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Polymerfilm-Wärmeaustauscher

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Innovative Wärmetauscher

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Zusammenfassung

Polymere Wärmetauscher haben ein enormes Anwendungspotenzial, wenn es um korrosive Medien geht. Der Nachteil ist die geringe Wärmeleitfähigkeit von polymeren Werkstoffen. Dies kann jedoch durch die Verwendung dünner Folien (Dicke kleiner 0,1 mm), die durch ein Abstandsgitter gestützt werden, kompensiert werden. Letzteres wirkt als Turbulenzgeber und stabilisiert fallende Filme und verhindert das Aufbrechen und die Bildung von Rinnsalen. Der Beitrag analysiert die mechanische und chemische Stabilität und die Einsatzgrenzen sowie die Ablagerungs- und Bewuchsneigung. Im Gegensatz zu Edelstahl haben die Polymere nach einer Vorbehandlung (Corona- oder Plasmabehandlung) gute Benetzungseigenschaften und eine selbstreinigende Eigenschaft aufgrund der Flexibilität der Polymerfilme. Mineralische Ablagerungen und Biofilme lassen sich durch Rütteln der Folie leicht entfernen und die starre Bewuchsschicht fällt auseinander. Hierzu werden Korrelationen für Wärmeübertragung und CaCO3 Niederschlagsbildung (Scaling) mit einem Abstandsgitter-gestützten Polymer-Dünnschicht-Wärmeübertrager angegeben, der eine ähnliche Struktur wie ein Plattenwärmeübertrager aufweist.

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Abbreviations

A :

Wärmeübertragungsfläche (m2)

b :

Breite der Wärmeübertragungsfläche (m)

B :

Vertikaler Abstand zwischen den Abstandsstangen (m)

c:

Konzentration (mol L-1)

CF:

Sauberkeitsfaktor (Cleanliness factor)

d h :

Hydraulischer Durchmesser (m)

E :

Elastizitätsmodul (Pa)

E a :

Aktivierungsenergie (kJ mol−1)

f :

Funktion, Faktor, Anteil der benetzten Oberfläche

g :

Erdbeschleunigung m s−2

h :

Wärmeübergangskoeffizient (W m−2 K−1)

H :

Höhe (m)

k :

Wärmeleitfähigkeit (W m−1 K−1)

k p :

Anpassungsparameter

k R :

Geschwindigkeitskonstante (m4 mol−1 s−1)

L :

Länge der Wärmeübertragungsfläche (m)

\( \dot{m} \) :

Massendurchsatz (kg s−1)

N :

Anzahl der Schritte

p :

Druck (bar, Pa)

\( \dot{Q} \) :

Wärmedurchsatz (kW)

r f :

Rauhigkeitsfaktor der nassen Oberfläche

r :

Rauheitsgrad

r :

Geschwindigkeit (m s−1)

R :

Molare Gaskonstante (J mol−1 K−1)

R a :

Mittlere arithmetische Rauhigkeit (m)

R f :

Thermischer Foulingwiderstand (m2 K W−1)

R Sm :

Mittlerer Wert der Breite eines Profilelements (m)

s :

Dicke (m)

S :

Schrittweite (m)

T :

Absolute Temperatur (K)

U :

Gesamtwärmeübergangskoeffizient (W m−2 K−1)

v :

Geschwindigkeit (m s−1)

\( \overline{w} \) :

Mittlere Geschwindigkeit des Films (m s−1)

x :

Abszisse (m)

y :

Ordinate, Dicke (m)

z :

Z-Koordinate (m)

ξ :

Adhäsionskraft (N m−2)

δ :

Schichtdicke (m)

Γ:

Fallfilm-Massenstrom pro Längeneinheit (kg s−1 m−1)

ε :

Winkel gegen die horizontale Richtung (°)

ε σ :

Stressbedingte Belastung

ϴ:

Anpassungsparameter (s)

θ :

Kontaktwinkel (°)

θ 0 :

Kontaktwinkel der idealen Oberfläche (°)

