DE102008014272A1 - Coating for a heat transfer element of a heat transfer device at a side that is turned to a media space with vapor-liquid-phase change, comprises a matrix made of a metallic material, and hydrophobic polymer islands arranged at the matrix - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Beschichtung für ein Wärmeübertragungselement an einer Seite, welche einem Medienraum mit Dampf-Flüssigkeit-Phasenwechsel zugewandt ist.The The invention relates to a coating for a heat transfer element on a Side facing a media room with vapor-liquid phase change is.
Die Erfindung betrifft ferner ein Wärmeübertragungselement mit einer ersten Seite, welche einem Medienraum mit Dampf-Flüssigkeit-Phasenwechsel zugewandt ist.The The invention further relates to a heat transfer element with a first side, which is a media room with vapor-liquid phase change is facing.
Die Erfindung betrifft ferner eine Wärmeübertragungsvorrichtung.The The invention further relates to a heat transfer device.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung.The Invention further relates to a method for producing a Coating.
An Wärmeübertragungselementen mit einem Dampf-Flüssigkeit-Phasenwechsel kann grundsätzlich eine Filmkondensation stattfinden oder eine Tropfenkondensation. Bei der Filmkondensation bildet sich ein zusammenhängender Film an einer Oberfläche des Wärmeübertragungselements aus. Bei der Tropfenkondensation bilden sich Tropfen.At Heat transfer elements with a vapor-liquid phase change can basically a film condensation take place or a drop condensation. The film condensation forms a coherent one Film on a surface the heat transfer element out. Dropwise condensation forms droplets.
Es hat sich gezeigt, dass man höhere Wärmeübergangskoeffizienten und damit Wärmedurchgangskoeffizienten für eine Wärmeübertragungsvorrichtung erreicht, wenn Tropfenkondensation stattfindet.It has been shown to be higher Heat transfer coefficient and thus heat transfer coefficients for one Heat transfer device achieved when drop condensation occurs.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beschichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche vorteilhafte Eigenschaften bezüglich Tropfenkondensation aufweist.Of the Invention is based on the object, a coating of the above to provide said type, which advantageous properties in terms of Drop condensation has.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Beschichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass diese eine Matrix aus einem metallischen Material mit Inseln aus einem hydrophoben Polymer umfasst, die an der Matrix angeordnet sind, wobei Oberflächen der Inseln dem Medienraum zugewandt sind.These The object is achieved according to the invention in the above-mentioned coating that this one matrix of a metallic material with islands out a hydrophobic polymer disposed on the matrix are, with surfaces the islands facing the media room.
Die hydrophoben Inseln bilden Kondensationskeime und sorgen für eine Tropfenkondensation. Das metallische Matrixmaterial stellt sicher, dass der Wärmewiderstand minimiert ist; das metallische Material weist eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Dadurch wird sichergestellt, dass der positive Effekt der Tropfenkondensation nicht durch einen ”schlechten” Wärmewiderstand zunichte gemacht wird.The hydrophobic islands form condensation nuclei and ensure dropwise condensation. The Metallic matrix material ensures that the thermal resistance is minimized; the metallic material has a low thermal conductivity on. This will ensure that the positive effect of the drop condensation not by a "bad" thermal resistance is nullified.
Die Oberfläche des Wärmeübertragungselements mit der Beschichtung lässt sich glatt ausbilden, um einen schnellen Tropfenablauf zu ermöglichen.The surface the heat transfer element with the coating leaves form smoothly to allow a quick drop drain.
Es hat sich gezeigt, dass sich eine entsprechende Beschichtung mit hoher Langzeitstabilität herstellen lässt. Ferner lässt es sich auf einfache Weise erreichen, dass die Beschichtung nicht mit kondensierendem Wärmeträgermedium (insbesondere Wasser) oder dessen Verunreinigungen reagiert.It has been shown to be an appropriate coating with produce high long-term stability leaves. Further leaves It can easily achieve that the coating does not with condensing heat transfer medium (Especially water) or its impurities reacts.
Das Matrixmaterial sorgt neben der guten Wärmeleitfähigkeit und der mechanischen Fixierung der Inseln auch für eine gute Haftung an einem Träger, welcher insbesondere aus einem metallischen Material wie Edelstahl hergestellt ist.The Matrix material ensures in addition to good thermal conductivity and mechanical Fixation of the islands also for a good adhesion to a carrier, which in particular of a metallic material such as stainless steel is made.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn zwischen Inseln Matrixmaterial angeordnet ist. Dadurch lässt sich ein geringer Wärmewiderstand erreichen.All it is particularly advantageous if between matrix material matrix material is arranged. By doing so leaves a low thermal resistance to reach.
Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn eine Oberfläche der Beschichtung, welche dem Medienraum zugewandt ist, außerhalb der Inseln durch Matrixmaterial gebildet ist. Dadurch werden Wärmeleitungspfade bereitgestellt, welche für einen geringen Wärmewiderstand sorgen.Out for the same reason it is favorable if a surface the coating, which faces the media room, outside the islands is formed by matrix material. As a result, heat conduction paths provided, which for a low thermal resistance to care.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn eine zusammenhängende Matrixmateriallage vorgesehen ist, welche eine Rückseite der Beschichtung bildet, mit welcher diese an einem Träger angeordnet ist. Dadurch lässt sich Wärme in den Träger über die gesamte Oberfläche des Trägers einkoppeln und damit an ein Arbeitsmedium abliefern.It is also advantageous if a coherent matrix material layer is provided is what a back the coating forms, with which this arranged on a support is. By doing so leaves heat in the carrier over the entire surface of the carrier einkoppeln and deliver it to a working medium.
Je geringer die Schichtdicke ist, desto geringer ist der Wärmewiderstand. Mit der erfindungsgemäßen Lösung lassen sich insbesondere Schichtdicken zwischen 0,5 μm und 25 μm realisieren. Insbesondere liegt die Schichtdicke zwischen 1 μm und 20 μm. In einem konkreten Ausführungsbeispiel wurde eine Schichtdicke von 5 μm realisiert.ever the lower the layer thickness, the lower the thermal resistance. Leave with the solution according to the invention In particular, layer thicknesses between 0.5 .mu.m and 25 .mu.m realize. Especially the layer thickness is between 1 μm and 20 μm. In a concrete embodiment was a layer thickness of 5 microns realized.
Günstig ist es, wenn Inseln aus Polymermaterial durch Polymerpartikel gebildet sind. Dadurch lässt sich die Herstellung vereinfachen. Ferner lässt sich bei der Herstellung eine homogene Inselverteilung erreichen.Cheap is it when islands of polymer material formed by polymer particles are. By doing so leaves to simplify the production. Furthermore, can be in the production achieve a homogeneous island distribution.
Es ist dann besonders vorteilhaft, wenn eine Insel aus genau einem Polymerpartikel gebildet ist. Dadurch lässt sich die Beschichtung mit definierten Eigenschaften herstellen.It is particularly advantageous when an island of exactly one Polymer particles is formed. This allows the coating with create defined properties.
Günstig ist es, wenn die Inseln mindestens an der Oberfläche eine Größe aufweisen, welche in der Größenordnung von beim Phasenwechsel entstehenden Tropfen liegt. Dadurch bilden die Inseln optimierte Kondensationskeime für die Tropfenbildung beim Dampf-Flüssigkeit-Phasenwechsel.Cheap is if the islands have a size at least at the surface, which in the Magnitude is due to the phase change resulting drops. Thereby forming the islands optimized condensation nuclei for droplet formation in the vapor-liquid phase change.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Inseln (an der Oberfläche) einen mittleren Durchmesser kleiner 0,5 μm und insbesondere kleiner 0,2 μm auf weisen. Insbesondere haben die Inseln einen mittleren Durchmesser (an der Oberfläche der Beschichtung), welcher im Nanometerbereich liegt. Üblicherweise liegen Tropfengrößen von Tropfen, welche bei der Tropfenkondensation entstehen, im Nanometerbereich.It has proved to be favorable if the islands (on the surface) have an average diameter of less than 0.5 μm and in particular less than 0.2 μm exhibit. In particular, the islands have a mean diameter (at the surface of the coating) which is in the nanometer range. Typically, droplet sizes of droplets which are formed during droplet condensation are in the nanometer range.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn der Polymeranteil an der Beschichtung zwischen 20 Volumen-% und 50 Volumen-%, vorzugsweise zwischen 25 Volumen-% und 45 Volumen-% und besonders bevorzugt zwischen 30 Volumen-% und 40 Volumen-% liegt. Dadurch ergibt sich ein Optimum einerseits zwischen Förderung der Tropfenkondensation und andererseits zwischen Minimierung des Wärmewiderstands, wobei sich eine langzeitstabile und mechanisch stabile Beschichtung realisieren lässt.It has been considered favorable proven when the polymer content of the coating between 20 % By volume and 50% by volume, preferably between 25% by volume and 45% by volume, and more preferably between 30% by volume and 40% Volume% is. This results in an optimum on the one hand between advancement the drop condensation and on the other hand between minimizing the Thermal resistance, which is a long-term stable and mechanically stable coating can be realized.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Beschichtung amorph ausgebildet ist. Dadurch lässt sich beispielsweise eine homogene Inselverteilung an der Matrix erreichen.It has been considered favorable proven when the coating is formed amorphous. Thereby let yourself For example, achieve a homogeneous island distribution on the matrix.
Ferner hat es sich als günstig erwiesen, wenn das Matrixmaterial auf Ni-Basis ist. Nickel hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Ferner lässt sich eine gute Haftung der Beschichtung auf einem metallischen Träger wie Edelstahlträger erreichen.Further it has to be cheap proven when the matrix material is Ni-based. Nickel has one high thermal conductivity. Further leaves Good adhesion of the coating on a metallic support such as stainless steel carrier to reach.
Insbesondere erhält man eine hohe Haftfähigkeit, wenn das Matrixmaterial Phosphor enthält und insbesondere Ni-P ist.Especially receives you have a high adhesion, when the matrix material contains phosphorus and is in particular Ni-P.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn der Phosphoranteil zwischen 2% und 15% und insbesondere zwischen 5% und 10% liegt.It has been considered favorable proven when the phosphorus content between 2% and 15% and in particular between 5% and 10%.
Als günstiges Polymermaterial hat sich Perfluoralcoxycopolymer (PFA) erwiesen. Dieses Material ist hydrophob und fördert die Tropfenkondensation.When favorable Polymer material has proven to be perfluoroalcohol copolymer (PFA). This material is hydrophobic and promotes droplet condensation.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Beschichtung getempert ist. Es hat sich gezeigt, dass man dadurch eine hohe Langzeitstabilität der Beschichtung erreicht.Especially It is advantageous if the coating is tempered. It has It was shown that this high long-term stability of the coating reached.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Wärmeübertragungselement der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welchem sich ein hoher Wärmedurchgangskoeffizient erreichen lässt.Of the Invention is also the object of a heat transfer element of the type mentioned above, by means of which achieve a high heat transfer coefficient leaves.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Wärmeübertragungselement erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an der ersten Seite eine erfindungsgemäße Beschichtung angeordnet ist. Das Wärmeübertragungselement ist Teil einer Wärmeübertragungsvorrichtung. Es ist beispielsweise plattenförmig ausgebildet. An der ersten Seite strömt Wärmeträgermedium in Form von Phasenwechselmedium vorbei.These Task is the invention in the heat transfer element mentioned above solved, that arranged on the first side of a coating according to the invention is. The heat transfer element is part of a heat transfer device. It is, for example, plate-shaped educated. On the first side flows heat transfer medium in the form of phase change medium past.
Insbesondere ist ein Träger aus einem metallischen Material vorhanden, an welchem die Beschichtung angeordnet ist. Der Träger sorgt für die mechanische Stabilität. Er hält beispielsweise Dichtungen, um einen Medienraum für Phasenwechselmedium und einen Medienraum für Arbeitsmedium zu trennen. Ferner können an dem Träger entsprechende Oberflächenstrukturen angeordnet sein, um den Wärmeübergang durch geometrische Ausbildung zu erhöhen und um die Turbulenz zu fördern, um auch auf diese Weise den Wärmeübergang zu verbessern.Especially is a carrier made of a metallic material to which the coating is arranged. The carrier takes care of the mechanical stability. He stops For example, seals to a media room for phase change medium and a Media room for Separate working medium. Further, corresponding to the carrier surface structures be arranged to the heat transfer through geometric training and to increase the turbulence promote, to also in this way the heat transfer to improve.
