Hendrik Kiepfer

• This thesis outlines the development of thermoplastic-graphite based plate heat exchangers from material screening to operation including performance evaluation and fouling investi-gations. Polypropylene and polyphenylene sulfide as matrix and graphite as filler were cho-sen as feedstock materials, as they possess a low density and excellent corrosion resistance at a comparatively low price. For the purpose of material screening, custom-made polymer composite plates with a plate thickness of 1-2 mm and a filler content of up to 80 wt.% were investigated for their thermal and mechanical suitability with regard to their use in plate heat exchangers. Three-point flexural tests show that the loading of polypropylene with graphite leads to mechanical prop-erties that allow the composites to be applied as corrugated heat exchanger plates. The simu-lated maximum overpressure is greater than 7 bar, depending on the wall thickness. The thermal conductivity of the composites was increased by a factor of 12.5 compared to pure polypropylene, resulting in thermal conductivities of up to 2.74 W/mK. The fabrication of the developed corrugated heat exchanger plates, with a thickness between 0.85 mm and 2.5 mm and a heat transfer surface area of 11.13·10-3 m² was carried out via processes that can be automized, namely extrusion and embossing. With the manufactured plate heat exchanger, overall heat transfer coefficients are determined over a wide range of operating conditions (Re = 200 - 1600), which are used to validate a plate heat exchanger model and consequently to compare the composites with conventional materials. The em-bossing, which seems to result in a shift of the internal graphite structure, leads to a further improvement of the thermal conductivity by 7-20 %, in addition to the impact of the filler. With low plate thicknesses, overall heat transfer coefficients of up to 1850 W/m²K could be obtained. Considering the low density of the manufactured thermal plates, this ensures com-parable performance with metallic materials over a wide range of process conditions (Re = 200 - 4000). The fouling kinetics and amount of calcium sulfate and calcium carbonate, respectively, on different polypropylene/graphite composites in a flat plate heat exchanger and the developed chevron type plate heat exchanger are determined and compared to the reference material stainless steel. For a straight evaluation of the fouling susceptibility of the materials the for-mation of bubbles on the materials is considered by optical imaging or excluded by a degas-ser. The results are interpreted using surface free energy and roughness of the surfaces. The results show that if bubble formation is avoided, the polymer composites have a very low fouling tendency compared to stainless steel, which is attributed to the low surface free ener-gies of approximately 25 mN/m. This is particularly the case when turbulent flows are pre-sent, as is in plate heat exchangers or when sandblasted specimen are used. Sandblasting also continues to increase heat transfer compared to untreated samples by increasing thermal conductivity and creating local turbulences. Depending on the test conditions, the fouling resistance formed on the stainless steel surface is an order of magnitude greater than on the flat plate polymer composites. In addition, the fouling layers adhere only weakly to the com-posites, which indicates an easy cleaning in place after the formation of deposits. The fouling investigations in the plate heat exchanger reveal sensitivity to calcium sulfate fouling, how-ever, CFD simulations indicate that this is due to flow maldistribution and not the actual pol-ymer composite materials.
• Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung von Thermoplast-Graphit basierten Plattenwärme-übertragern von der Materialauswahl bis zum Betrieb, einschließlich Leistungsbewertung und Fouling-Untersuchungen. Als Ausgangsmaterialien wurden Polypropylen und Polyphe-nylensulfid als Matrix und Graphit als Füllstoff gewählt, da sie eine geringe Dichte und eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit zu einem vergleichsweise niedrigen Preis aufwei-sen. Im Rahmen eines Materialscreenings wurden maßgeschneiderte Polymerkompositplatten mit einer Plattenstärke von 1-2 mm und einem Füllstoffgehalt von bis zu 80 Gew.-% auf ihre thermische und mechanische Eignung im Hinblick auf den Einsatz in Plattenwärmeübertra-gern untersucht. Drei-Punkt-Biegeversuche zeigen, dass die Beladung von Polypropylen mit Graphit zu mechanischen Eigenschaften führt, die den Einsatz der Komposite als strukturier-te Wärmeübertragerplatten ermöglichen. Der simulierte maximale Überdruck liegt je nach Wanddicke bei über 7 bar. Die Wärmeleitfähigkeit der Verbundwerkstoffe konnte im Ver-gleich zu reinem Polypropylen um den Faktor 12,5 erhöht werden, was zu Wärmeleitfähig-keiten von bis zu 2,74 W/mK führt. Die Herstellung der entwickelten strukturierten Wärmeübertragerplatten mit einer Dicke zwischen 0,85 mm und 2,5 mm und einer Wärmeübertragungsfläche von 11,13·10-3 m² er-folgte mittels automatisierbarer Verfahren, nämlich Extrusion und Prägung. Mit dem herge-stellten Plattenwärmeübertrager werden Wärmedurchgangskoeffizienten über einen weiten Bereich an Betriebsbedingungen (Re = 200 - 1600) bestimmt, die zur Validierung eines Plat-tenwärmeübertrager-Modells und folglich zum Vergleich der Kompositmaterialien mit her-kömmlichen Materialien verwendet werden. Die Prägung, die zu einer Verschiebung der inneren Graphitstruktur führt, bewirkt eine weitere Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit um 7-20 %, zusätzlich zu den positiven Auswirkungen des Füllstoffs. Bei geringen Plattenstär-ken konnten Wärmedurchgangskoeffizienten von bis zu 1850 W/m²K erzielt werden. In An-betracht der geringen Dichte der hergestellten Wärmeübertragerplatten gewährleistet dies eine mit metallischen Werkstoffen vergleichbare Leistung über einen breiten Bereich an Prozessbedingungen (Re = 200 - 4000). Die Foulingkinetik und die Menge an Calciumsulfat bzw. Calciumcarbonat auf verschiede-nen Polypropylen/Graphit-Verbundwerkstoffen in einem Flachplattenwärmetauscher und dem entwickelten Plattenwärmeübertrager mit Chevronmuster wurden bestimmt und mit dem Referenzmaterial Edelstahl verglichen. Zur eindeutigen Bewertung der Foulinganfällig-keit der Materialien wird die Blasenbildung auf den Materialien durch optische Erfassung berücksichtigt bzw. durch einen Entgaser ausgeschlossen. Die Ergebnisse werden mit Hilfe der freien Oberflächenenergie und der Rauheit der Oberflächen interpretiert. Die Ergebnisse zeigen, dass bei Vermeidung von Blasenbildung die Polymerkomposite im Vergleich zu Edelstahl eine sehr geringe Foulingneigung aufweisen, was u.a. auf die geringen freien Ober-flächenenergien von ca. 25 mN/m zurückzuführen ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn turbulente Strömungen vorhanden sind, wie dies bei Plattenwärmetauschern der Fall ist, oder wenn sandgestrahlte Probekörper verwendet werden. Sandstrahlen erhöht zusätzlich den Wärmeübergang im Vergleich zu unbehandelten Proben, indem es die Wärmeleitfähig-keit erhöht und lokale Turbulenzen erzeugt. Je nach Prüfbedingungen ist der auf der Edel-stahloberfläche gebildete Foulingwiderstand um eine Größenordnung höher als auf den ebe-nen Platten aus Polymerverbundwerkstoffen. Darüber hinaus haften die Foulingschichten nur schwach an den Verbundwerkstoffen, was auf eine leichte Reinigung nach der Bildung von Belägen hinweist. Die Fouling-Untersuchungen im Plattenwärmetauscher zeigen eine Anfäl-ligkeit für Calciumsulfat-Fouling. CFD-Simulationen deuten jedoch darauf hin, dass dies auf eine Fehlverteilung der Strömung und nicht auf die eigentlichen Polymerverbundwerkstoffe zurückzuführen ist.