Wärmetechnische Untersuchung und Visualisierung des Ablagerungs- und Abtragungsverhaltens bei der Belagbildung in Mikrowärmeübertragern
Final Report Abstract
Der breite Einsatz von Mikrostrukturapparaten in der Industrie ist vergleichsweise gering. Ein wichtiges Argument gegen die Verwendung von mikrostrukturierten Apparaten ist ihre Anfälligkeit zur Belagbildung (Fouling) in den Mikrokanälen. In diesem Projekt wurden erste wärmetechnische, fluiddynamische und optische Untersuchungen zur Belagbildung durch Kristallisationsfouling in mikrostrukturierten Wärmeübertragern durchgeführt. Dazu wurden verschiedene Wärmeübertrager mit fluidischer Beheizung entwickelt. Diese Apparate wurden über eine geklemmte Bauweise realisiert, bestehend aus 2 Verteilerstrukturen mit einer dazwischen geklemmten Wärmeübertragungsfolie. Die Mikrostrukturen auf der kalten Seite (Foulingseite) sind aus transparentem Polycarbonat zur Visualisierung des Foulingvorganges gefertigt. Es wurde außerdem eine Messmethode zur Ermittlung lokaler Wandtemperaturen entwickelt. Es zeigt sich, dass die Bestimmung lokaler Wandtemperaturen mit Hilfe von integrierten Thermoelementen in der Wärmeübertragungsfolie möglich ist. Jedoch sind Effekte wie Wärmequerleitung, Position der Messspitze und der Abstand der Messspitze zur Mikrokanalwand in Betracht zu ziehen. Zur Validierung des Messverfahrens wurden CFD Simulationen für den Anfangszustand, d.h. ohne den Einfluss von Ablagerungen durch Fouling durchgeführt. Dabei zeigte sich eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Werten. Die erhaltenen Foulingverläufe wiesen dabei im Vergleich zu herkömmlichen Wärmeübertragern kürzere Induktionsphasen auf. Die asymptotischen Foulingendwerte lagen allerdings im erwarteten Bereich von 10^-5 - 10^-3 m2 K W^-1 . Die Visualisierung des Foulingverhaltens im Mikrokanal und die lokale Wandtemperaturmessung zeigen, dass das Wachstum der Foulingschicht über die der Länge der Mikrokanäle zunimmt. Eine gleichzeitig in-situ Messung der Foulingschichthöhe war aufgrund der schwierigen Fokussierung der Kristalloberflächen noch nicht möglich, soll aber weiter verfolgt werden. Der verringernde Einfluss einer höheren Strömungsgeschwindigkeit auf den Foulingwiderstand wurde bestätigt. Eine Verlängerung der Induktionszeit bei größeren Strömungsgeschwindigkeiten (> 1 m^-1 s , Re > 300) konnte festgestellt werden. Der Einfluss der Belagbildung auf den Druckverlust ist signifikant. Im Gleichstrombetrieb wuchsen die Kristalle in der Regel anfänglich am Austritt entgegen der Strömungsrichtung, während im Kreuzstrombetrieb das Fouling, entsprechend des Temperaturprofils, im Abschnitt zwischen Heizfluideintritt und Lösungsfluidaustritt am stärksten war. Kinetische Betrachtungen ergaben, dass der Belagbildungsprozess beim Kristallisationsfouling reaktionskontrolliert ist. Das deutet darauf hin, dass eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit keine Beschleunigung der Belagbildung bewirkt. Eine hohe Strömungsgeschwindigkeit führt zu einer Absenkung der Wandtemperatur und in der Folge zu einem langsameren Kristallisationsfouling. Es konnte gezeigt werden, dass der Einfluss der Belagbildung durch Kristallisationsfouling im Mikrowärmeübertrager hinsichtlich des Wärmeübergangsverhaltens vergleichbar ist mit der Belagbildung in herkömmlichen Wärmeübertragern. Ein entscheidender Unterschied ist ist der extreme Anstieg des Druckverlustes in den Mikrostrukturen beim Foulingprozeß. Dennoch sollte eine Reinigung von kristallinen Foulingschichten in Mikrostrukturen mit chemischen Reinigungsmitteln möglich sein. In künftigen Untersuchungen muss daher ein Reinigungsverfahren (in-situ (CIP) als auch ex-situ) konzipiert werden, das eine möglichst schonende Reinigung der Mikrokanäle ermöglicht. Des Weiteren müssen auch foulingmindernde Maßnahmen, wie z.B. ein Einsatz von Beschichtungen geprüft werden.
Publications
- Experimental and CFD Results for Local Temperature Measurement in Micro Structure Devices, Proceedings of the 2nd European Conference on Micofluidics 2010, Toulouse, France, ISSN 2108-4718
J. Bucko, W. Benzinger, M. Mayer, W. Augustin, S. Scholl, R. Dittmeyer
- Investigation and Visualization of Crystallization Fouling in a Micro Heat Exchanger, Proceedings of the 2nd European Conference on Micofluidics 2010, Toulouse, France, ISSN 2108-4718
M. Mayer, J. Bucko, W. Benzinger, R. Dittmeyer, W. Augustin, S. Scholl
- Influence of Deposits by Crystallization Fouling in Microchannels on Heat Transfer Performance of Micro Heat Exchangers, ASME 2011 9th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels, Edmonton, Canada, ICNMM2011-58051
J. Bucko, M. Mayer, W. Benzinger, W. Augustin, R. Dittmeyer, S. Scholl
- Optical and Thermal Investigations of Crystllization Fouling in a Micro Heat Exchanger, Proceedings of the International Conference on Heat Exchanger Fouling and Cleaning 2011, 168-173, Crete, Greece
M. Mayer, J. Bucko, W. Benzinger, R. Dittmeyer, W. Augustin, S. Scholl
- Crystallization Fouling in Micro Heat Exchanger – Experimental Investigations of Heat and Mass Transfer, IMRET 2012, Lyon, France, T3-O-04
J. Bucko, M. Mayer, W. Benzinger, W. Augustin, R. Dittmeyer, S. Scholl
- Kristallisationsfouling in Mikrowärmeübertrager – Experimentelle Untersuchungen zum Wärme- und Stofftransport, Jahrestreffen des ProcessNet-Fachausschusses Wärme- und Stoffübertragung 2012, Weimar, Germany
J. Bucko, M. Mayer, W. Benzinger, W. Augustin, R. Dittmeyer, S. Scholl
- The impact of crystallization fouling on a microscale heat exchanger, Experimental Thermal and Fluid Science (2012)
M. Mayer, J. Bucko, W. Benzinger, R. Dittmeyer, W. Augustin, S. Scholl
(See online at https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2012.02.007) - Untersuchungen zum Kristallisationsfouling in Mikrowärmeübertragern, Chem. Ing. Tech. (2012), 84, No. 4, 491-502, 2012
J. Bucko, W. Benzinger, M. Mayer, W. Augustin, S. Scholl, R. Dittmeyer
(See online at https://dx.doi.org/10.1002/cite.201100234)
