Elisabeth Danger:
Wärmeübergang und Blasenbildung beim Sieden

Kurzfassung:

Dem Wärmeübergang beim Blasensieden kommt in zahlreichen Bereichen der Verfahrens- und der Kältetechnik eine überaus große Bedeutung zu, da hierbei hohe Wärmestromdichten mit kleinem treibendem Temperaturgefälle zwischen der Heizfläche und der verdampfenden Flüssigkeit übertragen werden können. Das daraus resultierende Interesse hat sich in zahlreichen Forschungsarbeiten niedergeschlagen, siehe z.B. die Literaturrecherchen in den Dissertationen /1/ - /9/¹, und in Übersichtsartikeln wird regelmäßig der Stand des Wissens zusammengefasst, siehe z.B. /10/ - /13/, die sich mit der Untersuchung des integralen, über einer definierten Oberfläche gemittelten Wärmeübergangskoeffizienten α bezüglich seiner Einflussfaktoren und dem Ziel seiner Vorausberechnung auseinandersetzen. Dabei hängt α vor allem im Bereich des Blasensiedens von vielen Parametern ab, wie dem Siededruck und der Wärmestromdichte, den Stoffeigenschaften der siedenden Flüssigkeit und von der Heizfläche mit ihrer Makrostruktur (Rohrdurchmesser), Mikrostruktur (Oberflächenrauhigkeit) und ihren spezifischen Materialeigenschaften.

Der örtliche Wärmeübergangskoeffizient, welcher mit der lokalen Rohrwandüberhitzung des Rohres gebildet wird, wurde in einer Reihe neuerer Dissertationen /14/ - /16/ untersucht. Er spiegelt die lokalen thermischen bzw. hydrodynamischen Vorgänge, die auf die Bildung und Ablösung von Blasen an Rauhigkeitsvertiefungen der Heizfläche zurückgehen (sogenannte aktive Keimstellen), wider.

Datensätze zur gleichzeitigen Untersuchung von Wärmeübergang und Blasenbildung an derselben Heizfläche und unter denselben Versuchsbedingungen sind in der Literatur nur vereinzelt zu finden, /8/, /17/. Ein Grund hierfür ist sicherlich, dass sich die optische Erfassung der Siedevorgänge als sehr schwierig gestaltet und früher nur ansatzweise über Einzelbildaufnahmen realisiert werden konnte. Doch auch die Auswertung von Hochgeschwindigkeits-Videoaufnahmen, welche die Blasenbildung und -belegung auf der Verdampferoberfläche in ihrem zeitlichen Ablauf wiedergeben können, gestaltet sich bis heute als sehr komplex und zeitintensiv.

Somit ist die Wirkung der Einzelphänomene bei der Blasenbildung auf den Gesamt-Wärmeübergang an der Heizfläche wenig bekannt, was sich in den Vereinfachungen der z.Zt. vorhandenen Modellrechnungen deutlich widerspiegelt, siehe z.B. die Übersicht in /7/, und es fehlt eine systematische Analyse einzelner Einflussfaktoren auf den lokalen und integralen Wärmeübergang, wie z.B. der Zahl der aktiven Keimstellen, ihrer gegenseitigen Beeinflussung und ihrer statistischen Verteilung auf der Verdampferoberfläche sowie von charakteristischen Blasenparametern (Abreißdurchmesser und Ablösefrequenz).

Ziel dieser Arbeit ist es, eine Datenbasis vorzubereiten, um künftig für verschiedene Versuchsstoffe an unterschiedlichen Rohrgeometrien und Oberflächenstrukturen in Abhängigkeit von Betriebsdruck und Wärmestromdichte insbesondere die aktive Keimstellenanzahl und ihre lokale und statistische Verteilung aus gemeinsamen Untersuchungen mit dem örtlichen und integralen Wärmeübergangskoeffizienten in Verbindung zu bringen und Wärmeübergangskorrelationen zu entwickeln oder zu verbessern, die auf der Blasenbildung aufbauen oder in denen zumindest bisher rein empirische Parameter durch Charakteristika der Blasenbildung ersetzt werden.

Dazu werden Wärmeübergangsmessungen mit einem Kältemittel (R134a), einem Kohlenwasserstoff (Propan) und einem Alkohol (Isopropanol) an Kupferrohren (und ergänzend Kupfernickelrohren) mit unterschiedlichen Durchmessern und Oberflächenstrukturen durchgeführt, wobei Siededruck und Wärmestromdichte über weite Bereiche variiert werden.

Für die Messungen wird eine neue Siedeapparatur entsprechend den Kriterien der sog. Standardapparatur (siehe /1/, /3/) in Betrieb genommen, in der Versuchsrohre mit Durchmessern bis ca. 40 mm untersucht werden können. Es werden neue Versuchsrohre mit verbessertem konstruktiven Aufbau der elektrischen Beheizung und genauer Messung der örtlichen Wandtemperatur längs des Rohrumfangs konzipiert und gebaut, die einem Durchmesser von 25 mm bzw. 1 Zoll besitzen, um folgenden Kriterien zu genügen: (a) Durchmesser groß genug, um örtliche konvektive Effekte auf Wärmeübergang und Blasenbildung deutlich hervortreten zu lassen, (b) Durchmesser (noch) im technisch wichtigen Bereich, (c) Verbesserung der Datenbasis für Durchmesser zwischen den bisher gut untersuchten Werten 8 (16) und 88 mm (siehe z.B. /14/ - /16/). Zusatzmessungen an einem neuen 8-mm Kupferrohr werden hingegen in der früheren Standardapparatur /3/ durchgeführt.

Nach Messung des Wärmeübergangs werden die Siedevorgänge der drei Versuchsstoffe bei ausgewählten Siededrücken und Wärmestromdichten zwischen ca. 50 und 1,5 kW/m² reproduziert und dabei mit einen Video-Hochgeschwindigkeitskamera die Vorgänge der Blasenbildung aufgezeichnet. Mit einem neu entwickelten Auswerteprogramm wird insbesondere die Keimstellendichte sowie die gegenseitige Beeinflussung der Blasen analysiert und mit dem örtlichen und integralen Wärmeübergang in Verbindung gebracht.