Agua hirviendo
El agua es una sustancia transparente y casi incolora compuesta por los elementos químicos hidrógeno y oxígeno , que están conectados por enlaces covalentes . En la Tierra, el agua existe en estado gaseoso ( vapor o vapor de agua ), líquido y sólido (hielo). Es uno de los compuestos más abundantes y esenciales y es el componente principal de las corrientes, lagos y océanos de la Tierra, y los fluidos de la mayoría de los organismos vivos. Es vital para todas las formas de vida conocidas.
Además de ser esencial para la vida, el agua es una sustancia notable con muchas propiedades sorprendentes.
- Es el único compuesto químico que ocurre naturalmente en los tres estados físicos : gaseoso (vapor o vapor de agua), líquido y sólido (hielo).
- Es el único líquido inorgánico que ocurre naturalmente en la Tierra.
- El agua también difiere de la mayoría de los líquidos en que se vuelve menos densa a medida que se congela . Tiene un máximo de densidad a 3.98 ° C (1000 kg / m 3 ), mientras que la densidad del hielo es de 917 kg / m 3 . Difiere en aproximadamente un 9% y, por lo tanto, el hielo flota en agua líquida
- El agua tiene el calor específico más alto de cualquier sustancia común: 4.19 kJ / kg K.
- Tiene un calor de vaporización muy alto, lo que lo convierte en un refrigerante y medio efectivo en centrales térmicas y otras industrias energéticas.
Fuente: wikipedia.org CC BY-SA
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.
Modos de ebullición – Tipos de ebullición
Desde un punto de vista práctico de ingeniería, la ebullición se puede clasificar de acuerdo con varios criterios .
Categorización por el régimen de flujo:
- Piscina hirviendo . Quizás la configuración más común, conocida como ebullición de piscinas es cuando una piscina de líquido se calienta desde abajo a través de una superficie horizontal. En la ebullición de la piscina, el líquido está inactivo y su movimiento cerca de la superficie se debe principalmente a la convección natural y a la mezcla inducida por el crecimiento y desprendimiento de la burbuja. El trabajo pionero sobre la ebullición de la piscina fue realizado en 1934 por S. Nukiyama. Fue el primero en identificar cuatro regímenes bien conocidos de ebullición de piscinas utilizando su aparato.
Flujo de ebullición. En ebullición de flujo (o ebullición por convección forzada), el flujo de fluido se fuerza sobre una superficie por medios externos como una bomba , así como por efectos de flotabilidad. Por lo tanto, la ebullición del flujo siempre va acompañada de otros efectos de convección. Las condiciones dependen en gran medida de la geometría, que puede involucrar flujo externo sobre placas y cilindros calentados o flujo interno (conducto). En los reactores nucleares , la mayoría de los regímenes de ebullición son solo ebullición por convección forzada.
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. Él notó 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
Descripción de los modos de ebullición :
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. 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 .
Nucleate Hervir. El tipo más común de ebullición local que se encuentra en las instalaciones nucleares es la ebullición nucleada . En la ebullición nucleada , se forman burbujas de vapor en la superficie de transferencia de calor y luego se desprenden 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. 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.
Transición de ebullición. El flujo de calor de ebullición nucleado no se puede aumentar indefinidamente. En algún 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.
Película hirviendo. Un aumento adicional en el flujo de calor hace que una película de vapor cubra la superficie. Esto reduce significativamente el coeficiente de convección, ya que la capa de vapor tiene una capacidad de transferencia de calor significativamente menor. Como resultado, el exceso de temperatura se dispara a un valor muy alto. Más allá del punto de Leidenfrost , una película de vapor continua cubre la superficie y no hay contacto entre la fase líquida y la superficie. En esta situación, la transferencia de calor es tanto por radiación como por conducción al vapor. Si el material no es lo suficientemente fuerte como para soportar esta temperatura, el equipo fallará por daños al material. Este fenómeno también se conoce como agotamiento. En los reactores de agua a presión, uno de los requisitos clave de seguridad (tal vez el más importante) es que no se producirá un alejamiento de la ebullición nucleada ( DNB ) durante la operación en estado estable, transitorios operativos normales y sucesos operativos anticipados (AOO). La integridad del revestimiento de combustible se mantendrá si el DNBR mínimo permanece por encima del límite de 95/95 DNBR para PWR (una probabilidad del 95% a un nivel de confianza del 95%). Dado que este fenómeno deteriora el coeficiente de transferencia de calor y el flujo de calor permanece, el calor se acumula en la barra de combustible causando un aumento dramático del revestimiento y la temperatura del combustible.. Simplemente, se requiere una diferencia de temperatura muy alta para transferir el flujo de calor crítico que se produce desde la superficie de la barra de combustible al refrigerante del reactor (a través de la capa de vapor).
Categorización por la temperatura de subenfriamiento, ΔT sub .
La ebullición también se puede clasificar según si está subenfriada o saturada:
- Ebullición subenfriada. En ebullición subenfriada , la temperatura de la mayoría del líquido está por debajo de la temperatura de saturación y las burbujas formadas en la superficie pueden condensarse en el líquido. Esta condensación (colapso) produce un sonido de frecuencia ~ 100Hz – 1 KHz. Es por eso que una tetera eléctrica hace el mayor ruido antes de que el agua llegue a ebullición saturada. El término subenfriamiento se refiere a un líquido que existe a una temperatura por debajo de su punto de ebullición normal.
- Ebullición saturada . En ebullición saturada (conocida también como ebullición en masa ), la temperatura del líquido excede ligeramente la temperatura de saturación. La ebullición masiva puede ocurrir cuando la temperatura del sistema aumenta o la presión del sistema cae al punto de ebullición. En este punto, las burbujas que ingresan al canal de refrigerante no colapsarán. Las burbujas tenderán a unirse y formar burbujas de vapor más grandes. Luego, las burbujas de vapor son impulsadas a través del líquido por fuerzas de flotabilidad, que eventualmente escapan de una superficie libre.
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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.
