Verdampfung und Kondensation in Plattenwärmeübertragern mit funktionalisierten Oberflächen aus einem Femtosekundenlaserprozess

Plattenwärmeübertrager werden aufgrund ihrer kompakten Bauform und Kosteneffizienz in Kombination mit einer herausragenden thermohydraulischen Leistungsdichte nicht nur als einphasige Wärmeübertrager sondern auch als Verdampfer und Kondensatoren eingesetzt. Die ohnehin sehr effizienten Apparate könnten im Hinblick auf den zweiphasigen Wärmeübergang weiter verbessert werden, in dem die Oberfläche der Platten mittels Femtosekundenlaserpulsen funktionalisiert wird. Anwendungsbereich für solche hocheffiziente Apparate mit geringen Grädigkeiten ist beispielsweise die Nutzung von Temperaturunterschieden im Meerwasser aus unterschiedlichen Tiefen (Ocean Thermal Energy Conversion OTEC).

Die mittels Femtosekundenlaserpulsen möglichen Veränderungen der Oberfläche sind zum einen geometrischer Natur im Nano- und Mikrometerbereich, zum anderen chemischer Natur durch das mögliche Einlagern von Fremdatomen (beispielhafte Strukturen siehe Abbildung). Erwartet wird eine Effizienzsteigerung in der Wärmeübertragungsleistung dieser funktionalisierten Oberflächen. Ein wesentlicher Aspekt bei der Funktionalisierung von Oberflächen im Hinblick auf die Wärmeübertragung ist das Benetzungsverhalten. Wird durch den Laserprozess eine hydrophobe Oberfläche hergestellt, so ist bei der Verdampfung mit einer erhöhten Keimstellenanzahl und entsprechend erhöhtem Blasenaufkommen zu rechnen. Bei der Kondensation kann durch eine hydrophobe Oberfläche eine Misch- oder Tropfenkondensation forciert werden, die wesentlich höhere Wärmeübergangskoeffizienten aufweist. Der Einsatz von Lasern ermöglicht darüber hinaus eine flexible Änderung der lokalen Struktur, so dass örtlich begrenzte und örtlich variable Oberflächeneigenschaften entlang der Platte aufgebracht werden können. Die Fotografie rechts unten in Abbildung 1 illustriert die Möglichkeiten der lokalen Strukturdefinition, welche der Laserprozess bietet.

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist ein grundlegendes Verständnis der thermohydraulischen Wirkung von laserstrukturierten metallischen Oberflächen beim Sieden und Kondensieren sowie deren systematischer Herstellung zur Effizienzsteigerung von entsprechenden Plattenwärmeübertragern. Das Forschungsprojekt wird in Kooperation mit dem Forschungszentrum Energiespeichertechnologien (EST) der TU Clausthal durchgeführt, welches verantwortlich für die Strukturierung der Oberflächen und die Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Prozessparametern und strukturellen Eigenschaften ist. Am IfT findet anschließend eine systematische Untersuchung des Einflusses der Prozessparameter im Femtosekundenlaserprozess auf die thermischen und fluiddynamischen Eigenschaften laserstrukturierter Oberflächen statt. Zu diesem Zweck wird eine Vielzahl strukturierter Oberflächen hergestellt, messtechnisch untersucht und bewertet. Das methodische Vorgehen sieht eine schrittweise Verkleinerung des Pools an Proben auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse bei gleichzeitiger Erhöhung des messtechnischen Aufwands zur Charakterisierung vor. Schließlich ist eine umfangreiche Bewertung ausgewählter Strukturen in Plattenwärmeübertragern im Technikumsmaßstab geplant. Neben der Messung von quasi-lokalen Wärmeübergangskoeffizienten ist eine Erprobung der Temperaturschwingungsmethode (TOIRT) für zweiphasige Wärmeübertragungsprobleme vorgesehen. Die TOIRT-Methode erlaubt die berührungsfreie Messung von Wärmeübergangskoeffizienten bei Kanalströmungen durch Bestimmen des Phasenversatzes zwischen einem aufgeprägten oszillierenden Wärmestrom (Laser/Halogenstrahler) und der resultierenden Temperaturantwort auf der Außenseite des Kanals. Aus den Messdaten können sowohl hinsichtlich des Druckverlustes als auch in Bezug auf den Wärmeübergangskoeffizienten Korrelationen erstellt werden.