Strukturierte Verdampfer

Motivation und Service

© Fraunhofer IFAM Dresden

Links: Blasensieden von Wasser an einer strukturierten Verdampferoberfläche (Probekörper mit Aluminiumschaumstruktur siehe rechts) im Atmosphärendruck-Verdampferversuchsstand

Die Optimierung des Wärmeüberganges beim Verdampfen einer Flüssigkeit hat technologisch eine enorme Bedeutung, da Verdampfer als Wärmeübertrager weit verbreitet sind: bei der Erzeugung von Prozessdampf, in Kältemaschinen und Wärmepumpen und bei der Bauteilkühlung bzw. -temperierung.

Die flächenbezogene Verdampferleistung hängt bei vorgegebener Temperaturdifferenz nur vom Wärmeübergangskoeffizienten a ab, dieser lässt sich durch eine Strukturierung der Verdampferoberfläche enorm steigern. Anforderungen an die Strukturen sind

• eine hohe volumenbezogene Oberfläche und ein gutes Wärmeleitvermögen der Struktur sowie
• eine hohe Anzahl an Blasenkeimstellen und eine ausreichende Porosität für den Blasenabtransport.

Pulvermetallurgisch hergestellte Strukturen – eventuell mit zusätzlichen Beschichtungen – sind für diese Anwendung optimal geeignet.

Wir bieten Ihnen Service aus einer Hand:

• experimentelle Untersuchung unterschiedlicher Verdampferstrukturen unter definierten Bedingungen,
• direkte Strukturoptimierung anhand der Ergebnisse mit werkstoff- und fertigungstechnischem IFAM-Knowhow.

Werkstoffe und Fertigungsverfahren

Probekörper mit Metallfaser- oder Metallschaumstrukturierung
© Fraunhofer IFAM Dresden

Probekörper mit Metallfaser- oder Metallschaumstrukturierung für die experimentelle Untersuchung des Blasensiedens; kleines Bild rechts: exemplarische Siebdruckstrukturen, die prinzipiell ebenfalls für Verdampferoberflächen geeignet sind

Zur Strukturierung von Verdampferoberflächen eignen sich geometrisch unregelmäßige Strukturen ebenso wie regelmäßige. Materialkompetenzen am Fraunhofer IFAM Dresden liegen im Bereich

• der Metallpulverbeschichtung von Oberflächen,
• des Aufbringens von Metallfaser-, Metallschaum- und Metalldrahtstrukturen (offenzellige Metalle) und
• der Strukturierung von Verdampferoberflächen mittels metallischem 3D-Siebdruck oder Elektronenstrahlschmelzen.

Insbesondere der metallische 3D-Siebdruck erlaubt die Fertigung filigranster Strukturen auf ebenen Flächen.

Unabhängig von der Art der Strukturierung einer Verdampferoberfläche muss die Wärmeübergangscharakteristik aufgrund der Komplexität der physikalischen Vorgänge im Experiment untersucht werden. Dazu werden Probekörper

• mit ebener Verdampferoberfläche wie im Bild oder
• mit zylindrischer Oberfläche (Äquivalenz zum Behältersieden am Rohraußenmantel, überflutete Rohrbündelverdampfer)

hergestellt und wärmetechnisch untersucht.    

Versuchsanlagen

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Probekörper mit Metallfaser- oder Metallschaumstrukturierung für die experimentelle Untersuchung des Blasensiedens; kleines Bild rechts: exemplarische Siebdruckstrukturen, die prinzipiell ebenfalls für Verdampferoberflächen geeignet sind

Im wärmetechnischen Labor des Fraunhofer IFAM Dresden sind zwei Verdampfer-Versuchsanlagen verfügbar

• eine Atmosphärendruckanlage als offenes System mit Wasser als Fluid zur Untersuchung ebener Proben und
• eine flexibel einsetzbare Verdampfer-Versuchsanlage als geschlossenes System (siehe Bild)

-       für Drücke vom Grobvakuum bis 10 bar,
-       für im Labor handhabbare Kältemittel mit passenden Siedetemperaturen und
-       für ebene und zylindrische Probengeometrien.

Die Proben werden in dem auf Siedetemperatur vorgewärmten Kältemittel platziert und elektrisch beheizt, verdampfendes Fluid wird kondensiert. Aus der flächenbezogenen Heizleistung sowie den gemessenen Wand- und Fluidtemperaturen können die Wärmeübergangskoeffizienten bestimmt werden.

Aus den Messungen lässt sich leicht erkennen, welchen Einfluss einzelne Strukturparameter auf die erreichbaren Wärmeübergangskoeffizienten unter praxisnahen Bedingungen haben. Dies ist die Grundlage für die schrittweise Optimierung der Verdampferstrukturen.