Schlussbericht für das IGF-Vorhaben Nr. 16959 · Komposit-Anlage mit gleicher Destillatproduktion...

Schlussbericht für das IGF-Vorhaben Nr. 16959 N

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Inhaltsverzeichnis

Symbolverzeichnis ............................................................................... V

1 Zusammenfassung ......................................................................... 1

2 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche

Problemstellung .............................................................................. 5

2.1 Anlass für das Forschungsvorhaben ........................................................... 5

2.2 Ausgangssituation und Stand der Forschung ............................................. 7

2.2.1 Entwicklungsstand von MED-Anlagen zur Meerwasserentsalzung .............. 7

2.2.2 Werkstoffe in industriellen MED-Anlagen ..................................................... 9

2.2.3 Polymer-Wärmeübertrager ......................................................................... 12

2.2.3.1 Polymer-Wärmeübertrager für Anwendungen ohne Phasenwechsel .... 13

2.2.3.2 Polymer-Wärmeübertrager für Anwendungen mit Verdampfung ........... 15

2.2.3.3 Wärmeübertrager auf der Basis von Komposit-Werkstoffen .................. 18

2.2.3.4 Plasmapolymere Beschichtungen ......................................................... 20

3 Forschungsziel, Lösungsweg und Ergebnisse........................... 22

3.1 Forschungsziel ............................................................................................. 22

3.2 Lösungsweg und Ergebnisse ...................................................................... 24

3.2.1 Optimierung von Polymerkompositen für den Einsatz in Verdampfern zur

Meerwasserentsalzung (IFAM) ................................................................... 24

3.2.1.1 Festlegen geeigneter Komposit-Formulierungen und deren Herstellung

(AP 1.1) ................................................................................................. 24

3.2.1.2 Verarbeitung und iterative Anpassung des entsprechenden

Kompositmaterials (AP 1.2) ................................................................... 34

3.2.1.3 Charakterisierung der Kompositmaterialien bezüglich der mechanischen

Eigenschaften (AP 1.3) .......................................................................... 44

3.2.1.4 Plasmapolymere Korrosionsschutzschicht auf metallfasergefüllten

Kompositstrukturen (AP 1.4) .................................................................. 45

3.2.1.5 Iteratives Definieren und Abformen eines Kompositmaterials für Tests in

einer Technikumsanlage unter praxisnahen Bedingungen (AP 1.5) ...... 51

3.2.1.6 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen (AP 1.6) ............................................. 53


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3.2.2 Wärmetechnische und fluiddynamische Untersuchungen an

polymerbasierten Rohrbündelwärmeübertragern (Uni Bremen) ................. 55

3.2.2.1 Rieselfilmverdampfer im Technikumsmaßstab ...................................... 55

3.2.2.2 Metall-Polymer-Verbund-Rohre ............................................................. 57

3.2.2.2.1 Materialauswahl (AP 2.1) .........................................................................58

3.2.2.2.2 Experimentelle Untersuchung der Fluiddynamik (AP 2.2) ........................58

3.2.2.2.3 Experimentelle Untersuchung der Wärmeübertragung (AP 2.3) ..............60

3.2.2.2.4 Experimentelle Untersuchungen zum Kristallisationsfouling (AP 2.4) ......62

3.2.2.3 Plasmapolymere Beschichtungen ......................................................... 63



3.2.2.4 Polymer-Komposit-Rohre ...................................................................... 72

3.2.2.4.1 Materialauswahl (AP 2.1) .........................................................................72

3.2.2.4.2 Untersuchung der Oberflächengüte der Rohre ........................................74


3.2.2.4.4 Experimentelle Untersuchung der Wärmeübertragung (AP 2.3) ..............80


3.2.2.5 Simulationsrechnungen zur Auslegung von Großanlagen (AP 2.5) ....... 92

3.2.2.6 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen (AP 2.6) ............................................. 98

3.2.3 Wärmetechnische und fluiddynamische Untersuchungen an Polymerfolien-

Plattenwärmeübertragern (TU Kaiserslautern) ......................................... 102

3.2.3.1 Experimentelle Untersuchungen zum Benetzungsverhalten (AP 3.1) . 102

3.2.3.2 Experimentelle und theoretische Untersuchungen zum mechanischen

Verhalten (AP 3.2) ............................................................................... 105

3.2.3.3 Experimentelle Untersuchungen zum Kristallisationsfouling (AP 3.3) . 108

3.2.3.4 Experimentelle Untersuchungen zum Wärmetransport (AP 3.4) ......... 112

3.2.3.5 CFD-Simulationen zum Wärmetransport und Druckverlust (AP 3.5) ... 115

3.2.3.6 Modellierung und Auslegung (AP 3.6) ................................................. 118

4 Gegenüberstellung der Ergebnisse mit der Zielsetzung des

Forschungsantrags..................................................................... 121

5 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeiten 127

6 Ausblick ....................................................................................... 128

7 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der

Forschungsergebnisse, ihr innovativer Beitrag und industrielle

Anwendungsmöglichkeiten ........................................................ 130


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8 Transfer der Forschungsergebnisse ......................................... 133

8.1 Veröffentlichungen und Schutzrechte ...................................................... 133

8.2 Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft ........................................... 133

9 Durchführende Forschungsstellen ............................................ 138

10 Danksagung ................................................................................ 139

11 Literaturverzeichnis .................................................................... 140

12 Anhang ........................................................................................ 152


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Symbolverzeichnis

Symbol Bezeichnung Einheit

A Fläche m2

a Temperaturleitfähigkeit m2/s

B Folienbreite, Foliensegmentlänge m

cp spezifische isobare Wärmekapazität J/(kg K)

d Durchmesser m

E E-Modul N/m²

f Streckenlast N/m

GOR Gained Output Ratio (Leistungsziffer) -

g Erdbeschleunigung (g = 9,81 m/s2) m/s2

H Höhe, Förderhöhe, Höhe Rohrbündel, Ausbeulung m

i Zinsfuß -

K Kosten €

k Wärmedurchgangskoeffizient W/(m2 K)

L Rohrlänge m

l Länge m

m Massenstrom kg/s

N Anzahl der MED-Stufen -

p Druck Pa, mbar

PR Performance Ratio (Leistungsziffer) Kg/2326 kJ

Q Volumenstrom m3/h Wärmestrom W

R thermischer Widerstand (m2 K)/W

Rf Foulingwiderstand (m2 K)/W

S Salzgehalt g/kg

s Foliendicke, Wandstärke µm, m

sv vertikaler Abstand m

T Temperatur K

t Temperatur, Teilung °C, m


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U Wärmedurchgangskoeffizient W/(m2 K)

x kartesische Koordinate m

y kartesische Koordinate m

z kartesische Koordinate m

α Wärmeübergangskoeffizient Längenausdehnungskoeffizient

W/(m2 K) 1/K

Γ Berieselungsdichte, Flüssigkeitsbelastung

Rohr: , Folie:

kg/(m s)

γij Grenzflächenergie zwischen den Phasen i und j N/m

ΔhV spezifische Verdampfungsenthalpie J/kg

ΔT Temperaturdifferenz K

ε Dehnung -

dynamische Viskosität Pa s

Kontaktwinkel °

Wärmeleitfähigkeit W/(m K)

kinematische Viskosität m2/s

ρ Dichte kg/m3

Oberflächenspannung N/m

ij Grenzflächenspannung zwischen den Phasen i und j N/m

τ Versuchsdauer h

Benetzungsgrad -

Indizes a Außen

b Bulk (Kern)

C Condensation (Kondensation)

cf Kondensationsfilm

D Dampf

Dest Destillat

E Evaporation (Verdampfung)

exp Experimentell

F Film, Füllstoff; Feed


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F Kraft

ff Falling film (Fallfilm)

g Gas

ges Gesamtwert

h Heiß

HD Heizdampf

i Innen

K, Kond Kondensat

KW Kühlwasser

l, L Liquid (Flüssigkeit)

lam Laminar

log Logarithmisch

m Mittel(wert)

max Maximalwert

min Minimalwert

MW Meerwasser(seite)

p Druck

s Solid

Sim Simulation

Stufe Stufe einer MED-Anlage

turb Turbulent

uk Unterkühlt

V Vapour (Dampf, Brüdendampf)

Verd Verdampfung

W Wand, Wasser

WL Wärmeleitung

Dimensionslose Kennzahlen

Ka Kapitza-Zahl

3

4gKa

Mittlere Nußelt-Zahl

Nu


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Nu‘ Modifizierte Nußelt-Zahl 3

12

g'Nu

Pr Prandtl-Zahl pca

Pr

Re Reynolds-Zahl

v

Re

ReF Film-Reynolds-Zahl

FRe

Abkürzungen

AAS Atomabsorptionsspektrometrie

CFD Computational Fluid Dynamics

CFK Carbonfaserverstärkter Kunststoff

CNT Kohlenstoffnanoröhrchen

EDX Energiedispersive Röntgenspektroskopie

GOR Gained Output Ratio

MED Mehreffekt-Verdampfung

MSF mehrstufige Entspannungsverdampfung

MVC mechanische Brüdenkompression

PA Polyamid

PE Polyethylen

PEEK Polyetheretherketon

PE-HD Polyethylen hoher Dichte

PE-RT Polyethylen mit erhöhter Temperaturbeständigkeit

PFA Perfluoralkoxy-Copolymer

POM-C Polyoxymethylen-Copolymer

PP Polypropylen

PP-H Polypropylen-Homopolymer

PPS Polyphenylensulfid

PSU Polysulfon

PTFE Polytetrafluorethylen

PVC Polyvinylchlorid


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PVDF Polyvinylidenfluorid

REM Rasterelektronenmikroskopie

RO Umkehrosmose

TVC thermische Brüdenkompression


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Forschungsthema

Entwicklung polymerbasierter Wärmeübertrager für den Einsatz in

Meerwasserentsalzungsanlagen

1 Zusammenfassung

Der weltweit steigende Frischwasserbedarf erfordert den Ausbau thermischer Meerwasserentsalzungsanlagen, die eine hohe Korrosionsbeständigkeit der Materialien verlangen. In den Verdampfern werden derzeit Heizflächen im Wesentlichen aus Titan, Kupfer-Nickel und Sondermessing eingesetzt, die starken Preisfluktuationen, Korrosion und Kristallisationsfouling unterliegen. Die im IGF-Vorgängervorhaben 240 ZN [VEU09] erarbeiteten Konzepte für polymerbasierte Wärmeübertrager wurden im aktuellen Vorhaben weiterentwickelt und für den Einsatz in der Mehreffekt-Verdampfung (mutiple-effect distillation, MED) zur Meerwasserentsalzung optimiert. Es wurden zwei Lösungsansätze zur Reduzierung des Wärmeleitwiderstandes verfolgt: (a) Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit durch Hinzufügen eines Füllstoffs in die Polymermatrix und (b) Einsatz dünner Polymerfolien. Am Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung, IFAM, wurden unterschiedliche Matrixpolymere durch das gezielte Einbinden metallischer und keramischer Füllstoffe, die dem Polymer in Form von Fasern, Pulver und/oder Granulat beigemischt wurden, funktionalisiert. Die Herstellung der verschiedenen Komposite erfolgte in einem kontinuierlichen Prozess industrienah auf einer Kompoundierlinie im Technikumsmaßstab am Fraunhofer IFAM. Das Komposit wurde während der Herstellung optisch auf eine gute Homogenität überprüft und im Anschluss zu Standardgranulat weiterverarbeitet. Zu weiteren Tests wurden aus den Materialvarianten im Spritzguss genormte Zugstäbe angefertigt, an denen erste Wärmeleitfähigkeiten, aber auch strukturelle Untersuchen via Auflicht- und Elektronenmikroskop durchgeführt wurden. Erste Messungen ergaben Wärmeleit-fähigkeiten von ca. 2 W/(m K). Im weiteren Verlauf des Projektes konnten Wärmeleit-fähigkeiten durch Modifikation der Füllstoffe und Optimierung der Kompoundierung auf über 4 W/(m K) bzw. stärker verdichtet auf über 5 W/(m K) gesteigert werden. Die ursprünglich im Forschungsantrag angestrebte Wärmeleitfähigkeit von 5-10 W/(m K) wurde zwar nur teilweise erreicht, die Ergebnisse gegen Ende des Projektes bestätigen aber das Potenzial des Komposits als Wärmeübertragermaterial. Als Alternative zu den hoch korrosionsbeständigen und damit teuren Metallen, die in Meerwasserentsalzungsanlagen eingesetzt werden und zudem stark zur kristallinen Ablagerungsbildung neigen, wurden Verbund-Rohre untersucht, die aus einem hoch wärmeleitfähigen, aber gegenüber Meerwasser weniger korrosionsbeständigen Metallrohr und einer dünnen Polymerfolie bestehen. Für die Beschichtung von Kompositrohren wurden ein Beschichtungskonzept für den Anwendungsbereich Entsaltzungsanlagen (Rieselfilmverdampfer) und eine entsprechende plasmapolymere Beschichtung (Niederdruchplasma) entwickelt.


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Diese Beschichtung enthält die Komponenten Haftvermittler-Schicht, hydrophobe Funktionsschicht und hydrophile Deckschicht. Die Beschichtung zeigte sich sowohl für die erprobten polymeren als auch metallischen Untergründe weitgehend haftungsstabil und gegen die Betriebsbedingungen bei Entsalzungsanlagen beständig. Am Fachgebiet Technische Thermodynamik an der Universität Bremen wurden Untersuchungen zu Wärmeübertragern mit rohrförmigen polymerbasierten bzw. plasmabeschichteten Heizflächen durchgeführt. Ein Rieselfilmverdampfer mit horizontalen Rohren im Technikumsmaßstab wurde genutzt, um Benetzungs-verhalten, Wärmeübertragung und Kristallisationsfouling unter praxisnahen Bedingungen systematisch zu untersuchen. Die vom IFAM bereitgestellten Verbund-Rohre bestehend aus einem Metallrohr (Aluminiumlegierung) umhüllt von einer dünnen Polymerfolie wurden hinsichtlich Benetzungsverhalten, Wärmeübertragung und Kristallisationsfouling untersucht. Durch die Plasmaaktivierung der Polymerfolien konnten sehr gute Benetzbarkeiten erzielt werden. Der Wärmedurchgangskoeffizient wurde durch die Folien-umwickelung allerdings stark herabgesetzt, was auf Lufteinschlüsse zurückzuführen ist. Duch technische Verbesserungen der Applikationstechnik der polymeren Ummantelung erscheint eine Verbesserung des Wärmedurchgangskoeffizienten möglich. Weiterhin wurden die vom IFAM entwickelten, plasmapolymeren Beschichtungen hinsichtlich Benetzungsverhalten und Kristallisationsfouling charakterisiert. Durch die hydrophile Deckschicht war eine unmittelbare gute Benetzung der Rohre auch bei geringen Berieselungsdichten gegeben. Kristallisationsfouling wurde durch die plasmapolymeren Beschichtungen deutlich reduziert. Am Fachgebiet Technische Thermodynamik wurde die Materialwahl für die Polymermatrix und den Füllstoff in Kompositen erneut aufgegriffen. In Anlehnung an das IGF-Vorgängervorhaben 240 ZN [VEU09] wurden Polymer-Komposite bestehend aus einer thermoplastischen Polymermatrix (PP, PA 6, PA 12, PPS) und dem Füllstoff Graphit von Technoform Kunststoffprofile GmbH in Lohfelden, einem Partner aus dem Projektbegleitenden Ausschuss, zu Rohren mit einem Außendurchmesser von 22,4 mm und einer Wandstärke von 1,5 bzw. 1,0 mm extrudiert. Komposite mit hohem Füllstoffgehalt zwischen 50 Gew.-% und 75 Gew.-% konnten zu Rohren abgeformt werden. Die gemessenen Rauheits- und Welligkeitswerte bestätigen, dass die extrudierten Komposit-Rohre glatte, geschlossene Oberflächen haben. Durch eine Oberflächenaktivierung der Komposite konnte der Kontaktwinkel mit Wasser deutlich reduziert, die Oberflächenenergie erhöht und damit eine vollständige Benetzbarkeit der horizontalen Rohre bei Berieselungsdichten, die zurzeit typisch für MED-Anlagen sind, erreicht werden. Mit Komposit-Rohren bestehend aus Polypropylen und 75 Gew.-% Graphit mit einer Wandstärke von 1,5 mm konnten in Versuchen mit künstlichem Meerwasser relativ hohe mittlere Wärmedurchgangskoeffizienten zwischen 2152 W/(m² K) und 2316 W/(m² K) erzielt werden, was im Bereich von Wärmedurchgangskoeffizienten bei Einsatz von metallischen Rohren liegt. Kristallisationsfouling auf Polypropylen-Graphit-Rohren zeigte qualitative und quantitative Unterschiede im Vergleich zu Metall-Rohren. Selbst bei einem hohen


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Salzgehalt des künstlichen Meerwassers von 65 g/kg war die Oberfläche der Komposit-Rohre nach 50 Stunden nur schwach mit calcium- und magnesiumhaltigen Kristallen belegt. Auch nach einer Versuchsdauer von 140 Stunden hat die Belagmasse nicht nennenswert zugenommen. Anders als auf Metall-Rohren konnten auf den Komposit-Rohren nur wenige stäbchenförmige Calciumcarbonat-Kristalle (Aragonit) nachgewiesen werden. Die in den Experimenten erzielten Ergebnisse wurden als Grundlage für Simulationsrechnungen zur Auslegung von großtechnischen MED-Anlagen sowie sich daran anschließende Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen genutzt. Eine 10-stufige MED-Anlage mit Komposit-Rohren ( = 10 W/(m K), s = 1,5 mm, Foulingwiderstand Rf = 0,05 m² K/kW) mit gleicher Wärmeübertragungsfläche und gleicher Rohr- und Rohrbündelgeometrie wie die metallische Referenzanlage ( = 112 W/(m K), s = 0,7 mm, Foulingwiderstand Rf = 0,1 m² K/kW) liefert 21,6 % weniger Destillat. Für eine Komposit-Anlage mit gleicher Destillatproduktion wie die Referenzanlage wird 32,8 % mehr Wärmeübertragungsfläche in einer Verdampferstufe benötigt. Die abschätzenden Kostenrechnungen haben einen Zielpreis für die Komposit-Rohre unter 13 €/kg bzw. unter 2 €/m ergeben, was heute schon vorstellbar erscheint. Die Betrachtungen lassen erwarten, dass Komposit-Rohre zu Rohren aus Kupferlegierungen konkurrenzfähig sind. Außerdem bieten MED-Anlagen mit Komposit-Rohren noch ein großes Entwicklungspotential. Am Lehrstuhl Thermische Verfahrenstechnik an der TU Kaiserslautern wurde das Polymerfolien-Verdampferkonzept durch praxisrelevante Untersuchungen weiterentwickelt. Das Benetzungsverhalten verschiedener Polymeroberflächen wurde systematisch untersucht. Das Optimierungspotential durch Plasmabehandlungen oder Konditionierung der Polymerwerkstoffe wurde ebenso quantifiziert wie der Einfluss der Meerwasser-Salinität auf die Benetzungseigenschaften. Eine Korrelation zur Vorhersage der kritischen Flüssigkeitsbelastung zur Etablierung eines geschlossenen Fallfilms wurde entwickelt, die es ermöglicht, durch Kontaktwinkelmessungen und Kenntnis der Stoffdaten, diesen für den Betrieb kritischen Punkt für die vorliegende Apparategeometrie vorherzusagen. Mechanische Charakterisierungen inklusive Zeitstandversuche erlaubten eine Einschätzung von Werkstoffalternativen hinsichtlich ihrer Eignung unter den vorherrschenden Prozessbedingungen. Es konnte gezeigt werden, dass eine mit Mineralstoff angefüllte PEEK-Alternative wegen der dadurch höheren Kriechbeständigkeit, eine wesentliche Erweiterung des Belastungsbereichs zur Folge hat. Polypropylen zeigte sich in der ungefüllten Variante entgegen der Vermutung als unzureichend kriechstabil bei den typischen MED-Prozessbedingungen. Die Vermutung deutlich geringerer Haftkräfte von Gips auf den untersuchten Polymeroberflächen im Vergleich zu Edelstahl konnte durch Messungen bestätigt werden. Die deutlich geringere Quantität der Belagbildung wurde in Relation zur Grenzflächenenergiedifferenz zwischen Substrat und Belag gesetzt. Auch die Quantität des Kristallisationsfoulings aus synthetischem Meerwasser ist ebenfalls relativ gering. Hierzu wurden Versuche im Rahmen von MED-Prozessbedingungen durchgeführt, um den für die Auslegung benötigten thermischen Foulingwiderstand


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zu bestimmen. Vielversprechend ist insbesondere die beschriebene Reinigungsstrategie für das Polymerfolien-Apparatekonzept. Zur Erstellung von thermischen Auslegungskriterien basierend auf einer belastbaren Datenmenge wurde die am Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik vorhandene Versuchsanlage im Technikumsmaßstab bei variierten Prozessbedingungen betrieben. Das Resultat ist eine Nusselt-Korrelation, welche die fallfilmseitige Wärmetransportintensivierung berücksichtigt und welche die deutliche Effizienzsteigerung gegenüber herkömmlichen Transportprozessen an der ebenen Wand darstellt. Zur detaillierten Analyse der fluiddynamischen Ursachen für die Wärmetransportintensivierung wurden dreidimensionale numerische Strömungssimulationen an einem Ausschnitt der Wärmeübertragergeometrie mit dem VOF-Modell durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die Spacer-Struktur die Turbulenz, Quervermischung und Fluktuationen der Filmdicke erhöht. Alle Effekte wirken sich positiv auf den konvektiven Wärmeübergang im Fallfilm aus. Zur Apparateauslegung und Berechnung der Destillatproduktion in Abhängigkeit gewählter Betriebsbedingungen wurde ein Modell zur Diskretisierung der Energie- und Massenbilanzen unter Berücksichtigung der entwickleten Nusselt-Korrelationen erstellt. Ebenso wurde die Gesamteffizienz von mehrstufigen MED-Anlagen beurteilt. Insbesondere wurde der thermische Einfluss des Kristallisationsfoulings auf die Gesamteffizienz beurteilt. Zur abschließenden Beurteilung der Wirtschaftlichkeit von MED-Anlagen basierend auf dem Polymerfolien-Wärmeübertragerkonzept wurde ein ausführliches Kostenmodell erstellt. Durch die geringen Investitionskosten des Wärmeübertragertyps und die Wärmetransportintensivierung im Fallfilm können geringe Gesamtkosten bzw. Wassergestehungskosten realisiert werden. Damit ist auch ein gewisser Auslegungsspielraum hinsichtlich der Wandstärken der verwendeten Folien gegeben. Es liegen nun erprobte und optimierte Konzepte vor, die es ermöglichen, polymerbasierte Wärmeübertrager auszulegen, apparatetechnisch zu gestalten und deren Betriebsverhalten vorherzusagen. Das Vorhaben ist von großem branchenübergreifenden Interesse und wirtschaftlichem Nutzen besonders für KMU, da die Ergebnisse direkt von Unternehmen aus der Entsalzungsbranche, dem Anlagenbau, der Verfahrenstechnik, der Energie- und Umwelttechnik und der Kunststoff- und Verbundwerkstoffindustrie genutzt werden können und neue Geschäftsfelder eröffnen. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.


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2 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Pro-

blemstellung

2.1 Anlass für das Forschungsvorhaben

Eine der größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts ist die nachhaltige Versorgung mit sauberem Trink- und Brauchwasser zur Deckung des weltweit steigenden Bedarfs. Rund 1,3 Mrd. Menschen (20 % der Weltbevölkerung) haben weltweit keinen Zugang zu sauberem Wasser [GWI13]. Das Bevölkerungswachstum, sowie die fortschreitende Industrialisierung werden die Situation in den nächsten 25 Jahren drastisch verschärfen. Es wird prognostiziert, dass im Jahr 2025 rund 3 Milliarden Menschen unter Wasserknappheit leiden werden [Ing03]. Das Millenniumsziel der United Nations ist die Halbierung der Zahl der Menschen ohne Zugang zu sauberem Trinkwasser bis zum Jahr 2015 [UN08]. Der dazu neben anderen Maßnahmen notwendige Ausbau an Anlagen zur thermischen Meerwasserentsalzung wird durch die Verknappung der metallischen Werkstoffe auf dem Weltmarkt, die drastischen Preisfluktuationen und zeitweise langen Lieferzeiten stark beeinträchtigt. Thermische Meerwasserentsalzungsanlagen, die das Prinzip der Verdampfung und Kondensation nutzen, werden aufgrund der hohen Prozesstemperaturen und korrosiven Bedingungen zurzeit aus sehr hochwertigen und damit teuren Metallen, wie z.B. Kupfer-Nickel 90/10, Sondermessing und Titan, gefertigt. Die drastischen Preissteigerungen und langen Lieferzeiten in der jüngeren Vergangenheit haben den Einsatz und die Weiterentwicklung der Verdampferanlagen stark gehemmt [Pan05a, Pan05b]. Neben den Energiekosten stellen die Investitionskosten für die Wärmeübertrager einen wesentlichen Kostenfaktor dar. Der Preisanstieg der metallischen Werkstoffe in den 3 bis 4 Jahren vor der weltweiten Finanz- und Wirtschaftskrise in 2008 hatte zu einem Anstieg der Investitionskosten von thermischen Meerwasserentsalzungsanlagen um 20 bis 30 % geführt [Goe06]. Zusätzlich zu den hohen Metallpreisen gehört die Korrosion der metallischen Heizflächen zu den größten Problemen in der thermischen Meerwasserentsalzung [Hod05]. Korrosionsbeständigere und gleichzeitig kostengünstige Werkstoffe würden für die Leistungsfähigkeit der Anlagen (Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit, Lebensdauer) große Vorteile bringen. Ein weiteres großes Problem in Verdampfern zur Meerwasserentsalzung ist Kristallisationsfouling (Scaling) auf den Heizflächen [Has98, Pat99, Has01, Gla05]. Die Ablagerungen verringern die Effektivität und Leistung der Anlagen und begrenzen ihren Betriebsbereich [Gre01, Des05]. Die erforderliche Überdimen-sionierung der Heizflächen, die Rohwasservorbehandlung und Maßnahmen zur Reduzierung von Kristallisationsfouling, Reinigungsverfahren sowie Produktions-verluste durch reinigungsbedingte Standzeiten verursachen beträchtliche Kosten.


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Aufgrund der enormen Fluktuationen der Metallpreise in den letzten Jahren und den daraus resultierenden wirtschaftlichen Risiken sowie den oben genannten Problemen der Korrosion und Belagbildung ist die Nachfrage nach Alternativen zu den hochkorrosionsbeständigen metallischen Werkstoffen immens. Der Einsatz von innovativen Wärmeübertragern aus Polymer- und Polymer-Komposit-Werkstoffen in Meerwasserentsalzungsanlagen würde der deutschen Industrie mit ihrem großen Know-how im Bereich der Kunststoffe, Hightech-Verbundwerkstoffe sowie des Anlagenbaus, vor allem den kleinen und mittelständischen Unternehmen, weltweit neue Absatzmärkte eröffnen. Die deutsche Industrie könnte den Markt nicht nur entwickeln und versorgen, sondern auch eine aktive Schlüsselrolle spielen. Vor diesem Hintergrund wurden in einem vorangegangenen IGF-Vorhaben 240 ZN “Entwicklung von Wärmeübertragern auf der Basis von Polymer- und Polymer-Nanokomposit-Werkstoffen für den Einsatz in Meerwasserentsalzungsanlagen“ [VEU09], das die drei Forschungsstellen im Zeitraum vom 01.03.2007 bis 28.02.2009 bearbeitet haben, die Einsetzbarkeit von Wärmeübertragern mit Heizflächen aus Polymer- und Polymer-Nanokomposit-Werkstoffen für Verdampfer zur Meerwasser-entsalzung evaluiert sowie Konzepte für die Auslegung und apparative Gestaltung der neuartigen Verdampfer entwickelt. Im vorangegangenen Forschungsvorhaben wurden zwei innovative Lösungsansätze verfolgt, um der großen Herausforderung der sehr geringen Wärmeleitfähigkeit von Polymeren zu begegnen. Zum einen wurde die Wärmeleitfähigkeit durch Einbringen nanoskaliger hochleitfähiger Füllstoffe in die Polymermatrix erhöht, und der Einsatz der Komposite in Horizontalrohr-Rieselfilmverdampfern wurde untersucht. Zum anderen wurde ein neuartiger Platten-Fallfilmverdampfer mit dünnen Polymerfolien konzeptioniert und erprobt. Die Materialwahl für Polymermatrix und Füllstoff soll neu aufgegriffen werden. Verschiedene Komposite sollen untersucht werden. Rohre aus Polymer-Kompositen sollen hinsichtlich Benetzungsverhalten, Wärmeübertragung und Belagbildungs-verhalten systematisch und detailliert untersucht und iterativ für ihren Einsatz in Horizontalrohr-Rieselfilmverdampfern zur Meerwasserentsalzung optimiert werden. Der Fallfilmverdampfer mit dünnen Polymerfolien soll hinsichtlich Materialwahl, Benetzungsverhalten, Wärmeübertragung, Belagbildungsverhalten, Druckverluste und mechanischer Stabilität weiterentwickelt und optimiert werden. Durch die parallele und sehr ähnlich gestaltete, eng abgestimmte Verfolgung zweier Lösungsansätze -Horizontalrohr-Rieselfilmverdampfer mit Polymer-Kompositen und Platten-Fallfilmverdampfer mit dünnen Polymerfolien- wird es erst möglich, die beiden Lösungsansätze zu vergleichen und die jeweiligen Einsatzmöglichkeiten in kleinen, mittleren oder großen Entsalzungsanlagen, Vor- und Nachteile sowie die Randbedingungen für den Einsatz des jeweiligen Konzepts zu evaluieren und damit den Unternehmen Entscheidungshilfen bei der Selektion eines geeigneten Ansatzes zu geben. Verdampferanlagen werden in vielen verschiedenen Industriezweigen eingesetzt, u.a. zur Herstellung von anorganischen Salzen, zur Aufbereitung von Abwasser, in der chemischen Industrie, in der Zellstoff- und Papierindustrie, in der


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Lebensmittelindustrie und in der Pharmaindustrie. Innovative Entwicklungen bieten somit ein enormes Marktpotenzial.

2.2 Ausgangssituation und Stand der Forschung

Im Folgenden wird der Stand der Technik von MED- und MVC-Anlagen beschrieben. Anschließend wird ein Überblick über den Stand der Technik und der Forschung auf dem Gebiet der Polymer- und Polymer-Komposit-Wärmeübertrager gegeben. Auch plasmapolymere Beschichtungen werden betrachtet.

2.2.1 Entwicklungsstand von MED-Anlagen zur Meerwasserentsalzung

Der Entsalzungsbranche wird ein enormes Wachstum prognostiziert. In 2013 betrug die weltweit installierte Kapazität von Entsalzungsanlagen rund 80,9 Mio. m3 Frischwasser pro Tag mit durchschnittlichen jährlichen Zuwachsraten von ca. 5,4 Mio. m³ pro Tag in den Jahren 2008 bis 2012 [GWI13]. Die klassischen Märkte im Nahen und Mittleren Osten expandieren und neue Märkte entstehen weltweit, z.B. in Europa und Ostasien [Med06]. Aride Zonen mit Wassermangel sind auch in europäischen Ländern (z.B. Spanien, Portugal, Italien, Frankreich, griechische Inseln, Südengland) bereits ein ernst zu nehmendes Problem. In der technischen Meerwasserentsalzung haben sich im Wesentlichen die thermischen Verfahren der mehrstufigen Entspannungsverdampfung (MSF für „multi-stage flash“), der Mehreffekt-Verdampfung (MED für „multiple-effect distillation“) und der thermischen Brüdenkompression (TVC für „thermal vapour compression“) bzw. mechanischen Brüdenkompression (MVC für „mechanical vapour compression“) sowie das Membranverfahren der Umkehrosmose (RO für „reverse osmosis“) etabliert. Derzeit haben MSF-Anlagen noch einen großen Marktanteil bei der Entsalzung von Meerwasser und die größten Destillatleistungen pro Anlageneinheit. Weitaus größeres Entwicklungspotential wird aber dem MED- und dem RO-Verfahren eingeräumt [Med06]. Der Ersatz der metallischen Werkstoffe für die Wärmeübertragungsflächen durch Kunststoffe und Komposite auf Kunststoffbasis bietet sich insbesondere in MED-, MED-TVC- und MVC-Anlagen an, weil die höchste Temperatur der Sole zurzeit maximal 70°C beträgt, um das Ausmaß der Belagbildung zu begrenzen und beherrschen zu können, und die Druckdifferenzen zwischen der Kondensationsseite und der Verdampfungsseite relativ gering sind. Diese betragen im Fall von MED-Anlagen unter Annahme von Prozesstemperaturen zwischen 30 und 75°C und Temperaturdifferenzen zwischen Rohrinnen- und -außenseite von 2,5 bis 5°C minimal 6 und maximal 74 mbar. Im Folgenden werden das MED-, MED-TVC- und das MVC-Verfahren beschrieben. Abb. 2.1 zeigt das Fließbild einer häufig eingesetzten Schaltungsvariante einer MED-Anlage.


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Abb. 2.1: Fließbild einer typischen Schaltungsvariante einer MED-Anlage

Meerwasser wird zunächst im Endkondensator durch kondensierenden Wasserdampf, der in der letzten Verdampferstufe entsteht, vorgewärmt. Der Teil des Meerwassers, der als Kühlwasser gedient hat, wird zurück ins Meer geleitet. Der verbleibende Teil, das Speisewasser, wird parallel auf die einzelnen Verdampferstufen verteilt. In den Mehreffekt-Anlagen werden heute hauptsächlich Horizontalrohr-Verdampfer eingesetzt, in denen das Meerwasser auf ein riesiges Bündel horizontaler Rohre durch eine geeignete Vorrichtung verteilt wird und als dünner Film über die äußere Rohroberfläche rieselt, wie in Abb. 2.2 dargestellt.

Abb 2.2: Schema der Rieselfilmverdampfung in MED-Anlagen Wie in Abb. 2.1 gezeigt, wird der ersten Verdampferstufe Heizdampf, der häufig einem Kraftwerksprozess entnommen wird, zugeführt. Der Heizdampf kondensiert im Inneren der Rohre. Die frei werdende Kondensationsenthalpie wird zur Vorwärmung des Meerwassers auf Verdampfungstemperatur und zur teilweisen Verdampfung des Meerwassers genutzt. Der erzeugte Dampf wird durch einen Tropfenabscheider in die zweite Stufe geleitet und dient dort als Heizdampf. Der Dampf kondensiert in den Rohren, während das Meerwasser auf den obersten Rohrreihen vorgewärmt und auf den untersten Rohrreihen verdampft wird. Der entstehende Dampf wird in die dritte Stufe geleitet und kondensiert dort in den Rohren, während außen auf den Rohren das Meerwasser verdampft. Dieser Prozess setzt sich von Stufe zu Stufe fort. Zur Wärmerückgewinnung und Steigerung der energetischen Effizienz wird häufig die thermische Brüdenverdichtung (TVC) eingesetzt. In MED-TVC-Anlagen wird ein Teil des in der letzten oder einer mittleren Stufe erzeugten Dampfes in einem

Heizdampf

Heizdampf-kondensat

Ablauge Meer-wasser

Destillat

End-kondensator

KühlwasserSpeisewasser

Ablauge

Speisewasser

Dampf aus dervorherigen Stufe

Dampf zur nächsten Stufe


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Dampfstrahlverdichter mittels Treibdampf auf ein höheres Druck- und Temperaturniveau gebracht und wieder als Heizdampf in der ersten Stufe verwendet. Typische Kapazitäten von MED-Anlagen liegen zwischen 100 und 15.000 m3 Frischwasser pro Tag. Bei Einsatz der thermischen Brüdenverdichtung werden meist 3 bis 6 Stufen installiert. Die Kapazitäten von MED-TVC-Anlagen betragen bis zu 68.000 m3 Frischwasser pro Tag. Neben den Horizontalrohr-Verdampfern werden auch Plattenwärmeübertrager eingesetzt, allerdings vornehmlich im kleinen und mittleren Kapazitätsbereich bis 2500 m3/Tag [Leg99, Ton99, Wan04]. Verdampferanlagen mit mechanischer Brüdenkompression (im Folgenden mit “MVC“ für “mechanical vapour compression“ abgekürzt), die zur Trinkwassergewinnung eingesetzt werden, bestehen meist nur aus einer Stufe, wie in Abb. 2.3 dargestellt. Der durch Verdampfung des Meerwassers erzeugte Brüdendampf wird in einem mechanischen Verdichter komprimiert und dadurch auf ein höheres Temperaturniveau gebracht und kann als Heizdampf wieder in den Rohren kondensieren. Die Kapazität einer MVC-Anlage beträgt zwischen 10 und 3000 m3 pro Tag [WAN04].

Abb. 2.3: Fließbild einer MVC-Anlage

2.2.2 Werkstoffe in industriellen MED-Anlagen

Für die Wärmeübertragungsflächen werden bisher ausschließlich metallische Werkstoffe verwendet. Rohrmaterialen, die in Meerwasserentsalzungsanlagen als Heizflächen eingesetzt werden, müssen sich aufgrund der hohen Korrosivität des Meerwassers durch eine große Korrosionsbeständigkeit auszeichnen. Eine hohe Erosionskorrosionsbeständigkeit ist in Horizontalrohr-Verdampfern vor allem für die ersten Rohrreihen von immenser Bedeutung, da diese durch das mit Düsen als Berieselungseinrichtung versprühte Meerwasser erhöhten mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Um Erosionskorrosion zu vermeiden, wird für die ersten Rohrreihen auf das höherwertige und bezüglich Rohstoffpreis und

MechanischerVerdichter

Horizontalrohr-Verdampfer

Entgaser

Destillat

Meerwasser

Ablauge

Destillatkühler

Ablaugekühler

M

zum Vakuumsystem


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Verarbeitungskosten teurere Titan zurückgegriffen. Dies ist an sich sehr unedel, überzieht sich jedoch spontan mit einer dichten, festhaftenden Oxidschicht, wodurch es auch gegenüber verschmutztem Meerwasser vollständig passiv wird und dadurch korrosionsbeständig ist. Die darunter liegenden Rohrreihen bestehen aus Kupfer-Nickel 90/10 (Werkstoffnummer 2.0872) oder Sondermessing (Werkstoffnummer 2.0460), das in der englischsprachigen Fachliteratur mit „aluminium brass“ bezeichnet wird [Wan05, Sha99]. In einigen Anlagen wird für die obersten Rohrreihen nicht Titan, sondern ein superferritischer Stahl verwendet. In einer MED-Anlage wurden alle Verdampferrohre aus dem superaustenitischen Edelstahl 1.4565 gefertigt [Wan08]. In MED-Anlagen des israelischen Herstellers IDE Technologies wird das Speisewasser entgast und in Gegenstromschaltung geführt. Hier werden für die Rohre in den Verdampferstufen Aluminium-Legierungen mit einem Magnesium-Anteil von 2-3 % [Oph06] eingesetzt. Probleme beim Einsatz von Aluminiumrohren als Heizflächen in Horizontalrohr-Verdampfern treten vor allem aufgrund der Unbeständigkeit von Aluminium gegenüber Schwermetallverbindungen, insbesondere Kupfer und Eisen, Sulfiden sowie suspendiertem Kies und Sand auf. Diese müssen daher unter Verwendung spezieller Filter während der Vorbehandlung des Meerwassers abgetrennt werden. Vorteile von Aluminium-Legierungen gegenüber Kupfer-Nickel-Legierungen ergeben sich aus dem niedrigeren Preis [Mor93]. Um bimetallischen Korrosionseffekten vorzubeugen, müssen die Aluminium-Rohre mit Gummimuffen in den Rohrböden aus Edelstahl befestigt werden. Tabelle

2.1 gibt einen Überblick über gängige Rohrwerkstoffe und ihre Eigenschaften. Plattenwärmeübertrager werden vorwiegend aus Titan ausgeführt [Leg99]. Kafi et al. [Kaf04] haben erfolgreich einen kompakten Mehreffekt-Plattenfallfilmverdampfer entwickelt, bei dem das Gehäuse aus Polypropylen besteht. Als Wärmeübertragungsflächen werden jedoch auch hier noch Metallplatten eingesetzt. In MED-Anlagen werden typischerweise Rohre mit Außendurchmessern zwischen 19 und 32 mm und Längen zwischen 5 und 8 m eingesetzt [Vri01, Gla12]. Zur mechanischen Stabilisierung werden stets nach rund 1 m Rohrlänge Stützplatten installiert. Die Wandstärke der Rohre wird durch das verwendete Material und die jeweilige Korrosionsneigung bestimmt, da bei Werkstoffen mit geringerer Korrosions-beständigkeit größere Wandstärken vorgesehen werden, um trotz des größeren Materialverlusts durch Korrosion eine in etwa gleich lange Lebensdauer der Rohre zu erzielen. Dadurch können Stillstandszeiten der Anlagen zu Wartungszwecken hinausgezögert werden. Die Wandstärken werden gemäß der Korrosionsraten stets so ausgelegt, dass eine Lebensdauer der Rohre zwischen 20 und 25 Jahren zu erwarten ist [Hor95]. So werden Rohre aus Kupfer-Legierungen mit Wandstärken von 0,7 oder 1 mm und aus der Aluminiumlegierung 5052 mit Wandstärken von 1,2 bis 1,5 mm eingesetzt, während beim korrosionsbeständigeren Titan Wandstärken im Bereich von 0,4 bis 0,5 mm ausreichend sind [Som03, Gla12]. Superferritischer Edelstahl wird mit einer Wandstärke von 0,4 - 0,5 mm verwendet [Ric07, Gla12]. Der super-austenitische Edelstahl 1.4565 wurde in einer MED-Anlage mit einer Rohrwandstärke von 0,3 mm eingesetzt [Wan08].


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Tabelle 2.1: Rohrwerkstoffe und ihre Eigenschaften in MED-, MED-TVC- und MVC- Anlagen

Werkstoff Wärmeleitfähigkeit

in W/(m K)

Dichte

bei 20°C in kg/m³

Wandstärke

in mm

Titan

(3.7035) 22,6

[Thy07] 4500

[Thy07] 0,4 - 0,5

[Gla12]

Kupfer-Nickel 90/10

(2.0872)

51,7 (bei 20°C) 60,2 (bei 100°C)

[Ull13]

8900 [Ull13]

0,7 / 1 [Gla12]

Sondermessing

(2.0460) 112 (bei 100°C)

[Ull13] 8330 [Ull13]

0,7 [Gla12]

Aluminiumlegierung mit

2,4 – 2,8 % Mg

(EN AW 5052)

146 (bei 100°C) [Ull13]

2680 [Ull13]

1,2 – 1,5 [Gla12]

Superaustenitischer

Edelstahl (1.4565) 12

[Klö05] 8000 [Klö05]

0,3 [Wan03]

Superferritischer

Edelstahl 15,9

[Ply06] 7695 [Ply06]

0,4 - 0,5 [Ric07, Gla12]

Nach Angaben von Sommariva et al. [Som03] werden die Gesamtkosten von Verdampfern in Meerwasserentsalzungsanlagen zu 25 bis 35 % von den Materialkosten der heizflächenbildenden Rohre bestimmt. Hier zeigt sich bereits das enorme Einsparungspotential, das sich beim Einsatz kostengünstigerer Werkstoffe ergäbe. Abb. 2.4 zeigt die starken Fluktuationen des Kupferpreises in den letzten Jahren.

