DE2618668B2 - Metallische Wärmetauscherwand - Google Patents
Metallische WärmetauscherwandInfo
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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:
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.
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.
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 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 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 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 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.
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 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.
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 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 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 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.
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.
Claims (4)
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.
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