Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul berechnet den Anteil des Blasensiedens beim Strömungssieden gesättigter, reiner Flüssigkeiten in senkrechten Rohren nach Kapitel H3.5.2.1 des VDI-Wärmeatlas (12. Auflage 2019). Bei hohen Wärmestromdichten wird der Wärmeübergang im Verdampferrohr nicht mehr von der Konvektion der Zweiphasenströmung, sondern von der Blasenbildung an der Rohrwand bestimmt; der Wärmeübergangskoeffizient hängt dann primär von Wärmestromdichte und reduziertem Druck ab.
Gebraucht wird diese Berechnung für die Auslegung senkrechter Verdampferrohre in Dampferzeugern, Naturumlauf- und Zwangumlaufverdampfern, sobald die Wärmestromdichte über der Einsetzgrenze des Blasensiedens liegt. Die Methode normiert den Wärmeübergangskoeffizienten auf einen stoffspezifischen Referenzwert bei Normbedingungen (Normwärmestromdichte, Normdurchmesser, Referenzrauheit) und skaliert ihn über den reduzierten Druck p* = p/pc, das Verhältnis q̇/q̇₀, den Rohrinnendurchmesser und den arithmetischen Mittenrauwert der Rohrwand.
Zusammen mit dem konvektiven Anteil aus Kapitel H3.5.1.1 ergibt sich der maßgebende lokale Wärmeübergangskoeffizient entlang des Verdampferrohres; auch Stoffart, Strömungsrichtung und Randbedingung gehen in die Auswertung ein.
Regelwerk und Berechnungsbasis: VDI-Wärmeatlas, 12. Auflage 2019
So läuft die Berechnung ab
- Randbedingung, Stoffart und Strömungsrichtung festlegen: Die Auswahlgrößen bestimmen die anzuwendenden Parameter der Korrelation: Für Wasser, kryogene Medien und organische Stoffe gelten unterschiedliche Kennwerte, und die Strömungsrichtung (auf- oder abwärts) beeinflusst den Blasenabtransport.
- Reduzierten Druck bilden: Aus Siededruck und kritischem Druck des Mediums wird p* = p/p_c berechnet; die Druckfunktion der Korrelation beschreibt den starken Anstieg des Wärmeübergangs mit dem reduzierten Druck.
- Belastung normieren: Die örtliche Wärmestromdichte q̇ wird auf die Normwärmestromdichte q̇₀ bezogen und mit dem druckabhängigen Wärmestromexponenten potenziert; der Normwert des Wärmeübergangskoeffizienten dient als stoffspezifischer Bezug.
- Geometrie- und Oberflächeneinfluss korrigieren: Abweichungen des Rohrinnendurchmessers vom Normdurchmesser und des arithmetischen Mittenrauwerts von der Referenzrauheit werden über Potenzfunktionen korrigiert — rauere Oberflächen liefern mehr Keimstellen und höhere Wärmeübergangskoeffizienten.
- Lokalen Blasensiedeanteil auswerten: Ergebnis ist der lokale Wärmeübergangskoeffizient des Blasensiedens an der Position mit Massenstromdichte und Strömungsdampfgehalt; er wird mit dem konvektiven Anteil zum maßgebenden Gesamtwert des Strömungssiedens kombiniert.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Rohrinnendurchmesser | di | m |
| Strömungsdampfgehalt | ẋ | -- |
| Massenstromdichte | ṁ | kg/(m²·s) |
| Oberflächenspannung | σ | mN/m |
| Dichte | ρL | kg/m³ |
| Dichte | ρG | kg/m³ |
| Dynamische Viskosität | ηL | mPa·s |
| Dynamische Viskosität | ηG | mPa·s |
| Prandtl-Zahl | Pr | - |
| Wärmeleitfähigkeit | λL | W/(m·K) |
| Wärmeleitfähigkeit | λG | W/(m·K) |
| Spezifische Wärmekapazität | cpL | J/(kg·K) |
| Spezifische Wärmekapazität | cpG | J/(kg·K) |
| Normdurchmesser | d0 | m |
| Arithmetischer Mittenrauwert | Ra | m |
| Arithmetischer Mittenrauwert | Ra0 | m |
| Siededruck | pS | Pa |
| Kritischer Druck des Mediums | pc | Pa |
| Wärmestromdichte | q̇ | W/m² |
| Normwärmestromdichte | q̇0 | W/m² |
| Stoffart | Stoffart | – |
| Reduzierter Druck (p* = p / pc) | p* | - |
| Exponent n | n(p*) = | - |
| F (p_*) | F(p*) = | - |
Berechnungsergebnisse
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Wärmestromdichte | q̇ | W/m² |
| Wärmeübergangskoeffizient (konvektives Sieden) | α(z)K | W/(m²·K) |
| Wärmeübergangskoeffizient (Blasensieden) | q ≥ qonb α(z)B | W/(m²·K) |
| Wärmeübergangskoeffizient | α(z) | W/(m²·K) |
| Wärmestromdichte am Blasenentstehungspunkt | qonb | W/m² |
Berechnungsoptionen
Stoffart
Nichtkryogene Stoffe · Kryogene Stoffe
Strömungsrichtung
aufwärts · abwärts
Randbedingung
Konstante Wandtemperatur · Konstante Wärmestromdichte
Häufige Fragen
Wann muss ich den Blasensiedeanteil statt des konvektiven Anteils ansetzen?
Blasensieden setzt erst oberhalb einer Mindest-Wärmestromdichte ein, die von Druck und Stoff abhängt. Darunter ist der konvektive Anteil maßgebend. In der Praxis werden beide Anteile berechnet und nach der Vorschrift des VDI-Wärmeatlas kombiniert; bei hohen q̇ und kleinen Dampfgehalten dominiert das Blasensieden, bei kleinen q̇ und hohen Dampfgehalten die Konvektion.
Warum geht die Rohrrauheit in die Berechnung ein?
Dampfblasen entstehen an mikroskopischen Keimstellen der Oberfläche. Der arithmetische Mittenrauwert Ra ist das praktikable Maß für deren Dichte: Gegenüber der Referenzrauheit erhöht eine rauere Wand den Wärmeübergangskoeffizienten, eine glattere (z. B. gezogene Edelstahlrohre) senkt ihn. Wird die Rauheit des realen Rohres ignoriert, kann der Fehler leicht zweistellige Prozentwerte erreichen.
Hängt der Blasensiedeanteil vom Dampfgehalt ab?
Deutlich schwächer als der konvektive Anteil. Solange die Wand benetzt ist, wird die Blasenbildung von Wandüberhitzung, Druck und Oberfläche bestimmt. Mit steigendem Dampfgehalt wächst aber der konvektive Anteil, bis er das Blasensieden unterdrückt; oberhalb des Dryout-Punktes bricht der Wärmeübergang unabhängig vom Mechanismus ein.