Abb. 2.4: Preisentwicklung von Kupfer in den Jahren 2003 bis 2014 [Fin14] Zusätzlich zu den hohen Metallpreisen ist die Korrosion der metallischen Heizflächen ein großes Problem in der thermischen Meerwasserentsalzung [Hod05]. Meerwasser ist sehr korrosiv und führt insbesondere zu Lochfraß- und Spaltkorrosion. Das Versprühen des Meerwassers auf die obersten Rohre führt zu


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Erosionserscheinungen, so dass die obersten Rohrreihen fast immer aus Titan ausgeführt werden [Vri02]. Beim Betrieb thermischer Entsalzungsanlagen ist die Bildung von Belägen auf den wärmeübertragenden Fläche infolge der Auskristallisation anorganischer Salze mit inverser Löslichkeit, wie Calciumcarbonat, Magnesiumhydroxid und Calciumsulfat ein wesentliches Problem [Has98, Pat99, Has01, Gla05]. Die Löslichkeit dieser Salze sinkt mit steigender Temperatur. Bedingt durch die Ablagerungen auf den wärmeübertragenden Flächen kommt es zu einer Reduktion des Wärmedurchgangskoeffizienten. Dadurch wird die Effektivität des Prozesses reduziert und bei Überschreiten einer gewissen Grenze sinkt die Destillatproduktion [Des05, Gre01]. Belagbildung verursacht hohe Betriebs-, Investitions- und Wartungskosten durch Überdimensionierung der Wärmeübertragungsflächen, Maßnahmen zur Belagsverhinderung und Reinigung sowie Produktionsausfälle während reinigungsbedingter Stillstandszeiten. Um der Belagbildung Rechnung zu tragen, wird bei der Auslegung von Entsalzungsanlagen zu dem Wärmedurchgangswiderstand der sauberen Heizfläche ein so genannter Foulingwiderstand addiert, was zu einer größeren benötigten Wärmeübertragungsfläche führt. Typischerweise wird für MED-Anlagen ein Foulingwiderstand in der Höhe von Rf = 0,1 – 0,15 (m2 K)/kW angenommen [Gre01], der in der Größenordnung des verdampfungsseitigen Wärmeübergangswiderstandes liegt. Die Annahme eines Foulingwiderstandes von Rf = 0,15 (m2 K)/kW führt zu einem um 23 % höheren Preis verglichen mit einem Verdampfer, für den der Foulingwiderstand zu Rf = 0 (m2 K)/kW angenommen wird, wenn Rohre aus Titan mit einer Wandstärke von 0,6 mm verwendet werden [Gre06]. Eine Reduzierung oder gar Verhinderung von Belagbildung würde somit eine erhebliche Einsparung von Investitionskosten bedeuten. Thermoplastische Materialien haben sich aufgrund ihrer ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit in der Peripherie von industriellen thermischen Meerwasser-entsalzungsanlagen bereits bewährt. So finden sie beispielsweise Anwendung bei der Vorbehandlung des Meerwassers im Chlorungszubehör. Dort werden Dosierpumpen und –leitungen aus PVC eingesetzt [Mub05]. Darüber hinaus werden glasfaserverstärkte Kunststoffe als Rohrleitungsmaterialien für Meerwasser und Sole in MSF- und MED-Anlagen eingesetzt [Wad01]. Außerdem werden Polymerwerkstoffe vereinzelt für Sprühdüsen und Tropfenabscheider in MED-Anlagen verwendet.

2.2.3 Polymer-Wärmeübertrager

Einen guten Überblick über Polymer-Wärmeübertrager geben Cevallos et al. [Cev12]. Beginnend mit der Historie von Polymer-Wärmeübertragern sowie den technischen Beschränkungen, die die Forschung auf diesem Gebiet motiviert haben, stellen Cevallos et al. bedeutende Entwicklungen im letzten Jahrzehnt zusammen und diskutieren primäre Einsatzgebiete für Polymer-Wärmeübertrager, wie solare Wassererhitzer, Wärmerückgewinnungssysteme und Meerwasserentsalzungs-


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anlagen. Cevallos et al. geben auch einen Überblick über Komposite bestehend aus einer Polymermatrix und einem Füllstoff, insbesondere Polymer-Faser-Komposite. Sie stellen fest, dass neue Komposite mit höheren Festigkeiten, höherer Temperaturbeständigkeit und höheren Wärmeleitfähigkeiten die Leistungslücke zwischen Polymeren und korrosionsbeständigen Metallen überbrücken können.

2.2.3.1 Polymer-Wärmeübertrager für Anwendungen ohne Phasenwechsel

Zurzeit werden aus Kunstoffen gefertigte Wärmeübertrager dann eingesetzt, wenn metallische Werkstoffe bei aggressiven Medien an ihre Grenzen geraten. Außerdem können sie aufgrund ihres im Vergleich zu klassischen metallischen Wärmeübertragungsflächen deutlich geringeren Preises immer dann verwendet werden, wenn der thermische Gesamtwiderstand vom inneren oder äußeren Wärmewiderstand dominiert wird und der Einfluss des Wärmeleitungswiderstandes vernachlässigbar ist. Dies ist z.B. bei Gas-Gas-Wärmeübertragern oder bei Gas-Flüssig-Anwendungen mit niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten hochviskoser Medien der Fall [Ban92, Zar04, Cal06]. Typische Einsatzgebiete von Kunststoff-Wärmeübertragern sind das Heizen und Kühlen hochkonzentrierter anorganischer Säuren oder anderer aggressiver Medien z.B. in der Galvanik oder Chemie, die Wärmerückgewinnung aus aggressiver Abluft, das Trocknen eines Gasstroms nach einem Wäscher, das Kondensieren von Wasserdampf in der Rauchgasreinigung [Jia01], die Kühlung und Erwärmung von Luftströmen in Reinstraumanlagen, die Wasserdampfkondensation vor der Lösemittelrückgewinnung, die Frischluftkühlung mit Grund- oder Meerwasser. Auch Anwendungen für Wassererhitzer mit getauchten Rohrbündeln in solar beheizten Speichertanks werden beschrieben [Liu00, Wu04]. Als Kunststoffe werden Polyethylen mit erhöhter Temperaturbeständigkeit (PE-RT), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Perfluoralkoxy-Copolymer (PFA), Polypropylen (PP) und Polytetrafluorethylen (PTFE) eingesetzt. PVDF wird bei Temperaturen über 80 °C oder bei hochreinen Medien eingesetzt. In Rauchgasentschwefelungsanlagen wird vor allem wegen der hohen Temperaturen (über 200°C) auf PFA zurückgegriffen. PP und PTFE werden dagegen nur selten verwendet. Um den im Vergleich zu metallischen Wärmeübertragern deutlich geringeren Wärmedurchgangskoeffizienten, der bei diesen Kunststoff-Wärmeübertragern in der Größenordnung von 250 bis 550 W/(m2 K) liegt, auszugleichen, werden die Wärmeübertrager mit deutlich vergrößerten Wärmeübertragungsflächen ausgeführt [Sch02]. In Rohrbündelwärmeübertragern wird eine große Zahl kleinerer Rohre mit geringem Durchmesser eingesetzt. Diesbezüglich hat sich herausgestellt, dass bei Rohraußendurchmessern zwischen 2 und 8 mm ein optimales Verhältnis zwischen Innen- und Außendruckfestigkeit, Wärmedurchgangskoeffizient und Wärmeübertragungsfläche herrscht, wobei als Rohrwandstärke ein Zehntel des Außendurchmessers zugrunde gelegt wird [Sch02]. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung wurden Rohreinbauten (Turbulatoren) für Rohrbündelwärmeübertrager [Mor95] und verschiedene Kanalgeometrien [Het94] für Plattenwärmeübertrager vorgeschlagen.


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Die gängigsten Bauformen sind Rohrbündel-, Spiral- und Plattenwärmeübertrager sowie getauchte Wärmeübertrager ohne Gehäuse [Ban92, Jia01, Cal06]. Die Firma Calorplast Wärmetechnik GmbH in Krefeld, die auch im Projektbegleitenden Ausschuss vertreten ist, stellt Gas-Wasser-Wärmeübertrager her, die zum Beispiel zur Wärmerückgewinnung aus Abgasen eingesetzt werden. Dieses Wärmeübertragersystem ist durch seinen modularen Aufbau gekennzeichnet und wird aus vorgefertigten Rohrsystemen montiert. Zum Heizen und Kühlen von aggressiven und stark verschmutzten Medien bzw. Abwässern kommen auch Rohrbündelwärmeübertrager mit frei beweglichen Rohren zum Einsatz. Die freie Beweglichkeit der Rohre ermöglicht ein ungehindertes Passieren von Verschmutzungen und eine Selbstreinigung von Verkrustungen [Cal06]. Weitere Hersteller von Rohrbündel- und Platten-Wärmerübertragern sind die Firmen Polytetra GmbH aus Mönchengladbach, die Dürr Heat-Matrix Geldermalsen NL sowie die Colasit GmbH aus Sankt Augustin. Alle Hersteller verwenden in ihren Produkten schwerpunktmäßig Polymere wie PVDF, PTFE, aber auch PP und PE. Bei den Produkten handelt es sich dabei um Gas-Wasser-Wärmeübertrager als auch um Varianten für zwei flüssige Medien. Haupteinsatzgebiete sind die Rauchgasentschwefelung und Wärmerückgewinnung aus Abgasen, die chemische als auch die pharmazeutische Industrie [Col14, Dür14, Pol14] Spiralwärmeübertrager aus gewickelten Kunststofffolien für industrielle Anwendungen sind inzwischen auch kommerziell erhältlich [Mak09]. Als Wärmeübertragungsflächen werden dabei je nach Anforderung verschiedene Folien-Werkstoffe eingesetzt. Spiralwärmeübertrager sind im Allgemeinen für die Wärmeübertragung zwischen Flüssigkeiten oder Gasen ohne Phasenwechsel konzipiert und eignen sich meist nicht für Verdampfungsprozesse. Verglichen mit der Belagbildung auf metallischen wärmeübertragenden Flächen wurde die Belagbildung auf wärmeübertragenden Polymeroberflächen nur wenig untersucht. Erfahrungen und Informationen insbesondere zur Belagbildung auf wärmeübertragenden Polymeroberflächen in strömenden wässrigen Salzlösungen liegen nur beschränkt vor [Wag05]. Zarkadas und Sirkar [Zar04] stellen fest, dass neben der sehr geringen Wärmeleitfähigkeit ein weiterer Nachteil im Einsatz von Kunststoff-Wärmeübertragern darin besteht, dass es an umfangreichen Erfahrungen und systematischen Untersuchungen mit belastbaren Testdaten mangelt. An der TU Kaiserslautern werden am Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik in Zusammenarbeit mit Industriepartnern Polymerfilm-Wärmeübertrager für chemische Prozesse entwickelt (siehe Abb. 2.5). Die Projektpartner sind Calorplast GmbH und Merck KGaA. Das BMBF fördert das Projekt im Rahmen der Fördermaßnahme: „Technologien für Nachhaltigkeit und Klimaschutz – Chemische Prozesse und stoffliche Nutzung von CO2“, Fördernummerμ 033RC101θA. Ziel ist die Entwicklung eines Vollkunststoff-Wärmeübertragers zur Vermeidung von Metallkontaminationen von beispielsweise in der pharmazeutischen Industrie genutzten Lösemitteln. Die hohen Anforderungen der einschlägigen Industrie an diese Art von Wärmeübertrager


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können u. A. durch den Einsatz kostengünstiger Kunststofffolien als Wärmeübertragerflächen erfüllt werden. Einsatzgebiet ist die Wärmeübertragung zwischen zwei Flüssigkeiten und die Kondensation von organischen Dämpfen mittels einer Kühlflüssigkeit. Im Rahmen der Entwicklung wurde die mechanische und thermische Belastbarkeit in Verbindung mit chemischer Beständigkeit für PTFE-Glasfaser- bzw. für Polyimid-Folien experimentell untersucht [Laa13b, Laa14]. Des Weiteren wurden an insgesamt drei unterschiedlich großen Anlagen Messungen des Wärmeübergangs durchgeführt. Zur numerischen Beschreibung der Strömung und des Wärmeübergangs wurde ein Modell entwickelt, das auf dem Prinzip der Fluid-Structure-Interaction (CFD-FEM-Kopplung) basiert und den Einfluss der druckbedingten Verformung der Folien im Betrieb auf die Strömung und den Wärmetransport abbildet [Laa13a]. Die Verwendung dünner Folien (75 – 150 µm) ermöglicht einen guten Wärmeübergang. Vor allem für die PTFE-Glasfaser-Folie konnte sowohl eine ausreichende Stabilität als auch ein Wärmeübergangskoeffizient von bis zu 400 W/(m² K) ohne Phasenwechsel experimentell nachgewiesen werden. Diese Werte konnten ebenfalls im entwickelten Simulationsmodell berechnet werden.

Abb. 2.5: Prototyp eines Polymer-Wärmeübertragers für chemische Prozesse

2.2.3.2 Polymer-Wärmeübertrager für Anwendungen mit Verdampfung

Für den Einsatz von Polymer-Wärmeübertragern in Anwendungen mit Phasenwechsel und hohen verdampfungs- und kondensationsseitigen Wärmeübergangskoeffizienten liegen nur wenige Veröffentlichungen vor. Bandelier et al. [Ban92] beschreiben Fallfilmverdampfer mit Wärmeübertragungsflächen aus dünnen Polymerfolien (ca. 50 µm) in Form von vertikalen Schläuchen. Die


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Kondensation des Heizdampfes erfolgt im Polymerschlauch und die Verdampfung der Flüssigkeit an der Außenseite, so dass der höhere Druck im Inneren ein Kollabieren des Schlauches verhindert. Scheffler [Sch03, Sch08] und Leao [Lea03] beschreiben ein Konzept zur Anwendung von Wärmeübertragungselementen aus Polymerfolien, die als Schläuche angeordnet sind, in Verdampfern mit mechanischer Brüdenkompression zur Meerwasserentsalzung. Der beschriebene Apparat wurde im Labormaßstab untersucht und ist noch weit von der Einsetzbarkeit in industriellen Entsalzungsanlagen entfernt. Der Versuchsapparat ist ähnlich wie ein Horizontalrohr- Rieselfilmverdampfer ausgeführt. Als Werkstoffe wurden Polyethylen hoher Dichte und Polypropylen vorgeschlagen. Darüber hinaus hält Scheffler [Sch07] den Werkstoff Tetrafluorethylen/Ethylen-Copolymer (E/TFE) für vielversprechend. Die wärmeübertragende Fläche wird von mehreren parallel angeordneten Wärmeübertragungselementen mit spezieller Geometrie gebildet. Um diese herzustellen, werden zwei dünne Polymerfolien übereinander gelegt, die durch bis zu 40 parallele Nähte von 1,1 m Länge miteinander verschweißt und anschließend hydraulisch aufgeweitet werden. Dadurch entsteht eine Vielzahl parallel zueinander angeordneter, zylinderförmiger Kammern, die entlang ihrer Scheitel miteinander verbunden sind. Diese Geometrie soll für mechanische Stabilität sorgen und durch die Wirkung von Kapillarkräften zum Erreichen einer vollständig benetzten Oberfläche beitragen. Der Durchmesser der zylinderförmigen Kammern, die den aus MED-Anlagen bekannten Horizontalrohren ähnlich sind, beträgt 18 mm. Zur Reduzierung des Wärmeleitungswiderstands sollen die Wärmeübertragungsflächen mit einer geringen Wandstärke von 37 m ausgeführt werden. Der Heizdampf kondensiert auf der Innenseite, während die Lösung auf der Außenseite als dünner Rieselfilm hinabströmt. Probleme treten vor allem in Zusammenhang mit der schlechten Benetzbarkeit der Polymerwerkstoffe auf. Die Firma Hadwaco Ltd. Oy, Finnland, hat Wärmeübertragerelemente aus Polymerfolien und die Methoden zur Herstellung patentiert. In den Patentschriften WO 97/13112 und WO 98/33029 wird das Wärmeübertragerelement als Beutel aus dünnen Polymerfolien beschrieben. Heizdampf kondensiert im Inneren des Beutels und wird unten abgeführt, während auf der Außenseite des Beutels Flüssigkeit verdampft. Eine weitere Patentschrift (WO 00/59598) hat einen Verdampfer mit mechanischer Brüdenkompression zum Gegenstand, der aus mehreren dieser beutelförmigen Wärmeübertragerelemente besteht, die parallel im Verdampfer aufgehängt sind. Der Verdampfer wurde ursprünglich für die Abwasseraufbereitung aus der Papier- und Zellstoffindustrie entwickelt. Jaakkola [Jaa96] schlägt diesen Verdampfer für Entsalzungsanwendungen vor. Die in den ersten Patenten der Firma Hadwaco beschriebenen Wärmeübertragerelemente haben auf der Verdampfungsseite keine besondere Struktur zur Flüssigkeitsverteilung, was eine schlechte Flüssigkeitsverteilung und Benetzung erwarten lässt. Die beutelförmigen Wärmeübertragerelemente sind nur an der oberen und unteren Seite eingespannt. In den Patenten und Veröffentlichungen werden keine Abstandshalter auf der Verdampfungsseite genannt, was vermuten lässt, dass keine definierten Strömungskanäle gebildet werden und höhere Druckverluste auftreten können. Die


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Patentschrift WO 98/31529 der Fa. Hadwaco beschreibt ein Wärmeübertragerelement, das dadurch erzeugt wird, dass zwei parallel liegende Polymerfolien miteinander verbunden werden. Das Verbinden erzeugt ein beutelförmiges Element, dessen Inneres mit Hilfe von punktförmigen oder linearen Schweißnähten geteilt ist, die im Element Dampfleitungen bilden. Während der Herstellung wird eine dauerhafte Verformung in der Folie erzeugt, in dem sie zwischen den Verbindungsstellen gestreckt wird, um Bewegungsmöglichkeit für das Ausbeulen zu schaffen, wenn im Inneren des Elementes Dampf kondensiert und auf der Außenseite Flüssigkeit verdampft. Eine Online-Recherche ergab, dass die Firma Hadwaco offenbar nicht mehr existiert und dass der beschriebene Apparat nie im industriellen Maßstab in der Entsalzungsbranche eingesetzt wurde. Bandelier et al. [Ban14] beschreiben die Entwicklung einer solar betriebenen MED-Anlage für die Meerwasserentsalzung mit der Kondensation des Wasserdampfes in vertikalen Schläuchen aus einer dünnen Polymerfolie (50 µm bis 100 µm) und der Verdampfung des Meerwasser-Fallfilms auf der Außenseite der Schläuche. Song et al. [10] untersuchten das Potential von kompakten polymeren Hohlfaser-Wärmeübertragern für den Einsatz in thermischen Meerwasserentsalzungsanlagen. Hohlfasern aus Polypropylen (Wandstärke 75 µm, Außendurchmesser 575 µm), Polyetheretherketon und Polyethersulfon wurden in Wärmeübertragern hinsichtlich der erreichbaren Wärmedurchgangskoeffizienten getestet. Mit Polypropylen-Hohl-fasern in Meerwasser-Wasser-Systemen konnten Wärmedurchgangskoeffizienten um 2000 W/(m² K) erreicht werden, in Wasserdampf-Wasser-Systemen wurden Werte um 1600-1800 W/(m² K) erzielt. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass in Patenten nicht das Merkmal Polymerfolie als Wärmeübertragungsfläche geschützt wird, sondern ein ganz bestimmtes Wärmeübertragerelement und die Methode zur Herstellung dieses Elements. Es konnten keine relevanten Veröffentlichungen und Patente zu Fallfilmverdampfern in Form von Plattenwärmeübertragern mit dünnen Polymerfolien, die allseitig in Rahmen eingespannt sind und mit Abstandshaltern gestützt werden bzw. deren Strömungskanäle mit Abstandshaltern gebildet werden, gefunden werden. Die mechanische Stabilisierung der Polymerfolie und die hydrodynamische Stabilisierung des Fallfilms mit Abstandhaltern bzw. Turbulatoren sind jedoch unverzichtbar für eine effiziente Fallfilmverdampfung mit Polymerfolien als Wärmeübertragungsflächen. Ferner wurden keine Ergebnisse aus systematischen und detaillierten Untersuchungen zum wärmetechnischen und fluiddynamischen Verhalten veröffentlicht, mit denen Verdampfer auf der Basis von flexiblen Polymerfolien ausgelegt und apparatetechnisch gestaltet werden könnten. Eine rein theoretische Untersuchung von El-Dessouky und Ettouney [ElD99] zum Einsatz von Kunststoffen als Heizfläche in einstufigen MVC-Anlagen zur Meerwasserentsalzung hat gezeigt, dass bei Verwendung von Kunststoffen im Vergleich zu Metallen zwar eine höhere spezifische Heizfläche benötigt wird, die spezifischen Kosten aber niedriger sind. Die Autoren stellen heraus, dass dies zusammen mit den anderen Vorzügen der Kunststoffe, wie Korrosionsbeständigkeit,


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geringere Neigung zur Belagbildung und einfachere Verarbeitung und Installation, die Industrie ermutigen sollte, aktive Schritte zur Einführung dieser Systeme zu unternehmen. Auch Consultants (z.B. [Wan04]) in der Meerwasserentsalzung fordern auf, neue Materialien, z.B. Polymerwerkstoffe, für den Einsatz in MED-Anlagen und das dazugehörige Design der Verdampfer zu entwickeln. Christmann [Chr11b] untersuchte im Rahmen des Vorgängervorhabens 240 ZN [VEU09] die Eignung von Polymerfolien als Wärmeübertragungsflächen bei der thermischen Meerwasserentsalzung nach dem Verfahren der Mehreffekt-Verdampfung (MED), ausgeführt als großtechnische Anlagen beispielsweise zur Erzeugung von Trinkwasser in ariden Gebieten. Vorgegeben durch die charakteristischen Prozessparameter des MED-Prozesses, wurden die thermischen, mechanischen und Benetzungseigenschaften von Folien aus verschiedenen Polymerwerkstoffen untersucht. Aufgrund der Versuchsergebnisse eignen sich besonders Folien aus Polyetheretherketon (PEEK) sehr gut für den vorgesehenen Zweck. PEEK ist ein Hochleistungspolymer mit hervorragender chemischer Beständigkeit, verfügt über eine hohe mechanische Festigkeit und ist sehr wärmebeständig. Die geringe Wärmeleitfähigkeit von Polymeren, die ein großes Problem bei der Wärmeübertragung ist, kann über die Foliendicke kompensiert werden. Christmann konnte zeigen, dass die thermischen Gesamtwiderstände von 25 µm dünnen PEEK-Folien und von metallischen Wärmeübertragungsflächen in vergleichbarer Größenordnung liegen. Die Untersuchungen der Polymerfolien fanden in einem Prototyp eines Plattenfallfilmwärmeübertragers mit einer Wärmeübertragerfläche von A = 2 m² statt. Bei der thermischen Meerwasserentsalzung stellt das Kristallisationsfouling (Scaling) ein häufiges Problem dar. Auch auf der Folienoberfläche bilden sich Beläge, die aber nur schwach anhaften und ohne chemische oder mechanische Hilfsmittel während des Betriebes von der Folienoberfläche entfernt werden können.

2.2.3.3 Wärmeübertrager auf der Basis von Komposit-Werkstoffen

Durch einen Compoundier-Prozess lassen sich Werkstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften (zum Beispiel Kunststoffe mit Metallen) homogen zu einem anforderungsgerechten Hybridwerkstoff bzw. Kompositmaterial verarbeiten [Mic91, Men02, Mic06]. In diesen Kompositmaterialien, welche aus Zwei- oder Mehrstoff-Systemen bestehen können, lassen sich eine Reihe von Eigenschaften gezielt einstellen. So können z.B. die gute chemische Beständigkeit, das geringe Gewicht und die problemlose Verarbeitbarkeit der Polymere mit der guten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit von Metallen verbunden werden und gleichzeitig einen Kostenvorteil schaffen. Aber auch gegensätzliche Eigenschaften, wie elektrisch isolierende und gleichzeitig thermisch leitfähige Eigenschaften, können z.B. durch das Einbringen mineralischer oder keramischer Pulver in die Polymermatrix eingestellt werden [Übl02]. Polymerbasierte Kompositmaterialien sind heute am Markt erhältlich. Ein Großteil der Komposite zielt auf die festigkeitssteigernde Wirkung ihrer Füllstoffe ab. Zu diesem Zweck werden Glas- und Kohlefasern, aber auch zum Beispiel Naturfasern wie Hanf


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in die Polymermatrix einkompoundiert. Zu dem Bereich der funktionalisierten Polymer-Komposite zählen die mit elektrisch leitfähigen Partikeln ausgestatteten Kunststoffe. Auch hier bietet der Markt eine große Bandbreite an Kompositvarianten. Füllstoffe können zum Beispiel Rußpartikel, Metallpulver und -fasern, Graphit usw. sein (z.B. [Hil96, Ye06]). Oft weisen diese Kompositmaterialien, je nach Füllstoffgehalt, aufgrund der überschrittenen Perkolationsgrenze neben der elektrischen Leitfähigkeit auch eine erhöhte thermische Leitfähigkeit auf [Ger92]. Insbesondere Komposite mit nanoskaligen Füllstoffen finden sich heute in kratzfesten Schichten, in antibakteriellen Oberflächen oder auch in elektrisch leitfähigen Kunst- und Klebstoffen. Die nanoskaligen Partikel führen hierbei zu einer gezielten Verbesserung eines speziellen Anforderungsprofils. Der Zusatz von (nano-) partikulären Füllstoffen in polymere Matrizes führt neben einer Erhöhung der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit jedoch auch zu einer Erhöhung der Viskosität und erschwert dadurch die weitere Verarbeitung [Joh04]. Zudem werden insbesondere in jüngerer Zeit Gefahren durch Kompositmaterialien diskutiert, wenn z.B. Nanopartikel aus Kompositen in die Umwelt gelangen. Durch neue Ansätze in der Kompositformulierung, bei der neben einem festen metallischen Füllstoff eine zweite, (teil-)flüssige metallische Phase verwendet wird, kann diesen Problemen zumindest teilweise begegnet werden [Mic09]. Ein Verfahren zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit ist das Einbringen von Füllstoffen mit hoher Wärmeleitfähigkeit in die Polymermatrix [Lew70, Nie73, Bat85]. Für Füllstoffe in der Größenordnung von µm liegen verschiedene Ansätze zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Komposit-Werkstoffen vor. Die Wärmeleitfähigkeit eines Komposits wird durch den Volumenanteil des Füllstoffs, die Wärmeleitfähigkeiten des Füllstoffs und der Matrix, die Größe der Füllstoffpartikel, die Morphologie des Füllstoffs (Kugeln, Fasern) und die Art der Verteilung (gleichmäßig, ungleichmäßig) bestimmt [Lew70, Nie73, Bat85, Nan97, Yin02]. Wärmeübertrager aus Kompositwerkstoffen sind bis heute weitgehend unbekannt. In der einschlägigen Literatur finden sich nur sehr vereinzelt Beispiele für den Einsatz derartiger Materialien zur Fertigung von Wärmeübertragern. T’Joen et al. [T‘Jo09] und Cevallos et al. [Cev12] geben einen aktuellen Überblick über den Entwicklungsstand von Polymer- und Komposit-Wärmeübertragern und stellen das zukünftig große Potential polymerbasierter Werkstoffe für verschiedenste Anwendungen zur Wärmeübertragung heraus. Sowohl die Materialauswahl, das Zusammenspiel aus Polymermatrix und verschiedenen Füllstoffen als auch die Dimensionierung der Wärmeübertragungsstrukturen für diverse Anwendungen werden betrachtet. Luckow et al. [Luc08] betrachten meerwassergekühlte Platten-Rippen-Wärmeübertrager bestehend aus einer Polymermatrix mit einem Füllstoff, beispielsweise Kohlefasern, zur Verflüssigung von Methan auf Offshore-Plattformen. Mit Blick auf die Anwendbarkeit in der Meerwasserentsalzung gibt es bislang noch keine Forschungsarbeiten zu Komposit-Wärmeübertragern. Die britische Firma United Wire Group [UNI81] beschreibt einen Prototypen eines Kompositwerkstoffs. Dabei handelt es sich um ein gewebtes Drahtgitter, welches in


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eine Kunststoff-Matrix eingebettet wird. Luzzatto et al. [Luz97] beschreiben einen neuartigen Wärmeübertrager aus einem keramischen Kompositwerkstoff für Hochtemperatur-Anwendungen. Er soll als Gas-Gas-Wärmeübertrager zur Wärmerückgewinnung aus Abgasen mit großer Foulingneigung in chemisch aggressiver Umgebung eingesetzt werden. In der japanischen Veröffentlichung JP 101θ8η02 A wird ein „composite material with high thermal conductivity“ beschrieben. Als Kompositmatrix ist hier jedoch eine Kohlenstoffmatrix beschrieben, welche mit metallischen Partikeln beaufschlagt wird. Ein Patent der Siemens AG Siemens (Europäische Patentschrift EP 2004/053381) beschreibt gute Leitfähigkeiten von Kunststoffen durch das Einbringen von Füllstoffen, die im Idealfall ein Netzwerk innerhalb des Polymers aufbauen, in dem sie sich gegenseitig berühren. Je langfaseriger dabei die Füllstoffpartikel gewählt werden, zum Beispiel langfaseriger Kohlenstoff, desto geringer fällt der Gewichtsanteil der für die Leitfähigkeit verantwortlichen Fasern aus. Ein Problem stellen dabei die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Metallfüllstoffe und der (gefüllten) Thermoplaste dar. So kann sich bei Temperatureinwirkung das Fasernetz des Compounds weiten, so dass Leitpfade unterbrochen werden. Als nicht optimal galt bislang die Einarbeitung niedrig schmelzender Metalle in Kunststoffe, mit denen nur Füllgrade von 40–50 Gew. % mit einem spezifischen Durchgangswiderstand von 10-5 cm erreicht werden konnten. Höhere Füllgrade schließen sich aufgrund der hohen Dichteunterschiede aus. Durch die Kombination einer niedrig schmelzenden Metallverbindung mit einem elektrisch leitenden Füllstoff eröffnet sich die Möglichkeit, den Füllgrad an elektrisch leitenden Partikeln im Thermoplasten entscheidend zu erhöhen, ohne dass die Verarbeitbarkeit hierunter leidet. Dieser Ansatz soll in dem aktuellen Forschungsvorhaben zur Herstellung eines auf die Anwendung in Wärmeübertragern zugeschnittenen Komposits weiterverfolgt werden. In Ergänzung zu den im Patent beschriebenen Metalllegierungen zur Einstellung der Fließfähigkeit werden im IFAM weitere Additive evaluiert. Hierbei wird auf Ergebnisse des vorhergehenden IGF-Forschungsvorhabens (240 ZN) zurückgegriffen [VEU09]. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass keine relevanten Veröffentlichungen und Patente zu Verdampfern mit waagerecht berieselten Rohren oder mit Plattenstrukturen aus Polymer-Komposit-Werkstoffen vorliegen. Ferner wurden keine Ergebnisse aus systematischen und detaillierten Untersuchungen zum wärmetechnischen und fluiddynamischen Verhalten veröffentlicht, mit denen Verdampfer auf der Basis von Polymer-Komposit-Werkstoffen ausgelegt und apparatetechnisch gestaltet werden könnten.

2.2.3.4 Plasmapolymere Beschichtungen

Mit dem Verfahren der Plasmapolymerisation werden kontinuierlich zunehmend in vielen industriellen Bereichen und Anwendungen funktionelle Beschichtungen eingesetzt. Dieses Verfahren stellt ein schnelles, weitgehend zerstörungsfreies Verfahren zum Abscheiden dünner funktoneller Schichten dar. Die Schichten entstehen direkt aus der Gasphase, weshalb auch von einem trockenchemischen


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Prozess gesprochen wird. Durch Aufbringen dünner Schichten im Mikrometer- bis Nanometerbereich können die Eigenschaften von Festkörpern in mechanischer, elektrischer, optischer oder auch chemischer Hinsicht je nach späterer Anwendung angepasst werden, ohne das Bulk-Material zu verändern. Bei der Plasmapolymerisation wird lediglich die Oberfläche der Festkörper verändert. Die Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten können durch die Wahl der Monomere und der Entladungsbedingungen in dem Plasma über einen weiten Bereich variiert werden, so dass vielfältige Anwendungen möglich sind. Die Moleküle der Precursoren, die man als Ausgangsstoffe einsetzt, werden im Plasmaprozess weitgehend fragmentiert und diese Fragmente – nur aus einem oder wenigen Atomen bestehend – reagieren anschließend zu einem engmaschig vernetzten und amorphen Plasmapolymer. Aufgrund der geringen Größe der Fragmente ist die dreidimensionale Vernetzung von Plasmapolymeren viel engmaschiger als bei Duroplasten. Plasmapolymere sind daher unlöslich und verfügen über keinerlei thermoplastische Eigenschaften. Im Bereich der Korrosionsschutzschichten spielt neben der hervorragenden Haftung auf dem Substrat, die durch angepasste Abscheidungsparameter eine Unterwanderung der Schicht verhindert, die Sperrwirkung der Schicht eine Rolle. Diese durch den Grad der Vernetzung bestimmte Größe führt dazu, dass die Schicht als sehr gute Diffusionsbarriere für Wasser und Sauerstoff und Ionen wirkt, wodurch zusammen mit der elektrischen Isolationswirkung der geschlossenen Plasmapolymerschicht ein guter passiver Korrosionsschutz erreicht wird [Ihd04, Lom09, Wil09]. Für Metallfaser-Polymer-Komposite sind plasmapolymere Beschichtungen bislang nicht erprobt worden. In diesem Anwendungsbereich sind insbesondere die geringe Schichtdicke (Wärmeleitung), die gute Schichthaftung und die Möglichkeit zur gezielten Einstellung der Benetzbarkeit von hohem Interesse.


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3 Forschungsziel, Lösungsweg und Ergebnisse

3.1 Forschungsziel

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die im Vorgängervorhaben [VEU09] gewonnenen Erkenntnisse zu vertiefen und polymerbasierte Wärmeübertrager für den Einsatz in MED-Anlagen zur Meerwasserentsalzung zu entwickeln und zu optimieren. Die Eigenschaften und das Verhalten der polymerbasierten Wärmeübertrager unter typischen MED-Betriebsbedingungen sollen genauer erforscht werden. Für die industrielle Umsetzung von Wärmeübertragern mit polymerbasierten Heizflächen soll eine breite Datenbasis geschaffen werden. Eine Eigenschaft aller Polymere ist ihre vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit, weshalb die Heizflächen zur Kompensation aus sehr dünnen Materialien gefertigt werden müssen oder die Wärmeleitfähigkeit der Kunststoffe erhöht werden muss. Diese beiden Ansätze sollen im Forschungsvorhaben systematisch und detailliert untersucht werden. Der Einsatz dünner Polymerfolien erfordert die Entwicklung innovativer Wärmeübertragerformen, während bei Verwendung innovativer Polymer-Komposite die für metallische Werkstoffe typische Heizflächengeometrie grundsätzlich aufrechterhalten werden kann. Daher sollen im Forschungsvorhaben zwei verschiedene Wärmeübertragerbauformen – ein Rohrbündel- und ein neuartiger Plattenwärmeübertrager – erprobt und verglichen werden. Erst die parallele und eng abgestimmte Verfolgung beider Lösungsansätze in einem Projekt ermöglicht einen Vergleich der Wärmeübertrager und die Beurteilung der Vor- und Nachteile und der jeweiligen Einsatzmöglichkeiten in kleinen, mittleren oder in großen Anlagen und der Randbedingungen für den Einsatz des jeweiligen Wärmeübertragers. Im Forschungsvorhaben sollen daher die beiden folgenden Strategien zur Weiterentwicklung und Optimierung von polymerbasierten Wärmeübertragern für die Verwendung in Meerwasserentsalzungsanlagen verfolgt werden: a) Die Materialwahl für Polymermatrix und Füllstoff wird neu aufgegriffen.

Verschiedene Komposite sollen untersucht werden. Für Polymer-Metall-Komposite sollen plasmapolymere Beschichtungen als Korrosionsschutz und für die Funktionalisierung der Oberflächen entwickelt werden. Rohre aus Polymer-Kompositen werden hinsichtlich Benetzungsverhalten, Wärmeübertragung und Belagbildungsverhalten systematisch und detailliert untersucht und iterativ für ihren Einsatz in Horizontalrohr-Rieselfilmverdampfern zur Meerwasserentsalzung optimiert. Mit den gewonnenen Daten sollen Auslegungs- und Simulationsrechnungen für großtechnische MED-Anlagen durchgeführt werden. Dazu sollen Programme zur Prozesssimulation genutzt werden. Die sich bei Einsatz von Komposit-Rohren ergebenden Leistungsdaten, z.B. erforderliche spezifische Heizfläche, spezifischer Energiebedarf, werden ermittelt und mit denen von Anlagen mit Wärmeübertragern aus metallischen Werkstoffen verglichen.


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b) Untersuchungen zur Weiterentwicklung und Optimierung von Fallfilmverdampfern mit dünnen Polymerfolien werden durchgeführt. Dazu werden weitere Polymere hinsichtlich ihrer Eignung für den Einsatz in Mehreffekt-Verdampfern zur Meerwasserentsalzung experimentell untersucht (z.B. Polypropylen, compoundierte Polymere). Neben Zeitstand-Zugversuchen, Benetzungs-versuchen, Scaling-Untersuchungen werden insbesondere auch CFD-Simulationen durchgeführt. Des Weiteren sollen mit den gewonnenen Daten Prozesssimulationen zur Auswahl geeigneter Wärmeübertragergeometrien (Anzahl der Spacer, Neigung, Abstand etc.) und Polymerwerkstoffe durchgeführt werden. Zudem wird eine Datenbasis für die Auslegung von Polymerfolien-Fallfilmverdampfern erarbeitet. Darauf aufbauend sollen geeignete Korrelationsgleichungen oder Modelle erstellt werden, die das mechanische Verhalten der Polymerfolien und die Wärmeübertragung beschreiben und somit eine mechanische und thermische Auslegung von Polymerfolien-Fallfilmverdampfern ermöglichen.

Mit Abschluss des Vorhabens sollen die Konzepte und Methoden soweit optimiert und erprobt sein, dass es möglich ist, Wärmeübertrager mit Polymerfolien oder mit Polymer-Kompositen als Wärmeübertragungsflächen für die Meerwasserentsalzung auszulegen, apparatetechnisch zu gestalten, in die technische Anwendung zu übertragen und deren Betriebsverhalten vorherzusagen. Die angestrebten Forschungsergebnisse sind darüber hinaus für zahlreiche andere Industriezweige in Deutschland, in denen Verdampfer geplant, ausgelegt, hergestellt und eingesetzt werden, von großem Nutzen. Dazu zählen z.B. die chemische Industrie, die Lebensmittel- und Pharmaindustrie und die Energie- und Umweltverfahrenstechnik.


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3.2 Lösungsweg und Ergebnisse

Das Vorgehen der drei Forschungsstellen und die erzielten Ergebnisse werden im Folgenden dargestellt. Dabei werden die Arbeitspakete (AP) mit den Ergebnissen in der Reihenfolge beschrieben, wie sie im ursprünglichen Forschungsantrag aufgeführt wurden, um eine leichtere Vergleichbarkeit der angestrebten und der erreichten Ergebnisse zu ermöglichen.

3.2.1 Optimierung von Polymerkompositen für den Einsatz in Verdampfern zur

Meerwasserentsalzung (IFAM)

Am Fraunhofer Institut IFAM wurden im Projektzeitraum Arbeiten zur Steigerung der thermischen Leitfähigkeit von thermoplastischen Polymeren durch Zugabe mikroskaliger Füllstoffpartikel durchgeführt. Im Gegensatz zu den im Vorgängervorhaben [VEU09] verwendeten nanoskaligen Füllstoffen sollten diese primär in diesem Projekt nicht zur Anwendung kommen. Die Matrixpolymere sollten durch geeignete Füllstoffe in dem Maße funktionalisiert werden, dass ihre Eigenschaften einen Einsatz in einer Meerwasserentsalzungsanlage zulassen. Das Gesamtmaterialkonzept sollte dabei im Idealfall sowohl technologisch als auch wirtschaftlich eine Alternative zu den am Markt etablierten Materialien / Verfahren darstellen. Aus internen Diskussionen mit Partnern aus dem Projektbegleitenden Ausschuss wurde eine thermische Mindestleitfähigkeit für ein solches Materialkonzept von 5 W/(m K) angestrebt.

3.2.1.1 Festlegen geeigneter Komposit-Formulierungen und deren Herstellung

(AP 1.1)

Die Materialauswahl erfolgte in enger Absprache mit dem Fachgebiet Technische Thermodynamik der Universität Bremen. Die Evaluierung des Materials bezog sich an dieser Stelle ausschließlich auf das Themengebiet der Polymer-Komposite für die Verwendung in Rieselfilmverdampfern mit Horizontalrohren und nicht wie in diesem Vorhaben ebenfalls erarbeitet für einen Plattenfilmverdampfer (Einsatz von Folien). Faktoren wie die geforderten Eigenschaften in einer solchen Anlagentechnik, Erfahrungen aus der Kompositentwicklung am IFAM, materialspezifische Besonder-heiten als auch beratende Anregungen aus dem Projektbegleitenden Ausschuss flossen in die Bewertung und Auswahl entsprechender Materialkomponenten mit ein. Nachfolgend wird diese Auswahl der entsprechenden Materialkonzepte und deren Herstellung und Verarbeitung genauer vorgestellt. Auswahl des Matrixpolymers

Verfahrenstechnische Anforderungen an das Polymer In den Anlagen der thermischen Meerwasserentsalzung herrschen extrem komplexe Bedingungen biologischer, chemischer und physikalischer Natur, die sehr hohe Ansprüche an die dort verwendeten Materialien stellen. Des Weiteren kommen mechanische Belastungen durch Abrasion, Reinigung und thermische Eigenspannungen hinzu.


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Folgende Anforderungen werden seitens der Verfahrenstechnik an das Polymer gestellt und nehmen Einfluss auf die Auswahl:

Dauergebrauchstemperatur mindestens 80°C geringe Wärmedehnung hohe mechanische Festigkeit und Biegefestigkeit möglichst geringe Wasseraufnahme Beständigkeit gegen heißes Wasser, wässrige Lösungen, Salzlösungen

und schwache Laugen geringe Wasserdampfdurchlässigkeit geringe Alterung, günstiges Zeitstandverhalten geringes Kriechverhalten physiologische Unbedenklichkeit

Im Gegensatz zu anderen Werkstoffen zeigen Polymere eine wesentlich höhere Temperaturabhängigkeit ihrer Eigenschaften. Eine Qualifizierung dieser Eigenschaft stellt die sogenannte Dauergebrauchstemperatur dar. Sie definiert die maximale Temperatur, bei der Kunststoffe in heißer Luft nach 20.000 h Lagerung nicht mehr als 50% ihrer Ausgangseigenschaften verloren haben. Gemäß den in MED Anlagen vorherrschenden Bedingungen sollte die Dauergebrauchstemperatur bei ca. 80°C liegen. Direkte Abhängigkeiten von der Dauergebrauchstemperatur ergeben sich hinsichtlich des Elastizitätsmodul E, der unter anderem Einfluss hat auf die mechanische Festigkeit, Biegefestigkeit und die Dehnung bzw. das Kriechen [Mic99]. Die besondere Atmosphäre aus heißem Wasserdampf und Meerwasser in einer MED-Anlage macht es erforderlich, dass die verwendeten Kunststoffe eine möglichst gute Verträglichkeit in dieser Umgebung aufweisen. Sie sollten entsprechend resistent gegen heißes Wasser sowie wässrige Salzlösungen sein. Ebenso sollten sie eine geringe Affinität zur Wasseraufnahme zeigen. Insbesondere polare Polymere neigen dazu, verstärkt Wasser aufzunehmen. Dies sind Polymere, die eine Amidgruppe oder Carboxylgruppe aufweisen und untereinander Wasserstoffbrücken ausbilden. Hier ziehen sich unterschiedlich polarisierte Wasserstoff- und Sauerstoffatome (polares Polymer) benachbarter Gruppen an (Abb. 3.1) [Che14]. Ein typisches polares Polymer dieser Klasse ist das Polyamid oder das Polyurethan.

