Sin categorizar

Flujo de calor mínimo – Enfriamiento – Salida de ebullición de película

El punto de Leidenfrost , que corresponde al flujo de calor mínimo , es de interés práctico ya que representa el límite inferior para el flujo de calor en el régimen de ebullición de la película. Si el flujo de calor cae por debajo de este mínimo, la película colapsará, causando que la superficie se enfríe y se restablezca la ebullición de los nucleos. Por lo tanto, en este punto, se produce el retorno a la ebullición nucleada (RNB). Los términos enfriamiento, flujo de calor mínimo, retorno a la ebullición nucleada, salida de la ebullición de la película, colapso de la ebullición de la película y punto de Leidenfrost se han usado indistintamente para referirse a varias formas de rehumectación, pero no son exactamente sinónimos.

Utilizando la teoría de la estabilidad, Zuber obtuvo la siguiente expresión para el flujo de calor mínimo (y el punto de Leidenfrost correspondiente ) para una placa horizontal grande:

dónde

• q _min – flujo de calor mínimo [W / m ² ]
• h _fg  – entalpía de vaporización, J / kg
• g – aceleración gravitacional m / s ²
• ρ _l – densidad del líquido kg / m ³
• ρ _v – densidad de vapor kg / m ³
• σ – interfaz de tensión superficial-líquido-vapor N / m

Efecto Leidenfrost

El efecto Leidenfrost es un fenómeno físico en el que un líquido, en contacto cercano con una masa significativamente más caliente (por ejemplo, una gota de agua en una sartén caliente) que el punto de ebullición del líquido, produce una capa de vapor aislante que evita que el líquido hierva rápidamente. El hecho de que una gota de agua dure mucho cuando se deposita sobre un metal que es mucho más caliente que la temperatura de ebullición del agua fue informado por primera vez por Hermann Boerhaave en 1732. No se investigó exhaustivamente hasta 1756, cuando un médico alemán Johann Gottlob Leidenfrost publicó ” A Tratado sobre algunas cualidades del agua común ”.

Este efecto se puede demostrar comúnmente durante la cocción cuando se rocían gotas de agua en una sartén para medir su temperatura: si la temperatura de la sartén es igual o superior al punto de Leidenfrost , el agua se desliza por la sartén y tarda más en evaporarse que en una sartén debajo de la temperatura del punto de Leidenfrost (pero aún por encima de la temperatura de ebullición). El punto de Leidenfrost, que corresponde al flujo de calor mínimo, es de interés práctico ya que representa el límite inferior para el flujo de calor en el régimen de ebullición de la película. Si el flujo de calor cae por debajo de este mínimo, la película colapsará, causando que la superficie se enfríe y se restablezca la ebullición de los nucleos. El efecto Leidenfrost también es responsable de la capacidad del nitrógeno líquido para deslizarse por los pisos.

Aerogel

El aerogel es un material sólido ultraligero poroso sintético derivado de un gel, en el que el componente líquido del gel ha sido reemplazado por un gas (durante un proceso de secado supercrítico). Los aerogeles pueden estar hechos de una variedad de compuestos químicos, pero el material base para el aerogel suele ser silicio. Aerogel tiene una conductividad térmica muy baja de 0,013 W / m ∙ K . Su densidad también es muy baja, aproximadamente 150 kg / m ³ . Estas son notables propiedades de aislamiento térmico. Cabe señalar que los aerogeles pueden tener una conductividad térmica menor que la del gas (el aire tiene aproximadamente 0.025 W / m ∙ K) que contienen. Esto es causado por el efecto Knudsen, una reducción de la conductividad térmica en gases cuando el tamaño de la cavidad que abarca el gas se vuelve comparable a la ruta libre media .

Conductividad térmica del aerogel

La conductividad térmica se define como la cantidad de calor (en vatios) transferida a través de un área cuadrada de material de espesor dado (en metros) debido a una diferencia de temperatura . Cuanto menor sea la conductividad térmica del material, mayor será la capacidad del material para resistir la transferencia de calor y, por lo tanto, mayor será la efectividad del aislamiento. Valores de conductividad térmica típica para aerogeles  son alrededor  0.013W / m ∙ K .

En general, el aislamiento térmico se basa principalmente en la muy baja conductividad térmica de los gases . Los gases poseen malas propiedades de conducción térmica en comparación con los líquidos y los sólidos, y por lo tanto son un buen material de aislamiento si pueden quedar atrapados (por ejemplo, en una estructura similar a la espuma). El aire y otros gases son generalmente buenos aislantes. Pero el principal beneficio es la ausencia de convección. Por lo tanto, muchos materiales aislantes (por ejemplo, aerogel) funcionan simplemente al tener una gran cantidad de bolsas llenas de gas que evitan la convección a gran escala .

