Wärmeübergang beim Kondensieren und beim Sieden

319 Pages·1988·5.861 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Karl Stephan (auth.)

Wanne- und Stofflibertragung
Herausgegeben von Ulrich Grigull
Karl Stephan
warmeiibergang
beim Kondensieren
und beim Sieden
Mit 161 Abbildungen und 14 Tabellen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo 1988
Prof. Dr.-Ing. Karl Stephan
Institut fUr Technische Therrnodynamik
und Therrnische Verfahrenstechnik
Vniversitat Stuttgart
Pfaffenwaldring 9
7000 Stuttgart 80
Herausgeber
Prof. Dr.-Ing. Ulrich Grigull
Lehrstuhl A fUr Therrnodynamik
TV Miinchen
Arcisstr.21
8000 M iinchen 2
ISBN-13:978-3-540-18075-3 e-ISBN-13:978-3-642-83159-1
001: 10.1007/978-3-642-83159-1
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Stephan, Karl.:
Wiirmeiibergang beim Kondensieren und beim Sieden/Karl Stephan. -
Berlin; Heidelberg; New York; London; Paris; Tokyo: Springer, 1988
(Wiirme-und StofTiibertragung)
ISBN-13 :978-3-540-18075-3
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1988
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Texterfassung: Mit einem System der Springer Produktions-Gesellschaft, Berlin
Datenkonvertierung: Briihlsche Universitiitsdruckerei, GieBen
2160-543210
Vorwort
Dieses Buch setzt die von U. Grigu11 herausgegebene Buchreihe "Wiirme- und
Stoffiibertragung" fort, von der inzwischen drei Biinde erschienen sind. Es sol1 den
Studenten und auch den bereits in der Praxis tiitigen Ingenieur mit den Gebieten des
Wiirmeiibergangs beim Kondensieren und beim Sieden vertraut machen und
wendet sich in erster Linie an Studenten und Ingenieure der Fachrichtungen
Maschinenbau, Chemieingenieurwesen, Verfahrens- und Energietechnik.
Sie stehen hiiufig vor der Aufgabe, Probleme des Wiirme-oder Stoffaustausches
zu bearbeiten, bei denen Vorgiinge des Kondensierens oder Siedens von reinen
Stoffen oder von Gemischen entscheidend sind. Das Schrifttum hieriiber ist zwar in
den letzten lahren stark angewachsen, es ist aber oft nur in einer Form zugiinglich,
die es dem Anwender schwer macht zu entscheiden, welches die Anwendungsberei
che und Giiltigkeitsgrenzen der theoretischen oder experimente11en Befunde sind.
Es schien daher geboten, das Wissen systematisch zu ordnen und fiir den Anwender
aufzubereiten. Das erforderte andererseits eine Stoffauswahl durch den Autor und
den Verzicht auf einige Teilgebiete, vor a11em solcher, die noch zu sehr empirischer
Natur sind.
Das Buch gliedert sich in die beiden Kapitel Wiirmeiibergang beim Kondensie
ren und Wiirmeiibergang beim Sieden, die in iihnlicher Weise aufgebaut sind.
Das Kapitel iiber den Wiirmeiibergang beim Kondensieren beginnt mit einem
Uberblick iiber die verschiedenen Arten der Kondensation und ihre grundlegenden
Mechanismen; es behandelt dann die Film- und Tropfenkondensation ruhender
und anschlie13end die stromender Diimpfe einschliel3lich der von Meta11diimpfen.
In den meisten Kondensatoren werden Diimpfe von Vielstoffgemischen
kondensiert, wobei sich ein Kondensat aus mischbaren oder auch aus unmischba
ren Fliissigkeiten bildet. Diesem fUr die Technik wichtigen Gebiet ist ein verhiiltnis
miiJ3ig breiter Raum gewidmet. Es zeigt sich, da13 trotz der in jiingster Zeit erzielten
Fortschritte immer noch viele Probleme einer Losung harren. Auch die vielen
Moglichkeiten der Verbesserung des Wiirmeiibergangs beim Kondensieren sind
bisher keineswegs ausgeschopft.
