122 Chemie lngenieur Technik (69) 1 + 2 I97 S. 122-125 0 VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-69469 Weinheim. 1997

0009-286W970102-0122 110.00+.25/0

gemessenen Druckverlustbeiwert uber zwei Umlenkseg- mente. Beide Ergebnisse werden jeweils rnit den Angaben des VDI-Warmeatlas verglichen. Die gemessene integrale NuBelt-Zahl stimmt im untersuchten Reynolds-Zahlenbe- reich sehr gut mit dem VDI-Warmeatlaswert uberein. Beim Druckverlust ergibt sich dagegen erst fur Werte von Re > 2000 eine gute aereinstimmung mit den Werten des VDI- Warmeatlas.

Zur Bestimmung der Stromungsverteilung im Mantelraum wurde der Druckverlust im Spalt sowohl zwi- schen Umlenkblech und Rohr als auch zwischen Umlenk- blech und Mantelumfang gemessen und nach der von K U K R A L und S T E P H A N vorgeschlagenen Methode [5] die ortli- chen Massenstrome berechnet. Abb. 7 zeigt die Verteilung der so berechneten ortlichen Massenstrome, wobei die Um- lenkbleche uber den Mantelumfang abgedichtet sind und nur die ortlichen Bypass-Stromungen zwischen Rohren und Umlenkblechen wirksam sind.

Eingegangen am 24. Juli 1996 [K 20871

Literatur KOTTKE. V.; BLENKE, H.; S C H M I D T , K . G . Warme-Stoffubertrag. 10 (1977) S. 9/21. KOTTKE, V.; B L E N K E , H . ; S C H M I D T , K . G . Warme-Stoffubertrag. 10 (1977) S. 89/105. S P A R R O W , E . M . ; PEREZ, J.A. J. Heat Transfer 107 (1985) S. 345/353. G S C H W I N D , P.; KOTTKE. V. Flow Visualization VII, Proc. 7th Int. Symp. Flow Visualization, Seattle (1995) S. 48/53. K U K R A L , R . ; S T E P H A N , K. Proc. 10th Int. Heat Transfer Conf., Brighton (1994) S. 393/398.

- Einsatz PTFE-ahnlicher Hartstoff- schichten bei der Tropfenkondensation von Wasserdampf"

G E R D K O C H U N D A L F R E D L E I P E R T Z * *

Die Tropfenkondensation (TK) ermoglicht sehr vie1 hohere Warmeiibergangskoeffizienten als die Filmkondensation (FK). Das Einsetzen der TK ist jedoch an die unvollstandige Benetzung der Festkorperoberflache durch das Kondensat gebunden. Die Mehrzahl der technisch genutzten Konden- satoren mit metallischen Wanden erfiillen diese Vorausset-

...... *

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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . Poster anladlich der GVC-Fachausschud- sitzung .Warme- und Stoffiibertragung", 06./08. Marz 1996 in Lahnstein.

Lehrstuhl fur Technische Thermodynamik (LTT), Friedrich-Alexander-Universitat Erlangen-Nurnberg, Am Weichselgarten 8. D-91058 Erlangen.

Prof. Dr.-Ing. A . L E I P E R T Z , Dip1.-Ing. G . K O C H .

zung nicht. h e r Schichten unvollstandiger Benetzbarkeit (Promoterschichten) konnen die fur die TK erforderlichen Benetzungsverhaltnisse jedoch eingestellt werden. Der- artige Promoter mussen einem umfangreichen Anforde- rungsprofil entsprechen, um eine stabile Wirkung zu gewahrleisten [l, 21. Zur Untersuchung der TK und der Promotenvirkung sind stabil wirksame Promoterschichten mit definierter Dicke und Warmeleitfahigkeit und spezielle Vorbereitungen der Oberflache notwendig.

Im folgenden werden Ergebnisse von warme- technischen Messungen bei der TK vorgestellt, bei der neuartige Promoterschichten verwendet wurden. Die Funk- tionstuchtigkeit von Versuchsanlage und MeBtechnik wurde durch Messungen mit FK und Vergleich mit der Theorie uberpriift [2, 31.