Abb. 3.1: Carboxylgruppen des Nylons (PA66) [Che14]


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Unpolare Polymere hingegen, wie Polypropylen oder Polyethylen, nehmen Feuchte nur in sehr geringem Maße auf. Neben dem chemischen Aufbau der Polymere spielt bei der Wasseraufnahme auch die Oberflächenbeschaffenheit eine entscheidende Rolle. So nehmen hochverdichte Kunststoffoberflächen, wie sie zum Beispiel beim Spritzguss oder der Extrusion entstehen, wesentlich weniger Wasser auf als ein kompoundiertes Granulat oder zerspante Oberflächen [Eye05]. Eine erhöhte Wasseraufnahme in Polymeren führt in den meisten Fällen zu Eigenschaftsänderungen im Material. Festigkeit und Härte nehmen ab, das Material wird zäher. Zudem kann es zu Dimensionsveränderungen des Bauteils kommen. Für den vorliegenden Anwendungsfall ist es außerdem von hoher Bedeutung, dass das Polymer einen geringen Permeationskoeffizienten aufweist. Dieser beschreibt die Eigenschaft, in welchem Maße das Material Diffusionsvorgänge von fluiden Medien (hier Heizdampf) verhindert, um so ein Vermischen von Heizdampf und Meerwasser zu vermeiden. Langlebigkeit und ein gutes Zeitstandverhalten spielen bei Polymeren in industriellen Anlagen eine wichtige Rolle. Die Alterung bei Polymeren beschreibt die zeitliche Veränderung des Aussehens als auch die Veränderung bestimmter Eigenschaften. In den meisten Fällen kommt es über den betrachteten Zeitraum zu einer Verschlechterung der Kennwerte. Die Ursachen für diese Alterung sind in Meerwasserentsalzungsanlagen vorrangig in äußeren Einflüssen, bedingt durch die Art der Verfahrenstechnik, zu finden. Energiezufuhr durch Wärme, Temperaturwechsel, chemische Einflüsse und mechanische Beanspruchung begünstigen Rissbildung, Quellung, Materialverfärbungen und messbare Verschlechterungen weiterer Materialeigenschaften [Eye05]. Thermische Wechselwirkungen im Material, gerade bei Kompositen durch verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten, können zu inneren Spannungen im Polymer, gegebenenfalls zu einer Rissbildung an den Grenzflächen zweier Stoffsysteme (Delamination) führen. In Absprache mit der Universität Bremen wurden bestimmte Präferenzen hinsichtlich der Auswahlkriterien bzw. Mindestanforderungen gezogen, um so zu einer Fokussierung der wichtigsten Eigenschaften zu kommen. Die Auswahl für die Polymermatrix erfolgte in analoger Weise und bezugnehmend auf das Vorgängervorhaben [VEU09] und wurde wie folgt festgelegt:

Wärmeleitfähigkeit mindestens 0,2 W/(m K) Dauergebrauchstemperatur 80 °C hohe Beständigkeit gegenüber schwachen Laugen, heißem Wasser

und Salzlösungen. Im aktuellen Projekt wurden die Auswahlkriterien durch Aspekte aus dem Bereich der Verarbeitungs- und Kompoundierprozesse ergänzt. Kernpunkte aus diesem Bereich sind:

max. mögliche Verarbeitungstemperatur nicht > 260 °C Strangziehfähig, zur wirtschaftlichen Fertigung des Kompositmaterials hohe Affinität zur Einlagerung metallischer Füllstoffe


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physiologische Unbedenklichkeit, da für „Sonderpolymere“ keine spezifischen Ausrüstungen an der Kompoundierlinie enthalten sind.

Da die Kompoundierlinie, an der die Komposite hergestellt wurden, nur eine max. Verarbeitungstemperatur von 270 °C zulässt, konnten Hochtemperaturpolymere wie PEEK oder PPS und ein großer Teil der Fluorpolymere nicht mit in die Auswahl aufgenommen werden. Aus diversen vorangegangenen Kompoundierversuchen mit unterschiedlichen Polymeren konnten deutliche Unterschiede in der Fähigkeit der Polymere, metallische Füllstoffe aufzunehmen, festgestellt werden. Dies hängt zum einen von der jeweiligen Type des Polymers ab, ob es sich um eine niedrigviskose oder hochviskose Variante handelt, hauptsächlich jedoch von der Art der Thermoplaste. Teilkristalline Polymere, wie Polyamid 6, Polypropylen oder Polyethylen, lassen sich grundsätzlich besser und höher mit mikroskaligen Pulvern und Fasern beladen als amorphe Thermoplaste wie Polycarbonat, Acryl-Butadien-Styrol oder Polyvinylchlorid. Da Fluorpolymere während eines Kompoundierprozesses, bei hohen Temperaturen und im Zusammenspiel mit metallischen Füllstoffen, dazu neigen chemische Spaltprodukte freizusetzen (Perfluorisobutylen, Kohlenmonoxid), die toxikologisch als sehr bedenklich gelten, wurde zunächst auf die Verarbeitung dieser Materialien verzichtet [Pla14]. Die Verarbeitung dieser Materialien hätte anlagen- und raumtechnisch größere Umbaumaßnahmen vorausgesetzt. In der Tabelle 3.1 sind mögliche Polymere mit den für die Anwendung relevanten Eigenschaften zusammengestellt. Polymere, die in Absprache mit der Universität Bremen zu Kompositen verarbeitet werden sollten, sind in der Tabelle dunkel hinterlegt. Nach Überprüfung der Ausschlusskriterien und eingehender Diskussion mit der Universität Bremen wurden folgende Polymere für die ersten Kompositversuchsreihen ausgewählt:

Polyamid 6 (PA 6) Polyamid 66 (PA 66) Polypropylen Homopolymer (PP-H) Polyethylen HD (PE-HD) Polyethylen erhöhter Raumtemperatur (PE-RT) Polyoxymethylen Copolymer (POM-C)

Im Gegensatz zum Vorgängervorhaben fanden in diesem Projekt die Polymere der Polyamide Einzug in die Auswahl trotz der Problematik der relativ hohen Neigung zur Wasseraufnahme. Diskussionen mit dem Projektbegleitenden Ausschuss als auch sehr positive Erfahrungen mit der Herstellung von Kompositen auf Basis von PA6 in anderen Arbeiten ließen die Einbeziehung von PA 6 in die engere Polymerauswahl sinnvoll erscheinen.


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Tabelle 3.1: Kunststoffe und ihre für die beabsichtigte Anwendung relevanten Eigenschaften [Ker03, Hel01, Eye05]

Werk- stoffnr.

Wärmeleitfähigkeit bei 20°C W/(m K)

Längenausdehnung 20...100 °C

10-6/K

max. Temperatur kurzzeitig

°C

max. Temperatur

dauernd °C

Wasseraufnahme bei Wasserlagerung

%

Beständigkeit gegen

schwache Laugen


heißes Wasser


Salzlösungen

Dichte bei 20°C

kg/m3

E-Modul MPa

TEILKRISTALLINE THERMOPLASTE Polyamide Polyamid 6 (PA6) 1102 0,23 70 180 90 9,5 beständig bedingt beständig kA 1140 3000/1500 Polyamid 66 (PA66) 1142 0,23 70 200 100 8,5 beständig bedingt beständig kA 1140 3200/1600 Polyamid 6/6T (PA6/6T) 1161 0,23 60 250 130 7 beständig bedingt beständig kA 1180 3200/3200 Polyamid 12 (PA12) 1176 0,23 150 150 110 1,5 beständig bedingt beständig kA 1010 1500/1100 Polyacetale

Polyoxymethylen Copolymer (POM-C) 1202 0,31 110 140 90 0,8 beständig beständig kA 1390 2700 Polyoxymethylen Homopolymer (POM-H) 1204 0,37 122 140 80 0,9 beständig bedingt beständig kA 1420 2300 Polyoxymethylen + PE-UHMW (POM PE) 1212 kA 140 140 80 kA beständig bedingt beständig kA 1340 2300

Polyester Polyethylenterephthalat kristallin (PET) 1301 0,24 70 180 100 0,5 bedingt beständig unbeständig kA 1400 2800 Polybutylenterephthalat (PBT) 1311 0,27 130-160 150 120 0,5 bedingt beständig unbeständig kA 1300 2600

Polyethylene Polyethylen ultrahochmolekular (PE-UHMW) 1401 0,42 200 120 80 <0,1 beständig beständig beständig 930 720 Polyethylen hochmolekular (PE-HMW) 1403 0,41 130-160 100 80 <0,1 beständig beständig beständig 943 750 Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) 1411 0,42 120-150 100 90 0,01 beständig beständig beständig 963 1350 Polyethylen niedriger Dichte (PE-LD) 1412 0,3 230 100 70 <0,1 beständig bedingt beständig beständig 919 200 Polyethylen erhöhter Temperaturbeständigkeit (PE-RT) 0,42 190 100 90 0,01 beständig beständig beständig 941 645 Ethylen/Vinylacetat (E/VA) 1451 0,35 160 70 55 <0,1 beständig bedingt beständig beständig 931 65

Polypropylene Polypropylen Homopolymer (PP-H) 1502 0,22 100-200 140 100 <0,1 beständig beständig wässrige Salzlösungen 903 1450 Polypropylen Copolymer antistatisch (PP-C) 1503 0,22 100-200 120 90 <0,1 beständig beständig wässrige Salzlösungen 910 1350 Fluorkunststoffe Polytetrafluorethylen (PTFE) 1601 0,24 130-200 300 260 <0,1 beständig beständig beständig 2160 420 Perfluoralkoxy-Copolymer (PFA) 1611 0,22 130-200 280 260 <0,1 beständig beständig beständig 2150 690 Polyvinylidenfluorid (PVDF) 1651 0,25 130-160 150 150 0,04 beständig beständig beständig 1780 2500 Tetrafluorethylen/Ethylen-Copolymer (E/TFE) 0,23 40 220 150 0,03 beständig beständig 1700 1100 Teilkristalline Hochleistungskunststoffe

Polyetheretherketon (PEEK) 1701 0,25 47 300 250 <0,1 beständig beständig beständig 1320 3600

AMORPHE THERMOPLASTE Styrolpolymere Polystyrol (PS) 2101 0,17 80 80 70 <0,1 beständig bedingt beständig kA 1050 3200 Styrol-Butadien (SB) 2105 0,17 100 90 70 <0,1 beständig bedingt beständig kA (unbeständiger als PS) 1050 2000 Acrylnitrit/Butadien/Styrol (ABS) 2110 0,17 80-100 100 80 1,6 beständig beständig kA (beständiger als PS) 1050 2400 Styrol/Acrylnitrit (SAN) 2120 0,17 70 95 85 0,3 beständig beständig wässrige Salzlösungen 1080 3900 Acrylnitrit/Styrol/Acrylester (ASA) 2131 0,17 80-110 100 90 1,65 beständig beständig wässrige Salzlösungen 1070 2600

Polyester Polycarbonat (PC) 2301 0,21 70 140 125 0,35 unbeständig unbeständig kA 1200 2400

Schwefelpolymere Polysulfon (PSU) 2401 0,24 56 180 175 0,62 beständig beständig 1240 2480 Polyethersulfon (PES) 2441 0,17 55 220 180 2,1 beständig beständig kA 1370 2800 Polyphenylsulfon (PPSU) 2461 kA 55 180 160 1,1 beständig beständig beständig 1290 2340

Polyimide Polyetherimid (PEI) 2501 0,24 50 200 170 1,25 beständig beständig kA 1270 3200

Diverse Polymethylmethacrylat (PMMA) 2610 0,19 80 100 80 2 beständig unbeständig kA 1190 3200 Polyvinylchlorid (PVC-U) 2690 0,15 80 70 60 1,6 beständig unbeständig beständig 1380 3000

DUROPLASTE Formmassen Phenolharz PF 31 (PF 31) 2701 0,3 35 180 140 kA beständig bedingt beständig kA 1380 9000 Melamin/Phenolharz MP 183 (MP 183) 2721 0,45 40 160 135 beständig beständig 1650 10000 Polyurethan kompakt wärmestabilisiert (PUR 5220) 2862 0,25 120 180 120 kA beständig unbeständig 1140 1800


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Als zusätzliche Material-Mischung für den Einsatz in Entsalzungsanlagen wurde ein Metall-Polymer Verbundmaterial gewählt, das eine hohe Wärmeleitung erwarten lässt und auch für das Verständnis der entwickelten plasmapolymeren Beschichtungen wichtig ist. Dieser Ansatz sind Verbund-Rohre aus einem sehr gut wärmeleitenden metallischen Aluminium-Kern und einer dünnen polymeren Umhüllung. Für den Aluminium-Kern wurde eine 6060 Legierung gewählt, die jedoch nicht hinreichend beständig und korrosionsfest für den Betrieb in Meerwasserentsalzungsanlagen ist. Der schematische Aufbau der Verbund-Rohre und der Umhüllung sind in Abb. 3.2 dargestellt.

Abb. 3.2: Aufbau der Verbund-Rohre Für die Ummantelung der Rohre wurden unterschiedliche Polymerfolien nach folgenden Aspekten ausgewählt:

möglichst dünn, deutlich < 50 µm dauerhaft temperaturbeständig, > 100°C gut verklebbar, gegebenenfalls mit Plasmabehandlung am Markt gut verfügbar.

Unter diesen Aspekten wurden 6 Folienmaterialien ausgewählt, wie in Tabelle 3.2 aufgeführt. Tabelle 3.2: Für Verbund-Rohre ausgewählte Polymerfolien

Folienmaterial Stärke

PET aluminisiert 20 µm

PET 19 µm

TPE (EPUREX) 25 µm

PP 21 µm

PE-Schrumpfschlauch 50 µm

PEEK 25 µm

Aluminium-Rohr

Polymerfolie

spiralförmige Folienumwickelung


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Für das Aufbringen der Folien auf den metallischen Aluminium-Kern und eine gute wärmetechnische Anbindung wurde die Klebetechnik eingesetzt. Es wurden trägerlose doppelseitige Klebstoff-Filme hierfür gewählt, da hiermit am zuverlässigsten eine dünne homogene Verklebung zu erzielen ist. An die Medienbeständigkeit und Stabilität des Klebstoffes werden unter den Betriebsbedingungen einer Meerwasserentsalzung hohe Bedingungen gestellt. Deshalb wurden mit einigen Klebstoff-Filmen Heisswassertests (90°C, 7 Tage) mit einer Klebung auf Aluminium-Platten durchgeführt. Die Klebstoffe stammten aus der Gruppe der Acrylate, SBR (Styrol Butyl Rubber) und Silikone. Es wies hierbei der Acrylat-basierte Klebstoff-Film 3 M Scotch 467 MP (25 µm) die besten Eigenschaften auf. Dieser wurde dann für alle Verklebungen verwendet. Bei der Herstellung des Verbundes Aluminium-Rohr/Polymerfolie wurde zunächst das Rohr mit dem Klebstoff-Film belegt. Anschließend wurde die Polymerfolie spiralförmig aufgezogen. Hierbei erwies sich eine motorisierte Drehvorrichtung für den Antrieb der Rohre als wichtiges Hilfsmittel, um einen ausreichenden Zug und eine gleichmäßige Lagenbildung zu erzielen. Eigenschaften der ausgewählten Matrixpolymere Tabelle 3.3 gibt einen Überblick über die wichtigsten Eigenschaften der für die Komposite ausgewählten Polymere, die im Anschluss noch genauer beschrieben werden. Tabelle 3.3: Eigenschaften der ausgewählten Kunststoffe

Werkstoff PA 6 PA 66 PE-RT PE PP-H POM-C

Wärmeleitfähigkeit

bei 20°C in W/(m K) 0,23 0,23 0,42 0,42 0,22 0,31

Längenausdehnung

20-100°C in 10-6

/K 70 70 190 1120-150 100-200 110

max. Dauergebrauchs-

temperatur in °C 90 100 100 90 100 90

E-Modul

in MPa 1500 1800 645 1350 1450 2700

Wasseraufnahme bei

Wasserlagerung in % 9,5 8,5 0,01 0,01 < 0,1 0,8

Dichte

bei 20°C in kg/m3

1140 1140 941 963 903 1390


heißes Wasser bed.

bestg. bed.

bestg. beständig bestg. beständig Beständig


Salzlösungen kA kA beständig bestg. beständig Beständig


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Polyamid 6 / 66 Polyamide sind teilkristalline Kunststoffe, die über die letzten Jahrzehnte in immer weitere PA-Gruppen aufgeteilt wurden. Zu den heute wichtigsten Polyamiden gehören das PA6 und das PA66 (Nylon). Polyamide zählen zu technischen Kunststoffen und zeichnen sich durch eine hohe Zähigkeit aus. Die Höhe der Kristallinität kann bei den Polyamiden über die Abkühlgeschwindigkeit beeinflusst werden, der endgültige Wert tritt in der Regel erst nach 24 Stunden ein. Polyamid 6 als auch 66 sind sehr chemikalienbeständige Polymere und weisen neben der schon erwähnten guten Zähigkeit, eine gute Festigkeit, eine hohe Verschleißfestigkeit sowie gute Gleit-/ Reibungseigenschaften auf. Polyamid 66 weist im Vergleich zu Polyamid 6 eine höhere Wärmeformbeständigkeit auf und ist temperaturstabiler [Eye05]. Von beiden Typen sind am Markt Varianten erhältlich, bei denen eine Reduzierung der Wasseraufnahme von 30 % erreicht wird. Die meisten PA6- und PA66-Typen werden auch mit Füll-/ und oder Verstärkungsstoffen angeboten zur Festigkeitssteigerung oder Implementierung anderer additiver Eigenschaften. Zur Festigkeitssteigerung werden häufig Langfasern wie Glasfasern oder Kohlenstofffasern verwendet, als Kurzfasern oder Pulver kommen auch Metalle wie Kupfer, Bronze, Zink, Zinn und Nickel zum Einsatz. Des Weiteren gibt es eine große Bandbreite an Carbon, Ruß, Ruß und Bornitrid gefüllten Polyamiden. Die Polyamide zählen innerhalb der thermoplastischen Kunststoffe durch ihre Variantenanzahl zu den Kunststoffen mit dem größten Eigenschaftsspektrum [Eye05]. Polyethylen HD / RT Polyethylen zählt zu der Gruppe der Polyolefine, sie sind teilkristallin und werden in verschiedenen Modifikationen angeboten. Unter anderem in der Variante mit hoher Dichte (PE-HD) und die mit erhöhter Temperaturbeständigkeit (PE-RT). Polyethylene zeichnen sich im Vergleich zu anderen Polymeren durch eine niedrige Dichte bei gleichzeitig hoher Zähigkeit und Reißdehnung aus. Sie weisen eine hohe Beständigkeit gegen Chemikalien auf und zeigen nur eine sehr geringe Affinität zur Wasseraufnahme. Polyethylen HD wird vielfach in der Herstellung von Trink- und Abwasserrohren verwendet, die RT-Variante in Rohren mit höherer thermischer Belastung. Die Polyethylene gehören zu den Standardkunststoffen [Eye05]. Polypropylen-Homopolymer (PP-H) Das Polypropylen gehört ebenfalls zu den Polyolefinen und hat wie das Polyethylen einen teilkristallinen Aufbau. Polypropylen gehört zusammen mit dem Polyethylen zu den am häufigsten vorkommenden Standardkunststoffen. Im Vergleich zu Polyethylen ist die Dichte bei Polypropylen nochmals geringer und es ist bei höheren Temperaturen formbeständiger, woraus gleichermaßen eine geringere Neigung zur Spannungsrissbildung resultiert. Die Wasserdampfdurchlässigkeit ist mit 0,6 g/(m2 d) in etwa doppelt so hoch wie bei einem Polyethylen HD. Polypropylen hat eine unpolare Charakteristik und weist daher eine hervorragende Chemikalienbeständikeit auf. Polypropylen wird durch die Kombination aus guten Eigenschaften und günstigem Preis vielfach in der Verpackungsindustrie, der Folien- und Flaschenherstellung, aber auch in der Automobilindustrie verarbeitet [Eye05].


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Polyoxymethylen Copolymer (POM-C) Beim Polyoxymethylen handelt es sich um einen technischen Kunststoff mit einem relativ hohen Kristallisationsgrad von bis zu 80%. POM weist eine hohe Festigkeit, Steifigkeit und hohe Dimensionsstabilität auf. Die Dauergebrauchstemperatur liegt bei bis zu 130 °C, dementsprechend verfügt das Polymer über eine sehr gute Wärmeformbeständigkeit, die Wasseraufnahme ist mit 0,8 % immer noch als sehr gering einzustufen. Bei der Copolymervariante werden die instabilen Endgruppen durch Hydrolyse zu Formaldehyd umgewandelt, wodurch das Polymer eine verbesserte Stabilität hinsichtlich der Säure- und Wärmebeständigkeit erhält [Eye05]. Wird ein Polyoxymethylen über eine kritische Temperatur erhitzt, zersetzt sich dieses thermisch und es wird freies Formaldehyd gebildet, welches an einem reizend-stechenden Geruch zu erkennen ist. Für die Lebensmittelindustrie sind Polymervarianten mit reduziertem Formaldehydgehalt auf dem Markt erhältlich. Auswahl der Füllstoffe

Mikroskalige Füllstoffe offerieren unter anderem den Vorteil, dass sie einen geringeren Oberflächeneintrag im Matrixpolymer bewirken. Sie dispergieren nicht so fein und führen so zu einem erheblich geringeren Viskositätsanstieg. Bei sehr feinen Füllstoffen in Polymerschmelzen kann es dazu kommen, dass ein exponentiell starker Viskositätsanstieg erzeugt wird und es dadurch gezwungenermaßen zu einer frühzeitigen Limitierung der gewünschten Eigenschaften im Polymer kommt. Größer dimensionierte Partikel, eine homogene Verteilung vorausgesetzt, erzeugen bezogen auf das Volumenverhältnis schneller ein leistungsfähiges Netzwerk im Material als nanoskalige Partikel. Ein weiterer positiver Aspekt der größeren Füllstoffpartikel sind die günstigeren €/kg-Relationen, die für eine rentablere Fertigung sprechen. Die thermische Leitfähigkeit in einem elementaren Werkstoff kann auf zwei unterschiedliche Weisen erzeugt werden bzw. durch eine Kombination beider. Die eine entsteht durch das Vorhandensein beweglicher Elektronen, der Vorgang, der in Analogie auftritt zur elektrischen Leitfähigkeit wie es der Fall wäre bei der Verwendung elektrisch leitfähiger Füllstoffe. Der andere Effekt tritt auf durch Phononen, auch Gitterschwingungen genannt. Gitterschwingungen kommen bei elektrisch leitfähigen und nichtleitfähigen Materialien vor, im erstgenannten Fall werden allerdings die Schwingungseffekte durch die thermische Leitfähigkeit der beweglichen Elektronen überlagert. Die Bedingung für eine gute thermische Leitfähigkeit über Gitterschwingungen ist das Vorhandensein eines idealen ausgebildeten und defektfreien Gitters. Dieser Idealzustand ist bei synthetischem Diamant und kubischem Bornitrid zu beobachten, deren theoretische Wärmeleitfähigkeit mit ca. 2000 W/(m K) angegeben wird. Die kubischzentrierten Raumordnungen erzeugen allerdings ein sehr hartes und sprödes Material, noch dazu sind diese Materialien sehr teuer. Aufgrund dessen verwendet man häufig strukturell ähnliche Verbindungen, wie das hexagonal geschichtete Bornitrid. Durch die strukturellen Änderungen sinken die thermischen Leitfähigkeiten auf ca. 400 W/(m K), die sich anisotrop im Material ausbreiten (Abb. 3.3) [Hen14a].


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Abb. 3.3: Anisotrope thermische Leitfähigkeit eines einzelnen Bornitridkristalls [Hen14b]

Die Verarbeitbarkeit des hexagonal geschichteten Bornitrids ist hingegen sehr gut, da die Plättchenform des Werkstoffes eine schmierende Charakteristik besitzt und längst nicht so hart ist wie die kubische Variante. Die preisliche Gestaltung des Materials erlaubt ebenfalls eine Verwendung im industrienahen Maßstab. Im Projekt lag der Fokus zunächst auf der Verwendung metallischer Füllstoffe in Form von Pulver, Granulat und Fasern. Im weiteren Verlauf wurden dann Kompositvarianten in einer Kombination aus metallischen Füllstoffen und Bornitrid hergestellt. Tabelle 3.4 zeigt die im Vorhaben verwendeten Füllstoffe mit ihren Haupteigenschaften. Tabelle 3.4: Übersicht über die verwendeten Füllstoffe und ihre Eigenschaften

Werkstoff Geometrie Wärmeleitfähigkeit

W/(m K)

Elektrische

Leitfähigkeit

[S/m]

Dichte

[kg/m3]

Kupfer Faser 395 7x107 8900

MCP (Zink / Zinn

Leg.) Granulat 60 8,9x106 7270

Ferro-Chrom Pulver 83 8,7x106 6180

Ferro-Aluminium

Pulver 170 40x106 2100

Bornitrid Pulver 400 xy Nichtleiter 2200

In Vorversuchen konnte die Leistungsfähigkeit homogen eingebrachter Metallpartikel (Kupferfasern) mikroskaligen Maßstabs gezeigt werden. Anders als bei den üblichen am Markt erhältlichen Polymer-Metallfaser-Kompositen, wurde hier dem Komposit eine weitere metallische Komponente hinzugefügt. Dabei handelte es sich um eine niedrigschmelzende Legierung der HEK GmbH MCP Tooling Technologies in Lübeck mit der Bezeichnung MCP. MCP besteht aus Zinn und Zink und hat einen eutektischen Schmelzpunkt von 199°C [HEK02]. Die MCP-Legierung schmilzt in der Polymermatrix auf und lagert sich an und zwischen die metallischen Feststoffpartikel.


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Durch diese Brückenbildung ergibt sich ein sehr leistungsfähiges, elektrisch und thermisch leitendes Netzwerk. Das Einmischen einer solchen niedrigschmelzenden Legierung ermöglicht es einem zudem den möglichen Füllstoffgehalt an Fasern nochmals entscheidend zu erhöhen. Die niedrige Viskosität der Legierung senkt das Gesamtviskositätsniveau des Komposits, so konnte der metallische Füllstoffanteil von den üblichen 50 Gew.% auf max. 90 Gew.% (bei Bedarf) gesteigert werden. Weitere Komposiformulierungen wurden mit Ferrochrom bzw. Ferroaluminium hergestellt, teils in Kombination mit Bornitrid geimpftem Matrixpolymer. Eine genauere Beschreibung der Polymer/Füllstoffvarianten, den verarbeitungs-technischen Besonderheiten und den erlangten Ergebnissen erfolgt in Kapitel 3.2.1.2

3.2.1.2 Verarbeitung und iterative Anpassung des entsprechenden

Kompositmaterials (AP 1.2)

Zu Beginn der Arbeiten gab es Versuche, die Polymermatrix (PA6) mit den Metallen in einem beheizbaren Doppelschaufelkneter (Abb. 3.4) zu verarbeiten, der Mischungen im Batchsystem (diskontinuierliches Prinzip) herstellen kann, also eine fixe Menge bestimmter “Zutaten“.

Abb. 3.4: Temperierbarer Doppelschaufelkneter Es zeigte sich allerdings, dass das Metall nicht im ausreichenden Maße in die Polymerschmelze eingearbeitet werden konnte. Hauptgrund hierfür war die hohe Dichtedifferenz zwischen Polymer und Metall als auch die immensen Viskositätsunterschiede zwischen Polymer und dem MCP. Die Ergebnisse zeigten, dass sich nur ein kleiner Anteil des Metalls in das Polymer einarbeiten ließ. Es kam zu Materialseparation, die metallische Schmelze sammelte sich auf der Polymerschmelze (Abb. 3.5).

Abb. 3.5: Polymerschmelze mit separierter MCP-Legierung


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Aus den ersten Versuchen wurde deutlich, dass die benötigte Scherung, um ein Polymer mit etwas optimal zu mischen, in diesem System nicht ausreichte. Daher wurden sämtliche weitere Kompositvarianten auf einer Compoundierlinie erstellt. Kompositherstellung mittels Zweiwellenkneter

Bei der Anlage handelt es sich um einen gleichsinnig drehenden Doppelschneckenkompounder, der bei Bedarf in eine komplette Fertigungslinie zur Kompositherstellung eingebunden werden kann. Der Kompounder verfügt über max. vier einzeln steuerbare Dosierungen und ein komplexes Steuer- und Diagnoseprogramm. Bei einem Kompounder handelt sich, anders als bei einem Doppelschaufelkneter, um eine Anlage eines kontinuierlichen Herstellungsprozesses. Die Grundmaterialien werden über ein oder mehrere Dosierungen kontinuierlich zugeführt, im gleichen Maße verlässt plastifiziertes Material die Anlage.

Abb. 3.6: Zweiwellenkneter mit 4-fach Dosierungen

Zunächst wurden die richtigen Mengenverhältnisse für eine möglichst optimale Materialzusammensetzung und ideale Prozessparameter ermittelt. Der Materialfluss des Polymers wurde konstant gehalten. Die metallischen Füllstoffe, das MCP und die Kupferfasern wurden über gravimetrische Dosierversuche aufeinander eingestellt. Alle ausgewählten Matrixpolymere wurden vor der Verarbeitung zwei Stunden bei 80°C in einem Umluftofen getrocknet, um ein eventuelles Ausgasen von Wasser während der Verarbeitung auszuschließen. Die ersten Versuche mit PA6 zeigten auf Anhieb gute Ergebnisse, es konnten Füllgehalte von max. 90 Gew.% realisiert werden, bei nahezu konstanten Verarbeitungsbedingungen. Die Messung der elektrischen Leitfähigkeit am kompoundierten Strang ergab Werte, die im Bereich von Eisen / Stahl lagen, was von einer direkten Brückenausbildung zwischen den metallischen Partikeln zeugte. Die Brückenbindung zwischen metallischen Partikeln eines Füllstoffes wird auch Perkolationsgrenze genannt. Grafisch stellt sie einen S-förmigen Verlauf des Zusammenhangs zwischen Füllstoffkonzentration und elektrischer Leitfähigkeit bzw. Ohmscher Widerstand dar, wie Abb. 3.7 zeigt.


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Abb. 3.7: Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes von der Füllstoffkonzentration leitender Partikel

Aufgrund der Verbindung der metallischen Partikel untereinander und des Korrespondierens der thermischen zur elektrischen Leitfähigkeit konnte davon ausgegangen werden, dass dies zu einer erheblichen Verbesserung der thermischen Eigenschaften im Material führen würde. Nachfolgend wurde durch eine Versuchsreihe von Probekompoundierungen auf Grundlage eines PA 6 ermittelt, ab welchem Füllgrad die Perkolationsgrenze unterschritten wird. Dieser Wert sollte als Anhaltspunkt für die standardisierten Versuchsreihen mit den weiteren Matrixpolymeren dienen. Die Füllmengen an Metall (Kupferfaser und MCP) wurden nachfolgend jeweils um 3 Gew.% reduziert und anschließend am extrudierten Strang mittels Vierpunktmessung elektrisch charakterisiert (siehe Tabelle 3.5). Dadurch sollte die Basis der metallischen Füllstoffmenge für die weiteren Kompoundierversuche ermittelt werden. Tabelle 3.5: Ermittlung der unteren Perkolationsgrenze

Material Füllgehalt Gew.%

[Kupferfaser & MCP]

Elektrische Leitfähigkeit

[S/m]

PA 6 90 7 x 106

PA 6 88 6,3 x 106

PA 6 84 4,8 106

PA 6 81 3 x 106

PA 6 78 5,8 x 105

PA 6 75 4,8 x 102

Aus Tabelle 3.5 ist erkenntlich, dass es unterhalb von 78 Gew.% (~35 Vol.%) zu einem starken Abfall der elektrischen Leitfähigkeit kommt, da hier das metallische Netzwerk nicht mehr vollständig im Polymer vorliegt.


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Im Nachfolgenden wurden die ausgewählten Polymere zwecks einer besseren Bewertbarkeit im Herstellungsprozess mit demselben Füllgehalt von ~78 Gew. % kompoundiert. Erfasst wurden dabei:

Druckverlauf Stromverlauf des Antriebs Massetemperatur Entmischungen am Düsenausgang Abziehfähigkeit des Strangs

Die einzelnen Kompositvarianten wurden zunächst, wenn der Prozess stabil lief, zu jeweils 2-3 kg Material verarbeitet. Je nach Viskosität des Komposits wurde der extrudierte Strang zur schnelleren Abkühlung durch ein Wasserbad abgezogen, anschließend per Luftstrom vorgetrocknet und mit einem Granulator zu 3 mm Standardgranulat verarbeitet.

Abb. 3.8: Granulator und Komposit als 3 mm Standardgranulat

Aus den Compoundierungen konnten die in Tabelle 3.6 angegebenen Erkenntnisse zur Verarbeitung gewonnen werden.


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Tabelle 3.6: Bewertung der Compoundierung mit den Auswahl-Polymeren

Werkstoff Handelsname Art des

Polymers

Verarbeit-

barkeit Bemerkung

Polyamid 6 Ultramid, BASF technisch Sehr gut Lässt sich sehr

gut anfüllen

Polyamid 66 Altech, Albis technisch Gut Erreicht nicht das Niveau des PA6

Polypropylen Moplen, LyondellBasell

Standard Befriedigend,

Wasserbadkühlung Es kommt zu

leichten Separationen

Polyoxymethylen Copolymer

Hostaform TICONA

technisch gut erreicht nicht das

Niveau des Polyamids

Polyethylen HD Lupolen LyondellBasell

Standard befriedigend Lässt sich gut

anfüllen

Polyethylen RT Coolpolymer DOW

Standard Befriedigend, stark

am expandieren nach der Düse

anfüllbar, aber sehr hoher Druck, leichte Separation

Aus dem Kompositgranulat wurden im nächsten Schritt genormte Schulterstäbe (Zugstäbe) und zylindrische Scheiben an einer halbautomatischen Spritzgussanlage gefertigt (siehe Abb. 3.9), die für weitere Untersuchungen herangezogen wurden.

Abb. 3.9: Spritzgussproben aus dem Polymer-Metallkomposit, Schulterstäbe

Die gemessenen elektrischen Leitfähigkeiten an den Proben lagen nach dem Spritzgießen etwas über den Werten der compoundierten Stränge. Der Grund hierfür ist die mit hoher Wahrscheinlichkeit höhere Materialverdichtung beim Spritzgießen, wodurch sich die Fasern in größerem Maße berühren können. Die absoluten Leitfähigkeiten lagen zwischen 2,4 x 106 S/m (PA 6) und 3,5 x 105 S/m (PP). Die Spanne lässt darauf schließen, dass trotz gleich eingestellter Füllraten, die Polymer-Matrizes unterschiedliche Affinitäten zeigten, die Füllstoffe einzulagern. Optische und strukturelle Probencharakterisierung


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Da die compoundierten Kompositstränge nach der Düse teilweise aufexpandierten und sich Lufteinschlüsse im Material befanden, wurden zunächst genormte Spritzgusspropen fertigt. Die Proben wurden für eine optische Kontrolle mit einem Nassschleifpapier (2000er Körnung) leicht angeschliffen, so dass man ein metallisches Finish erhielt (Abb. 3.10). So konnte ein erster Eindruck vom Füllverhalten der Kavität des Spritzgußwerkzeuges gewonnen werden.

Abb. 3.10: Geschliffene Spritzgussproben zur optischen Charakterisierung

Ebenso konnten erste Aussagen über das anisotrope Verhalten der Füllstoffpartikel getroffen werden, speziell an der Angussseite und den „Einschnürungen“ der Proben sind deutliche Orientierungen der Fasern zu erkennen. Dennoch konnte festgestellt werden, dass es insgesamt zu sehr homogenen Füllstoffverteilungen in den Proben kam. Zur genaueren Betrachtung der Partikel und der Phasenübergänge wurden sowohl Untersuchungen am Auflichtmikroskop als auch am REM durchgeführt. Für die Auflichtmikroskopie mussten die Kompositproben eingebettet und geschliffen werden. Die so angefertigten Schliffe konnten dann optisch analysiert werden. Abb. 3.11 zeigt zwei Schliffe bzw. Aufnahmen in unterschiedlicher Vergrößerung. Auf den Bildern ist zu erkennen, wie das niedrigschmelzende Lot um die Fasern, aber auch in den Zwischenräumen anlagert.

Abb. 3.11: Kupferfasern und MCP in der Kunststoffmatrix, links 200 µm, rechts 600 µm


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Um genauer zu untersuchen, wie die Anbindung des MCP an den Kupferfasern erfolgt bzw. ob es tatsächlich zu einer vollständigen Benetzung kommt, wurden REM-Aufnahmen herangezogen. Die REM-Aufnahmen als auch die anderen optischen Untersuchungen bestätigten die ausreichende Verweildauer der Materialien im Kompounder und dementsprechend die Vermischung der einzelnen Komponenten. Abb. 3.12 zeigt eine REM-Aufnahme einer vom MCP umschlossenen Kupferfaser.

Abb. 3.12: Von MCP umschlossene Kupferfasern

Es zeigt sich, dass sich das MCP komplett um die Kupferbestandteile legt und den positiven Effekt generiert, dass diese Schicht als Korrosions- und Oxidationsschutz des Kupfers dient. Bestimmung der Wärmeleitfähigkeiten

Die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit erfolgte zunächst vergleichend durch zwei Methoden, der Photoflash-Methode und der Platte-Platte Methode. Als Probekörper kamen beim Photoflash-Ausschnitte aus den Zugstäben zur Anwendung, bei dem Platte-Platte-System die zylindrische Scheibe von Abb. 3.10.

Die Proben aus den Zugstäben wurden an einem LFA 447 NanoFlash Light-Flash-System der Firma Netzsch mittels Photoflash-Methode vermessen. Bei der Photoflash-Messung wird die Probe auf der Vorderseite durch einen kurzen Lichtblitz erwärmt. Um dann die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wärmeenergie in der Probe zu untersuchen, wird der Temperaturanstieg auf der Rückseite der Probe gemessen. Aus der zeitlichen Verzögerung des Temperaturanstieges schließt man auf die Temperaturleitfähigkeit. Um aus diesen Messwerten auf die Wärmeleitfähigkeiten der Komposite schließen zu können, mussten außerdem die Wärmekapazitäten mittels dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC) bestimmt werden. Die DSC-Messungen erfolgten an einem Diamond DSC der Fa. TA Perkin Elmer und beruhen auf dem Bestimmen der benötigten Heizleistung für das Erwärmen einer bestimmten Probenmenge mit einer definierten Temperaturrampe. Die Dichten der Komposite wurden ebenfalls experimentell bestimmt, anhand der Geometrie und der Masse der Probenkörper mittels einer Dichtewaage der Fa. Mettler Toledo (Typ XS603 Delta Range). Die Messungen erfolgten nach dem Auftriebsprinzip im Trägermedium Ethanol.


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Mit diesen ermittelten Parametern konnten die resultierenden Wärmeleitfähigkeiten für die verschiedenen Kompositproben berechnet werden:

pca . (3.1)

Bei der Platte-Platte-Methode wird der Probekörper zwischen einer Heiz- und einer Kühlplatte einer definierten Temperaturdifferenz ausgesetzt, wie in Abb. 3.13 dargestellt. Der Wärmestrom, der durch die Probe fließt, wird aus der zugeführten elektrischen Leistung der Heizplatte ermittelt.

Abb. 3.13: Schematischer Aufbau eines Platte-Platte-Messsystems Aus dem Wärmestrom durch die Messzone, der Temperaturdifferenz zwischen den Probenoberflächen und der Probengeometrie kann die Wärmeleitfähigkeit bestimmt werden. Die Ergebnisse der ersten Wärmeleitfähigkeitsmessungen sind in Tabelle 3.7 aufgelistet.


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Tabelle 3.7: Messwerte und errechnete Wärmeleitfähigkeiten

Komposit [Matrix:Füllstoff]

Dicke [mm]

Temperatur-leitfähigkeit

[mm²/s]

Wärme-kapazität [J/(g K)]

Dichte [g/cm³]

Wärme-leitfähigkeit [W/(m K)]

PA 6 (Cu,MCP) 78 Scheibe

(Platte Platte) 7 -- -- 3,01 2,01

PA 6(Cu,MCP) 78 Extrudiert

2,3 0,892 0,748 3,04 2,03

PA 6 (Cu,MCP) 78 2 0,953 0,692 3,14 2,066

PA 66 (Cu,MCP) 78 2 0,738 0,698 3,069 1,600

PE-HD (Cu,MCP) 78 2 1,001 0,714 2,653 1,899

PE-RT (Cu,MCP) 78 2 0,604 0,755 2,442 1,113

PP (Cu,MCP) 78 2 0,668 0,636 2,77 1,150

POM (Cu,MCP) 78 2 0,989 0,614 3,458 2,108

Aus den Ergebnissen in Tabelle 3.7 ist zu erkennen, dass beide Messverfahren dieselben Ergebnisse liefern. Aufgrund dessen wurde bei weiteren Messungen auf das Verfahren Platte-Platte verzichtet, da dies zeitlich den wesentlich höheren Aufwand erfordert. Grundsätzlich haben die ersten Kompositvarianten gute bis sehr gute Ergebnisse der Wärmeleitfähigkeiten geliefert. Es konnten mit den ersten Materialvarianten auf Anhieb Wärmeleitfähigkeiten von teilweise über 2 W/(m K) erreicht werden. Eine weitere positive Erkenntnis für spätere Messungen war die Analogie der Ergebnisse zwischen der spritzgegossenen und der extrudierten Probe. Demzufolge konnte bei weiteren Charakterisierungen auf ein paralleles Extrudieren des Materials verzichtet werden. Trotz des in den ersten Versuchen erreichten guten Niveaus der Wärmeleitfähigkeiten sind dennoch deutliche Unterschiede zwischen den einzelnen Varianten festzustellen. Die PA 6-Typen und das POM setzen sich in den Werten deutlich von den anderen Polymeren ab. Die Messergebnisse der Wärmeleitung decken sich mit den Eindrücken aus den Kompoundierungen. Hier kam es beim Polyamid 6 und dem POM zu den besten Ergebnissen, die Komposite basierend auf diesen Polymeren konnten prozesstechnisch am stabilsten hergestellt werden. Modifikation weiterer Kompositvarianten

Zur weiteren Verifizierung der verschiedenen Komposittypen wurden auf Basis von PA 6 weitere Formulierungen durchgeführt, da hier das größte Potenzial hinsichtlich einer weiteren Steigerung der Wärmeleitfähigkeit zu erwarten war. Getestet wurden Mischungen unter Zugabe von Bornitrid mit Ferroaluminium oder Ferrochrom als metallische Füllstoffe anstatt des Kupfers und der MCP-Legierung. Von den compoundierten Mischungen wurden im Anschluss der Materialherstellung


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erneut Spritzgussproben (siehe Abb. 3.14) gefertigt, von denen die Wärmeleit-fähigkeit ermittelt wurde.

