Usability of polymer film heat exchangers in the chemical industry

  • The main goal of this work was the study of the applicability of a polymer film heat exchanger concept for the applications in the chemical industry, such as the condensation of organic solvents. The polymer film heat exchanger investigated is a plate heat exchanger with very thin (0.025 – 0.1 mm) plates or films, which separate the fluids and enable the heat transfer. After a successful application of this concept to seawater desalination in a previous work, a further step is in chemical engineering, where the good chemical resistance of polymers in aggressive fluids is the challenge. Two approaches were performed in this work. The first one was experimental and included the study of the chemical and mechanical resistance of preselected films, made of polymer materials, such as polyimide (PI), polyethylene terephthalate (PET) and polytetrafluoroethylene (PTFE). To simulate realistic operating conditions in a heat exchanger the films were exposed to a combined thermal (up to 90°C) and mechanical pressure loads (4-6 bar) with permanent contact with the relevant organic solvents, such as toluene, hexane, heptane and tetrahydrofuran (THF). Furthermore, a lab-scale apparatus and a full-scale demonstrator were manufactured in cooperation with two industrial partners. These were used for the investigation of the heat transfer performance for operating modes with and without phase change. In addition to the experimental work, a coupled finite element –computational fluid dynamics (FEM-CFD)-model was developed, based on the fluid-structure-interaction (FSI). Two major tasks had to be solved here. The first one was the modelling of the condensation process, based on available mathematical models and energy balances. The second one was the consideration of the partially reversible deformation of the used film during operation. Since this deformation changes the geometry of the fluid channels also has an influence on the overall performance of the apparatus, a coupled FEM-CFD model was developed. During the experimental study of the chemical resistance of the films, the PTFE film showed the best performance, and hence can be used for all four tested solvents. For the polyimide film, failures while exposed to THF were observed, and the PET film can only be used with water and hexane. With the used lab-scale heat exchanger and the full-scale demonstrator competitive overall heat transfer coefficients between 270 W/m²K and 700 W/m²K could be reached for the liquid-liquid (water-water, water-hexane) operation mode without phase change. For the condensation process, overall heat transfer coefficients of up to 1700/m²K could be obtained. The numerical approach led to a well-functioning coupled model in a very small scale (1 cm²). An upscale, however, failed due to enormous hardware resources necessary required for the simulation of the entire full-scale demonstrator. The main reason for this is the very low thickness of the films, which leads to tiny mesh element sizes (<0.05 mm) necessary to model the deformation of the film. The modelling of the liquid-liquid heat transfer provided an acceptable accuracy (approx. 10%), but at very low rates the deviations were then higher (over 30%). The results of the condensation modelling were ambivalent. One the one hand a physically plausible model was developed, which could map the entire condensation process. On the other hand, the corresponding energy balance revealed major inaccuracy and hence could not be used for the determination of the overall heat transfer and showed the current limits of the FEM-CFD approach.
  • Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Anwendbarkeit von auf Polymerfolien basierten Wärmeübertragern in der chemischen Industrie, für zum Beispiel solche Aufgaben wie die Kondensation organsicher Lösungsmittel. Ein solcher Wärmeübertrager ist im Grunde wie ein Plattenwärmeübertrager aufgebaut, statt starrer Platten kamen hier allerdings sehr dünne (0.025 – 0.1 mm) Kunststofffolien zum Einsatz, die die beiden Fluide voneinander trennen und den Wärmeübergang ermöglichen. Nach einer erfolgreichen Anwendung im Bereich der Meerwasserentsalzung, wurde in dieser Folgearbeit versucht den Anwendungsbereich auf die chemische Industrie zu