Qué es la ebullición de la piscina – Curva de ebullición – Definición

Piscina hirviendo – Curva de ebullición

Como se escribió, 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 burbujas.

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

Estos regímenes se ilustran en la curva de ebullición de la figura, que es un gráfico del flujo de calor frente al exceso de temperatura. Aunque la curva de ebullición dada en esta figura es para agua, la forma general de la curva de ebullición sigue siendo la misma para diferentes refrigerantes. Tenga en cuenta que la forma específica de la curva depende también de los parámetros del sistema, como la presión y el caudal de refrigerante, pero es prácticamente independiente de la geometría de la superficie de calentamiento.

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 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. 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 ser equilibrado por un flujo de líquido de igual masa y esto lleva el líquido más frío a una proximidad más cercana a 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 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 “. Desde más allá del CHFSi el coeficiente de transferencia de calor disminuye, la transición a la ebullición de la película suele ser inevitable.

Crisis de ebullición: flujo de calor crítico

Como se escribió, en los reactores nucleares , las limitaciones del flujo de calor local son de la mayor importancia para la seguridad del reactor. Para los reactores de agua a presión y también para los reactores de agua en ebullición , existen fenómenos termohidráulicos, que causan una disminución repentina en la eficiencia de la transferencia de calor (más precisamente en el coeficiente de transferencia de calor ). Estos fenómenos ocurren a cierto valor del flujo de calor, conocido como el ” flujo de calor crítico “. Los fenómenos que causan el deterioro de la transferencia de calor son diferentes para los PWR y para los BWR.

En ambos tipos de reactores, el problema está más o menos asociado con la salida de la ebullición de los nucleados. 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. Inmediatamente después de alcanzar el flujo de calor crítico, la ebullición se vuelve inestable y se produce la ebullición de la película. La transición de ebullición nucleada a ebullición de película se conoce como la ” crisis de ebullición “. Como se escribió, los fenómenos que causan el deterioro de la transferencia de calor son diferentes para los PWR y para los BWR.