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 seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 398352126

Übergeordnetes Ziel des Forschungsvorhabens ist ein vertieftes Verständnis der Einflüsse der kristallinen Struktur eines Foulingbelages auf die lokale Fluiddynamik und Wärmeübertragung und die Zusammenführung zu einer Interpretationsfähigkeit des integralen fluiddynamischen und wärmetechnischen Apparateverhaltens. Dies soll durch gezielte lokale und integrale experimentelle Untersuchungen in Kombination mit einer Weiterentwicklung des Modellierungskonzept nach Schlüter erreicht werden. Neben der Bestimmung des lokalen (abschnittsweisen) Druckverlusts stehen insbesondere die Untersuchungen der lokalen Strömungsgeschwindigkeiten und der Strömungsverhältnisse an und in der Kristallschicht im Mittelpunkt. Aus der ersten Förderphase ist bekannt, dass die Kristallschicht axial sehr unterschiedlich ausgeprägt und strukturiert ist. Diese axialen Unterschiede in Quantität und Morphologie beeinflussen die lokalen Strömungsverhältnisse und Wärmeübertragung. Der Einfluss der lokalen Kristallstrukturen auf die Strömungsverhältnisse soll mit Hilfe des Stereo µPIV untersucht werden. Die Untersuchungen basieren dabei auf folgenden Forschungshypothesen: • Der dreischichtige Aufbau des kristallinen Belages, mit kompakter Basisschicht, engem Nadelgeflecht und offenen Nadelspitzen, und dessen graduelle axiale Verteilung induzieren Unterschiede in den lokalen Strömungs- und Wärmeübertragungsvorgängen. • Eine lokal aufgelöste Modellierung des Fouling- und Strömungsverhaltens unter Beachtung von Rauheits- und Einschnüreffekten kann dieses quantitativ erfassen. • Die lokale Beschreibung des fluiddynamischen und wärmetechnischen Verhaltens kann zu einer ganzheitlichen Abbildung des integralen Apparateverhaltens integriert werden. Auf Grundlage dieser Hypothesen können folgende Erkenntnisziele formuliert werden: • Lokale Strömungsgeschwindigkeiten, Druckverluste und Wärmeströme können mithilfe abschnittsweiser Messungen bestimmt werden. • Aufbau, Struktur und Morphologie der Kristallschichten auf der Rohrinnenseite können auf ebenen Probekörpern gezielt nachgebildet werden. • Unter Zugrundelegung des dreischichtigen Belagaufbaus können daraus lokale thermische und massebezogene Foulingwiderstände berechnet werden. • Die so entwickelte Modellierung ist – bei Kenntnis der temperaturabhängigen Löslichkeit – auf weitere kristalline Stoffsysteme übertragbar. Neben der direkten Untersuchung erzeugter Kristallstrukturen soll eine Methodik zur Abbildung derselben erarbeitet werden, so dass fragile Strukturen nicht durch mechanische Beanspruchung während der Experimente verändert oder zerstört werden. Die Fragilität der Kristalle erwies sich bisher als besondere Herausforderung. Die zu entwickelnde Methode soll die lokale Struktur der kristallinen Belagschicht konservieren und so einer anschließenden Charakterisierung zugänglich machen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen