Grenzflächeneffekte bei der kristallinen Belagbildung auf wärmeübertragenden Flächen

Autor(en): Albert, Florian TU Braunschweig, 27. Oktober 2010 Seiten: 154 Auflage: 1 Aufl. Band: 7 Sprache: DE ISBN-10: 3869555270 ISBN-13: 9783869555270 Zugeordnete Fachbereiche: Maschinenbau-und Verfahrenstechnik Kategorie: Dissertation Bezugsmöglichkeiten Print Version 24,00 € 22,80 € In den Warenkorb eBook (3331.6 kB) 24,00 € In den Warenkorb

Kurzbeschreibung

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.

Description

This work presents results of crystalline precipitation on heat transfer surfaces. Fouling experiments with an aqueous calcium sulphate solution were investigated to explore the
influence of surface modification, solute concentration, flow velocity and surface temperature. Three separate test facilities were used: a batch crystallization unit (lab scale), a rectangular
flow channel and a double pipe heat exchanger. The velocity influence in the temperature controlled vessel of the batch unit can be neglected. Fouling experiments in the flow channel
and in the double pipe heat exchanger were carried out at Reynolds numbers ranging from 3000 to 27.000.

For crystallization fouling typically three phases can be identified, namely the induction, roughness controlled and crystal growth periods. In the induction period the mechanism of
fouling starts with nucleation on the heat transfer surface caused by local supersaturation. The length of this period depends among other parameters on the energetic characteristics and
topography of the heat transfer surface and on the salt concentration. The surfaces studied were uncoated stainless steel, DLC (diamond-like carbon), modified DLC and electro-
polished surfaces. All fouling experiments showed that the induction time of the modified surfaces were consistently longer than those of the untreated stainless steel reference.
Furthermore, on structured surfaces a correlation of the energetic interactions was found. Fouling experiments with different surface modifications in a double pipe heat exchanger
were conducted under constant process conditions. Fouling resistances were monitored by the pressure drop and the integral heat balance. In selected tests, fouling resistances were
measured thermally at different positions along the tube wall. Induction times decreased with increasing surface temperature. With increasing bulk solute concentration, the influence of the
surface characteristics was found to be moderate.

During the initial stages of fouling it is not uncommon to obtain negative fouling resistances caused by the scale roughness or reduction of flow area. Effects of surface roughness on heat
transfer in ducts are well established. They are quantified by the relation for heat transfer and friction characteristics of smooth and rough ducts in many empirical approaches. By the use
of these models it was possible to consider the change in heat transfer due to crystallization fouling. Thus, the appearance of negative fouling resistances can be explained and accounted
for. Investigation of the roughness effects during the crystal growth period showed that the estimated deposit thickness show good agreements to the measured deposit thickness.
Considering the average blockage effect of the pipe, which increases the mean velocity, the given approach for calculating the fouling resistance was amplified. Overall the mean fouling
resistance and consequently the deposit thickness are underestimated by using simple heat balance with the assumption that the heat transfer coefficient along the tube being constant.
However, based on the local measurements of fouling resistances, it is possible to estimate the variation of deposit thickness along the heat exchanger.

Stichwörter

Wärmeübertragung, Fouling, Kristallisation, Rauheiten