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Title:
HEAT TRANSFER WALL WITH MULTIFUNCTIONAL NANOSTRUCTURED SURFACE COATINGS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2006/029616
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to heat transfer walls with heat transfers improved on the fluid side. The improvements are achieved with multifunctionally custom-made nanostructured film coatings, which are adapted to the functional needs of the individual heat transfer mechanisms and which, in particular, lower the driving temperature difference of the heat transfer. The most obvious are improvements in combined condensation and evaporation processes. The intensification of the heat transfer is, in particular, achieved at low temperature differences ?? between 0.1 and 2 K. This principle can be used in any heat exchange apparatus such as in plate-type or tube-type heat exchangers, heat tubes and in falling film reactors.

Inventors:
VINZ PETER (DE)
Application Number:
PCT/DE2005/001632
Publication Date:
March 23, 2006
Filing Date:
September 16, 2005
Export Citation:
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Assignee:
VINZ PETER (DE)
International Classes:
F28F13/18; B82B1/00; F28F13/00; F28F13/04; F28F19/00; F28F19/02
Foreign References:
DE10045606A12002-03-28
DE19521344A11996-12-19
US3384154A1968-05-21
DE19820133A11999-11-11
EP1143206A22001-10-10
DE10213756A12003-10-09
DE102004011544A12004-10-14
EP1219912A12002-07-03
DE2214739A11973-09-27
US20020187335A12002-12-12
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Claims:
1. Anspruch.
2. Wärmeübertragungswand mit multifunktionell, den fluiden Wärmeübergang begünstigenden Oberflächenüberzügen, bestehend aus einem Wanduntergrund mit einer wärmezufließenden Oberfläche (ao), einer wärmeabfließenden Oberfläche (bo) und einer wärmeleitenden Wandung der Dicke (s0) dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der beiden wärmetauschenden Oberflächen (ao und/oder bo) mit einem dünnen Film eines ausgehärteten und an der Wandoberfläche (ao und/ oder bo) fest haftenden NanoKompositmaterials überzogen ist und dieser Film an seiner wärmeübertragenden freien Oberfläche durch die Strukturierung von Nanopartikeln eine oder mehrere funktionell optimierte Wärmeübergangs¬ eigenschaften aufweist.
3. Anspruch.
4. Wärmeübertragungswand nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das den Oberflächenfilm bildende, ausgehärtete NanoKompositmaterial glasartige bis keramische Eigenschaften aufweist und die funktionellen Eigenschaften der wärmeübertragenden Filmoberfläche über die Verarbeitungsprozedur und/oder über die Zusammensetzung des NanoKompositmaterials eingestellt sind.
5. Anspruch.
6. Wärmeübertragungswand nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächen film mehrlagig aufgetragen ist, die einzelnen Lagen entweder dieselbe Spezies einer funktionsverstärkenden Molekülendgruppe enthalten oder Spezies mit unterschiedlichen Funktionen.
7. Anspruch.
8. Wärmeübertragungswand nach Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die äußere funktionelle Filmoberfläche mit einem wärmetauschenden Fluid in Kontakt ist und an der Kontaktfläche zu dieser die Wärmeübergangseigenschaft festlegt.
9. Anspruch.
10. Wärmeübertragungswand nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der funktionelle Oberflächenfilm eine wärmeaufnehmende Oberfläche (aθ bzw. eine wärmeabgebende Oberfläche (b^ und eine wärmeleitende Filmdicke (S1) aufweist und die Filmdicke (S1) mindestens 0,1 μm, höchstens jedoch höchstens 10 μm beträgt und die Filmdicke (S1) eine Toleranz von weniger als 20 % ihres Nominalwertes aufweist. Anspruch 6 Wärmeübertragungswand nach Anspruch.
11. dadurch gekennzeichnet, dass die ein kondensierendes oder partiell zu entfeuchtendes Wärmeübertragungsfluid kontaktierende, wärmeaufnehmende Filmoberfläche (aθ funktionell hydrophob bzw. lyophob (flüssigkeits¬ abweisend) wirkend ausgebildet ist und somit die Ausbildung von Tropfenkondensation an der Filmoberfläche Ca1) fördert.
12. Anspruch.
13. Wärmeübertragungswand nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die ein verdam¬ pfendes Wärmeübertragungsfluid kontaktierende, wärmeabgebende Filmoberfläche Cb1) funktionell hydrophil bis ultrahydrophil bzw. lyophil bis ultralyophil wirkend ausgebildet ist und damit an der Oberfläche (fy) den Wärmeübergang bei Verdampfungsprozessen intensiviert.
