Entwicklung eines Fallfilmwärmeübertragers mit Wärmeübertragungsflächen aus Polyetheretherketon

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Platten-Fallfilmwärmeübertrager entwickelt, dessen Wärmeübertragungsflächen aus dem Polymer Polyetheretherketon (PEEK) bestehen. Das Augenmerk lag dabei auf dem Prozess der Mehreffektverdampfung (MED), die vor allem bei der Meerwasserentsalzung großtechnisch eingesetzt wird. Das Hochleistungspolymer PEEK verfügt neben einer exzellenten chemischen Beständigkeit außerdem über eine hohe mechanische Festigkeit und ist äußerst wärmebeständig. Die geringe Wärmeleitfähigkeit von Polymeren erforderte es jedoch, 25 µm dünne PEEK-Folien als Wärmeübertragungsflächen zu verwenden, um thermische Gesamtwiderstände zu erreichen, die mit metallischen Wärmeübertragungsflächen vergleichbar sind. Vor diesem Hintergrund wurden die mechanischen Eigenschaften von PEEK-Folien bei erhöhten Temperaturen unter dem Einfluss von Wasser untersucht. Die dabei erhaltenen Daten wurden als Grundlage verwendet, um das mechanische Verhalten der Folien bei MED-Prozessbedingungen anhand von empirischen Modellen zu beschreiben. Darauf aufbauend wurden Berechnungen zur mechanischen Belastbarkeit der polymeren Wärmeübertragungsflächen durchgeführt. Die Folien mussten mit einem Spacer mechanisch stabilisiert werden, um den auftretenden Druckdifferenzen standhalten zu können. Eine vollständige Benetzung der Wärmeübertragungsfläche mit dem Fallfilm ist bei der Fallfilmwärmeübertragung von fundamentaler Bedeutung. Wie die meisten Polymere weist auch PEEK einen hohen Kontaktwinkel mit Wasser auf, was eine vollständige Benetzung der Oberfläche mit einem Fallfilm erschwert. Dennoch konnte durch Modifikation der Fallfilmaufgabe, der Spacergeometrie und der Oberflächeneigenschaften der Folie der Netzpunkt des Fallfilms zu technisch relevanten Flüssigkeitsbelastungen verschoben werden. Kontaktwinkelmessungen und die Bestimmung der spezifischen freien Oberflächenenergien zeigten, dass sowohl eine Plasmabehandlung der Folienoberfläche als auch die Konditionierung der Folien in Wasser die Oberflächeneigenschaften der Folie signifikant verändern und zu einer besseren Benetzbarkeit mit Wasser führen. Da die Bildung von Foulingbelägen ein häufiges Problem bei der Wärmeübertragung darstellt, wurden Untersuchungen zum Kristallisationsfouling (Scaling) durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass sich zwar Beläge auf der Folienoberfläche bilden, diese dort allerdings kaum anhaften und ohne chemische oder mechanische Hilfsmittel während des Betriebes von der Folienoberfläche entfernt werden können. Ein Prototyp des entwickelten Plattenfallfilmwärmeübertragers wurde bei typischen MED-Prozessbedingungen betrieben, um wärmetechnische Kenngrößen experimentell zu bestimmen. Diese dienten als Basis zur Modellierung der Wärmeübertragung im Wärmeübertragerprototyp. Die erhaltenen experimentellen Daten und die Simulationsergebnisse belegen, dass der Werkstoff PEEK erfolgreich als Wärmeübertragungsfläche bei der MED eingesetzt werden kann. Darüber hinaus ergeben sich beim Einsatz von PEEK-Folien auch deutliche wirtschaftliche Vorteile gegenüber metallischen Wärmeübertragungsflächen.