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Verbesserte Kondensation an hierarchisch strukturierten Oberflächen

Fachliche Zuordnung Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
Experimentelle Physik der kondensierten Materie
Förderung Förderung von 2020 bis 2024
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 441180250
 
Erstellungsjahr 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Projekt wurden mikrostrukturierte Steg-/Grabensysteme aus Silizium, die durch Nanostrukturierung zu hierarchischen Strukturen ausgebaut wurden, auf ihre Effizienz bei der Kondensation untersucht. Durch die Wahl kleiner Steg-/Grabenbreiten konnte die Kondensatmasse auf der Oberfläche reduziert und somit ihr thermischer Widerstand klein gehalten werden. Für die Charakterisierung des Kondensatverhaltens wurden zwei Experimente aufgebaut: zum einen wurde in der AG EO das von den Proben abtropfende Kondensat mit einer Präzisionswaage in einem Klimaschrank über lange Zeiträume gemessen und simultan die Kondensation auf der Oberfläche mittels zweier Kamerasysteme makros- wie mikroskopisch untersucht. Zum anderen wurde ein Prüfstand entwickelt, um sehr präzise den thermischen Übergangskoeffizienten zu bestimmen (AG HJB). Von der Erwartung des Antrags, dass Kondensattropfen im Graben wachsen und aus diesen herauswachsen, um auf den Stegen nahezu hysteresefrei abzulaufen, musste i.W. Abstand genommen werden. Es traten zwei Phänomene bei Siliziumproben auf: Zum einen bildeten sich seltener große Tropfen auf der Oberfläche durch fortgesetzte Koaleszenz kleiner Tropfen und diese glitten schließlich gravitativ ab. Zum anderen aber wurden Tropfen von den Stegoberflächen in die Gräben abgesaugt und abtransportiert. Dabei bedarf es einer Initialisierungsphase, in der die Gräben erst gefüllt wurden. Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera konnte das Absaugen wie auch der Transport in den Gräben beobachtet werden. Als Triebkraft wirkt der Gradient des Laplace-Drucks zwischen den kleinen Tropfen auf der Stegoberfläche die durch Koaleszenz in den Graben gesaugt werden und größeren Tropfen im Graben oder am Rand der Probe. Aus den mikroskopischen Aufnahmen konnte mit dem Hough-Circle-Transformation Algorithmus die Tropfenverteilung und damit die Summenhäufigkeitsverteilung für jedes Bild berechnet werden. Damit wurde die zeitliche Kondensatmasse auf der Oberfläche bestimmt, die ein periodisches Verhalten mit abnehmender Oszillationsamplitude zeigte. Dieses Verhalten wurde durch eine statistisch auftretende Abnahme der Kondensatmenge unterbrochen, die durch Abgleitprozesse großer Tropfen ausgelöst wurden. Die Oszillation selber wurde als Drainageprozess von Kondensattropfen von den Stegen in die Gräben interpretiert. Diese Art von Grabenstrukturen verschiedener Dimensionen wurden in der AG HJB als Master-Stempel für das Hot-Embossing bereitgestellt, um entsprechende Strukturen in Oberflächen von speziellen Kunststoffen einprägen und später in Kondensationsexperimenten untersuchen zu können. Die Experimente der AG HJB zielten darauf ab, das Kondensationsverhalten und die Wärmeübertragungseigenschaften von Edelstahl (SS), Graphitkomposit (GC) und superhydrophobem Graphitkomposit (SHGC) zu untersuchen. Zur Herstellung der SHGC-Oberfläche wurde ein Heißprägeprozess entwickelt unter Nutzung von mikrostrukturierten Siliziumstrukturen als Matrize. Ergänzend wurde eine hierarchische Struktur aus Mikro- und Nanostrukturen durch eine Metalloxid-Nanostruktur (MONSTR) geschaffen (Kontaktwinkel >170°, Kontaktwinkelhysterese <5°). Die Experimente zur Kondensationswärmeübertragung wurden bei relativen Luftfeuchten (RLF) von 60%, 80% und 100% durchgeführt. Dabei zeigte SS bei niedriger RLF bessere Ergebnisse mit einer Wärmestromdichte von 541 W/m² bei 60% RLF. Mit steigender RLF übertrafen jedoch GC und SHGC die Leistung von SS deutlich. Bei 100% RLF erreichte GC die höchste Wärmestromdichte von 1.320 W/m², was 36,2% über SS liegt. SHGC erreichte 1210 W/m², blieb jedoch unter der Performance von GC. Dies wird auf den Wenzel-Pinning- Effekt und thermische Widerstände durch die MONSTR und die Laurinsäurebeschichtung zurückgeführt. Zusätzliche Experimente zum Kondensatmassenstrom bestätigten die Wärmeübertragungsmessungen. Bei niedrigen Wassergehalten der Luft zeigte SS die höchste Kondensatmasse, während bei maximaler Wasserbeladung GC die besten Ergebnisse erzielte. Ein beobachtetes Problem war die Tropfenadhäsion am Rand der Verbundwerkstoffe, die die Performance negativ beeinflusste. Diese Ergebnisse unterstreichen das Potenzial von GC und SHGC zur Optimierung der Kondensationswärmeübertragung und zeigen die Notwendigkeit weiterer Forschungsarbeiten zur Verbesserung der Oberflächenstrukturen und Beschichtungen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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