γ :

Freie Oberflächenenergie (J m−2)

γ SG :

Freie Oberflächenenergie von Feststoff-Gas (J m−2)

γ LG :

Freie Oberflächenenergie von Flüssigkeit-Gas (J m−2)

γ SL :

Freie Oberflächenenergie Feststoff-Flüssigkeit (J m−2)

γ CS :

Freie Oberflächenenergie Kristall (J m−2)

λ :

Wärmeleitfähigkeit eines Festkörpers (W m−1 K−1)

η :

Dynamische Viskosität (kg s−1 m−1)

ν :

Kinematische Viskosität (m2 s−1)

ψ :

Polarität einer Oberfläche oder Flüssigkeit

ϱ:

Dichte (kg/m3)

σ :

Oberflächenspannung (J m−2)

σ LG :

Oberflächenspannung von Flüssigkeit-Gas (J m−2)

σ SG :

Oberflächenspannung von Feststoff-Gas (J m−2)

σ SL :

Oberflächenspannung Feststoff-Flüssigkeit (J m−2)

σ XZ :

Spannung in der Ebene xz der Folie (Pa)

ϑ :

Temperatur (°C, K)

ω :

Relative benetzte Fläche der Wärmeübertragungsfläche

0:

Anfangswert

a:

Fortschreitend

b:

Bulk

c:

Kanal

c:

Sauber

cf:

Kondensatfilm

cr:

Schleichend

cond:

Kondensierend

C:

Kristall

d:

Dispersion

e:

Gleichgewicht

evap:

Verdampfung

f:

Fouling

ff:

Fallender Film

G:

Gas

heat:

Wärme

ind:

Induktion

lam:

Laminar

L:

Flüssig

p:

Polar

r:

Rückschreitend

s:

Statisch

s:

Gesättigt

S:

Fest

t:

Zeit

tot:

Insgesamt

turb:

Turbulent

w:

Wand

wet:

Benetzt

x, y, z:

Koordinaten

+:

Steigende Durchflussmenge

-:

Sinkende Durchflussmenge

* :

Asymptotisch

d :

Dispersion

p :

Polar

Bi :

Biot-Zahl

Ka :

Kapitza-Nummer

Nu :

Nusselt-Zahl

Pr :

Prandtl-Zahl

Re :

Reynoldszahl

ct:

Corona behandelt

GFK:

Glasfaserverstärktes Polymer

MED:

Multieffekt-Destillation

PC:

Polycarbonat

PET:

Polyethylenterephthalat

PEEK:

Polyetheretherketon

PFA:

Perfluoralkoxyalkan

PFHX:

Polymerfilm-Wärmeübertrager

PI:

Polyimid

PP:

Polypropylen

PPS:

Polypropylensulfid

PSU:

Polysulfon

PTFE:

Polytetrafluorethylen

pt:

Plasma behandelt

SS:

Rostfreier Stahl

ut:

Unbehandelt

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Danksagung

Die Autoren bedanken sich bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Unterstützung dieser Arbeit und bei Dr.-Ing. J. Christmann und Dipl.-Ing. S. Pohl für die Hilfe bei diesem Text.

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Authors and Affiliations

  1. Technische Universität Kaiserslautern, Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik, Kaiserslautern, Deutschland

    Hans-Jörg Bart, Christian Dreiser & Dmitrij Laaber

Authors
  1. Hans-Jörg Bart
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  2. Christian Dreiser
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  3. Dmitrij Laaber
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Corresponding author

Correspondence to Hans-Jörg Bart .

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Editors and Affiliations

  1. Technische Universität Kaiserslautern, Kaiserslautern, Deutschland

    Hans-Jörg Bart

  2. TU Braunschweig, Braunschweig, Deutschland

    Stephan Scholl

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Bart, HJ., Dreiser, C., Laaber, D. (2023). Polymerfilm-Wärmeaustauscher. In: Bart, HJ., Scholl, S. (eds) Innovative Wärmetauscher. Springer Vieweg, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-22546-8_1

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