Mikroelektrochemische Quantifizierung von Strömungsintensitäten zum Studium der Wirksamkeit von wandreibungsvermindernden Additiven

Werner, Christoph; Schmitt, Günter

doi:25757

Mikroelektrochemische Quantifizierung von Strömungsintensitäten zum Studium der Wirksamkeit von wandreibungsvermindernden Additiven

Werner, Christoph (Author)

2003 & 2004

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christoph Werner

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2003

UmfangIV, 150 S. Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2003

Prüfungsjahr: 2003. - Publikationsjahr: 2004

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schmitt, Günter (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2003-12-01

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-7787
DOI: 10.18154/RWTH-CONV-123591
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61990/files/61990.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Fluid (Genormte SW) ; Wandschubspannung (Genormte SW) ; Elektrochemische Messung (Genormte SW) ; Sensor-Array (Genormte SW) ; Siliciumsensor (Genormte SW) ; Mikroelektrode (Genormte SW) ; Additiv (Genormte SW) ; Erosionsverschleiß (Genormte SW) ; Mathematisches Modell (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Mikroelektrochemie (frei) ; Mikroelektroden (frei) ; Erosionskorrosion (frei) ; lokale Strömungsintensitäten (frei) ; viskose Unterschicht (frei) ; Wandreibung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Geringe Mengen an makromolekularen Stoffen können die Friktion zwischen strömenden Fluiden und Wandungen erheblich absenken. Die Mechanismen werden derzeit noch kontrovers diskutiert. Schubspannungsmessungen nach klassischen Verfahren (Druckverlust, Rotationsviskosimetrie) führen nämlich häufig zu völlig anderen Ergebnissen als nach elektrochemischen Methoden. Offenbar stammen die Messdaten von molekularkinetisch unterschiedlichen Vorgängen, da sie in stark unterschiedlicher Entfernung von der Phasengrenze generiert werden: mikroelektrochemisch in nanoskaliger, klassisch in mikroskaliger Entfernung. Klassisch mechanische Verfahren erlauben gute Prognosen über integrale Größen wie den Druck- und Energieverlust entlang einer gewählten Förderstrecke. Nicht erklären können sie die Entstehung von sehr lokalen Phänomenen wie strömungsinduzierter Lokalkorrosion (kurz SILK). Ausgehend von der akzeptierten Vorstellung, dass SILK immer dann initiiert wird, wenn die strömungsimmanenten fluiddynamischen Kräfte groß genug sind, um vorhandene Schutzschichten zu zerstören, wurden Korrelationen zwischen der Schubspannung als leicht empirisch zugängliches Maß für die kritische Strömungsintensität erstellt, oberhalb derer mit SILK zu rechnen ist. Ein Größenvergleich praktisch auftretender Schubspannungen zeigte allerdings, dass diese um Größenordnungen zu gering sind, um die Deckschichten zu zerstören. Offenbar handelt es sich hierbei um ein Phänomen, welches direkt an der Phasengrenze bzw. in der viskosen Unterschicht stattfindet. Prädestiniert für den Einsatz zur Untersuchung dieses Phänomens waren also elektrochemische Grenzstromdichtemessung mit einem sowohl örtlich als auch zeitlich sehr sensiblen Sensorsystem, den Mikroelektroden. Um den prinzipiellen Zusammenhang zwischen Ergebnissen der elektrochemischen Strömungsmessungen und strömungsabhängigen Korrosionserscheinungen zu überprüfen, wurde ein Sensor aus Si-planartechnisch hergestellten Goldmikroelektroden in eine getauchte Jet-Strömung integriert. Neben den klassischen Verfahren zur elektrochemischen Bestimmung von Schubspannung und Additiveffekten wurde das Diffusionsgrenzstromrauschen analysiert. Hierzu wurde ein Modell entworfen, welches das Rauschen des Grenzstroms als Fluktuation der Ausdehnung der viskosen Unterschicht beschreibt. Mit Hilfe von zeitaufgelösten Frequenzanalysen Wavelet-Transformation konnten zeitabhängige Frequenzspektren ermittelt werden, mit deren Hilfe Strömungssimulationen erfolgen konnten. Diese ergaben, dass die Fluktuationsfrequenzen sich so überlagern können, dass eine singuläre Welle mit extrem großer Amplitude in der viskosen Unterschicht entstehen kann. Diese Welle, auch als Freak-Wave bezeichnet, kann Energiedichten auf die Oberfläche übertragen, die problemlos ausreichen, um eine Schutzschicht durch einen einzelnen Impuls zu zerstören. Damit wurde zum ersten Mal ein quantitativer Zusammenhang zwischen lokaler Strömungsintensität und der Initiierung von Erosionskorrosion hergestellt. Geringe Mengen an schubspannungsvermindernden Substanzen (z.B. von C-14 Quat: N-Tetradecyl-N, N, N-Trimethyl-ammoniumbromid) oberhalb der kritischen Mizellbildungskonstante reduzierten die Energiedichte der Freak-Wave so deutlich, dass Korrosionschproduktschutzschichten nicht mehr durch die Strömung angegriffen werden konnten. Zur Verstärkung von Wandeffekten erfolgten Messungen in Mikrokanälen. Hierzu wurden auf Basis der FoturanglasTM-Technologie Kanalsysteme entwickelt. Wurden sehr geringe Kanaldurchmesser eingesetzt, so ergaben sich keinerlei strömungsverbessernde, durch Additive hervorgerufene Effekte trotz hohem Fluktuationsniveau. Grundsätzlich sollte somit die Gültigkeit der makroskopischen Strömungsmodelle für den Einsatz in Mikrokanalsystemen überprüft werden.

