View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

5 Modellierung und Simulation der Anlagenteilkomponenten
schließlich die Wand aus, was in der klassischen Verdampfertechnik auch als Siedekrise oder
dry-out bezeichnet wird. Stromabwärts liegt dann je nach verbleibendem Flüssigkeitsgehalt in
der Kernströmung eine Sprühströmung oder, nach vollständiger Verdampfung der Flüssigkeitströpfchen,
eine reine Gasströmung vor.
Eine Benetzung der Wärmeübertragerwand mit Flüssigkeit kann abreißen, falls lokal eine zu
hohe Wärmstromdichte vorliegt. Bei Überschreiten einer kritischen Heizflächenbelastung, also
bei sehr hohen Wärmeströmen, entsteht dann ein Gasfilm zwischen Rohrwand und Flüssigkett,
der die direkte Wärmeübertragung von der Wand zur Flüssigkeit behindert. Dieses Phänomen
des dry-out ist vor allem aus großtechnischen Anwendungen wie zum Beispiel innerhalb von
Verdampferrohren in der klassischen Kraftwerkstechnik bekannt. Die Abschätzung einer krttischen
Wärmestromdichte ist für die im Brennstoffzellenbetrieb vorliegenden sehr geringen
Wasserrnassenströme schwer möglich [92].
Bedeutender in Bezug auf eine mögliche Benetzung der Wand mit einem Flüssigkeitsfilm ist der
Einfluss der Wandtemperatur. Überschreitet diese einen bestimmten Wert, so bildet sich im Moment
des Aufpralls eines Flüssigkeitstropfens schlagartig ein Gasfilm zwischen Tropfen und
Wand aus, und eine Benetzung ist nicht möglich. Dieser Effekt wird als Leidenfrost-Phänomen
bezeichnet. Die zugehörige Grenztemperatur der Wand lässt sich für verschiedene Flüssigkeiten
empirisch ermitteln. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen auftritt, wird entsprechend
als Leidenfrost-Temperatur TL bezeichnet. Für Wasser berechnet sie sich mit dem kritischen
Druck Pkril und der Sättigungstemperatur T s zu [44, p. Md7]:
TL = Ts + 0,555· 52 {1- P~J + ( 0~04)2
(GI. 5.3)
Pkrit
Zusätzlich zu den in dieser Gleichung enthaltenen Parametern haben Oberflächenbeschaffenheiten
wie Rauigkeit, Ablagerung und Oxidation ebenfalls einen großen Einfluss auf die Leidenfrosttemperatur
[95]. Auch die Temperatur der benetzenden Flüssigkeit kann von Bedeutung
sein. Ist das Fluid unterkühlt, das heißt, seine Temperatur liegt unterhalb der zugehörigen Sättigungstemperatur,
verschiebt sich die Leidenfrost-Temperatur zu höheren Werten. Für eine
Platte aus rostfreiem Stahl ergeben Messwerte für Wasser Leidenfrost-Temperaturen, die
225 K über der jeweiligen Sättigungstemperatur liegen [96].
Wird Wassernebel in einen Brenngasstrom eingedüst und das Gemisch in einen Plattenwärmeübertrager
eingeleitet, so kann der Vorgang - falls die oben genannten Bedingungen für Benetzung
zutreffen -
als Wärrneübergang an eine berieselte Fläche aufgefasst werden [88]. Die
Verdampfung des Fallfilms findet bei nicht zu großen Heizflächenbelastungen ausschließlich an
der freien Oberfläche statt.
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