erweitern, wo die teils sehr gute chemische Beständigkeit von Polymeren vor allem bei aggressiven Medien Vorteile bieten kann. Das gestellte Ziel der Arbeit wurde auf zwei Ebenen verfolgt. Zum einen experimentell, was die Untersuchungen der chemischen und der mechanischen Beständigkeit der vorausgewählten Folien aus Polyimid (PI), Polyethylenterephthalat (PET) und Polytetrafluorethylen (PTFE) einschloss. Um möglichst realistische Betriebsbedingungen im späteren Einsatz abzubilden, wurden die Folien einer kombinierten thermischen (bis 90°C) und mechanischen Druckbelastung (4-6 bar) bei ständigem Kontakt mit einem organischen Lösungsmittel ausgesetzt. Verwendet wurden hierfür Toluol, Hexan, Heptan und Tetrahydrofuran (THF). Darüber hinaus wurden ein kleinerer Wärmeübertrager im Labormaßstab und ein Demonstrator in anwendungsrelevanter Größe in Zusammenarbeit mit zwei Industriepartnern hergestellt. Mit Hilfe dieser Apparate wurde der Wärmeübergang experimentell untersucht, und zwar sowohl für mit und ohne Phasenwechsel (mit und ohne Kondensation). Zusätzlich zu den experimentellen Arbeiten, wurde ein gekoppeltes Modell aus FEM (Finite Element Methode) und CFD (Computational Fluid Dynamics) entwickelt, das auf dem Prinzip der Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) basiert, das die Durchströmung und den Wärmeübergang in den Apparaten beschreibt. Hierzu mussten zwei Aufgaben gelöst werden. Zum einen wurde auf der Basis mathematischer Modelle und Energiegleichungen der Kondesationsprozess abgebildet. Zum anderen wurde die Verformung der Folien im Betrieb und dessen Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit der Wärmeübertragers betrachtet, was insgesamt zum kombinierten FEM-CFD Modell führt. Bei den experimentellen Untersuchungen der chemischen Beständigkeit zeigte die PTFE-Folie die besten Eigenschaften und kann uneingeschränkt für alle vier Lösungsmittel verwendet werden. Die Polyimidfolie erreichte ähnliche Ergebnisse, versagte allerdings bei THF. Die PET-Folie zeigte nur bei Wasser und Hexan eine ausreichende Beständigkeit. Mit den untersuchten Apparaten konnten zu gängigen metallischen Wärmeübertragern konkurrenzfähige Gesamtwärmeübergangszahlen zwischen 270 W/m²K und 700W/m²K für den Flüssig-flüssig-Betrieb erreicht werden und zwar sowohl mit nur Wasser als auch mit der Paarung Hexan-Wasser. Bei der Kondensation konnten im Demonstrator bis zu 1700W/m²K erreicht werden. Die numerischen Untersuchungen ergaben ein im kleinen Maßstab (1 cm²) funktionierendes gekoppeltes Modell. Es scheiterte die Maßstabsvergrößerung an den enormen Ressourcenanforderungen der Software, die für die Anwendung auf den finalen Demonstrator benötigt wurden. Dies lag hauptsächlich daran, dass die Folien sehr dünn waren und dadurch winzig kleine Netzgrößen (<0.05mm) gewählt werden mussten, um die Verformung realistisch abzubilden. Die Modellierung des Flüssig-flüssig-Wärmeübergangs konnte mit einer akzeptablen Abweichung von rund 10% für höhere Volumenströme umgesetzt werden. Bei kleineren Volumenströmen allerdings nahmen die Abweichungen auf bis zum 30% zu. Die Ergebnisse der Kondensationsmodellierung zeigten die Limits des Simulationsansatzes. Es wurde ein physikalisch plausibles Modell erstellt, das den Kondensationsprozess an sich abbildete. Allerdings wurde die entsprechende Energiebilanz beziehungsweise der Wärmeübergang nicht sinnvoll berechnet, jedoch konnten die Strömungsverhältnisse sehr gut abgebildet werden.

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Metadaten
Verfasserangaben:Dmitrij Laaber
URN (Permalink):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-45633
Betreuer:Hans-Jörg Bart
Dokumentart:Dissertation
Sprache der Veröffentlichung:Englisch
Veröffentlichungsdatum (online):30.01.2017
Jahr der Veröffentlichung:2017
Veröffentlichende Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Titel verleihende Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Datum der Annahme der Abschlussarbeit:12.12.2016
Datum der Publikation (Server):30.01.2017
Seitenzahl:175
Fachbereiche / Organisatorische Einheiten:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Sachgruppen:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Lizenz (Deutsch):Standard gemäß KLUEDO-Leitlinien vom 30.07.2015

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