Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul HABA liefert den Bezugswert des Wärmeübergangskoeffizienten beim Blasensieden an glatten Rohren und ebenen Wänden. Wer den Wärmeübergang beim Blasensieden berechnen will – sei es beim Behältersieden (Pool Boiling) in Kesseln, Verdampfern und Reboilern oder als Blasensiedeanteil beim Strömungssieden gesättigter Flüssigkeiten –, benötigt diesen stoffspezifischen Referenzwert α0 als Ausgangspunkt der normierten Berechnungsverfahren, wie sie auch der VDI-Wärmeatlas verwendet.
Grundlage ist die Arbeit von W. Leiner, "Wärmeübergang beim Blasensieden" (Chemie-Ingenieur-Technik 64, 1992, Nr. 1). Dort wird der Wärmeübergang über eine dimensionslose, thermodynamisch ähnliche Darstellung beschrieben, die den Bezugswert bei definierten Referenzbedingungen (normierter Siededruck, Referenz-Wärmestromdichte, Normrauigkeit der Heizfläche) aus den Stoffdaten des siedenden Mediums gewinnt. Damit lassen sich auch Medien behandeln, für die keine gemessenen Bezugswerte vorliegen.
In der Praxis ist der Bezugswert das Fundament jeder Verdampferauslegung: Ausgehend von α0 wird der tatsächliche Wärmeübergangskoeffizient über Druck-, Wärmestromdichte- und Oberflächenkorrekturen auf den Betriebspunkt umgerechnet.
Regelwerk und Berechnungsbasis: W. Leiner: "Wärmeübergang beim Blasensieden", Chemie-Ingenieur-Technik 64 (1992) Nr. 1
So läuft die Berechnung ab
- Siedendes Medium festlegen: Der Anwender wählt das Medium aus der hinterlegten Stoffliste. Damit stehen die für die Ähnlichkeitsdarstellung benötigten Stoffdaten fest, insbesondere kritischer Druck und kritische Temperatur, Molmasse, Verdampfungsenthalpie und die Transportgrößen der siedenden Flüssigkeit.
- Referenzbedingungen normieren: Der Bezugswert ist an feste Referenzbedingungen gebunden: einen normierten reduzierten Druck p* = p/p_krit, eine Referenz-Wärmestromdichte und eine Normrauigkeit der Heizfläche. Diese Normierung macht Messwerte verschiedener Stoffe und Heizflächen vergleichbar.
- Bezugswert aus der Ähnlichkeitsbeziehung berechnen: Nach der Methode von Leiner wird der Bezugswert des Wärmeübergangskoeffizienten aus einer verallgemeinerten, dimensionslosen Korrelation (Nusselt-Darstellung des Blasensiedens) bestimmt, die auf dem Theorem der übereinstimmenden Zustände beruht – die Stoffabhängigkeit steckt im Wesentlichen in den kritischen Daten und der Molmasse.
- Umrechnung auf den Betriebspunkt: Aus dem Bezugswert folgt der Wärmeübergangskoeffizient am realen Betriebspunkt über Korrekturfunktionen für den reduzierten Siededruck, die tatsächliche Wärmestromdichte (α ~ q̇<sup>n</sup>) und die Oberflächenrauigkeit des Heizrohres – das übliche Vorgehen der normierten Blasensiede-Verfahren.
