Was ist siedendes Wasser – Wie kocht man Wasser – Definition

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 .

Kochmodi – Arten des siedens

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

Kategorisierung nach Durchflussregime:

• Pool sieden . Die wahrscheinlich häufigste Konfiguration, die als Poolsieden bekannt ist, ist die Erwärmung eines Flüssigkeitspools von unten durch eine horizontale Oberfläche. Beim sieden im Pool 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 sieden von Pools wurde 1934 von  S. Nukiyama geleistet. Er war der erste, der  mit seinem Gerät vier bekannte verschiedene Regime des Poolsiedens 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 Poolsiedens 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 Poolsiedens (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 der Siedemodi :

• 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 Blasenwird beobachtet. Wenn die Überhitzungstemperatur erhöht wird, tritt schließlich eine Blasenbildung auf, aber unterhalb von Punkt A wird die Flüssigkeitsbewegung hauptsächlich durch natürliche Konvektionsströme bestimmt. Der Punkt A wird üblicherweise als Beginn des Siedens von Keimen bezeichnet – ONB .
• Blasensieden. Die häufigste Art des lokalen siedens in Kernkraftwerken ist das sieden von Keimen . Beim sieden der Keime 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 Fluidstrom übertragen wird. Sobald sie sich im Hauptfluidstrom befinden, kollabieren die Blasen, weil die Massentemperatur des Fluids 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 sieden der Keime kann nicht unbegrenzt erhöht werden. Bei einem bestimmten Wert, den wir als „ kritischen Wärmefluss “ ( 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 des kritischen Wärmeflusses 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.
• Film sieden. 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. Dieses Phänomen wird auch als Burnout bezeichnet. 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.