Einfluss von Oberflächenmodifikationen auf die Induktionszeit beim Kristallisationsfouling (PDF)

In dieser Arbeit ist die kristalline Belagbildung (Fouling) von Calciumsulfat auf
wärmeübertragenden Flächen untersucht worden. Der Fokus liegt hierbei auf der sogenannten
Induktionsphase, in der der integral gemessene Wärmedurchgang durch die sich bildende
Schicht nicht negativ beeinflusst wird. Bisherige Modelle zur Beschreibung des Foulings sind
nicht in der Lage, die Induktionszeit basierend auf Oberflächenkennwerten oder Stoffdaten zu
berechnen.
Durch Verwendung zahlreicher mechanischer wie auch energetischer Modifikationen der
wärmeübertragenden Fläche sind die Einflussfaktoren Oberflächentopographie und
energetischer Zustand der Oberfläche auf die Induktionszeit systematisch untersucht worden.
Während die mechanischen Modifikationen vornehmlich durch Änderungen der
Oberflächengeometrie resultieren, sind für die energetischen Modifikationen verschiedenste
Beschichtungen zum Einsatz gekommen. Durch die Nutzung unterschiedlicher
Versuchsanlagen ist der Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit gezielt variiert worden.
Der Einfluss der mechanischen Modifikation auf die Induktionszeit bei vernachlässigbarer
Strömungsgeschwindigkeit ist durch verschiedene Rauheitsparameter quantifiziert worden.
Materialübergreifend zeigt sich eine Induktionszeitverlängerung durch die mit der Glättung
der Oberfläche einhergehenden Keimstellenreduktion. Inwieweit die Induktionszeit bei
vergleichbarem Profil verlängert wird, ist jedoch oberflächenabhängig. Diesbezüglich sind
gerade durch die mikroskopische Betrachtung mittels Rasterkraftmikroskopie neue
Erkenntnisse bezüglich des Einflusses der Oberfläche auf die heterogene Kristallisation
gewonnen worden. Durch die energetische Modifikation ist es gelungen, die Induktionszeit
signifikant, auch ohne Einfluss der fluidseitigen Schubspannung, zu verlängern. Hierbei ist
die Induktionszeit im Vergleich zu Edelstahl (1.4301) verdoppelt und bei höheren
Strömungsgeschwindigkeiten (Reynoldszahl von 3100) sogar mehr als verzehnfacht worden.
Hinsichtlich einer kennzahlenbasierenden Modellierung der Induktionszeit sind als
Einflussfaktoren die Übersättigung des Systems, die mittlere Rautiefe und die
Oberflächenvergrößerung sowie der polare Anteil der Oberflächenenergie identifiziert
worden. Anhand dieser Einflussfaktoren ist es erstmals möglich, die Induktionszeit für ein
gering durchströmtes System im Voraus abzuschätzen. Bei höheren
Strömungsgeschwindigkeiten ist es nicht gelungen, die Induktionszeit aufgrund des
unbekannten Einflusses der Schubspannung auf den Wachstumsverlauf der Kristalle
vorherzusagen.