14. Anspruch.
15. Wärmeübertragungswand nach Anspruch 5 oder 6 und/oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass der funktionelle Oberflächenfilm ionenundurchlässig ist und sich chemisch inert gegenüber dem wärmetauschenden Fluid und dem Material des Wanduntergrundes verhält und folglich Korrosionen unterbindet.
16. Anspruch.
17. Wärmeübertragungswand nach Anspruch 5 oder 6 und/oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass der funktionelle Oberflächenfilm antibiologisch aktiv ist und folglich den Aufbau von Foulingbelegen auf der Wärmeübertragungsoberfläche unterbindet.
18. Anspruch.
19. Wärmeübertragungswand nach Anspruch 5 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass der funktionelle Oberflächenfilm antibiologisch aktiv ist und folglich den Aufbau von Foulingbelegen auf der Wärmeübertragungsoberfläche unterbindet Anspruch.
20. Wärmeübertragungswand nach Anspruch 5 oder 9 dadurch gekennzeichnet, dass die ein konvektiv, ohne Phasenwechsel wärmetauschendes oder ein partiell zu entfeuchtendes Fluid kontaktierende wärmeaufnehmende Filmoberfläche Ca1) funktionell antihaftend ausgebildet ist und damit den Ansatz von wärmeisolierenden Verkrustungen, Tau oder Eisbelegen auf der Filmoberfläche Ca1) vermeidet. Anspruch.
21. ärmeübertragungswand nach Anspruch 5 oder 9 dadurch gekennzeichnet, dass die ein konvektiv wärmetauschendes oder verdampfendes Fluid kontaktierende wärmeabgebende Filmoberfläche (bi) funktionell antihaftend ausgebildet ist und damit auf der Oberfläche (bθ dem Ansatz von wärmeisolierenden Sedimentablagerungen entgegenwirkt.
22. Anspruch.
23. Wärmeübertragungswand nach einem der Ansprüche 5 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass sie als Platte oder Rohr ausgebildet ist.
24. Anspruch.
25. Wärmeübertragungswand nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass die unbeschich¬ teten Oberflächen (aound /oder bo) des Wanduntergrundes technisch glatt oder rauh oder mikroskopisch oder makroskopisch profiliert oder berippt sind und die wärmeübertragenden funktionellen Filmoberflächen (ai und/oder b\) der geometrischen Formgebung des Wand¬ untergrundes angepasst sind.
26. Anspruch.
27. Wärmeübertragungswand nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass der Wandunter¬ grund (bo) funktionell mit einem flüssigkeitsabstoßenden Oberflächenfilm überzogen ist, an dessen Oberfläche (bθ Blasenkeime mit geringster Temperaturdifferenz generiert werden, und ergänzend auf der Oberfläche (bo) oder (bi) eine flüssigkeitsbenetzte kapillare Struktur mit einer wärmeabgebenden Oberfläche (co unbeschichtet oder C1 beschichtet) gut wärmeleitend aufgebaut ist, deren ausgeprägte Saugfähigkeit den Wärmeübergang bei der Blasen oder Kapillarverdampfung intensiviert.
28. Anspruch.
29. Wärmeübertragungswand nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass der Wandunter¬ grund (bo) funktionell mit einem geschlossenen ultralyophil wirkenden Oberflächenfilm überzogen ist, auf dem viele gleichmäßig verteilte, punktförmige lyophob wirkende Keimstellen aufgebracht sind, die Blasen mit geringster Temperaturdifferenz generieren während der benetzte Teil der Oberfläche die Flüssigkeit verteilt und ergänzend durch Oberflächenverdampfung gekühlt ist. Anspruch.
30. ärmeübertragungs wand nach Ansprach 15 dadurch gekennzeichnet, dass die äußere flüssigkeitsabstoßende Oberfläche Cb1) eines außen oder innen beschichteten Rohres den Wanduntergrand bildet und eine mit geringem Abstand gewickelte, flüssigkeitsbenetzte, am Wanduntergrand haftende Drahtwendel mit der Oberfläche (co unbeschichte oder C1 beschichtet) die wärmeabgebende Oberfläche der Kapillarstruktur.
31. Ansprach.
32. Wärmeübertragungswand nach einem der Ansprüche 6 bis 17 Ansprach dadurch gekennzeichnet, dass mehrere gleichartig präparierte und anwendungsspezifisch optimierte Teile dieser Wärmeübertragungswand zu einem Platten oder einem Röhrenwärmetauscher zusammengefügt sind oder unterschiedlich präparierte Wandteile zu einem Wärmerohr. xxx.
Description:
Wärmeübertragungswand mit multifunktionellen nanostrukturierten Oberflächen¬ überzügen

