AiF-FV-Nummer 240 ZN

Entwicklung von Wärmeübertragern auf der Basis von Polymer- und Polymer-Nanokomposit-Werkstoffen für den Einsatz in Meerwasserentsalzungsanlagen


Status & Laufzeit

Abgeschlossen: 01.03.2007 bis 28.02.2009

Forschungsstellen

Zusammenfassung

Der zur Deckung des weltweit steigenden Trinkwasserbedarfs notwendige Ausbau thermischer Meerwasserentsalzungsanlagen wird durch Verknappung metallischer Werkstoffe auf dem Weltmarkt, drastische Preisfluktuationen und z.T. lange Lieferzeiten stark beeinträchtigt. Wärmeübertragungsflächen auf Basis von Polymer und Polymer-Nanokomposit-Werkstoffen können eine vorteilhafte Alternative darstellen, wenn innovative Lösungen zur Reduzierung des Wärmeleitwiderstandes gefunden werden. Ausgehend von reinen Polymeren über die Kompoundierung und Charakterisierung der mit hochleitfähigen Füllstoffen versetzten Polymere bis hinzu ersten Musterrohrabformungen im industriellen Maßstab wurde ein möglicher Weg zur signifikanten Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit erarbeitet. Die Kompositrohre wurden in einem Horizontalrohr- Rieselfilmverdampfer untersucht. Durch kostengünstige Maßnahmen konnte eine vollständige Benetzung der Rohroberflächen erreicht werden. Die mit den Kompositen erzielten Wärmedurchgangskoeffizienten ergaben gegenüber ungefüllten Kunststoffen eine deutliche Verbesserung, konnten aber mit typischen metallischen Werkstoffen noch nicht konkurrieren, Simulationsrechnungen ergaben, dass ein unterer Zielwert der Wärmeleitfähigkeit von 5 W/(m K) anzustreben ist, in Versuchen mit künstlichem Meerwasser konnte gezeigt werden, dass die durch Kristallisationsfouling entstehenden Beläge eine ähnliche Zusammensetzung und Struktur haben, aber im Vergleich zu Metalloberflächen weit weniger stark auf den polymeren Oberflächen haften, was deutliche Vorteile mit sich bringt. Ein neuartiger Platten-Fallfilmverdampfer mit Wärmeübertragungsflächen aus dünnen Polymerfolien wurde entwickelt und in einer Versuchsanlage erprobt, Es konnte gezeigt werden, dass sich dünne PEEK-Folien (20—50 μm) grundsätzlich für den Einsatz in Verdampferanlagen eignen. Sie widerstehen den Betriebsbedingungen und die Wärmedurchgangskoeffizienten liegen in vergleichbarer Größenordnung wie bei metallischen Wärmeübertragern. Es wurden experimentelle Untersuchungen zur Zeitstandfestigkeit, zur Beeinflussung der Benetzbarkeit der Polymerfolien und zum Belagbildungsverhalten durchgeführt. Konstruktive Arbeiten sowie CFD-Simulationen dienten der Gestaltung der Spacer und der gleichmäßigen Flüssigkeitsverteilung im verdampfungsseitigen Kanal. Die erzielten Ergebnisse geben KMU wichtige Informationen zur Materialwahl, Fluiddynamik, Wärmeübertragung, Belagbildung und apparativen Gestaltung von Anlagen mit polymeren Wärmeübertragungsflächen und können für zielgerichtete Weiterentwicklungen genutzt werden. Die Ergebnisse sind neben der Anwendung in der Meerwasserentsalzung auch für zahlreiche andere Industriezweige in Deutschland von großem Nutzen, so z.B. für den Anlagenbau, die Energie- und Umweltverfahrenstechnik, die chemische Industrie, die Lebensmittel- und Pharmaindustrie sowie für Luft- und Raumfahrt, Automotive und Elektroindustrie.

Förderhinweis

Das Forschungsvorhaben der Forschungsvereinigung Umwelttechnik wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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