Was ist Sieden und Kondensation – Definition

Sieden und Kondensation

In den vorhergehenden Kapiteln haben wir die konvektive Wärmeübertragung mit sehr wichtigen Annahmen erörtert . Wir haben eine einphasige konvektive Wärmeübertragung ohne Phasenwechsel angenommen. In diesem Kapitel konzentrieren wir uns auf die konvektive Wärmeübertragung, die mit der Phasenänderung eines Fluids verbunden ist . Insbesondere betrachten wir Prozesse, die an einer Fest-Flüssig- oder Fest-Dampf-Grenzfläche auftreten können, nämlich Sieden (Phasenwechsel von Flüssigkeit zu Dampf) und Kondensation (Phasenwechsel von Dampf zu Flüssigkeit).

In diesen Fällen sind die mit dem Phasenwechsel verbundenen Latentwärmeeffekte signifikant. Latente Wärme , auch als Verdampfungsenthalpie bekannt, ist die Wärmemenge, die einer Substanz zugesetzt oder von ihr entfernt wird, um eine Phasenänderung zu erzeugen. Diese Energie baut die intermolekularen Anziehungskräfte auf und muss auch die Energie liefern, die zur Expansion des Gases erforderlich ist (die pΔV-Arbeit ). Wenn latente Wärme hinzugefügt wird, tritt keine Temperaturänderung auf.

Die Verdampfungsenthalpie ist eine Funktion des Drucks, bei dem diese Umwandlung stattfindet.

Latente Verdampfungswärme – Wasser mit 0,1 MPa (atmosphärischer Druck)

h _lg = 2257 kJ / kg

Latente Verdampfungswärme – Wasser mit 3 MPa (Druck in einem Dampferzeuger)

h _lg = 1795 kJ / kg

Verdampfungswärme – Wasser bei 16 MPa (Druck in einem Druckhalter )

h _lg = 931 kJ / kg

Die Verdampfungswärme nimmt mit zunehmendem Druck ab, während der Siedepunkt steigt. Es verschwindet vollständig an einem bestimmten Punkt, der als kritischer Punkt bezeichnet wird . Oberhalb des kritischen Punktes sind die flüssige und die dampfförmige Phase nicht zu unterscheiden, und die Substanz wird als überkritische Flüssigkeit bezeichnet .

Der Wechsel vom flüssigen in den Dampfzustand aufgrund des Siedens wird durch Wärmeübertragung von der festen Oberfläche aufrechterhalten; Umgekehrt führt die Kondensation eines Dampfes in den flüssigen Zustand zu einer Wärmeübertragung auf die feste Oberfläche. Sieden und Kondensation unterscheiden sich von anderen Konvektionsformen dadurch, dass sie von der latenten Verdampfungswärme abhängen , die für übliche Drücke sehr hoch ist. Daher können bei Sieden und Kondensieren große Wärmemengen im Wesentlichen bei konstanter Temperatur übertragen werden. Die Wärmeübergangskoeffizienten h, die mit Sieden und Kondensation verbunden sind, sind typischerweise viel höherals diejenigen, die bei anderen Formen von Konvektionsprozessen auftreten, die eine einzelne Phase umfassen.

Dies liegt daran, dass selbst bei turbulenter Strömung eine stagnierende Flüssigkeitsfilmschicht (laminare Unterschicht) vorhanden ist, die die Oberfläche des Wärmetauschers isoliert. Diese stagnierende Flüssigkeitsfilmschicht spielt eine entscheidende Rolle für den konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten. Es wird beobachtet, dass die Flüssigkeit an der Oberfläche vollständig zum Stillstand kommt und eine Geschwindigkeit von Null relativ zur Oberfläche annimmt. Dieses Phänomen ist als rutschfester Zustand bekannt, und daher erfolgt der Energiefluss an der Oberfläche ausschließlich durch Leitung. In den nächsten Schichten treten jedoch sowohl Leitungs- als auch Diffusionsmassenbewegungen auf molekularer oder makroskopischer Ebene auf. Aufgrund der Massenbewegung ist die Energieübertragungsrate höher. Wie geschrieben wurde, Sieden von Keimen an der Oberfläche unterbricht diese stagnierende Schicht effektiv, und daher erhöht das Sieden von Keimen die Fähigkeit einer Oberfläche, Wärmeenergie auf Schüttgut zu übertragen, erheblich .

Siedepunkt – Sättigung

In der Thermodynamik  definiert der Begriff  Sättigung einen Zustand, in dem ein Gemisch aus Dampf und Flüssigkeit bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck zusammen existieren kann. Die Temperatur, bei der  bei einem bestimmten Druck eine Verdampfung  (Sieden) auftritt, wird als  Sättigungstemperatur  oder  Siedepunkt bezeichnet . Der Druck, bei dem bei einer bestimmten Temperatur eine Verdampfung (Siedebildung) auftritt, wird als Sättigungsdruck bezeichnet.