Abb. 3.14: Zugproben aus PA 6 mit weiteren Füllstoffmodifikationen

Die in Tabelle 3.8 dargestellten Mischungsverhältnisse wurden gefertigt. Tabelle 3.8: Weitere Kompositvarianten basierend auf PA 6

Matrix-Werkstoff.

PA 6 Geometrie

Füllgehalt

Gew.% Bemerkung

+ Bornitrid (10) Pulver 10 sehr spröde

PA6 + Bornitrid (5) +(MCP / Cu)

Faser / Granulat 78 Spröde, faserig

PA6 + Bornitrid (10) +(MCP / Cu)

Faser / Granulat 78 sehr steif und

brüchig PA6 +Ferroaluminium

+ Bornitrid (5) Pulver 45 spröde

PA6 + Ferrochrom + Bornitrid (5)

Pulver 45 spröde

Die Werte in den Klammern sind Gew.% -Angaben des Bornitrids. Die Messwerte der modifizierten Kompositmaterialien lassen eine deutliche Steigerung der Wärmeleitfähigkeiten erkennen. Die Impfung des Matrixpolymers mit Bornitrid scheint vor allem bei der Verwendung der Kombination Kupfer / MCP und Ferroaluminium sehr vorteilhaft. Bei diesen Kompositvarianten konnten vereinzelt erheblich höhere Wärmeleitfähigkeiten gemessen werden, in der Kombination Kupfer + MCP und Bornitrid ca. 4,5 W/(m K), mit Ferroaluminium annähernd 3,5 W/(m K). Hier kommt es anscheinend materialspezifisch zu einer größeren Streuung, weshalb


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die Werte in der Tabelle 3.9 Mittelwerte mehrerer Messungen darstellen. Auffallend ist die niedrige Wärmeleitfähigkeit des Ferrochroms in Kombination mit dem Bornitrid. Hier liegt die Vermutung nahe, dass es zu keiner Kopplung der Füllstoffe untereinander kam, sondern höchst wahrscheinlich zu einer Abgrenzung des Ferrochroms durch das Bornitrid. Tabelle 3.9: Messwerte und errechnete Wärmeleitfähigkeiten der modifizierten Komposite

Komposit [Matrix + Füllstoff]

Dicke [mm]

Temperatur-leitfähigkeit

[mm²/s]

Wärme-kapazität [J/(g K)]

Dichte [g/cm³]

Wärme-leitfähigkeit [W/(m K)]

PA6 + Bornitrid 2 0,345 1,307 1,33 0,68

PA6 + (MCP / Cu) + Bornitrid 5

2 1,11 0,764 3,098 2,63

PA6 + (MCP / Cu) + Bornitrid 10

2 1,55 0,603 3,627 3,52

PA6 + Ferroaluminium + Bornitrid (5)

2 1,59 0,91 1,735 2,79


2 0,266 1,136 2,1 0,52

Ein hohes Potenzial, explizit auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten, ist dem Komposit mit dem Ferroaluminium zuzusprechen. Es zeigte in den ersten Versuchen sowohl eine sehr gute Verarbeitbarkeit in der Compoundierung als auch auf Anhieb vielversprechende Werte in der Wärmeleitfähigkeit. Da es sich bei Ferroaluminium um ein Additiv handelt, das in der Stahlveredelung in Großmengen zur Anwendung kommt, bietet es eine im Vergleich zu anderen metallischen Füllstoffen attraktive €/kg-Preisrelation (siehe auch Kapitel 3.2.1.6). Aus den Kompositvarianten PA6 + Cu / MCP und PA6 + Ferroaluminium / Bornitrid wurden in Rücksprache mit den Partnern aus dem Projektbegleitenden Ausschuss die erforderlichen Mengen Kompositmaterial für eine Rohrabformung hergestellt.

3.2.1.3 Charakterisierung der Kompositmaterialien bezüglich der

mechanischen Eigenschaften (AP 1.3)

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass zu Beginn des Projektes das Fraunhofer IFAM zusammen mit der Universität Bremen sich darauf verständigte, die Charakterisierungen der Komposite hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften idealerweise an den Rohren durchzuführen, um Realwerte in die Beurteilung einfließen zu lassen. Da Normzugproben eine andere Materialstärke aufweisen, sie im Spritzguss gefertigt sind und andere Orientierungen der Füllstoffpartikel zeigen, erschien deren Verwendung in praxisnahen Tests als nicht aussagekräftig und geeignet. Es sollten folgende Versuche durchgeführt werden:

Drei- und Vierpunktbiegeversuch, statisch und dynamisch Dauerwechselbelastung, Zug- / Druck dynamisch


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Mit diesen Beanspruchungen und Belastungen der Rohrproben sollten die in einer Meerwasserentsalzungsanlage entstehenden Kräfte und Lasten nachempfunden und simuliert werden. Durch die in Kapitel 3.2.1.5 näher beschriebenen Probleme hinsichtlich der Rohrabformung konnten diese Tests leider bis zum Ende des Projektes nicht durchgeführt werden. Zu den grundlegenden Eigenschaften der Polymer-Metall-Komposite ist anzumerken, dass die Steifheit der Compounds mit steigendem Metallanteil zu- und die Bruchdehnung abnimmt. Dieser Zusammenhang wird durch die Beigabe von Bornitrid noch verstärkt. Die Tabelle 3.10 gibt einige der wichtigsten Belastungen an. Tabelle 3.10: Mechanische Kenngrößen ausgewählter PA6-Komposite

Zusammensetzung Zug-E Modul

[MPa]

Bruchspannung

[MPa]

Bruchdehnung

[%]

PA6 + Bornitrid (5) +MCP / Cu

7900 38 2,3

PA6 + Bornitrid (10) +MCP / Cu

9500 45 2,4

PA6 + Ferroaluminium + Bornitrid (5)

6500 34 2,9


6400 33 3,1

Die hochgefüllten Komposite dieser Art erreichen E-Module > 8000 MPa und sind dementsprechend mit einem PA6Gf30 vergleichbar [Sae89]. Der Unterschied zeigt sich in den Bruchspannungen, die auf niedrigem Niveau liegen. Es ist allerdings besonders zu berücksichtigen, das duktile Fasern wie die aus Kupfer keine nennenswerte Erhöhung der Spannung erwarten lassen. Ebenso verhält es sich mit der vom Hersteller des MCP angegebenen Reißfestigkeit von 65 MPa [HEK02]. Daraus lässt sich schließen, dass Bauteile aus dem Komposit sehr gut für Druckbelastungen geeignet sind, Zug- und Biegebelastungen müssen hingegen besonders betrachtet werden. In dem Fall müssen gegebenenfalls konstruktiv unterstützende Hilfsmaßnahmen, wie Spacer in Rohrbündeln, in die Planung mit einkalkuliert werden.

3.2.1.4 Plasmapolymere Korrosionsschutzschicht auf metallfasergefüllten

Kompositstrukturen (AP 1.4)

Mit der plasmapolymeren Beschichtung der Kompositstrukturen wurde neben der Funktion als Korrosionsschutz insbesondere auch eine gute Benetzungswirkung im Betrieb (Rieselfilmverdampfer) sowie eine Reduktion der Belagbildung verfolgt.


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Die Herstellung der plasmapolymeren Beschichtungen erfolgte in einem Niederdruckplasma, d.h. in einer geschlossenen Vakuumkammer. Der schematische Aufbau einer Niederdruckplasmaanlage ist in Abb. 3.15 wiedergegeben. Abb. 3.16 zeigt ein Foto der Anlage am IFAM.

Abb 3.15: Schematischer Aufbau einer Niederdruckplasmaanlage

Abb. 3.16: Niederdruckplasmaanlage am IFAM, 1 m3, HF-Plasma 13.56 MHz Für die Schichtabscheidung ist insbesondere die Gruppe der siliziumorganischen Monomere geeignet. Es kommt grundsätzlich eine große Gruppe von Verbindungen in Betracht, die Auswahl muss jedoch unter den Aspekten des Handlings und auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten eingeschränkt werden. Die in Tabelle 3.11 aufgeführten drei Monomere wurden im Rahmen von Versuchsreihen näher


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untersucht und die Schichten in einem chemischen Test (Aluminium Blech, Tropfentest mit H2SO4) bewertet sowie analytisch charakterisiert. Tabelle 3.11: Zusammenstellung möglicher siliziumorganischer Precursoren und deren chemischen Eigenschaften

Die Monomere liefern aufgrund ihrer Unterschiede in der chemischen Struktur auch unterschiedliche Schichten. Mit TEOS lassen sich kohlenstoffarme SiOx-artige Schichten abscheiden, während es bei Verwendung von VTMS und HMDSO zur Abscheidung von kohlenstoffreicheren siliziumorganischen Schichten kommt. Diese Unterschiede werden auf die unterschiedlichen Bindungsenergien der C-O und der stabileren C-Si Bindung, welche bei den drei Precursoren in unterschiedlicher Anzahl vorkommen, zurückgeführt. Die Auswahl fiel auf siliziumorganische Schichten aufgrund ihrer geringeren Neigung zur Rissbildung in den Schichten aufgrund einer größeren Schichtflexibilität. In den Versuchen zeigten sich keine Vorteile bei der Abscheidung mit VTMS gegenüber HMDSO, weshalb HMDSO aufgrund der höheren Arbeitssicherheit und geringeren Kosten im weiteren Verlauf zum Einsatz kam. Das Parameterfeld zur Abscheidung der Schichten wurde durch eine begleitende Prüfung der Schichten im chemischen Test näher eingegrenzt. Es konnte ein relativ eng begrenzter Bereich mit guten, defektfreien Schichten erarbeitet werden. Diese Zone im Diagramm Plasmaleistung-/ Monomerfluss ist hinsichtlich des Monomerflusses durch Bereiche mit geringen Abscheideraten und schwach vernetzten (weichen) Schichten umgeben, wie in Abb. 3.17 dargestellt. Bei zu geringer Plasmaleistung tritt keine Schichtabscheidung auf, eine zu hohe Leistung führt zu pulverförmigen Schichten.


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Abb. 3.17: Zusammenhang zwischen Plasmaleistung und Monomerfluss Zur Schichtcharakterisierung wurden die analytischen Methoden Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und die Infrarotspektroskopie eingesetzt. In Abhängigkeit vom Arbeitsgas (N2/O2) ändert sich der Silanolanteil bei etwa 910 cm-1 relativ wenig. Wie in Abb. 3.18 dargestellt, ändert sich die IR-Bande des sogenannten "back-bone" dagegen im Bereich zwischen 1200 cm-1 und 100 cm-1 deutlich. Dieser verschiebt sich mit steigendem Sauerstoffanteil im Arbeitsgas hin zu 1190 cm-1.

Abb. 3.18: IR-Spektrum plasmapolymere Schicht


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Für den Einsatz auf Komposit-Rohren wurde ein Schichtkonzept entwickelt, das sowohl die Erfordernisse für ein polymeres Substrat als auch für das Metall berücksichtigt. Hieraus resultierte ein dreilagiger Aufbau der Schicht (siehe Schema in Abb. 3.19). Zur Anpassung an den Substratgrund wurde zunächst eine sehr dünne Haftvermittlerschicht (typisch 20 nm) aufgebracht und anschließend die eigentliche Funktionsschicht abgeschieden. Diese Schicht wurde mit einem hydrophoben Charakter erzeugt, um damit die Korrosionsresistenz gegen das Betriebsmedium Meerwasser zu erhöhen. Der hydrophobe Charakter dieser Beschichtung bedingt allerdings für den Betrieb im Rieselfilmverdampfer eine schlechte Wasserbenetzung und damit einen schlechten Wärmeübergang. Deshalb wurde auf die hydrophobe Funktionsschicht abschließend eine dünne plasmapolymere Schicht mit hydrophilem Charakter aufgebracht. Der gesamte Beschichtungsprozess wurde derart ausgeführt, dass es keine Prozess-Unterbrechungen zwischen den einzelnen Schichtbestandteilen gab. Es wurde immer ein kontinuierlicher Prozessablauf eingestellt, so dass das Plasma immer aktiv war und in der Prozess-Regelung lediglich die Monomerflüsse und die Plasmaleistung geändert wurden.

Abb 3.19: Grundsätzliches Schichtkonzept, dreilagiger Aufbau Für die Erprobung des Schichtverhaltens hinsichtlich der Schichtbeständigkeit unter Betriebsbedingungen, des Haftungsverhaltens sowie auch der Benetzung und Belagsbildung wurden für den Projektpartner Universität Bremen entsprechende Sätze von Rohrbündeln beschichtet. Die Substrate waren jeweils rein metallische oder polymere Werkstoffe. Dieses erfolgte zunächst, um eine klare, nicht vermischte Bewertung des Schichtverhaltens auf den Einzelbestandteilen des Kompositwerkstoffes zu erhalten. In Tabelle 3.12 sind einige typische Schichteigenschaften für verschiedene Sätze von Rohrmaterialien wiedergegeben, die in den Betriebstests der Universität Bremen (Rieselfilmverdampfer) untersucht wurden. Abb. 3.20 zeigt Rohre aus Kupfer-Nickel 90/10 mit plasmapolymerer Beschichtung. Der Schichtcharakter war in allen Fällen hydrophil, die Haftung der Schichten war gut, lediglich beim Polypropylen waren Haftungsschwächen vorhanden. Weitere Untersuchungen der Schichten erfolgten durch den Projektpartner Universität Bremen.


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Tabelle 3.12: Übersicht über die Rohrwerkstoffe mit plasmapolymerer Beschichtung und die Eigenschaften der Schichten

Material Schichtdicke

Reflektom.

Haftungstest

Tesa-Tape Test

Oberflächen-

charakter

Kupfer-Nickel 90/10 720 nm i.O. hydrophil

Sondermessing

(aluminium brass)

690 nm i.O. hydrophil

Edelstahl 1.4565 705 nm i.O. hydrophil

Aluminium,

AlMgSi0.5

630 nm i.O. hydrophil

Polypropylen 380 nm 30% Schichtverlust

hydrophil

Abb. 3.20: Rohre (CuNi10Fe1Mn) mit plasmapolymerer Beschichtung Im Rahmen des Projektes konnten keine Komposit-Rohre beschichtet werden, da wegen der unten genannten (Kap. 3.2.1.5) unerwarteten großen Schwierigkeiten und Qualitätsprobleme bei der Abformung der Rohre keine geeigneten Rohre zur Verfügung standen. Die weitere Materialvariante eines Verbundwerkstoffes, nämlich Verbundrohre aus einem metallischen Kern (Aluminiumlegierung) und einer dünnen polymeren Ummantelung (siehe Kap. 3.2.1), wurde in einigen Test-Varianten mit einer Plasmabehandlung versehen. Hierbei diente die Plasmabehandlung (Aktivierung, im O2-Plasma) der Einstellung eines hydrophilen Charakters an der Rohr-Oberfläche (Polymerfolie). Zusätzlich wurde auf dem metallischen Kernrohr (AW 6060) eine dünne plasmapolymere Haftvermittlerschicht aufgebracht, um eine gute Haftungsanbindung des Klebstoff-Films (Scotch 467 MP) zu erreichen.


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3.2.1.5 Iteratives Definieren und Abformen eines Kompositmaterials für Tests

in einer Technikumsanlage unter praxisnahen Bedingungen (AP 1.5)

Für die Rohrabformung wurden in Rücksprache mit den jeweiligen Partnern aus dem Projektegleitenden Ausschuss die benötigten Mengen des Kompositmaterials hergestellt. Versuchsmaterialien wurden an die Ensinger GmbH, die Novoplast Schlauchtechnik GmbH und an Technoform Kunststoffprofile GmbH geschickt. Nach Klärung der technischen Gegebenheiten der Extrusionslinien bei den Abformern erhielt die Ensinger GmbH eine Kompositvariante mit Ferroaluminium und Bornitrid, die Novoplast Schlauchtechnik GmbH und Technoform Kunststoffprofile GmbH erhielten das Material in einer Variante mit Kupferfasern und der niedrigschmelzenden Legierung MCP. Parallel zur Rohrabformung bei den erwähnten Partnern wurden Extrusionsversuche mit dem Material (PA 6 + Cu / MCP) an einem Brabender Plastographen am Fraunhofer IFAM durchgeführt (siehe Abb. 3.21).

Abb. 3.21: Eigene Extrusionsversuche, ohne Kalibrierstrecke, PA 6 + Cu / MCP

Die Versuche am Fraunhofer IFAM dienten ausschließlich der Erfassung von thermischen Daten in den unterschiedlichen Heizzonen des Extruders und dem Verhalten des Materials nach dem Düsenaustritt. Eine notwendige technische Peripherie, wie Kalibrierstrecke und passende Düsen standen dem Fraunhofer IFAM nicht zur Verfügung, weshalb die qualitativ hochwertige Abformung der Rohrstrukturen den entsprechenden Partnern aus dem Projektbegleitenden Ausschuss übertragen wurde. Die ersten Extrusionsversuche zeigten ein sehr komplexes Materialverhalten hinsichtlich des Temperaturverlaufs, der Viskosität und des Drucks. Es wurde ersichtlich, dass durch den hohen Metallanteil im Komposit der Wärmeintrag sehr lange erhalten blieb und demensprechend die Temperierung der einzelnen Zonen komplett neu erarbeitet werden musste. Ähnliches konnte bezüglich des Drucks festgestellt werden. Zu hoher Druck führte zu starkem Aufexpandieren des Hohlprofils, bis das Material einriss oder es zu einer Materialseparation kam. Hier trennte sich in den meisten Fällen die nierdigschmelzende Legierung MCP aus dem Materialverbund. Die Extrusionstests machten deutlich, dass das Material im Gegensatz zu anderen gefülltem Kompositen, ohne aufwändig angepasste Prozesstechnik und Geräteperipherie nicht zu Rohrstrukturen zu extrudieren war.


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Das Feedback der Abformer aus dem Projektbegleitenden Ausschuss zu den Abformversuchen bestätigten die bis hier gewonnenen Erkenntnisse. Bei der Firma Ensinger konnte aufgrund zeitlicher Kapazitätsengpässe keine aufwendigere Anpassung der Extrusionslinie erfolgen. Es konnten aber weitere Prozessdaten für eine spätere Verarbeitung bzw. für eine Modifizierung des Materials gewonnen werden. Bei der Firma Novoplast konnten, nach anfangs ähnlichen Schwierigkeiten, Rohre hergestellt werden (siehe Abb. 3.22). Die Rohre mit einem Außendurchmesser von 25 mm und einer Wandstärke von 1 mm wurden in Abschnitte von je einem Meter extrudiert. Aufgrund von Druckschwankungen und eines instabilen Temperaturverlaufs weisen die Rohre allerdings keine ideale zylindrische Form auf, zusätzlich variiert die Wandstärke recht stark. Dies wie auch die sehr raue Oberfläche sprechen für eine nicht ausreichende Verdichtung des Materials am Düsenaustritt.

Abb. 3.22: Extrudierte Komposit-Rohre der Firma Novoplast, PA 6 + Cu / MCP Die Defekte an den Rohrwandungen als auch die ungenügende Oberflächenqualität ließen einen Testeinsatz in der Technikums-Entsalzungsanlage der Universität Bremen nicht zu. Ebenso konnten keine mechanischen Eigenschaften (siehe 3.2.1.3) an den Rohrstrukturen charakterisiert werden, da es durch die fehlerhafte Rohrhülle nicht möglich war, belastbare Daten zu generieren. Die Firma Technoform Kunststoffprofile konnte in ihrem Hause in weiteren Tests zeigen, dass das Material auch hochverdichtet und mit einem sehr guten Oberflächenfinish abgeformt werden kann (siehe Abb. 3.23). Es handelte sich dabei anstatt eines Rohres um ein Rechteck-Flachprofil, da auch die Firma Technoform Kunststoffprofile bestätigte, dass das Material zwar in gewünschter Form extrudierbar sei, aber explizit Rohrstrukturen aus dieser Art von Kompositen einen enormen Prozess- und Anlagenaufwand bedeuten würden.


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Abb. 3.23: Extrudiertes Flachprofil der Firma Technoform Kunststoffprofile, PA 6 + Cu / MCP

Abschließend kann festgestellt werden, dass die Polymer-Metall-Komposite grundsätzlich zu Rohren extrudierbar sind, dies aber einen sehr hohen personellen, prozesstechnischen und in Folge dessen auch monetären Aufwand nach sich zieht. Weiter kann festgestellt werden, dass das Kompositmaterial in der geforderten Oberflächenqualität und Dichte verarbeitet werden kann. Im Projekt konnte aufgrund der beschriebenen Probleme, vorrangig wegen des hohen zeitlichen Aufwands bei der Extrusion, keine iterative Anpassung des Kompositmaterials an die Abformung bzw. Anforderung in der Meerwasserentsalzung mehr vorgenommen werden. Dieser Sachverhalt zeigt, dass der Projektbereich der „Produktherstellung“ (Rohrabformung) den vorher angedachten bzw. kalkulierten Rahmen des Arbeitspaketes in Arbeitsumfang und Volumen weit überschreitet. Das Potenzial des Materials konnte dennoch hinreichend belegt werden, auch wenn es nicht zu einer qualitativ ausreichenden Abformung von Rohren für den Einsatz in der Technikumsanlage der Universität Bremen aus beschriebenen Gründen gekommen ist. Die gewonnenen Ergebnisse aus den Arbeiten und die Einschätzungen des Projektbegleitenden Ausschusses stützen die Erkenntnis, dass es sich bei der Herstellung von Rohren aus Polymer-Metall-Kompositen, inbegriffen einer Materialanpassung, vielmehr um ein eigenständiges Projekt handelt.

3.2.1.6 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen (AP 1.6)

Die Materialkosten für die Polymer-Metall-Komposite wurden abgeschätzt. Bei Annahme einer Kompoundierung im industriellen Umfang wird eine deutliche Verringerung der Materialkosten für die Komposite, insbesondere für die Füllstoffe, erwartet. Dementsprechend wurden Preise zu Abnahmemengen der Ausgangsstoffe im Tonnenmaßstab abgeschätzt bzw. diese Informationen wurden eingeholt. Die entsprechenden Daten und die resultierenden Materialkosten für die drei verschiedenen Kompositmaterialien sind in Tabelle 3.13 zusammengestellt.


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Tabelle 3.13: Abschätzung der Materialkosten für die Komposite I, II und III

Werkstoff Preis *

[€/kg] Dichte **

[kg/m³] Anteil am Komposit [wt %]

I II III

PA 6 4 1100 22 22 22

Metallfaser 10 8900 45 45

Lot 25 7200 33 28

Ferro- aluminium

5 2100 73

Bornitrid 60 2100 5 5

Kompositpreis [€/kg] 13,60 15,4 7,5

*Händlerinformationen, ** Herstellerangaben Da die Qualität der Rohrstrukturen, die aus den Polymer-Metall-Kompositen extrudiert wurden, noch nicht ausreichend war, um sie in der Rieselfilmverdampfer-Anlage an der Universität Bremen einzusetzen, und daher noch keine Betriebsdaten (z.B. Wärmedurchgangskoeffizienten) und noch keine optimierten Rohre aus Polymer-Metall-Kompositen vorlagen, wurde von weitergehenden Wirtschaftlichkeits-betrachtungen für die Polymer-Metall-Komposite abgesehen. Im Fachgebet Technische Thermodynamik an der Universität Bremen wurden die in den Experimenten erzielten Ergebnisse für Komposit-Rohre aus Polypropylen und Graphit als Grundlage für Simulationsrechnungen von großtechnischen MED-Anlagen genutzt. Basierend auf Simulationsrechnungen wurde der Zielpreis für Komposit-Rohre, der sich ergibt, wenn die Wasserkosten der Komposit-Anlage den Wasserkosten einer Metall-Anlage entsprechen, abgeschätzt. Die Ergebnisse der Zielpreis-Ermittlung sind in Kapitel 3.2.2.6 dargestellt.


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polymerbasierten Rohrbündelwärmeübertragern (Uni Bremen)

Im Fachgebiet Technische Thermodynamik an der Universität Bremen wurden Untersuchungen zu Wärmeübertragern mit rohrförmigen polymerbasierten bzw. plasmabeschichteten Heizflächen durchgeführt. Ein Rieselfilmverdampfer mit horizontalen Rohren im Technikumsmaßstab wurde genutzt, um Benetzungs-verhalten, Wärmeübertragung und Kristallisationsfouling unter praxisnahen Bedingungen systematisch zu untersuchen. Zum einen wurden die in Kapitel 3.2.1.1 beschriebenen Verbund-Rohre bestehend aus einem Metallrohr umhüllt von einer dünnen Polymerfolie hinsichtlich Benetzungsverhalten, Wärmeübertragung und Kristallisationsfouling untersucht. Zum anderen wurden die vom IFAM entwickelten, in Kapitel 3.2.1.4 beschriebenen plasmapolymeren Beschichtungen hinsichtlich Benetzungsverhalten und Kristallisationsfouling charakterisiert. Die vom IFAM entwickelten Komposite bestehend aus einem Matrixpolymer, einem metallischen Füllstoff in Form von Pulver oder Fasern und gegebenenfalls einer metallischen niedrigschmelzenden Komponente konnten zwar zu rohrförmigen Strukturen extrudiert werden, ließen aber hinsichtlich ihrer Qualität keinen Einsatz in der Versuchsanlage zu. Die Materialwahl wurde erneut aufgegriffen und in Anlehnung an das Vorgängervorhaben wurden Polymer-Komposite bestehend aus einem thermoplastischen Kunststoff gefüllt mit Graphit von der Technoform Kunststoffprofile GmbH in Lohfelden, einem Partner aus dem Projektbegleitenden Ausschuss, zu qualitativ hochwertigen Rohren extrudiert. Die Oberflächengüte der Rohre, das Benetzungsverhalten, Wärmeübertragung und Kristallisationsfouling auf den Rohren wurden systematisch untersucht. Die in den Experimenten erzielten Ergebnisse wurden als Grundlage für Simulationsrechnungen zur Auslegung von großtechnischen MED-Anlagen sowie sich daran anschließende Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen genutzt. Im Folgenden wird zunächst der Rieselfilmverdampfer im Technikumsmaßstab, an dem die Untersuchungen durchgeführt wurden, beschrieben. Anschließend werden die erzielten Ergebnisse, gegliedert in Abschnitte zu Verbund-Rohren, plasma-polymeren Beschichtungen und Polymer-Komposit-Rohren, zusammengefasst und diskutiert.

3.2.2.1 Rieselfilmverdampfer im Technikumsmaßstab

Zur experimentellen Untersuchung des Benetzungsverhaltens der Rohre und der Wärmeübertragung sowie des Kristallisationsfoulings wurde eine im Fachgebiet Technische Thermodynamik vorhandene Horizontalrohr-Rieselfilmverdampferanlage im Technikumsmaßstab eingesetzt. Abb. 3.24 zeigt das Fließbild der aus Lösungskreislauf, Heizdampfkreislauf und Kühlkreislauf bestehenden Technikums-anlage.


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Abb. 3.24: Fließbild der Horizontalrohr-Rieselfilmverdampferanlage im Technikumsmaßstab Die Lösung wird vor Beginn eines Versuchs unter Verwendung einer Umwälzpumpe aus dem Vorlagebehälter über den Horizontalrohr-Verdampfer in einen Sammelbehälter befördert. Anschließend wird der Lösungskreislauf über ein Ventil geschlossen; somit ist der Vorlagebehälter vom Lösungskreislauf getrennt. Abb. 3.25 zeigt die Kernkomponente der Anlage, den Rieselfilmverdampfer. Die sechs auswechselbaren Rohre sind in einer Rohrreihe senkrecht untereinander angeordnet und vakuumdicht in den Rohrböden verschraubt. Die eingespannte Länge der Rohre beträgt 500 mm; davon bilden 453 mm die effektiv berieselte Rohrlänge. Rohre mit einem Außendurchmesser von 25 mm oder 22,4 mm wurden eingesetzt. Der vertikale Abstand zwischen den Rohrmittelachsen beträgt jeweils 49,8 mm. In typischen Rohrbündelwärmeübertragern mit einer 30°-Rohrteilung beträgt der Abstand zwischen den Mittelachsen zweier vertikal untereinander angeordneter Rohre mit da = 25 mm 56,3 mm [VDI06]. Die Rohrbündel der Horizontalrohr-Verdampfer in MED-Anlagen werden ähnlich ausgelegt. Über den oberen Stutzen tritt die Versuchslösung in den Mantelraum des Verdampfers ein, wobei ein Zackenwehr als Verteileinrichtung eingesetzt wird, um eine gleichmäßige Verteilung der Lösung auf das erste Rohr über die gesamte Rohrlänge zu gewährleisten. Von hier rieselt die Versuchslösung zunächst über die Scheitellinie des ersten Rohres und anschließend in einer Filmströmung über die darunter angeordneten Horizontalrohre. Am tiefsten Punkt des Sumpfes, der in Form einer Rinne ausgeführt ist, ist ein Ablaufstutzen installiert, über den die Versuchsflüssigkeit in den Sammelbehälter gelangt. Von dort wird die Flüssigkeit mit Hilfe der Umwälzpumpe zurück in den Verdampferkopf gefördert. Durch zwei im Mantel vorgesehene Schaugläser ist es möglich, den Benetzungszustand der Rohre und die sich einstellende Strömungsform visuell zu erfassen.


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Abb. 3.25: Darstellung des Rieselfilmverdampfers Für die Bereitstellung des Heizdampfes, der in den Rohren der Verdampferanlage kondensiert, wurde im Rahmen des Vorhabens ein elektrischer Dampferzeuger beschafft und installiert. Mit dem elektrischen Dampferzeuger ist es möglich, gesättigten Wasserdampf in einem Druckbereich von 100 mbar bis 900 mbar abs. zu erzeugen. Das Kondensat fließt zurück zum Dampferzeuger. Die frei werdende Kondensationsenthalpie wird genutzt, um die über die äußere Rohroberfläche rieselnde Versuchslösung auf Siedetemperatur zu erwärmen und dann teilweise zu verdampfen. Der entstehende Brüdendampf wird in einem Plattenkondensator kondensiert. Das Kondensat wird in den Sammelbehälter geleitet und mit der aufkonzentrierten Versuchslösung aus dem Verdampfer gemischt. Der Plattenkondensator wird mit Kühlwasser betrieben.

3.2.2.2 Metall-Polymer-Verbund-Rohre

Als Alternative zu den hoch korrosionsbeständigen und damit teuren Metallen, die in Meerwasserentsalzungsanlagen eingesetzt werden und zudem stark zur kristallinen Ablagerungsbildung neigen, wurden Verbund-Rohre untersucht, die aus einem hoch wärmeleitfähigen, aber gegenüber Meerwasser weniger korrosionsbeständigen Metallrohr und einer dünnen Polymerfolie bestehen. Während im Inneren der Rohre Wasserdampf kondensiert, soll die um die äußere Rohroberfläche gewickelte Polymerfolie einen Korrosionsschutz gegenüber Meerwasser bieten und Kristallisationsfouling verringern, ohne den Wärmedurchgang wesentlich zu verringern.

Konzentrat

Heizdampf Heizdampf

Versuchslösung

Heizdampf-kondensat

Heizdampf-kondensat

Brüdendampf

Sumpf


- 58 -

3.2.2.2.1 Materialauswahl (AP 2.1)

Die Materialauswahl für das metallische Kernrohr und für die Polymerfolien wurde in Zusammenarbeit mit dem IFAM durchgeführt. Für das Metallrohr (Außendurch-messer da = 25 mm, Wandstärke s = 1,5 mm) wurde die Aluminiumlegierung AW 6060 ausgewählt, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit (220 W/(m K) bei 20°C) aufweist, aber gegenüber Meerwasser nicht korrosionsbeständig ist. Die gewählten Polymerfolien und die Foliendicken sind in Tabelle 3.2 aufgeführt. Das gereinigte Metallrohr wurde mit dem Acrylat-basierten Klebstoff-Film 3 M Scotch 467 MP (25 µm) belegt und die Polymerfolien wurden spiralförmig aufgezogen, wie in Abb.

3.26 zu sehen.

Abb. 3.26: Verbund-Rohr: Kernrohr aus der Aluminiumlegierung AW 6060 umwickelt mit einer Polyetheretherketon-Folie (Foliendicke 25 µm)

3.2.2.2.2 Experimentelle Untersuchung der Fluiddynamik (AP 2.2)

In Rieselfilmverdampfern sind die Benetzbarkeit der Rohre und die Ausbildung eines vollständig geschlossenen Flüssigkeitsfilms auf den Rohren von zentraler Bedeutung. Ein nicht geschlossener bzw. aufgerissener Flüssigkeitsfilm und damit eine verkleinerte Wärmeübertragungsfläche bedeuten eine drastische Reduzierung des übertragenen Wärmestroms und der Effizienz der Verdampferanlage. Außerdem verstärken trockene Stellen auf dem Rohr das Kristallisationsfouling, weil im sehr dünnen verdampfenden Flüssigkeitsfilm an den Rändern der trockenen Stellen sehr hohe Übersättigungen der Salze auftreten. Die Berieselungsdichte kann definiert werden als Flüssigkeitsmassenstrom, der über eine Rohrhälfte strömt, bezogen auf die Rohrlänge oder als Flüssigkeitsmassenstrom, der über beide Rohrhälften strömt, bezogen auf die Rohrlänge. Letztere Definition wird im Folgenden für die Berieselungsdichte,

Lm

(3.2)

verwendet. Die Berieselungsdichte ist ein entscheidender Parameter in der Auslegung und im Betrieb von MED-Anlagen. Sie beinflusst die Filmdicke und die Wärmeübertragung, den themischen und elektrischen Energiebedarf, Kristallisations-fouling, die Investitions- und Betriebskosten einer Anlage und die Flexibilität im Betrieb. Typische Berieselungsdichten für Metallrohre in MED-Anlagen liegen im Bereich von 0,06 kg/(s m) bis 0,14 kg/(s m). Von MED-Anlagenherstellern und -betreibern werden möglichst niedrige Berieselungsdichten angestrebt. Das Benetzungsverhalten der Metall-Polymer-Verbund-Rohre wurde in der in Kapitel 3.2.2.1 beschriebenen Rieselfilmverdampferanlage untersucht. Als oberstes Rohr wurde ein Rohr aus der Aluminiumlegierung AW 6060 mit einem Außendurchmesser


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von 25 mm ohne Folienummantelung zur besseren Flüssigkeitsverteilung verwendet. Darunter wurden die Rohre aus der Aluminiumlegierung AW 6060 mit einem Außendurchmesser von 25 mm und den verschiedenen Polymerfolien (siehe Kapitel 3.2.1.1) eingesetzt. Es wurden Polymerfolien ohne Oberflächenbehandlung und in einer weiteren Versuchsreihe zum Vergleich die gleichen Polymerfolien mit einer Oberflächenaktivierung durch Plasmabehandlung (siehe Kapitel 3.2.1.4) eingesetzt. Die Rohre wurden bei Umgebungsbedingungen mit vollentsalztem Wasser berieselt. Ausgehend von trockenen Rohren wurde die Berieselungsdichte schrittweise erhöht und bei jeder Berieselungsdichte wurden zu veschiedenen Zeiten (0 min, 10 min und 20 min) Fotos aufgenommen. Der Anteil der benetzten Flächen ist auch von der Zeit abhängig. Während der Anteil der benetzten Flächen zwischen 0 und 10 min noch zunimmt, ist die Änderung zwischen 10 und 20 min nicht mehr groß, sodass bei jeder Berieselungsdichte der Benetzungszustand nach 10 min beurteilt wird. Wie in Abb. 3.27 dargestellt, zeigen die Polymerfolien ohne Oberflächenaktivierung erst ab einer sehr hohen Berieselungsdichte von 0,16 kg/(s m) einen geschlossenen Flüssigkeitsfilm (Bild links), während auf den Polymerfolien mit einer Oberflächenaktivierung durch Plasmabehandlung schon bei einer sehr geringen Berieselungsdichte von 0,03 kg/(s m) der Film geschlossen ist (Bild rechts). Abb. 3.28 zeigt bei einer typischen Berieselungsdichte von 0,06 kg/(s m) nur Flüssigkeitsrinnsale und Flüssigkeitstropfen auf den Polymerfolien ohne Oberflächenaktivierung (Bild links) und im Vergleich einen vollständig geschlossenen Flüssigkeitsfilm auf den Folien mit Oberflächenaktivierung (Bild rechts).

Abb. 3.27: Benetzungsverhalten der Verbund-Rohre mit vollentsalztem Wasser bei Umgebungsbedingungen: geschlossener Film auf Folien ohne Oberflächenaktivierung bei 0,16 kg/(s m) (links) und auf Folien mit Oberflächenaktivierung bei 0,03 kg/(s m) (rechts)


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Abb. 3.28: Benetzungsverhalten der Verbund-Rohre mit vollentsalztem Wasser bei Umgebungsbedingungen: Tropfen und Rinnsale auf Folien ohne Oberflächenaktivierung (links), geschlossener Film auf Folien mit Oberflächenaktivierung bei 0,06 kg/(s m) (rechts) Nach den Berieselungsversuchen wurden Blasen und Flüssigkeitseinschlüsse unter den Folien festgestellt, wie in Abb. 3.29 zu sehen. Daraufhin wurde am IFAM die Kleb- und Wickeltechnik verbessert. Da der PE-Schrumpfschlauch nicht eng auf dem Kernrohr anlag und dementsprechend eine sehr wellige Oberfläche und viele Blasen zeigte, wurde er als ungeeignet für weitere Versuche ausgeschlossen.

Abb. 3.29: Blasen und Flüssigkeitseinschlüsse unter den Polymerfolien der Verbund-Rohre nach ersten Berieselungsversuchen

3.2.2.2.3 Experimentelle Untersuchung der Wärmeübertragung (AP 2.3)

Basierend auf den Erfahrungen aus den Berieselungsversuchen wurde vom IFAM für die weiteren Versuche eine dünne plasmapolymere Haftvermittlerschicht auf dem Kernrohr aufgebracht und die Oberfläche der Polymerfolien wurde zur Einstellung eines hydrophilen Charakters durch eine Plasmabehandlung aktiviert (siehe Kapitel 3.2.1.4). Außerdem wurde die Folienwickelung durch eine motorisierte Drehvorrichtung der Rohre verbessert.


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Die Wärmeübertragung mit Metall-Polymer-Verbund-Rohren wurde in der in Kapitel 3.2.2.1 beschriebenen Rieselfilmverdampferanlage untersucht. Jeweils 6 Rohre (Außendurchmesser Kernrohr da = 25 mm, Wandstärke Kernrohr s = 1,5 mm) aus dem gleichen Materialverbund wurden im Rieselfilmverdampfer eingesetzt. Zum Vergleich wurden 6 Rohre aus der Aluminiumlegierung AW 6060 ohne Folienummantelung verwendet. Der Wärmedurchgang bei der Verdampfung von vollentsalztem Wasser mit einer Verdampfungstemperatur von 75°C und einer Kondensationstemperatur von 80°C wurde experimentell bestimmt. Für alle Versuche wurde eine einheitliche Berieselungsdichte von 0,1 kg/(s m) gewählt. Abb. 3.30 zeigt die mittleren Wärmedurchgangskoeffizienten, die mit den Verbund-Rohren ermittelt wurden, im Vergleich zum Wärmedurchgangskoeffizienten, der mit dem metallischen Kernrohr ohne Folienummantelung bestimmt wurde. Der Wärmedurchgangskoeffizient wurde von 4550 W/(m² K) durch die Folien-umwickelung auf Werte um 1200 W/( m² K) stark herabgesetzt.

Abb. 3.30: Experimentell ermittelte mittlere Wärmedurchgangskoeffizienten mit den Verbund-Rohren und zum Vergleich mit den Rohren aus der Aluminiumlegierung AW 6060 (da = 25 mm, s = 1,5 mm) bei der Verdampfung von vollentsalztem Wasser Ausgehend von dem Wärmedurchgangskoeffizienten, der sich mit dem Metallrohr ergeben hat, wurde die Herabsetzung des Wärmedurchgangskoeffizienten durch die Hintereinanderschaltung von Wärmewiderständen bedingt durch die Polymerfolie ( = 0,2 W/(m K)), die Klebschicht ( = 0,2 W/(m K), 25 µm) und eine mögliche Luftschicht ( = 0,03 W/(m K), 12 µm) berechnet. Wie in Abb. 3.31 dargestellt, setzt eine Polymerfolie mit einer Dicke von 25 µm den Wärmedurchgangs-koeffizienten auf rund 3100 W/(m² K) herab.

4550

12391053 1119

1374

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

Alu6060 Alu+PET (20 µm)

Alu+PP (19 µm)

Alu+TPE (25 µm)

Alu+PEEK (25 µm)

Wärm

ed

urc

hg

an

gsko

eff

izie

nt / W

/(m

2K

)

tKond = 80 CtVerd = 75 C = 0,1 kg/(s m)


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Abb 3.31: Einfluss der Dicke einer Polymerfolie, einer zusätzlichen Klebschicht (25 µm) oder einer Luftschicht (12 µm) auf den Wärmedurchgangskoeffizienten, der sich mit einem Rohr aus der Aluminiumlegierung AW 6060 ergibt Durch eine 25 µm dicke Klebschicht wird der Wärmedurchgangskoeffizient abermals stark verringert, wie in Abb. 3.31 dargestellt. Die Rechnungen zeigen, dass die Wärmedurchgangskoeffizienten vermutlich durch Lufteinschlüsse auf Werte um 1200 W/(m² K) herabgesetzt wurden. Für die Herstellung von Verbund-Rohren ist ein inniger Kontakt zwischen Folie und Metallrohr und die Technik der Folienaufbringung entscheidend.

3.2.2.2.4 Experimentelle Untersuchungen zum Kristallisationsfouling (AP 2.4)

In Versuchen mit künstlichem Meerwasser sollte die Neigung der Verbund-Rohre zum Kristallistallisationsfouling im Rieselfilmverdampfer beurteilt werden. Es wurde künstliches Meerwasser mit Salzgehalten von 45 g/kg und 65 g/kg verwendet. Das künstliche Meerwasser wurde nach einem ozeanographischen Rezept angesetzt [Kes67]. Die Verdampfungstemperatur betrug 75°C und die Kondensations-temperatur in den Rohren 80°C. Nach einer Versuchsdauer von 50 Stunden war auf den Polymerfolien der Verbund-Rohre auch bei Verwendung von Meerwasser mit einem hohen Salzgehalt von 65 g/kg kaum oder gar kein Belag zu sehen, während die Oberflächen der Rohre aus der Aluminiumlegierung 6060 schon bei einem geringeren Salzgehalt von 45 g/kg dicht belegt waren, wie in Abb. 3.32 zu sehen. Wie erwartet ist die Neigung der Oberflächen der Polymerfolien zum Kristallisationsfouling geringer als die von Metallrohren. Es wurde davon abgesehen, das Kristallisationsfouling auf den Verbund-Rohren näher zu untersuchen, da die Qualität der Folienaufbringung noch nicht ausreichend war und der Wärmedurchgang stark herabgesetzt war (siehe Kapitel 3.2.2.2.3).