Insbesondere ist der Träger an einer Beschichtungsseite rillenförmig ausgebildet bzw. er weist eine wellblechartige Ausbildung auf. Entsprechende Rillen (Kanäle) können auch in einem Winkel zu einer Hauptströmungsrichtung in einem Medienraum angeordnet sein, wobei auch unterschiedliche Winkel möglich sind.Especially is the carrier grooved on a coating side or he has a corrugated sheet-like training on. Corresponding grooves (channels) can also at an angle to a main flow direction in a media room be arranged, with different angles are possible.
Bei einer Ausführungsform weist ein Wärmeübertragungselement eine zweite Seite auf, welche der ersten Seite gegenüberliegt, welche einem Medienraum zugewandt ist, welcher von einem Arbeitsmedium durchströmt ist. Ein Wärmeübertragungselement weist dadurch eine ”Phasenwechselseite” auf und eine ”Arbeitsmediumseite”. Das Wärmeübertragungselement lässt sich dadurch entsprechend dünn ausbilden, so dass sich ein optimierter Wärmeübergang von dem Wärmeträgermedium (Phasenwechselmedium) zu dem Arbeitsmedium erreichen lässt.at an embodiment has a heat transfer element a second side opposite the first side, which faces a media room, which of a working medium flows through is. A heat transfer element thus has a "phase change page" on and a "working medium side". The heat transfer element let yourself to train accordingly thin, so that there is an optimized heat transfer from the heat transfer medium (Phase change medium) can be achieved to the working medium.
Insbesondere ist die zweite Seite an einem Träger für die Beschichtung gebildet, um das Wärmeübertragungselement dünn ausbilden zu können.Especially is the second side on a carrier for the Coating formed around the heat transfer element train sparingly to be able to.
Ein erfindungsgemäßes Wärmeübertragungselement lässt sich vorteilhafterweise in einer Wärmeübertragungsvorrichtung einsetzen.One Heat transfer element according to the invention let yourself advantageously in a heat transfer device deploy.
Eine solche Wärmeübertragungsvorrichtung weist insbesondere eine Zuführungseinrichtung und Abführungseinrichtung jeweils für Wärmeträgermedium (Phasenwechselmedium) und Arbeitsmedium auf. Die Wärmeübertragungsvorrichtung weist eine Durchströmungseinrichtung mit einem oder mehreren Medienräumen für Wärmeträgermedium auf und eine Durchströmungseinrichtung mit einem oder mehreren Medienräumen für Arbeitsmedium.A such heat transfer device has in particular a feed device and discharge device each for Heat transfer medium (Phase change medium) and working medium. The heat transfer device has a flow device with one or more media rooms for heat transfer medium on and a flow device with one or more media rooms for working medium.
Vorteilhafterweise ist Wasser als Phasenwechselmedium (Wärmeträgermedium) eingesetzt.advantageously, Water is used as a phase change medium (heat transfer medium).
Als Arbeitsmedium ist insbesondere Thermoöl eingesetzt.When Working medium is used in particular thermal oil.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen.Of the The invention is further based on the object, a process for the preparation to provide a coating of the type mentioned.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur Herstellung der erfindungsgemäßen Beschichtung ein Beschichtungsmaterial aus wässriger Lösung abgeschieden wird.These Task is inventively characterized solved, that for producing the coating according to the invention a coating material from aqueous solution is deposited.
Es hat sich gezeigt, dass sich durch dieses Verfahren eine erfindungsgemäße Beschichtung auf einfache Weise mit hoher Langzeitstabilität herstellen lässt.It It has been found that by this method, a coating according to the invention can be produced in a simple manner with high long-term stability.
Insbesondere wird die wässrige Lösung erhitzt. Dadurch lässt sich eine homogene Verteilung von Polymermaterialinseln in der Matrix erreichen.Especially becomes the watery solution heated. By doing so leaves Homogeneous distribution of polymer material islands in the matrix to reach.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Temperatur der wässrigen Lösung höchstens 90°C beträgt.It has been considered favorable proven when the temperature of the aqueous solution is not more than 90 ° C.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die aufgebrachte Schicht getempert wird. Beispielsweise wird sie bei einer Temperatur von ca. 320°C über vier Stunden getempert. Dadurch erhält man eine hohe Langzeitstabilität.All it is particularly advantageous if the applied layer is tempered becomes. For example, it is at a temperature of about 320 ° C for four hours annealed. This preserves one has a high long-term stability.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:The The following description of preferred embodiments is used in conjunction with the drawings of the closer explanation the invention. Show it:
Ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung,
welche in
Die
Wärmeübertragungsvorrichtung
Das Arbeitsmedium ist beispielsweise ein Thermoöl.The Working medium is for example a thermal oil.