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungswand mit multifunktionellen, insbesondere den fluiden Wärmeübergang begünstigenden nanostrukturierten Oberflächenüberzügen sowie verschiedene Ausführungsformen solcher Wärmeübertragungswände für den Einsatz in Platten- oder Röhrenwärmetauschern oder in Wärmerohren.

Für den fluiden Wärmeaustausch geeignete Wärmeübertragungswände bestehen prinzipiell aus einer wärmeaufnehmenden Oberfläche (ao), einer wärmeabgebenden Oberfläche (b0) und einer wärmeleitenden Wandung der Dicke (so). Je nach Anwendungsfall befindet sich die wärmeaufnehmende Wandoberfläche Ca0) im Kontakt mit einem kondensierenden und/oder sich abkühlenden Fluid und die wärmeabgebende Wandoberfläche (bo) mit einem verdampfenden und/oder sich aufheizenden Fluid. Die Wandoberflächen können beliebig voroptimiert sein, beispielsweise technisch glatt oder rauh, oder mikroskopisch oder makroskopisch strukturiert oder auch berippt.

Gemäß der allgemeinen Bestimmungsgleichung Q/A = q = k • Δθm ist der Betrag des flächenbezogenen fluiden Wärmeaustauschs (Q/A = q ) das Produkt aus der Wärmedurch¬ gangszahl (k) und der mittleren Temperaturdifferenz zwischen den wärmetauschenden Fluiden (Δθra).

Die Wärmedurchgangszahl (k) ist ein gesamtheitlicher Wärmeleitwert, der sich aus den beiden Wärmeübergangswerten αa und ab der fluidkontaktierenden Wärmeübertragungs¬ oberflächen und dem Wärmeleitwert der Wandung QJs) zusammensetzt. Unter der Voraussetzung einer konstant bleibenden Fläche gilt bei seriellem Wärmedurchfluss für die Bestimmung der Wärmedurchgangszahl (k);

l/k = I/o, + 1/αb + s/λ oder k = 1 / (l/αa + l/αb + s/λ ) .

Erfindungsgemäß lassen sich mit funktionell maßgeschneiderten nanostrukturierten Oberflächenfilmen die Einzelwerte der Wärmedurchgangszahl (k) derartig optimieren, dass für die Übertragung eines gegebenen Wärmestroms (Q) entweder eine geringere Übertragungsfläche (A) erforderlich ist oder die mittlere Temperaturdifferenz zwischen den wärmeaustauschenden Fluiden abnimmt. Beide Möglichkeiten und auch die Kombination sind technisch von Interesse. Dem fluiden Wärmeübergang ist oftmals ein Wärmeübergang mittels Strahlung überlagert. Dafür gibt es bereits spezielle strahlungsoptisch verstärkend oder abschwächend wirkende mikrostrukturierte Oberflächen. Auch diese Eigenschaften lassen sich mit nanostrukurierten Oberflächen positiv beeinflussen.

Grundsätzlich generieren Oberflächenüberzüge auf den Wärmeübertragungsflächen eigene Wärmeleitwiderstände, die sich zunächst in einer Minderung der Wärmedurchgangszahl (k) ausdrücken. Soll trotzdem die Wärmedurchgangszahl (k) insgesamt zunehmen, so müssen die funktionellen Oberflächenschichten nicht nur ihren eigenen Wärmeleitwiderstand kompen¬ sieren sondern darüber hinaus auch den Wärmeübergang an den Oberflächen intensivieren. Dafür eigenen sich insbesondere Regimeänderungen. Beispiele dafür sind der Übergang von Filmkondensation zu Tropfenkondensation, der Übergang von Oberflächenverdampfung zu Blasenverdampfung oder der Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung.

Wärmeübertragungswände mit funktionellen Oberflächenbeschichtungen aus Kunststoffen werden heute bereits für den fluiden Wärmeübergang eingesetzt, beispielsweise zur Vermei¬ dung von Korrosionen oder biologischen Foulingbelegen in Platten- oder Röhrenwärme¬ austauschern. Diese Beschichtungen haben eine makroskopische Schichtdicke, mit einem nicht zu vernachlässigenden Wärmeleitwiderstand. Dir anteiliger Temperaturverlust wird heute entweder über eine Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche (A) oder über eine Zunahme der mittleren Temperaturdifferenz (Δθm) ausgeglichen. Die Wärmedurchgangszahl (k) ist in diesem Fall gemindert, bleibt aber dann dauerhaft unverändert. Die Beschichtungen sind äußerst funktionssicher.

Korrosionsschutz und Schutz gegen Foulingbelege bieten bekannterweise neuartige nano- strukturierte Oberflächenüberzüge mit Filmdicken unter einem hundertstel der heutigen makroskopischen Belagdicken /11. Beide Eigenschaften lassen sich in einem gemeinsamen, multifunktionellen Oberflächenüberzug integrieren entweder in einem zweischichtigen Aufbau mit einem ionenundurchlässigen Untergrund und einer antibiologisch aktiven Oberfläche oder in einer einzigen, beide Eigenschaften enthaltenden homogenen Schicht.

Nanostrukturierte Oberflächenüberzüge können darüber hinaus über ihre Molekülendgruppen funktionell auch in Richtung Antihaftwirkung und/oder Nichtbenetzung optimal maßge¬ schneidert werden 121 und so erhaltend oder stabilisierend auf den Wärmeübergang ein¬ wirken. Auf diese Weise lassen sich zB. Eisbelege /3/ an luftbeheizten Wärmepumpen¬ verdampfern vermeiden oder bei der Aufheizung von Brauchwasser die Bildung von brauchwasserseitigen Kalkablagerangen auf der Heizfläche vermeiden. Bei Eindampfprozes¬ sen verhindern diese Eigenschaften die Ablagerung und Sedimentierung von durch Über¬ sättigung ausgefällten Lösungsbestandteilen auf den Heizflächen. Auf diese Weise lassen sich Betriebsausfälle vermeiden, Wartungsaufwände reduzieren und sich der Gebrauch von umweltbelastenden Reinigungsmitteln mindern Der Einsatz von nanostrukturierten Ober¬ flächen beschränkt sich bisher auf die Erhaltung des Wärmeübergangs nicht aber auf seine Verbesserung. Es wird aber auch an Methoden zur Verbesserang des Wärmeübergangs gearbeitet. Nanostrakturierte Oberflächen spielen allerdings bisher keine entscheidende Rolle

