Einfluss von Biofouling auf Strömung und Wärmeübergang in

Jahrestreffen der Fachgruppen Fluidverfahrenstechnik und Membrantechnik, 26.-27. März 2015, Bremen
Einfluss von Biofouling auf Strömung und
Wärmeübergang in wasserführenden Systemen
S. Pohl , M. Madzgalla , W. Manz und H.-J. Bart
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2
2
1
Technische Universität Kaiserslautern, Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik
2
Universität Koblenz-Landau, Institut für integrierte Naturwissenschaften, AG Mikrobiologie
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MOTIVATION / EINLEITUNG
VERSUCHSAUFBAU
Biofouling verursacht volkswirtschaftliche Schäden
in Höhe von 0,25% des BIP durch [1]:
➢➢8 parallele Testmodule
➢➢Materialschäden (Korrosion)
➢➢Re < 105
➢➢Überdimensionierung der Wärmeübertrager
➢➢beliebige Heiz- bzw. Kühl- ➢➢Material: PMMA
➢➢Längere Standzeiten zwecks Wartung
temperaturen realisierbar
Biofouling wird beeinflusst durch:
➢➢flexible Anstellwinkel
Abmaße des Strömungskanals
Schema des Strömungskanals mit Substrat als Trennschicht
(Ausführung mit optionalem Wehr)
Strömungssimulation des oberen
(biologischen) Compartments
➢➢Wasser- und Prozesstemperatur
➢➢Zusammensetzung der biologischen Lösung
➢➢Beschaffenheit des Substrates
Biofouling Rohrbündelwärmeübertrager (oben)
Epifluoreszenzbild E.coli K12 auf
Polysulfon (unten)
➢➢Prozessadditive
BIOFOULING GRUNDLAGEN
ERGEBNISSE
➢➢Biofoulingschicht weist eine Wärmeleitfähigkeit von
destilliertem Wasser auf (0,6 W m-1 K-1 [2]) auf
➢➢Wachsende Schichtdicke (Wärmedurchgangswiderstand ↑ )
➢➢Rauheit der Grenzfläche nimmt zu (Reibungsversluste ↑ )
Testsystem: E.coli K12 DSM 498, V = 100 ml / min,
T = 25 °C, Versuchszeit: 3 Tage
Zusammenhang von Schichtbildung mit Rauheit und freier
Oberflächenenergie des Substrates:
25
➢➢Lage der Plateauphase durch Strömungsbedingung bestimmt
Biomasse / mg
20
ut: untreated
pt: plasma-treated
ct: corona-treated
15
10
5
0
Aptiv® 1000 Aptiv® 2000 Aptiv® 1103
ut
pt
ut
Einfluss der Schichtdicke auf den Wärmedurchgang
Änderung des Foulingwiderstandes Rf mit der Zeit;
I: Induktionsphase, II: Akkumulationsphase,
III: Plateauphase
Aptiv® 1000 ut
Aptiv® 1103 ut
Aptiv® 2000 pt
PSU ut
PSU ct
PP ut
PET ut
Steel 1.4301
AUSBLICK
Ra/
µm
0.016
0.852
0.502
0.027
0.031
0.04
0.147
0.157
Rq/
µm
0.021
1.073
0.644
0.043
0.039
0.05
0.157
0.2
PSU ut
PSU ct
Aptiv® 1000 ut
Aptiv® 1103 ut
Aptiv® 2000 pt
PSU ut
PSU ct
PP ut
PET ut
Steel 1.4301
PP ut
γSG/
mN m-1
45.1
38.5
30.4
45.3
44.4
28.4
45.4
33.0
PET ut
Hohe Rauheit und
Oberflächenergie:
•Biofilmmasse ↑
•Zellzahl ↓
LITERATUR + PARTNER
1. Durchführung von Langzeitversuchen (> 3 Monate)
2. Messung des Temperaturverlaufes bei fortschreitendem Fouling
Scan your Poster:
3. Modellierung des Foulingeinflusses anhand bestehender Foulingkinetiken
4. Online Schichtdickenmessung zur Erstellung eigener Foulingkinetiken
mittels konfokaler Raman-Spektroskopie
5. Gezielte Rauheitsänderung mittels Mikrostrukturierung (Embossing)
[1] Müller-Steinhagen, (2000) Heat Exchanger
Fouling: Mitigation and Cleaning Technologies
[2] Mostafa M. Awad (2011). Fouling of Heat
Transfer Surfaces, Heat Transfer - Theoretical
Analysis, Experimental Investigations and Industrial Systems, ISBN: 978-953-307-226-5
Technische Universität Kaiserslautern
Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik
Postfach 3049, 67653 Kaiserslautern

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