Konvektiver Wärme- und Stoffübergang. Strömungen mit Phasenumwandlungen

Zusammenfassung

Einige der im folgenden zu behandelnden Vorgänge des konvektiven Wärmeund Stoffübergangs mit Phasenumwandlung sind schon in den bisherigen Kapiteln erörtert worden, dazu gehören die Verdunstung einer Flüssigkeit an der Grenzfläche zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit oder die Sublimation an einer Gas-Feststoff-Grenzfläche. Sie ließen sich mit den Methoden des konvektiven Wärme- und Stoffübergangs beschreiben.

In vielen Prozessen des Wärme- und Stoffübergangs in Fluiden spielen jedoch Vorgänge des Kondensierens oder Siedens an festen Oberflächen eine entscheidende Rolle. In Wärmekraftanlagen wird Wasser von hohem Druck im Kessel verdampft und der Dampf, nachdem er in der Turbine entspannt wurde, wieder in einem Kondensator verflüssigt. In Kompressions- und Absorptionskälteanlagen und in Wärmepumpen sind Verdampfer und Kondensatoren wichtige Bestandteile der Anlage. Zur Stofftrennung von Gemischen macht man sich die unterschiedliche Zusammensetzung von Dämpfen im Gleichgewicht mit ihren Flüssigkeiten zunutze. Verdampfung und Kondensation sind daher charakteristisch für viele Stofftrennprozesse in der Verfahrenstechnik. Als Beispiele seien das Eindampfen, das Kondensieren, die Destillation, die Rektifikation und die Absorption von Fluiden genannt.

Um eine Flüssigkeit zu verdampfen oder einen Dampf zu kondensieren, ist die Verdampfungsenthalpie zu- bzw. abzuführen. Die Phasenumwandlung erfordert unter der Voraussetzung thermodynamischen Gleichgewichts keine Temperaturdifferenz zwischen den Phasen. In Wirklichkeit muß jedoch, da zumindest ein kleines Ungleichgewicht für den Ablauf der Phasenumwandlung erforderlich ist, eine, wenn auch kleine, Temperaturdifferenz vorhanden sein.

Wärmeübergangskoeffizienten beim Kondensieren und Verdampfen sind im allgemeinen viel größer als die für konvektiven Wärmeübergang ohne Phasenwandel. Hinzu kommt, daß die Dichtedifferenz zwischen Dampf und Flüssigkeit groß ist, sofern die Phasenumwandlung hinreichend weit vom kritischen Gebiet entfernt abläuft. Es treten daher starke Auftriebskräfte (ϱL - ϱG)g auf, so daß Wärme- und Stoffübergang durch freie Strömung unterstützt werden. Im folgenden wollen wir uns mit diesen Vorgängen auseinandersetzen.