El flujo de calor crítico ( CHF ) describe el límite térmico de un fenómeno en el que se produce un cambio de fase durante el calentamiento (como la formación de burbujas en una superficie metálica utilizada para calentar agua ), que de repente disminuye la eficiencia de la transferencia de calor , lo que provoca un sobrecalentamiento localizado de la superficie de calentamiento.
El flujo de calor crítico para la ignición es la carga térmica más baja por unidad de superficie capaz de iniciar una combustión de reacción en un material dado (ya sea de llama o combustión sin llama de encendido).
Descripción
Cuando el refrigerante líquido sufre un cambio de fase debido a la absorción de calor de una superficie sólida calentada, se produce una mayor tasa de transferencia . La transferencia de calor más eficiente desde la superficie calentada (en forma de calor de vaporización más calor sensible ) y los movimientos de las burbujas ( turbulencia y convección impulsadas por burbujas ) conducen a una mezcla rápida del fluido . Por lo tanto, la transferencia de calor en ebullición ha jugado un papel importante en los procesos industriales de transferencia de calor, como los intercambiadores macroscópicos de transferencia de calor en plantas de energía nuclear y fósil, y en dispositivos microscópicos de transferencia de calor, como tubos de calor y microcanales para enfriar chips electrónicos .
El uso de la ebullición está limitado por una condición llamada flujo de calor crítico (CHF) , que también se denomina crisis de ebullición o desviación de la ebullición nucleada (DNB). El problema más grave es que la limitación de ebullición puede estar directamente relacionada con el desgaste físico de los materiales de una superficie calentada debido a la transferencia de calor repentinamente ineficiente a través de una película de vapor formada a través de la superficie resultante de la sustitución de líquido por vapor adyacente a la superficie. superficie calentada.
En consecuencia, la aparición de CHF va acompañada de un aumento desmesurado de la temperatura de la superficie para un sistema controlado por flujo de calor en la superficie. De lo contrario, se produce una disminución excesiva de la tasa de transferencia de calor para un sistema con control de temperatura superficial. Esto se puede explicar con la ley de enfriamiento de Newton :
dónde representa el flujo de calor, representa el coeficiente de transferencia de calor , representa la temperatura de la pared y representa la temperatura del fluido. Si disminuye significativamente debido a la aparición de la condición de CHF, aumentará por fijo y tiempo disminuirá por fijo .
Correlaciones
El flujo de calor crítico es un punto importante en la curva de ebullición y puede ser deseable operar un proceso de ebullición cerca de este punto. Sin embargo, uno podría tener cuidado de disipar calor en exceso de esta cantidad. Zuber, [1] a través de un análisis de estabilidad hidrodinámica del problema ha desarrollado una expresión para aproximarse a este punto.
Unidades: flujo crítico: kW / m 2 ; h fg : kJ / kg; σ: N / m; ρ: kg / m 3 ; g: m / s 2 .
Es independiente del material de la superficie y depende débilmente de la geometría de la superficie calentada descrita por la constante C.Para grandes cilindros horizontales, esferas y grandes superficies finitas calentadas, el valor de la constante de Zuber . Para placas horizontales grandes, un valor de es más adecuado.
El flujo de calor crítico depende en gran medida de la presión. A bajas presiones (incluida la presión atmosférica), la dependencia de la presión se debe principalmente al cambio en la densidad del vapor que conduce a un aumento del flujo de calor crítico con la presión. Sin embargo, a medida que las presiones se acercan a la presión crítica, tanto la tensión superficial como el calor de vaporización convergen a cero, lo que los convierte en las fuentes dominantes de dependencia de la presión. [2]
Para agua a 1 atm, la ecuación anterior calcula un flujo de calor crítico de aproximadamente 1000 kW / m 2 .
Aplicaciones en transferencia de calor
La comprensión del fenómeno de CHF y una predicción precisa de la condición de CHF son importantes para el diseño seguro y económico de muchas unidades de transferencia de calor , incluidos reactores nucleares , calderas de combustibles fósiles , reactores de fusión , chips electrónicos, etc. Por lo tanto, el fenómeno se ha investigado ampliamente durante el mundo desde que Nukiyama lo caracterizó por primera vez. [3] En 1950, Kutateladze sugirió la teoría hidrodinámica de la crisis del agotamiento. [4] Gran parte del trabajo significativo se ha realizado durante las últimas décadas con el desarrollo de reactores nucleares refrigerados por agua . Ahora se comprenden bien muchos aspectos del fenómeno y se dispone de varios modelos de predicción fiables para condiciones de intereses comunes.
Terminología
Se utilizan varios términos diferentes para denotar la condición de CHF: desviación de ebullición nucleada (DNB), secado de película líquida (LFD), secado de película anular (AFD), secado (DO), agotamiento (BO), crisis de ebullición (BC) , transición de ebullición (BT), etc. DNB, LFD y AFD representan mecanismos específicos que se introducirán más adelante.
DO significa la desaparición de líquido en la superficie de transferencia de calor que describe adecuadamente la condición de CHF; sin embargo, generalmente se usa para indicar el secado de la película líquida del flujo anular . BO, BC y BT son nombres orientados a fenómenos y se utilizan como términos generales. La condición de CHF (o simplemente CHF) es la más utilizada en la actualidad, aunque puede inducir a error a pensar que existe una criticidad en el flujo de calor. Los términos que denotan el valor del flujo de calor en la ocurrencia de CHF son CHF, flujo de calor de secado, flujo de calor de quemado, flujo de calor máximo, flujo de calor DNB, etc.
El término flujo de calor máximo de ebullición de la piscina también se utiliza para indicar el CHF en la ebullición de la piscina.
Post-CHF se usa para denotar el deterioro general de la transferencia de calor en el proceso de ebullición de flujo, y el líquido podría estar en forma de pulverización dispersa de gotitas, núcleo líquido continuo o transición entre los dos primeros casos. El post-secado se puede usar específicamente para denotar el deterioro de la transferencia de calor en la condición cuando el líquido está solo en forma de gotas dispersas, y denotar los otros casos con el término Post-DNB. [5]
Ver también
- Efecto Leidenfrost
- Ebullición nucleada
Referencias
- ^ Zuber, Novak (junio de 1959). "Aspectos hidrodinámicos de la transferencia de calor en ebullición" . Consultado el 4 de abril de 2016 .
- ^ "Fundamentos de Transferencia de Calor y Masa 6ª Edición por Incropera". Cite journal requiere
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( ayuda ) - ^ Nukiyama, S. (1934). "Película de agua hirviendo en alambres delgados". Soc. Mech. Engng., Japón . 37 .
- ^ Kutateladze, SS (1950). "Modelo hidromecánico de la crisis de ebullición en condiciones de convección libre". Revista de física técnica, URSS . 20 (11): 1389-1392.
- ^ Yu, D., Feuerstein, F., Koeckert, L. y Cheng, X. (2018). Análisis y modelización de la transferencia de calor post-secado en flujo vertical ascendente. Annals of Nuclear Energy, 115, 186-194.
enlaces externos
- Modelización de la crisis de ebullición