Gezielte Einstellung von Tropfenkondensation an durch Ionenimplantation modifizierten metallischen Oberflächen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Übergeordnetes Ziel des Projektes war die Entwicklung und experimentelle Verifizierung eines Modells zur Vorhersage von geeigneten Ionenimplantationsparametern zur zuverlässigen Einstellung der hinsichtlich des Wärmeübergangs äußerst vorteilhaften Tropfenkondensation an metallischen Werkstoffen. Hierbei sind sowohl die Eigenschaften des metallischen Basismaterials als auch die des Arbeitsfluids zu berücksichtigen. Im Rahmen des Projektes konnte erstmals auf fundierter experimenteller Basis gezeigt werden, welche Effekte der Ionenimplantation zur Einstellung von Tropfenkondensation von Wasserdampf an Metallen führen. Andere aus technischer Sicht interessante Arbeitsfluide – wie z.B. Kältemittel – erwiesen sich aufgrund ihrer zu geringen Oberflächenspannung als ungeeignet für diese Kondensationsform. Die bislang verfügbaren, auf einer Reduzierung der Oberflächenenergie basierenden Erklärungsansätze für das Auftreten von Tropfenkondensation an ionenimplantierten Metalloberflächen konnten im Rahmen der experimentellen Untersuchungen widerlegt werden. Dagegen wurden deutliche Hinweise gefunden, dass die Bildung einer chemisch inhomogenen und nanostrukturierten Oberfläche von primärer Bedeutung ist. Diese entsteht durch Ausscheidungsreaktionen, die durch die Übersättigung des Basismaterials mit den implantierten Dotierelementen induziert werden. Zu einer ähnlichen und ebenfalls Tropfenkondensation zeigenden Oberfläche könnten auch spontan ablaufende Oxidationsprozesse an hochlegierten Metallen wie Edelstahl führen. Wärmetechnische Untersuchungen mit Wasserdampf an Titanplatten zeigten, dass die gewählten Ionenimplantationsparameter keinen Einfluss auf die gemessenen kondensationsseitigen Wärmeübergangskoeffizienten haben, solange sie die Einstellung von Tropfenkondensation sicherstellen. Ebenso hat die Oberflächenmodifikation durch Ionenimplantation keinen Einfluss auf den Wärmeübergang bei Filmkondensation. Für den Ablauf des Kondensationsmechanismus an Oberflächen mit der beschriebenen Charakteristik wurde eine Modellvorstellung vorgeschlagen, die auf experimentellen Beobachtungen beruht und viele bislang nicht zu erklärende Phänomene bei Kondensationsprozessen begründen kann. Das Modell basiert auf einer Kondensationskeimbildung an den geometrisch erhöhten Ausscheidungen. Die durch Kondensation anwachsenden Primärtröpfchen vereinigen sich dann mit benachbarten Tröpfchen unter Bildung von Dampfeinschlüssen in den Senken zwischen den Ausscheidungen. Unter Kondensationsbedingungen ergibt sich aus diesem Übergangszustand vor dem Kollabieren der Dampfeinschlüsse ähnlich dem Lotuseffekte eine deutliche Reduzierung der Benetzbarkeit, die mit Hilfe von Kontaktwinkelmessungen nicht erschlossen werden kann. Trotz des weitreichenden Erkenntnisgewinns über die Ursache der Einstellung von Tropfenkondensation von Wasserdampf an ionenimplantierten Metalloberflächen konnte im Rahmen des Projektes das angestrebte Vorhersagemodell hinsichtlich geeigneter Implantationsparameter nicht realisiert werden. Hierzu erwies sich insbesondere die Querbeeinflussung der Vielzahl an Randbedingungen bei der Ionenimplantation und der ursprünglichen Metalleigenschaften als zu komplex. Das erschlossene Wissen über die Charakteristik von Tropfenkondensation ermöglichenden Oberflächenstrukturen bietet jedoch einen Ansatzpunkt für die Entwicklung von weiteren zielführenden Modifikationstechniken neben der Ionenimplantation.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Dropwise condensation heat transfer on ion implanted aluminum surfaces. International Journal of Heat and Mass Transfer 51, 1061-1070 (2008)
Michael H. Rausch, Andreas P. Fröba, Alfred Leipertz
- On the origin of dropwise condensation of steam on ion implanted metallic surfaces. Proc. 20th International Symposium on Transport Phenomena (Victoria BC, Kanada 2009)
Michael H. Rausch, Alfred Leipertz, Andreas P. Fröba
- Dropwise condensation of steam on ion implanted titanium surfaces. International Journal of Heat and Mass Transfer 53, 423-430 (2010)
Michael H. Rausch, Alfred Leipertz, Andreas P. Fröba
- Experimental study on the origin of dropwise condensation of steam on ion implanted metallic surfaces. Proc. 14th International Heat Transfer Conference (Washington D.C., USA 2010), Paper IHTC14-22147
Michael H. Rausch, Alfred Leipertz, Andreas P. Fröba
- Mechanism of dropwise condensation on ion implanted metallic surfaces. Proc. 14th International Heat Transfer Conference (Washington D.C., USA 2010), Paper IHTC14-22149
Michael H. Rausch, Alfred Leipertz, Andreas P. Fröba
- On the characteristics of ion implanted metallic surfaces inducing dropwise condensation of steam. Langmuir 26, 5971-5975 (2010)
Michael H. Rausch, Alfred Leipertz, Andreas P. Fröba
- On the mechanism of dropwise condensation of steam on ion implanted metallic surfaces. Transactions of the ASME - Journal of Heat Transfer 132, Paper 094503 (2010)
Michael H. Rausch, Alfred Leipertz, Andreas P. Fröba
- Untersuchungen zur Ursache der Tropfenkondensation von Wasserdampf an ionenimplantierten Metalloberflächen. Chemie Ingenieur Technik 83, 545-551 (2011)
Michael H. Rausch, Karsten Durst, Mathias Göken, Peter-Jürgen Jakobs, Alfred Leipertz, Andreas P. Fröba