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Wä

rme

du

rch

ga

ng

sk

oe

ffiz

ien

t /

W/(

m²

K)

Foliendicke / µm

Kernrohr + Folie

Kernrohr + Folie + Kleber (25 µm)

Kernrohr + Folie + Luftschicht (12 µm)


- 63 -

Abb. 3.32: Oberflächen der Rohre aus der Aluminiumlegierung AW 6060 (oben) und der Verbund-Rohre mit PET-Folie (mitte) und PP-Folie (unten) nach 50 h unter Verdampfungsbedingungen mit künstlichem Meerwasser; tKond = 80°C, tVerd = 75°C, = 0,1 kg/(s m)

3.2.2.3 Plasmapolymere Beschichtungen

Eine plasmapolymere Beschichtung der Polymer-Metall-Komposite, die vom IFAM entwickelt werden, zielt auf eine Funktionalisierung der Oberflächen zur Schaffung eines Korrosionsschutzes, zur Verbesserung der Benetzbarkeit und Reduzierung der Neigung zum Kristallisationsfouling. Vom IFAM wurden plasmapolymere Beschichtungen zunächst auf verschiedene Metall-Rohre (Kupfer-Nickel 90/10, Sondermessing (aluminium brass), Edelstahl 1.4565 und Aluminiumlegierung 6060 (AlMgSi0,5)) und auf ein Kunststoff-Rohr (Polypropylen) mit einem Außendurchmesser von 25 mm aufgebracht, um das Schichtverhalten auf den Einzelbestandteilen des Kompositwerkstoffs beurteilen zu können. Tabelle 3.12 in Kapitel 3.2.1.4 gibt einen Überblick über die beschichteten Rohrwerkstoffe und die Schichteigenschaften. Im Fachgebiet Technische Thermodynamik an der Universität Bremen wurden das Benetzungsverhalten und die Belagbildung auf den plasmapolymeren Beschichtungen untersucht. Im Folgenden werden die Ergebnisse dargestellt und diskutiert. Eine plasmapolymere Beschichtung von Rohren aus Polymer-Metall-Kompositmaterial konnte im Rahmen des Projekts vom IFAM nicht vorgenommen werden, da aus den in Kapitel 3.2.1.5 genannten Gründen noch keine einsatzfähigen Rohre aus Polymer-Metall-Kompositen extrudiert werden konten.

Alu 6060+

PET-Folie,

S = 65 g/kg

Alu 6060+

PP-Folie,

S = 65 g/kg

Alu 6060

ohne Folie,

S = 45 g/kg


- 64 -


Zur Charakterisierung der Benetzbarkeit der plasmapolymeren Beschichtungen auf den Rohren wurden Kontaktwinkelmessungen und Berieselungsversuche in der in Kapitel 3.2.2.1 beschriebenen Rieselfilmverdampferanlage durchgeführt. Kontaktwinkel wurden mit dem Kontaktwinkel-Messsystem G2 der Firma Krüss nach dem dynamischen Verfahren des fortschreitenden Kontaktwinkels gemessen. Alle Messungen wurden bei Umgebungsbedingungen mit vollentsalztem Wasser, Diiodmethan und Ethylenglycol als Testflüssigkeiten durchgeführt. Das Dosiervolumen von 6 l wurde mit einem konstanten Volumenstrom von 12 l/min gefördert. Während des 30 s dauernden Messvorganges wurden vom Messgerät 25 Einzelwerte aufgenommen, deren Mittelwert mit Standardabweichung von der Software ausgegeben wurde. In Abb. 3.33 sind die gemessenen Kontaktwinkel mit Wasser jeweils für das unbeschichtete und für das beschichtete Rohr dargestellt.

Abb. 3.33: Gemessene Kontaktwinkel mit Wasser für verschiedene Metalllegierungen und Polypropylen ohne Oberflächenbehandlung und mit plasmapolymerer Beschichtung

Basierend auf den Kontaktwinkelmessungen mit den drei Testflüssigkeiten wurden die Oberflächenenergien mit der Owens-Wendt-Rabel-Kaelble (OWRK)-Methode ermittelt. Abb. 3.34 zeigt die ermittelten Oberflächenenergien mit polarem und dispersem Anteil. In allen Fällen zeigen die Rohre mit plasmapolymerer Beschichtung einen deutlich geringeren Kontaktwinkel mit Wasser und einen größeren polaren Anteil der Oberflächenenergie im Vergleich zu den jeweils unbeschichteteten Rohren, was eine gute Benetzbarkeit erkennen lässt und die hydrophile Eigenschaft der Beschichtung bestätigt. Wie erwartet ist Polypropylen nur sehr schlecht mit Wasser benetzbar, was der große Kontaktwinkel von 93,9°, die sehr geringe Oberflächenenergie und der sehr geringe polare Anteil zeigen. Die plasmapolymere Beschichtung der Polypropylen-Oberfläche setzt den Kontaktwinkel auf 51,5° herab.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

AlMgSi0,5 AlMgSi0,5 + Plasma

SS 1.4565 SS 1.4565 + Plasma

Alu Brass Alu Brass + Plasma

CuNi 90/10 CuNi90/10 + Plasma

PP-H PP-H + Plasma

Ko

nta

ktw

inke

l / °


- 65 -

Abb. 3.34: Polare und disperse Anteile der Oberflächenenergien beruhend auf Kontaktwinkelmessungen für verschiedene Metalllegierungen und Polypropylen ohne Oberflächenbehandlung und mit plasmapolymerer Beschichtung

Beruhend auf den Kontaktwinkelmessungen mit den drei Testflüssigkeiten wurden auch die Benetzbarkeitsbereiche (wetting envelope) für die unbeschichteten Werkstoffe und die plasmapolymeren Beschichtungen ermittelt und in Abb. 3.35 dargestellt. Durch die plasmapolymeren Beschichtungen wurde der Benetzbarkeitsbereich jeweils stark vergrößert, insbesondere für Polypropylen. Das Benetzungsverhalten der unbeschichteten und beschichteten Rohre wurde in der in Kapitel 3.2.2.1 beschriebenen Rieselfilmverdampferanlage untersucht. Es wurden jeweils 6 unbeschichtete Rohre eines Werkstoffs und zum Vergleich 6 Rohre des beschichteten Werkstoffs eingesetzt. Die Rohre wurden bei Umgebungsbedingungen mit vollentsalztem Wasser berieselt. Ausgehend von trockenen Rohren wurde die Berieselungsdichte schrittweise erhöht und bei jeder Berieselungsdichte wurden zu veschiedenen Zeiten (0 min, 10 min und 20 min) Fotos aufgenommen. Der Anteil der benetzten Flächen ist auch von der Zeit abhängig. Während der Anteil der benetzten Flächen zwischen 0 und 10 min noch zunimmt, ist die Änderung zwischen 10 und 20 min nicht mehr groß.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

AlMgSi0,5 AlMgSi0,5 + Plasma

SS 1.4565 SS 1.4565 + Plasma

Alu Brass Alu Brass + Plasma

CuNi 90/10 CuNi90/10 + Plasma

PP-H PP-H + Plasma

Ob

erf

läc

he

ne

ne

rgie

/ m

N/m

disperser Anteil

polarer Anteil


- 66 -

Abb. 3.35: Benetzbarkeitsbereiche beruhend auf Kontaktwinkelmessungen für verschiedene Metalllegierungen und Polypropylen ohne Oberflächenbehandlung und mit plasmapolymerer Beschichtung Die Berieselunsgversuche bestätigen die oben gezeigten Ergebnisse der Kontaktwinkelmessungen. Die kritische Berieselungsdichte, ab der die Metall-Rohre vollständig mit einem Flüssigkeitsfilm bedeckt waren, wurde durch die plasmapolymere Beschichtung herabgesetzt. Während auf den unbehandelten Polypropylen-Rohren selbst bei hohen Berieselungsdichten nur Flüssigkeitstropfen und –rinnsale zu erkennen waren und der Anteil der benetzten Rohrfläche nicht über 22 % hinausging, waren die Rohre mit plasmapolymerer Beschichtung schon bei

0

5

10

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35

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45

50

55

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Po

lare

r A

nte

il

Ob

erf

läc

he

ne

ne

rgie

/ m

N/m

Disperser Anteil Oberflächenenergie/ mN/m

Wasser

AlMgSi0,5 + Plasma

AlMgSi0,5

0

5

10

15

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30

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Po

lare

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nte

il

Ob

erf

läc

he

ne

ne

rgie

/ m

N/m

Disperser Anteil Oberflächenenergie / mN/m

Wasser

SS 1.4565 + Plasma

SS 1.4565

0

5

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Ob

erf

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ne

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N/m


Wasser

Aluminium Brass

Aluminium Brass + Plasma

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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

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ne

rgie

/ m

N/m


Wasser

CuNi 90/10 + Plasma

CuNi 90/10

0

5

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15

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Po

lare

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nte

il

Ob

erf

läc

he

ne

ne

rgie

/ m

N/m


Wasser

PP-H + Plasma

PP-H


- 67 -

einer sehr niedrigen Berieselungsdichte von 0,02 kg/(s m) vollständig benetzt, wie in Abb. 3.36 dargestellt.

Abb. 3.36: Anteil der benetzten Rohroberfläche bei zunehmender Berieselung von PP-Rohren ohne Oberflächenbehandlung und mit plasmapolymerer Beschichtung mit vollentsalztem Wasser bei Umgebungsbedingungen


Zur Untersuchung der Belagbildung auf den plasmapolymeren Beschichtungen wurden Versuche im Rieselfilmverdampfer (siehe Kapitel 3.2.2.1) unter praxisnahen Bedingungen durchgeführt. Für die Versuche wurde künstliches Meerwasser mit einem Salzgehalt von 45 g/kg (Ionenstärke 0,94 mol/kg), was dem Salzgehalt des Meerwassers beispielsweise im Persischen Golf entspricht, und einem pH-Wert von 8,1 bzw. 8,2 verwendet. Das künstliche Meerwasser wurde nach einem ozeanographischen Rezept angesetzt [Kes67]. Es wurde eine hohe Verdampfungstemperatur von 75°C gewählt, die über der derzeitigen maximalen Solehöchsttemperatur von 70°C in MED-Anlagen liegt, um Kristallisationsfouling bei extremen Bedingungen zu untersuchen. Die Kondensationstemperatur des Heizdampfes in den Rohren betrug 80°C. Eine Berieselungsdichte von 0,1 kg/(s m) wurde gewählt. Es wurden jeweils Versuche mit den in Tabelle 3.14 aufgeführten Metall-Rohren ohne Oberflächenbehandlung und mit plasmapolymerer Beschichtung für eine Dauer von 4 Stunden und 50 Stunden (im stationären Zustand) durchgeführt. Um Versuche zum Kristallisationsfouling mit möglichst ähnlichem Wärmeleitwiderstand der Rohrwand und damit ähnlichen Bedingungen durchzuführen, wurde die Wandstärke der Rohre – sofern verfügbar – angepasst. Nach einer Versuchsdauer von 50 Stunden war auf den Oberflächen der beschichteten Metall-Rohre kaum Belag sichtbar. Zur qualitativen Charakterisierung wurde der Belag auf dem fünften Rohr von oben an zwei bzw. drei Probenstellen mit Rasterelektronenmikroskopie (REM) und energiedispersiver Röntgenmikroanalyse (EDX) analysiert. Der Belag vom vierten Rohr von oben wurde jeweils mit heißer


- 68 -

10%-iger Essigsäure vom Rohr abgelöst. Die Calcium- und Magnesium-konzentrationen in der Lösung wurden mit Atomabsorptionsspektrometrie (AAS) analysiert. Die Dicke des Belages vom dritten Rohr von oben wurde mit einem Schichtdickenmessgerät (MiniTest 2100, ElektroPhysik) gemessen. Es wurden jeweils 10 Messungen an 9 verschiedenen Positionen längs des Rohres und jeweils an 4 verschiedenen Positionen um den Umfang der Rohre durchgeführt. Tabelle 3.14: Metall-Rohre ohne Oberflächenbehandlung und mit plasmapolymerer Beschichtung für die Untersuchungen zum Kristallisationsfouling Werkstoff Wärmeleitfähigkeit

in W/(m K)

Außendurchmesser

in mm

Wandstärke

in mm

Schichtdicke

in nm

CuNi 90/10 (2.0872)

52 (@ 20°C)

60 (@ 100°C) 25 1,0

keine 720

Sondermessing (aluminium brass)

(2.0460) 112 (@ 100°C) 25 2,0

keine

690

Edelstahl 1.4565 13 (@ 20-100°C) 25 0,5 keine 705

AlMgSi0,5 (3.3206)

200-220 (@20°C) 25 1,5 keine 630

Unter den oben genannten Prozessbedingungen ist die Oberfläche von Metall-Rohren ohne Oberflächenbehandlung nach einer Versuchsdauer von 50 Stunden dicht mit kristallinem Belag bedeckt. Der Belag auf Metall-Rohren besteht aus einer dünnen Schicht aus blättrigem magnesiumhaltigen Belag, vornehmlich Magnesiumhydroxid, das die Metalloberfläche bedeckt, und einer dickeren Schicht aus stäbchenförmigen Calciumcarbonat-Kristallen in der Modifikation Aragonit [Wil06, Krö14]. Die REM-Aufnahmen in Abb. 3.59 (Kapitel 3.2.2.4.5) zeigen beispielhaft den Belag auf Rohren aus Kupfer-Nickel 90/10 nach einem Versuch im Rieselfilmverdampfer mit künstlichem Meerwasser unter gleichen Versuchs-bedingungen (Salzgehalt 45 g/kg, Verdampfungstemperatur 75°C und Kondensationstemperatur 80°C). Die Oberflächen der plasmabeschichteten Metall-Rohre aus Kupfer-Nickel 90/10, Sondermessing und Edelstahl 1.4565 waren nach einer Versuchsdauer von 50 Stunden nur sehr schwach und ungleichmäßig mit Salzen belegt, wie die REM-Aufnahmen in Abb. 3.37 zeigen. Mit energiedispersiver Röntgenmikroanalyse wurde sehr viel Si und O detektiert, was zeigt, dass die plasmapolymere Schicht nach 50-stündiger Verdampfung von Meerwasser noch auf der Oberfläche haftet. Auf der Oberfläche haben sich stellenweise ein feiner magnesiumhaltiger Belag, vereinzelt CaCO3-Kristalle sowie vereinzelt Ca, S, O-haltige Kristalle, vermutlich CaSO4, gebildet. Die REM-Aufnahmen in Abb. 3.38 zeigen die Oberfläche von plasmabeschichteten Rohren bestehend aus der Aluminiumlegierung 6060 nach einem Versuch mit künstlichem Meerwasser mit einem Salzgehalt von 45 g/kg. Die Rohroberfläche ist mit einem feinen, blättrigen Belag aus Magnesiumhydroxid überzogen. Viele Calciumcarbonat-Kristalle (Aragonit) sind auf der Rohroberfläche gewachsen.


- 69 -

Abb. 3.37: REM-Aufnahmen der Oberflächen der plasmabeschichteten Metall-Rohre: oben: Kupfer-Nickel 90/10, mitte: Sondermessing, unten: Edelstahl 1.4565; künstliches Meerwasser, S = 45 g/kg, tVerd = 75°C, tKond = 80°C, = 0,1 kg/(s m), = 50 h: 1- Rohroberfläche, 2- CaCO3 (Aragonit), 3- Mg, O-haltiger Belag, 4- Ca, S, O, Mg, Cu-haltiger Belag, 5 – Ca, S, O-haltiger Belag

1

2

3

4

5

5


- 70 -

Abb. 3.38: REM-Aufnahmen der Oberflächen der plasmabeschichteten Metall-Rohre aus AlMgSi0,5; künstliches Meerwasser, S = 45 g/kg, tVerd = 75°C, tKond = 80°C, = 0,1 kg/(s m), = 50 h: 2- CaCO3 (Aragonit), 3- Mg, O-haltiger Belag Abb. 3.39 zeigt den Calciumgehalt im Belag in Gramm Calcium pro m² Rohroberfläche und den Magnesiumgehalt in Gramm Magnesium pro m² Rohroberfläche für die unbeschichteten und beschichteten Metall-Rohre nach 50 Stunden bzw. 4 Stunden Versuchsdauer. Die Ergebnisse beruhen auf den AAS-Analysen. Im Vergleich zu den unbeschichteten Rohren aus Kupfer-Nickel 90/10, Sondermessing und Edelstahl 1.4565 befand sich nach einer Versuchsdauer von 50 Stunden auf den plasmapolymeren Beschichtungen deutlich weniger calciumhaltiger Belag, der auf unbeschichteten Rohren hauptsächlich aus CaCO3 in der Modifikation Aragonit besteht. Die Ergebnisse zeigen eine leichte Zunahme des magnesiumhaltigen Belages, wobei die quantitative Messung des Magnesiums aufgrund des geringen Gehalts schwierig ist. In Übereinstimmung mit den REM-Aufnahmen war die gesamte Belagmasse auf den plasmabeschichteten Rohren deutlich geringer als auf den unbeschichteten Rohren aus Kupfer-Nickel 90/10, Sondermessing und Edelstahl 1.4565. Auf den unbeschichteten Rohren aus der Aluminiumlegierung 6060 (AlMgSi0,5) war der Magnesiumgehalt im Belag relativ hoch. Auch auf den beschichteten Rohren konnte noch ein hoher Magnesiumgehalt festgestellt werden, was die REM-Aufnahmen in Abb. 3.38 bestätigen. Nach einer Versuchsdauer von 50 Stunden war mehr calciumhaltiger Belag auf dem beschichteten Rohr als auf dem unbeschichteten Rohr. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass die Haftung der plasmapolymeren Schicht nicht gegeben war.

2

3

2

3


- 71 -

Abb. 3.39: Mit Atomabsorptionsspektrometrie gemessene Calcium- und Magnesiumgehalte im Belag auf unbeschichteten (U) Metall-Rohren und auf Metall-Rohren mit plasmapolymeren Beschichtungen (B) nach einer Versuchsdauer von 50 bzw. 4 Stunden mit künstlichem Meerwasser

Die mittleren Belagdicken, die mit dem Schichtdickenmessgerät auf den Rohren ermittelt wurden, sind in Abb. 3.40 dargestellt. In Übereinstimmung mit den in Abb.

3.39 dargestellten Ergebnissen, war die Belagdicke auf den beschichteten Rohren deutlich geringer als die auf den unbeschichteten Rohren. Nur auf dem unbeschichteten und beschichteten Rohr aus AlMgSi0,5 waren die Belagdicken nach einer Versuchsdauer von 50 h ungefähr gleich groß, was auch mit den Ergebnissen der AAS-Analysen übereinstimmt und die Annahme unterstreicht, dass die Haftung der plasmapolymeren Schicht auf den Rohren aus der Aluminiumlegierung 6060 schwach war.


- 72 -

Abb. 3.40: Gemessene mittlere Belagdicken auf unbeschichteten (U) Metall-Rohren und auf Metall-Rohren mit plasmapolymeren Beschichtungen (B) nach einer Versuchsdauer von 50 bzw. 4 Stunden mit künstlichem Meerwasser

3.2.2.4 Polymer-Komposit-Rohre

Ziel der Entwicklung sind polymerbasierte Komposit-Rohre für den Einsatz in Mehreffekt-Verdampfern zur Meer- und Brackwasserentsalzung sowie für andere Anwendungen, z.B. in der chemischen Industrie, mit einem geringen Wärmeleitwiderstand (hohe Wärmeleitfähigkeit verbunden mit möglichst geringer Wandstärke), einer Dauergebrauchstemperatur über 80°C, einer hohen chemischen Resistenz, einem guten Benetzungsverhalten, einer geringen Foulingneigung, der Eignung für Trinkwasseranwendungen und einem konkurrenzfähigen Preis. Im Folgenden werden die Materialauswahl für die Polymermatrix und den Füllstoff sowie die Untersuchungen zur Oberflächengüte, zum Benetzungsverhalten, zur Wärmeübertragung und zum Kristallisationsfouling beschrieben.

3.2.2.4.1 Materialauswahl (AP 2.1)

Die Materialwahl für Komposit-Rohre wurde erneut aufgegriffen, da die vom IFAM entwickelten Polymer-Metall-Komposite sehr hohe Anforderungen an den Extrusionsprozess stellen und im Rahmen des Projekts nicht zu einsatzfähigen Rohren abgeformt werden konnten. Die Extrudierbarkeit des Kompositmaterials zu Rohren wurde dabei stärker in den Fokus gestellt. Es hat sich gezeigt, dass die Verarbeitung des Kompositmaterials und die Extrusion zu Rohren, die nicht in den Arbeitspaketen des Projektes enthalten sind, von zentraler Bedeutung sind, großes Know-how sowie spezielle Maschinen- und Werkzeugtechnik erfordern. Die Wahl geeigneter Matrixpolymere und Füllstoffe wurde daher zusammen mit der Technoform Kunststoffprofile GmbH in Lohfelden vorgenommen, die zu den weltweit renommierten Anbietern auf dem Gebiet der Extrusion von Kunststoffen und Kompositen gehört sowie Partner im Projektbegleitenden Ausschuss ist und die Komposite zu Rohren extrudiert hat.


- 73 -

Matrixpolymer

An das Matrixpolymer werden die folgenden Anforderungen gestellt: Schmelztemperatur bzw. Glasübergangstemperatur größer als 150°C Dauergebrauchstemperatur mindestens 80°C hohe Wärmeformbeständigkeit günstiges Zeitstandverhalten (hohe Lebensdauer) beständig gegen heißes Wasser und Wasserdampf beständig gegen heißes Meerwasser und schwache Laugen hohe mechanische Festigkeit, Biegefestigkeit gut füllbar extrudierbar zu Rohren, gut verarbeitbar geeignet für Trinkwasseranwendungen angemessener Preis

Aus der großen Gruppe der thermoplastischen Kunststoffe wurden Polypropylen, Polyamid 6, Polyamid 66, Polyamid 12 und Polyphenylensulfid als geeignet ausgewählt. Insbesondere Polypropylen erscheint gut geeignet, da es alle Anforderungen bei relativ niedrigem Preis erfüllt und für Trinkwasseranwendungen zugelassen ist. Füllstoff

An den Füllstoff werden die folgenden Anforderungen gestellt: hohe intrinsische Wärmeleitfähigkeit hohe chemische Beständigkeit gute Verträglichkeit mit der Polymermatrix und gute Dispergierbarkeit in der

Polymermatrix geeignet für Trinkwasseranwendungen angemessener Preis

Eine Vorauswahl führte zu Kupfer, Aluminium, Aluminiumoxid, Bornitrid und Graphit in partikulärer Form. Tabelle 3.15 gibt einen Überblick über die Eigenschaften der Füllstoffe und ihren Preis. Tabelle 3.15: Übersicht über mögliche Füllstoffe, ihre Eigenschaften [Bei01] und ihren Preis

Material Wärmeleitfähigkeit

W/(m K)

Chemische

Beständigkeit

Dichte

g/cm³

Preis (als Partikel)

Euro/kg

Kupfer 395 gut 8,9 196 Aluminium 231 gering 2,7 52 Aluminiumoxid 20-30 sehr gut 3,9 5-12 Bornitrid (hexagonal)

bis zu 400 (in Längsrichtung)

gut 2,2 50-80

Graphit 60 – 400 (in Längsrichtung)

sehr gut 1,8 2-15


- 74 -

Graphit mit seiner sehr hohen Wärmeleitfähigkeit in Längsrichtung, seiner sehr guten chemischen Beständigkeit, guten Eignung für Trinkwasseranwendungen und seinem relativ niedrigen Preis wurde als besonders geeignet ausgewählt. Graphit kann in verschiedenen Partikelformen, wie plättchen- oder kugelförmig, und Partikelgrößen vorliegen. Graphit-Plättchen bestehend aus mehreren geschichteten Ebenen sind beispielsweise 5 – 200 µm lang und nur wenige µm dick. Die Wärmeleitfähigkeit von Graphit zeigt ein stark anisotropes Verhalten. In Abb. 3.41 sind die Wärmeleitfähigkeiten in Längs- und in Querrichtung verschiedener Graphitsorten, die sich in der Partikelform und –größe unterscheiden, dargestellt.

Abb. 3.41: Wärmeleitfähigkeit in Längs- und Querrichtung verschiedener Graphitsorten, die sich in Partikelform und –größe unterscheiden [Pie93]

3.2.2.4.2 Untersuchung der Oberflächengüte der Rohre

Komposite bestehend aus einer thermoplastischen Polymermatrix (PP, PA 6, PA 12, PPS) und dem Füllstoff Graphit wurden von Technoform Kunststoffprofile GmbH zu Rohren mit einem Außendurchmesser von 22,4 mm und einer Wandstärke von 1,5 bzw. 1,0 mm extrudiert. Komposite mit hohem Füllstoffgehalt zwischen 50 Gew.-% und 75 Gew.-% konnten zu Rohren extrudiert werden (Abb. 3.42).

244

95

191

2535

14

0

50

100

150

200

250

300

Graphit 1 Graphit 2 Graphit 3

Wärm

ele

itfä

hig

keit

/

W/(

m K

) Längsrichtung

Querrichtung


- 75 -

Abb. 3.42: Komposit-Rohre aus PP und 75 Gew.-% Graphit, da = 22,4 mm, s = 1,5 mm Zur Charakterisierung der Oberflächengüte wurden Rauheits- und Welligkeitskenngrößen mit einem Tastschnittgerät (MarSurf GD25, Firma Mahr GmbH) gemessen. Die Messwerte wurden jeweils an 4 verschiedenen Positionen längs des Rohres und um den Umfang ermittelt. Tabelle 3.16 gibt einen Überblick über die an verschiedenen Positionen gemessenen arithmetischen Mittenrauwerte Ra und arithmetischen Mittelwerte der Beträge der Ordinatenwerte des Welligkeitsprofils Wa an Rohren aus PP gefüllt mit 75 Gew.-% Graphit im Vergleich zu gezogenen Sondermessing-Rohren. Sondermessing ist ein gängiger Rohrwerkstoff in MED-Anlagen (siehe Tabelle 2.1).

Tabelle 3.16: Gemessene arithmetische Mittenrauwerte Ra und arithmetische Mittelwerte Wa des Welligkeitsprofils der Komposit-Rohre aus PP gefüllt mit 75 Gew.-% Graphit im Vergleich zu einem gezogenen Rohr aus Sondermessing (aluminium brass)

Position 0°/10 cm 90°/20 cm 180°/30 cm 270°/40 cm Mittelwert

PP +

75% Graphit,

s = 1,5 mm

Ra / µm 0,922 0,562 0,628 0,443 0,639

Wa / µm 1,090 0,888 0,903 0,358 0,809

Alu Brass Ra / µm 0,348 0,383 0,626 0,322 0,420

Wa / µm 0,271 0,197 0,240 0,210 0,229

In Tabelle 3.17 sind die Mittelwerte der Rauheits- und Welligkeitswerte für die Komposite PPS+50% Gr, PA 12+70% Gr, PA 6+70% Gr, PP+70 % Gr und PP+75 % Gr aufgeführt. Zum Vergleich sind auch Werte für Polypropylen-Rohre und Sondermessing-Rohre angegeben.


- 76 -

Tabelle 3.17: Gemessene mittlere Rauheits- und Welligkeitswerte der Komposit-Rohre im Vergleich zu Rohren aus Polypropylen (ohne Füllstoff) und Sondermessing (aluminium brass)

in µm PPS

+ 50% Gr

s=1,5mm

PA12

+ 70% Gr

s=1,5mm

PA6

+ 70% Gr

s=1,5mm

PP

+ 70% Gr

s=1,5mm

PP

+ 75% Gr

s=1,5mm

PP

+75% Gr

s=1mm

PP

s=2mm

Alu

Brass

s=1mm

Ra 3,71 1,57 0,51 0,51 0,64 0,73 0,19 0,43

Rq 4,90 2,37 0,73 0,73 0,81 0,94 0,25 0,61

Rz 21,82 12,37 3,36 3,66 3,83 4,46 1,31 3,15

Rmax 31,64 18,25 6,24 6,57 5,77 5,77 2,18 4,32

RSm 183,63 184,31 273,76 203,51 191,10 303,06 139,68 105,62

Wa 1,90 1,85 2,98 1,64 0,81 1,69 0,16 0,22

Wq 2,35 2,30 3,61 1,94 0,96 2,06 0,18 0,27

Wt 9,97 8,35 10,76 6,33 3,49 7,46 0,70 1,06

WSm 1737,25 3070,50 k.A. k.A. 1633,31 2490,67 1544,00 2227,00

Abb. 3.43 zeigt die mittleren Mittenrauwerte Ra der Komposit-Rohre. Zum Vergleich sind die gemessenen mittleren Mittenrauwerte von Rohren aus Polypropylen und gezogenen Rohren aus Sondermessing (aluminium brass) angegeben.

Abb. 3.43: Gemessene mittlere Mittenrauwerte der Komposit-Rohre im Vergleich zu Rohren aus Polypropylen (ohne Füllstoff) und Sondermessing (aluminium brass) Die gemessenen Rauheits- und Welligkeitswerte zeigen, dass die Komposite zu Rohren mit glatten, geschlossenen Oberflächen extrudiert werden konnten. Insbesondere die Komposite bestehend PP oder PA 6 und Graphit zeigten selbst bei sehr hohen Füllstoffgehalten sehr glatte Oberflächen, deren Mittenrauwert im Bereich von gezogenen Sondermessing-Rohren, die sehr häufig in MED-Anlagen eingesetzt werden, liegt.

0

1

2

3

4

PPS PA12 PA6 PP PP PP PP Alu Brass

+ 50% Gr + 70% Gr + 70% Gr + 70% Gr + 75% Gr + 75% Gr

s = 1,5 mm s = 1,5 mm s = 1,5 mm s = 1,5 mm s = 1,5 mm s = 1,0 mm s = 2,0 mm s = 1,0 mm

Mit

tlere

r M

itte

nra

uw

ert

Ra /

µm


- 77 -


Zur Charakterisierung der Benetzbarkeit der Oberflächen der Komposit-Rohre wurden Berieselungsversuche in der in Kapitel 3.2.2.1 beschriebenen Rieselfilmverdampferanlage und Kontaktwinkelmessungen durchgeführt. In Vorversuchen wurden Komposit-Rohre aus PP mit 70 Gew.-% Graphit zunächst ohne Oberflächenbehandlung in der Rieselfilmverdampferanlage eingesetzt. Die Rohre wurden bei Umgebungsbedingungen mit vollentsalztem Wasser berieselt. Selbst bei hohen Berieselungsdichten über 0,1 kg/(s m) bildete sich auch nach mehreren Stunden kein geschlossener Flüssigkeitsfilm auf den Rohren. Es waren nur Flüssigkeitsrinnsale und -tropfen auf den Komposit-Rohren zu erkennen. Zur besseren Flüssigkeitsverteilung wurden dann in den beiden oberen Positionen Rohre aus Sondermessing mit einem Außendurchmesser von 25 mm verwendet. Darunter wurden vier Komposit-Rohre ohne Oberflächenbehandlung eingesetzt. Die Rohre wurden bei Umgebungsbedingungen mit vollentsalztem Wasser berieselt. Wie in Abb. 3.44 zu erkennen ist, zeigten die Rohre aus PP mit 70 Gew.-% Graphit bei einer Berieselungsdichte von 0,1 kg/(s m) selbst nach einer Berieselungszeit von 60 min nur Flüssigkeitsrinnsale und -tropfen, während der Flüssigkeitsfilm auf den beiden oberen Rohren aus Sondermessing unmittelbar nach Berieselungsbeginn vollständig geschlossen war.

Abb. 3.44: Berieselung von Rohren aus Sondermessing und aus PP gefüllt mit 70 Gew.-% Graphit ohne Oberflächenbehandlung mit vollentsalztem Wasser bei Umgebungsbedingungen und einer Berieselungsdichte von 0,1 kg/(s m): unmittelbar nach Berieselungsbeginn (links) und nach 60 min (rechts) Die gute Chemikalienbeständigkeit vieler Polymere ist mit einer niedrigen Oberflächenenergie verbunden und führt zu Problemen der Benetzbarkeit. Um die Benetzbarkeit zu verbessern, müssen die Polymere an der Oberfläche aktiviert werden, ohne deren Bulk-Eigenschaften zu verändern. Ziel ist die Funktionalisierung der Oberflächen zur Erhöhung der Oberflächenenergie und zur Verbesserung der Adhäsionseigenschaften. Zur Verbesserung der Benetzbarkeit wurden die Oberflächen der Komposit-Rohre von Technoform Kunststoffprofile aktiviert. Abb. 3.45 zeigt für Komposit-Rohre bestehend aus PP und 70 Gew.-% Graphit mit Oberflächenaktivierung einen geschlossenen Wasserfilm mit einer Berieselungsdichte von 0,1 kg/(s m) bei Umgebungsbedingungen.


- 78 -

Abb. 3.45: Berieselung von Rohren aus PP gefüllt mit 70 Gew.-% Graphit mit Oberflächenaktivierung mit vollentsalztem Wasser bei Umgebungsbedingungen und einer Berieselungsdichte von 0,1 kg/(s m) Zur weiteren Charakterisierung der Benetzbarkeit der Oberflächen der Komposit-Rohre wurden Kontaktwinkelmessungen mit dem Kontaktwinkel-Messsystem G2 der Firma Krüss nach dem dynamischen Verfahren des fortschreitenden Kontaktwinkels durchgeführt. Alle Messungen wurden bei Umgebungsbedingungen mit vollentsalztem Wasser, Diiodmethan und Ethylenglycol als Testflüssigkeiten

durchgeführt. Das Dosiervolumen von 6 l wurde mit einem konstanten Volumenstrom von 12 l/min gefördert. Während des 30 s dauernden Messvor-ganges wurden vom Messgerät 25 Einzelwerte aufgenommen, deren Mittelwert mit Standardabweichung von der Software ausgegeben wurde. In Abb. 3.46 sind die gemessenen Kontaktwinkel mit Wasser für PP (ohne Füllstoff) und für PP mit 70 Gew.-% Graphit ohne Oberflächenbehandlung sowie für die aktivierten Komposit-Oberflächen aus PP mit 70 Gew.-% Graphit, PPS mit 50 Gew.-% Graphit, PA 12 mit 70 Gew.-% und PA 6 mit 70 Gew.-% dargestellt. Zum Vergleich ist auch der Kontaktwinkel mit Wasser für Sondermessing (aluminium brass) dargestellt.

Abb. 3.46: Gemessene Kontaktwinkel mit Wasser für PP und PP+70 Gew.-% Graphit (Gr) ohne Oberflächenbehandlung sowie für PP + 70 Gew.-% Graphit, PPS + 50 Gew.-% Graphit, PA 12 + 70 Gew.-% Graphit und PA 6 + 70 Gew.-% Graphit mit Oberflächenaktivierung und für Sondermessing (aluminium brass)

0

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120

PP PP + 70% Gr

PP + 70% Gr

PPS + 50% Gr

PA12 + 70% Gr

PA6 + 70% Gr

Alu Brass

Ko

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ktw

ink

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ohne Oberflächenaktivierung

mit Oberflächenaktivierung


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Basierend auf den Kontaktwinkelmessungen mit den drei Testflüssigkeiten wurden die Oberflächenenergien mit der Owens-Wendt-Rabel-Kaelble (OWRK)-Methode ermittelt. Abb. 3.47 zeigt die ermittelten Oberflächenenergien mit polarem und dispersem Anteil.

Abb. 3.47: Polare und disperse Anteile der Oberflächenenergien beruhend auf Kontaktwinkelmessungen für PP und PP+70 Gew.-% Graphit (Gr) ohne Oberflächenbe-handlung sowie für PP + 70 Gew.-% Graphit, PPS + 50 Gew.-% Graphit, PA 12 + 70 Gew.-% Graphit und PA 6 + 70 Gew.-% Graphit mit Oberflächenaktivierung und für Sondermessing (aluminium brass) Wie erwartet ist Polypropylen nur sehr schlecht mit Wasser benetzbar, was der große Kontaktwinkel von 93,9°, die sehr geringe Oberflächenenergie und der sehr geringe polare Anteil zeigen. Das Komposit aus PP und 70 Gew.-% ohne Oberflächenbehandlung zeigt ähnliche Werte, während alle aktivierten Komposit-Oberflächen deutlich geringere Kontaktwinkel, größere Oberflächenenergien mit höherem polarem Anteil aufweisen, was eine gute Benetzbarkeit erkennen lässt. Die Oberflächenenergien der Komposite mit Oberflächenaktivierung sind größer als die Oberflächenenergie von Sondermessing. Der polare Anteil der Oberflächenenergie der Komposite mit PPS, PA 6 und PA 12 mit Oberflächenaktivierung ist sogar größer als der polare Anteil vom metallischen Referenzwerkstoff. Beruhend auf den Kontaktwinkelmessungen mit den drei Testflüssigkeiten wurden auch die Benetzbarkeitsbereiche (wetting envelope) für reines PP und für PP mit 70 Gew.-% Graphit ohne Oberflächenbehandlung sowie für die aktivierten Komposit-Oberflächen aus PP mit 70 Gew.-% Graphit, PPS mit 50 Gew.-% Graphit, PA 6 mit 70 Gew.-% und PA 12 mit 70 Gew.-% ermittelt und in Abb. 3.48 dargestellt. Auch der Benetzbarkeitsbereich von Sondermessing ist zum Vergleich dargestellt. Durch die Oberflächenaktivierung wurde der Benetzbarkeitsbereich der Komposite stark vergrößert. Der Benetzbarkeitsbereich der oberflächenaktivierten Komposite mit PPS, PA 6 und PA 12 ist sogar größer als der von Sondermessing.

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40

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PP PP+ 70% Gr

PP + 70% Gr

PPS + 50% Gr

PA12 + 70% Gr

PA6 + 70% Gr

Alu Brass

ohneOberflächen-aktivierung

ohne Oberflächen-aktivierung

mitOberflächen-aktivierung




ohne Oberflächen-aktivierung

Ob

erf

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ne

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/ m

N/m

disperser Anteilpolarer Anteil


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Abb. 3.48: Benetzbarkeitsbereiche beruhend auf Kontaktwinkelmessungen für PP und PP + 70 Gew.-% Graphit (Gr) ohne Oberflächenbehandlung sowie für PP + 70 Gew.-% Graphit, PPS + 50 Gew.-% Graphit, PA 12 + 70 Gew.-% Graphit und PA 6 + 70 Gew.-% Graphit mit Oberflächenaktivierung und für Sondermessing (aluminium brass)

3.2.2.4.4 Experimentelle Untersuchung der Wärmeübertragung (AP 2.3)

Aufgrund des stark anisotropen Verhaltens der Wärmeleitfähigkeit müssen die Graphit-Partikel in der Polymermatrix beim Extrusionsprozess ausgerichtet werden, um eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit in gewünschter Richtung zu erzielen. In den Rohrwänden von Wärmeübertragern sollten die Partikel demnach radial ausgerichtet werden. In einem Spritzgießprozess oder Standard-Extrusionsprozess ist dies nicht oder nur zu geringem Grad möglich. Technoform Kunststoffprofile GmbH ist es mit einem speziellen Extrusionsprozess gelungen, die Graphit-Partikel in einem Bereich von 45° bis 90° relativ zur Extrusionsrichtung auszurichten. Zur experimentellen Untersuchung der Wärmeübertragung mit den Komposit-Rohren unter praxisnahen Bedingungen wurde die in Kapitel 3.2.2.1 beschriebene Rieselfilmverdampferanlage eingesetzt. Für die Versuche wurde künstliches Meerwasser mit einem Salzgehalt von 65 g/kg, was dem Salzgehalt des aufkonzentrierten Meerwassers auf den unteren Rohren in Mehreffekt-Verdampfern

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10

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30

40

50

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0 5 10 15 20 25 30 35 40

Po

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en

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P/ m

N/m

Disperser Anteil der Oberflächenenergie σD / mN/m

PA12 + 70% Gr aktiviert

PA6 + 70% Gr aktiviert

PPS + 50% Gr aktiviert

PP + 70% Gr aktiviert

Alu Brass

PP + 70% Gr

PP

Wasser


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(MED-Anlagen) entspricht, und einem pH-Wert von 8,1 bzw. 8,2 verwendet. Das künstliche Meerwasser wurde nach einem ozeanographischen Rezept angesetzt [Kes67]. Es wurde eine hohe Verdampfungstemperatur von 75°C gewählt, die über der derzeitigen maximalen Solehöchsttemperatur von 70°C in MED-Anlagen liegt, um die Rohre bei extremen Bedingungen zu testen. Die Kondensationstemperatur des Heizdampfes in den Rohren betrug 80°C, was einer gängigen treibenden Temperaturdifferenz in MED-Anlagen von 5 K entspricht. Da eine Berieselungsdichte um 0,1 kg/(s m) typisch für MED-Anlagen mit Metall-Rohren ist und die Komposit-Rohre mit Oberflächenaktivierung bei einer Berieselungsdichte von 0,1 kg/(s m) vollständig benetzt waren, wurde diese Berieselungsdichte für die Versuche zur Wärmeübertragung gewählt. Es wurden Versuche mit einer Dauer von 50 Stunden und 140 Stunden (im stationären Zustand) durchgeführt. Bei stationärer Verdampfung wurde zeitweise wiederholt Destillat gesammelt und damit der Destillatvolumenstrom ermittelt. Auf der Basis der gemessenen Prozessdaten, wie Temperaturen, Drücke und Volumenströme, wurde der Wärmedurchgangskoeffizient mit Energiebilanzen und Wärmedurchgangs-beziehungen rechnerisch ermittelt. Dabei wurde die vereinfachende Annahme getroffen, dass der Wärmedurchgangskoeffizient bei der Vorwärmung auf den oberen Rohren dem Wärmedurchgangskoeffizienten bei der Verdampfung auf den unteren Rohren entspricht. Zur Ermittlung des Wärmedurchgangskoeffizienten wurden zunächst Komposit-Rohre bestehend aus PP mit 70 Gew.-% Graphit und einer Wandstärke von 1,5 mm im Rieselfilmverdampfer eingesetzt. Die Oberfläche der Rohre wurde zur Erzielung einer guten Benetzbarkeit aktiviert (siehe Kapitel 3.2.2.4.3). Der mittlere Wärmedurchgangskoeffizient betrug 688 W/(m² K), was im Vergleich zum mittleren Wärmedurchgangskoeffizienten von 2957 W/(m² K) bei Einsatz von Sondermessing-Rohren mit einer Wandstärke von 1 mm noch als zu gering einzuschätzen ist. Krupa und Choda [Kru01] stellten Unterschiede in der Wärmeleitfähigkeit von Kompositen bestehend aus einer Polyethylen- bzw. einer Polystyrol-Matrix gefüllt mit 2 verschiedenen Graphitsorten, die sich in der Partikelgrößenverteilung und der spezifischen Oberfläche unterscheiden, bei gleicher Volumenkonzentration fest, insbesondere bei hohen Füllstoffgehalten. Da die Wärmeleitfähigkeit des Komposits nicht von der Partikelgröße abhängen sollte [Kru01], wurde als mögliche Erklärung die vermehrte Ausbildung von wärmeleitfähigen Pfaden durch stärkere Agglomeration kleinerer Graphit-Partikel mit größerer spezifischer Oberfläche angegeben. Technoform Kunststoffprofile GmbH verbesserte die Mischung der Graphitsorten und die Ausrichtung der Graphit-Partikel im Extrusionsprozess und erhöhte den Füllstoffgehalt. Mit Komposit-Rohren bestehend aus PP und 75 Gew.-% Graphit mit einer Wandstärke von 1,5 mm konnten in drei Versuchen über 50 Stunden relativ hohe mittlere Wärmedurchgangskoeffizienten zwischen 2152 W/(m² K) und 2316 W/(m² K) erzielt werden, was im Bereich von Wärmedurchgangskoeffizienten bei Einsatz von metallischen Rohren liegt. In einem längeren Versuch, der zur


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Untersuchung der Belagbildung diente (siehe Kapitel 3.2.2.4.5), konnte mit den Komposit-Rohren auch über einen Zeitraum von 140 Stunden ein hoher mittlerer Wärmedurchgangskoeffizient von 2068 W/(m² K) ermittelt werden. Abb. 3.49 zeigt die mittleren Wärmedurchgangskoeffizienten.

