Impuls- und Energietransport in solarthermischen Systemen - Thermische Solarenergie: Grundlagen, Technologie, Anwendungen - page 336

5.3 Mehrphasiger Impuls- und Energieaustausch

Im Zusammenhang mit der Stillstandstemperatur eines Kollektors wurde festgestellt, dass
es beim Stillstand zur Verdampfung eines Teils des Kühlmediums kommen kann, der
in der Folge zu einem erheblichen Druck- und Temperaturanstieg im System führt. Die
Existenz einer zweiphasigen Strömung verändert die bisher behandelte Thermohydraulik
substantiell und erfordert daher Grundkenntnisse der Zweiphasenströmung.
Die einfachste und allen geläufige Form der Zweiphasenströmung stellt sich beim Sie-
den ein. Ausgehend vom Sieden soll versucht werden, einige für die weitere Beschreibung
wichtige Modellvorstellungen aufzuzeigen, wie sie auch für die Betriebszustände, die in
Solarkollektoren anzutreffen sind, gültig sind. Weitere Details sind den Büchern und Ar-
tikeln von (Huhn und Wolf 1975 ), (Collier und Thome 1996 ), (Incropera und DeWitt
2001 ) sowie (VDI 2005 ) zu entnehmen, da sie den Umfang dieses Skripts sprengen wür-
den. Empirische Beziehungen der Druckverluste und der Wärmeübergänge bei der Zwei-
phasenströmung sind der Arbeit von (Streicher 1991 ) und der darin aufgeführten Literatur
zu entnehmen. (Heinzel 1998 ) geht neben der Vermittlung der Grundlagen auch auf die
Zweiphasenproblematik im Solarkollektor ein, wobei das Augenmerk auf der Entwicklung
direktverdampfender Siedewasserkollektoren gerichtet ist. Beim Stillstand eines Kollek-
tors oder mehrerer Kollektoren treten prinzipiell dieselben Vorgänge auf, in nahezu allen
Fällen ist bei der Transition von ein -zu zweiphasigen Strömungen vom Auftreten von
Strömungsinstabilitäten auszugehen, die im letzten Abschnitt angesprochen werden.
Auch bei der systemanalytischen Auslegung und Ausführung von Kollektorsystemen
müssen Zweiphasenströmungseinflüsse in geeigneter Weise berücksichtigt werden, um
potenzielle Stillstandsszenarien oder deren Dauer in Abhängigkeit von den Randbedin-
gungen vorherzusagen. Die Auslegung großskaliger Solarsysteme oder gar thermischer
Solarkraftwerke erfordert zwingend die Berücksichtigung derartiger Stillstandsfälle, da
sowohl deren Dauer als auch die damit verbundenen Szenarien die Leistungsfähigkeit der
Anlage und damit die Wirtschaftlichkeit beeinflussen. Hierzu müssen die individuellen
Strömungsformen, die in einem Kollektor oder einem Segment auftreten können, bekannt
sein. Beispielsweise kann es bei falscher Kollektorfeldverschaltung sogar zu Rückströmun-
gen kommen, die dazu führt, dass keine verwertbare Leistung mehr zur Verfügung steht.
Aus diesem Grund soll im Folgenden ein Überblick über die möglichen Strömungsformen
in einem Absorberrohr gegeben werden.

5.3.1 Wärmeübergang beim Sieden

Entsteht an einer beheizten Wand, an der eine Flüssigkeit entlang strömt, eine Dampf-
blase, so wird die Blase beim ihrem Ablösen von der Wand nicht nur die Latentwärme
(Verdampfungswärme) abtransportieren, sondern durch ihre Wechselwirkung mit dem
Fluid eine Vermischung und damit Rührwirkung auslösen. Diese Vermischung stört die
Strömungsgrenzschicht führt aber zu einer Verbesserung des Wärmeübergangs.