The momentum transfer intensity of flowing liquid with solid walls determines the flow resistance (wall friction), heat tranfer, mass transfer, and also the likelihood of erosion corrosion initiation on solid surfaces, and is generally characterized in terms of wall shear stresses as an integral parameter. By comparing the order of magnitude of wall shear stresses encoutered in real flow systems (1 to serveral hunderts Pa in extreme cases) with the fracture stress and adhesion forces of corrosion product layers (carbonates, sulfides, oxides) ranging in the Megapascal order it appears that wall shear stresses are orders of magnitudes too small to be directly responsible for the destruction of protective scales. In this thesis microelectrochemical current noise analysis of near-wall flow dynamics under impinging jet conditions using wavelet transform indicated for the first time that the maximum interaction energy between near-wall microturbulences and the solid wall can range several orders of magnitude higher than derived from wall shear stress data and is based on the same effects that produce 'freak waves' at the water-air interface. It is long known that the wall shear stress can be considerably reduced by small concentrations of macromolecular compounds and/or substances with potential for supramolecular aggregation (micelle formers). The near-wall freak wave intensity affecting the flow dynamics in the viscous sublayer can be damped significantly by adding surface active compounds at concentrations above the critical micelle concentration. In case of the best additive tested, the maximum transfer Energy can be lowered under the adhesion forces of corrosion product layers. This effect was proofed in corrosion experiment. These findings shed new light on the interactions of flowing fluids with walls and the significant effects supramolecular structures can exert in nanoscale distances from the wall. In order to favour wall interaction effects, exploratory investigations have been performed with microchannels [47] using Si planar technology microelectrode arrays positioned at the bottom of small channels (1000 x 1000 µm, 100 x 1000 µm, 500 x 500 µm) produced in Forturanä glass technology. Surprisingly, compounds active in (electrochemically indicated) near-wall freak wave damping in macro systems appear ineffective in microchannel. While more detailed mechanistic and molecular kinetic evaluation of the data is still needed together with systematic structure-efficiency investigations, the new results outlined above clearly indicate that the cosen methodology (electrochemical quantification of flow intensities with microelectrode arrays in micro-flow channels), the data aquisition rate (200 kHz) and the data evaluation (current noise analysis via wavelet transform with subsequent calculation of near-wall freak wave intensities) represent an efficient approach to study the effect of supramolecular structure in flow fields in nanoscaled distances from the interface.

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