Das größte Potential zur Intensivierung des Wärmedurchgangs bieten die Prozesse mit flui¬ dem Phasenwechsel wie die Kondensations- und/oder Verdampfungsprozesse. Diese Wärme¬ übergänge sind vorrangig durch den Wärmewiderstand eines sich auf der wärmeübertragen¬ den Wandoberfläche aufbauenden Flüssigkeitsfilms des phasenwechselnden Fluids bestimmt. Je dünner ein solcher Flüssigkeitsfϊlm ist, um so höher ist die Wärmeübergangszahl α des Phasenwechsels.

Seit langem wird z.B. für Kondensationsprozesse nach praktikablen und betriebssicheren Lösungen gesucht, den Einfluss dieses störenden Flüssigkeitsfilms dauerhaft zu mindern. Er bewirkt einen prozesshemmenden Temperaturverlust zwischen dem phasenwechselnden Fluid und der wärmeaufnehmenden Wandoberfläche.

Welche Möglichkeiten sich mit der Ausbildung von Tropfenkondensation eröffnen, verdeutli¬ chen die Ergebnisse von Kondensationsexperimenten mit Wärmeübertragungswänden aus Kupfer, die durch die Beigabe von entnetzend wirkenden Promotoren. zum kondensierenden Wasserdampf partiell unbenetzt blieben. Damit konnte zeitweise eine stabile Tropfenkon¬ densation erzwungen werden und die WärmeübergangszahT <xκ gegenüber der in der Anwen¬ dungstechnik häufig praktizierten Filmkondensation mehr als verzehnfacht werden IAI.

Die Beigabe von Entnetzungsmitteln wirkt allerdings weder zuverlässig noch dauerhaft hydro- bzw. lyophobierend und damit Tropfenkondensation fördernd, vielmehr verliert sich mit der Zeit die Wirkung dieser Zusatzstoffe.

Die heutigen Zusatzstoffe verunreinigen das Kondensat und kontaminieren alle nachgeschal¬ teten Verfahrenseinrichtungen. Außerdem müssen sie stetig nachdosiert werden. Für die Reindarstellung rückverflüssigter Produkte ist die Beigabe derartiger Promotoren grund¬ sätzlich ausgeschlossen. Die Ausbildung von dauerhafter Tropfenkondensation mit ihrem verbessernden Wärmeüber¬ gang ist technisch weiterhin von Interesse. Die Verflüssigerapparate wären kleiner. Das Temperaturgefälle (Ts -Tw) zwischen dem kondensierenden Fluid und der wärmeaufneh¬ menden Wand wäre geringer und die Kontamination des Kondensats und anderer Anlagen¬ teile wäre praktisch ausgeschlossen. Bei rekuperativen Wärmeübertragungsprozessen würde sich entsprechend der rückgewinnbare Anteil erhöhen.

Im Falle der Kondensation von gesättigtem Wasserdampf mit einer konstant angenommenen Wärmeübergangszahl (XK von 105 WAn2K sinkt beispielsweise beim Übergang von Film- zu Tropfenkondensation die Temperaturdifferenz (Ts -Tw) von 11 K auf 1 K oder, geht man von einer konstanten Temperaturdifferenz (Ts -Tw) von 1 K aus, so steigt die Wärmeüber¬ gangszahl ((XK ) von etwa 1,5 -104 auf 105 W/m2K an . Der Vergleich zeigt den positiven Trend. Dieser gilt qualitativ für die Verflüssigung aller schlecht wärmeleitenden Flüssigkeiten auf flüssigkeitsabstoßenden präparierten Oberflächen /4/. Tropfenkondensation ist insbeson¬ dere immer dann wünschenswert, wenn Kondensationsprozesse mit kleinstmöglichem treibenden Temperaturgefälle ausgeführt werden sollen, wie beispielsweise die Herstellung pharmazeutischer Grundsubstanzen aus verdünnten Lösungen.

Bekannt ist aus der neueren Forschung, dass ein auf der Wandoberfläche aufgebrachter hydrophob bzw. lyophob wirkender (flüssigkeitsabstoßender) nanostrukturierter Ober¬ flächenfilm die Haftspannung der Flüssigkeit an der Berührungsoberfläche erniedrigt /5/. Ist sie kleiner als die Oberflächenspannung der Flüssigkeit, bildet sich ein entsprechender Randwinkel größer 0° aus. Jeder beliebige Randwinkel zwischen 0° und 180° ist über den Molekülaufbau der nanostrukturierten Oberflächenschicht einstellbar IU. Bekannt ist außerdem, dass sich Tropfenkondensation etwa bei einem Randwinkel von 30° ausbildet und sich mit steigendem Randwinkel vervollkommnet.

