Neuartige Werkstoffe für wichtige industrielle Prozesse
Wärmetauscher bringen im wahrsten Sinne des Wortes Wärme aus einem Medium in ein anderes. Sie werden verwendet, um Prozessen Wärme zuzuführen oder um freigesetzte Wärme abzuführen. Wärmetauscher können viele verschiedene Formen haben; meist bestehen sie jedoch aus einem Festkörper, der zwei fluide Medien voneinander trennt. Wenn der Temperaturunterschied zwischen den beiden Medien gering ist, werden für einen effizienten Wärmeaustausch recht große Austauschflächen benötigt. Oft sind jedoch große Oberflächen nicht machbar, sei es aus wirtschaftlichen oder technischen Gründen oder beiden. Dieses Problem, das die Prozesseffizienz begrenzt, wollen die am EU-finanzierten Projekt "Low-temperature heat exchangers based on thermally-conducting polymer nanocomposites" (Thermonano) beteiligten Wissenschaftler lösen, indem sie neuartige Nanomaterialien verwenden. Um eine effektive Wärmeleitfähigkeit (eine höhere Leitfähigkeit pro Flächeneinheit bedeutet weniger Fläche für die gleiche Wärmeleitung) und eine Kostensenkung im Vergleich zu herkömmlichen Metallen zu erzielen, werden Wärmetauscherwerkstoffe aus mit Nanomaterial gefüllten Polymeren entwickelt. Weitere erwartete Vorteile sind: Gestaltungsfreiheit bei der Ausnutzung des Volumens, eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und eine hochwirksame Tropfenkondensation. Im ersten Jahr wurden etliche Polymerwerkstoffe und Nanofüllstoffe entwickelt und ausgewählt, darunter Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) und metallisierte Nanopartikel (NPs). Die Wissenschaftler führten Experimente zur Modifikation von CNTs durch, um die Einflüsse bestimmter Parameter zu ermitteln. Außerdem wurden verschiedene Substrate, u. a. Glasflakes, Nanofasern (Wollastonit), Polyamidflakes und Zellulosefasern, mit Silber metallisiert (Aufbau einer Deckschicht aus Metall), um metallisierte NPs für Füllstoffe zu erzeugen. Ausgewählte leitfähige Partikel, darunter sowohl CNTs als auch metallisierte NPs, wurden in thermoplastische Polymere (die mehrfach geschmolzen und wieder verarbeitet werden können) inkorporiert. Eingehende Untersuchungen führten zu einem tieferen Verständnis der Wirkungen von Metall-NPs und ihrer Konzentration in Polymeren. Dabei wurde festgestellt, dass ein effizienter Wärmeaustausch hauptsächlich durch den zwischen benachbarten NPs vorhandenen Übergangswiderstand behindert wird, da er zu einem Temperaturabfall an den Kontaktpunkten führt. Im Rahmen des Projekts Thermonano wurden neuartige Konstruktionen für Wärmetauscher auf Nanokomposit-Basis entwickelt, die sich gut für geringe Temperaturunterschiede eignen. Die kommerzielle Nutzung der Thermonano-Konzepte kann dazu beitragen, die Prozesseffizienz etlicher relevanter industrieller Anwendungen zu erhöhen, und zwar u. a. bei Ladeluftkühlern starker Dieselmotoren, bei der Wärmerückgewinnung aus Verbrennungsgasen und bei chemischen Prozessen mit aggressiven Chemikalien oder Korrosionsumgebungen.