Abb. 3.49: Mittlere Wärmedurchgangskoeffizienten bei Einsatz verschiedener Komposit-Rohre und von Rohren aus Sondermessing (aluminium brass) im Rieselfilmverdampfer basierend auf Messungen mit künstlichem Meerwasser mit einem Salzgehalt von 65°C Der zeitliche Verlauf des Wärmedurchgangskoeffizienten ist in Abb. 3.50 und Abb. 3.51 für 2 Versuche dargestellt. In dem Versuch über 50 Stunden lag der Wärmedurchgangskoeffizient bis auf eine kurze Zeitspanne, während der der Flüssigkeitsfilm auf den Rohren vermutlich teilweise aufgerissen war, deutlich über 2000 W/(m² K), wie in Abb. 3.50 dargestellt. Auch in dem Versuch über 140 Stunden konnten ähnlich hohe Wärmedurchgangskoeffizienten ermittelt werden, wie in Abb. 3.51 zu sehen. Der Sprung auf etwas höhere Wärmedurchgangskoeffizienten nach einer Versuchszeit von ca. 70 Stunden ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass der Dampferzeuger nachgeregelt wurde.

688

1920

21952316

2152 2068

2957

0

500

1000

1500

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3500

PP + 70% Gr

PP + 75% Gr

PP + 75% Gr Versuch 1



PP + 75% Gr

Alu Brass

s = 1,5 mm s = 1 mm s = 1,5 mm s = 1,5 mm s = 1,5 mm s = 1,5 mm s = 1 mm

50 h 50 h 50 h 50 h 50 h 140 h 50 h

Wä

rme

du

rch

ga

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ffiz

ien

t /

W/(

m²K

) tKond = 80 CtVerd = 75 CS = 65 g/kg

= 0,1 kg/(s m)


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Abb. 3.50: Wärmedurchgangskoeffizienten bei Einsatz von oberflächenaktivierten PP+75 Gew.-%-Rohren mit einer Wandstärke von 1,5 mm basierend auf Messungen mit künstlichem Meerwasser für eine Versuchsdauer von 50 Stunden

Abb. 3.51: Wärmedurchgangskoeffizienten bei Einsatz von oberflächenaktivierten PP+75 Gew.-%-Rohren mit einer Wandstärke von 1,5 mm basierend auf Messungen mit künstlichem Meerwasser für eine Versuchsdauer von 140 Stunden

Für oberflächenaktivierte Komposit-Rohre bestehend aus PP und 75 Gew.-% Graphit mit einer reduzierten Wandstärke von nur 1 mm wurde unter gleichen Prozessbedingungen wie oben beschrieben ein mittlerer Wärmedurchgangs-koeffizient von 1920 W/(m² K) über 50 Stunden ermittelt, wie in Abb. 3.49 dargestellt.

0

500

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1500

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2500

0 10 20 30 40 50

Wä

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tKond = 80 CtVerd = 75 CS = 65 g/kg

= 0,1 kg/(s m)

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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

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m²K

)

Zeit / h

tKond = 80 CtVerd = 75 CS = 65 g/kg

= 0,1 kg/(s m)


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Der geringere Wärmedurchgangskoeffizient, der mit den Rohren mit einer Wandstärke von 1 mm im Vergleich zu den Rohren mit einer Wandstärke von 1,5 mm ermittelt wurde, ist auf eine geringere Wärmeleitfähigkeit zurückzuführen. Wie in Abb. 3.52 veranschaulicht, ist es beim Extrusionsprozess der Rohre mit einer größeren Wandstärke von 1,5 mm gelungen, viele Graphit-Partikel orthogonal zur Extrusionsrichtung auszurichten (Bereich b in Abb. 3.52), während sich bei einer kleinen Wandstärke von 1 mm noch viele Graphit-Partikel in Extrusionsrichtung orientiert (Bereich a in Abb. 3.52) haben, was aufgrund der anisotropen Wärmeleiteigenschaften von Graphit zu einer größeren Wärmeleitfähigkeit der Rohre in relevanter Richtung mit einer Wandstärke von 1,5 mm und einem insgesamt höheren Wärmedurchgang geführt hat.

Abb. 3.52: Ausrichtung der Graphit-Partikel beim Extusionsprozess Schliffe der Rohrwand-Querschnitte der Komposit-Rohre in Abb. 3.53 bestätigen eine bessere Ausrichtung der Graphit-Partikel orthogonal zur Extrusionsrichtung bei einer größeren Wandstärke von 1,5 mm im Vergleich zu einer Wandstärke von 1 mm.

Abb. 3.53: Schliffe der Rohrwand-Querschnitte von Komposit-Rohren bestehend aus PP mit 75 Gew. -% Graphit [TKP14]

Wandstärke 1 mm Wandstärke 1,5 mm

Wandstärke 1,5 mmWandstärke 1 mm


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Um die experimentell ermittelten Wärmedurchgangskoeffizienten nachzuvollziehen und den Einfluss der Wärmeleitfähigkeit und der Rohrwandstärke aufzuzeigen, wurden Wärmedurchgangskoeffizienten berechnet. Mit einem inneren Wärmeüber-gangskoeffizienten von rund 16000 W/(m² K) und einem äußeren Wärmeübergangs-koeffizienten von rund 6500 W/(m² K), die mit den in Kapitel 3.2.2.5 beschriebenen Korrelationen für typische Prozessbedingungen ermittelt wurden, wurde der Wärmedurchgangskoeffizient in Abhängigkeit der Rohrwandstärke für verschiedene Wärmeleitfähigkeiten berechnet. Abb. 3.54 zeigt den Einfluss der Rohrwandstärke auf den Wärmedurchgangskoeffizienten bei verschiedenen Wärmeleitfähigkeiten des Rohrmaterials sowie unter Berücksichtigung eines zusätzlichen Foulingwiderstandes. Da der innere und der äußere Wärmeübergangskoeffizient hoch sind, wirken sich die Rohrwandstärke und die Wärmeleitfähigkeit bei sauberen Rohren stark auf den Wärmedurchgangskoeffizienten aus, wie in Abb. 3.54 dargestellt. Bei Einsatz von Komposit-Rohren mit einer Wärmeleitfähigkeit von 8 W/(m K) und einer Rohrwand-stärke von 1,5 mm würde sich ein Wärmedurchgangskoeffizient von 2323 W/(m² K) ergeben. Rohre aus Sondermessing mit einer Wärmeleitfähigkeit von 112 W/(m K) und einer Rohrwandstärke von 1 mm führen zu einem Wärmedurchgangs-koeffizienten von 4297 W/(m² K). Bei der Auslegung von MED-Anlagen ist es üblich, einen Foulingwiderstand zwischen 0,1 m² K/kW und 0,15 m² K/kW anzunehmen. Durch einen Foulingwiderstand von 0,1 m² K/kW wird der Wärmedurchgangs-koeffizient bei Einsatz von Sondermessing-Rohren mit einer Wandstärke von 1 mm auf 3006 W/(m² K) reduziert. Da der Foulingwiderstand der prozessbestimmende Widerstand ist, hat die Rohrwandstärke nur noch einen geringen Einfluss auf den Wärmedurchgangskoeffizienten, wie in Abb. 3.54 dargestellt. Bei Einsatz von Komposit-Rohren mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 10 W/(m K) und einer Rohrwandstärke von ca. 1,25 mm werden Wärmedurchgangskoeffizienten erzielt, die mit Sondermessing-Rohren und einem Foulingwiderstand von 0,1 m² K/kW bis 0,15 m² K/kW erreicht werden.


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Abb. 3.54: Einfluss der Rohrwandstärke auf den Wärmedurchgangskoeffizienten bei verschiedenen Wärmeleitfähigkeiten des Rohrmaterials sowie unter Berücksichtigung eines zusätzlichen Foulingwiderstandes Rf Eine weitere Verbesserung des Extrusionsprozesses und der Ausrichtung der Graphit-Partikel sowie eine Optimierung der Rohrwandstärke lassen noch höhere Wärmedurchgangskoeffizienten beim Betrieb mit Komposit-Rohren bestehend aus PP und Graphit erwarten.


Zur Untersuchung der Belagbildung auf Polymer-Komposit-Rohren wurden Versuche im Rieselfilmverdampfer (Kapitel 3.2.2.1) unter praxisnahen Bedingungen durchgeführt. Für die Versuche wurde künstliches Meerwasser mit einem Salzgehalt von 65 g/kg, was dem Salzgehalt des aufkonzentrierten Meerwassers auf den unteren Rohren in MED-Anlagen entspricht, und einem pH-Wert von 8,1 bzw. 8,2 verwendet. Das künstliche Meerwasser wurde nach einem ozeanographischen Rezept angesetzt [Kes67]. Es wurde eine hohe Verdampfungstemperatur von 75°C gewählt, die über der derzeitigen maximalen Solehöchsttemperatur von 70°C in MED-Anlagen liegt, um Kristallisationsfouling bei extremen Bedingungen zu untersuchen. Die Kondensationstemperatur des Heizdampfes in den Rohren betrug 80°C. Eine Berieselungsdichte von 0,1 kg/(s m) wurde gewählt. Es wurden Versuche mit Komposit-Rohren bestehend aus PP und 75 Gew.-% Graphit für eine Dauer von 50 Stunden und 140 Stunden (im stationären Zustand) durchgeführt. Die Oberfläche der Komposit-Rohre wurde zur Erzielung einer guten Benetzbarkeit aktiviert (siehe Kapitel 3.2.2.4.3).

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W/(

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K)

Wandstärke / mm

112 W/(m K)16 W/(m K)12 W/(m K)8 W/(m K)4 W/(m K)112 W/(m K), Rf = 0,1 m² K/kW112 W/(m K), Rf = 0,15 m² K/kW

Innerer Wärmeübergangskoeffizient: i = 16000 W/(m² K)Äußerer Wärmeübergangskoeffizient: a= 6500 W/(m² K)

X


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Nach einer Versuchsdauer von 50 Stunden und auch nach 140 Stunden war auf den Oberflächen der PP-Graphit-Rohre kaum Belag sichtbar. Zur qualitativen und quantitativen Charakterisierung des Belages auf den Rohroberflächen wurden Rasterelektronenmikroskopie (REM) und energiedispersive Röntgenmikroanalyse (EDX) sowie Atomabsorptionsspektrometrie (AAS) eingesetzt. Der Belag auf dem fünften Rohr von oben wurde an zwei bzw. drei Probenstellen mit REM und EDX analysiert. Der Belag vom dritten Rohr und vom vierten Rohr von oben wurde jeweils mit verdünnter Salzsäure vom Rohr abgelöst. Die Calcium- und Magnesium-konzentrationen in der Lösung wurden mit AAS analysiert. Die REM-Aufnahmen in Abb. 3.55 und Abb. 3.56 zeigen, dass die Oberflächen der Komposit-Rohre sowohl nach 50 Stunden als auch nach 140 Stunden nur schwach belegt sind.

Abb. 3.55: REM-Aufnahmen der Oberfläche des Komposit-Rohres aus PP+75 Gew.-% Graphit nach einer Versuchsdauer von 50 Stunden, künstliches Meerwasser, S = 65 g/kg, tVerd = 75°C, tKond = 80°C, = 0,1 kg/(s m), = 50 h: 1- unbelegte Rohroberfläche, 2- CaCO3 (Aragonit), 3- Ca, Mg, O-haltiger Belag, 4- Ca, Mg, O-haltiger Belag, 5 – Ca, S, Mg, O-haltiger Belag Auf der Rohroberfläche befindet sich lückenhaft ein dünner Ca, Mg, O-haltiger Belag, wie Abb. 3.55 zeigt. An vielen Stellen ist die Rohroberfläche ohne Ablagerungen zu

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erkennen. Vereinzelt sind stäbchenförmige Calciumcarbonat-Kristalle (Aragonit) zu sehen, die teilweise auch mit einem Ca, Mg-haltigen Belag überzogen sind. Außerdem wurden vereinzelt Ca, S, O, Mg-haltige Kristalle detektiert, wobei es sich vermutlich um Calciumsulfat-Kristalle überzogen mit einem Ca, Mg-haltigen Belag handelt.

Abb. 3.56: REM-Aufnahmen der Oberfläche des Komposit-Rohres aus PP+75 Gew.-% Graphit nach einer Versuchsdauer von 140 Stunden, künstliches Meerwasser, S = 65 g/kg, tVerd = 75°C, tKond = 80°C, = 0,1 kg/(s m), = 140 h: 1- unbelegte Rohroberfläche, 2- CaCO3 (Aragonit), 3- Ca, Mg, O-haltiger Belag, 4- Ca, Mg, O-haltiger Belag, 5– Ca, S, O, Mg-haltiger Belag Unter den oben genannten Prozessbedingungen ist die Oberfläche von Metall-Rohren nach einer Versuchsdauer von 50 Stunden dicht mit kristallinem Belag bedeckt. Der Belag auf Metall-Rohren besteht aus einer dünnen Schicht aus magnesiumhaltigen Belag, vornehmlich Magnesiumhydroxid, das die Metalloberfläche bedeckt, und einer dickeren Schicht aus Calciumcarbonat in der Modifikation Aragonit [Wil06, Krö14]. Die REM-Aufnahmen in Abb. 3.57 zeigen beispielhaft den Belag auf Rohren aus Edelstahl 1.4301 nach einem Versuch im Rieselfilmverdampfer mit künstlichem Meerwasser unter gleichen Versuchsbedingungen (Salzgehalt 65 g/kg, Verdampfungstemperatur 75°C und Kondensationstemperatur 80°C). Die Edelstahl-Rohre haben eine geringe

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Wärmeleitfähigkeit von 15 W/(m K) und eine Rohrwandstärke von 2 mm, sodass der Wärmedurchgang ähnlich dem Wärmedurchgang bei Einsatz der Komposit-Rohre ist. Die Rohroberfläche ist dicht mit stäbchenförmigen Calciumcarbonat-Kristallen in der Modifikation Aragonit bedeckt. Vereinzelt sind auch calcium- und magnesiumhaltige Mischbeläge und Calciumsulfat-Kristalle zu sehen.

Abb. 3.57: REM-Aufnahmen des kristallinen Belages auf der Oberfläche von Rohren aus Edelstahl (1.4301); künstliches Meerwasser, S = 65 g/kg, tVerd = 75°C, tKond = 80°C, = 0,1 kg/(s m), = 50 h: 2- CaCO3 (Aragonit), 4- CaSO4, 5- Ca, Mg-haltiger Belag [Wil06] Die dünne Schicht aus magnesiumhaltigem Belag auf der Rohroberfläche ist aufgrund der dichten Belegung mit Calciumcarbonat-Kristallen in Abb. 3.57 nicht erkennbar. Beispielhaft zeigen die REM-Aufnahmen in Abb. 3.58 die Oberfläche der Edelstahl-Rohre nach einem Versuch mit künstlichem Meerwasser mit einem geringeren Salzgehalt von 35 g/kg, der dem weltweit durchschnittlichen Salzgehalt von Meerwasser in offenen Meeren entspricht. Die Rohroberfläche ist weniger dicht mit stäbchenförmigen Calciumcarbonat-Kristallen belegt, sodass der dichte Belag aus feinen, blättrigen Magnesiumhydroxid-Kristallen sichtbar wird. Vereinzelt sind auch calcium- und magnesiumhaltige Mischbeläge zu sehen. Die REM-Aufnahmen in Abb. 3.59 zeigen die Oberfläche von Rohren bestehend aus Kupfer-Nickel 90/10, einem gängigen Rohrwerkstoff in MED-Anlagen, nach einem Versuch mit künstlichem Meerwasser mit einem Salzgehalt von 45 g/kg. Die Rohroberfläche ist dicht mit einem feinen, blättrigen Belag aus Magnesiumhydroxid überzogen. Viele Calciumcarbonat-Kristalle (Aragonit) sind auf der Rohroberfläche gewachsen. Vereinzelt sind auch Calciumsulfat-Kristalle zu erkennen.


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Abb. 3.58: REM-Aufnahmen des kristallinen Belages auf der Oberfläche von Rohren aus Edelstahl (1.4301); künstliches Meerwasser, S = 35 g/kg, tVerd = 75°C, tKond = 80°C, = 0,1 kg/(s m), = 50 h: 2- CaCO3 (Aragonit), 4- Mg(OH)2 (Brucit), 5- Ca, Mg-haltiger Belag [Wil06]

Abb. 3.59: REM-Aufnahmen des kristallinen Belages auf der Oberfläche von Rohren aus Kupfer-Nickel 90/10; künstliches Meerwasser, S = 45 g/kg, tVerd = 75°C, tKond = 80°C, = 0,1 kg/(s m), = 50 h: 1- CaCO3 (Aragonit), 2- Mg(OH)2 (Brucit), 3- CaSO4 [Gla10] Abb. 3.60 zeigt den Calciumgehalt im Belag in Gramm Calcium pro m² Rohroberfläche und den Magnesiumgehalt in Gramm Magnesium pro m² Rohroberfläche für Rohr 3 und Rohr 4 nach 50 Stunden und nach 140 Stunden

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Versuchsdauer. Die Ergebnisse beruhen auf den AAS-Analysen. Zum Vergleich sind die Calcium- und Magnesiumgehalte im Belag auf Rohren aus Sondermessing und Kupfer-Nickel 90/10, die im Rieselfilmverdampfer unter gleichen Prozessbedingungen für eine Versuchsdauer von 50 Stunden ermittelt wurden, in Abb. 3.60 dargestellt.

Abb. 3.60: Mit Atomabsorptionsspektrometrie gemessene Calcium- und Magnesiumgehalte im Belag auf Komposit-Rohren aus PP + 75 Gew.-% und zum Vergleich auf Rohren aus Sondermessing und Kupfer-Nickel 90/10 [Stä14] nach einer Versuchsdauer von 50 Stunden bzw. 140 Stunden mit künstlichem Meerwasser Die AAS-Analysen bestätigen die REM- und EDX-Analysen, dass sich auf den Komposit-Rohren nur sehr wenig calcium- und magnesiumhaltiger Belag befindet. Im Vergleich zu den Metall-Rohren mit Calciumgehalten im Belag um 13,4 g/m² hat sich auf dem Komposit-Rohr (50 Stunden, Rohr 4) ein Belag mit einem Calciumgehalt von nur 0,21 g/m² gebildet. Frühere Untersuchungen [Krö14] im Rieselfilmverdampfer haben ergeben, dass die Masse und die Dicke des Belages auf Metall-Rohren mit der Zeit deutlich zunehmen. Der Calcium-Gehalt im Belag auf Rohren aus Kupfer-Nickel 90/10 hat sich in Versuchen mit künstlichem Meerwasser mit einem Salzgehalt von 45 g/kg von 7,6 g/m² nach einer Versuchsdauer von 50 Stunden auf 13,8 g/m² nach einer Versuchsdauer von 90 Stunden erhöht. Die Dicke des Belages wurde mit einem Schichtdickenmessgerät (MiniTest 2100, ElektroPhysik) gemessen. Es wurden jeweils 10 Messungen an 9 verschiedenen Positionen längs des Rohres und jeweils an 4 verschiedenen Positionen um den Umfang des Rohres durchgeführt. Die mittlere Belagdicke auf Rohren aus Kupfer-Nickel 90/10 hat von 15,8 µm nach 50 Stunden auf 30,3 µm nach 90 Stunden zugenommen. Wie in Abb.

3.60 dargestellt, sind die Calcium- und Magnesiumgehalte auf den PP-Graphit-Rohren nach einer Versuchsdauer von 140 Stunden zwar gestiegen, befinden sich aber immer noch auf einem sehr niedrigen Niveau im Vergleich zu Metall-Rohren.

0,19 0,21 0,32 0,26

13,38 13,45

0,02 0,02 0,05 0,07 0,18 0,190,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

50 50 140 140 50 50

Ca

-u

nd

Mg

-Ge

ha

lt /

g/m

²

Versuchsdauer / h

Ca Mg

S = 65 g/kgtVerd = 75ºCtKond = 80ºC = 0,1 kg/(s m)

PP + 75%Grs = 1,5 mm

Rohr 4

PP + 75%Grs = 1,5 mm

Rohr 3

PP + 75%Grs = 1,5 mm

Rohr 4

PP + 75%Grs = 1,5 mm

Rohr 3

Alu Brasss = 1,0 mm

Rohr 4

CuNi 90/10s = 1,0 mm

Rohr 4


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Zusammengefasst lässt sich feststellen, dass das Kristallisationsfouling auf PP-Graphit-Rohren qualitative und quantitative Unterschiede im Vergleich zu Metall-Rohren zeigt. Selbst bei einem hohen Salzgehalt von 65 g/kg ist die Oberfläche der Komposit-Rohre nach 50 Stunden nur schwach mit calcium- und magnesiumhaltigen Kristallen belegt. Auch nach einer Versuchsdauer von 140 Stunden hat die Belagmasse nicht nennenswert zugenommen. Anders als auf Metall-Rohren sind auf den Komposit-Rohren nur wenige stäbchenförmige Calciumcarbonat-Kristalle (Aragonit) gewachsen.

3.2.2.5 Simulationsrechnungen zur Auslegung von Großanlagen (AP 2.5)

Um den Einfluss der Polymer-Komposit-Rohre auf das Design und die Leistungsdaten von großtechnischen MED-Anlagen zu untersuchen, wurden eine 4-stufige MED-Anlage mit einer Destillatproduktion von rund 2000 t/d und eine 10-stufige Anlage mit einer Destillatproduktion von rund 12000 t/d mit Rohren aus Sondermessing als Referenzanlagen ausgelegt. In Simulationsrechnungen wurden die Leistungsdaten der 4- und 10-stufigen Anlagen ermittelt, wenn statt der Sondermessing-Rohre Komposit-Rohre mit gleicher Wärmeübertragungsfläche eingesetzt werden. In einem weiteren Schritt wurden Anlagen mit Komposit-Rohren ausgelegt, die die gleiche Destillatproduktion erbringen wie die Anlagen mit Sondermessing-Rohren. Für die Modellierung und Simulation einer Verdampferstufe wurde die Simulationssoftware MATLAB verwendet. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden dann für die Modellierung und Simulation von Mehreffekt-Verdampfern mit der Software IPSEpro der Firma SimTech Simulation Technology (Graz, Österreich) genutzt. IPSEpro bietet sowohl eine Oberfläche zur Modellierung einzelner Komponenten als auch eine Simulationsumgebung. Zur Modellierung der Komponenten werden diese mit Gleichungen beschrieben und mit einem graphischen Symbol versehen, wobei auf eine Modellbibliothek für Meerwasserentsalzungsanlagen zurückgegriffen werden kann. Wesentliche Modelle wurden am Fachgebiet Technische Thermodynamik erweitert oder gänzlich neu erstellt. In der Simulationsumgebung von IPSEpro lassen sich durch graphisches Verschalten der Modelle komplexe Anlagen aufbauen und berechnen. Das auf diese Weise gebildete Gleichungssystem wird iterativ mit dem Newton-Verfahren mit dem in der Software integrierten Solver gelöst. Basis aller Modelle sind Massen- und Energiebilanzen sowie Korrelationen zur Berechnung der Wärmeübergangskoeffizienten. In MATLAB werden Stoffwertefunktionen für Wasser und Wasserdampf nach IAPWS-IF 97 [Wag98] und für Meerwasser die Zustandsgleichungen für die Thermodynamik des Meerwassers – 2010 (International Thermodynamic Equation Of Seawater – 2010 (TEOS-10), internationaler Standard für die Ozeanographie) [TEOS10] verwendet. In IPSEpro können Stoffdaten von Wasser und Wasserdampf nach IAPWS-IF 97 [Wag98] aufgerufen werden. Diese werden für Meerwasser nach Arzt [Arz84], basierend auf


- 93 -

Hömig [Höm78], korrigiert. Ein Teil der Stoffwerte ist in IPSEpro hinterlegt, während ein Teil selbst ergänzt wurde. Das Modell für eine Verdampferstufe beschreibt den Wärmedurchgang vom kondensierenden Wasserdampf auf das Meerwasser, wobei der Wärmestrom, der bei der Kondensation des Dampfes in den Rohren des Rohrbündels frei wird, zur Vorwärmung des Meerwassers auf den obersten Rohren und zur Verdampfung auf den folgenden Rohren genutzt wird. In Voruntersuchungen wurden diverse Korrelationen zur Berechnung des Wärmeübergangs bei der Kondensation in horizontalen Rohren, bei der einphasigen Erwärmung von Rieselfilmen und bei der Verdampfung von Rieselfilmen verglichen. Mit den verschiedenen Korrelationen wurden Wärmedurchgangskoeffizienten berechnet und mit den experimentell ermittelten Wärmedurchgangskoeffizienten aus diversen früheren Versuchen verglichen. Auf dieser Grundlage wurde eine Korrelation von Chato [Cha62] für den Wärmeübergang bei der schwerkraftkontrollierten Kondensation in horizontalen Rohren,

4

iWSl

'v

3lgll

d)tt(

h)(g555,0

(3.3)

mit )tt(c83

hh WSl,pv'v (3.4)

eine Korrelation von Mitrovic [Mit90] für den Wärmeübergang bei der Erwärmung von Rieselfilmen auf horizontalen Rohren,

5,0349,0F

2 PrRe1075,1Nu (3.5)

mit 32,1F

3

158,0

a

Re108exp1

dt

(3.6)

für Film-Reynolds-Zahlen von 80 bis 280,

sowie eine Korrelation von Fujita und Tsutsui [Fuj98] für den Wärmeübergang bei der Oberflächenverdampfung von Rieselfilmen auf horizontalen Rohren bei wellig-laminarer Strömung,

25,03,0F

3/2F PrRe2010,0Re2Nu (3.7)

für Film-Reynolds-Zahlen von 5 bis 1000,

als passend ausgewählt. Im Modell für den Endkondensator wird der Wärmedurchgang vom kondensierenden Dampf auf der Außenseite der Rohre auf das vorzuwärmende Meerwasser in den Rohren beschrieben. Korrelationen für die verdampfungs- und kondensationsseitigen Wärmeübergangskoeffizienten wurden in IPSEpro implementiert. In Auslegungsrechnungen wurden mit dem Wärmestrom, dem Wärmedurchgangs-koeffizienten und der treibenden Temperaturdifferenz die benötigten Wärmeübertragungsflächen bei der Vorwärmung und Verdampfung in einer


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Verdampferstufe berechnet. Für verschiedene gebräuchliche Rohranordnungen (30°- und 60°-Dreiecksteilung) wurden bei Vorgabe des Rohrdurchmessers und der Rohrwanddicke die Anzahl der horizontalen und vertikalen Rohrreihen und damit die Bündelhöhe und -breite sowie die Rohrlänge ermittelt. Aus dem Speisewassermassenstrom auf ein Rohr und der Rohrlänge folgt nach Gleichung (3.2) die Berieselungsdichte. Wie üblich bei Dampfbeheizung der ersten Stufe, wurden die Wärmeübertragungsflächen und die Rohrbündelgeometrien für alle Verdampferstufen der MED-Anlage gleich groß ausgelegt. Die Referenzanlagen wurden mit Rohren aus Sondermessing mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit von 112 W/(m K), einem gängigen Rohraußendurchmesser von 20 mm und einer gängigen Rohrwanddicke von 0,7 mm (siehe Tabelle 2.1) ausgelegt. Ein typischer Foulingwiderstand von 0,1 m² K/kW wurde gewählt. In den experimentellen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die von Technoform Kunststoffprofile extrudierten Rohre bestehend aus PP und 75 Gew.-% Graphit mit einer Wandstärke von 1,5 mm schon Wärmeleitfähigkeiten größer als 8 W/(m K) aufweisen und Wärmedurchgangskoeffizienten im Rieselfilmverdampfer deutlich über 2000 W/(m² K) erzielen. Durch verbesserte Ausrichtung der Graphit-Partikel und Optimierung der Wandstärke besteht weiteres Potential zur Verringerung des Wärmeleitwiderstandes der Rohrwand. Daher wurden für die Simulationsrechnungen Komposit-Rohre mit einer Wärmeleitfähigkeit von 10 W/(m K), einem Rohraußen-durchmesser von 20 mm und einer Wandstärke von 1,5 mm zugrunde gelegt. Die experimentellen Untersuchungen zum Kristallisationsfouling lassen erwarten, dass sich auf Komposit-Rohren deutlich weniger Ablagerungen bilden, sodass für die Simulationsrechnungen ein auf die Hälfte reduzierter Foulingwiderstand von 0,05 m² K/kW angenommen wurde. Abb. 3.61 zeigt das Fließbild der 4-stufigen MED-Anlage. Für die 4-stufige Anlage mit einer Destilatproduktion von rund 2000 t/d wurden keine separaten Vorwärmer vorgesehen.

Abb. 3.61: Fließbild der 4-stufigen MED-Anlage dargestellt mit IPSEpro Wie in Tabelle 3.18 angegeben, liefert eine 4-stufige Komposit-Anlage mit gleicher Wärmeübertragungsfläche und gleicher Rohr- und Rohrbündelgeometrie wie die Referenzanlage 26,8 % weniger Destillat. Das Verhältnis von Destillatmassenstrom zu Heizdampfmassenstrom (Gained Output Ratio, GOR) sinkt von 3,5 auf 2,7.

Kühlwasser

Meerwasser

Ablauge

Destillat

1. Stufe Heizdampf

Heizdampfkondensat

Speisewasser

Endkondensator


- 95 -

Tabelle 3.18: Vergleich von 4-stufigen MED-Anlagen mit Komposit-Rohren und einer Referenzanlage mit Rohren aus Sondermessing

4-stufige MED-Anlagen

Referenzanlage mit Rohren aus


Anlage mit Komposit-Rohren: gleiche Fläche wie

Referenzanlage

Anlage mit Komposit-Rohren: gleiche Kapazität

wie Referenzanlage

Destillatmassenstrom in t/d 2002 1465 2010

Anzahl Effekte 4 4 4

Solehöchsttemperatur in °C 60 60 60

Temperatur Meerwasserzulauf in °C 25 25 25

Salzgehalt Meerwasserzulauf in g/kg 35 35 35

Gained Output Ratio 3,51 2,74 3,58

Konzentrationsfaktor 1,41 1,27 1,41

gesamte spez. Wärmeüber-tragungsfläche in m² s/kg

210 286 274

Massenstrom Meerwasserzulauf in kg/s 170,87 122,63 186,94

Massenstrom Speisewasser in kg/s 80,00 80,00 80,00

Massenstrom Ablauge in kg/s 56,83 63,05 56,74

Wärmeleitfähigkeit Rohrmaterial in W/(m K)

112 10 10

Wandstärke Rohrmaterial in mm 0,7 1,5 1,5

Foulingwiderstand in m²K/kW 0,1 0,05 0,05

Wärmedurchgangskoeffizient 1. Stufe in kW/(m² K) 2,95 2,21 2,21

Wärmedurchgangskoeffizient 4. Stufe in kW/(m² K)

2,87 2,20 2,21

Wärmeübertragungsfläche einer Stufe in m²

970,75 970,75 1273,33

Außendurchmesser der Rohre in mm 20 20 20

Anzahl der Rohre einer Stufe 6148 6148 7938

Anzahl Rohrreihen nebeneinander 58 58 63

Anzahl Rohrreihen untereinander 106 106 126

Länge der Rohre in m 2,51 2,51 2,55

Berieselungsdichte oben in kg/(s m) 0,137 0,137 0,124

Berieselungsdichte unten, 1. Stufe in kg/(s m)

0,096 0,107 0,087

Berieselungsdichte unten, 4. Stufe in kg/(s m)

0,113 0,109 0,087

Dampfgeschwindigkeit Eintritt Rohr in 1. Stufe in m/s

25,08 21,97 22,35


43,84 36,60 38,65


- 96 -

Für eine Komposit-Anlage mit gleicher Destillatproduktion wie die Referenzanlage wird 31,2 % mehr Wärmeübertragungsfläche in einer Verdampferstufe benötigt, da die Wärmedurchgangskoeffizienten sinken (z.B. von 2,95 kW/(m² K) in der ersten Stufe der Referenzanlage auf 2,21 kW/(m² K) in der Komposit-Anlage), wie in Tabelle 3.18 angegeben. Während die Rohrlänge ungefähr gleich bleibt, nimmt die Zahl der nebeneinander und untereinander liegenden Rohrreihen zu, sodass die Breite und die Höhe der Rohrbündel zunehmen.

Abb. 3.62 zeigt das Fließbild der 10-stufigen MED-Anlage. Für die 10-stufige Anlage mit einer Destilatproduktion von rund 12000 t/d wurden zwei separate Vorwärmer vorgesehen.

Abb. 3.62: Fließbild der 10-stufigen MED-Anlage dargestellt mit IPSEpro Wie in Tabelle 3.19 angegeben, liefert eine 10-stufige Komposit-Anlage mit gleicher Wärmeübertragungsfläche und gleicher Rohr- und Rohrbündelgeometrie wie die Referenzanlage 21,6 % weniger Destillat. Das Verhältnis von Destillatmassenstrom zu Heizdampfmassenstrom (Gained Output Ratio, GOR) sinkt von 8,4 auf 8,1. Für eine Komposit-Anlage mit gleicher Destillatproduktion wie die Referenzanlage wird 32,8 % mehr Wärmeübertragungsfläche in einer Verdampferstufe benötigt, da die Wärmedurchgangskoeffizienten sinken (z.B. von 3,23 kW/(m² K) in der ersten Stufe der Referenzanlage auf 2,38 kW/(m² K) in der Komposit-Anlage). Während die Rohrlänge ungefähr gleich bleibt, nimmt die Zahl der nebeneinander und untereinander liegenden Rohrreihen zu, sodass die Breite und die Höhe der Rohrbündel zunehmen.

Speisewasser

Heizdampf

Heizdampf-

kondensat

Kühlwasser

Meerwasser

Ablauge

Destillat

Endkondensator

Vorwärmer Vorwärmer

1. Stufe


- 97 -

Tabelle 3.19: Vergleich von 10-stufigen MED-Anlagen mit Komposit-Rohren und einer Referenzanlage mit Rohren aus Sondermessing

10-stufige MED-Anlagen

Referenzanlage mit Rohren aus


Anlage mit Komposit-Rohren: gleiche Fläche wie

Referenzanlage

Anlage mit Komposit-Rohren: gleiche Kapazität

wie Referenzanlage

Destillatmassenstrom in t/d 12000 9406,25 12000

Anzahl Effekte 10 10 10

Anzahl Vorwärmer 2 2 2

Solehöchsttemperatur in °C 65 65 65

Temperatur Meerwasserzulauf in °C 25 25 25

Salzgehalt Meerwasserzulauf in g/kg 35 35 35

Gainded Output Ratio 8,41 8,14 8,42

Konzentrationsfaktor 1,5 1,35 1,5

gesamte spez. Wärmeübertragungs-fläche in m² s/kg

395 498 513

Massenstrom Meerwasserzulauf in kg/s 742,13 589,63 741,13

Massenstrom Speisewasser in kg/s 416,67 416,67 416,67

Massenstrom Ablauge in kg/s 277,78 307,80 277,78

Wärmeleitfähigkeit Rohrmaterial in W/(m K)

112 10 10

Wandstärke Rohrmaterial in mm 0,7 1,5 1,5

Foulingwiderstand in m²K/kW 0,1 0,05 0,05


3,23 2,37 2,38


2,77 2,14 2,13

Wärmeübertragungsfläche einer Stufe in m²

5033,94 5033,94 6683,41

Außendurchmesser der Rohre in mm 20 20 20

Anzahl der Rohre einer Stufe 19800 19800 27500

Anzahl Rohrreihen nebeneinander 90 90 110

Anzahl Rohrreihen untereinander 220 220 250

Länge der Rohre in m 4,05 4,05 3,87

Berieselungsdichte oben in kg/(s m) 0,114 0,114 0,098

Berieselungsdichte unten, 1. Stufe in kg/(m s)

0,071 0,079 0,061

Berieselungsdichte unten bei 10. Stufe in kg/(m s)

0,076 0,084 0,065


17,30 13,86 12,42


44,75 34,34 32,33


- 98 -

3.2.2.6 Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen (AP 2.6)

Auf Grundlage der Auslegungsdaten der 10-stufigen MED-Anlagen ausgerüstet mit Rohren aus Sondermessing (Referenzanlage) oder Kompositmaterial mit einer Destillatproduktion von 12000 t/d, die in Tabelle 3.19 zusammengefasst sind, wurden Rechnungen durchgeführt, um einen Zielpreis für Komposit-Rohre abzuschätzen. Für die Ergebnisse der abschätzenden Rechnungen gilt, dass sie stark von den angenommenen technischen und ökonomischen Parametern abhängen. Sie sind daher als Größenordnung anzusehen und können Abhängigkeiten aufzeigen, nicht aber die konkrete Planung einer Anlage mit standortabhängigen Randbedingungen ersetzen. Die Ergebnisse gelten daher unter den hier getroffenen Annahmen und Vereinfachungen. Die Wasserkosten setzen sich aus Investitions- und Betriebskosten zusammen. Die Abschätzung der Investitionskosten der Referenzanlage mit Metall-Rohren basiert auf den Daten eines MED-Anlagenherstellers [Sch10] für 10-stufige MED-Anlagen vergleichbarer Größe. Tabelle 3.20 zeigt die prozentualen Anteile der Kosten für die Wärmeübertragungsflächen, die Gehäuse, Mäntel und Einbauten und anderer Gewerke an den Investitionskosten. Tabelle 3.20: Prozentuale Aufteilung der Investitionskosten für eine MED-Anlage mit Metall-Rohren nach einem Anlagenhersteller [Sch10]

Komponente Anteil der Gesamtinvestition

Wärmeübertragungsfläche 21,7% Gehäuse, Mäntel, Einbauten 40,2% Rohrleitungen 1,4% Pumpen und Armaturen 4,0% Vakuumpumpe 1,6% Mess- und Regelungstechnik 5,5% Montage / Installation 9,3% Ersatzteile 1,5% Weiteres Material 3,3% Baumaßnahmen 3,7% Logistik 7,8%

Zur Bestimmung der Kosten für die Referenzanlage mit Rohren aus Sondermessing wurden zunächst die Kosten für die Wärmeübertragungsflächen auf Basis der in Tabelle 3.21 zusammengefassten Rohrkosten bestimmt. Wie in Tabelle 3.21 dargestellt, sind die Kosten für Rohre aus Kupfer-Nickel 90/10, die auch häufig in MED-Anlagen eingesetzt werden, noch höher als die für Rohre aus Sondermessing. Um die Kosten für die Wärmeübertragungsflächen abzuschätzen, wurde die Annahme getroffen, dass die Flächen für den Endkondensator und die zwei Vorwärmer (siehe Abb. 3.62) aus dem gleichen Werkstoff gebildet werden, die auch in den Verdampferstufen verwendet werden. Auf Basis der berechneten Kosten für die metallischen Wärmeübertragungsflächen wurden die übrigen Investitionskosten über die in Tabelle 3.20 angegeben prozentualen Anteile abgeschätzt.


- 99 -

Tabelle 3.21: Materialkosten und Fertigungskosten für Sondermessing-Rohre und zum Vergleich für Rohre aus Kupfer-Nickel 90/10 Kosten der Legierungselemente nach London Metal Exchange [LME14]

in €/kg, Stand Februar 2014

Kupfer Zink Aluminium Nickel

5.484,23 1.571,15 1.306,92 10.888,46

Kosten für Rohre [Des14a]

Materialkosten

in €/kg

Fertigungskosten

in €/kg

Gesamtkosten

in €/kg

Sondermessing

(aluminium brass) 4,54 1,42 5,96

Kupfer-Nickel 90/10 6,02 1,35 7,37

Für die Komposit-Anlage sind aufgrund der größeren Rohranzahl pro Stufe größere Gehäuse und Einbauten erforderlich. Zur Abschätzung dieser Mehrkosten wurden die benötigten Manteldurchmesser einer Verdampferstufe für die Referenzanlage und die Komposit-Anlage berechnet. Vereinfachend wurde dazu die Mantelfläche des Zylinders bestimmt, der das Rechteckrohrbündel umschließt. Bei der Abschätzung der Investitionskosten der Komposit-Anlage wurde angenommen, dass der Anteil für Gehäuse und Einbauten um den Faktor steigt, um den die Mantelfläche des Zylinders größer ist. Für alle übrigen Positionen, die in die Investitionskosten eingehen und von der Wärmeübertragungsfläche unabhängig sind, wurde angenommen, dass sie die gleichen absoluten Kosten aufweisen wie im Fall der metallischen Referenzanlage. Darüber hinaus wurden die Investitionskosten für die Wasserfassung (seawater intake) mit 15 % der Investitionskosten der Referenzanlage und für die Nachbehandlungsanlage des Destillats (post-treatment) mit ca. 4 % der Investitionskosten der Referenzanlage berücksichtigt [Sch10]. Unter der Annahme einer linearen Abschreibung berechnen sich die Annuitätskosten zu

InvN

N

a,Inv K1)i1(

)i1(iK

(3.8)

mit KInv als gesamte Investitionskosten, i als Zinsfuß der Kreditzahlung und N als

Laufzeit.

Die Berechnung der Betriebskosten beruht auf den in Tabelle 3.22 zusammengefassten Daten, die von verschiedenen Autoren für die Kostenrechnung industrieller MED-Anlagen angegeben werden. Die Berechnung der Kosten zur Deckung des thermischen Energiebedarfs basiert auf dem Stromverlust des Dampfkraftwerks, dem der Heizdampf zur Beheizung der ersten Stufe der MED-Anlage entnommen wird.