Urn den Wiirmeiibergang beim Sieden zu verstehen, ist es unerliil3lich, sich mit
den Grundlagen der Dampferzeugung und der Dampfblasenbildung auseinander
zusetzen, die infolgedessen am Anfang des Kapitels iiber den Wiirmeiibergang beim
Sieden behandelt werden. Die weiteren AusfUhrungen befassen sich mit dem
Wiirmeiibergang beim Sieden in freier Stromung, in Fa11filmverdampfung und in
erzwungener Stromung. Ahnlich wie im Kapitel iiber den Wiirmeiibergang beim
VI Vorwort
Kondensieren werden Vielstoffgemische aus misch-oder unmischbaren Fliissigkei
ten sowohl hinsichtlich des Warmeiibergangs beim Sieden in freier als auch in
erzwungener Stromung ausfiihrlich behandelt, und es werden schlieBlich die
verschiedenen M6glichkeiten zur Verbesserung des Warmeiibergangs beim Sieden
besprochen.
In der Darstellung stehen stets die physikalischen Grundlagen im Vordergrund;
auf sie bauen dann die Modellvorstellungen und Theorien auf, deren Grenzen und
Giiltigkeitsbereichjeweils er6rtert werden. Ebenso wichtig schien es aber auch, auf
die technischen Anwendungen in ausreichendem Umfang einzugehen und dem
Anwender das erforderliche Riistzeug zur warmetechnischen Berechnung von
Apparaten bereitzustellen. Diesem Zweck dienen Angaben iiber experimentelle
Ergebnisse, Gebrauchsformeln und auch Rechenschemata bei komplizierten
Problemen.
Fiir wertvolle Hinweise und Ratschlage bei der Abfassung des Manuskripts bin
ich den Herren Dr.-Ing. habil. H. Auracher und Dr.-Ing. J. Mitrovic zu Dank
verpflichtet. Herro Dipl.-Ing. D. Butz danke ich fiir das Mitlesen der Korrekturen
und fiir viele Anregungen, dem Springer-Verlag fiir die angenehme Zusammen
arbeit und die sorgraItige Ausfiihrung des Buches.
Stuttgart, im Oktober 1987 K. Stephan
Inhaltsverzeichnis
Symbolverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XII
A Wiirmeiibergang beim Kondensieren . 1
1 Grundlagen . . . . . . . . . 3
1.1 Der Vorgang der Kondensation 3
1.2 Die verschiedenen Arten der Kondensation 4
2 Filmkondensation ruhender Diimpfe 6
2.1 Die NuBeltsche Wasserhauttheorie 6
2.2 Abweichungen von der NuBeltschen Wasserhauttheorie 10
2.2.1 Beriicksichtigung des Widerstands durch den Kondensatfilm . 10
2.2.2 Berucksichtigung des Widerstands an der Phasengrenze zwischen
Fliissigkeit und Dampf. . . . . . . 13
2.2.3 EinfluB nicht kondensierbarer Gase 13
2.2.4 Wellenbildung auf der Filmoberfliiche 17
2.2.5 Temperaturabhiingige Stoffwerte. . . 17
2.3 Filmkondensation mit turbulenter Wasserhaut . 20
2.4 Gebrauchsformeln 23
2.4.1 Einzelrohre . 23
2.4.2 Rohrbiindel. . . 25
3 Tropfenkondensation ruhender Diimpfe . . . . . . . . . . . . 27
4 Kondensation stromender Diimpfe . 31
4.1 Die laminare Filmkondensation . 31
4.2 Die turbulente Filmkondensation in senkrechten Rohren 34
4.2.1 Allgemeine Gleichungen . . . 34
4.2.1.1 Die Mengen- und Impulsbilanz . . . . . . . . . . . 34
VIII Inhaltsverzeichnis
4.2.1.2 Die Energiebilanz . . . . . . . . . 38
4.2.2 Modelle zur Losung der Gleichungen . 40
4.2.3 Gebrauchsformeln ........ . 48
4.3 Filmkondensation in waagerechten Rohren 53
