Sieden

Grundlagen der Wärmeübertragung
6
Sieden
Verdampfung von Flüssigkeiten
Unterscheide: Behältersieden (w ≈ 0 m/s) und Strömungssieden ( w > 0 m/s)
Wärmeübergang beim Sieden hängt ab von
- Heizflächenbeschaffenheit (Material, Rauhigkeit, Oberflächenstruktur)
- Fluid (Stoffwerte, Oberflächenspannung, Wärmeleitfähigkeit, hv,…)
- geometrische Anordnung (Rohr, Platte, waagrecht, senkrecht)
- Strömungsform
- freie Konvektion  Behältersieden (pool boiling)
- Blasensieden
- Filmsieden
- erzwungene Konvektion  Strömungssieden (flow boiling)
- Blasensieden
- Ringströmung
1
Grundlagen der Wärmeübertragung
6
Sieden
6.1 Behältersieden
2
Nukijama, 1934
Nukijama - Diagramm
log 
Wasser
(1bar)
 3
50 000
 4 (4)
 2
1000

Q
 1
10
50
log (TW  T )
T* = Ts = Sättigungstemperatur
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6
Sieden
3
Nukijama-Diagramm
q  f (T )
  f (T )
q

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6
Sieden
(1) Konvektives Sieden , d.h.
 h
M
v

4
• keine Blasen an der Heizfläche
• Verdampfung an Oberfläche
Freie Konvektion
z.B. für Außenseite von Rohren
Nu  0,135 3 Pr fl
3
 fl  W   

Q


Nu 
 fl
3
2
g
ˆ spezif. Ausdehnungskoeffizient
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6
(2)
Sieden
5
Blasensieden, Blasenbildung an Keimstellen in der Heizfläche
Mikrofilm
Keimstelle
Ablösende Blasen vermischen die wandnahe Grenzschicht
 intensivere Konvektion
 je mehr Blasen, desto besser ist der Wärmeübergang
Näherungsweise gilt für Wasser ( bei 1 bar ) :

 S
 C  W  
 S
in W m 2 K



2,3
C
 12,9
T  W  
in  K

q

T
  2,154  q 0,7
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Sieden
6
Bestes Rechenverfahren, z.Zt. Gorenflo, VDI – Wärmeatlas.

0
0
 q 
  
 q0 
 
n p
 
 F p
 Rp 

 
R 
 p,0 
0 ,133
q0
ˆ Wärmeüberg angskoeffizient bei Referenzbedingung
ˆ Wärmestrom dichte bei Referenzbedingung
p
ˆ normierter Druck
p
pkrit
p 
R p ˆ mittlere Rauhtiefe in m
R p , 0 ˆ mittlere Rauhtiefe bei Referenzbedingung
0
 Werte für q0  20 000
W
m2
 im VDI  Wärmeatlas
; R p , 0  1 m 
 Abschnitt Hab 11



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Sieden
7
Für Wasser
 
n  0,9  0,3 p
 
 
F p  1,73  p
0 ,15
0 , 27

0,68
  6,1 

1  p

 
 
 p
2 

 
2
 In 6. Aufl. VDI-WA Quadrat weggelassen
Für organische Flüssigkeiten
 
n  0,9  0,3 p
 
 
F p  1,2  p
0 , 27
0,3

1  
p
  2,5 
 
1 p 

Genauigkeit der Gleichung nach Gorenflo:
 30 %
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Sieden
8
Wenn keine  0 - Werte vorhanden dann Gleichung von Stephan:
Nu 
 dB
 fl
 q  d B 

Nu  0,1 
  T  
 fl

0 , 674
  gas 

 
  
 fl 
0 ,156
 hv  d B 2 

 
 a2

fl


0 , 371
Blasenabreißdurchmesser d B :
dB

2
 0,837    
 g      




 a 2fl   fl
 
  d
B





0 , 35
 a fl
 

 fl




0 ,16
Blasenablösefrequenz f:
0,5
f 2  d B  0,314
g ´ ´´
´
mit Randwinkel/ Benetzungswinkel 𝚯 im Bogenmaß
dB