- 100 -

Tabelle 3.22: Daten für die Berechnung der Investitions- und Betriebskosten von MED-Anlagen mit Metall-Rohren Wertebereich gemäß

Quellenangaben

Für Kosten-

rechnung

gewählt

Kosten für Wasserfassung als Anteil an Investitionskosten der MED-Anlage

% 10-20 [Sch10] 15

Kosten für Nachbehandlungsanlage des Destillats als Anteil an Investitionskosten der MED-Anlage

% 4 [Sch10] 4

Anlagenverfügbarkeit % 90-95 [AlS07, Som10, Des14a]

90

Zinssatz % 5-10 [Ett02, Som10] 8 Laufzeit a 15-30 [AlS07, Som10], 20 Personalkosten €/m³ 0,011 – 0,08 [Ala06, Sch09] 0,05 Kosten für elektrische Energie €/kWh

€/m³ 0,03 – 0,07 [Ett02] 0,048 - 0,1 [Oph05, AlS07],

0,05

Elektrischer Energiebedarf kWh/m³ 0,7 - 3 [Ett02, Som10], 2 Stromverlust des Dampfkraftwerks kWh/m³ 3 [Som10] 3 Chemikalienkosten €/m³ 0,019-0,023 [Ett02, Som10] 0,023 Kosten für Wartung und Ersatzteile als Anteil an der jährlichen Abschreibung

% 1-2 [Ett02, Olw12] 2

Gemeinkosten als Anteil an den Betriebskosten

% 10 [Olw12] 10

Wechselkurs Dollar/Euro 1,3

Aufgrund einer geringeren Foulingneigung der Komposit-Rohre, die die experimentellen Untersuchungen vermuten lassen (siehe Kapitel 3.2.2.4.5), wurde angenommen, dass die Chemikalienkosten für die Komposit-Anlage nur halb so groß sind wie die der Referenzanlage. Abb. 3.63 zeigt die Wasserkosten, die mit der Komposit-Anlage erzielt werden, in Abhängigkeit des Preises für die Komposit-Rohre. Der Schnittpunkt mit den Wasserkosten der Referenzanlage mit Sondermessing-Rohren ergibt einen Zielpreis für Komposit-Rohre von 12,56 €/kg, was bei einer angenommenen Dichte des Kompositmaterials von 1560 kg/m³ einem Zielpreis von 1,71 €/m (da = 20 mm, s = 1,5 mm) bzw. 1,93 €/m (da = 22,4 mm, s = 1,5 mm, Rohrabmessungen in den experimentellen Untersuchungen) entsprechen würde. Tabelle 3.23 zeigt die Aufschlüsselung der Kosten für die Referenzanlage mit Sondermessing-Rohren und für die Komposit-Anlage mit gleichen Wasserkosten. Die abschätzenden Rechnungen haben einen Zielpreis für die Komposit-Rohre unter 13 €/kg bzw. unter 2 €/m ergeben, was vorstellbar erscheint. Die Betrachtungen lassen erwarten, dass Komposit-Rohre zu Rohren aus Kupferlegierungen konkurrenzfähig sind. Außerdem bieten MED-Anlagen mit Komposit-Rohren noch ein großes Entwicklungspotential.


- 101 -

Abb.3.63: Wasserkosten in Abhängigkeit des Komposit-Rohrpreises für eine 10-stufige MED-Anlage (12000 t/d), Auslegungsdaten in Tabelle 3.19 Tabelle 3.23: Kostenaufschlüsselung für eine 10-stufige MED-Referenzanlage (12000 t/d) mit Sondermessing-Rohren und für eine 10-stufige MED-Anlage (12000 t/d) mit Komposit-Rohren unter der Annahme, dass die Komposit-Rohre den Zielpreis (12,56 €/kg) haben und die Wasserkosten gleich sind; Auslegungsdaten in Tabelle 3.19 Kosten Einheit Referenzanlage mit

Rohren aus

Sondermessing

Anlage mit

Komposit-Rohren

Investitionskosten Wärmeübertragungsfläche € 1.901.864 2.045.403

Gehäuse, Mäntel, Einbauten € 3.523.268 3.857.935

Sonstige Komponenten € 3.339.217 3.339.217

Summe Investitionskosten MED-Anlage € 8.764.348 9.242.555

Wasserfassung € 1.314.652 1.314.652

Nachbehandlungsanlage für Destillat € 350.574 350.574

Gesamte Investitionskosten € 10.429.575 10.907.781

Annuitätskosten € / a 1.062.275 1.110.982

Betriebskosten Kosten für thermische Energie € / a 454.846 454.846

Kosten für elektrische Energie € / a 303.231 303.231

Kosten für Chemikalien € / a 90.969 45.485

Personalkosten € / a 197.100 197.100

Instandhaltung € / a 21.246 22.220

Gemeinkosten € / a 106.739 102.288

Summe Betriebskosten € / a 1.174.131 1.125.169

Wasserkosten € / m³ 0,57 0,57

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Wa

ss

erk

os

ten

/ €

/ m

3

Komposit-Rohrpreis / €/kg

AlBr

Komposit


- 102 -


Polymerfolien-Plattenwärmeübertragern (TU Kaiserslautern)

Am Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik an der TU Kaiserslautern wurden grundlegende Untersuchungen zu Benetzungseigenschaften auf Polymeroberflächen und deren Optimierung sowie Skalierung auf Fallfilmprozesse durchgeführt. Mechanische Kenngrößen potentieller Polymerwerkstoffe und die Verschmutzungsneigung bezüglich Kristallisationsfouling wurden ebenso systematisch untersucht. Der vorhandene Fallfilmwärmeübertrager wurde genutzt, um dünne Polymerfolien als wärmeübertragende Flächen thermisch zu charakterisieren. Die wärmetechnischen Untersuchungen wurden durch CFD-Simulationen zur detaillierten Betrachtung der Fluiddynamik gestützt. Alle Ergebnisse fließen in apparatespezifische Auslegungskriterien und Kostenmodelle.

3.2.3.1 Experimentelle Untersuchungen zum Benetzungsverhalten (AP 3.1)

Das Benetzungsverhalten der Wärmeübertragungsfläche ist von maßgeblicher Bedeutung für die Etablierung eines vollständig geschlossenen Fallfilms auch bei niedrigen Flüssigkeitsbelastungen. Ein Fallfilmaufriss verursacht signifikante Wärmetransportverluste als Folge der reduzierten Übertragungsfläche und/oder durch verstärktes Kristallisationsfouling an der Phasengrenze des aufreißenden Fallfilms. Die Benetzungseigenschaften und die damit verbundene kritische Belastungsgrenze für einen geschlossenen Fallfilm sind daher Oberflächenspezifisch zu charakterisieren und bieten dann das Potential für die Optimierung der Effizienz des Wärmeübertragungsprozesses. Abb. 3.64 zeigt den Zusammenhang zwischen dem statischen Kontaktwinkel von Wasser und der berechneten spezifischen freien Oberflächenenergie und deren Anteile nach Kontaktwinkelmessungen mit verschiedenen Fluiden. Erwartungsgemäß ist Polypropylen nur sehr schlecht mit Wasser benetzbar (θ > 90 °). Der unpolare Charakter des Polymers (siehe Monomereinheit) spiegelt sich auch in der geringen Oberflächenenergie und dem geringen polaren Anteil wieder. Durch die Carbonyl- und Ethergruppen sind der polare Anteil und die gesamte spezifische freie Oberflächenenergie des PEEK deutlich höher, folglich auch die Benetzbarkeit mit Wasser. Im Vergleich zur technischen Edelstahloberfläche sind die Benetzungseigenschaften der PEEK Oberfläche für die vorgesehene Anwendung vielversprechend. Hinzu kommen manigfaltige technische Methoden der Oberflächenmodifikation -Plasmabehandlung, Coronaentladung, Ätzen etc.-, womit die Hydrophilität von polymeren Oberflächen gezielt beeinflusst werden kann. Bereits im Vorgängervorhaben wurde aber für eine PEEK Oberfläche gezeigt, dass auf solche Methoden verzichtet werden kann, weil eine Konditionierung in Wasser bereits eine irreversible Hydrophilierung zur Folge hat [VEU09].


- 103 -

Abb. 3.64: Statischer Kontaktwinkel von Wasser und spezifische freie Oberflächenenergie und deren Anteile von PEEK und PP im Vergleich zu einer Edelstahloberfläche Die Auswirkung auf die kritische Belastung zur Etablierung eines geschlossenen Fallfilms Re+ ist in Abb. 3.65 zu sehen. Eine Korrelationsgleichung zur Beschreibung der kritischen Reynolds-Zahl abhängig von Stoffdaten und Kontaktwinkel θ wurde ausgehend von einem Literaturmodell angepasst [Har64].

1/53

L

cos1Ka1.65Γ

Re

(3.9)

Die Kapitza oder Filmkennzahl Ka beschreibt den Einfluss der Stoffdaten.

4

L

3

LL

g

σρKa

(3.10)

70

80

90

100

0

5

10

15

20

25

30

35

40

1.4571 PEEK PP

Sta

tisch

er

Ko

nta

ktw

inkel m

it W

asser

θ/

Ob

erf

läch

en

en

erg

ie γ S

G/ m

N·m

-1

disperser Anteilpolarer Anteilstatischer Kontaktwinkel mit Wasser


- 104 -

Abb. 3.65: Kritische Flüssigkeitsbelastung für Wasser auf PEEK/Spacer Struktur und Auswirkung der Benetzungseigenschaften Die entwickelte Korrelation kann als Auslegungshilfe zur Abschätzung unterer Betriebsgrenzen nach Oberflächenmodifikation für das Apparatekonzept genutzt werden. Auch der stufenabhängige Verlauf der Benetzungseigenschaften infolge erhöhter Salzkonzentration kann für MED-Prozesse mit Abb. 3.66 abgeschätzt werden.

Abb. 3.66: Statischer Kontaktwinkel von Wasser und Meerwasser verschiedener Salinitäten auf PP und PEEK (unbehandelt und plasmabehandelt)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

10 20 30 40 50 60 70 80

Re

+/

-

Temperatur ϑ / C

Experiment Wasser

Korrelation

Korrelation +/- 20 °

θ + 20

θ - 20

50

60

70

80

90

100

110

0 20 40 60 80

Sta

tis

ch

er

Ko

nta

ktw

ink

el

mit

Wa

ss

er

θ/ °

Salinität S / g·kg-1

PPPEEKPEEK plasmabehandelt


- 105 -

Hier muss beachtet werden, dass mit erhöhter Polarität beziehungsweise Hydrophilie der Oberfläche auch der Einfluss der Salzkonzentration auf die Benetzbarkeit bedeutend zunimmt.

3.2.3.2 Experimentelle und theoretische Untersuchungen zum mechanischen

Verhalten (AP 3.2)

Die mechanische, d.h. die festigkeitsmäßige Eignung einer nur 25 µm dicken PEEK-Folie wurde für die bei MED-Prozessen vorherrschenden Betriebsbedingungen (Differenzdrücke an der Folie von 5000 Pa und Temperaturen kleiner 70 °C) bereits im Vorgängervorhaben nachgewiesen [VEU09]. Es wurde nun geprüft, ob sich Polypropylen als günstige Alternative ähnlich gut eignet bzw. wie durch Einbringung von Füllstoffen der mechanische Betriebsbereich erweitert werden kann. Mit Blick auf Tabelle 3.24 verfügt PP über eine vielversprechende Zugfestigkeit. Kriechversuche bei erhöhter Temperatur in Wasser haben jedoch eine starke Neigung zum Kriechen festgestellt, was unter anderem durch die niedrige Glasübergangstemperatur des Polymers begründet ist.

Tabelle 3.24: Gemessene mechanische Kenngrößen untersuchter Polymerwerkstoffe im Vergleich zu Edelstahl.

Werkstoff E-Modul

in MPa

Zugfestigkeit

in MPa

Kriechbeständigkeit

in -

Edelstahl

(1.4271) 200 000 [Dom08]

500 - 700 [Dom08]

-

PP 1361 125 0.0

PEEK

(Aptiv® 1000) 2245 98 0.1

PEEK

(Aptiv® 1103) 4482 72 0.4

Inwiefern sich das Spektrum mechanischer Eigenschaften durch das Einbringen von Füllstoffen erweitern lässt, verdeutlichen Messungen mit der PEEK Variation Aptiv® 1103. Sie ist mit 30 % Talkum befüllt. Abb. 3.67 zeigt das Dehnungsverhalten dieser Modifikation in Abhängigkeit der Zeit und der aufgebrachten Zugspannung bei 70 °C in Wasser.


- 106 -

Abb. 3.67: Dehnungsverhalten einer mit Talkum gefüllten PEEK-Folie (25 µm) bei 70 °C in Wasser Die Versuchsdurchführung erfolgte analog zu den im Vorgängervorhaben präsentierten Ergebnissen basierend auf DIN EN ISO 899 [VEU09]. Die geringe Kriechdehnung kann auch durch die Kriechbeständigkeit als Vergleichs-Kennwert quantifiziert werden. Sie ist definiert durch den Quotienten des Kriechmodules bei 1000 Stunden und 1 Stunde [Kun04]. Die Resultate sind in Tabelle 3.24 dargestellt. Der Füllstoff erhöht die Kriechbeständigkeit von PEEK um den Faktor 4. Hierdurch können geringere Wandstärken bzw. Sicherheitsfaktoren realisiert werden. Ebenso nimmt die Standzeit der Folien deutlich zu, wodurch sich Wartungsintervalle und Materialkosten drastisch reduzieren. Laut Hersteller ist auch die thermische Wärmeleitfähigkeit deutlich höher (0,61 W/(m K), verglichen mit 0,25 W/(m K) für Aptiv® 1000). Das Anfüllen mit Mineralien (hier Talkum) stellt daher auch für dünne Folien eine erfolgversprechende Option zur Intensivierung des Apparatekonzeptes durch Erweiterung des Eigenschaftsspektrums dar. Zur Bestimmung der im Betrieb in der Folie wirkenden Kräfte wurde ein Modell entwickelt, dem die Beschreibung der Folienausbeulung als Seilkurve unter konstanter Streckenlast zugrunde liegt (siehe Abb. 3.68) [Chr11a].

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

1 10 100 1,000

De

hn

un

g ε

/ %

Zeit t / h

38.1 MPa27.6 MPa17.6 MPa12.3 MPa 6.9 MPa

PEEK Aptiv® 1103 (mit Füllstoff)

Wasser bei 70 °CZugspannung


- 107 -

Abb. 3.68: Reale Folienausbeulung mit Spacer-Gitter (links) und ausgebeultes Foliensegment zur Zugspannungsberechnung (rechts) [Chr11a] Es konnte am Beispiel der 25 µm starken PEEK Aptiv® 1000 Folie gezeigt werden, dass die auftretenden Zugspannungen bei typischen MED-Prozessbedingungen die zulässigen Werte nicht überschreiten (siehe auch Schlussbericht 240 ZN [VEU09]). Durch die Betriebserfahrungen konnte die Dauerstabilität auch in der Pilotanlage bestätigt werden. Der gewählte Spacerabstand in der Pilotanlage beträgt 0,03 m und liegt damit für eine betriebliche Druckdifferenz von 5000 Pa unter dem erforderlichen Wert. Dieser Zusammenhang ist in Abb. 3.69 dargestellt. Ferner erlaubt das Modell die Berechnung der erforderlichen Spacerabstände auch bei höheren, dauerhaft wirkenden Betriebsdrücken und bei beliebig wählbaren Folienstärken. Hierdurch eröffnet sich ein weites Spektrum an Gestaltungsmöglichkeiten hinsichtlich der thermischen Leistung und gleichzeitig gesichertem Nachweis der mechanischen Stabilität der Wärmeübertragerfolien. Neben der Darlegung der mechanischen Eignung der Polymerfolien, wurde somit auch die mechanische Auslegung des Anlagenkonzeptes durch das Modell vereinfacht.


- 108 -

Abb. 3.69: Modellierter erforderlicher Spacerabstand in Abhängigkeit der Druckdifferenz sowie der Folienstärke nach dem Modell Christmann et al. [Chr11a]

3.2.3.3 Experimentelle Untersuchungen zum Kristallisationsfouling (AP 3.3)

Systematische Untersuchungen zur Erweiterung des Verständnisses über die Relation zwischen Kristalllisationsfouling und Oberflächeneigenschaften, dienen der Erarbeitung von Richtlinien zur zukünftigen Gestaltung verschmutzungsresistenter Polymeroberflächen. Eine eigens entwickelte Apparatur zur Haftkraftbestimmung diente dazu, die qualitativen Beobachtungen des Vorgängervorhabens zu quantifizieren. Hierzu wird Calciumdihydrat mit einem massenspezifischen Wasser/Gips-Verhältnis von 0,8 in einem Zylinder auf der zu prüfenden Oberfläche ausgehärtet (24 h bei 50 °C). Um auch geringe Haftkräfte reproduzierbar messen zu können, wurde ein Zylinder mit einem Durchmesser von 0,25 m gewählt. Der Zylinder wird unter Aufnahme der benötigten Kraft F1 (Kraftaufnehmer FM50, PCE Deutschland GmbH, auf Traverse) abgeschert. Die Haftreibung F2 wird durch eine Wiederholung des Versuchs nach dem Abscheren bestimmt. Die Haftkraft ergibt sich somit zu FA = F1 - F2 und wird auf die Kontaktfläche bezogen. Der schematische Aufbau ist in Abb. 3.70 dargestellt. Die Ergebnisse der Versuchsreihen sind in Abb. 3.71 zu sehen. Die gemessenen spezifischen Haftkräfte unterscheiden sich im Maximum zwischen PEEK und Edelstahl um den Faktor 21. Dies ist nicht nur für die Reinigung oder selbstständige Ablösung von Verschmutzungen von besonderem Interesse, sondern kann auch den Aufwuchs von Beginn an reduzieren.

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.10

0 10 000 20 000 30 000 40 000 50 000

Erf

ord

erl

ich

er

Sp

acera

bsta

nd

B

/ m

Druckdifferenz an Folie Δp / Pa

100 µm

50 µm

25 µm

12.5 µm

Pilotanlage 25 µm

Wandstärken s0


- 109 -

Abb. 3.70: Schematischer Versuchsaufbau zur Bestimmung der Haftkraft von Gips auf verschiedenen Oberflächen

Abb. 3.71: Gemesssene Haftkraft von Gips auf verschiedenen Oberflächen Um das Kristallisationsfouling und seine Auswirkungen auf die thermische Leistungsfähigkeit oberflächenspezifisch und systematisch untersuchen zu können, wurde eine Screening-Apparatur aufgebaut (siehe Abb. 3.72). Bei dieser wurde große Sorgfalt auf eine exakte Einstellung der Heizleistung, genaue Messung der Lösungs- und Wandtemperaturen sowie die Überwachung von Trübung, pH und Rührerdrehzahl gelegt. Daraus resultiert eine präzise Energiebilanz. Die Abnahme des Wärmedurchgangskoeffizienten infolge der Kristallisation der invers löslichen Salze auf der jeweiligen Testoberfläche (A = 24 cm2) ist in Abb. 3.73 exemplarisch für Calciumsulfat als Modellsalzlösung gezeigt. Neben zwei PEEK Oberflächen, welche sich in ihrem Kristallisationsgrad unterscheiden, wurde Polysulfon (PSU) als weiterer alternativer Polymerwerkstoff in die Betrachtung aufgenommen. Aufgrund der unter anderem schlechten mechanischen Eigenschaften insbesondere bei höheren Temperaturen, konnte Polypropylen für die Foulingversuche nicht weiter berücksichtigt werden.

Gips

Testoberfläche

Zylinder

F

1

10

100

1000

10000

PEEK Aptiv® 1000 PP Edelstahl 1.4571

Sp

ezif

isch

e H

aft

kra

ft

/ N

·m-2


- 110 -

Abb. 3.72: Schematischer Versuchsaufbau zur systematischen Untersuchung des Kristallisationsfoulings auf verschiedenen Oberflächen

Abb. 3.73: Relativer Wärmedurchgangsverlust infolge von Kristallisationsfouling einer Calciumsulfat-Lösung für verschiedene Oberflächen Auf der Edelstahloberfläche wird für das Modellsalz Calciumsulfat eine massive Deckschichtbildung beobachtet, welche in einen signifikanten Wärmetransportverlust (ca. 48 %) aufgrund des entstehenden thermischen Widerstands resultiert. Dagegen fällt für die untersuchten Polymeroberflächen das Kristallisationsfouling deutlich geringer aus, was auch durch die gemessenen Haftkräfte begründet werden kann. Die Auswirkungen auf den langfristigen Wärmetransportverlust sind vielversprechend

Transformator

Thermostat

Heizleistung

Temperaturen

Trübung

pH

rpm

Aufzeichnung


- 111 -

für den Betrieb mit auftretendem Fouling, aber auch von besonderer Auswirkung bezüglich der Investkosten (geringere Exzessfläche). Für relativ glatte Oberflächen, kann als Abschätzungskriterium für die Foulingquantität der Zusammenhang aus Abb. 3.74 genutzt werden. Hier wird die experimentell bestimmte spezifische freie Oberflächenenergie des Polymers von der des Belags (Gips) subtrahiert. Die spezifische freie Oberflächenenergie von Gips wird der Literatur entnommen [För99].

Abb. 3.74: Thermische Quantität der Belagbildung von Calciumsulfat-Lösung in Abhängigkeit der Grenzflächenergiedifferenz zwischen Oberfläche und Belag (Gips) für verschiedene Polymeroberflächen Der Zusammenhang zwischen Foulingquantität und Oberflächenenergiedifferenz kann auch zur Einordnung neuer Werkstoffe sowie modifizierten Oberflächen genutzt werden. Weitere Untersuchungen zum Einfluss von Prozessgrößen auf das Kristallisationsfouling von Einzelsalzlösungen wurden veröffentlicht [Dre13a]. Die Modellsalzversuche haben wesentlich zum systematischen Verständnis der Belagbildung in Abhängigkeit von Oberflächeneigenschaften und Prozess-bedingungen beigetragen. Bei dem Kristallisationsfouling aus komplexem Meerwasser können die quantitativen Abhängigkeiten von den Prozessbedingungen ähnlich sein, Absolutwerte können sich jedoch aufgrund der Belageigenschaften (Dichte, Zusammensetzung, Scherfestigkeit etc.) unterscheiden. Nachfolgende Abb. 3.75 zeigt exemplarische Wärmetransportverluste am Beispiel unterschiedlich konzentrierter, synthetischer Meerwasser-Lösungen auf PEEK. Das synthetische Meerwasser wurde nach einem ozeanographischen Rezept angesetzt [Kes67]. In Anbetracht der Versuchszeit und der hohen initialen Wandtemperatur fällt die Belagbildung für eine Salinität, wie sie für Meerwasser üblich ist (35 g/kg), moderat aus. Die Größenordnung liegt im Bereich der Einzelsalzversuche auf PEEK bei geringerer Wandtemperatur (siehe Abb. 3.73). Ein asymptotisches Verhalten wird ab


- 112 -

ca. 90 h beobachtet. Bei erhöhter Salzkonzentration (59 g/kg), wie sie bei der stetigen Aufkonzentrierung der Salzlauge vorkommen kann, ist die Foulingquantität erhöht. Für die Überdimensionierung polymerer Wärmeübertragungsflächen sowie die Abschätzung der Foulingquantität in Abhängigkeit der stufenspezifischen Prozessbedingungen, können Werte überschlägig interpoliert werden. Dies hilft insbesondere bei der Festlegung der Reinigungszyklen. Durch die Flexibilität der Folien und die gleichzeitige Festigkeit des Belages kann ein Abwurf durch einen Druckstoß an den Folien kombiniert mit einer erhöhten Fallfilmbelastung realisiert werden [Chr11b]. Am Beispiel des Gips-Fouling wurde gezeigt, dass nach der Reinigung nahezu gleichgroße Wärmedurchgänge wie bei der sauberen Oberfläche erzielt werden können. Details zur Reinigungsstrategie sind veröffentlicht [Dre13b].

Abb. 3.75: Relativer Wärmedurchgangsverlust infolge von Kristallisationsfouling einer synthetischen Meerwasser-Lösung unterschiedlicher Salinität auf PEEK Aptiv® 1000.

3.2.3.4 Experimentelle Untersuchungen zum Wärmetransport (AP 3.4)

Nach der Inbetriebnahme einer Versuchsanlage im Pilotmaßstab im Vorgängervorhaben, stand in diesem Projekt die Erweiterung der Datenbasis zur fundierteren thermischen Auslegung des Apparatekonzeptes im Vordergrund. Dazu wurden Versuche bei niedrigen Temperaturen und Drücken im Rahmen von MED-Prozessbedingungen durchgeführt. Da bereits gezeigt wurde, dass ein Fallfilmaufriss den Wärmetransport signifikant beeinträchtigt [VEU09], wird bei allen Versuchen eine Flüssigkeitsbelastung oberhalb der minimal erforderlichen Berieselungsdichte gewählt. Ferner soll Optimierungspotential aufgezeigt und quantifiziert werden.


- 113 -

Details zu technischen Daten sowie zur Instrumentierung der Versuchsanlage (A = 2 m2) sind im Abschlussbericht des Vorhabens ZN 240 beschrieben [VEU09]. Durch die Messung aller relevanten Größen (Drücke, Temperaturen, Massenströme) ist eine akurate Bilanzierung der Massen- und Energieströme gewährleistet. Der mittlere experimentelle Wärmedurchgangskoeffizient berechnet sich wie folgt.

A

Q

A

QU

evapheat

log

exp (3.11)

Hierbei ist A die saubere Wärmeübertragungsfläche, log die mittlere logarithmsche Temperaturdifferenz im Fall von Fallfilmerwärmung im Gleichstrom (Gleichung 3.2.3.4) und die mittlere Temperaturdifferenz bei der Fallfilmverdampfung (Gleichung 3.2.3.5):

outffcond

inffcond

outffcondinffcond

,

,

,,

log

ln

, (3.12)

evapcond . (3.13)

Unter Vernachlässigung von Überhitzung des siedenden Fallfilms sowie Unterkühlung des Kondensats werden die Siedetemperatur evap und die

Kondensationstemperatur cond als konstant angenommen. Zur Vermeidung einer

Entspannungsverdampfung wird der Fallfilm unterhalb der Siedetemperatur aufgegeben, nach der Erwärmung entspricht die Siedetemperatur

evap der

Austrittstemperatur outff , . Somit errechnen sich die Wärmeströme von Erwärmung

Qheat und Verdampfung Qevap wie folgt:

inffoutffLpffheat cmQ ,,, , (3.14)

vvevap hmQ . (3.15)

Alle Stoffdaten sind als temperaturabhängige Funktionen berücksichtigt und werden

aus Literaturdaten interpoliert [Wag06].

Geeignete Korrelationen zur thermischen Auslegung des Apparatekonzeptes wurden als Teil des Arbeitsprogramms entwickelt. Dies geschah in Anlehnung und Erweiterung zu existierenden Korrelationen für die Fallfilmverdampfung an der vertikalen Wand. Abgesehen von der Wand ist der thermische Gesamtwiderstand maßgeblich durch den Fallfilm dominiert, der Einfluss des Spacers auf den kondensatseitigen Wärmeübergang wird daher vernachlässigt und es gilt die Korrelation für die mittlere Nusselt-Zahl bei laminarer Filmkondensation [Nus16, Sch06]:

1/3

cf

L

G

condRe

ρρ

1

0.925Nu

. (3.16)


- 114 -

Für die Fallfilmverdampfung unter Annahme von Konvektionssieden an der Filmoberfläche existieren folgende Gleichungen für die vertikale Wand [Sch80]:

2

,,

2

,, turbevapfflamevapffevapff, NuNuNu (3.17)

mit -1/3

fflamevap,ff, Re0.9Nu (3.18)

für die laminare Strömung und 0.650.4

ffturbevap,ff, PrRe0.00622Nu (3.19)

für die turbulente Strömung. Hierbei sind die dimensionslosen Kennzahlen folgendermaßen definiert [Sch80, Sch06]:

LL b

mΓRe

, (3.20)

L

Lp,L

k

cPr

, (3.21) 1/3

2

L

L g

νk

hNu

. (3.22)

Aus der Übersicht aller durchgeführten Versuche (Abb. 3.76) wird ersichtlich, dass die experimentellen Werte deutlich höher sind als für die ebene Wand vorhergesagt.

Abb. 3.76: Vergleich zwischen modellierten und experimentell bestimmten Wärmedurchgangskoeffizienten.

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

3000 3500 4000 4500

UN

u/

W·m

-2·K

-1

Uexp / W·m-2·K-1

Modifizierte KorrelationEbene Wand

+ 10 %

- 10 %

Re+ < Reff < 1600 p = 40 ...70 kPa


- 115 -

Die modifizierte Korrelation (Gleichung (3.23)) beschreibt die fallfilmseitige Wärmetransportintensivierung durch die Turbulenzerzeugung am Spacer-Gitter hinreichend genau:

20.650.6

ff

20.38

ff

'

evap ff, PrRe0.00458Re1.85Nu . (3.23)

Diese Korrelation kann in ihrem Gültigkeitsbereich (Re+ < Reff < 1600 und 1.75 < Pr <

2.50) zur thermischen Auslegung des Apparatekonzeptes genutzt werden.

3.2.3.5 CFD-Simulationen zum Wärmetransport und Druckverlust (AP 3.5)

Die deutliche Fallfilmintensivierung durch die Spacergeometrie resultiert in erhöhten Wärmeübergangskoeffizienten (siehe oben). CFD-Simulationen sollen dazu genutzt werden, experimentell schwer zugängliche Strömungsdetails aufzulösen und die Interpretation der experimentellen Befunde zu verifizieren. Hierzu wurde wie im Vorgängervorhaben ebenfalls die Volume-of-Fluid Methode (VOF) in Ansys Fluent verwendet und instationär gerechnet. Hierbei werden die Impuls- und Energieerhaltungsgleichung sowie die Phasenanteilsgleichung für jede Zelle berechnet. Allerdings wurde hier eine dreidimensionale Auflösung der Filmströmung gewählt. Hierdurch können insbesondere potentielle Quervermischungen oder Fluktuationen an der Filmoberfläche visualisiert werden. Bezüglich der Geometrie wurden die Abmessungen der Spacer-Struktur inklusive vertikaler Stäbe sowie die Folienausbeulung (Berechnung mit Mechanik-Modell, siehe oben) berücksichtigt. Die berechneten Modellausschnitte sind in Abb. 3.77 zu sehen. Der Fallfilm wird definiert über einen Schlitz aufgegeben (blaue Fläche). Der Auslass (rote Fläche) wird mit dem Druckniveau des Interieurs modelliert (Pressure Outlet). Die seitlichen Ränder werden mit Symmetriebedingungen ausgestattet.

Abb. 3.77: Modellgeometrien zur Durchführung der Netzstudie (links) und von finalen

Berechnungen


- 116 -

In der reduzierten Geometrie wird die Gitterauflösung optimiert und verifiziert. Die finalen Berechnungen erfolgen mit entsprechender Auflösung in der breiteren Geometrie, um die Kernströmung im Fallfilm von Symmetrieeffekten am Rand zu isolieren. Abb. 3.78 zeigt einerseits die örtliche Entwicklung der laminar aufgegebenen Filmströmung nach dem Passieren der horizontalen Spacer sowie die zeitlichen Fluktuationen der Filmströmung. Dargestellt ist die Isofläche für einen Phasenanteil von 0,5. Besonders auffällig ist der zeitlich nur kurze Aufriss der Filmströmung infolge der erhöhten Turbulenz und Quervermischung. Es werden keine stabile trockene Stellen (Stagnationspunkte) beobachtet, wie sie unterhalb der kritischen Flüssigkeitsbelastung auftreten.

Abb. 3.78: Örtliche Entwicklung und zeitliche Fluktuationen sowie kurzzeitiger Aufriss in

Filmströmung (Γ = 0,3 kg/(m s))

Betrachtet man die Geschwindigkeitskomponente in x-Richtung (Abb. 3.79), werden die Abweichungen zur rein herabströmenden Flüssigkeitsbewegung infolge der Quervermischung deutlich. Die Details 1 und 2 (siehe Abb. 3.79) zeigen die Entstehung von kurzzeitigen Filmaufrissen. Zunächst muss die Filmdicke örtlich verringert sein, woraus sich dann unterhalb des dünneren, quasi eingeschnürten Films, dessen Aufriss entwickelt. Verglichen mit der ebenen Wand stellen sich diese Vorgänge als förderlich für den Wärmetransport dar. Abb. 3.80 zeigt den berechneten verdampfungsseitigen Wärmeübergangskoeffizienten bei konstanter Wandtemperatur (entspricht etwa kondensierendem Medium auf der Heizseite) und einer Temperaturdifferenz zwischen Wand und Flüssigkeitseinlass von 20 K. Bedingt durch horizontale aber auch vertikale Spacer treten lokal sehr hohe Wärmeübergangskoeffizienten von nahezu 8000 W/(m2 K) auf. Im Mittel ergibt sich ein Wert von 2413 W/(m2 K) für das mittlere repräsentative Foliensegment. Dieser Wert liegt in etwa im gemessenen Bereich der Fallfilmerwärmung und ist deutlich höher als für eine ebene Platte, was die Annahmen aus den fluiddynamischen Betrachtungen bestätigt.


- 117 -

Abb. 3.79: Geschwindigkeit in x-Richtung auf der Fallfilmoberfläche (Γ = 0,3 kg/(m s))

Abb. 3.80: Lokaler Wärmeübergangskoeffizient an der Wand in W/(m2 K) für Γ= 0,3 kg/(m s)


- 118 -

3.2.3.6 Modellierung und Auslegung (AP 3.6)

Zur Gestaltung von Großanlagen kann die Auslegung des Apparatekonzeptes mit den entwickelten Nusselt-Korrelationen erfolgen. Durch eine Diskretisierung der Massen- und Energiebilanzen lässt sich auch die zu erwartende Destillatmenge bestimmen. Eine Variation der Prozessbedingungen gibt Aufschluss über die Sensibilität des Apparatekonzeptes bei betrieblichen Schwankungen, aber auch über mögliches Optimierungspotential in der Anlagenfahrweise (Abb. 3.81 links). Desweiteren wurden die Modelle auf die Stoffdaten von Meerwasser als Funktion von Salinität und Temperatur angewandt, um so auch mehrstufige MED-Prozesse modellieren zu können. Abb. 3.81 rechts zeigt beispielsweise die Entwicklung des Verhältnisses von Destillatmassenstrom zu Heizdampfmassenstrom (Gained Output Ratio, GOR) in Abhängigkeit der Stufenanzahl. Hier wurde exemplarisch eine Folienstärke von 50 µm angenommen. Die Abbildung zeigt ebenso die Folgen für die Apparateeffizienz, wenn im Modell Kristallisationsfouling als Funktion der Stufentemperatur berücksichtigt wird. Hieraus muss die notwendige Überdimensionierung hinsichtlich der Wärmeübertragerfläche berücksichtigt werden. Alternativ bieten sich bei dem vorliegenden Apparatekonzept auch häufigere Reinigungsintervalle zur Minimierung der Investkosten an.

Abb. 3.81: Mittlerer Wärmedurchgangskoeffizient in Abhängigkeit von Prozessbedingungen (links) und GOR-Wert in Abhängigkeit der verwendeten MED-Stufen sowie unter Berücksichtigung von Fouling

Eine größere Anzahl an Stufen ergibt höhere GOR-Werte sowie reduzierte Betriebskosten. Die Kapitalkosten der Investition steigen hingegen. Das Schema des Kostenmodells zur Abschätzung der Wirtschaftlichkeit ist in Abb. 3.82 dargestellt.

0

1

2

3

4

5

6

7

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

GO

R /

-

Stufenanzahl / -

50 µm

50 µm Fouling berücksichtigt


- 119 -

Abb. 3.82: Kostenmodell zur Abschätzung der Wirtschaftlichkeit von MED-Prozessen basierend auf Polymerfolien-Wärmeübertragern. Abb. 3.83 zeigt den gesamten Zusammenhang zur Ermittlung der Gesamtkosten bei einem Referenzfall. Um Sicherheitsanforderungen gerecht zu werden, kann es zu Überdimensionierungen der Wandstärke in Abweichung zum Technikumsmaßstab kommen. Die Auswirkungen auf die Wassergestehungskosten zeigt Abb. 3.84. Das Minimum der Wassergestehungskosten verschiebt sich nur bei besonders hohen Wandstärken aufgrund der gestiegenen Investitionskosten hin zu kleineren Effektzahlen. Auch bei einer Wandstärke von 100 µm sind die flächenspezifischen Materialkosten der Wärmeübertragungsfläche deutlich geringer als für metallische Flächen (siehe Kostenvergleich Abschlussbericht ZN 240 [VEU09]). Während für metallische Werkstoffe ein Preisanstieg mit starken Fluktuationen zu erwarten ist, verhalten sich Polymerwerkstoffe deutlich preisstabiler, was sich positiv auf die Wassergestehungskosten auswirkt. Es sei darauf hingewiesen, dass Größen wie Zinsfuß, Standzeit, Elektrizitätspreise oder Dampfkosten sowie Standortkriterien und Anlagenverfügbarkeit ebenfalls relevant für die Gesamtkosten sind.


- 120 -

Abb. 3.83: Gesamt-, Betriebs- und Kapitalkosten in Abhängigkeit der Effektanzahl für einen Referenzfall

Abb. 3.84: Wassergestehungskosten in Abhängigkeit der Effektanzahl sowie der Folienstärke

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Ko

ste

n /

Mio

. €·

a-1

Anzahl der Effekte / -

GesamtkostenBetriebskostenKapitalkosten

Betriebsbedingungen:

TS = 75 °C

AE = 9248 m2

SM = 42 g kg -1

kg s -1

Konstanten Kostenrechnung:

p = 5 %

Standzeit = 20 a

f = 90 %

CPEEK = 191 €kg-1

cST =1,2 €/MkWh

cel = 0,05 €/kWh

cCH = 0 €m-3

cLB = 0,03 € m-3

CM = 0,02 * CDC

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Wa

ss

erg

este

hu

ng

sko

ste

n

/ €·

m-3

Anzahl der Effekte / -

25

50

100

Folienstärke / µm Betriebsbedingungen:

TS = 75 °C

AE = 9248 m2

SM = 42 g kg -1

kg s -1

Konstanten Kostenrechnung:

p = 5 %

Standzeit = 20 a

f = 90 %

CPEEK = 191 € kg-1

cST =1,2 €/MkWh

cel = 0,05 €/kWh

cCH = 0 € m-3

cLB = 0,03 € m-3

CM = 0,02 * CDC


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4 Gegenüberstellung der Ergebnisse mit der Zielsetzung

des Forschungsantrags

Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollen die im Vorgängervorhaben 240 ZN [VEU09] entwickelten Konzepte zu Wärmeübertragern mit Wärmeübertragungsflächen aus Polymer- und Polymer-Komposit-Werkstoffen für MED- und MVC-Anlagen zielgerichtet weiterentwickelt und optimiert werden. Im Folgenden sind die erzielten Ergebnisse den im Forschungsantrag angestrebten Ergebnissen direkt gegenübergestellt. Angestrebtes Ergebnis: Für den sicheren Betrieb von Rieselfilmverdampfern ist

eine vollständige Benetzung der wärmeübertragenden Flächen zwingend erforderlich. Die im Vorgängervorhaben erarbeiteten Maßnahmen zum Erreichen vollständiger Benetzung sollen auf das erweiterte Kompositspektrum übertragen werden. Gegebenenfalls werden neue Konzepte zur Hydrophilierung der Oberflächen erarbeitet (z.B. mittels Plasmabehandlung). Erzieltes Ergebnis: Durch eine Oberflächenaktivierung der Komposit-Rohre bestehend aus einem thermoplastischen Kunststoff und Graphit konnte der Kontaktwinkel mit Wasser deutlich reduziert, die Oberflächenenergie ehöht und damit eine vollständige Benetzbarkeit der horizontalen Rohre bei Berieselungsdichten, die zurzeit typisch für MED-Anlagen sind, erreicht werden. Es wurde ein Beschichtungskonzept bestehend aus einer Haftvermittler-Schicht, einer hydrophoben Funktionsschicht und einer hydrophilen Deckschicht entwickelt. Die plasmapolymere Beschichtung (Niederdruckplasma) zeigte sich sowohl für die erprobten polymeren als auch metallischen Untergründe weitgehend haftungsstabil und gegen die Betriebsbedingungen in Entsalzungsanlagen beständig. Durch die hydrophile Deckschicht war eine unmittelbare gute Benetzung der Rohre auch bei geringen Berieselungsdichten gegeben. Das Benetzungsverhalten verschiedener Polymeroberflächen wurde systematisch untersucht. Das Optimierungspotential durch Plasmabehandlungen oder Konditionierung der Polymerwerkstoffe wurde ebenso quantifiziert wie der Einfluss der Meerwasser-Salinität auf die Benetzungseigenschaften. Eine Korrelation zur Vorhersage der kritischen Flüssigkeitsbelastung zur Etablierung eines geschlossenen Fallfilms wurde entwickelt, die es ermöglicht, durch Kontaktwinkelmessungen und Kenntnis der Stoffdaten, diesen für den Betrieb kritischen Punkt für die vorliegende Apparategeometrie vorherzusagen.

Angestrebtes Ergebnis: In allen Bereichen der Technik erfolgt die Verfahrens-auslegung heute nahezu ausschließlich computergestützt. Dazu werden Modelle zur Beschreibung der relevanten Wärmeübertragungsmechanismen (Kondensation und Verdampfung) benötigt, die auf der Basis experimenteller und theoretischer Untersuchungen entwickelt und validiert werden. Im hier beantragten Forschungsvorhaben sollen deshalb belastbare Grundlagen zur wärme- und strömungstechnischen Auslegung von Wärmeübertragern mit Polymerfolien und Polymer-Komposit-Werkstoffen geschaffen werden.


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Erzieltes Ergebnis: Es wurden diverse Korrelationen zur Berechnung des Wärmeübergangs bei der Kondensation in horizontalen Rohren, bei der einphasigen Erwärmung von Rieselfilmen und bei der Verdampfung von Rieselfilmen verglichen. Mit den verschiedenen Korrelationen wurden Wärmedurchgangskoeffizienten berechnet und mit experimentell ermittelten Wärmedurchgangskoeffizienten verglichen. Auf dieser Grundlage wurde eine Korrelation von Chato [Cha62] für den Wärmeübergang bei der schwerkraft-kontrollierten Kondensation in horizontalen Rohren, eine Korrelation von Mitrovic [Mit90] für den Wärmeübergang bei der Erwärmung von Rieselfilmen auf horizontalen Rohren sowie eine Korrelation von Fujita und Tsutsui [Fuj98] für den Wärmeübergang bei der Oberflächenverdampfung von Rieselfilmen auf horizontalen Rohren bei wellig-laminarer Strömung als passend ausgewählt. Die Wärmedurchgangskoeffizienten, die bei Einsatz von Komposit-Rohren in einem Rieselfilmverdampfer unter praxisnahen Bedingungen erreicht werden können, wurden auch experimentell ermittelt. Mit Komposit-Rohren bestehend aus Polypropylen und 75 Gew.-% Graphit mit einer Wandstärke von 1,5 mm konnten in Versuchen mit künstlichem Meerwasser relativ hohe mittlere Wärmedurchgangskoeffizienten zwischen 2152 W/(m² K) und 2316 W/(m² K) erzielt werden, was im Bereich von Wärmedurchgangskoeffizienten bei Einsatz von metallischen Rohren liegt. Zur Erstellung von thermischen Auslegungskriterien für Polymerfolien-Verdampfer, basierend auf einer belastbaren Datenmenge, wurde die am Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik vorhandene Versuchsanlage im Technikums-maßstab bei variierten Prozessbedingungen betrieben. Das Resultat ist eine Nusselt-Korrelation, welche die fallfilmseitige Wärmetransportintensivierung berücksichtigt, und welche die deutliche Effizienzsteigerung gegenüber herkömmlichen Transportprozessen an der ebenen Wand darstellt.

