Lokale Bestimmung von Foulingvorgängen als Grundlage zur Beschreibung des integralen Verhaltens

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stephan Scholl
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 398352126

Fouling, d.h. die Belagbildung auf wärme- und/oder stoffübertragenden Flächen, ist ein örtlich und zeitlich veränderliches Phänomen. Gleichwohl werden die durch Fouling verursachten Effekte, wie Verminderung des Wärmedurchgangs und/oder Erhöhung des Druckverlustes, meist nur mit einem konstanten, integralen Wert, z. B. für den thermischen Foulingwiderstand, für einen Apparat erfasst. Das Forschungsvorhaben basiert nun auf der Hypothese, dass ein vertieftes Verständnis der lokalen Foulingvorgänge eine Vorausberechnung der integralen Foulingauswirkungen erlaubt. Dazu sollen die lokalen Vorgänge beim Kristallisationsfouling der invers löslichen Salze Calciumsulfat (CaSO4) und Calciumcarbonat (CaCO3) in einem fluidisch beheizten Doppelrohrwärmeübertrager experimentell und theoretisch untersucht werden. An zwei parallelen und identisch betriebenen Wärmeübertragern sollen komplementäre, voneinander unabhängige Untersuchungsmethoden die lokale Verteilung des Foulingbelages sowie dessen strukturelle Eigenschaften erfassen. Lokale Energiebilanzen in Verbin¬dung mit lokalen Wärmedurchgangsberechnungen erlauben die Ermittlung von lokalen thermischen Foulingwiderständen. Über eine volumetrische Verdrängungsmethode kann der axiale Verlauf des Foulingvolumens bestimmt werden. Durch Zerschneiden eines der beiden Rohre in zehn Segmente können diese optisch sowie bzgl. ihres segmentweisen Druckverlustes charakterisiert werden. Aus Ersterem erfolgt eine Aufteilung des Foulingbelages in eine kompakte Basisschicht sowie eine darüber befindliche raue Wachstumsschicht. Dieses in Verbindung mit den segmentweisen Druckverlusten erlaubt die Trennung von Einschnürungs- und Rauheitseffekten sowie die Rückrechnung einer äqui¬valenten Rauheit der Foulingschicht. Zuletzt werden Porosität, Dichte und Wärmeleitfähigkeit der Foulingschicht abhängig vom Ort sowie dem Alter des Foulingbelages ermittelt.Aus strömungsmechanischen und Wärmedurchgangsberechnungen können lokale Geschwindigkei¬ten, Wandschubspannungen und Temperaturen stimmt werden. In Verbindung mit Löslichkeiten der behandelten Stoffsysteme lokalisiert dies Orte des Überschreitens der Löslichkeit und damit der Kristallisatbildung. Das Fortschreiten der Foulingvorgangs und der dadurch hervorgerufenen inte¬gra¬len Effekte kann dann auf Basis des zuvor aufgeklärten Zusammenwirkens stofflicher, thermischer und fluiddynamischer Einflussgrößen vorausberechnet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen