Impuls- und Energietransport in solarthermischen Systemen - Thermische Solarenergie: Grundlagen, Technologie, Anwendungen - page 372

Dampfbildungsrate aus an sich aperiodischen Vorgängen ein periodisches Oszillieren er-
wachsen.
Aperiodische Instabilitäten entstehen vor allem dann, wenn bei gleichen äußeren Be-
dingungen mehrere Strömungszustände stabil sind. Auslöser für Instabilitäten sind Über-
gänge einer Strömungsform zu einer anderen aus dem sich unter anderem ein unterschied-
licher Druckverlust ergibt. Hat ein solcher Übergang im Siederohr eines Kollektors eine
verminderte Dampfabgaberate und Wärmeübergang zur Folge, wird die Dampfnutzung
beeinträchtigt bzw. der solare Wirkungsgrad auf Grund seiner Temperaturabhängigkeit
verschlechtert. Die Siederohrwand kann so weit überhitzt werden, dass beispielsweise die
selektive Beschichtung des Absorbers Schaden nimmt.
Periodische Oszillationen können Schwingungsanregungen zur Folge haben, gegen
die der Kollektor mit seinen Komponenten abzusichern ist. Aus den vorausgegangenen
Abschnitten und später vorgestellten Experimenten geht hervor, dass Oszillationen des
Massendurchsatzes zu einer Verbesserung des Wärmeüberganges führen können und in
der Anwendung von Vorteil sein können. Voraussetzung für ein vorteilhaftes Verhalten
ist, dass die Oszillationen nicht ungedämpft zu unzulässig hohen Amplituden anwachsen.
Es wird allgemein zwischen statischen und dynamischen Instabilitäten unterschieden,
je nachdem, ob es genügt das Problem mit statischen Gleichungen zu beschreiben, bzw.
den Beginn oder das Auftreten der Instabilität vorherzusagen.
Nach Ledinegg kann eine aperiodische Instabilität in einem Strömungskanal mit einem
konstanten Wärmestrom auftreten, wenn eine unterkühlte Flüssigkeit eintritt und teilwei-
se verdampft wird. Die Entstehung der Instabilität setzt weiterhin voraus, dass der statische
Druckverlust mit abnehmendem Massendurchsatz G zunimmt, das heißt, wenn

∂ ( p )
∂G

< 0, (5.202)

wird. Der Druckverlust setzt sich hierbei zusammen aus dem Reibungsdruckverlust ( R ),
der hydrostatischen Druckänderung ( H ) und dem Beschleunigungsterm ( B ) infolge des
wachsenden Dampfvolumenanteils:

dp
d z

dp
d z

dp
d z

dp
d z

,

= + +

(5.203)

R H B

Der Reibungsdruckverlust bei turbulenter Strömung ist proportional zum Quadrat des
Massendurchsatzes, d. h. ∆ p ∼ G 2 . Er dominiert bei großen Massendurchsätzen oder klei-
nen Wärmeleistungen und beeinflusst dementsprechend den Gesamtdruckverlust. In
einem bestimmten Bereich kann der Beschleunigungsdruckverlust bei steigender Heizleis-
tung oder abnehmendem Durchsatz so zunehmen, dass ein Übergang zu einem neuen sta-
bilen Zustand mit kleinerem Gesamtmassendurchsatz und großem Dampfvolumenanteil
am Kanalaustritt erfolgt. Die Abb. 5.42 illustriert diesen Übergang bei einer Durchsatzän-
derung von 2 nach 1. Bei unterkühlter Zuströmung wächst außerdem mit abnehmendem
Durchsatz die Kanalstrecke mit ˙

x > 0 .