Grenzflächeneffekte bei der kristallinen Belagbildung auf wärmeübertragenden Flächen

Die vorliegende Arbeit verfolgt die Betrachtung von Grenzflächeneffekten bei der kristallinen Belagbildung auf wärmeübertragenden Flächen. In Versuchen mit einer CaSO4-Lösung wurde der Einfluss von Oberflächenmodifikation, Konzentration, Strömungsgeschwindigkeit und Temperatur untersucht. Zur Verwendung kamen drei unabhängige Versuchsapparaturen: eine batchbetriebene Laborversuchsanlage, ein Rechteckspalt-Strömungskanal und ein Doppelrohrwärmeübertrager. In Letzteren wurde die Fluidströmung insgesamt in einem Bereich von 3000 = Re = 27.000 variiert. Der Einfluss der Strömung in den Laborversuchen war vernachlässigbar. Beim Kristallisationsfouling können drei Phasen unterschieden werden: Induktions-, Übergangs- und Schichtwachstumsphase. Durch Verwendung diamantartiger Kohlenstoff- beschichtungen (DLC) sowie strukturierter und elektropolierter Oberflächen konnte eine eindeutige Beeinflussung der energetischen wie auch topographischen Wechselwirkungen quantifiziert werden. Als Referenz dienten unbehandelte Edelstahlproben. Unter Einfluss der Fluidströmung erwies sich die Foulingminderung beschichteter Oberflächen gegenüber Edelstahl deutlich verbessert. Auf strukturierten Probenplatten war der Unterschied im Kristallisationsverhalten allein durch die energetischen Wechselwirkungen der einzelnen Oberflächenmodifikation bestimmbar. Schwerpunkte dieser Arbeit bildeten Untersuchungen in einem Doppelrohrwärmeübertrager. Sie erlaubten die Erfassung des Foulingverhaltens sowohl über die integrale Wärmebilanz, als auch über den Druckverlust. In differenzierten Versuchen wurde über Temperaturmessstellen in der Rohrwand das lokale Fouling bestimmt. Variationen der Lösungskonzentration führten bei steigender Übersättigung zu abnehmender Beeinflussung der Oberflächenbeschaffenheit. Durch die fluidische Beheizung stellte sich ein Temperaturgradient entlang des Wärmeübertragers ein. Mit steigender Wandtemperatur war eine Abnahme der Induktionszeit ersichtlich. Unter Verwendung von Berechnungsmethoden für die Beschreibung der Wärmeübertragung rauer Oberflächen wurde ein Ansatz vorgeschlagen, der die Wärmeübergangsänderung beim Kristallisationsfouling berücksichtigt. Negative Foulingwiderstände können somit korrigiert und vermieden werden. Innerhalb der Schichtwachstumsphase bleibt der Rauheitseinfluss der Kristalle erhalten. Zudem kommt es zum Aufwachsen einer kompakten Belagschicht. Die aus der Querschnittsverengung resultierende Fluidbeschleunigung ist als ein weiterer Effekt auf die Wärmeübertragung über standardisierte Berechnungsvorschriften erfasst und berücksichtigt worden. Zusammen mit den Rauheitsanteilen erfolgte eine Erweiterung des vorgeschlagenen Modellansatzes. Ein Vergleich der sich ergebenden Belagschicht zeigte eine gute Übereinstimmung mit experimentell bestimmten Schichtdicken. Auf Basis lokal bestimmter Foulingwiderstände ist eine Kalkulation der Belagverteilung für den verwendeten Doppelrohrwärmeübertrager erstellt worden. Die Kenntnis dieser Verteilung ergab eine Abschätzung lokaler Foulingschichtdicken.