Ein erfindungsgemäßer Gedanke ist es daher, unter Verwendung der beiden bekannten funktionellen Eigenschaften, einen fest auf der Wärmeübertragungswand haftenden nanostrukturierten Oberflächenüberzug so maßzuschneidern, dass er eine dauerhaft stabile Tropfenkondensation gewährleistet. Mit dieser Methode lassen sich erstmals Wärmeüber¬ gangsbedingungen für die Tropfenkondensation konfektionieren und stoffbezogen optimieren. Bei Randwinkeln oberhalb 90° bleiben Kondensattropfen nicht mehr an der Oberfläche haften und, es kann sogar zum spontanen Abspringen von kleinsten Kondensattropfen kommen. Dieses Phänomen konnte bisher nur bei der Kondensation von Quecksilberdampf auf Glasoberflächen beobachtet werden 161.

Der Wärmeübergang beim Phasenwechsel der Verdampfung entspricht nicht der einfachen Umkehrung des Kondensationsprozesses. Die Übertragungsmechanismen sind hier kompli¬ zierter, weil auf die Anwesenheit des Flüssigkeitsfilms auf der Heizfläche nicht verzichtet werden kann, wie es bei der Kondensation durchaus denkbar wäre.

Bei Verdampfungsprozessen werden die höchsten technisch beherrschbaren Wärmestrom¬ dichten durch Blasensieden erzielt. Die übertragene Wärmemenge wird hierbei einerseits durch die gleichförmige Flüssigkeitsverteilung auf der beheizten Oberfläche und andererseits durch den Abtransport der Blasen von der beheizten Wandoberfläche bestimmt. Beide stoff¬ transportierenden Teilprozesse befinden sich unter stationären Verhältnissen im dynamischen Gleichgewicht. D.h., der Heizfläche wird dieselbe flüssige Stoffmenge zugeführt wie sie dampfförmig mit den Blaseninhalten entzogen wird.

Blasenkeime generieren die Blasen. Sie werden durch die Überhitzung der Wand aktiviert. Je größer der Anfangsradius einer Dampfblase ist, um so geringer ist die zur Keimaktivierung erforderliche Überhitzung. Das heißt, bei einer gegebenen Wandüberhitzung sind alle Keime mit dieser erforderlichen Überhitzung und auch alle mit einer geringeren Überhitzung aktiv. Im stationären Zustand stimmt die Zahl der auf der Oberfläche aktiven Blasenkeime mit der Zahl der sich bildenden und der sich von der Oberfläche lösenden Blasen überein. Eine Zunahme der Wandüberhitzung aktiviert weitere Blasenkeime, die dann zusätzliche kleinere Blasen generieren. Die gekrümmten Flüssigkeitsmenisken an der Phasengrenzfläche (fest/flüssig/gas) sorgen mit der aus der Oberflächenspannung der Flüssigkeit resultierenden kapillaren Saugwirkung für das Heranführen und Verteilen der Flüssigkeit auf der beheizten Oberfläche. Voraussetzung dafür ist eine gute Benetzung der Oberfläche. Zur Unterstützung der Flüssigkeitsverteilung kann die benetzte Oberfläche zusätzlich mikrostrukturiert oder mit Kapillarkanälen ausgerüstet sein.

Die Differenz zwischen der Temperatur der Wandoberfläche (Tw ) und der Sättigungstempe¬ ratur (Ts ) des verdampfenden Fluids ist um den Betrag der für die Keimgenerierung benötig¬ ten Wandüberhitzung (ΔTo) größer als die allein aus dem an der Wand haftenden Flüssig¬ keitsfilm resultierende Temperaturdifferenz. Die Sättigungstemperatur des verdampfenden Fluids ist daher um den Betrag (ΔTQ) geringer. Mit zunehmender Wandüberhitzung steigt die Wärmeübergangszahl (α) beim Blasensieden an, was darauf zurückzuführen ist, dass die Dicke des Flüssigkeitsfilms mit zunehmender Wandüberhitzung abnimmt. Damit reduziert sich auch ihre Einflussnahme auf den Wärme¬ übergang. Der Überhitzungsanteil für die Blasenkeimaktivierung nimmt dagegen zu.

Für die technisch wichtigen Verdampfungsformen Oberflächenverdampfung und Blasen¬ sieden liefern Jakob und Linke III Anhaltswerte für den Wärmeübergang an horizontalen Heizflächen für siedendes Wasser bei 100°C. Bei kleinen Wandüberhitzungen (ΔTÜ ≤ 6 K) wird die Wärme generell durch konvektive Oberflächenverdampfung übertragen, erst oberhalb ΔTo 6 K setzt allmählich Blasensieden ein.

Die maximale durch konvektive Oberflächenverdampfung von Wasser mit einer Wandüber¬ hitzung von 6 K realisierte Wärmeübergangszahl beträgt etwa 2.000 W/m2K. Bei einer Wandüberhitzung von 1 K sinkt die Wärmeübergangszahl auf etwa 1.000 W/m2K. Mit Blasensieden werden bei Wandüberhitzungen zwischen 6 und 12 K Wärmeübergangszahlen von 2.000 bis 15.000 W/m2 K erzielt. Geringere Wandüberhitzungen sind mit Blasensieden nicht realisierbar. Wärmeübergangszahlen um 10.000 W/m2K mit Wandüberhitzungen um IK und darunter werden nur bei der Oberflächenverdampfung in offenen Kapillarrillen bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten erzielt /8/.

