Bestimmung des Blasenverhaltens beim unterkühlten ...

Grundlagen Blasensieden ohne Konvektion (Behältersieden)
2.2 Blasensieden ohne Konvektion (Behältersieden)
Aufgrund der Komplexität des Siedeprozesses erscheint es zunächst sinnvoll, die physikalischen
Vorgänge beim Blasensieden in Behältern, also ohne erzwungene Strömung, genauer
zu betrachten. Diese beinhalten die Keimbildung, die Verdampfung unter Einwirkung von
Kapillarkräften, die Bewegung und Dynamik der Phasengrenzflächen, den Impulsaustausch
beim Wachsen der Blase mit der flüssigen Phase, die Interaktionen benachbarter Blasen sowie
die instationären Wärmeströme in der Heizwand. Diese Vorgänge zeigen offensichtlich ein
chaotisches Verhalten. Bei kleinen Änderungen der System- oder Versuchsparameter zeigt
sich ein deutlich verändertes Siedemuster. In der Vergangenheit wurden für die Bestimmung
des Wärmeübergangskoeffizienten zahlreiche mechanistische Modelle konzipiert und Korrelationen
für technische Anwendungen entwickelt.
2.2.1 Mechanismen der Wärmeübertragung
Viele Modelle zur Ermittlung des Wärmestroms beim Blasensieden basieren auf dessen
Aufspaltung in unterschiedliche Wärmetransportprozesse beim Wachstum und Aufstieg einer
Blase, wie sie in Abbildung 2.4 nach Nordmann [Nor_81] dargestellt sind. Danach bilden sich
Dampfblasen vorzugsweise in kleinen Vertiefungen auf der Siedefläche, den sogenannten
Keimstellen, deren Anzahl mit ansteigender Heizflächentemperatur zunimmt. Die für das
Wachstum der Blase benötigte Energie wird von der wandnahen, überhitzten Flüssigkeitsschicht
geliefert. Die Heizfläche unterhalb der wachsenden Blase kühlt sich dabei ab. Die
Blase, deren Form und Größe maßgeblich durch die Oberflächenspannung bestimmt wird,
wächst so lange an, bis die Auftriebskräfte die Haftkräfte übersteigen. Nach dem Ablösevor-
gang transportiert die Blase Wärme, die sich aus dem Volumen der Blase und die darin
enthaltene Verdampfungsenthalpie zusammensetzt, von der Heizfläche weg. Außerdem wird
in ihrem Nachlauf eine Driftströmung induziert, die für eine weitere Erhöhung der Konvektion
sorgt. Die in der überhitzten Grenzschicht vorhandenen Temperaturunterschiede haben
zur Folge, dass entlang der Blasenkontur unterschiedliche Oberflächenspannungen herrschen.
Dadurch wird eine weitere Strömung, die sogenannte Marangoni-Konvektion, hervorgerufen.
Liegt die Temperatur der Kernflüssigkeit unterhalb der Sättigungstemperatur, so findet am
Blasenkopf ein Kondensationsprozess statt. Je nach Grad der Unterkühlung erfolgt die
Blasenkondensation entweder thermisch oder fluiddynamisch kontrolliert [Nor_80]. Beim
thermisch kontrollierten Kollaps limitieren die geringen Temperaturgradienten in der flüssigen
Phase den Stofftransport während des Kondensationsvorgangs. Dagegen kollabiert die
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