Makrostrukturierte Oberflächen

Bei der Reinigung großflächiger Oberflächen wie beispielsweise von Behälterinnenwänden wird ein Großteil der Reinigungswirkung durch den abfließenden Rieselfilm erzielt. Dabei spielen mechanische Effekte, wie die Wandschubspannung, eine Rolle. Der Hauptanteil des Materialabtrages wird jedoch oft durch Diffusionsprozesse herbeigeführt. Bei diesen ergibt sich als beschränkender Einflussfaktor zumeist die viskose Unterschicht im strömenden Reinigungsmedium, in der aufgrund der überwiegend laminaren Strömungsverhältnisse eine hohe Verschmutzungskonzentration herrscht, welche die weitere Diffusion verlangsamt. Analogien hierfür konnten beim Wärmeübergang gefunden werden. Wird dieser für eine Filmströmung betrachtet, zeigt sich die Ausbildung einer thermischen Grenzschicht, in welcher aufgrund der laminaren Strömung ein niedriger Temperaturgradient herrscht. Der Wärmeübergang wird so erschwert. Auf diesem Gebiet konnte eine signifikante Verbesserung durch die Verwendung makrostrukturierter Oberflächen – ähnlich denen auf einem Golfball – erzielt werden, welche für stärkere Turbulenzen und eine höhere Durchmischung innerhalb der Filmströmung sorgen. Somit konnte eine Verringerung der thermischen Grenzschicht und eine Erhöhung des Temperaturgradienten erreicht werden. Die besten Ergebnisse wurden mit sogenannten Dimple-Strukturen erzielt, welche kreisrunden Vertiefungen auf der Oberfläche gleichkommen, aber auch andere Strukturen führten zu einer Erhöhung des Wärmeübergangs.

In diesem Projekt wird die Übertragbarkeit dieser Ergebnisse auf den Stoffübergang bei der Reinigung überprüft. Hierfür werden in einem ersten Schritt Edelstahlproben mit besonders erfolgsversprechenden Oberflächenstrukturen ausgewählt und hergestellt. Diese werden mithilfe von Dip-Coating reproduzierbar mit Xanthan beschichtet. Vergleichend geschieht dies auch für ebene Testbleche ohne Strukturierung. Auf diese Weise wird zunächst die potentielle Zunahme der Verschmutzungsneigung aufgrund der Strukturierung ermittelt, wobei die Verschmutzungsmenge zum einen auf optischem Wege durch die Fluoreszenz des Tracers in der Verschmutzung bestimmt wird und zum anderen durch Auswiegen der Probe. Anschließend werden Reinigungstests mit konstantem Neigungswinkel und Temperatur und variierender Volumenstromdichte durchgeführt. Diese werden zeitlich und örtlich ausgewertet, so dass Schlussfolgerungen hinsichtlich der Eignung der Methode gezogen werden können und ein Ausblick dahingehend gegeben werden kann, welche Strukturen besonders aussichtsreich für den industriellen Einsatz sind. Für die Bewertung der Eignung werden sowohl Reinigungserfolg als auch Verschmutzungsneigung herangezogen.