Bestimmung des Blasenverhaltens beim unterkühlten ...

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Indizes B Blase L Flüssigkeit V Dampf W Wand Sat Sättigung Kon Konvektion Sie Sieden Ges Gesamt Dimensionslose Kennzahlen Bo = q /( Gh LV ) Boiling-Zahl [-] Ja = ( c T ρ ) /( ρ h ) Jakob-Zahl [-] P Sub L V LV Nu = α L / λ Nußelt-Zahl [-] Nu x lokale Nußelt-Zahl [-] Pr = ν / a Prandtl-Zahl [-] Re = u0D hyd /ν Reynolds-Zahl [-]
1 Einleitung 1.1 Motivation für den Einsatz der Siedekühlung Die Bedeutung des Siedeprozesses und der Zweiphasenströmung für die Auslegung von Wärmetauschern aller Art zur Abführung hoher Wärmeströme haben die Anzahl der Studien auf diesem Gebiet in den vergangenen 50 Jahren stark ansteigen lassen. In den 60er Jahren waren die Untersuchungen hauptsächlich auf die Auslegung und den sicheren Betrieb von Kernreaktoren gerichtet, da die Zusammensetzung der beiden Phasen nicht nur für die Auslegung der Komponenten wichtig ist, sondern durch die Eigenschaften des Wassers als Moderator für schnelle Neutronen die Aktivität der Kernspaltung direkt beeinflusst wird. Ferner war die Siedekühlung von Raketenantrieben ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung der Raumfahrt. In jüngerer Vergangenheit konzentrierten sich die Studien vermehrt auf die Kühlung von Verbrennungsmotoren und elektronischen Bauteilen. Die Entwicklung zu immer kleineren Dimensionen bei gleichzeitiger Steigerung der Leistung und elektronischen Taktrate führt bei diesen Komponenten zu einer deutlichen Erhöhung der lokal anfallenden Verlustwärme. Während sich bei natürlicher und erzwungener Konvektion nur geringe Wärmeströme übertragen lassen, bietet das Blasensieden die Möglichkeit, hohe Wärmeströme bei moderaten Temperaturdifferenzen zwischen Heizwand und Fluid zu übertragen, ohne an die thermischen Grenzen der wärmeübertragenden Materialien zu stoßen. Der Prozess des Blasensiedens, gekennzeichnet durch die zeitliche Abfolge der Blasenentstehung, des Blasenwachstums, der Blasenablösung und der Blasenkondensation, ist physikalisch äußerst komplex und anscheinend von chaotischer Natur. Obwohl man sich in der Vergangenheit sehr intensiv mit der Thematik des Siedens beschäftigt hat, konnten die physikalischen Mechanismen aufgrund der Vielzahl beeinflussender Faktoren und deren Interaktionen auf makroskopischer und mikroskopischer Ebene nicht vollständig geklärt werden. Bisher bekannte Einflussfaktoren auf das Blasenverhalten sind in Abbildung 1.1 skizziert. Es ist besonders schwierig oder (bis heute) nicht möglich, die Transportprozesse auf mikroskopischer Skala direkt zu messen. So können nur indirekte Messungen, wie beispielsweise das Beobachten der Blasendynamik, Aufschlüsse über die Vorgänge in unmittelbarer Wandnähe liefern. Infolge der Unsicherheiten dieser Messmethoden ist es nicht verwunder- - 1 -
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