1 Promoterschicht Es wurde ein neuer Promotertyp fiir die TKuntersucht, des- sen Ausgangsbasis amorphe Kohlenwasserstoffschichten (a-CH) im pm-Dickenbereich, auch als Hartstoffschichten bekannt, sind rnit ausgezeichneten tribologischen Eigen- schaften [4, 51. Durch den gezielten Einbau ausgewahlter Elemente wie Fluor, Silicium oder auch Silicium rnit Sauer- stoff in die a-CH-Schichtmatrix la& sich die Benetzbarkeit reduzieren (grogere Randwinkel) 161. Trotz dieser Dotierung bleiben die gunstigen mechanisch-tribologischen Kennwer- te der reinen a-CH-Schicht nahezu erhalten.

Dabei wurden kreisfonnige Oberflachen aus Kup- fer, Aluminium, Messing und Stahl untersucht (0 = 60 mm, Rauhigkeitsgrad N2 nach ISO 1302). Es wurden unterschied- liche Promotertypen rnit Gleichgewichtsrandwinkeln von 65, 74 und 90" verwendet. Die Randwinkelhysterese (Diffe- renz der Randwinkel beimvorgang der Be- und Entnetzung) wurde fur alle Oberflachen uber Randwinkelmessungen an der geneigten Wand kurz vor dem Tropfenablauf auf ca. 25" ermittelt. Die Promoterdicke wurde uber Tastschnittmes- sungen bestimmt (Priifung dieser MeBtechnik uber Aufnah- men mit dem Rasterelektronenmikroskop). Die Warmeleit- fahigkeit der Promoter wurde rechnerisch aus Vergleichs- messungen bei der TK (gleicher Promotertyp in zwei unter- schiedlichen Dicken) und zur ijberpriifung in einem weite- ren Versuchsaufbau zu 0.2 W/(m K) ermittelt [2].

2 Vorbereitungen Die Kondensationsversuche wurden mit Wasserdampf bei Umgebungsdruck durchgefiihrt. Die Funktionstuchtigkeit der Anlage wurde uber Messungen bei FK (unbeschichtete Wandmaterialien) uberpriift. So konnte auch die erforderli- che Systemreinheit festgestellt werden (keine Anlagenin- haltsstoffe mit Promotenvirkung). Die rein laminare FK wurde an einer unbeschichteten Scheibe rnit 25 mm Durch- messer venvirklicht. Die Warmeubergangsmessungen stimmten sehr gut rnit der Nusseltschen Wasserhauttheorie uberein (modifiziert fur kreisrunde Oberflachen 171). Bei 60 mm Scheibendurchmesser wurde die FK bereits von Wel- lenerscheinungen auf der Filmoberflache begleitet. Hier wurden um ca. 24 % hohere Warmeubergangskoeffizienten

Chernie lngenieur Technik (69) 1 + 2 I97 I K o n d e n s a t i o n I 123

im Vergleich mit der reinen laminaren FK ermittelt. Diese intensivierende Wirkung durch Kondensatfilmwellen ist auch in der Literatur bekannt [8]. In allen FK-Messungen ergab sich der Warmeubergangskoeffizient envartungsge- ma6 als unabhangig von der Art des Wandmaterials.

3 Randwinkeleinflufi Abb. 1 zeigt die bei unterschiedlicher RandwinkelgroBe er- mittelten Warmeiibergangskoeffizienten iiber der Unter- kiihlung fur die senkrechte Wand aus Kupfer. Bei einer Un- terkuhlung von 5 K und einem Randwinkel von 90" ist der Warmeiibergangskoeffizient der TK 1 lmal, bei 74" 7mal und bei 65" 3,5mal hoher als der fur die FK gemessene War- meiibergangskoeffizient. Die unterschiedlichen Randwinkel ergeben sich fur unterschiedliche Promoterschichten [ 1, 21. Die mit hoherer Warmestromdichte zunehmende Konden- satmenge an der Kondensatonvand erzeugt einen zuneh- menden Warmeleitwiderstand, und rnit steigender Unter- kuhlung werden geringere Warmeiibergangskoeffizienten gemessen (analog zur laminaren FK mit zunehmender Film- dicke). Wenn auch viele andere Untersuchungen zur TK eine gleiche Tendenz zeigen [9- 111. existieren ebenfalls dazu widerspriichliche Ergebnisse rnit steigendem Warme- iibergangskoeffizienten bei steigender Unterkuhlung (s. z. B. [ 121). Unzureichend erfaRte Oberflachenzustande (Rand- winkel und Hysterese), mogliche Promoterinstabilitaten, In- ertgaswirkungen und ungleiche me& und versuchstechni- sche Bedingungen stehen dabei quantitativen Ergebnisver- gleichen entgegen.