Die
Durchströmungseinrichtung
Die
Versuchsanordnung
Von
dem Verdampfer
Die
Leitung
An
der Leitung
Eine
weitere Leitung
Von
einem Ausgang des Kondensatsammelbehälters
An
der Leitung
Ferner
ist an der Leitung
Die
Wärmeübertragungsvorrichtung
Ein
Wärmeübertragungselement
Ein
Wärmeübertragungselement
Oberflächen der
Wärmeübertragungselemente
Zwischen
benachbarten Wärmeübertragungselementen
An
den Wärmeübertragungselementen
Es
sind ferner Öffnungen
An
der zweiten Seite
Die
Wärmeübertragungsvorrichtung
Um
eine Tropfenkondensation beim Dampf-Flüssigkeits-Phasenwechsel in
dem Medienraum
Die
Beschichtung
Die
Beschichtung
Der
Wärmewiderstand
der Beschichtung
Ferner
sollte die Wärmeleitfähigkeit
des Materials der Beschichtung
Bei
der erfindungsgemäßen Lösung ist
die Beschichtung
Durch
die Inseln
Zwischen
benachbarten Inseln
Der
Träger
Der
Träger
Ein
Teil der Oberfläche
Die
Inseln
Die
Inseln
Es
hat sich als günstig
erwiesen, wenn der Polymeranteil in der Beschichtung
Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel lag der Polymeranteil der Beschichtung zwischen 32 Volumen-% und 35 Volumen-%.at a concrete embodiment lay the polymer content of the coating is between 32% by volume and 35% Volume-%.
Bei
einem konkreten Ausführungsbeispiel
ist die Beschichtung
Die
Beschichtung
Als
vorteilhaftes Polymermaterial für
die Inseln
Bei
einem Ausführungsbeispiel
wird die Beschichtung
Der
Träger
ist eine Edelstahl-Wärmeübertragungsplatte.
Die Beschichtung
The carrier is a stainless steel heat transfer plate. The coating
Nach Abscheidung der Schicht wird diese getempert. Das Tempern findet beispielsweise bei 320°C in einem Zeitraum von vier Stunden statt.To Deposition of the layer, this is annealed. The annealing finds for example at 320 ° C in a four-hour period.
In
In
Man erkennt, dass der Wärmestrom bei gleicher Verfahrensdurchführung deutlich höher ist.It can be seen that the heat flow at the same time method is significantly higher.
Die
Kurve
Erfindungsgemäß wird eine
Wärmeübertragungsvorrichtung
Es
ergibt sich ein geringer Wärmewiderstand für den Wärmestrom
vom Medienraum
Weiterhin
lässt sich über ein
Ni-P-Matrixmaterial eine gute Haftung an dem Träger
Die
erfindungsgemäße Lösung lässt sich
im Zusammenhang beispielsweise mit Wasserdampfkondensatoren verwenden.
Beispielsweise lassen sich entsprechende Wärmeübertragungsvorrichtungen
Claims (34)
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE200810014272 DE102008014272A1 (en) | 2008-03-04 | 2008-03-04 | Coating for a heat transfer element of a heat transfer device at a side that is turned to a media space with vapor-liquid-phase change, comprises a matrix made of a metallic material, and hydrophobic polymer islands arranged at the matrix |
Applications Claiming Priority (1)
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Family Applications (1)
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- 2008-03-04 DE DE200810014272 patent/DE102008014272A1/en not_active Ceased
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| R016 | Response to examination communication | ||
| R016 | Response to examination communication | ||
| R082 | Change of representative |
Representative=s name: HOEGER, STELLRECHT & PARTNER PATENTANWAELTE MB, DE |
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| R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
| R003 | Refusal decision now final |