Kritischer Wärmestrom

Sieden ist ein sehr effektiver Mechanismus zur Wärmeübertragung mit großem Wärmeübertragungskoeffizienten und spielt in vielen industriellen Prozessen eine Rolle. Der Wärmeübergang ist jedoch durch den kritischen Wärmestrom (CHF), auch als Siedekrise bezeichnet, begrenzt. Er führt zu einem raschen Abfall des Wärmeübergangskoeffizienten bei temperaturgesteuertem Wärmeübergang bzw. zu einem beträchtlichen Anstieg der Temperatur der Heizfläche bei leistungsgesteuertem Wärmeübergang. Während das erstere Phänomen die Effektivität verringert, ist das zweite Phänomen relevant für die Sicherheit. Zurzeit gibt es noch kein allgemeingültiges Verständnis über die der Siedekrise zugrunde liegenden Mechanismen.

Ein neues Modell für den kritischen Wärmestrom wurde im HZDR entwickelt. Das Modell versucht die Siedekrise aus der Strömung „an der Wand“ zu erklären während andere Modelle von den Bedingungen „in der Nähe der Wand“ ausgehen. Das Modell berücksichtigt den Einfluss verschiedener Parameter wie Druck, Orientierung der Heizfläche, Unterkühlung, Massenstrom, Benetzungsfähigkeit, Oberflächenspannung usw. Für Behältersieden kann die Siedekrise als lokales Phänomen betrachtet werden während beim Strömungssieden zwei verschiedene Phänomene zur Siedekrise führen. Bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten ähneln die Phänomene denen bei Behältersieden Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten liegt dagegen ein globales Phänomen vor, bei dem der Gasgehalt stromaufwärts einen starken Einfluss hat. Kriterium über die Relevanz eines der beiden Phänomene wird bestimmt durch den Umstand, der zur Ablösung der Blase führt: Scherspannung (hydrodynamisch) oder die Fluideigenschaften (thermische Eigenschaften). Das Modell für den kritischen Wärmestrom stellt einen Grenzfall des Wandsiedemodells dar. Die Initiierung des kritischen Zustandes kann damit beschrieben werden. Das Eintreten der Siedekrise wird stark durch die Überhitzung an der Wand bestimmt. Weitere Parameter an der Wand sind Rauigkeit und Benetzbarkeit. Die Wärmeleitung in der Wand spielt eine Rolle. Das Modell kann in einen CFD-Code implementiert werden.

Literatur

Ding W, Krepper E, Hampel U.
A hypothesis of near critical heat flux (CHF-) derived from nucleation for pool and forced convective boiling
NURETH17 (accepted) (2017)