Abbildung 1. Warrneubergangskoeffizienten uber der Unterkuhlung fur TK bei einern Gleichgewichtsrandwinkel von 90". 74" und 65'.

400

Basismaterial Kupfer

Randwinkel 90"

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Unterkiihlung AT[ KI Senkrechte, vollstandig beschichtete Kupferwan- de, Randwinkelhysterese 25". Werte der FK als Vergleichsbasis.

Wahrend in den Messungen bei einem Gleichge- wichtsrandwinkel von 90" eine sehr gut ausgebildete TK bis zu einer anlagentechnisch maximal erreichbaren Warme- stromdichte von 1,54 MW/m2 beobachtet wurde, setzte bei 74 und 65" bereits ab 1.03 MW/m2 bm. 0.7 MW/m2 die Bil- dung von Kondensatstrahnen auf der Oberflache ein. Ursa- che der leistungsmindernden Strahnenbildung ist der mit ca. 50 bm. 40" zu geringe Riickzugsrandwinkel. Das mit hoherer Massenstromdichte anfallende Kondensat kann nicht in Tropfen formiert gehalten werden, zumal Ablauf- vorgange und Zusammenschliisse von Tropfen rnit steigen- der Warmestromdichte immer schneller vonstatten gehen (hohere Warmestromdichte, kurzere Tropfenperioden, schnellere Kondensatbewegung) .

4 Variierte Wandneigung Wie Abb. 2 zeigt, sinkt der Warmeiibergangskoeffizient mit einer zur Senkrechten veranderten Orientierung. Bei vor- wartiger (hangende Tropfen) und riickwartige Wandnei- gung (liegende Tropfen) wird der Warmeubergangskoeffi- zient unterschiedlich stark beeinflufit.

Datenvergleiche fuhren nur in einzelnen Punk- ten, nicht aber durchgangig auf hereinstimmungen zu be- kannten Untersuchungen (s. Abb. 2). Nach Messungen von W E N 2 E L [ 131 sind die Warmeiibergangskoeffizienten im Nei- gungsbereich von 40 bis 150" nahezu unverandert, und die Ergebnisse weisen auf einen zu 90" symmetrischen Nei- gungseinflu8 hin. Aber die Werte von C I T A K O G L U und R O S E

[14] undvonTOWERund W E S T W A T E R [15] ergeben einanderes

Abbildung 2. Verhaltnis der Warrneubergangskoeff izienten uber dern Neigungswinkel p der Kondensatonvand bei TK rnit Literaturdaten zurn Vergleich (diese Arbeit: Randwinkel 90").

1,2 Die Verbindungsgerade der Legendensymbole kennzeichnet die

j Bandbreite der Verhaltniswerle irn Whxstromdichtebereich

a(P=9O0) I 1

0.6

* *

0,ZO und 0.29 MWIm'

* Citakoglu u. Rose 1141 0,40 - 1,50 MWIrn' I / ' 0 Tower u. Westwater [I51 0.33 - 0.63 MWlm*

0 Diese A h i t 0.30 ~ 1 .OO MWIm' v1 0.4 p -0

C

6 .- -

v Zi faceup face down E P I

Linienfit mil den Daten dieser Arbeit im Bereich 0"-90"

Linienfit mil den Daten dieser Arbeit im Bereich 90'-180'

0 0 30 60 90 120 150 180

a ["I Wandneigungswinkel

Chemie lngenieur Technik (69) 1 + 2 I 97

Bild. Wahrend bei der Mehrzahl der Daten von WE N 2 E L [13] bei kleinster Warmestromdichte die hoheren Verhaltniswer- te erreicht werden, ermittelt er bei 5" eine umgekehrte Da- tenlage. Das ist nicht verstandlich, ebenso das Ergebnis von C I T A K O G L U und R O S E [14], bei dem mit der zu 90" erhohten Wandneigung zunachst die Verhaltniswerte absinken und ab 130" aber wieder ansteigen. Hier liegt die Vermutung nahe, daR eine Ergebnisverfalschung uber veranderte Promoterwirkung oder andere, nicht direkt erkennbare Wirkungen vorliegt.

