Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul berechnet den Anteil des Blasensiedens beim Strömungssieden gesättigter, reiner Flüssigkeiten in waagrechten Rohren nach Kapitel H3.5.2.2 des VDI-Wärmeatlas (12. Auflage 2019). Wie im senkrechten Rohr wird der Wärmeübergangskoeffizient über den reduzierten Druck p* = p/pc und das Verhältnis der Wärmestromdichte zur Normwärmestromdichte skaliert; zusätzlich müssen im horizontalen Rohr die Strömungsform und die dadurch bedingte ungleichmäßige Benetzung des Rohrumfangs berücksichtigt werden.
Diese Berechnung ist zentral für Kältemittelverdampfer, horizontale Zwangumlaufverdampfer und beheizte Rohrschlangen, in denen der Reinstoff bei nennenswerter Wärmestromdichte im waagrechten Rohr verdampft. Das Modul erfasst dazu auch die Rohrwand selbst: Rohrwanddicke und Wärmeleitfähigkeit des Rohrmaterials gehen als Wärmeleitvermögen der Wand ein, da die Umfangswärmeleitung die Temperaturunterschiede zwischen benetztem und trockenem Umfangsteil ausgleicht; über die Anzahl der Rohre wird die Aufteilung des Massenstroms auf parallele Rohre berücksichtigt.
Ergebnis ist der lokale Wärmeübergangskoeffizient des Blasensiedens an der betrachteten Position, der mit dem konvektiven Anteil zum maßgebenden Auslegungswert des horizontalen Verdampferrohres kombiniert wird.
Regelwerk und Berechnungsbasis: VDI-Wärmeatlas, 12. Auflage 2019
So läuft die Berechnung ab
- Randbedingung, Stoffart und Strömungsform festlegen: Neben der Randbedingung und der Stoffart wird die Strömungsform benötigt (aus Kapitel H3.2), denn sie bestimmt, welcher Teil des Rohrumfangs benetzt ist und wie stark das Blasensieden am Umfang wirken kann.
- Rohrgeometrie und Massenstrom erfassen: Innendurchmesser, Rohrwanddicke, Wärmeleitfähigkeit des Rohrmaterials, Rauheit und Anzahl der parallelen Rohre legen Geometrie und Wandverhalten fest; aus Massenstrom und Rohrzahl folgt die Massenstromdichte im Einzelrohr.
- Betriebspunkt normieren: Aus Siededruck und kritischem Druck wird der reduzierte Druck p* gebildet, die Wärmestromdichte wird auf die Normwärmestromdichte bezogen; die Stoffwerte beider Phasen werden sowohl beim Betriebsdruck als auch beim normierten Siededruck p₀ = 0,1·p_c ausgewertet.
- Wandeinfluss berücksichtigen: Das Wärmeleitvermögen der Rohrwand (aus Wanddicke und Wärmeleitfähigkeit) beeinflusst, wie stark sich die ungleiche Beheizung des Umfangs in der lokalen Wandüberhitzung niederschlägt und damit, wo Blasensieden aktiv ist.
- Lokalen Wärmeübergangskoeffizienten auswerten: Aus Normwert, Druckfunktion, Wärmestromfunktion sowie Geometrie-, Rauheits- und Benetzungskorrektur ergibt sich der lokale Blasensiedeanteil an der Ortskoordinate; entlang des Rohres wird die Auswertung mit dem örtlichen Dampfgehalt wiederholt.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Innendurchmesser der Rohre | 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 |
| Strömungsform | Strömungsform | -- |
| 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 der Rohre | d0 | m |
| Arithmetischer Mittenrauwert | Ra | m |
| Arithmetischer Mittenrauwert | Ra0 | m |
| Siededruck | pS | Pa |
| Kritischer Druck | pc | Pa |
| Wärmestromdichte | q̇ | W/m² |
| Normwärmestromdichte | q̇0 | W/m² |
| Stoffart | Stoffart | – |
| Reduzierter Druck (p* = p / pc) | p* | - |
| Exponent n | n(p*) = | - |
Berechnungsoptionen
Strömungsform
Schichtenströmung · Wellenströmung · Blasenströmung · Schwall- oder Pfropfenströmung · Turbulente Gas- und laminare Flüssigkeitsströmung · Nebelströmung · Ringströmung
Stoffart
Nichtkryogene Stoffe · Kryogene Stoffe
Randbedingung
Konstante Wandtemperatur · Konstante Wärmestromdichte
Häufige Fragen
Warum geht beim horizontalen Rohr das Rohrmaterial in die Siederechnung ein?
Weil die Beheizung des Umfangs ungleichmäßig wirkt: Am trockenen oberen Umfangsteil steigt die Wandtemperatur, am benetzten unteren Teil wird intensiv Wärme abgeführt. Eine gut leitende, dickere Wand (hohes Wärmeleitvermögen) gleicht diese Unterschiede durch Umfangswärmeleitung aus und verbessert das effektive Siedeverhalten; bei dünnwandigen Rohren aus schlecht leitendem Werkstoff bleiben heiße Zonen bestehen.
Welche Rolle spielt die Anzahl der Rohre?
Bei parallel durchströmten Rohrbündeln teilt sich der Gesamtmassenstrom auf; maßgebend für Strömungsform und Wärmeübergang ist die Massenstromdichte im Einzelrohr. Zu viele parallele Rohre senken die Massenstromdichte, begünstigen Schichtströmung und ungleiche Verteilung — ein häufiger Grund für Minderleistung horizontaler Verdampfer.
Warum werden Stoffwerte zusätzlich beim normierten Siededruck p0 = 0,1·pc benötigt?
Die Korrelation normiert den Wärmeübergangskoeffizienten auf einen Referenzzustand beim reduzierten Druck p* = 0,1. Um vom Referenz- auf den Betriebszustand zu skalieren, müssen Dichte, Oberflächenspannung, Verdampfungsenthalpie und weitere Stoffwerte an beiden Zuständen konsistent vorliegen; inkonsistente Stoffdatenquellen sind hier eine typische Fehlerquelle.