4.3.1 Wiirmeiibergang bei Schichtenstromung. . 54
4.3.1.1 Zusammenhang zwischen volumetrischem und Stromungs
dampfgehalt bei Schichtenstromung . . . . . 57
4.3.2 Wiirmeiibergang bei Film- oder Ringstromung . 59
4.3.2.1 Die Mengen- und Impulsbilanz . . . . . . . 59
4.3.2.2 Die Energiebilanz . . . . . . . . . . . . . 60
4.3.3 Die praktische Berechnung von Wiirmeiibergangskoeffizienten 61
5 Kondensation von Metalldiimpfen. . . . . . . . . 65
6 Kondensation von Diimpfen mischbarer Fliissigkeiten . 70
6.1 Grundlagen. Einflu13 des Stoffaustauschs . . . . . 70
6.2 Die verschiedenen Arten der Kondensation von Dampfgemischen. 74
6.3 Die Temperatur an der Phasengrenze. . . . . . . . . . . 79
6.4 Die praktische Berechnung von Wiirmeiibergangskoeffizienten 83
6.4.1 Das Niiherungsverfahren von Silver . . . . . . . . . 83
6.4.2 Zweistoffgemische. Allgemeines Verfahren. . . . . . . 87
6.4.3 Zweistoffgemische. Niiherung nach Colburn und Hougen 92
6.4.4 Vielstoffgemische . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7 Kondensation von Diimpfen unmischbarer Fliissigkeiten . 102
8 Verbesserung des Wiirmeiibergangs bei Kondensation 107
8.1 Grundlagen. . . . . . . . . . . . 107
8.2 Erhohung der Dampfgeschwindigkeit . 108
8.3 Aufgerauhte Rohre, Rippenrohre 109
8.4 Gregorig-Rohre . . . . 112
8.5 Kondensation in Rohren 115
B Wiirmeiibergang beim Sieden . 117
9 Die verschiedenen Arten des Wiirmeiibergangs beim Sieden 119
9.1 Stilles Sieden 119
9.2 Blasensieden 120
9.3 Stromungssieden . 121
Inhaltsverzeichnis IX
10 Physikalische Grundlagen der Dampfblasenbildung 124
10.1 Blasenbildung und Fliissigkeitsiiberhitzung . . . 124
10.2 Blasenkontur und Grenzvolumen 130
10.3 Gebrauchsformeln fiir AbreiBdurchmesser und -frequenz 133
11 Wiirmeiibergang beim Sieden reiner Stoffe in freier Stromung . 137
11.1 Grundlagen. . . . . . . . . . . . . 137
11.2 Stabilitiit beim Sieden in freier Stromung 139
11.3 Modellvorstellungen zum Wiirmeiibergang 142
11.3.1 Beurteilung der Modellvorstellungen . . . 146
11.4 Empirische Korrelationen und Gebrauchsformeln 147
11.4.1 Wiirmeiibergang in der Niihe des Umgebungsdrucks 147
11.4.2 EinfluB von Siededruck und Wiirmestromdichte 148
11.4.3 EinfluB der Heizfliiche . . . . . 151
11.5 Wiirmeiibergang an Rippenrohren . . . . . . 152
11.6 Wiirmeiibergang an waagerechten Glatt-oder Rippenrohrbiindeln. 155
11.7 Maximale Wiirmestromdichte . . . . . 157
11.8 Ubergangssieden und Filmverdampfung . 159
12 Wiirmeiibergang in FaUfilmverdampfern . . . . . . . . . . . . 165
13 Wiirmeiibergang beim Sieden reiner Stoffe in erzwungener Stromung. 167
13.1 Die verschiedenen Stromungsformen ........... . 167
13.1.1 Aufwiirts gerichtete Zweiphasenstromung im senkrechten Rohr. 167
13.1.2 Zweiphasenstromung im waagerechten Rohr . 169
13.2 Stromungskarten . . . . . . . . . 171
13.3 Einige Grundbegriffe und Definitionen 173
13.4 Die verschiedenen Bereiche des Wiirmeiibergangs. 177
13.5 Unterkiihltes Sieden . . . . . . 180
13.5.1 Beginn des unterkiihlten Siedens. . . 182