La alternancia de la bolsa de gas y el material sólido hace que el calor se transfiera a través de muchas interfaces, lo que provoca una disminución rápida del coeficiente de transferencia de calor.

Conductividad térmica del vidrio de espuma

La conductividad térmica se define como la cantidad de calor (en vatios) transferida a través de un área cuadrada de material de espesor dado (en metros) debido a una diferencia de temperatura . Cuanto menor sea la conductividad térmica del material, mayor será la capacidad del material para resistir la transferencia de calor y, por lo tanto, mayor será la efectividad del aislamiento. Valores de conductividad térmica típica para espuma de vidrio  son entre 0.038 y 0.055W / m ∙ K .

En general, el aislamiento térmico se basa principalmente en la muy baja conductividad térmica de los gases . Los gases poseen malas propiedades de conducción térmica en comparación con líquidos y sólidos, y por lo tanto son un buen material de aislamiento si pueden quedar atrapados (por ejemplo, en una estructura similar a la espuma). El aire y otros gases son generalmente buenos aislantes. Pero el principal beneficio es la ausencia de convección. Por lo tanto, muchos materiales aislantes (por ejemplo, vidrio de espuma ) funcionan simplemente al tener una gran cantidad de bolsas llenas de gas que evitan la convección a gran escala .

La alternancia de la bolsa de gas y el material sólido hace que el calor se transfiera a través de muchas interfaces, lo que provoca una disminución rápida del coeficiente de transferencia de calor.

Ejemplo: aislamiento de aislamiento de algodón

Una fuente importante de pérdida de calor de una casa es a través de las paredes. Calcule la tasa de flujo de calor a través de una pared de 3 mx 10 m de área (A = 30 m ² ). La pared tiene 15 cm de espesor (L ₁ ) y está hecha de ladrillos con la conductividad térmica de k ₁ = 1.0 W / mK (pobre aislante térmico). Suponga que las temperaturas interior y exterior son 22 ° C y -8 ° C, y los coeficientes de transferencia de calor por convección en los lados interior y exterior son h ₁ = 10 W / m ² K y h ₂ = 30 W / m ²K, respectivamente. Tenga en cuenta que estos coeficientes de convección dependen en gran medida especialmente de las condiciones ambientales e interiores (viento, humedad, etc.).

1. Calcule el flujo de calor ( pérdida de calor ) a través de esta pared no aislada.
2. Ahora suponga aislamiento térmico en el lado exterior de esta pared. Use aislamiento de algodón de  10 cm de espesor (L ₂ ) con la conductividad térmica de k ₂ = 0.04 W / mK y calcule el flujo de calor ( pérdida de calor ) a través de esta pared compuesta.

Solución:

Como se escribió, muchos de los procesos de transferencia de calor involucran sistemas compuestos e incluso involucran una combinación de conducción y convección . Con estos sistemas compuestos, a menudo es conveniente trabajar con un coeficiente de transferencia de calor en general , conocido como un factor U . El factor U se define mediante una expresión análoga a la ley de enfriamiento de Newton :

El coeficiente global de transferencia de calor está relacionado con la resistencia térmica total y depende de la geometría del problema.

1. pared desnuda

Suponiendo que la transferencia de calor unidimensional a través de la pared plana y sin tener en cuenta la radiación, el coeficiente global de transferencia de calor se puede calcular como:

El coeficiente global de transferencia de calor es entonces:

U = 1 / (1/10 + 0.15 / 1 + 1/30) = 3.53 W / m ² K

El flujo de calor se puede calcular simplemente como:

q = 3.53 [W / m ² K] x 30 [K] = 105.9 W / m ²

La pérdida total de calor a través de este muro será:

q _pérdida = q. A = 105,9 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 3177W

2. pared compuesta con aislamiento térmico

Suponiendo que la transferencia de calor unidimensional a través de la pared compuesta plana, sin resistencia de contacto térmico y sin tener en cuenta la radiación, el coeficiente global de transferencia de calor se puede calcular como:

El coeficiente global de transferencia de calor es entonces:

U = 1 / (1/10 + 0.15 / 1 + 0.1 / 0.040 + 1/30) = 0.359 W / m ² K

El flujo de calor se puede calcular simplemente como:

q = 0.359 [W / m ² K] x 30 [K] = 10.78 W / m ²

La pérdida total de calor a través de este muro será:

q _pérdida = q. A = 10.78 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 323 W

Como se puede ver, una adición de aislante térmico causa una disminución significativa en las pérdidas de calor. Debe agregarse, una adición de la siguiente capa de aislante térmico no causa un ahorro tan alto. Esto se puede ver mejor con el método de resistencia térmica, que se puede utilizar para calcular la transferencia de calor a través de paredes compuestas . La tasa de transferencia de calor constante entre dos superficies es igual a la diferencia de temperatura dividida por la resistencia térmica total entre esas dos superficies.

