Untersuchung von Einzelblasen in Schwerelosigkeit



Werden Flüssigkeiten mit einem Heizer zum Sieden gebracht und die Hitzezufuhr so eingestellt, dass Blasen von der Heizeroberfläche aufsteigen, ohne dass diese eine zusammenhängende Dampfschicht bedeckt, so bezeichnet man dies als Blasensieden. Dieser Prozess, wird in vielen technischen Bereichen zur Wärmeübertragung und Verdampfung von Flüssigkeiten eingesetzt. Beispiele hierfür sind die Kraftwerks- und Reaktortechnik, die Klima¬technik und die Verfahrenstechnik.

Um die Wärmeübertragung zu verbessern, werden allgemeingültige Berechnungsmethoden für die Prozesse benötigt. Diese Rechenmodelle setzen ein genaues Verständnis der komplexen, dynamischen Transportvorgänge in der Flüssigkeit voraus. Längerfristiges Ziel der Wissenschaftler ist die Entwicklung eines solchen numerischen Berechnungs¬modells für das Blasensieden, das in der industriellen Praxis  eingesetzt werde kann.

Dampfblasen wachsen ausgehend von mikroskopisch kleinen Rauhigkeiten, so genannten Keimstellen, an der  Heizeroberfläche. Der sehr kleine Bereich, in dem der Dampf in der Blase, die umgebende Flüssigkeit und die  Heizeroberfläche aufeinander treffen, ist für den Wärmetransport besonders bedeutend. Nahe dieses Drei-Phasen-Kontaktbereichs, der eine Breite von nur etwa einem Tausendstel Millimeter hat, herrscht eine extrem hohe lokale Verdampfungsrate. Diese bewirkt wiederum eine starke lokale Kühlung der Heizeroberfläche. Während des periodisch wiederkehrenden Blasenwachstums, das etwa 500 mal in der Sekunde stattfindet, und der Blasenablösung pulsiert der Drei-Phasen-Kontaktbereich.

Das Experiment hat zum Ziel, die Temperaturverteilung der Heizwand und die Geometrie der Dampfblasen zeitlich und räumlich hochaufgelöst bei genau definierten Bedingungen zu messen. Da unter normalen Schwerkraftbedingungen natürliche Aufstiegsbewegungen  wärmerer Flüssigkeitsvolumina und der Auftrieb des Dampfes einige dieser Messgrößen überdecken, werden die Untersuchungen im Parabelflug durchgeführt.

Zudem verzögern sich in Schwerelosigkeit das Abreißen und Wachsen der Blasen, was eine hohe messtechnische Auflösung der Vorgänge begünstigt. Auch wurde der Einfluss der Schwerkraft auf die Prozesse bisher nicht ausreichend experimentell untersucht.

Während vorangegangener Parabelflugkampagnen haben die Wissenschaftler bereits einige Untersuchungen an Einzelblasen durchgeführt. Sie demonstrierten eindrucksvoll, das die Verdampfungsrate nahe der Drei-Phasen-Kontaktlinie besonders hoch ist. Für die 11. DLR-Parabelflugkampagne wurden Experiment-Apparatur und Messtechnik weiter verbessert, um genauere Daten zu gewinnen. Der Flug dient außerdem dazu, Komponenten zu testen, die später im Rahmen eines umfassenderen Verdampfungsversuchs auf der Internationalen Raumstation ISS gemeinsam von mehreren europäischen Forschergruppen genutzt werden sollen.


Kontakt
Prof. Peter Stephan
Technische Universität Darmstadt
, Fachbereich Maschinenbau
Tel: +49 06151 16-3159

Fax: +49 06151 16-6561

E-Mail: pstephan@ttd.tu-darmstadt.de
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