Entwicklung polymerbasierter Wärmeübertrager für den Einsatz in Meerwasserentsalzungsanlagen

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Dr.-Ing. Adel Ataki

Motivation

Rund 1,3 Mrd. Menschen haben weltweit keinen Zugang zu sauberem Wasser (20 % der Weltbevölkerung). Es wird prognostiziert, dass im Jahr 2025 rund 3 Milliarden Menschen unter Wasserknappheit leiden werden. Das Millenniumsziel der United Nations ist die Halbierung der Zahl der Menschen ohne Zugang zu sauberem Trinkwasser bis zum Jahr 2015. Der dazu neben anderen Maßnahmen notwendige Ausbau an Anlagen zur thermischen Meerwasserentsalzung wird durch Verknappung der metallischen Werkstoffe auf dem Weltmarkt, drastische Preisfluktuationen und lange Lieferzeiten stark beeinträchtigt. Zusätzlich gehört die Korrosion der metallischen Heizflächen zu den größten Problemen in der thermischen Meerwasserentsalzung. Wärmeübertrager mit korrosionsbeständigeren Werkstoffen würden deutliche technische und wirtschaftliche Vorteile bringen. Ein weiteres großes Problem in Verdampfern zur Meerwasserentsalzung ist die Krustenbildung (Scaling) auf den Heizflächen. Die Ablagerungen verringern die Effektivität und Leistung der Anlagenund begrenzen ihren Betriebsbereich. Der Ersatz der metallischen Werkstoffe für die Wärmeübertragungsflächen durch Polymere und Polymer-Komposite bietet sich insbesondere in der Mehreffekt-Verdampfung (MED für "multiple-effect distillation"), der Mehreffekt-Verdampfung mit thermischer Brüdenkompression (TVC für "thermal vapour compression") und der mechanischen Brüdenkompression (MVC für "mechanical vapour compression") an, weil die höchste Temperatur der Sole in den Anlagen zurzeit maximal 70°C beträgt,um das Ausmaß der Belagbildung begrenzen und beherrschen zu können, und die Druckdifferenzen zwischen der Kondensationsseite und der Verdampfungsseite relativ gering sind.Der Einsatz von innovativen polymerbasierten Wärmeübertragern in Meerwasserentsalzungsanlagen würde der deutschen Industrie mit ihrem großen Know-how im Bereich der Kunststoffe, Hightech-Verbundwerkstoffe sowie des Anlagenbaus, vor allem den kleinen und mittelständischen Unternehmen, weltweit neue Absatzmärkte eröffnen.

Zielsetzung

Zieldes beantragten Forschungsvorhabens ist es, die im VorgängervorhabenAiF ZN 240gewonnenen Erkenntnisse zu vertiefen und polymerbasierte Wärmeübertrager für den Einsatz in MED-, MED-TVC-und MVC-Anlagen zur Meerwasserentsalzung zu entwickeln und zu optimieren. Für die industrielle Umsetzung von Wärmeübertragern mit polymerbasierten Heizflächen soll eine breite Datenbasis geschaffen werden. Weitergehende Untersuchungen zur Fluiddynamik, Wärmeübertragung und Belagbildung werden an Horizontalrohr-Rieselfilmverdampfern durchgeführt. Zur weiteren Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der Rohre wird die Verarbeitung von Metallfaser-Polymer-Kompositen mit Extrusion und Co-Extrusion oder mit anschließender Oberflächenbehandlung durch plasmapolymere Beschichtung untersucht. Der neuartige Platten-Fallfilmverdampfer mit dünnen Polymerfolien wird hinsichtlich Benetzung, Wärmeübertragung, Druckverluste und mechanischer Stabilität weiterentwickelt. Mit Abschluss des beantragten Vorhabens sollen die Konzepte und Methoden soweit optimiert und erprobt sein, dass es möglich ist, Wärmeübertrager mit Polymerfolien oder mit Polymer-Kompositen als Wärmeübertragungsflächen für die Meerwasserentsalzung auszulegen, apparatetechnisch zu gestalten und deren Betriebsverhalten vorherzusagen.