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 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Ubersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfaltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Ver vielfaltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland yom 9. September 1965 in der Fassung yom 24. Juni 1985 zuliissig. Sie ist grundsiitzlich vergiitungspflichtig. Zuwider handlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1988 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wiiren und daher von jedermann benutzt werden diirften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, VOl, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewiihr fUr Richtigkeit, Vollstiindigkeit oder Aktualitiit iibernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls fUr die eigenen Arbeiten die vollstiindigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils giiltigen Fassung hinzuzuziehen. 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