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.
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.
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 nuclear, desviación 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.
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