Die ijbertragbarkeit der an der senkrechten Kon- densatorwand gemessenen Warmeubergangskoeffizienten auf den Fall der TK an der AuBenflache waagerechter Rohre ist von groger anwendungsbezogener Bedeutung. Integriert man die Fitlinien der Abb. 2 uber den Wandneigungsbereich von 0 bis go", so ergibt sich fur den Warmeubergangskoeffi- zienten am waagerechten Rohr ein Wert von 87,6 % der Wer- te, die bei gleicher Warmestromdichte an der senkrechten Wand ermittelt wurden. Eine mefitechnische ijberpriifung dieser Abschatzung steht noch aus. Der Zahlenwert gleicht dem, der die Warmeiibergangskoeffizienten an der senk- rechten Platte und am waagerechten Rohr bei laminarer FK in Beziehung setzt (86,4%, [8]).

5 EinfluB des Basismaterials Abb. 3 zeigt bei einem Randwinkel von 90" das Verhaltnis der TK- Warmeubergangskoeffizienten fur die Basismaterialien Aluminium, Messing und Stahl im Vergleich zu den an Kup- fer gemessenen Werten, aufgetragen uber der Warmestrom- dichte [Z]. Die TK ist, ahnlich dem Vorgang des Blasensie- dens, ein lokal inhomogener Vorgang des oberflachenahen, temperaturausgleichenden Warmetransports zwischen Be- reichen lokal hoherer (kleinste Tropfchen) und niedrigerer Oberflachentemperatur (groBere Tropfen), der durch eine hohere Warmeleitfahigkeit des Basismaterials begunstigt wird. iiber Berechnungen mit Hilfe der Finite-Elemente- Methode konnte der MaterialeinfluB auf den Warmeuber- gangskoeffizienten bei TK plausibel erklart bm. qualitativ verifiziert werden [ 161. Bei gleicher Warmestromdichte wird am besser wiirmeleitenden Material eine hohere orts- und zeitgemittelte Oberflachentemperatur erreicht, was zu hoheren Warmeubergangskoeffizienten fuhrt. Der

Abbildung 3. Verhaltnis der Warmeubergangskoeffizienten uber der Warmestromdichte bei TK an unterschiedlichen Wand- materialien (Randwinkel 90". senkrechte Kondensatorwand).

BAlurninium/Kupfer [238.5/396] W/(rn*K)

a .kStahUKupfer [24,2/396] W/(m'K)

bestimmende Parameter ist die Warmeleitfahigkeit. Fur die untersuchten Materialien ist die Reaktionszeit der Korper auf Temperaturanderungen auf der Oberflache deutlich schneller (= 0.05 s, [Z]) als die einsetzenden Temperaturan- derungen wahrend den Tropfenperioden (0,3 s [17] bis ca. 20s [18]).

Zu friiheren Untersuchungsergebnissen, die un- tereinander stark abweichen, wurde keine gute ijberein- stimmung gefunden, wie detaillierte Datenvergleiche zeig- ten [16]. Zur Qualifikation von Vergleichsdaten fehlen je- doch oft die wichtigen Angaben zur RandwinkelgroBe oderhnd -hysterese.

6 Ergebnisse bei teilbeschichteten Oberflachen

Fur die technische Nutzbarkeit ist oftmals von Bedeutung, wie grolS, bei moglicher Verletzung der Oberflachenschicht und der damit einsetzenden Beeintrachtigungen der Stand- festigkeit der TK, die dann noch erzielbaren Warmeuber- gangsdaten sind. Zur Beanhvortung dieser Frage wurden er- ste Untersuchungen an teilbeschichteten Oberflachen durchgefihrt. Die Versuchsergebnisse mit teilbeschichteten Oberflachen (19,36 und 53 % der Oberflache mit TK) besta- tigen, daB bereits geringe Flachenbereiche mit TK innerhalb eines Kondensatfilms zum Erreichen bedeutender Lei- stungsverbesserungen im Vergleich zur vollstandigen FK genutzt werden konnen. Abb. 4 zeigt die Fotografie des Kon- densationsvorganges bei einer nur mit 19 % teilbeschichte- ten Kondensatoroberflache. In einem Bildbereich zeigt sich FK. Der Film vermag es nicht, in die unvollstandig be- netzbaren TK-Bereiche uberzutreten.

Abbildung 4. Erscheinungsbild der uber Teilbeschichtung definiert erzwungenen Kondensationsform benachbarter TK und FK (Randwinkel 90". Basismaterial Kupfer).