Zwei charakteristische Eigenschaften bestimmen demnach den Wärmeübergang bei der Verdampfung; die Benetzung der Oberfläche und die Temperaturdifferenz zwischen der Wand und der verdampfenden gesättigten Flüssigkeit. Naturgemäß verbessert sich die Benetzung mit zunehmender Temperatur, weil die Oberflächenspannung der Flüssigkeit mit steigender Temperatur abnimmt. Es gibt zB. für Kunststoffe eine flüssigkeitsspezifische untere Temperatur für die beginnende Benetzung und eine obere Temperatur für die voll¬ kommene Benetzung 191. Kennzeichnend dafür ist der makroskopische Benetzungswinkel (θ). In jedem Benetzungszustand befindet sich die Haftspannung der Flüssigkeit an der wärme¬ übertragenden Wand im Gleichgewicht mit der Oberflächenspannung der Flüssigkeit, wobei Unterschiede über die Krümmung der Phasengrenzfläche ausgeglichen werden. Der Benet¬ zungswinkel (θ) - auch Randwinkel genannt - kennzeichnet diese Verhältnisse.

Bei vollständiger Benetzung (Randwinkel θ = 0°) entspricht die Haftspannung der Flüssigkeit gerade der Oberflächenspannung. Heutige Wärmeübertragungsflächen operieren bestenfalls mit Benetzungswinkeln zwischen 20° und 40° 141. Ein weiterer erfindungsgemäßer Gedanke ist es, mit einem funktionell maßgeschneiderten, fest auf der Wärmeübertragungswand haftenden nanostrukturierten Oberflächenüberzug den Wärmeübergang bei Verdampfungsprozessen zu verbessern. Sogenannte ultralyophile oder ultrahydrophile nanostrukturierte Oberflächenfilme vermögen es, die Haftspannung der Flüssigkeit über das Maß der Oberflächenspannung hinaus anzuheben. Damit zerfließt die Flüssigkeit auf der Wandoberfläche und bildet darauf einen fest haftenden hauchdünnen Film. Dieser Flüssigkeitsfilm verdrängt auch an der Oberfläche haftende Gaspartikel. Wird dieser unter Zugspannung stehende Flüssigkeitsfilm wandseitig beheizt, bedarf es nur einer geringen Temperaturerhöhung der Wand gegenüber der gesättigten Flüssigkeit bis zu ihrer Verdamp¬ fung. Diese funktionell neue Eigenschaft eröffnet der Verdampfungstechnik unerwartete Perspektiven.

Ein ultralyophiler Oberflächenfilm entfaltet eine eigene Pumpwirkung am Ort des Gescheh¬ ens und sorgt damit für eine extrem dünne und schnelle Verteilung der nachgespeisten Flüssigkeit auf der Heizfläche. Dies geschieht mit höheren Geschwindigkeiten als sie heute mit strukturierten Kapillaren oder mit blasenaktiven Grenzflächen erreicht werden können. Die höheren Heizflächenbelastungen bei deutlich geringeren Wandüberhitzungen sind nicht nur für die Blasenverdampfung von Vorteil sondern auch für die Oberflächenverdampfung von rauhen oder kapillarstrukturierten Heizflächen und auch für die Wärmeübertragung bei Rieselfilmen.

Die erfindungsgemäßen Verbesserungen werden mit multifunktionellen nanostrukturierten Oberflächenüberzügen erzielt, wie sie einzeln oder kombiniert in den in den Ansprüchen 1 bis 18 beschriebenen sind. Ein solcher filmartiger Oberflächenüberzug ist ausgehärtet und haftet fest an der Wärmeübertragungswand. Es können beide Seiten einer Wärmeübertragungswand oder auch nur eine Seite mit einem entsprechend optimierten Oberflächenfilm überzogen sein. Die Filmdicken bewegen sich zwischen 1 μm bis lOμm, mit Toleranzen von 10 bis 20% des Nominalwertes. Die Haupteigenschaften der beiden Überzüge können gleichartig oder verschieden sein.

Die Multifunktionalität begründet sich in den mehrfachen kombinierten Wirkungen eines einseitigen Oberflächenüberzugs und in der kombinierten Wirkung beidseitiger Überzüge einer Wärmeübertragungswand. Ein filmartiger Überzug kann neben der Haupteigenschaft mehrere Nebeneigenschaften aufweisen. Maßgeschneidert bedeutet, dass das nanostruk- turierende Ausgangsmaterial durch den Einsatz von spezifisch wirkenden Molekülendgruppen funktionell voroptimiert ist und durch die angewandte Verarbeitungstechnik seine endgültige Funktionalität erhält.

