Untersuchungen zum Wärmeübergang beim Blasensieden an Glatt- und Rippenrohren mit grossem Aussendurchmesser

In der vorliegenden Arbeit wird der Wärmeübergang beim Blasensieden der Kohlenwasser­stoffe Propan und n-Hexan an der Außenseite von horizontalen Glatt- und Rippenrohren mit Außendurchmessern von ca. 90 mm untersucht, von denen ein Glattrohr geschmirgelt und die beiden übrigen Rohre in gleicher Weise sandgestrahlt waren. Die Messungen erstrecken sich über einen großen Druckbereich, der von einem Drittel des Atmosphärendruckes bis zu 80% des kritischen Druckes reicht. Die auf die Fläche des Kernrohres bezogene Wärme­strom­dichte wird dabei zwischen 50 und 70 000 W/m² variiert, so dass die durch elektrisches Beheizen der Versuchsrohre eingebrachte Wärme bei hohen Wärmestrom-dichten über voll ausgebildetes Blasensieden und bei kleinen Wärmestrom­dichten und tiefen Siededrücken durch freie einphasige Konvektion abgeführt wird.

Wie von Untersuchungen an Rohren mit kleinem Durchmesser bekannt ist, nimmt a auch für die in dieser Arbeit untersuchten Glatt- und Rippenrohre mit großen Außendurch­messern im Bereich des Blasensiedens mit steigender Wärmestromdichte und wachsendem Druck kontinuierlich zu, und die Messwerte bei konstantem Druck können in doppelt logarith­mischer Auftragung über weite Bereiche durch Geraden interpoliert werden.

Ein direkter Vergleich der Messwerte am geschmirgelten Glattrohr mit großem Außendurch­messer mit Ergebnissen an einem Glattrohr mit kleinem Durchmesser (7,6 mm) und gleicher Oberflächenbehandlung zeigt, dass für tiefe Siededrücke p* = 0.4 das kleine Rohr über den gesamten Belastungsbereich höhere Wärmeübergangskoeffizienten liefert.

Beide Effekte – die besseren Wärmeübergangsbedingungen bei kleinen Wärme­strom­dichten und tiefen Drücken und die Verschlechterung bei hohen Drücken und hohen Wärmestrom­dichten am großen Rohr- können durch die mit den am Rohrumfang hochlaufenden Blasen verbundenen Mechanismen erklärt werden: Bei geringer Blasendichte (tiefe Drücke und kleine Wärmestromdichten) wird der überhitzten Flüssigkeitsschicht zusätzliche Phasen­grenzfläche angeboten, an der die Überhitzung durch Verdampfen aufgebaut werden kann, und zwar beim Rohr mit dem größeren Durchmesser wegen des längeren Strömungsweges mehr als beim kleineren.

Umgekehrt können die am Umfang hochlaufenden Blasen am großen Rohr auch eine verschlechternde Wirkung auf den Wärmeübergang ausüben, wenn die Blasendichte groß und die Aufstiegsgeschwindigkeit bereits klein ist (hohe Wärmestromdichten, hoher Druck), weil die Zufuhr von Flüssigkeit an die Heizfläche behindert ist.

Insgesamt ist der in der vorliegenden Arbeit gefundene Durchmessereffekt deutlich schwächer und teilweise gegenläufig zu dem, was man aus der Literaturlage folgern kann. Außerdem unterscheidet sich der Anstieg des Wärmeübergangskoeffizienten mit der Wärmestromdichte und dem normierten Siededruck nur geringfügig von dem kleinerer Rohre.