Condensation of steam on the surface of hard coated copper discs

Abstract

 At atmospheric pressure filmwise (FWC) and dropwise (DWC) condensation have been studied on the surface of copper discs which were coated by silicon-modified amorpheous hydrogenated carbon (a-C : H-Si) films of different thickness. On vertically oriented surfaces the DWC heat transfer coefficients were found to be larger by a factor of about 10 than the FWC coefficients which follow as function of surface subcooling temperature quite well Nusselt’s theory. Varying the angle of surface inclination, the DWC coefficient decreased down to about 40% of the vertical-surface values for 180° (face down orientation). The mean value for all inclination angles between 30° and 180° was calculated to be 87.6% of the maximum value for the 90°-orientation. Partly coating of the copper surface indicates a strong heat transfer enhancement of DWC over FWC even for relative small coated parts (e.g., 19%-coating yields an enhancement by a factor 2.3 for a cooling water flow rate of 4 m³/h). The diamond like properties of the a-C : H-coatings promise long stand times and thus application also in real technical condensation systems.

Zusammenfassung

 Die Film-(FK) und Tropfenkondensation (TK) von Wasserdampf bei Umgebungsdruck wurde unter-sucht. Dabei wurden mit Silicium modifizierte amorphe Kohlenwasserstoff-Schichten (a-C : H-Si) in unterschiedlichen Dicken auf Kupferscheiben eingesetzt. Mit der TK werden an vertikal orientierten Kondensatoroberflächen Wärmeüber-gangskoeffizienten erreicht, die um den Faktor 10 größer sind als bei FK, deren Wärmeübergangskoeffizienten als Funktion der Unterkühlung in sehr guter Übereinstimmung zur Nusseltschen Wasserhauttheorie ermittelt wurden. Bei einer Wandneigung von 180° (waagerechte Wand und hängende Tropfen) betragen die Wärmeübergangskoeffizienten bei TK nur 40% der Maximalwerte, die bei vertikaler Orientierung erreicht werden. Der Mittelwert über die Neigungswinkel von 30°–180° wird berechnet zu 87.6% der Maximalwerte bei der 90°- Orientierung. Die Nutzung von Teilbeschichtungen auf den Kupferscheiben zeigt eine starke Erhöhung der Wärme-übertragungsleistung bei TK im Vergleich zur FK selbst für relativ kleine Beschichtungsanteile (z. B. erreicht eine Teilbe-schichtung von nur 19% der Kondensatoroberfläche einen Vergrößerungsfaktor von 2,3 bei einem Kühlwasservolumen-strom von 4 m³/h). Die diamantähnlichen Eigenschaften der a-C : H-Schichten stellen hohe Standzeit und damit auch eine Möglichkeit zur Realisierung der TK in technischen Systemen in Aussicht.