Die mehrfache Funktion eines Oberflächenüberzugs kann beispielsweise darauf beruhen, dass er als Haupteigenschaft nichtbenetzend wirkt, so dass sich fluidseitig eine stabile Tropfenkondensation ausbildet, zudem ionenundurchlässig ist und damit antikorrosiv wirkt und außerdem feststoffabstoßend wirkt und so Ablagerungen von Feststoffen auf der freien Oberfläche unterbindet. Ebenso kann die Oberfläche biologisch inaktiv oder aktiv wirken und beispielsweise Foulingbeläge verhindern oder die biologische Verträglichkeit von implantier¬ ten Wärmeübertragern verbessern.

Bei einer Anwendung dieser multifunktionellen Oberflächenüberzüge für eine konvektive Wärmeübertragung ohne fluiden Phasenwechsel wirken diese insbesondere in Richtung Erhaltung und Stabilisierung des designten Wärmeübergangs sowie lebensdauerfördernd auf die Wärmeübertragungswand. Funktionsausfälle sowie Wartungs- und Reinigungsaufwände reduzieren sich.

Ein erfindungsgemäßes Prozessbeispiel für beidseitig der Wärmeübertragungswand wirkende multifunktionelle Oberflächenüberzüge ist die konvektive Kühlung oder Beheizung ohne Phasenwechsel auf der einen Seite der Wand und Tropfenkondensation oder Verdampfung auf der anderen Seite der Wand. Mit dem einseitig gesteigerten Wärmeübergang des Phasen¬ wechsels lässt sich sowohl das treibende Temperaturgefälle als auch die Wärmeaustausch- flache dieses Wärmeübertragungsprozesses senken. Die funktionellen Haupteigenschaften - hydrophobes Verhalten der Kondensationsseite und ultralyophiles Verhalten der Verdampf¬ ungsseite - sind wiederum kombinierbar mit der Ionenundurchlässigkeit und feststoff¬ abweisenden Wirkung.

Am markantesten sind die erfindungsgemäßen Verbesserungen bei Prozessen mit doppeltem fluiden Phasenwechsel, wenn beispielsweise auf der einen Seite der Wand Dampf kondensiert und auf der anderen Seite Flüssigkeit verdampft. Beispiele dafür sind die Verhältnisse inner¬ halb eines Wärmerohres oder die Verhältnisse in sogenannten Multieffekt-Destillations- anlagen (MED- Anlagen). Bei MED- Anlagen lässt sich durch den reduzierten Temperatur¬ abfall des zweifachen Phasenwechsels die Zahl der Destillationsstufen erhöhen und dadurch der Heizenergieaufwand reduzieren. Die nachfolgenden Tabellen 1 bis 3 zeigen für drei technisch bedeutende gekoppelte Wärme¬

übergangsprozesse die berechneten Wärmeübergangswerte k in Abhängigkeit von der

Temperaturdifferenz Δθ zwischen den wärmetauschenden Fluiden. Verglichen wird jeweils

der k-Wert einer multifunktionell beschichtete Wärmeübertragungsfläche mit dem k-Wert

einer unbeschichteten Wärmeübertragungsfläche herkömmlicher Art. Berechnungsgrundlage

ist der ebene Fall. Die Werte (0,1 < Δθ < 5) wurden verdampfungsseitig mit den von Δθ

abhängenden α- Werten der Oberflächenverdampfung berechnet.

Tabelle 1 zeigt Wärmeübertragungswerte für Wasser, wie sie beispielsweise im Verdampf -

ungs-/Kondensationszyklus eines Wasser- Wärmerohres vorkommen. Am wirksamsten sind

multifunktionelle nanostrukturierte Beschichtungen bei sehr geringen Temperaturdifferenzen

Δθ, etwa im Bereich zwischen 0,1 und 2,0 K. Dieser Temperaturdifferenzbereich ist tech¬

nisch von größter Bedeutung, beispielsweise für die Wärmeabfuhr von elektronischen

Hochleistungsbauteilen .

Tabelle 1 Wärmeübergang: Wasserdampf-Kondensation/ Kapillarverdampfung- Wasser

Tropfenkondensation Filmkondensation Δθ k(ΔΘ) beschichtet k(ΔΘ) unbeschichtet k(ΔΘ)b/k(ΔΘ)u K W /m2 K W /m2 K 0,10 677 211 3,208 0,20 1.238 415 2,983 0,25 1.485 514 2,889 0,50 2.494 987 2,527 0,75 3.247 1.425 2,278 1,00 3.842 1.833 2,096 1,25 4.330 2.214 1,956 1,50 4.741 • 2.571 1,844 1,75 5.095 2.907 1,753 2,00 5.403 3.224 1,676 2,50 5.920 3.808 1,554 3,00 6.340 4.336 1.462 3,50 6.691 4.816 1.389 4,00 6.990 5.256 1,330 5,00 7.480 6.039 1,238

Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, lässt sich mit einer die Tropfenkondensation bewirkenden

Beschichtung über eine Temperaturdifferenz Δθ von 0,1 K mehr als die dreifache Wärme¬

menge transportieren wie mit der herkömmlichen Technologie. Mit steigendem Δθ reduziert

sich zwar stetig die vorteilhafte Wirkung der Beschichtung. Bei 5 K ist der k-Wert aber

immer noch um 23 % höher als der der herkömmlichen Technologie. Grundsätzlich gilt das Δθ-abhängige, mit einer multifunktionellen Nanobeschichtung

verbesserte Wärmeübertragungsverhalten auch für jedes andere Verdampfungsmedium.

