Polymerverbundwerkstoffe auf der Basis von Thermoplasten und wärmeleitfähigen Graphitpartikeln können den Nachteil der schlechten Wärmeleitfähigkeit reiner Polymere ausgleichen und somit als Ausgangsmaterial für Wärmeübertrager in korrosiven Umgebungen dienen. Das in dem abgeschlossenen Forschungsprojekt aufgezeigte Verfahren demonstriert die Herstellung von Wärmeübertragerplatten für Plattenwärmetauscher auf der Basis von Polypropylen bzw. Polyphenylensulfid mit Graphit als Füllstoff. Dabei kommen nur automatisierbare massentaugliche Verfahren zum Einsatz, nämlich Extrusion und Prägung, um eine kostengünstige Herstellung zu ermöglichen und so den Einsatz in der Industrie wirtschaftlich realisierbar zu machen. Die entwickelten Plattenwärmeübertrager wurden im Hinblick auf ihre mechanische Stabilität, thermische Performance und Foulinganfälligkeit untersucht, um ihre Eignung als Alternative zu metallischen Plattenwärmeübertragern zu bewerten.
Die Herstellung von hochgefüllten Wärmeübertragerplatten mit einer Plattenstärke zwischen 0,85 mm und 2,5 mm führt bis zu einer 15-fachen Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zum reinen Polymer. Die Prägung, die zu einer Verschiebung der inneren Graphitstruktur zu führen scheint, führt zu einer weiteren Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit um 7 – 20 %. Bei geringen Plattendicken konnten Wärmedurchgangskoeffizienten von bis zu 1850 W/m²K erzielt werden. Unter Berücksichtigung der geringen Dichte der entwickelten Materialien gewährleistet dies eine mit metallischen Werkstoffen vergleichbare Leistung in einem weiten Bereich an Prozessbedingungen. Die mechanische Stabilität des Plattenwärmeübertragers wird sowohl durch den Füllstoff als auch durch die spezifische Geometrie mit Stützstellen verbessert, wodurch Prozessdrücke bis mindestens 4,8 bar ermöglicht werden. Die durchgeführten Foulinguntersuchungen mit den Modellsalzen Calciumsulfat und Calciumcarbonat, zeigen eine signifikant geringere Foulinganfälligkeit der entwickelten Materialien gegenüber dem Referenzmaterial Edelstahl, was Performanceunterschiede verringert bzw. ausgleicht.
Das aufgezeigte Verfahren zur Herstellung von Polymer-Plattenwärmeübertragern bietet deutliche Vorteile gegenüber Verfahren, in denen eine aufwendige Nachbearbeitung der Platten notwendig ist. Die Kombination von Extrusionsverfahren und anschließendem Prägeprozess zur Einbringung von Strukturen, erlaubt es, die thermischen Platten dünn, kostengünstig und mit geringerem Energieeinsatz auch in deutschen kleinen und mittelständischen Unternehmen zu fertigen.
Der Einsatz der entwickelten Wärmeübertrager könnte im Vergleich zu den auf dem Markt vorhandenen Alternativen im Korrosions- (hochlegierte metallische Wärmeübertrager, Titan oder Wärmeübertrager auf Graphitbasis) und Hochtemperaturbereich (kleiner CO2 Footprint bei der Fertigung) zu Vorteilen im Hinblick auf die Investitions- sowie die Betriebskosten führen. Gründe dafür liegen zum einen in den kostengünstigen Rohstoffen und Fertigungsverfahren sowie der geringen Anfälligkeit für Fouling.
Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 02/2020 bis 10/2022 am Zentrum für BrennstoffzellenTechnik (ZBT) (Carl-Benz-Straße 201, 47057 Duisburg, Tel. 0203/7598-1175) unter der Leitung von Dipl.-Ing. Marco Grundler (Leiter der Forschungseinrichtung Dr.-Ing. Peter Beckhaus) und an der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU), Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik (Gottlieb-Daimler-Straße, 67663 Kaiserslautern, Tel. 0631/205-5619) unter der Leitung von PD Dr.-Ing. Mark Hlawitschka (Leiter der Forschungseinrichtung Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Hans-Jörg Bart).
Das IGF-Vorhaben Nr. 20999 N der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde im Rahmen des Programms „Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF)“ durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.