Efecto Leidenfrost

El efecto Leidenfrost es un fenómeno físico en el que un líquido, en contacto cercano con una masa significativamente más caliente (por ejemplo, una gota de agua en una sartén caliente) que el punto de ebullición del líquido, produce una capa de vapor aislante que evita que el líquido hierva rápidamente. El hecho de que una gota de agua dure mucho cuando se deposita sobre un metal que es mucho más caliente que la temperatura de ebullición del agua fue informado por primera vez por Hermann Boerhaave en 1732. No se investigó exhaustivamente hasta 1756, cuando un médico alemán Johann Gottlob Leidenfrost publicó ” A Tratado sobre algunas cualidades del agua común ”.

Este efecto se puede demostrar comúnmente durante la cocción cuando se rocían gotas de agua en una sartén para medir su temperatura: si la temperatura de la sartén es igual o superior al punto de Leidenfrost , el agua se desliza por la sartén y tarda más en evaporarse que en una sartén debajo de la temperatura del punto de Leidenfrost (pero aún por encima de la temperatura de ebullición). El punto de Leidenfrost, que corresponde al flujo de calor mínimo, es de interés práctico ya que representa el límite inferior para el flujo de calor en el régimen de ebullición de la película. Si el flujo de calor cae por debajo de este mínimo, la película colapsará, causando que la superficie se enfríe y se restablezca la ebullición de los nucleos. El efecto Leidenfrost también es responsable de la capacidad del nitrógeno líquido para deslizarse por los pisos.

Flujo de calor mínimo: punto de Leidenfrost

El punto de Leidenfrost , que corresponde al flujo de calor mínimo , es de interés práctico ya que representa el límite inferior para el flujo de calor en el régimen de ebullición de la película. Si el flujo de calor cae por debajo de este mínimo, la película colapsará, causando que la superficie se enfríe y se restablezca la ebullición de los nucleos. Por lo tanto, en este punto, se produce el retorno a la ebullición nucleada (RNB). Los términos enfriamiento, flujo de calor mínimo, retorno a la ebullición nucleada, salida de la ebullición de la película, colapso de la ebullición de la película y punto de Leidenfrost se han usado indistintamente para referirse a varias formas de rehumectación, pero no son exactamente sinónimos.

Utilizando la teoría de la estabilidad, Zuber obtuvo la siguiente expresión para el flujo de calor mínimo (y el punto de Leidenfrost correspondiente ) para una placa horizontal grande:

dónde

• q _min – flujo de calor mínimo [W / m ² ]
• h _fg  – entalpía de vaporización, J / kg
• g – aceleración gravitacional m / s ²
• ρ _l – densidad del líquido kg / m ³
• ρ _v – densidad de vapor kg / m ³
• σ – interfaz de tensión superficial-líquido-vapor N / m

Ebullición de transición: ebullición parcial de película

Categorización por la temperatura de sobrecalentamiento de la pared, ΔT _sat :

El trabajo pionero sobre la ebullición fue realizado en 1934 por  S. Nukiyama , quien utilizó cables de nicromo y platino calentados eléctricamente sumergidos en líquidos en sus experimentos. Nukiyama fue el primero en identificar  diferentes regímenes de ebullición de piscinas  utilizando su aparato. Se dio cuenta de que la ebullición toma diferentes formas, dependiendo del valor de la temperatura de sobrecalentamiento de la pared  ΔT _sat  (conocida también como el exceso de temperatura) ,  que se define como la diferencia entre la temperatura de la pared, la  _pared T  y la temperatura de saturación,  T _sat .

