Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul bestimmt die Strömungsform beim Strömungssieden in Verdampferrohren nach Kapitel H3.2 des VDI-Wärmeatlas (12. Auflage 2019). In einem durchströmten Verdampferrohr ändert sich mit wachsendem Strömungsdampfgehalt die Phasenverteilung: Von der Blasenströmung über Pfropfen- bzw. Schwallströmung bis zur Ringströmung mit Flüssigkeitsfilm an der Wand und schließlich zur Sprüh-/Tropfenströmung. In horizontalen und geneigten Rohren kommen durch die Schwerkraft zusätzlich Schicht- und Wellenströmung hinzu.
Die Strömungsform ist keine akademische Klassifizierung, sondern Voraussetzung jeder belastbaren Verdampferauslegung: Wärmeübergangskoeffizient, Druckverlust und die Gefahr partieller Austrocknung der Rohroberseite hängen unmittelbar davon ab, ob die Wand benetzt ist. Die nachgeschalteten Berechnungen zum konvektiven Sieden und Blasensieden in horizontalen Rohren setzen die hier ermittelte Strömungsform voraus.
Eingangsgrößen sind Massenstromdichte, Strömungsdampfgehalt, hydraulischer Durchmesser und Neigungswinkel des Rohres sowie Dichte, Viskosität beider Phasen und die Oberflächenspannung; Ergebnis ist die Lage des Betriebspunktes in der Strömungsformenkarte.
Regelwerk und Berechnungsbasis: VDI-Wärmeatlas, 12. Auflage 2019
So läuft die Berechnung ab
- Geometrie und Betriebsdaten erfassen: Hydraulischer Durchmesser (beim Kreisrohr der Innendurchmesser), Neigungswinkel des Rohres, Massenstromdichte und Strömungsdampfgehalt legen den Betriebspunkt fest.
- Stoffwerte beider Phasen bereitstellen: Dichte und dynamische Viskosität von Flüssigkeit und Dampf sowie die Oberflächenspannung werden beim Siededruck ausgewertet; sie bestimmen die Kräfteverhältnisse zwischen Trägheit, Schwerkraft und Kapillarität.
- Übergangskriterien der Strömungsformenkarte auswerten: Die Grenzkurven zwischen Schicht-, Wellen-, Pfropfen-, Ring- und Sprühströmung werden als Funktionen von Massenstromdichte und Dampfgehalt berechnet; der Neigungswinkel verschiebt die schwerkraftbestimmten Grenzen.
- Strömungsform zuordnen: Der Betriebspunkt wird mit den Grenzkurven verglichen und der zutreffenden Strömungsform zugeordnet. Da sich der Dampfgehalt entlang des Verdampferrohres ändert, ist die Auswertung sinnvollerweise für mehrere Rohrpositionen zu wiederholen.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Hydraulischer Durchmesser (Rohr = di) | d | 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 |
| Neigungswinkel des Rohres | Θ ( ≤10° ) | ° |
| Strömungsform | Strömungsform | - |
Häufige Fragen
Warum ist die Strömungsform für die Verdampferauslegung so wichtig?
Weil sie entscheidet, ob die beheizte Wand benetzt ist. In der Ringströmung trägt ein Flüssigkeitsfilm den Wärmeübergang und α ist hoch; in der Schichtströmung im horizontalen Rohr ist die Rohroberseite nur von Dampf bedeckt, der lokale Wärmeübergang bricht dort ein und die Wandtemperatur steigt. Auch Druckverlust, Pulsationsneigung (Schwallströmung) und Erosion hängen von der Strömungsform ab.
Was ist der Unterschied zwischen Strömungsdampfgehalt und volumetrischem Dampfgehalt?
Der Strömungsdampfgehalt x ist der Massenanteil des Dampfes am Gesamtmassenstrom, x = ṁ_Dampf/ṁ_gesamt. Der volumetrische Dampfgehalt (void fraction) beschreibt dagegen den Querschnittsanteil der Dampfphase und ist wegen des Schlupfes zwischen den Phasen nicht direkt aus x umrechenbar. Die Strömungsformenkarte wird mit dem Strömungsdampfgehalt und der Massenstromdichte aufgespannt.
Gelten die Karten auch für geneigte Rohre?
Das Modul berücksichtigt den Neigungswinkel: Bereits geringe Neigung gegen die Horizontale verändert die schwerkraftbestimmten Übergänge deutlich — bei Aufwärtsströmung verschwindet die Schichtströmung schnell, bei Abwärtsströmung erweitert sich ihr Bereich. Für senkrechte Rohre entfallen die geschichteten Formen ganz, dort dominieren Blasen-, Pfropfen-, Ring- und Sprühströmung.