Wirkmechanismen des Partikelfoulings auf strukturierten wärmeübertragenden Oberflächen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Nikolai Kornev; Professor Dr.-Ing. Stephan Scholl
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 268877694

Fouling, d. h. die Belagbildung auf wärme- und/oder stoffübertragenden Flächen, stellt ein gra­vie­rendes Problem für die Auslegung und Betrieb energie- und verfahrenstechnischer Prozesse, Apparate und Anlagen dar. Der resultierende ökonomische und ökologische Schaden ist beträcht­lich. Partikelfouling, d.h. die Ablagerung von im jeweiligen Fluid suspendierten Partikeln, wie z.B. Sand oder Schlamm (VDI WA 2006), ist neben dem kristallinen Fouling die häufigste Ursache von Belagbildungsproblemen. Bei der Optimierung von Wärmeübertragern ist das Einbringen von strukturierten Oberflächen wie z.B. Dellen, Rippen etc., auf der Oberfläche zielführend, sofern gleichzeitig die Wärmeübertragung erhöht wird und die Strömungsverluste nur in geringerem Ausmaß ansteigen. Die bestmögliche Lösung im Hinblick auf die Energieeffizienz ist der Einsatz von strukturierten Dellenoberflächen, bei denen die Erhöhung der Wärmeabgabe etwa gleich der Erhöhung des hydraulischen Widerstandes ist. Trotz des Wissens um die Bedeutsamkeit des Foulings und die daraus resultierenden Nachteile stehen während des Apparatedesigns bisher die Kriterien, Maximierung des Wärmeübergangs und Reduzierung der hydraulischen Verluste im Vordergrund. Im vorhergehenden Forschungsvorhaben „Wirkmechanismen des Partikelfoulings auf strukturierten wärmeübertragenden Oberflächen“ ist der Einfluss von partikulären Fouling erstmals numerisch mittels räumlich und zeitlich hochaufgelöster Euler-Lagrange Large-Eddy Simulation sowie detaillierten Experimenten an Dellenoberflächen systematisch erforscht worden. Im beantragten Folgeprojekt sind die numerischen Methoden um den Einfluss von Partikelkollision und Oberflächenrauheit zu erweitern. Ausgehend von der örtlichen Verteilung der abgelagerten Partikel sowie der integralen Belagdicke für geringe Zeitintervalle sind mit Extrapolationsverfahren Ablagerungszustände für technisch relevante Foulingzeitskalen zu ermitteln. Darüber hinaus ist der Impulsaustausch zwischen der kontinuierlichen und dispersen Phase zu untersuchen, sodass die Modulation der örtlichen Turbulenz infolge unterschiedlicher Partikelbeladung bestimmt wird. Mittels parallel durchgeführten Experimenten ist der dreidimensionale Belegungszustand örtlich und zeitlich aufzulösen. Thermische, massen- und flächenbezogene Foulingwiderstände sind zu einem konsistenten Gesamtbild des Foulingzustandes zusammenzuführen. Als Ergebnis wird ein vertieftes Verständnis für die Performance einer Dellenoberfläche unter den Bedingungen des partikulären Foulings erlangt. Ferner werden Kennzahlen identifiziert und qualifiziert, die eine Charakterisierung des thermischen und fluiddynamischen Verhaltens der Dellenoberflächen erlauben. Der zu erwartende Erkenntnisgewinn wird eine Lücke im derzeitigen Wissensstand schließen und Kennzahlen zur Erfassung der thermo-hydraulischen Effizienz, in Abhängigkeit des partikulären Foulings, auf strukturierten Oberflächen bereitstellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Stereo µPIV Modul
• Gerätegruppe: 8860 Geschwindigkeitsmeßgeräte (außer 047, 053, 192 und 244)
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Johann Turnow