Se observan cuatro regímenes diferentes de ebullición de la ebullición de la piscina (en función del exceso de temperatura):

• Ebullición por convección natural                             ΔT _sat  <5 ° C
• Nucleato de ebullición                                    5 ° C <  ΔT _sat  <30 ° C
• Transición Ebullición                                  30 ° C <  ΔT _sat  <200 ° C
• Película en ebullición                                         200 ° C <  ΔT _sat

Transición de ebullición

El flujo de calor de ebullición nucleado no se puede aumentar indefinidamente. En cierto valor, lo llamamos el ” flujo de calor crítico ” ( CHF ), el vapor producido puede formar una capa aislante sobre la superficie, que a su vez deteriora el coeficiente de transferencia de calor. Esto se debe a que una gran fracción de la superficie está cubierta por una película de vapor, que actúa como un aislamiento térmico debido a la baja conductividad térmica del vapor en relación con la del líquido. Inmediatamente después de alcanzar el flujo de calor crítico, la ebullición se vuelve inestable y se produce la ebullición de transición. La transición de ebullición nucleada a ebullición de película se conoce como la ” crisis de ebullición “. Dado que más allá del punto CHF el coeficiente de transferencia de calor disminuye, la transición a la ebullición de la película suele ser inevitable.

Ebullición Nucleada

El tipo más común de ebullición local que se encuentra en las instalaciones nucleares es la ebullición nucleada . Pero en el caso de los reactores nucleares, la ebullición de los nucleados ocurre a velocidades de flujo significativas a través del reactor. En la ebullición nucleada , se forman burbujas de vapor en la superficie de transferencia de calor y luego se separan y se transportan a la corriente principal del fluido. Tal movimiento mejora la transferencia de calor porque el calor generado en la superficie se transporta directamente a la corriente de fluido. Una vez en la corriente de fluido principal, las burbujas colapsan porque la temperatura del fluido no es tan alta como la temperatura de la superficie de transferencia de calor donde se crearon las burbujas. Como se escribió, la ebullición nucleadaen la superficie altera efectivamente esta capa estancada y, por lo tanto, la ebullición de los nucleados mejora significativamente  la capacidad de una superficie para transferir energía térmica al fluido a granel. Este proceso de transferencia de calor a veces es deseable porque la energía creada en la superficie de transferencia de calor se “lleva” de manera rápida y eficiente.

Cerca de la pared, la situación es compleja porque varios mecanismos aumentan el flujo de calor por encima de la conducción pura a través del líquido.

1. Tenga en cuenta que, incluso en flujo turbulento , hay una capa de película de fluido estancada (subcapa laminar), que aísla la superficie del intercambiador de calor. El flujo ascendente (debido a las fuerzas de flotación) del vapor lejos de la pared debe equilibrarse con un flujo de líquido de igual masa y esto acerca el líquido más frío a la proximidad de la pared.
2. La formación y el movimiento de las burbujas turbuliza el líquido cerca de la pared y, por lo tanto, aumenta la transferencia de calor de la pared al líquido.
3. La ebullición difiere de otras formas de convección en que depende del calor latente de vaporización, que es muy alto para presiones comunes, por lo tanto, se pueden transferir grandes cantidades de calor durante la ebullición esencialmente a temperatura constante.

El flujo de calor de ebullición nucleado no se puede aumentar indefinidamente. En cierto valor, lo llamamos el ” flujo de calor crítico ” ( CHF ), el vapor producido puede formar una capa aislante sobre la superficie, que a su vez deteriora el coeficiente de transferencia de calor. Esto se debe a que una gran fracción de la superficie está cubierta por una película de vapor, que actúa como un aislamiento térmico debido a la baja conductividad térmica del vapor en relación con la del líquido. Inmediatamente después de alcanzar el flujo de calor crítico , la ebullición se vuelve inestable y se produce la ebullición de transición. La transición de ebullición nucleada a ebullición de película se conoce como la ” crisis de ebullición “. Desde más allá del CHFSi el coeficiente de transferencia de calor disminuye, la transición a la ebullición de la película suele ser inevitable.

En la siguiente sección, distinguiremos entre:

• piscina nucleada hirviendo
• flujo de ebullición nucleada

Ebullición por convección natural: inicio de ebullición de nucleato

Categorización por la temperatura de sobrecalentamiento de la pared, ΔT _sat :

El trabajo pionero sobre la ebullición fue realizado en 1934 por  S. Nukiyama , quien utilizó cables de nicromo y platino calentados eléctricamente sumergidos en líquidos en sus experimentos. Nukiyama fue el primero en identificar  diferentes regímenes de ebullición de piscinas  utilizando su aparato. Se dio cuenta de que la ebullición toma diferentes formas, dependiendo del valor de la temperatura de sobrecalentamiento de la pared  ΔT _sat  (conocida también como el exceso de temperatura) ,  que se define como la diferencia entre la temperatura de la pared, la  _pared T  y la temperatura de saturación,  T _sat .