Tabelle 2 zeigt die Wärmeübertragungsverhältnisse, wie sie in herkömmlichen technischen

Kondensatoren vorkommen. Auf der Primärseite kondensiert Wasserdampf, auf der Sekun¬

därseite erwärmt sich Kühlwasser. Auch hier zeigt sich das vorteilhafte Wärmeübertragungs¬

verhalten. Man kann diesen verbesserten Wärmeübergang entweder zur Reduktion der

Wärmeübertragungsfläche nutzen oder die Temperaturdifferenz entsprechend senken. Beide

Möglichkeiten sind technisch von Interesse.

Tabelle 2 Wärmeübergang: Wasserdampf -Kondensation/ Wasser- Aufheizung

Tropfenkondensation Filmkondensation Δθ k(ΔΘ) beschichtet k(ΔΘ) unbeschichtet K W An2 K W An2 K 0,10 827 286 0,25 1.080 518 0,50 1.241 731 0,75 1.320 859 1,00 1.370 948 1,50 1.431 1.068 2,00 1.470 1.148 3,00 1.516 1.250 4,00 1.545 1.317 5,00 1.564 1.365 6,00 1.579 1.400 7,00 1.591 1.430 8,00 1.600 1.454 9,00 1.608 1.473 10,00 1.614 1.491

Der Vergleich gemäß Tabelle 3 gilt speziell für Entfeuchtungsprozesse. Berechnet wurde der

Fall der Entfeuchtung von Luft unter der Auskondensation von Wasserdampf. Derartige

Prozesse laufen z.B. in Trägergas-Destillationsanlagen ab und werden auch für den rekupe-

rativen Wärmerückgewinn in thermischen Entsalzungsanlagen zur Trinkwassergewinnung

genutzt. Mit kleinerem Δθ lässt sich der rekuperative Wärmerückgewinn in diesen Prozess¬

abläufen steigern und proportional dazu der Energieeinsatz für die Stofftrennung reduzieren.

Das treibende Temperaturgefälle in diesen Prozessabläufen lässt sich mit multifunktionellen

nanostrukturierten Oberflächen bis auf 1 K bis 3 K reduzieren, entsprechend reduziert sich

der erforderliche Energieeinsatz für die Stofftrennung. Tabelle 3 Wärmeübergang: Luftentfeuchtung/ Wasser-Aufheizung

Tropfenkondensation Filmkondensation Δθ k(ΔΘ) beschichtet k(ΔΘ) unbeschichtet K W /m2 K W /m2 K 0,10 738 266 0,25 871 452 0,50 945 603 0,75 980 685 1,00 1.000 740 1,50 1.025 810 2,00 1.040 855 3,00 1.058 910 4,00 1.069 944 5,00 1.076 968 6,00 1.082 985 7,00 1.086 1.000 8,00 1.090 1.011 9,00 1.092 1.020 10,00 1.094 1.028

Eine multifunktionelle Beschichtung schützt in diesem Fall auch die Wärmeaustauschfläche

gegen Korrosionen und Feststoffablagerungen und steigert damit die Lebensdauer dieser

Anlagen.

xxxx Literatur zum Stand der Technik /1/ Firmenprospekt der Nanosol AG Balzers /Liechtenstein, 2004 121 DE 696 04 915 T2. Funktionalisierter Nanostrukturierter Film, 27.10.1999 /3/ DE 101 30 392 C2 . Gleitelemente, beispielsweise Schneegleitelemente, mit verbesserten Eigenschaften IAI Gröber/Erk/Grigull. Die Grundgesetze der Wärmeübertragung 3. Auflage Springerverlag Berlin Heidelberg New York 1981 (S. 303 - 308) /5/ M. Motornov, S. Minko, K. Grundke,, KJ. Eichhorn und M. Stamm Institut für Polymerforschung Dresden e.V. Regulation of surface wetting/dewetting with switchable mixed polymer brushes DPG Tagungen 2002 /6/ M. Kollera und U. Grigull. Über das Abspringen von Tropfen bei der Kondensation von Quecksilber, Wärme- und Stoffübertragung Bd.2 (1969) S. 31 - 35 III Jakob, M. und W. Linke. Der Wärmeübergang von einer waagerechten Platte an siedendes Wasser, Forsch. Ing.Wes. 4 (1933) S. 75 - 81 /8/ P. Stephan. Wärmedurchgang bei Verdampfung aus Kapillarrillen in Wärmerohren VDI-Fortschrittberichte, Reihe 19 Nr. 59 Düsseldorf, VDI- Verlag 1992 19/ F.D. Petke and B. R. Ray. Temperature dependence of contact angels of liquids on Polymerie solids. J. Colloid Interfaces Sei. 31, 216-227 (1969)