Die Siedekurve verläuft nicht monoton. Mit steigender Wandüberhitzung steigt die Wärmestromdichte zunächst steil an, erreicht ein Maximum und fällt dann. Dieses Maximum ist die kritische Wärmestromdichte, und sie ist die für die Sicherheit maßgebende Größe.
Die Regime
Sieden bei natürlicher Konvektion. Bei geringer Überhitzung entstehen keine Blasen; die Wärme geht über einphasige Konvektion ab.
Blasensieden. An Keimstellen der Oberfläche bilden sich Blasen, lösen sich ab und erzeugen eine starke Durchmischung. Hier ist die Wärmeübertragung am wirksamsten; Rohsenows Korrelation bildet dieses Regime ab, indem sie es auf die durch die Blasenbewegung hervorgerufene einphasige Konvektion zurückführt [1].
Kritische Wärmestromdichte. Die Blasenbildung wird so dicht, dass Flüssigkeit die Oberfläche nicht mehr erreicht.
Filmsieden. Die Oberfläche ist von einer durchgehenden Dampfschicht eingehüllt. Weil deren Leitfähigkeit gering ist, bricht die Wärmeübertragung zusammen und die Wandtemperatur springt — in einem leistungsgeregelten System heißt das, die Oberfläche brennt durch.
Warum Auslegungen auf der kritischen Wärmestromdichte beruhen
In leistungsgeregelten Systemen (elektrische Heizer, Brennelemente, Leistungselektronik) ist der Übergang unumkehrbar: In dem Moment, in dem die Wärmestromdichte das Maximum überschreitet, springt das System ins Filmsieden und die Temperatur läuft davon. Das Abnahmekriterium ist daher nicht die mittlere Wärmeübertragung, sondern die Reserve zur kritischen Wärmestromdichte.
Strömungssieden ist anders
Bei Strömung im Rohr hängt das Regime zusätzlich vom Strömungsbild ab: Blasen-, Pfropfen-, Ringströmung. Wird im Ringregime der Flüssigkeitsfilm an der Wand aufgezehrt (Dryout), kann derselbe Temperatursprung eintreten, ohne dass die kritische Wärmestromdichte erreicht wurde.
Eine Modellierungswarnung
Siedemodelle hängen stark von empirischen Koeffizienten und von Oberflächeneigenschaften ab — Rauheit, Benetzbarkeit, Keimstellendichte. Dasselbe Fluid ergibt auf einer anders beschichteten Oberfläche eine andere Kurve. Das Ergebnis sollte vergleichend statt absolut verwendet und die Herkunft der Koeffizienten genannt werden. Siehe die Notiz zu signifikanten Stellen.
Referenzen
- Rohsenow, W. M. (1952). A method of correlating heat transfer data for surface boiling of liquids. Transactions of the ASME, 74, 969–976.
- Shah, R. K. & Sekulić, D. P. (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design. John Wiley & Sons. DOI: 10.1002/9780470172605