kochen gebracht. Jede Stromzufuhr besteht aus einem Wattmeter 20 und einem parallel zu der Heizung geschalteten Variator 22.
Das Wärmeübertragungsrohr M ist mit einem erfindungsgemäßen Überzug aus Aluminium/Kohlenstoff versehen, so wie dies oben beschrieben worden ist. Das Rohr P ist ein Rohr aus unlegiertem Kupfer, und das Rohr H ist einem hohen Flußvermögen. Die Temperaturdifferenz zwischen der Oberfläche der Rohre und der Flüssigkeit R11 wird gemessen.
Figur 3 zeigt die Testresultate. Das Rohr aus unlegiertem Kupfer P zeigt je nach Heizleistung eine Temperaturdifferenz von 5,5ºC bis 8,5ºC. Die Temperaturdifferenz für das Rohr mit dem hohen Flußvermögen H ist unbeständig bis zu einer Leistung von ungefähr 60 Watt und sie schwankte dann zwischen 1 und 3,5ºC. Die Temperaturdifferenz für das Rohr M gemäß der Erfindung war im wesentlichen konstant bei ungefahr 1,5ºC, unabhängig von der Leistung und sie zeigte so die beste Eignung zur Wärmeübertragung.

Claims

1. Wärmeübertragungselement zum Kochen einer Flüssigkeit, das einen mit einem Oberflächenüberzug (8) versehenen Schichtträger (2) enthält, welch ersterer poröse Kohlenstoffpartikel einschliesst die in eine Grundmasse aus Metallpartikeln eingebettet sind.

2. Element gemäß Anspruch 1, in welchem die Korngrösse der Kohlenstoffpartikel 1 - 100 Mikron beträgt.

3. Element gemäß irgendeinem vorangehenden Anspruch, in welchem der Kohlenstoff 20 bis 80 Volumenprozent des Überzuges ausmacht.

4. Element gemäß irgendeinem vorangehenden Anspruch, in welchem die Korngrösse der Metallpartikel 1 - 100 Mikron beträgt.

5. Element gemäß irgendeinem vorangehenden Anspruch, in welchem das Metall Aluminium ist.

6. Element gemäß irgendeinem vorangehenden Anspruch, in welchem die Dicke des Überzuges geringer als 250 Mikron ist.

7. Element gemäß irgendeinem vorangehenden Anspruch, in welchem der Überzug mechanisch gewalzt worden ist.

8. Element gemäß irgendeinem vorangehenden Anspruch, in welchem die Metallpartikel durch Plasmaspritzen, zusammen mit den Kohlenstoffpartikeln, aufgetragen worden sind.

9. Verfahren zur Herstellung einer Wärmeübertragungsoberfläche zum Kochen einer Flüssigkeit, das ein Aufspritzen einer Mischung aus Metallpartikeln und aus porösen Kohlenstoffpartikeln auf den Schichtträger beinhaltet, sodaß die Kohlenstoffpartikel in die mit dem Schichtträger verbundene Grundmasse aus Metallpartikeln eingebettet werden.