Was ist Sieden – Siedeeigenschaften – Definition

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 höher als 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, Blasensieden an der Oberfläche unterbricht diese stagnierende Schicht effektiv, und daher erhöht Blasensieden die Fähigkeit einer Oberfläche, Wärmeenergie auf Schüttgut zu übertragen, erheblich .

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.

Sieden in Kernreaktoren

Sieden in BWRs

In BWRs tritt das sieden von Kühlmittel im Normalbetrieb auf und es ist ein sehr erwünschtes Phänomen. Typische Fließqualitäten in BWR-Kernen liegen in der Größenordnung von 10 bis 20%. Ein Siedewasserreaktor wird wie ein PWR durch Wasser gekühlt und moderiert , jedoch mit einem niedrigeren Druck (7 MPa), wodurch das Wasser im Druckbehälter sieden kann und den Dampf erzeugt, der die Turbinen antreibt . Die Verdampfung erfolgt daher direkt in Kraftstoffkanälen. Daher sind BWRs das beste Beispiel für diesen Bereich, da im Normalbetrieb Verdunstung des Kühlmittels auftritt und dies ein sehr erwünschtes Phänomen ist.

In SWR gibt es ein Phänomen, das für die Reaktorsicherheit von höchster Bedeutung ist . Dieses Phänomen ist als “Austrocknung” bekannt und steht in direktem Zusammenhang mit Änderungen des Strömungsmusters während der Verdampfung im Bereich hoher Qualität. Normalerweise wird die Kraftstoffoberfläche durch siedendes Kühlmittel effektiv gekühlt. Wenn der Wärmefluss jedoch einen kritischen Wert überschreitet (CHF – kritischer Wärmefluss), kann das Flussmuster die Austrocknungsbedingungen erreichen (dünner Flüssigkeitsfilm verschwindet). Die Wärmeübertragung von der Kraftstoffoberfläche in das Kühlmittel wird durch eine drastisch erhöhte Kraftstoffoberflächentemperatur verschlechtert .

Sieden in PWRs

Obwohl die frühesten Kernkonstruktionen davon ausgegangen sind, dass das sieden von Oberflächen in PWRs nicht zulässig ist , wurde diese Annahme bald verworfen, und die zweiphasige Wärmeübertragung ist nun einer der Wärmeübertragungsmechanismen im Normalbetrieb auch in PWRs. Bei PWRs im Normalbetrieb befindet sich im Reaktorkern, in den Kreisläufen und in den Dampferzeugern komprimiertes flüssiges Wasser . Der Druck wird bei ungefähr 16 MPa gehalten . Bei diesem Druck kocht Wasser bei ungefähr 350 ° C (662 ° F). Wie im Beispiel berechnet wurde , stellt die Oberflächentemperatur T _{Zr, 1} = 325 ° C sicher, dass auch unterkühltes sieden nicht auftritt. Es ist zu beachten, dass unterkühltes sieden T _Zr erfordert _{, 1} = T _sat. Da die Einlasstemperaturen des Wassers normalerweise etwa 290 ° C (554 ° F) betragen , ist es offensichtlich, dass dieses Beispiel dem unteren Teil des Kerns entspricht. In höheren Lagen des Kerns kann die Massentemperatur bis zu 330 ° C erreichen. Der Temperaturunterschied von 29 ° C führt dazu, dass unterkühltes sieden auftreten kann (330 ° C + 29 ° C> 350 ° C). Andererseits stört das Blasensieden an der Oberfläche die stagnierende Schicht effektiv, und daher erhöht das Blasensieden die Fähigkeit einer Oberfläche, Wärmeenergie auf Schüttgut zu übertragen, erheblich . Infolgedessen steigt der konvektive Wärmeübergangskoeffizient signifikant an und daher nimmt in höheren Lagen die Temperaturdifferenz (T _{Zr, 1} – T _Volumen ) signifikant ab.

Im Fall von PWRs wird das kritische Sicherheitsproblem als DNB (Abweichung vom Blasensieden) bezeichnet, was zur Bildung einer lokalen Dampfschicht führt , was zu einer dramatischen Verringerung der Wärmeübertragungsfähigkeit führt. Dieses Phänomen tritt im unterkühlten Bereich oder im Bereich geringer Qualität auf. Das Verhalten der Siedekrise hängt von vielen Strömungsbedingungen (Druck, Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit) ab, aber die Siedekrise tritt bei relativ hohen Wärmeströmen auf und scheint mit der an die Oberfläche angrenzenden Blasenwolke verbunden zu sein. Diese Blasen oder Dampffilme reduzieren die Menge des einströmenden Wassers. Da dieses Phänomen den Wärmeübergangskoeffizienten verschlechtert und der Wärmefluss erhalten bleibt, sammelt sich Wärme anin dem Brennstab verursacht dramatischen Anstieg von Mantel- und Kraftstofftemperatur .

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.