Untersuchung von Einzelblasen beim Blasensieden unter Schwerelosigkeit



Blasensieden nennt man den wärmetechnischen Vorgang, bei dem Flüssigkeiten so stark erhitzt werden, dass sich an der Heizfläche Dampfblasen bilden, welche dort wachsen, schließlich abreißen und in der Flüssigkeit aufsteigen. Beim Blasensieden werden sehr hohe Wärmeströme auf kleinstem Raum bei sehr geringen Temperaturdifferenzen übertragen. Daher findet es vielfach Anwendung beispielsweise in den Bereichen Kraftwerks- und Reaktortechnik, in der Klima- und der Verfahrenstechnik, aber auch in alltäglichen Gebrauchsgegenständen, wie beispielsweise Kühlschränken. Zukünftig soll Blasensieden auch zur Kühlung von Hochleistungselektronik eingesetzt werden. Auch für Raumfahrtanwendungen ist die Komponentenkühlung mittels Blasensieden aufgrund der hohen Wärmeströme interessant, die man dabei erreichen kann.

Um Siedeapparate für die Praxis sicher auszulegen und neuartige, effizientere Geräte zu entwickeln, werden allgemeingültige Berechnungsmethoden für die Siedeprozesse benötigt. Die Erstellung der Rechenmodelle setzt ein genaues Verständnis der komplexen, dynamischen Transportvorgänge in der wandnahen, aus Flüssigkeit und Dampf bestehenden, Grenzschicht voraus. Um ein solches Verständnis zu entwickeln und mathematisch-theoretische Modellansätze zu testen, sind Experimente erforderlich. Maßgeblich am Wärmetransport beteiligt ist die nur etwa ein Tausendstel Millimeter dicke Grenzschicht, in der die Dampfblasen mit hoher Frequenz innerhalb von einer Millisekunde entstehen.

Die Experimente haben daher zum Ziel, die Temperaturverteilung an der Heizwand und die Geometrie der Dampfblasen zeitlich und räumlich hoch aufgelöst bei genau definierten Bedingungen zu messen. Da bei Schwerelosigkeit die dynamischen Vorgänge langsamer ablaufen und die Dampfblasen größer werden als bei normaler Schwerkraft, betrachtet man beim Parabelflug die Vorgänge quasi in Zeitlupe unter einem Vergrößerungsobjektiv. Die Auflösung der Vorgänge wird somit gegenüber derjenigen mit modernster Messtechnik unter Normalschwerkraft nochmals deutlich verbessert. Hinzu kommt, dass natürliche, schwerkraftbedingte Aufstiegsbewegungen der wärmeren Flüssigkeitsvolumina und des Dampfes, die einige Wärmetransportphänomene überdecken können, unterbunden werden. Durch die Variation der Schwerkraft kann deren Einfluss, der in die Modelle einfließen muss, zudem gezielt erforscht werden.

Während vorangegangener Parabelflugkampagnen konnten bereits einige Untersuchungen an Einzelblasen durchgeführt werden, die eindrucksvoll zeigten, dass die lokale Verdampfungsrate in der mikrometerdünnen Grenzschicht besonders hoch ist. Die 17. DLR-Parabelflugkampagne wird es ermöglichen, gezielt Untersuchungen bei partieller Schwerkraft durchzuführen und somit deren Einfluss genau zu beurteilen. Der Flug dient außerdem dazu, messtechnische Komponenten und Bauteile einer Versuchsanlage zu testen, die später im Rahmen eines umfassenderen Verdampfungsversuchs genutzt werden sollen, der auf der Internationalen Raumstation ISS gemeinsam von mehreren europäischen Forschergruppen durchgeführt wird.


Kontakt
Dipl.-Ing. Sebastian Fischer
Technische Universität Darmstadt

Institut für Technische Thermodynamik

Tel: +49 6151 16-4464

Fax: +49 6151 16-6561

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