Mechanisms of particle fouling on structured heat exchanger surfaces
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurde die räumlich und zeitlich hochaufgelöste Euler-Lagrange Large-Eddy Simulation aus der ersten Projektphase um eine effiziente Modellierung von Partikelkollisionen und deren Einfluss auf das partikuläre Fouling erweitert. Das implementierte Kontaktmodell konnte erfolgreich auf Basis von experimentellen Arbeiten vailidiert werden und anschließend das Foulingverhalten verschiedener Dellenkonfigurationen in Abhängigkeit der Partikelkonzentration numerisch untersucht werden. Darüber hinaus konnte der Einfluss von Wandrauheiten auf das Ablagerungsverhalten ebenfalls modelliert und validiert werden. In diesem Folgeprojekt wurde außerdem das bestehende numerische Verfahren so erweitert, dass eine Abbildung langer Fouling-Intervalle, gemäß einer tatsächlichen industriellen Anwendung, ermöglicht wurde. Anhand der Turbulenzmodulation infolge der Partikelbeladung konnte gezeigt werden, dass der Selbstreinigungseffekt für Dellen mit t/D = 0,26 stärker ausgeprägt ist als bei anderen Dellengeometrien. Als wesentlicher Einflussfaktor konnte hier die lokale Änderung der Turbulenz identifiziert werden. Die lokale Foulinguntersuchung in der Delle stützt die These, dass die Dellengeometrie t/D = 0,26 gegenüber anderen überlegen ist. Die Untersuchungen machten deutlich, dass die experimentell bestimmten Strömungsstrukturen innerhalb der Delle bei dieser Geometrie den stärksten positiven Effekt auf den Wärmeübergang und den Selbstreinigungseffekt haben. Unter Verwendung der eigens entwickelten PFQ Methode konnte erstmals ein Selbstreinigungseffekt auch innerhalb der Delle experimentell nachgewiesen werden. Die Partikelkonzentration wird als der wichtigste Einflussfaktor für Partikelfouling bestätigt und als wesentlicher Einfluss der Selbstreinigung. Ein weiterer Einflussfaktor für die Selbstreinigung ist die Turbulenz der Fluidströmung, beeinflusst durch die Strömungsgeschwindigkeit, aber auch durch den Temperatureinfluss auf die Stoffeigenschaften, wie die Viskosität. Es konnte weiter gezeigt werden, dass die Verwendung von Dellen im Vergleich zur unstrukturierten Platte unter Berücksichtigung der thermo-hydraulischen Effizienz sowie unter Foulingbedingungen von Vorteil ist. Die Untersuchung der Einflüsse der Substrateigenschaften zeigte, dass sowohl bei geringerer freier Oberflächenenergie als auch bei verminderter Oberflächenrauheit eine verminderte Ablagerungsbildung auf der Oberfläche um die Delle und auch in der Delle beobachtet werden. Die verwendeten diamantähnlichen Beschichtungen eigneten sich, um die Foulingneigung bei einer Versuchsanzahl von weniger als 10 Durchläufen zu verringern. Dem gegenüber konnte jedoch festgestellt werden, dass bereits nach dieser geringen Anzahl an Versuchsdurchläufen ein Alterungsprozess einsetzte und sich die freien Oberflächenenergien signifikant erhöhen, jedoch weiterhin geringer als bei den unbeschichteten Probenkörpern waren. Die erreichten Erkenntnisse gliedern sich also sehr gut in die vorangegangenen Untersuchungen ein. Die besondere Eignung einer Dellengeometrie von t/D = 0,26 wurde erneut bestätigt und mit weiteren Mess- und Simulationsdaten belegt. Somit eignet sich diese Geometrie besonders für nachfolgende Forschungsprojekte. Darüber hinaus sollte im Rahmen einer realen Anwendung die Einflussnahme eines Dellenclusters untersucht werden, um so den Selbstreinigungseffekt und die Steigerung der thermohydraulischen Effizienz über eine größere Wirkfläche zu belegen.
Publications
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H. Deponte, D. Djendar, T. Eckert, F. Aloui, W. Augustin, S. Scholl
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2021.103651)