Angestrebtes Ergebnis: Im Vorgängervorhaben zeichneten sich hinsichtlich des

Belagbildungsverhaltens bei den neuen polymeren Werkstoffen deutliche Vorteile zu metallischen Werkstoffen ab. Um das zeitliche Foulingverhalten (lineares, asymptotisches, Sägezahn-Verhalten) beurteilen zu können, werden Langzeitversuche mit künstlichem Meerwasser durchgeführt. Maßnahmen zur Reduzierung der Belagbildung werden erarbeitet. Erzieltes Ergebnis: Zur Untersuchung des Kritsallisationsfoulings auf Komposit-Rohren wurden Langzeitversuche mit künstlichem Meerwasser durchgeführt. Kristallisationsfouling auf Polypropylen-Graphit-Rohren zeigte qualitative und quantitative Unterschiede im Vergleich zu Metall-Rohren. Selbst bei einem hohen Salzgehalt des künstlichen Meerwassers von 65 g/kg war die Oberfläche der Komposit-Rohre nach 50 Stunden nur schwach mit calcium- und magnesiumhaltigen Kristallen belegt. Auch nach einer Versuchsdauer von 140 Stunden hat die Belagmasse nicht nennenswert zugenommen. Anders als auf Metall-Rohren konnten auf den Komposit-Rohren nur wenige stäbchenförmige Calciumcarbonat-Kristalle (Aragonit) nachgewiesen werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Kristallisationsfouling auf metallischen Rohren durch plasmapolymere Beschichtung der Rohre deutlich reduziert werden kann.


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Die Vermutung deutlich geringerer Haftkräfte von Gips auf den untersuchten Polymeroberflächen im Vergleich zu Edelstahl konnte durch Messungen bestätigt werden. Die deutlich geringere Quantität der Belagbildung wurde in Relation zur Grenzflächenenergiedifferenz zwischen Substrat und Belag gesetzt. Auch die Quantität des Kristallisationsfoulings aus synthetischem Meerwasser ist ebenfalls relativ gering. Hierzu wurden Versuche im Rahmen von MED-Prozessbedingungen durchgeführt, um den für die Auslegung benötigten thermischen Foulingwiderstand zu bestimmen. Vielversprechend ist insbesondere die beschriebene Reinigungsstrategie für das Polymerfolien-Apparatekonzept.

Angestrebtes Ergebnis: Ziel ist die materialseitige Definition eines auf die

Anforderung in Meerwasserentsalzungsanlagen angepassten, maximal wärmeleitfähigen polymerbasierten Kompositmaterials. Erzieltes Ergebnis: Am Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung, IFAM, wurden unterschiedliche Matrixpolymere durch das gezielte Einbinden metallischer und keramischer Füllstoffe, die dem Polymer in Form von Fasern, Pulver und/oder Granulat beigemischt wurden, funktionalisiert. Die Herstellung der verschiedenen Komposite erfolgte in einem kontinuierlichen Prozess industrienah auf einer Kompoundierlinie im Technikumsmaßstab am Fraunhofer IFAM. Das Komposit wurde während der Herstellung optisch auf eine gute Homogenität überprüft und im Anschluss zu Standardgranulat weiterverarbeitet. Zu weiteren Tests wurden aus den Materialvarianten im Spritzguss genormte Zugstäbe angefertigt, an denen erste Wärmeleitfähigkeiten, aber auch strukturelle Untersuchen via Auflicht- und Elektronenmikroskop durchgeführt wurden. Erste Messungen ergaben Wärmeleitfähigkeiten von ca. 2 W/(m K). Im weiteren Verlauf des Projektes konnten Wärmeleitfähigkeiten durch Modifikation der Füllstoffe und Optimierung der Kompoundierung auf über 4 W/(m K) bzw. stärker verdichtet auf über 5 W/(m K) gesteigert werden. Die ursprünglich im Forschungsantrag angestrebte Wärmeleitfähigkeit von 5-10 W/(m K) wurde zwar nur teilweise erreicht, die Ergebnisse gegen Ende des Projektes bestätigen aber das Potenzial des Komposits als Wärmeübertragermaterial. Als Alternative zu den hoch korrosionsbeständigen und damit teuren Metallen, die in Meerwasserentsalzungsanlagen eingesetzt werden und zudem stark zur kristallinen Ablagerungsbildung neigen, wurden Verbund-Rohre untersucht, die aus einem hoch wärmeleitfähigen, aber gegenüber Meerwasser weniger korrosionsbeständigen Metallrohr und einer dünnen Polymerfolie bestehen. Weiterhin wurden Im Fachgebiet Technische Thermodynamik wurde die Materialwahl für die Polymermatrix und den Füllstoff in Kompositen erneut aufgegriffen. In Anlehnung an das Vorgängervorhaben 240 ZN [VEU09] wurden Polymer-Komposite bestehend aus einer thermoplastischen Polymermatrix (PP, PA 6, PA 12, PPS) und dem Füllstoff Graphit von Technoform Kunststoffprofile GmbH in Lohfelden, einem Partner aus dem Projektbegleitenden Ausschuss, zu Rohren mit einem Außendurchmesser von 22,4 mm und einer Wandstärke von 1,5 bzw. 1,0 mm extrudiert. Komposite mit hohem Füllstoffgehalt zwischen 50 Gew.-% und 75 Gew.-% konnten zu Rohren abgeformt werden. Die gemessenen Rauheits- und


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Welligkeitswerte zeigen, dass die Komposite zu Rohren mit glatten, geschlossenen Oberflächen extrudiert werden konnten. Die mit Komposit-Rohren bestehend aus Polypropylen und 75 Gew.-% Graphit mit einer Wandstärke von 1,5 mm in einem Rieselfilmverdampfer erzielten Wärmedurchgangskoeffizienten sind im Bereich von metallischen Rohren und damit sehr vielversprechend. Eine weitere Verbesserung des Extrusionsprozesses und der Ausrichtung der Graphit-Partikel sowie eine Optimierung der Rohrwandstärke lassen noch höhere Wärmedurchgangskoeffizienten beim Betrieb mit Komposit-Rohren bestehend aus Polypropylen und Graphit erwarten.

Angestrebtes Ergebnis: Zusätzlich besteht die Möglichkeit der Entwicklung einer

plasmapolymeren Beschichtung zur Aufbringung korrosionsfester Schichten auf metallfasergefüllten Kompositrohren. Erzieltes Ergebnis: Es wurde ein Beschichtungskonzept bestehend aus einer Haftvermittler-Schicht, einer hydrophoben Funktionsschicht und einer hydrophilen Deckschicht entwickelt. Die plasmapolymere Beschichtung (Niederdruckplasma) zeigte sich sowohl für die erprobten polymeren als auch metallischen Untergründe weitgehend haftungsstabil und gegen die Betriebsbedingungen in Entsalzungsanlagen beständig. Durch die hydrophile Deckschicht war eine unmittelbare gute Benetzung der Rohre auch bei geringen Berieselungsdichten gegeben.

Angestrebtes Ergebnis: Geeignete Werkstoffe für Wärmeübertragerfolien und

Einbauten (Spacer) werden in Hinblick auf die Betriebsbedingungen in MED- und MVC-Anlagen untersucht (mechanische Kennwerte, Zeitstandverhalten, Belagbildungsverhalten). Das Zeitstandverhalten der Polymerfolien kann über Kriechversuche bestimmt werden. Zu erstellende Korrelationsgleichungen zum Kriechverhalten erlauben eine zuverlässige mechanische Auslegung. Im Vorgängervorhaben wurde die Einsetzbarkeit von Polyetheretherketon (PEEK) als Folienwerkstoff gezeigt. Die Datenbasis soll für ein weiteres Polymer erweitert werden. Erzieltes Ergebnis: Mechanische Charakterisierungen inklusive Zeitstandversuche erlaubten eine Einschätzung von Werkstoffalternativen hinsichtlich ihrer Eignung unter den vorherrschenden Prozessbedingungen. Es konnte gezeigt werden, dass eine mit Mineralstoff angefüllte PEEK-Alternative wegen der dadurch höheren Kriechbeständigkeit, eine wesentliche Erweiterung des Belastungsbereichs zur Folge hat. Polypropylen zeigte sich in der ungefüllten Variante entgegen der Vermutung als unzureichend kriechstabil bei den typischen MED-Prozessbedingungen.

Angestrebtes Ergebnis: Bei der Verwendung von Polymerfolien müssen

Stabilisatoren (Spacer) verwendet werden, um die auftretenden mechanischen Kräfte aufzunehmen. Die Spacer sollen ebenfalls aus Polymerwerkstoffen gefertigt werden, um Korrosion vorzubeugen. Die Spacergeometrie hat Auswirkungen auf die Fluiddynamik des Rieselfilms und auf den Wärmetransport [Raa05]. Die Geometrie der Spacer soll hinsichtlich einer vollständigen Benetzung der


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Folienoberfläche, eines stabilen Rieselfilms und eines guten Wärmeübergangs optimiert werden. Gleichzeitig sollen bei geringen Strömungsdruckverlusten die Beläge leicht von der Oberfläche abzulösen sein. Erzieltes Ergebnis: Es wurden tiefergehende Einsichten in die Hydrodynamik des über den Spacer ablaufenden Flüssigkeitsfilmes sowie des Kristallisationsfoulings auf der Polymeroberfläche erarbeitet. Zur detaillierten Analyse der fluiddynamischen Ursachen für die Wärmetransportintensivierung wurden dreidimensionale numerische Strömungssimulationen an einem Ausschnitt der Wärmeübertragergeometrie mit dem VOF-Modell durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die Spacer-Struktur die Turbulenz, Quervermischung und Fluktuationen der Filmdicke erhöht. Alle Effekte wirken sich positiv auf den konvektiven Wärmeübergang im Fallfilm aus.

Angestrebtes Ergebnis: Auf der Grundlage der neu gewonnenen Erkenntnisse zur

Wärmeübertragung und Fluiddynamik werden einstufige MVC-Anlagen und mehrstufige MED-Anlagen beispielhaft ausgelegt, um die Leistungsdaten unter den veränderten Randbedingungen der neuen Werkstoffe zu ermitteln, z.B. erforderliche spezifische Heizfläche, geeignete Stufenzahl, spezifischer Energiebedarf, und mit Anlagen aus metallischen Werkstoffen zu vergleichen. Erzieltes Ergebnis: Die in den Experimenten erzielten Ergebnisse wurden als Grundlage für Simulationsrechnungen zur Auslegung von großtechnischen MED-Anlagen (4-stufige Anlagen mit einer Destillatproduktion von 2000 t/d und 10-stufige MED-Anlagen mit einer Destillatproduktion von 12000 t/d) genutzt. Eine 10-stufige MED-Anlage mit Komposit-Rohren ( = 10 W/(m K), s = 1,5 mm, Foulingwiderstand Rf = 0,05 m² K/kW) mit gleicher Wärmeübertragungsfläche und gleicher Rohr- und Rohrbündelgeometrie wie die metallische Referenzanlage ( = 112 W/(m K), s = 0,7 mm, Foulingwiderstand Rf = 0,1 m² K/kW) liefert 21,6 % weniger Destillat. Für eine Komposit-Anlage mit gleicher Destillatproduktion wie die Referenzanlage wird 32,8 % mehr Wärmeübertragungsfläche in den Verdampferstufen benötigt. Zur Apparateauslegung und Berechnung der Destillatproduktion von Polymerfolien-Verdampfern in Abhängigkeit gewählter Betriebsbedingungen wurde ein Modell zur Diskretisierung der Energie- und Massenbilanzen unter Berücksichtigung der entwickleten Nusselt-Korrelationen erstellt. Ebenso wurde die Gesamteffizienz von mehrstufigen MED-Anlagen beurteilt. Insbesondere wurde der thermische Einfluss des Kristallisationsfoulings auf die Gesamteffizienz beurteilt.

Angestrebtes Ergebnis: Auf Grundlage der experimentellen und theoretischen

Untersuchungen werden Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen zu den polymer-basierten Wärmeübertragern für die Meerwasserentsalzung durchgeführt. Erzieltes Ergebnis: Auf Grundlage der Auslegungsdaten von 10-stufigen MED-Anlagen ausgerüstet mit Rohren aus Sondermessing (Referenzanlage) oder Kompositmaterial mit einer Destillatproduktion von 12000 t/d wurden Rechnungen durchgeführt, um einen Zielpreis für Komposit-Rohre (mit = 10 W/(m K), s = 1,5 mm) abzuschätzen. Die Kostenrechnungen haben einen Zielpreis für die


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Komposit-Rohre unter 13 €/kg bzw. unter 2 €/m ergeben, was heute schon vorstellbar erscheint. Die Betrachtungen lassen erwarten, dass Komposit-Rohre zu Rohren aus Kupferlegierungen konkurrenzfähig sind. Außerdem bieten MED-Anlagen mit Komposit-Rohren noch ein großes Entwicklungspotential. Zur abschließenden Beurteilung der Wirtschaftlichkeit von MED-Anlagen basierend auf dem Polymerfolien-Wärmeübertragerkonzept wurde ein ausführliches Kostenmodell erstellt. Durch die geringen Investitionskosten des Wärmeübertragertyps und die Wärmetransportintensivierung im Fallfilm können geringe Gesamtkosten bzw. Wassergestehungskosten realisiert werden. Damit ist auch ein gewisser Auslegungsspielraum hinsichtlich der Wandstärken der verwendeten Folien gegeben.

Es liegen nun erprobte und optimierte Konzepte vor, die es ermöglichen, polymerbasierte Wärmeübertrager auszulegen, apparatetechnisch zu gestalten und deren Betriebsverhalten vorherzusagen. Die angestrebten Forschungsergebnisse und das Ziel des Vorhabens wurden erreicht.


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5 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten

Arbeiten

Die geleisteten Arbeiten der drei beteiligten Forschungsstellen entsprechen denen des genehmigten Projektantrags und waren für die Durchführung dieses Forschungsvorhabens erforderlich und angemessen. Es wurden sowohl experimentelle als auch theoretisch-analytische Untersuchungen durchgeführt. Experimente wurden in verschiedenen Versuchsapparaturen und -anlagen zu diversen Aspekten der Fluiddynamik, der Wärmeübertragung und zum Kristallisationsfouling durchgeführt. Weiterhin wurden mechanische Eigenschaften und Oberflächeneigenschaften der Polymer-Komposite und Polymerfolien untersucht. Es wurden komplexe und zeitlich aufwändige Prozesssimulationen für mehrstufige Verdampferanlagen durchgeführt. Dazu wurden neben Prozess-simulationssoftware auch selbst entwickelte Modelle und Programme genutzt. Sowohl die experimentellen als auch die theoretischen Untersuchungen waren meist iterativer Natur und damit sehr zeitaufwendig, da die Polymer-Komposite und Polymerfolien schrittweise an die Prozessbedingungen angepasst und verbessert wurden. Alle Arbeiten wurden durch wissenschaftliche und technische Mitarbeiter durchgeführt, teilweise unterstützt durch studentische Hilfskräfte. Die beantragten Finanzmittel für Personalkosten wurden innerhalb dieses Projekts entsprechend der Vorgaben eingesetzt.


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6 Ausblick

Im Vorhaben konnte gezeigt werden, wie leistungsfähig Polymer-Metall-Komposite hinsichtlich ihrer thermischen Leitfähigkeit sein können. Die beschriebenen Materialkombinationen erreichten schon in ersten Versuchen gute Wärmeleitfähigkeiten. Geringe Modifikationen in der Materialauswahl am Ende des Projektes zeigten deutlich das noch vorhandene Steigerungspotenzial dieser Eigenschaft. Um die Leistungsfähigkeit der Polymer-Metall-Komposite im Realfall beurteilen zu können, müssen aus ihnen Wärmeübertrager gefertigt werden, die in sämtlichen Belangen den geforderten Ansprüchen der Anwendung genügen. Dafür wäre es im nächsten Schritt notwendig, der Materialentwicklung im gleichen Umfang eine adäquate Rohrextrusion zur Seite zu stellen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Komposite bestehend aus Polypropylen und Graphit zu Rohren mit glatten, geschlossenen Oberflächen auch bei hohen Füllgraden extrudiert werden können. Eine gute Benetzbarkeit der Rohre kann durch Oberflächenaktivierung erreicht werden. Komposit-Rohre bestehend aus Polypropylen und 75 Gew.-% Graphit mit einer Wandstärke von 1,5 mm weisen bereits Wärmeleitfähigkeiten größer als 8 W/(m K) auf. Die in einem Rieselfilm-verdampfer erzielten Wärmedurchgangskoeffizienten sind im Bereich von metallischen Rohren und damit sehr vielversprechend. Eine weitere Verbesserung des Extrusionsprozesses und der Ausrichtung der Graphit-Partikel sowie eine Optimierung der Rohrwandstärke lassen noch höhere Wärmedurchgangs-koeffizienten beim Betrieb mit Komposit-Rohren bestehend aus Polypropylen und Graphit erwarten. Die Rohrextrusion bietet zukünftig vielfältige Gestaltungs-möglichkeiten. Verschiedene Rohrformen (z.B. oval, Tropfenform) und Rohrprofile können abgeformt werden. Dies bietet weiteres Potential zur Verbesserung der Wärmeübertragung. Nachdem die Komposit-Rohre bestehend aus Polypropylen und Graphit im aktuellen Vorhaben wesentliche Anforderungen für den Einsatz in Rieselfilmverdampfern zur Meerwasserentsalzung wie Benetzbarkeit, gute Wärmeübertragung und geringe Foulingneigung erfüllt haben, sollten weitere Untersuchungen zur mechanischen Stabilität und Zeitstandfestigkeit der Komposit-Rohre folgen. Auch die Befestigung der Komposit-Rohre in den Rohrböden eines Verdampfers (z.B. durch Schweißen, Kleben oder Dichten mit Gummimuffen), Schwingungen und eine daraus folgende Abstützung der Rohre durch Stützplatten, wie es für Metall-Rohre in Rieselfilverdampfern üblich ist, sollten betrachtet werden. Dünne Polymerfolien weisen grundsätzlich die für Konstruktionswerkstoffe im Wärmeübertragerbau notwendigen thermisch-mechanischen Eigenschaften auf. Scalingversuche wurden hauptsächlich mit PEEK-Folien durchgeführt, welche hinsichtlich der relevanten Eigenschaften am besten abschneiden, aber auch relativ teuer ist. Wünschenswert und wichtig ist die Suche nach preiswerten Alternativen zu PEEK. Andere Polymere kämen evtl. durch eine Oberflächenmodifikation zur Verbesserung der Benetzungseigenschaften zum Einsatz.


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Die im Laufe des aktuellen sowie des Vorgängerprojekts erlangten Ergebnisse zu Polymerfolien zeigen, dass weitere Forschungen sich wesentlich auf Versuche mit dem Technikumsverdampfer sowie Kontaltwinkelmessgerät beschränken können. Weitergehende Aussagen über das Verhalten der Polymerfolien unter realen Prozessbedingungen, also auch mit synthetischem Meerwasser, erfordern Langzeitversuche von deutlich über 2000 Stunden Versuchsdauer. Das Anwendungsgebiet wird eher bei großen Verdampfern von einigen Tausend Tonnen Destillatkapazität pro Tag liegen, was große Anforderungen an die Qualität der Auslegungsrechnungen stellt. Insbesondere die kurzzeitige heizdampfseitige Druckentlastung bei der Reinigung ist auf potentielle Materialermüdung zu prüfen. Da bei sehr großen Anlagen die eingebaute Gesamtmasse für die Spacer erheblich sein kann, muss diese im Zusammenspiel mit den mechanischen Folieneigenschaften unbedingt optimiert werden. Hier ist besonders die CFD-Simulation gefragt. Sie kann auch einen weiteren Beitrag zur geometrischen Optimierung der Stützstruktur liefern.


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7 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher

Nutzen der Forschungsergebnisse, ihr innovativer

Beitrag und industrielle Anwendungsmöglichkeiten

Wie auch viele andere Branchen in Deutschland, insbesondere der Maschinenbau, ist die deutsche Entsalzungsbranche exportorientiert. Die deutsche Industrie ist am internationalen Entsalzungsmarkt vorwiegend beteiligt durch Beratungs- und Planungsarbeiten, Herstellung von kleinen Anlagen, Komponenten und Spezialchemikalien. Die deutsche Position am Weltmarkt ist gut, entspricht aber bei weitem nicht dem Potenzial der deutschen Industrie. Da der Entsalzungsmarkt ein zukünftig bedeutender und sehr schnell wachsender Markt mit hohen Umsätzen ist, haben Neuentwicklungen, die Fortschritte in der Senkung der Investitionskosten und/oder in der Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Anlagen versprechen, einen beträchtlichen wirtschaftlichen Nutzen. Deutsche Unternehmen, die in die Lage versetzt werden, sich frühzeitig mit innovativen Lösungen zu engagieren, haben die Möglichkeit, einen technologischen Vorsprung gegenüber den Mitbewerbern aus europäischen Nachbarländern und Fernost zu erlangen. Für Unternehmen, die bisher nicht in der Entsalzung tätig waren, eröffnen sich neue Geschäftsfelder. Für die in der Meerwasserentsalzung tätigen Unternehmen und die Zulieferindustrie stellen die drastischen Preisschwankungen und langen Lieferzeiten der metallischen Werkstoffe ein erhebliches wirtschaftliches Risiko dar. Mit dem Einsatz von polymerbasierten Wärmeübertragern als Alternative kann dieses Risiko gesenkt werden. Die Herstellung und Verarbeitung von Kunststoffen und Verbundwerkstoffen sowie die Herstellung von Wärmeübertragern sind Domänen von mittelständischen Unternehmen, die in die Lage versetzt werden, einen neuen Absatzmarkt zu erschließen und zu entwickeln. Obgleich es Polymer-Wärmeübertrager gibt und die Herstellung von Verbundwerkstoffen bekannt ist, werden derzeit keine Polymer-Komposite oder Polymerfolien in der Meerwasserentsalzung oder in anderen Branchen in Verdampfern eingesetzt, weil es bisher keine optimierten Systemlösungen, keine belastbaren Grundlagen zur Auslegung (Berechnungsvorschriften) und keine experimentellen Erfahrungen und Testdaten gab. Die erzielten Forschungs-ergebnisse können von kleinen und mittleren Unternehmen unmittelbar genutzt werden. Durch die Bereitstellung von Konzepten zur Gestaltung und Berechnung von polymerbasierten Wärmeübertragern wird es kleinen und mittleren Unternehmen möglich, die Eignung und den Nutzen des Einsatzes von polymerbasierten Wärmeübertragern zur Meerwasserentsalzung beurteilen zu können. Die Ergebnisse können unmittelbar für die Auslegung und apparative Gestaltung der polymerbasierten Wärmeübertrager eingesetzt werden. Im Forschungsvorhaben wurde der Lösungsansatz verfolgt, durch die Verwendung von Füllstoffen die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit zu erreichen. Ausgehend von den reinen Ausgangsmaterialien über die Kompoundierung und Charakterisierung der polymerbasierten Komposite bis hin zu ersten Abformungen von Spritzguss-


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proben und Rohrmustern im industriellen Maßstab konnten die Verarbeitungs- und Prozessschritte für Komposite mit mikroskaligen metallischen Füllstoffen erarbeitet werden. Durch geeignete Polymer-Füllstoff-Kombinationen und angepasste Kompoundierungen konnten Polymer-Metall-Komposite mit Wärmeleitfähigkeiten über 4 W/(m K) hergestellt werden. Ebenso konnte gegen Ende des Projektes die Rohrabformung unter industriellen Prozessbedingungen dargestellt werden. Komposite bestehend aus einer thermoplastischen Polymermatrix (PP, PA 6, PA 12, PPS) und Graphit konnten von Technoform Kunststoffprofile GmbH, einem Partner aus dem Projektbegleitenden Ausschuss, zu qualitativ hochwertigen Rohren mit hohen Füllstoffgehalten von 50 Gew.-% bis 75 Gew.-% und geringen Wandstärken von 1,5 mm oder 1 mm extrudiert werden. Komposit-Rohre bestehend aus Polypropylen und 75 Gew.-% Graphit mit einer Wandstärke von 1,5 mm weisen bereits Wärmeleitfähigkeiten größer als 8 W/(m K) auf. Die in einem Rieselfilmverdampfer erzielten Wärmedurchgangskoeffizienten sind im Bereich von metallischen Rohren und damit sehr vielversprechend. Das Polymerfolien-Verdampferkonzept wurde durch praxisrelevante Untersuchungen weiterentwickelt. Es wurden tiefergehende Einsichten in die Hydrodynamik des über den Spacer ablaufenden Flüssigkeitsfilmes sowie des Kristallisationsfoulings auf der Polymeroberfläche erarbeitet. Ein Ergebnis ist, dass sich nun mithilfe der Messung des Kontaktwinkels sowohl das Filmbenetzungspotential als auch die Foulingneigung vorhersagen lässt. Eine neue Nusselt-Beziehung schafft die Voraussetzung für die verbesserte thermische Verdampferauslegung. Die Summe aller Ergebnisse stellt die notwendigen Daten für die prozesstechnische Simulation von industriellen mehrstufigen Polymerfolien-Verdampferanlagen bereit. Unter Einbeziehung von Antifoulingstrategien und Fluiddynamik kann so die wirtschaftlich optimale Betriebsweise kalkuliert und festgelegt werden. Die im Vorhaben durchgeführten experimentellen Untersuchungen und Modellierungen können viele kleine und mittlere Unternehmen aus Kosten- und Personalgründen kaum durchführen. Die im Projekt erzielten Ergebnisse geben kleineren und mittleren Unternehmen wichtige Informationen zur Materialwahl, Fluiddynamik, Wärmeübertragung, Belagbildung und apparativen Gestaltung von Großanlagen und können für zielgerichtete Weiterentwicklungen genutzt werden. Verdampferanlagen werden in vielen verschiedenen Industriezweigen eingesetzt, u.a. zur Herstellung von anorganischen Salzen, zur Aufbereitung von Abwasser, in der chemischen Industrie, in der Zellstoff- und Papierindustrie, in der Lebensmittelindustrie und in der Pharmaindustrie. Die innovativen Entwicklungen bieten somit ein enormes Marktpotenzial.


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Mit der Entwicklung von polymerbasierten Verdampferanlagen eröffnen sich zusätzliche Geschäftsfelder für Planungs- und Ingenieurbüros, die die Planung und Projektierung von

Verdampferanlagen mit polymerbasierten Werkstoffen übernehmen, Unternehmen, die basierend auf den Forschungsergebnissen vermarktungsfähige

Verdampfer mit den neuen Materialien herstellen und kunststoffverarbeitende Unternehmen. Die Zusammensetzung des Projektbegleitenden Ausschusses des Vorhabens spiegelt die potenziellen Nutzer wider: Unternehmen, die befasst sind mit der Planung von Entsalzungsanlagen und Verdampferanlagen, mit dem Engineering und der Herstellung von Verdampferanlagen zur Entsalzung, von Membrandestillations-anlagen und von solaren Systemen zur Entsalzung, mit Systemen und Methoden, Belagbildung zu verhindern, mit der Energie- und Umwelttechnik sowie der Modernisierung und Umrüstung von alten Meerwasserentsalzungsanlagen, mit dem Engineering von Anlagen zur Herstellung anorganischer Salze, mit dem Maschinen- und Anlagenbau, mit Polymer- und Komposittechnologie sowie dem Engineering und der Herstellung von Kunststoff-Wärmeübertragern und der Kunststoff- und Kompositverarbeitung. Durch die Transfermaßnahmen während des Forschungsvorhabens wurden weitere Unternehmen auf die erzielten Ergebnisse aufmerksam. Es haben sich weitere industrielle Anwendungsmöglichkeiten für die Polymer- und Polymer-Komposit-Werkstoffe ergeben, beispielsweise als Wärmeübertragungsflächen zur Kondensation in Membrandestillationsanlagen und als Wärmeübertragungsflächen für Luft-Befeuchtungs- und -Entfeuchtungsprozesse zur Meerwasserentsalzung.


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8 Transfer der Forschungsergebnisse

8.1 Veröffentlichungen und Schutzrechte

Die erfolgten und geplanten Veröffentlichungen zum Forschungsvorhaben sind in Tabelle 7.1 aufgeführt. Im Zusammenhang mit dem Forschungsvorhaben wurden bisher keine Schutzrechte angemeldet.

8.2 Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft

Der fortgeschriebene Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft befindet sich in Tabelle 7.1.

Tabelle 7.1: Übersicht zu den bereits durchgeführten und zu den geplanten

Transfermaßnahmen

Datum/Zeitraum Durchgeführte Maßnahmen Ziel/Bemerkung

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Fortlaufend Transfer in die Wirtschaft durch Vereine und Cluster

Breiter Transfer/ Multiplikatorwirkung durch Verein Deutsche MeerwasserEntsalzung (DME) und Fraunhofer-Informationscluster MultiMaT

Fortlaufend Beratung von Firmen durch Forschungsstellen Vorstellung der Projektidee und von Ergebnissen im aktiven Dialog mit Firmen, insbesondere KMU

Fortlaufend Transfer über bilaterale Projekte mit der Industrie, insbesondere KMU

Ergebnisse werden fortlaufend in Lösungsansätze von Projekten mit industriellen Partnern eingepflegt

Fortlaufend Transfer über Internetseiten der Forschungsstellen

Rasche Informationsverbreitung zum Forschungsvorhaben auf Internetseite

In 2012 Veröffentlichungen der TU Kaiserslautern in Fachzeitschriften: Christmann et al., Applied Thermal

Engineering, 28 (2012) 175-181. C. Dreiser, H.-J. Bart (2012): Trinkwasser durch Plastik – Polymerfolien-Wärmeübertrager als Alternative in der Meerwasserentsalzung, CITplus, Vol. 11-12, 54-55. C. Dreiser, H.-J. Bart (2012): Challenges in design of polymer falling film heat exchangers, Chemical Engineering Transactions, Vol. 29, 1351-1356. DOI: 10.3303/CET1229226 C. Dreiser, H.-J. Bart (2012): Oberflächenmanipulation polymerer Wärmeübertragungsflächen, Chemie Ingenieur

Technik, 84, No. 8, 1421. DOI: 10.1002/cite.201250219 C. Dreiser, H.-J. Bart (2012): Prozessspezifische Optimierung von Polymerfolien-Wärmeübertragerflächen, Chemie Ingenieur Technik, 84, No. 8, 1419. DOI: 10.1002/cite.201250217

Wissenschaftliche Publikation der Ergebnisse und Darstellung der Anwendung


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Oktober 2011– Februar 2012

Transfer über Vorlesung “Kalorische Apparate“ an der Uni Bremen

Akademische Ausbildung; Wissensvermittlung

23.-26.01.2012 Weiterbildung/ Transfer über DME-Workshop “Thermal Desalination of Saline Waters“, Duisburg

Vorstellung der Ergebnisse und Diskussion in Fachveranstaltungen, Weiterbildung von Mitarbeitern, insbesondere aus KMU

16.02.2012 Sitzung des Projektbegleitenden Ausschusses PA

Fortschrittsbericht, Diskussion, Festlegungen, Abstimmung, Maßnahmen

22.-23.03.2012 C. Dreiser, H.-J. Bart: Transiente Stabilitätsbetrachtungen von Polymerwerk-stoffen und Oberflächenmodifikationen für die Anwendung in der Wärmeübertragung, Jahrestreffen der Fachgruppe Wärme- und Stoffübertragung, Weimar (Vortrag)

Präsentation der Ergebnisse und Darstellung der Anwendung

03.-07.06.2012 C. Dreiser, H.-J. Bart: Polymer surface optimization for the application in falling film heat exchangers, ECI 8th International Conference on Boiling and Condensation Heat Transfer, Lausanne, Switzerland (Vortrag)

18.-22-06.2012 C. Dreiser, H.-J. Bart: Wetting behavior characteristics of polymer surfaces for heat transfer, ACHEMA Congress, Frankfurt (Vortrag)

Präsentation der Ergebnisse und Darstellung der Anwendung durch Vortrag und Stand (Halle 9.2 Stand B82) auf der Messe (international)

25.-29.08.2012 C. Dreiser, H.-J. Bart: Challenges in design of polymer falling film heat exchangers, 15th Conference Process Integration, Modeling and Optimisation for Energy Saving and Pollution Reduction, Prague, Czech Republic (Vortrag)

Präsentation der Ergebnisse und Darstellung der Anwendung (international)

10.-13.09.2012 C. Dreiser, H.-J. Bart: Prozessspezifische Optimierung von Polymerfolien-Wärmeübertragerflächen, ProcessNet-Jahrestagung, Karlsruhe (Vortrag) C. Dreiser, H.-J. Bart: Oberflächen-manipulation polymerer Wärmeübertragungs-flächen, ProcessNet-Jahrestagung, Karlsruhe (Poster)


09.-11.10.2012 Präsentation der Arbeiten vom IFAM auf der Fachmesse “Composites Europe“, Düsseldorf

Darstellung des Themas und der Arbeiten an einem Messedemonstrator

13.-16.11.2012 A. Haberkorn, Electronica, München Präsentation der Ergebnisse und Darstellung der Anwendung




29.11.2012 Sitzung des Projektbegleitenden Ausschusses PA


In 2013 C. Dreiser, L. J. Krätz, H.-J. Bart (2013): Polymer Film heat exchanger for seawater desalination: Prevention and cleaning of fouling deposits, Proceedings of International Conference on Heat Exchanger Fouling and Cleaning X (Eds.: H. Müller-Steinhagen, M. R. Malayeri, A. P. Watkinson), 296-301, Budapest, Hungary. C. Dreiser, L. J. Krätz, H.-J. Bart (2013): Kinetics and quantity of crystallization fouling on polymer surfaces: impact of surface characteristics and process conditions, Proceedings of International Conference on Heat Exchanger Fouling and Cleaning X (Eds.:



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H. Müller-Steinhagen, M. R. Malayeri, A. P. Watkinson), 291-295, Budapest, Hungary. C. Dreiser, L. J. Krätz, H.-J. Bart, H. Glade, C. Ortiz Tinoco, A. Haberkorn, V. Zöllmer, T. Seemann, R. Wilken, A. Baalmann, M. Busse (2013): Entwicklung polymerbasierter Wärmeübertrager für den Einsatz in Meerwasserentsalzungsanlagen, Chemie

Ingenieur Technik, 85, No. 9, 1453. DOI: 10.1002/cite.201250656 C. Dreiser, L. J. Krätz, H.-J. Bart (2013): Scaling-Eigenschaften von Polymerober-flächen bei der Wärmeübertragung, Chemie

Ingenieur Technik, 85, No. 9, 1466. DOI: 10.1002/cite.201250604

2013 Gezielte Beratung von Firmen durch Forschungsstellen

Gezielte Ansprache von Firmen außerhalb des PA, Vorstellung von Ergebnissen im aktiven Dialog mit Firmen, insbesondere KMU

14.-15.03.2013 C. Dreiser, H.-J. Bart: Kristallisationsfouling auf polymeren Wärmeübertragungsflächen, Jahrestreffen der Fachgruppen Kristallisation und Mischvorgänge, Magdeburg (Poster)

Darstellung des Themas und Präsentation der Ergebnisse

20.-21.03.2013 C. Dreiser, H.-J. Bart: Polymerfolienwärmeübertrager: Hydrodynamik, Wärmeübertragung und Kristallisationsfouling, Jahrestreffen der Fachgruppen Fluidverfahrenstechnik und Wärme- und Stoffübertragung, Baden Baden (Vortrag) C. Dreiser, H.-J. Bart: Kristallisationsfouling auf Polymeroberflächen für die Fallfilmwärmeübertragung, Jahrestreffen der Fachgruppen Fluidverfahrenstechnik und Wärme- und Stoffübertragung, 20.-21.03.2013, Baden Baden (Poster)

Präsentation der Ergebnisse

10.-11.04.2013 C. Dreiser, H.-J. Bart: Polymere Wärmeübertragungsflächen: Kinetik und Quantität des Kristallisationsfoulings, Verfahrenstechnisches Doktoranden-Seminar, Annweiler (Poster)

Präsentation der Ergebnisse

09.-14.06.2013 C. Dreiser, L. J. Krätz, H.-J. Bart: Polymer Film Heat Exchanger for Seawater Desalination: Prevention and Cleaning of Fouling Deposits, Heat Exchanger Fouling and Cleaning Conference, Budapest, Hungary (Vortrag) C. Dreiser, L. J. Krätz, H.-J. Bart: Kinetics and Quantity of Crystallisation Fouling on Polymer Surfaces: Impact of Surface Characteristics and Process Conditions, Heat Exchanger Fouling and Cleaning Conference, Budapest, Hungary (Poster)

Präsentation der Ergebnisse (international) und Veröffentlichung im Tagungsband Präsentation der Ergebnisse (international), Preisträger BEST POSTER AWARD, Veröffentlichung im Tagungsband

25.-27.09.2013 C. Dreiser, L. J. Krätz, H.-J. Bart, H. Glade, C. Ortiz Tinoco, A. Haberkorn, V. Zöllmer, T. Seemann, R. Wilken, A. Baalmann, M. Busse (2013): Entwicklung polymerbasierter Wärmeübertrager für den Einsatz in Meerwasserentsalzungsanlagen (Tandemvortrag), Jahrestreffen der Fachgemeinschaft Fluiddynamik und



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Trenntechnik, Würzburg C. Dreiser, L. J. Krätz, H.-J. Bart: Scaling-Eigenschaften von Polymeroberflächen bei der Wärmeübertragung, Jahrestreffen der Fachgemeinschaft Fluiddynamik und Trenntechnik, Würzburg

25.-27.09.2013 Jahrestreffen der Fachgemeinschaft Fluiddynamik und Trenntechnik, Würzburg. Poster TU Kaiserslauternμ „Scaling-Eigenschaften von Polymeroberflächen bei der Wärmeübertragung“


16.-23.10.2013

Präsentation des Projekts vom IFAM auf der Fachmesse K 2013 in Düsseldorf





2014 Gezielte Beratung von Firmen durch Forschungsstellen, z.B. A. Haberkorn, Technologietag der Firma Hettich, PolymerInnovationen-elektrisch und thermisch leitfähige Polymer-Komposite (Vortrag und Poster)

Gezielte Ansprache von Firmen außerhalb des PA, Vorstellung von Ergebnissen im aktiven Dialog mit Firmen, insbesondere KMU

10.-14.02.2014 Weiterbildung/ Transfer über DME-Workshop “Thermal Desalination of Saline Waters“, Essen

Vorstellung der Ergebnisse und Diskussion, Weiterbildung von Mitarbeitern, insbes. aus KMU

24.-26.03.2014 C. Dreiser, H.-J. Bart: Wärmetechnische Auslegung und Optimierung eines Polymerfolien-Fallfilmwärmeübertragers: Experiment, Modellierung und Simulation, Jahrestreffen der Fachgruppen Mehrphasenströmungen und Wärme- und Stoffübertragung, Fulda (Poster) C. Dreiser, H.-J. Bart: Kristallisationsfouling auf polymeren Wärmeübertragungsflächen bei der Handhabung salzhaltiger Fluide, Jahrestreffen der Fachgruppen Mehrphasenströmungen und Wärme- und Stoffübertragung, Fulda (Poster)


27.-28.03.2014 C. Dreiser, H.-J. Bart: Hydrodynamische Charakterisierung und Manipulation der Fallfilmströmung in einem Polymerfolien-Wärmeübertrager, Jahrestreffen der Fachgruppen Extraktion und Fluidverfahrenstechnik, Fulda (Poster)


15.07.2014 Sitzung des Projektbegleitenden Ausschusses, Bremen


2014 Abschlussbericht und Veröffentlichung Zusammenstellung der Ergebnisse

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Datum/Zeitraum Geplante Maßnahmen Ziel/Bemerkung

14.-17.09.2014 C. Dreiser, H.-J. Bart: Hydrodynamics and Fouling in Polymeric Falling Film Evaporators for Multi-Effect-Distillation, 10th International Conference on Distillation and Absorption, Friedrichshafen (Poster)


7.-9.10.2014 Präsentation der Arbeiten vom IFAM auf der Fachmesse “Composites Europe“, Düsseldorf

Darstellung des Themas und der Arbeiten an einem Messedemonstrator

Oktober 2014– Januar 2015



15.-19.06.2015 C. Dreiser, L. J. Krätz; H.-J. Bart: Polymer Film Heat Exchanger for Seawater Desalination:



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Falling Film Enhancement and Fouling Mitigation, ACHEMA 2015, Frankfurt am Main

In 2015 C. Dreiser, L. J. Krätz, H.-J. Bart (2015): Kinetics and quantity of crystallization fouling on polymer surfaces: impact of surface characteristics and process conditions, Heat

Transfer Engineering, 36, 7, in press. DOI:10.1080/01457632.2015.954954 Weitere Veröffentlichungen in Desalination and Water Treatment, Chemie Ingenieur Technik


In 2016 H. Glade, Composite Heat Exchangers, In: Innovative Heat Exchangers (H.-J. Bart, S. Scholl, Hrsg.), Springer-Verlag, in Planung (Buchbeitrag)


ab 1. Jahr Einrichtung eines Projektbegleitkreises (PBK) mit Firmen aus PA und weiteren Firmen, Beratung

Aktiver Dialog mit Firmen, Begleitung und Bewertung der Transfermaßnahmen, Diskussion, Festlegungen, Abstimmung, Maßnahmen

ab 1. Jahr Veröffentlichung in Fachzeitschriften, Vorträge auf Konferenzen


ab 1. Jahr Einbeziehung neuester Ergebnisse in Lehrveranstaltungen

Akademische Ausbildung, Wissensvermittlung

im 1. Jahr Initiierung eines DECHEMA-Kolloquiums zum Themengebiet

Präsentation der Ergebnisse und Diskussion

im 1. Jahr Dissertationen Wissenschaftliche Qualifikation der Bearbeiter des Forschungsvorhabens

ab 1. Jahr Bau von mobilen Demonstratoren und Präsentation auf Fachmessen und potentiellen Nutzern

Veranschaulichung der Konzepte und Darstellung der Anwendung

ab 2. Jahr Einsatz der Komposit-Rohre in Versuchsanlage von Anlagenhersteller

Demonstration der Anwendbarkeit einzelner Komposit-Rohre

ab 3. Jahr Erprobung in Pilotanwendungen Demonstration der Anwendbarkeit der entwickelten Konzepte

ab 4. Jahr Implementierung einzelner Bauteile in industrielle Anlagen durch die dem PBK angehörenden KMU

Demonstration der Praxistauglichkeit


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9 Durchführende Forschungsstellen

Forschungsstelle 1 Universität Bremen FB Produktionstechnik Fachgebiet Technische Thermodynamik Badgasteiner Straße 1 28359 Bremen Leiter der Forschungsstelle: Prof. Dr.-Ing. Johannes Kiefer Projektleiterin: Dr.-Ing. Heike Glade Forschungsstelle 2 TU Kaiserslautern FB Maschinenbau und Verfahrenstechnik Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik Gottlieb-Daimler-Straße 67663 Kaiserslautern Leiter der Forschungsstelle: Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Hans-Jörg Bart Projektleiter: Dr.-Ing. Lorenz Krätz Forschungsstelle 3 Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM Wiener Straße 1 28359 Bremen Leiter der Forschungsstelle: Prof. Dr.-Ing. Matthias Busse Projektleiter: Dr. rer. nat. Volker Zöllmer


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10 Danksagung

Das IGF-Vorhaben 16959 N der Forschungsvereinigung Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V. – IUTA wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.


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12 Anhang

Abb. 12.1: Kostenmodell zur Abschätzung der Wirtschaftlichkeit von MED-Prozessen basierend auf Polymerfolienwärmeübertragern.

Schlussbericht für das IGF-Vorhaben Nr. 16959 · Komposit-Anlage mit gleicher Destillatproduktion...

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