Se observan cuatro regímenes diferentes de ebullición de la ebullición de la piscina (en función del exceso de temperatura):

• Ebullición por convección natural                             ΔT _sat  <5 ° C
• Nucleato de ebullición                                    5 ° C <  ΔT _sat  <30 ° C
• Transición Ebullición                                  30 ° C <  ΔT _sat  <200 ° C
• Película en ebullición                                         200 ° C <  ΔT _sat

Ebullición por convección natural

En  termodinámica , el requisito para   que ocurra la ebullición de sustancias puras es que T _wall  = T _sat . Pero en experimentos reales, la ebullición no ocurre hasta que el líquido se calienta unos pocos grados por encima de la temperatura de saturación. La temperatura de la superficie debe estar algo por encima de la temperatura de saturación para mantener la formación de vapor. La ebullición por convección natural ocurre cuando ΔTsat <5 ° C. En este  modo de ebullición ,  se observará vapor  sobre la superficie del agua, pero generalmente  no hay burbujas. será observado A medida que aumenta la temperatura de sobrecalentamiento, eventualmente se producirá el inicio de la burbuja, pero por debajo del punto A, el movimiento del fluido está determinado principalmente por las corrientes de convección naturales. El punto A generalmente se conoce como el  inicio de la ebullición nucleada – ONB .

Hirviendo

En capítulos anteriores, hemos discutido la transferencia de calor por convección con una suposición muy importante. Asumimos una transferencia de calor por convección monofásica sin ningún cambio de fase. En este capítulo nos enfocamos en la transferencia de calor por convección asociada con el cambio en la fase de un fluido . En particular, consideramos procesos que pueden ocurrir en una interfaz sólido-líquido o sólido-vapor, a saber, ebullición (cambio de fase de líquido a vapor) y condensación ( cambio de fase de vapor a líquido).

Para estos casos, los efectos del calor latente asociados con el cambio de fase son significativos. El calor latente , conocido también como la entalpía de vaporización, es la cantidad de calor agregado o eliminado de una sustancia para producir un cambio de fase. Esta energía descompone las fuerzas de atracción intermoleculares, y también debe proporcionar la energía necesaria para expandir el gas (el trabajo pΔV ). Cuando se agrega calor latente , no ocurre cambio de temperatura.

La entalpía de la vaporización es una función de la presión a la que tiene lugar esa transformación.

Calor latente de vaporización – agua a 0.1 MPa (presión atmosférica)

h _lg = 2257 kJ / kg

Calor latente de vaporización – agua a 3 MPa

h _lg = 1795 kJ / kg

Calor latente de vaporización: agua a 16 MPa (presión dentro de un presurizador )

h _lg = 931 kJ / kg

El calor de vaporización disminuye al aumentar la presión, mientras que aumenta el punto de ebullición . Se desvanece por completo en un cierto punto llamado punto crítico . Por encima del punto crítico, las fases líquida y de vapor son indistinguibles, y la sustancia se llama fluido supercrítico .

El cambio del estado líquido al vapor debido a la ebullición se mantiene mediante la transferencia de calor desde la superficie sólida; por el contrario, la condensación de un vapor al estado líquido da como resultado la transferencia de calor a la superficie sólida. La ebullición y la condensación difieren de otras formas de convección en que dependen del calor latente de vaporización , que es muy alto para presiones comunes , por lo tanto, se pueden transferir grandes cantidades de calor durante la ebullición y la condensación esencialmente a temperatura constante. Los coeficientes de transferencia de calor , h, asociados con la ebullición y la condensación suelen ser mucho más altos.que los encontrados en otras formas de procesos de convección que involucran una sola fase.

Esto se debe al hecho de que, incluso en flujo turbulento , hay una capa de película de fluido estancada (subcapa laminar) que aísla la superficie del intercambiador de calor. Esta capa de película de fluido estancada juega un papel crucial para el coeficiente de transferencia de calor por convección. Se observa que el fluido se detiene completamente en la superficie y asume una velocidad cero en relación con la superficie. Este fenómeno se conoce como la condición antideslizante y, por lo tanto, en la superficie, el flujo de energía ocurre puramente por conducción. Pero en las siguientes capas se producen movimientos de conducción y difusión de masa en el nivel molecular o macroscópico. Debido al movimiento de masa, la tasa de transferencia de energía es mayor. Como fue escrito,La ebullición de nucleados en la superficie altera efectivamente esta capa estancada y, por lo tanto, la ebullición de nucleados aumenta significativamente la capacidad de una superficie para transferir energía térmica al fluido a granel.