Was ist der Siedemodus – Art des Siedens – Definition

Arten des Siedens

Aus praktischer technischer Sicht kann das sieden nach mehreren Kriterien kategorisiert werden.

Kategorisierung nach Durchflussregime:

• Freisieden. Die wahrscheinlich häufigste Konfiguration, die als Freisieden bekannt ist, ist die Erwärmung in einem Kochtopf, zum Beispiel. Beim Freisieden befindet sich die Flüssigkeit im Ruhezustand und ihre Bewegung in der Nähe der Oberfläche beruht hauptsächlich auf natürlicher Konvektion und auf Vermischungen, die durch Blasenwachstum und -ablösung hervorgerufen werden. Die Pionierarbeit zum Freisieden wurde 1934 von  S. Nukiyama geleistet. Er war der erste, der mit seinem Gerät vier bekannte verschiedene Regime des Freisiedens identifizierte .

• Fließsieden. Beim Fließsieden (oder beim erzwungenen Konvektionssieden) wird der Flüssigkeitsstrom durch externe Mittel wie eine Pumpe sowie durch Auftriebseffekte über eine Oberfläche gedrückt. Daher wird das Fließsieden immer von anderen Konvektionseffekten begleitet. Die Bedingungen hängen stark von der Geometrie ab, die eine externe Strömung über beheizte Platten und Zylinder oder eine interne Strömung (Kanalströmung) beinhalten kann. In Kernreaktoren sind die meisten Siedesysteme nur erzwungenes Konvektionssieden.

Kategorisierung nach Wandüberhitzungstemperatur, ΔT _sat :

Die Pionierarbeit zum sieden wurde 1934 von S. Nukiyama geleistet , der in seinen Experimenten elektrisch beheizte Nichrom- und Platindrähte verwendete, die in Flüssigkeiten eingetaucht waren. Nukiyama war der erste, der mit seinem Apparat verschiedene Regime des Freisiedens identifizierte . Er bemerkte, dass das sieden unterschiedliche Formen annimmt, abhängig vom Wert der Wandüberhitzungstemperatur ΔT _sat (auch als Übertemperatur bekannt) , die als Differenz zwischen der Wandtemperatur T- _Wand und der Sättigungstemperatur T _{sat definiert ist} .

Es werden vier verschiedene Siedezustände des Freisiedens (basierend auf der Übertemperatur) beobachtet:

• Natürliches Konvektionssieden                             ΔT _saß <5 ° C.
• Blasensieden                                    5 ° C < ΔT _sat <30 ° C.
• Übergangssieden                                 30 ° C < ΔT _sat <200 ° C.
• Filmsieden                                         200 ° C < ΔT _ges

Beschreibung des Siedens:

• Natürliches Konvektionssieden. In der Thermodynamik besteht die Voraussetzung für das sieden von Reinsubstanzen darin, dass T _wall = T _sat . In realen Experimenten tritt das sieden jedoch erst auf, wenn die Flüssigkeit einige Grad über die Sättigungstemperatur erhitzt wurde. Die Oberflächentemperatur muss etwas über der Sättigungstemperatur liegen, um die Dampfbildung aufrechtzuerhalten. In diesem Siedemodus wird Dampf über der Wasseroberfläche beobachtet, normalerweise jedoch keine Blasen wird beobachtet. Wenn die Überhitzungstemperatur erhöht wird, tritt schließlich eine Blasenbildung auf, aber unterhalb von Punkt A wird die Flüssigkeitsbewegung hauptsächlich durch natürliche Konvektionsströme bestimmt.
• Blasensieden. Die häufigste Art des lokalen siedens in Kernkraftwerken ist das Blasensieden. Beim Blasensieden bilden sich Dampfblasen an der Wärmeübertragungsoberfläche und brechen dann ab und werden in den Hauptstrom der Flüssigkeit befördert. Eine solche Bewegung verbessert die Wärmeübertragung, da die an der Oberfläche erzeugte Wärme direkt in den Flüssigkeitstrom übertragen wird. Sobald sie sich im Hauptflüssigkeitstrom befinden, kollabieren die Blasen, weil die Massentemperatur die Flüssigkeit nicht so hoch ist wie die Temperatur der Wärmeübertragungsoberfläche, bei der die Blasen erzeugt wurden. Dieser Wärmeübertragungsprozess ist manchmal wünschenswert, da die an der Wärmeübertragungsoberfläche erzeugte Energie schnell und effizient „weggetragen“ wird.
• Übergangssieden. Der Wärmefluss beim Blasensieden kann nicht unbegrenzt erhöht werden. Bei einem bestimmten Wert, den wir als „kritische Wärmestromdichte“ ( CHF ) bezeichnen, kann der erzeugte Dampf eine Isolierschicht über der Oberfläche bilden, was wiederum den Wärmeübergangskoeffizienten verschlechtert. Dies liegt daran, dass ein großer Teil der Oberfläche von einem Dampffilm bedeckt ist, der aufgrund der im Vergleich zu der Flüssigkeit geringen Wärmeleitfähigkeit des Dampfes als Wärmedämmung wirkt. Unmittelbar nach Erreichen der kritische Wärmestromdichte wird das Sieden instabil und es tritt ein Übergangssieden auf. Der Übergang vom Blasensieden zum Filmsieden wird als „ Siedekrise “ bezeichnet”. Da jenseits des CHF-Punktes der Wärmeübergangskoeffizient abnimmt, ist der Übergang zum Filmsieden normalerweise unvermeidlich.
• Filmsieden. Eine weitere Erhöhung des Wärmeflusses bewirkt, dass ein Dampffilm die Oberfläche bedeckt. Dies verringert den Konvektionskoeffizienten erheblich, da die Dampfschicht eine wesentlich geringere Wärmeübertragungsfähigkeit aufweist. Infolgedessen schießt die Übertemperatur auf einen sehr hohen Wert. Jenseits des Leidenfrostpunkts bedeckt ein kontinuierlicher Dampffilm die Oberfläche und es besteht kein Kontakt zwischen der flüssigen Phase und der Oberfläche. In dieser Situation erfolgt die Wärmeübertragung sowohl durch Strahlung als auch durch Leitung zum Dampf. Wenn das Material nicht stark genug ist, um dieser Temperatur standzuhalten, versagt das Gerät durch Beschädigung des Materials. In Druckwasserreaktoren besteht eine der wichtigsten Sicherheitsanforderungen (möglicherweise die wichtigste) darin, dass während des stationären Betriebs, normaler Betriebstransienten und erwarteter Betriebsereignisse (AOOs) keine Abweichung vom Blasensieden (DNB) auftritt. Die Integrität der Kraftstoffverkleidung bleibt erhalten, wenn der Mindest-DNBR über dem 95/95-DNBR-Grenzwert für PWRs liegt (eine Wahrscheinlichkeit von 95% bei einem Konfidenzniveau von 95%). Da dieses Phänomen der Wärmeübergangskoeffizient und der Wärmefluss bleibt verschlechtert, dann Wärme akkumuliert in dem Brennstab verursacht dramatischen Anstieg der Mantel- und Kraftstofftemperatur. Es ist einfach eine sehr hohe Temperaturdifferenz erforderlich, um den kritischen Wärmefluss, der von der Oberfläche des Brennstabs erzeugt wird, auf das Reaktorkühlmittel (durch die Dampfschicht) zu übertragen.

Kategorisierung nach Unterkühltemperatur, ΔT _sub .

Das sieden kann auch danach klassifiziert werden, ob es unterkühlt oder gesättigt ist:

• Unterkühltes sieden. Beim unterkühlten sieden liegt die Temperatur des größten Teils der Flüssigkeit unter der Sättigungstemperatur, und an der Oberfläche gebildete Blasen können in der Flüssigkeit kondensieren. Diese Kondensation (Kollabieren) erzeugt einen Ton mit einer Frequenz von ~ 100 Hz – 1 kHz. Aus diesem Grund macht ein Wasserkocher die meisten Geräusche, bevor das Wasser gesättigt kocht. Der Begriff Unterkühlung bezieht sich auf eine Flüssigkeit, die bei einer Temperatur unterhalb ihres normalen Siedepunkts vorliegt .
• Gesättigtes sieden . Beim gesättigten sieden (auch als Massensieden bekannt ) überschreitet die Temperatur der Flüssigkeit geringfügig die Sättigungstemperatur. Massensieden kann auftreten, wenn die Systemtemperatur steigt oder der Systemdruck auf den Siedepunkt abfällt. Zu diesem Zeitpunkt kollabieren die in den Kühlmittelkanal eintretenden Blasen nicht. Die Blasen neigen dazu, sich zu verbinden und größere Dampfblasen zu bilden. Dampfblasen werden dann durch Auftriebskräfte durch die Flüssigkeit geschleudert und entweichen schließlich von einer freien Oberfläche.