Partikelagglomeration und Partikelgrößenverteilung beim Speichern von Eisbreigemischen

Die Ziele der Weltgemeinschaft zur umwelt- und ressourcenschonenden Erzeugung und Nutzung von Energie machen technisch hocheffiziente Prozesse notwendig. In der Bundesrepublik Deutschland werden die weltweit angestrebten Ziele unter anderem durch den Ausbau erneuerbarer Energien und den F-Gas-Phase-Down realisiert. Erneuerbare Energien haben unter anderem den Nachteil, dass diese nicht ständig und zuverlässig verfügbar sind. Dies macht optimierte Speichertechnologien notwendig. Eisbrei stellt eine solche Technologie im Bereich der Kältetechnik dar. Um Eisbrei optimal nutzen zu können, sind Kenntnisse über die Partikelform, -größe und -agglomeration wie auch die Änderungen dieser Parameter durch den Speicherprozess erforderlich.

Zur Analyse der genannten Partikelparameter wird ein neu entwickeltes Verfahren, basierend auf der likroskopischen Partikelanalyse, präsentiert. Über dieses Verfahren können die bekannten geometrischen Parameter und zusätzlich die Agglomeration der Partikel untersucht werden. Die wissenschaftliche Neuerung dieses Verfahrens ist die quasi-dreidimensionale Untersuchung der Partikel durch simultane Bewertung zweier Beobachtungsebenen, 90° zueinander. ... mehrDie darüber auswertbaren, agglomerierten Partikel werden über die entwickelte Bewertungsmethode in 5 Agglomeratklassen eingeteilt und bewertet. Die Ergebnisse der darüber untersuchten Variationen lassen erstmals Ergebnisse der Agglomerate in Eisbreigemischen und Auswirkungen auf diese zu.
Zur geplanten homogenen Speicherung des Eisbreis über lange Speicherdauer mit möglichst geringem Energieeintrag werden Untersuchungen zum Energieeintrag des Rührers bei homogener Durchmischung gezeigt. Als Ergebnis wird ein Becherrührer eingesetzt. Nach den Ergebnissen wird dieser für den Einsatz in Eisbreigemischen empfohlen. Der thermische Energieeintrag des Rührers in den Eisbei lässt sich über die gefundene Korrelation bestimmen. Im Vergleich zu einem Propellerrührer zeigt der Becherrührer einen niedrigeren Energieeintrag in den Eisbrei. Dies gilt auch für einphasige Fluide.

Aus der durchgeführten Agglomerationsstudie kann zusammengefasst werden, dass Agglomeration in allen Untersuchungen beobachtet wird. Die Agglomerate entstehen im Eiserzeugungsprozess, sind bereits unter den ersten erzeugten Eispartikeln enthalten und sind über die gesamte untersuchte Speicherdauer vorhanden. Stark agglomerationsfördernd wirken sich die zusätzlich zum Ethanol zugesetzten Stoffe Korrosionsinhibitor, Antigefrierprotein und Polyvinylalkohol aus. Auch in Propylenglykol mit dem Zusatz Antigefrierprotein wird dies beobachtet. Beim Zusatz dieser Stoffe tritt ab Eiserzeugung eine wesentlich erhöhte Agglomeration auf. Die Agglomerate verändern sich während des Speichervorgangs in der Art, dass durch Wachstumsprozesse die größeren Bestandteile der Agglomerate anwachsen und die kleineren Verschwinden. Über die Speicherdauer entwickeln sich die Agglomerate daher zu Einzelpartikeln. Aus Untersuchungen mit verschiedenen Rührern bei unterschiedlichen Drehzahlen ist erkennbar, dass die Rührerdrehzahl einen Einfluss auf die Agglomerate hat. Eine höhere, maximale Umfangsgeschwindigkeit des Rührelemets führt zu einer Reduktion der größten Agglomeratklasse (Klasse 4) der Partikel. Ein Einfluss auf die Verteilung der Agglomeratklassen des Becherrührers zu einem üblichen Propellerrührer in ähnlicher Baugröße kann nicht gefunden werden.
Die Speicherform, homogenes oder heterogenes Speichern, hat erst bei Speicherzeiten länger 24 h einen messbaren Einfluss. Die Agglomerate großer Agglomeratklassen reduzieren sich zugunsten kleinerer
Agglomeratklassen. Bei zusätzlicher Betrachtung der Entwicklung der Größenverteilung und der Formänderung der Partikel über längere Speicherdauern, ist der Einfluss des, durch den Rührer verursachten
Zerfalls, gering. Als wesentliche Ursache dieser Entwicklung wird die erhöhte Diffusion und damit die Begünstigung der Ostwaldreifung, bedingt durch das Rühren, vermutet.

Zusammenfassend wandelt sich die Partikelgröße und -größenverteilung in Abhängigkeit der Speicherform und Speicherzeit hin zu größeren Partikeln. Ein homogenes Speichern hat eine größere Diffusion zur Folge und führt daher langfristig zu größeren Partikeln und zu mehr Einzelpartikeln. Über alle Untersuchungen hinweg nähern sich die Einzelpartikel mit steigender Speicherdauer immer mehr der Kugelform an.

Bei Untersuchung der Eiserzeugung zeigt sich, dass ein Mehrfachdurchlauf der Partikel durch den Eiserzeuger keine Auswirkungen auf die initiale Partikelgröße oder -größenverteilung hat. Im untersuchten Kratzverdampfer existiert somit nur heterogene Kristallisation an der Wärmeübertrageroberfläche, Kristallisation durch bereits vorhandene Partikel wird nicht beobachtet. Eine Folge des Mehrfachdurchlaufs durch den Eiserzeuger ist, dass die Partikel durch den Mehrfachdurchlauf eine elliptische Form bekommen.

Bei oszillierendem Eisgehalt, wie es in der technischen Anwendung vorkommt, vergröbern sich die Partikel über die Betrachtungsdauer weiter. Durch Nachproduktion frischer, kleiner Partikel wird die Ostwaldreifung begünstigt und die bestehenden Partikel wachsen weiter an. Bereits bestehende Partikel dienen bei der Nachproduktion als Basis für neue, größere Agglomerate. Für die Anwendung in Anlagen ist daher ein turnusmäßiges, vollständiges Abschmelzen ratsam um ein Risiko der Verblockung in engen Anlagenteilen zu vermeiden.

Beim Einsatz von Ethanol mit Korrosionsinhibitor wird auf Basis dieser Untersuchungen ein Mindestdurchmesser der Strömungsquerschnitte von 4x maximal erwartetem Feret-Durchmesser empfohlen.

In dieser Arbeit werden Grundlagen zur Berechnung der zu erwartenden geometrischen Werte der Agglomerate gegeben. Über die gezeigten Funktionen und Koeffizienten lassen sich die Feret-Durchmesser beim Speichern von Eisbrei vorhersagen.