Wenn die Dampfqualität gleich 0 ist, wird sie als  gesättigter flüssiger Zustand  (einphasig) bezeichnet. Wenn andererseits die Dampfqualität gleich 1 ist, wird sie als gesättigter Dampfzustand  oder  trockener Dampf  (einphasig) bezeichnet. Zwischen diesen beiden Zuständen sprechen wir von  Dampf-Flüssigkeits-Gemisch  oder  Nassdampf  (Zweiphasengemisch). Bei konstantem Druck ändert eine Zugabe von Energie nicht die Temperatur des Gemisches, sondern die  Dampfqualität  und das spezifische Volumen. 

Sättigung im Druckbeaufschlagungsgerät

Ein  Druckbeaufschlagter  ist eine Komponente eines  Druckwasserreaktors . Der Druck im Primärkreislauf  von PWRs wird durch einen Druckbeaufschlagungsapparat aufrechterhalten  , ein separates Gefäß, das mit dem Primärkreislauf (heißer Zweig) verbunden und teilweise mit Wasser gefüllt ist, das  durch Eintauchen in Elektrizität auf die Sättigungstemperatur (Siedepunkt) für den gewünschten Druck  erhitzt wird  Heizungen. Die Temperatur im Druckbeaufschlagungsgerät kann bei 350 ° C (662 ° F) gehalten werden, was einen Unterkühlungsspielraum (die Differenz zwischen der Druckbeaufschlagertemperatur und der höchsten Temperatur im Reaktorkern) von 30 ° C ergibt. Die Unterkühlungsspanne ist ein sehr wichtiger Sicherheitsparameter von PWRs, da das sieden im Reaktorkern ausgeschlossen werden muss. Die Grundkonstruktion des  Druckwasserreaktors  beinhaltet eine solche Anforderung, dass das Kühlmittel (Wasser) im Reaktorkühlsystem nicht sieden darf. Um dies zu erreichen, wird das Kühlmittel im Reaktorkühlmittelsystem auf einem Druck gehalten, der so hoch ist, dass bei den Kühlmitteltemperaturen, die während des Betriebs der Anlage oder in einem analysierten Übergang auftreten, kein sieden auftritt.

Funktionen

Der Druck  im Druckbeauftragten wird durch Variieren der Temperatur des Kühlmittels im Druckbeaufschlagungsgerät gesteuert. Zu diesem Zweck werden zwei Systeme installiert. Wassersprühsystem  und  elektrisches Heizsystem . Das Volumen des Druckbeaufschlagers (mehrere zehn Kubikmeter) wird mit Wasser bei Sättigungsparametern und Dampf gefüllt. Das Wassersprühsystem (relativ kaltes Wasser – vom kalten Bein) kann den Druck im Gefäß verringern, indem  der Dampf auf im Gefäß gesprühten Wassertropfen kondensiert  . Andererseits sind die untergetauchten elektrischen Heizungen so ausgelegt, dass sie den Druck durch Verdampfen des Wassers  im Gefäß erhöhen  . Der Wasserdruck in einem geschlossenen System verfolgt die Wassertemperatur direkt. Wenn die Temperatur steigt, steigt der Druck.

Sieden im Dampferzeuger

Dampferzeuger sind  Wärmetauscher  , mit denen Speisewasser  aus Wärme, die in einem Kern eines  Kernreaktors erzeugt wird,  in Dampf umgewandelt wird . Der erzeugte Dampf treibt die Turbine an. Sie werden in den meisten Kernkraftwerken eingesetzt, es gibt jedoch je nach Reaktortyp viele Typen .

Das heiße Primärkühlmittel ( Wasser 330 ° C; 62 MP °; 16 MPa ) wird durch den Primäreinlass in den Dampferzeuger  gepumpt  . Ein hoher Druck des Primärkühlmittels wird verwendet, um das Wasser im flüssigen Zustand zu halten. Das Primärkühlmittel darf nicht sieden.  Das flüssige Wasser fließt durch Hunderte oder Tausende von Rohren (normalerweise 1,9 cm Durchmesser) im Inneren des Dampferzeugers. Das Speisewasser (Sekundärkreislauf) wird von  ~ 260 ° C  bis zum Siedepunkt dieser Flüssigkeit  (280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa) erwärmt . Wärme wird durch die Wände dieser Rohre auf das Sekundärkühlmittel mit niedrigerem Druck übertragen, das sich auf der Sekundärseite des Wärmetauschers befindet, wo das Kühlmittel zu Druckdampf verdampft (gesättigter Dampf 280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa) . Der unter Druck stehende Dampf verlässt den Dampferzeuger durch einen Dampfauslass und gelangt zur Dampfturbine. Die Wärmeübertragung erfolgt ohne Vermischen der beiden Flüssigkeiten, um zu verhindern, dass das Sekundärkühlmittel radioaktiv wird. Das Primärkühlmittel verlässt  (Wasser 295 ° C; 56 MP ° F; 16 MPa)  den Dampferzeuger durch den Primärauslass und gelangt über einen kalten Zweig zu  einer Reaktorkühlmittelpumpe  und dann in den Reaktor.

