Struktur-Wirkungsbeziehungen bei der Verminderung der Wandreibung in Strömungssystemen durch supramolekulare Strukturen

Hörstemeier, Michaela; Schmitt, Günter

doi:29022

Struktur-Wirkungsbeziehungen bei der Verminderung der Wandreibung in Strömungssystemen durch supramolekulare Strukturen = Structure-efficiency correlations in drag reduction by supramolecular structures

Hörstemeier, Michaela (Author)

2008

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Michaela Hörstemeier

ImpressumGöttingen : Cuvillier 2008

UmfangIII, 147 S. : graph. Darst.

ISBN978-3-86727-735-8

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Zsfassung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schmitt, Günter (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2008-09-26

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-26393
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50528/files/Hoerstemeier_Michaela.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Korrosion (Genormte SW) ; Chemie (frei) ; hyperverzweigte Polymere (frei) ; Wandreibungsverminderung (frei) ; strömungsinduzierte Lokalkorrosion (frei) ; getauchte Jet (frei) ; hyperbranched polymers (frei) ; drag reductions (frei) ; flow induced localized corrosion (frei) ; impinged jet (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Strömungen in Rohrsystemen verursachen Druck- und Energieverluste und können im Falle korrosiver Medien oberhalb kritischer Strömungsintensitäten auch verantwortlich für die Initiierung von strömungsinduzierter Lokalkorrosion (SILK) sein. Betroffen hiervon sind insbesondere Rohrsysteme in den Bereichen Öl- und Gasförderung bzw. -transport, Raffinerie, Chemie, Kraftwerke oder Fernwärme. Als kritische Größe für die Initiierung von SILK wird üblicherweise die Schubspannung als Maß für die Reibung zwischen turbulent strömenden Fluiden und Wand angegeben. Hochmolekulare Polymere und oberflächenaktive Verbindungen können Wandschubspannungen in Strömungssystemen auf Werte reduzieren, die unkritisch für die Zerstörung von schützenden Deckschichten sind und damit das Auftreten von SILK vermindern. Im Rahmen dieser Arbeit wurde am Beispiel von Polyglycerin und Polyethylenimin untersucht, ob hyperverzweigte globular strukturierte Polymere grundsätzlich als Drag Reducer einsetzbar sind und ggf. eine höhere Degradationsbeständigkeit in hohen Scherfeldern aufweisen als oberflächenaktive Verbindungen wie Tenside. Unter Anwendung elektrochemischer und rheologischer Untersuchungsmethoden wurde nachgewiesen, dass auch globulare Strukturen wie die der Polyglycerine und Polyethylenimine eine Verminderung der Wandschubspannung bewirken, wenn deren Größe ausreichend hoch ist. Dabei wurden jedoch elektrochemisch und rheologisch unterschiedliche Intensitäten der Fließbeeinflussung gemessen. Dies kann dadurch erklärt werden, dass lokale Strömungsintensitäten die Konzentration von Additiven in Wandnähe beeinflussen was zu einer Zunahme der Viskosität in der Phasengrenzschicht und damit zu einer Beeinflussung der Wechelwirkungsintensität Fluid/Wand führt. Dies kann bereits eine Verminderung des strömungsinduzierten Korrosionsangriffs bewirken. Somit wurde mit den hyperverzweigten Polyglycerinen eine Substanzklasse mit neuer supramolekularer Struktur gefunden, welche wie die hochmolekularen Polymere und oberflächenaktiven Substanzen mit amphipathischer Struktur strömungsverbessernde Eigenschaften besitzt.

Flowing liquids in pipe systems cause pressure drops and energy losses and can be responsible for the initiation of flow induced localized corrosion (FILC). Initiation of FILC is affected by unfavourable geometric conditions in flow systems and local flow intensities above critical values. Many technical systems are concerned, e.g. in the field of oil and gas production, pipeline transportation, chemical plants or power stations. Critical flow intensities are generally expressed in terms of wall shear stresses as a value for the friction between turbulent flowing liquids and the wall. High molecular polymers and surface active compounds can influence a turbulent flow by reducing the wall shear stress to values which are uncritical for destruction of protective surface layers and thus can reduce the likelihood of FILC. In the framework of this thesis globular structures of hyperbranched polymers (e.g. polyglycerols, polyethylene imines) were investigated in order to find out if hyperbranched polymers are able to reduce wall shear stresses and if they have a higher resistance to degradation in high shear fields compared to surface active compounds like surfactants. It was proved by electrochemical and rheological investigations that globular structures like polyglycerols and polyethylene imines as well exert flow improving properties when the molecular size is high enough. Electrochemical and rheological measurements yield different results on the flow improving properties. This is explained by the effect of local flow intensities on the near-wall concentration of additives yielding an increase of the near-wall liquid viscosity and thus influences the interaction between the flowing liquid and the wall. This may already result in a decrease of the flow induced corrosion attack in flow systems. In summary, it was found out that hyperbranched polymers are a new class of polymers with a new supramolecular structure which exhibits as well as high molecular compounds and surface active compounds flow improving properties.

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