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Superhierarchische MOF-Schichten zur Tropfenkondensation


Kurzfassung

Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung einer omniphoben Oberflächenbeschichtung auf Bauteilen, die Oberflächenbeschichtung als solche sowie deren Verwendung in Wärmeübertragern.


Hintergrund

Wärmeübertrager werden zur Kondensation von Dämpfen und Dampfgemischen eingesetzt, wobei sich ein Wärmeübergang eines kondensierenden Fluides an den Wärmeübertragerflächen deutlich verbessern lässt, wenn im Gegensatz zur üblichen Filmkondensation eine Kondensation in Tropfenform erreicht erreicht werden kann. Neben den chemischen Eigenschaften der Kondensationsoberfläche wird das Benetzungs- und Kondensationsverhalten durch die Oberflächenmorphologie beeinflusst. Begünstigt wird eine für die Tropfenkondensation erforderliche Tropfenbildung durch eine Oberflächenmodifikation, die vorzugsweise zu einer omniphoben Oberfläche führt.

 

 


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Problemstellung

Bei Fluiden aus der Gruppe der Kälte- und Lösemittel besteht das Problem, dass diese Fluide eine gegenüber Wasser vergleichsweise geringere Oberflächenspannung aufweisen, was die Realisierung der Tropfenkondensation mit diesen Fluiden erschwert. Anstelle von hydrophoben Oberflächen bedarf es für die Tropfenkondensation von Kälte- und Lösemitteln omniphober Oberflächen, die gegenüber einer Vielzahl an polaren und unpolaren Flüssigkeiten eine geringe Benetzbarkeit aufweisen. Aus der Literatur ist bekannt, dass sich glatte omniphobe Oberflächen durch Beschichten mit vollfluorierten Systemen sehr niedriger Oberflächenenergie erzeugen lassen. Derartige Beschichtungen sind jedoch aufgrund ihrer geringen mechanischen Stabilität für zahlreiche technische Anwendungen nicht geeignet.


Lösung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches Verfahren zur Herstellung stabiler, omniphober
Oberflächenbeschichtungen bereitzustellen, die u.a. eine effiziente Tropfenkondensation von
organischen und/oder wasserfreien Fluiden mit einer niedrigen Oberflächenspannung
ermöglichen.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Beschichtung von Bauteilen mit einer
omniphoben Oberflächenbeschichtung, enthaltend mindestens eine metallorganische
Gerüstverbindung und ein Imprägniermittel, mit den Schritten

  • Elektrochemische Abscheidung der metallorganischen Gerüstverbindung auf dem Bauteil mittels Elektrolyse, aus einer Elektrolytlösung, enthaltend mindestens ein Metallion, mindestens eine Linkerverbindung und ein Lösungsmittel,
  • Aufbringen eines Imprägniermittels auf die metallorganische Gerüstverbindung, wobei das Metallion

              i) als Metallionensalz in der Elektrolytlösung gelöst ist

              und/oder

               ii) durch elektrolytische Oxidation oder Reduktion eines in Bauteil und/oder
               Elektrode enthaltenen Metallionenvorläufers an der Grenzfläche zwischen
               Bauteil und Elektrolytlösung generiert wird und/oder in der Elektrolytlösung
               bereitgestellt wird

und wobei das Bauteil

a) gleichzeitig Elektrode ist


oder


b) in ein elektrisches Feld zwischen mindestens zwei Elektroden eingebracht wird,
wobei die Linkerverbindung eine organische, mindestens einzähnige Verbindung ist,

wobei das Imprägniermittel eine geringe Oberflächenspannung von <30 mN/m aufweist.

Die Herstellung der omniphoben Oberflächenbeschichtung auf dem Bauteil erfolgt erfindungsgemäß durch elektrochemische Abscheidung einer Schicht aus mindestens einer metallorganischen (Gerüst)Verbindung und anschließendes Aufbringen eines Imprägniermittels.


Vorteile

Steigerung der Effizienz von Wärmeübertragern und Apparaten

  • kompaktere Bauformen möglich
  • keine Vor- oder Nachbehandlung des Bauteils nötig
  • keine aufwändige Nanostrukturierung der Bauteiloberflächen nötig
  • Beschichtungsverfahren erlaubt beliebige Bauteilgeometrien
  • industrielle Skalierbarkeit gegeben

Anwendungsbereiche

Potentielle Anwendungsgebiete für die Tropfenkondensation organischer und nicht-wässriger
Systeme sind beispielsweise

  • Prozesse zur Lösungsmittelrückgewinnung
  • geschlossene Kreisprozesse in Wärmepumpen, Kältemaschinen und Organic Rankine Cycle- Anlagen

Der durch Tropfenkondensation gesteigerte Wärmeübergang macht diesen Mechanismus
für eine Vielzahl technischer Prozesse wirtschaftlich äußerst interessant. Genannt
seien hier beispielsweise

  • Kondensatoren in ORC-Anlagen zur Stromerzeugung aus Abwärme
  • stationärer und mobiler Einsatz von Wärmepumpen und Kältemaschinen
  • Rohrbündel- und Plattenwärmeübertrager

TU Dresden, SG Transfer

Eva Wricke
(+49) 351 463-34453
eva.wricke@tu-dresden.de

Adresse
Technische Universität Dresden Dezernat Forschungsförderung und Transfer Sachgebiet Transfer
01062 Dresden



Entwicklungsstand

Labormuster


Patentsituation

  • DE 10 2017 211 592.0 anhängig
  • DE anhängig

Stichworte

Tropfenkondensation, drop condensation, heat exchanger, Wärmetauscher

Kontakt | Geschäftsstelle

TechnologieAllianz e. V.
Christiane Bach-Kaienburg
(Geschäftsstellenleiterin)

c/o PROvendis GmbH
Schloßstr. 11-15
D-45468 Mülheim an der Ruhr