13.5.2 Partielles unterkiihltes Sieden . . . . 188
13.5.3 Voll ausgebildetes unterkiihltes Sieden 191
13.6 Blasensieden in gesiittigter Fliissigkeit . 191
13.7 Stromungssieden. . 196
13.7.1 Senkrechte Rohre . 196
13.7.2 Waagerechte Rohre 203
x Inhaltsverzeichnis
13.8 Kritische Siedezustande. . . . . . . . . . . . . .207
13.8.1 Grenzwerte fUr die kritische Warrnestromdichte . . · 208
13.8.2 Versuchsergebnisse zur kritischen Warrnestromdichte · 210
13.8.2.1 Die Abhangigkeit der kritischen Warrnestromdichte vom
Massenstrom und von der Unterkiihlung ...... . .211
13.8.2.2 Die Abhangigkeit der kritischen Warrnestromdichte von der
Unterkiihlung und von der Ortskoordinate . . . . . . . . · 212
13.8.2.3 Die Abhangigkeit der kritischen Warrnestromdichte von der
Unterkiihlung und vom Rohrdurchmesser. . . . . . . . . . 213
13.8.2.4 Die Abhangigkeit der kritischen Warrnestromdichte vom Druck
und vom Stromungsdampfgehalt. . . . . . . . . . · 214
13.8.3 Gebrauchsforrneln fUr die kritische Warrnestromdichte · 215
13.8.3.1 Senkrechte Rohre . . . . . . . . . . . . . . · 215
13.8.3.2 Waagerechte und geneigte Rohre ....... . 219
13.8.3.3 Ungleichformige Beheizung iiber den Rohrumfang 221
13.9 Spriihkiihlung. . . . . . 222
13.9.1 Spriihkiihlung in Kanalen . 222
13.9.1.1 Ein Rechenmodell . . . . 226
13.9.1.2 Gebrauchsforrneln . . . . 230
13.9.2 Spriihkiihlung heiBer Oberflachen 231
13.9.2.1 Ein Rechenmodell 235
13.9.2.2 Gebrauchsforrneln . . . . . . . 239
14 Wiinneiibergang beim Sieden von Gernischen in freier Strornung . 241
14.1 Zweistoffgemische. Physikalische Grundlagen 241
14.1.1 Blasenbildung und Wandiiberhitzung ........... . 243
14.2 Der Warrneiibergang in Zweistoffgemischen . . . . . . . . . . 248
14.3 Der Warrneiibergang in Gemischen mit mehr als zwei Komponenten 253
14.4 Empirische Korrelationen und Gebrauchsforrneln . . · 254
14.4.1 Zweistoffgemische von Fliissigkeiten . . . . . . . . .254
14.4.2 Fliissigkeitsgemische mit mehr als zwei Komponenten . · 257
14.4.3 Losung von Feststoffen in Fliissigkeiten. . . . . . . 258
14.5 Maximale Warrnestromdichte, Ubergangs- und Filmsieden 259
14.6 Das Sieden von unmischbaren Fliissigkeiten. . . . . . . 261
15 Wiinneiibergang beim Sieden von Gemischen in erzwungener
Strornung .... .264
15.1 Sattigungssieden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
15.2 Stromungssieden .................. . 265
15.3 Die praktische Berechnung des Warrneiibergangskoeffizienten
beim Stromungssieden . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
Inhaltsverzeichnis XI
16 Verbesserung des Wlirmeiibergangs beim Sieden . 271
16.1 Allgemeines. . . . . . . 271
16.2 Aufrauhen von Heizfliichen 272
16.3 Strukturieren oder Beschichten von Oberfliichen 272
16.4 Erzeugung kiinstlicher Keimzellen durch Sin tern 274
16.5 Rohre mit gekerbter Oberfliiche, Rohre mit T-formigen Rippen 277
16.6 Zusatz von Gasen oder Fliissigkeiten 278
16.7 Zusatz von Feststoffen . . . . . . 279
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
Namenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300