Chemie lngenieur Technik (69) 5 125-130 C VCH Verlagrgerellschaft mbH, D-69469 Weinheim, 1997 0009-286X/970102-0125 $10 00+ 25/0

1+2 I97 I A d s o r b e r I 125

Die Leistung an den teilbeschichteten Oberfla- chen ist nicht proportional zum Verhaltnis der Flachenbe- reiche von TKund FK. Im Bereich des Kondensatfilms ergibt sich aufgrund des vergleichsweise groden Warmewiderstan- des die niedrigste Oberflachentemperatur (Warmesenken im Umfeld der TK). h e r Ausgleichsvorgange auf der Kon- densatoroberflache (Quenvarmeleitung) wird in den TK- Zonen eine grogere Unterkuhlung erreicht als bei gleichem Anlagenbetriebspunkt bei vollkommener Beschichtung. So wird bei gut warmeleitenden Wandmaterialien durch gleich- verteilte TK-Zonen bereits eine zu FK deutlich gesteigerte Leistungsfahigkeit erreicht. Bei TK auf 19 % der Kondensa- toroberflache (81 % FK) wurden integral Warmestrome ge- messen, die ca. 80 % der vollflachigen TK betrugen [Z, 31.

7 SchluBbetrachtung und Ausblick Mit der Nutzung von teils modifzierten Hartstoffschichten konnten reproduzierbare Warmeubergangsmessungen f i r die TK von Wasserdampf unter Umgebungsdruck durchge- fuhrt werden. Es zeigt sich, dad der Warmeubergangskoef- fizient bei annahernd gleicher Randwinkelhysterese mit groRerem Gleichgewichtsrandwinkel steigt. Mit groderem Randwinkel bleibt eine vollkommene TK auch bei hoheren Warmestromdichten erhalten, wahrend sich bei kleineren Randwinkeln Strahnenbildung einstellt. Versuche mit Teil- beschichtungen zeigen, daB bereits iiber relativ kleinflachi- ge Teilbeschichtungen sehr deutliche Steigerungen im Ver- gleich zur FK moglich werden.

Heute fehlt es noch an einer einheitlichen Dar- stellung zum Warmeubergang bei TK. Fur eine Modellie- rung leistet die nichtlineare Dynamik scheinbar aussichts- reiche Ansatze. Mit der fiir den Einsatzfall nachgewiesenen Promoterstabilitat, einer aufskalierten Schichttechnologie und der numerischen Beschreibung des Warmeubergangs bei TK ware ihr Praxiseinsatz mit vielversprechenden Per- spektiven vorbereitet. Die Nutzung der modifizierten a-CH- Schichten zur Minderung von Ablagerungen ist ein weiterer moglicher Einsatzbereich derartiger Schichtsysteme, was derzeit jedoch noch nicht genugend uberpriift ist.

DieAutorendankenProf H . D I M I G E N , D r . M . G R I S C H K E undDr. K . T R O J A N vom Fraunhofer-Institutfr Schicht- und OberJa- chentechnik, Braunschweig, f r eine erfolgreiche Zusammen- arbeit und die Bereitstellung der untersuchten Schichtsysteme.

Eingegangen am 31. Juli 1996 [K 20951

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K A R E L C I A H O T N Y , S T E F A N M O Z E R , R U D O L F S T E I N E R U N D

K L A U S W E C K E R *

Als Zeolithe bezeichnet man Alumosilikate mit einer poren- bildenden Kristallstruktur. Deren Zusammensetzung ladt sich folgendermaden beschreiben:

Mx,,[(~0,).(si0,),1 ' 4 H,O

mit M den Metallen Na, K, Li, Ca, Mg, Ba, Sr, n der Kationen- ladung, q / x zwischen 1 und 4, y l x zwischen 1 und 6 (fur na- tiirliche Zeolithe) . Die ersten natiirlichen Zeolithe wurden vor mehr als 200 Jahren entdeckt. Die Vorrate dieser Natur- stoffe werden weltweit auf 3 . 1O1O t geschatzt [ 11. In Europa

* Dr.-Ing. K . CIAHOTNY, Lehrstuhl fur Gas, Koks und Luftreinhaltung, Technische Universitat fur Chemie Prag, Technicka 5, (32-16628 Praha 6, Tschechische Republik, Dip1.-Ing.

K . W E C K E R , Institut fur Technische Chemie, Friedrich-Alexander-Universitat Erlangen- Nurnberg, EgerlandstraRe 3, D-91058 Erlangen.

5. MOZER, Prof. Dr.-Ing. R . S T E I N E R , Dip1.-Ing.