- Verwendung in der Verdampferauslegung: Der so ermittelte Wärmeübergangskoeffizient geht in die Auslegung von Behältersiedern (Kettle-Reboiler, Tauchheizflächen) ein oder bildet den Blasensiedeanteil in Überlagerungsmodellen des Strömungssiedens gesättigter Flüssigkeiten.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Stoffdatei | Stoffname | - |
| Kritischer Druck | pc | Pa |
| Kritische Temperatur | Tc | K |
| Kritische Dichte | ρc | kg/m³ |
| Molmasse | M | g/mol |
| Siedetemperatur bei 0.1∙pc | T | K |
| Reduzierter Druck | pr= p / pc | - |
| Siededruck bei 0.1∙pc | p | Pa |
| Wärmestromdichte | q0 | W/m² |
| Rauigkeit (DIN 4762 von 08.69) | Rp0 | m |
| Rauigkeit (DIN 4762 von 01.89) | Ra0 | m |
| Kritischer Druck | pc | Pa |
| Kritische Temperatur | Tc | K |
| Kritische Dichte | ρc | kg/m³ |
| Molmasse | M | g/mol |
| Siedetemperatur bei 0.1∙pc | T | K |
| Spez. Wärmekapazität der siedenden Flüssigkeit bei 0.1∙pc | cp | J/(kg·K) |
| Spez. Wärmekapazität der siedenden Flüssigkeit bei 0.1∙pc | cp | J/(kg·K) |
| Medium | Bauform | – |
Berechnungsergebnisse
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Normierter Wärmeübergangskoeffizient bei q0= 20000 W/m² und pr = p/pc = 0.1 | α0 | W/(m²·K) |
Berechnungsoptionen
Medium
Berechnung der Stoffwerte mit PROPER · Freie Eingabe der Stoffwerte
Häufige Fragen
Was genau ist der "Bezugswert" des Wärmeübergangskoeffizienten?
Der Wärmeübergangskoeffizient beim Blasensieden hängt stark von Druck, Wärmestromdichte und Oberflächenbeschaffenheit ab. Um Stoffe vergleichbar zu machen, wird er auf einen einheitlichen Referenzzustand normiert: einen festen reduzierten Druck, eine feste Wärmestromdichte und eine Normrauigkeit der Heizfläche. Dieser normierte Wert α<sub>0</sub> ist eine reine Stoffeigenschaft. Die Umrechnung auf den Betriebspunkt erfolgt anschließend mit dimensionslosen Korrekturfunktionen – so trennt man sauber Stoffeinfluss und Betriebseinfluss.
Warum steigt der Wärmeübergang beim Blasensieden mit der Wärmestromdichte?
Mit wachsender Wärmestromdichte werden mehr Keimstellen aktiviert, die Blasenfrequenz steigt und die Rührwirkung der ablösenden Blasen an der Heizfläche nimmt zu. Empirisch folgt α ~ q̇ⁿ mit n typischerweise zwischen 0,6 und 0,8. Das gilt aber nur bis zur kritischen Wärmestromdichte (Burnout): Darüber schließt sich ein Dampffilm zusammen, der Wärmeübergang bricht ein und die Wandtemperatur springt – bei wärmestromgeregelten Heizflächen eine akute Schadensgefahr, die bei der Auslegung mit ausreichendem Abstand vermieden werden muss.
Wo liegen die Grenzen des Blasensiede-Bezugswerts?
Der Bezugswert gilt für voll ausgebildetes Blasensieden gesättigter, sauberer Flüssigkeiten an glatten technischen Heizflächen. Er gilt nicht für stilles Sieden/freie Konvektion bei kleinen Überhitzungen, nicht für Filmsieden jenseits der kritischen Wärmestromdichte und nicht unmittelbar für Gemische, bei denen Stoffübergangswiderstände den Wärmeübergang mindern. Beim Strömungssieden liefert er nur den Blasensiedeanteil; der konvektive Anteil muss separat berechnet und überlagert werden.
Welchen Einfluss hat die Oberflächenrauigkeit der Heizfläche?
Rauere Oberflächen bieten mehr aktive Keimstellen für die Blasenbildung und erhöhen den Wärmeübergangskoeffizienten spürbar; sehr glatte (z. B. elektropolierte) Flächen verschlechtern ihn. In den normierten Verfahren wird dies über das Verhältnis der tatsächlichen Rauigkeit zur Normrauigkeit erfasst. Zu beachten ist, dass sich die Oberfläche im Betrieb verändert – Beläge und Fouling können die Keimstellenstruktur sowohl verbessern als auch blockieren, weshalb Auslegungen nicht auf optimistische Rauigkeitsgewinne gebaut werden sollten.