Natürliches Konvektionssieden – Beginn des Kernsiedens
Einteilung nach Wandüberhitzungstemperatur, ΔT ges .
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 Systeme zum sieden von Becken 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 wall und der Sättigungstemperatur T sat definiert ist .
Es werden vier verschiedene Siedebedingungen des Poolsiedens (basierend auf der Übertemperatur) beobachtet:
- Natural Convection Boiling AT saß <5 ° C
- Blasensieden 5 ° C < AT saß <30 ° C
- Übergangssieden 30 ° C <& Dgr ; T gesättigt <200 ° C
- Filmsieden 200 ° C < ΔT ges
Natürliches Konvektionssieden
In der Thermodynamik ist die Voraussetzung für das Aufsieden von Reinsubstanzen, dass T wall = T sat ist . In realen Experimenten tritt das sieden jedoch erst auf, wenn die Flüssigkeit einige Grad über die Sättigungstemperatur erwärmt wird. Die Oberflächentemperatur muss etwas über der Sättigungstemperatur liegen, um die Dampfbildung aufrechtzuerhalten. Natürliches Konvektionssieden tritt auf, wenn ΔTsat <5 ° C ist. In diesem Siedemodus wird Dampf über der Wasseroberfläche beobachtet, normalerweise jedoch keine Blasen wird beobachtet. Wenn die Überhitzungstemperatur erhöht wird, kommt es schließlich zum Auftreten von Blasen. Unterhalb von Punkt A wird die Flüssigkeitsbewegung jedoch hauptsächlich durch natürliche Konvektionsströme bestimmt. Der Punkt A wird üblicherweise als Beginn des Blasensiedens bezeichnet – ONB .
Sieden
Quelle: wikipedia.org CC BY-SA
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
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 beim 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,Das 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 .
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