Impuls- und Energietransport in solarthermischen Systemen - Thermische Solarenergie: Grundlagen, Technologie, Anwendungen - page 345

Abb. 5.28 Randwinkel
und Krümmung der Flüssig-
keits-/Dampf-Grenzfläche
an ebenen Flächen ( a ) und
unterschiedlich geformten
Kavitäten ( b - d )

5.3.1.2 Sieden an technischen Oberflächen

In technischen Systemen insbesondere in Solarkollektoren zur Dampferzeugung, die täg-
lich mindestens einmal be- und entlüftet werden, ist stets mit in Wasser gelösten Gasen
zu rechnen. Neben diesen im Wasser mitgetragenen Gasblasen bieten gasgefüllte Poren in
der Rohrwand zusätzliche Siedekeime an. Bei letzterem spielt das Benetzungsverhalten des
Wassers an der Rohrwand und damit der Kontaktwinkel eine ausgezeichnete Rolle. Die freie
Bildungsenthalpie ∆ G ( r ) eines Siedekeims wird um den Faktor ϕ an einer ebenen Grenz-
fläche verringert, der in folgender Weise vom Benetzungswinkel θ abhängt (Bankoff 1957 ):

+ cos θ sin 2 θ )
4

= (2 + 2 cos θ

φ .

(5.140)

Im Grenzfall θ = 0°, der eine vollständige Benetzung bedeutet, wird ϕ = 1 und die Bildungs-
enthalpie ändert sich nicht. Ohne jegliche Benetzung strebt θ gegen 180° und mit ϕ = 0 ist
keine Überhitzung erforderlich. In Wandporen, die sich mit einem Winkel β zur Flüssig-
keit hin öffnen, wächst der effektive Kontaktwinkel θ , wie es die Abb. 5.28 darstellt. Bei
einer flachen Kavität oder bei Poren wirkt sich dies gering aus. Mit spitzer zulaufenden
Vertiefungen kann der effektive Kontaktwinkel jedoch 180° erreichen und die erforder-
liche Überhitzung geht gegen 0. Im Fall schlechter Benetzung und kleinem β kann sich die
Krümmung der Flüssigkeitsoberfläche in der Kerbe umkehren und die Bildungsenthalpie
wird negativ. Damit wird unterkühltes Sieden möglich. In den in späteren Abschnitten
beschriebenen Strömungsformen ist daher immer dann auf den Benetzungseffekt zu ach-
ten, wenn das Blasensieden am Rohrrand die Strömung wesentlich beeinflusst.

5.3.2 Behältersieden

Es wird technisch zwischen Behältersieden (Sieden in freier Strömung) und Strömungs-
sieden in Rohren unterschieden. Sehr gut lässt sich das Behältersieden anhand der Nukija-
ma-Kurve, die in der Abb. 5.29 für Wasser bei 0.1 MPa in Form einer Auftragung der Wär-
mestromdichte über der Differenz zwischen Wand- und Sattdampftemperatur dargestellt
ist, erläutern. Wenn man die Siedekurve benutzt, kann man beim Sieden fünf Bereiche
unterscheiden.
Da eine Flüssigkeit bei Erreichen der Sättigungstemperatur nicht unmittelbar sei-
ne Phase wechselt, wenn es nicht schon in Kontakt mit Dampf steht, bilden sich keine