Einfluss von Oberflächenmodifikationen auf die Induktionszeit beim Kristallisationsfouling

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.