2


 0,0149    

 g       
0,5
 = Oberflächenspannung
mit Randwinkel/ Benetzungswinkel 𝚯 im Gradmaß (aus VDI-WA)
Grundlagen der Wärmeübertragung
6
 Bogenmaß   grad 
Sieden
9

180
Blase
z.B.:
Wasser
Flüssiggase
andere Flüssigkeiten
Temperaturleitfähigkeit:

  0,786
  0,0087
  0,6
a 

  c
0 aus VDI-Wärmeatlas oder Vorlesungsumdruck S.47
oder
Beste Vorgehensweise: Mit Gln. nach Stephan 𝜶𝟎 bestimmen (d.h. mit
𝑹𝒑,𝟎 , 𝒒𝟎 , 𝒑 = 𝟎, 𝟏𝒑𝒌𝒓𝒊𝒕 ), dann mit Gln. nach
Gorenflo tatsächliche 𝜶 - Werte berechnen.
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(3)
Sieden
10
Siedekrise, kritische Wärmestromdichte, burn out
geschlossener Dampffilm
Dampfblasen
Geschlossenes Dampfpolster durch Zusammenwachsen der Blasen
Wärmeübertragung durch Wärmeleitung und Strahlung durch den Dampffilm
q krit
 q max

  max TSK  T 
 0,14  hv

 gas  4 g   (     )
 1,18 106
q max
Für Wasser bei 1 bar:
T
W
T

max
 32,7 K
W
m2
 Übertemperatur 
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6
Sieden
11
Wärmeübergangskoeffizient beim Blasensieden steigt mit p.

Mit höherem Druck
werden kleinere Keimstellen
und damit mehr Keimstellen
aktiviert.
0
1
 p 


p
 krit. 
q max
Aber:
d.h. mit p, steigt die
Gefahr der Siedekrise
0
0,35 p  1


p
 krit. 
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6
(4)
Sieden
12
Filmsieden

geschlossener Dampffilm

Sehr niedrige Wärmeübergangskoeffizienten

 L



  Str . 0,8  0,2 1  3 L
 str


 Str . ̂
Strahlung (siehe Abschnitt 7)
L
̂
Leitung
L

D
Filmdicke



1



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6
Sieden
 L  K  L  TW  T   
horizontale Rohre
vertikale Rohre
 4
 1
13
 g     D  hv        



D


3
D
K
0,62
0,80
 14 
L
Durchmesser
Länge
log 

T  TW  T
log T

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6
Sieden
14
6.2 Strömungssieden
z.B. Rohrströmung
log 


w

w0
m
s

logT
T  TW  T

 konv nimmt zu und wird
unabhängig von T .
alle Kurven für konvektiven Wärmeübergang
münden in die gleiche
Kurve für das Blasensieden.
 konv hier größer als bei
Einphasenströmung, da
zusätzliche Turbulenz
durch Dampfphase
Grundlagen der Wärmeübertragung
6
Sieden
6.3 Sieden von Gemischen:



Leichtersiedende Komponenten verdampfen bevorzugt.
Flüssigkeit in Wandnähe verarmt an leichtersiedenden Stoffen.
Siedetemperatur der wandnahen Flüssigkeit nimmt zu.
Physikalisch fundiertes Berechnungsverfahren von Schlünder, siehe
VDI – Wärmeatlas.
Näherungsverfahren von Stephan, siehe VDI – Wärmeatlas.
1
 ideal

x1
1

x2
2
 ideal ˆ Wärmeüberg angskoeffizient wenn keine Trennungs 
effekte auftreten würden.
x ˆ Konzentration von Stoff 1 und Stoff 2 in kg / kg.
15
Grundlagen der Wärmeübertragung
6
 Misch.
 id .
K
xy ˆ
A0


Sieden
16
1
1  K  y1  x1 
p 

A0  0,88  0,12

bar 

Konzentrat ion in
Dampfphase
aus Tabellen
T
0
x
y
1