VERDAMPFUNG UND KONVEKTION

Verdampfung und Konvektion

Zur Auslegung von Verdampfern und Kondensatoren beispielsweise in Dampfkraftwerken ist das Wissen um die Wärmeübertragungsmechanismen eine Grundvoraussetzung. Dieser Versuch veranschaulicht den Studierenden die unterschiedlich intensiven Wärmeübergänge beim Phasenwechsel von Fluiden. Dabei wird ein ungefährliches Kältemittel und eben nicht Wasser in einem geschlossenen Gefäß erhitzt und gekühlt, da bei Wasser relativ hohe Temperaturen und Drücke für den Phasenwechsel notwendig sind.

Die Aufheizung des Kältemittels bis zur Verdampfung erfolgt durch den Kontakt mit einem festen, beheizten Körper. Je nach Höhe der Temperaturdifferenz zwischen dem Heizer und der Flüssigkeit kann man drei unterschiedliche Verdampfungsmechanismen beobachten.

Freie Konvektion

Liegt die Heizflächentemperatur nur wenig über der Siedetemperatur der Flüssigkeit, wird die Wärme auf die Flüssigkeit übertragen. Durch den resultierenden Dichtegradienten wird die heiße Flüssigkeit zur Oberfläche hin transportiert und erst dort verdampft sie. Mit zunehmender Übertemperatur bzw. zunehmender Wärmezufuhr beginnt die Dampfblasenbildung an der Heizfläche.

Blasenverdampfung

Ab einer gewissen Temperaturdifferenz zwischen Heizfläche und Flüssigkeit  bilden sich Dampfblasen und steigen an die Flüssigkeitsoberfläche. Dort platzen sie und geben den in ihn enthaltenen Dampf frei.

Filmverdampfung

Oberhalb einer bestimmten Temperaturdifferenz zwischen Heizfläche und Flüssigkeit wird die Heizfläche völlig von einem Dampffilm bedeckt, so dass die Flüssigkeit die Heizfläche nicht mehr benetzen kann. Der Wärmeübergang sinkt durch die isolierende Wirkung des entstandenen Gasfilms. Wird die Heizfläche weiter mit einer konstanten Wärmestromdichte beheizt, steigt der Wert der Differenz zwischen Heizfläche und Flüssigkeit weiter an. Die Heizfläche kann somit beschädigt werden.

Bei der Wärmeübertragung durch Kondensation unterscheidet man zwischen Film- und Tropfenkondensation, je nach Benetzung der festen Oberfläche, die kälter als das kondensierende Fluid ist.

Prozessschaubild zum Laborversuch