Kondensation im Hauptkondensator

Der Kondensator muss ein ausreichend niedriges Vakuum aufrechterhalten, um den Wirkungsgrad des Kraftwerks zu erhöhen. Die Vakuumpumpen halten ein ausreichendes Vakuum im Kondensator aufrecht, indem sie Luft und nicht kondensierte Gase absaugen. Der niedrigste realisierbare Kondensatordruck ist der  Sättigungsdruck  , der der Umgebungstemperatur entspricht (z. B. ein absoluter Druck von  0,008 MPa,  was  41,5 ° C entspricht ). Beachten Sie, dass es immer einen Temperaturunterschied zwischen (um  ΔT = 14 ° C) gibt) die Kondensatortemperatur und die Umgebungstemperatur, die sich aus der endlichen Größe und Effizienz der Kondensatoren ergeben. Da weder der Kondensator ein 100% effizienter Wärmetauscher ist, besteht immer ein Temperaturunterschied zwischen der Sättigungstemperatur (Sekundärseite) und der Temperatur des Kühlmittels im Kühlsystem. Darüber hinaus gibt es eine Konstruktionsineffizienz, die den Gesamtwirkungsgrad der Turbine verringert. Idealerweise würde der in den Kondensator abgegebene Dampf  keine Unterkühlung aufweisen . Echte Kondensatoren sind jedoch so ausgelegt, dass sie die Flüssigkeit um einige Grad Celsius unterkühlen, um die Saugkavitation  in den Kondensatpumpen zu vermeiden  . Diese Unterkühlung erhöht jedoch die Ineffizienz des Kreislaufs, da mehr Energie zum Wiedererhitzen des Wassers benötigt wird.

Das Ziel, den niedrigsten praktischen Turbinenabgasdruck aufrechtzuerhalten, ist ein Hauptgrund für den Einbau des Kondensators in ein Wärmekraftwerk. Der Kondensator liefert ein Vakuum, das die dem Dampf entzogene Energie maximiert, was zu einer signifikanten Steigerung des Netzes und des thermischen Wirkungsgrads führt. Aber auch dieser Parameter (Kondensatordruck) hat seine technischen Grenzen:

• Durch Verringern des Turbinenabgasdrucks wird die Dampfqualität (oder der Trockenheitsanteil) verringert. Irgendwann muss die Expansion beendet werden, um Schäden zu vermeiden, die durch Dampf von geringer Qualität an den Schaufeln der Dampfturbine verursacht werden könnten  .
• Durch Verringern des Turbinenabgasdrucks wird das spezifische Volumen des Abgasdampfes erheblich erhöht, was große Schaufeln in den letzten Reihen der Niederdruckstufe der Dampfturbine erfordert.

In einer typischen  Nassdampfturbine kondensiert der Abgasdampf im Kondensator und es liegt ein Druck weit unter dem Atmosphärendruck (absoluter Druck von  0,008 MPa,  was 41,5 ° C entspricht). Dieser Dampf befindet sich in einem teilweise kondensierten Zustand (Punkt F), typischerweise von einer Qualität nahe 90%. Beachten Sie, dass der Druck im Kondensator auch von den atmosphärischen Umgebungsbedingungen abhängt:

• Lufttemperatur, Druck und Luftfeuchtigkeit bei Abkühlung in die Atmosphäre
• Wassertemperatur und Durchfluss bei Abkühlung in einen Fluss oder ein Meer

Eine Erhöhung der Umgebungstemperatur bewirkt eine proportionale Erhöhung des Drucks des Abgases ( ΔT = 14 ° C  ist normalerweise eine Konstante), daher nimmt der thermische Wirkungsgrad des Leistungsumwandlungssystems ab. Mit anderen Worten kann die  elektrische Leistung  eines Kraftwerks   mit den  Umgebungsbedingungen variieren , während die Wärmeleistung konstant bleibt.

Um die Parameter im Kondensator (0,008 MPa und 41,5 ° C) beizubehalten, muss das  Kühlwasser  aus dem Kühlsystem ausreichend kalt sein und es darf keinen großen Temperaturunterschied zwischen dem Auslass- und dem Einlasswassertemperaturgeber geben, daher muss die Durchflussmenge durch das Kühlsystem sein sehr hoch. Die Durchflussmenge durch das Kühlsystem (mit nassen Kühltürmen) kann bis zu 100 000 m3 / h (27,7 m3 / s) betragen. Das Kondensatoreinlasswasser kann ungefähr 22 ° C haben (stark abhängig von den Umgebungsbedingungen), während der Kondensatorauslass ungefähr 25 ° C haben kann. Die Meerwasserkühlsysteme arbeiten mit höheren Durchflussraten, beispielsweise 130 000 m3 / h.