curva de enfriamiento es un gráfico de líneas que representa el cambio de fase de la materia , típicamente de un gas a un sólido o de un líquido a un sólido. La variable independiente (eje X) es el tiempo y la variable dependiente (eje Y) es la temperatura. [1] A continuación se muestra un ejemplo de una curva de enfriamiento utilizada en piezas fundidas .
El punto inicial del gráfico es la temperatura de inicio de la materia, aquí anotada como la "temperatura de vertido". Cuando ocurre el cambio de fase hay un "paro térmico", es decir, la temperatura se mantiene constante. Esto se debe a que la materia tiene más energía interna como líquido o gas que en el estado en que se está enfriando. La cantidad de energía requerida para un cambio de fase se conoce como calor latente . La "tasa de enfriamiento" es la pendiente de la curva de enfriamiento en cualquier punto.
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 las burbujas que se forman en una superficie metálica utilizada para calentar el agua ), que disminuye repentinamente la eficiencia de la transferencia de calor , lo que provoca un sobrecalentamiento localizado del 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 la llama o arder sin llama de encendido).
Descripción [ editar ]
Cuando el refrigerante líquido experimenta un cambio en la 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 rápida mezcla del fluido . Por lo tanto, la transferencia de calor en ebullición ha jugado un papel importante en los procesos de transferencia de calor industrial , como la transferencia de calor macroscópicaintercambiadores en centrales nucleares y de energía 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 abandono de la ebullición nucleada (DNB). El problema más serio es que la limitación de la ebullición puede estar directamente relacionada con el desgaste físico de los materiales de una superficie calentada debido a la repentina transferencia de calor ineficiente a través de una película de vaporformada a través de la superficie como resultado del reemplazo de líquido por vapor adyacente a la Superficie calefaccionada.
En consecuencia, la aparición de ICC está acompañada por un aumento desmedido en la temperatura de la superficie para un sistema controlado por flujo de calor de superficie. De lo contrario, se produce una disminución excesiva de la velocidad de transferencia de calor para un sistema controlado por temperatura de superficie. 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 CHF, aumentará para fijo y mientras disminuirá para fijo .
Correlaciones [ editar ]
El flujo de calor crítico es un punto importante en la curva de ebullición y puede ser conveniente operar un proceso de ebullición cerca de este punto. Sin embargo, uno podría tener cuidado de disipar el 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.
![{{\ frac {q} {A_ {max}}}} = C {{h} _ {fg}} {{\ rho} _ {v}} {{\ left [\ frac {\ sigma g \ left ( {{\ rho} _ {L}} - {{\ rho} _ {v}} \ right)} {{{\ rho} _ {v}} ^ {2}} \ right]} ^ {{} ^ {1} \! \! \ Diagup \! \! {} _ {4} \;}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1036cc4c2bb8993f45ff8c2328be3bf077b40cfb)
Unidades SI: flujo crítico kW / m2 hfg kJ / kg sigma N / m rho kg / m3 gm / s2.
Es independiente del material de la superficie y depende débilmente de la geometría de la superficie calentada descrita por la constante C. Para los cilindros horizontales grandes, las esferas y las superficies calentadas finitas grandes, el valor de la constante Zuber . Para placas horizontales grandes, un valor dees mas adecuado El flujo de calor crítico depende fuertemente de la presión. A bajas presiones (incluida la presión atmosférica), la dependencia de la presión es principalmente a través del cambio en la densidad del vapor que conduce a un aumento en el 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 las convierte en las fuentes dominantes de dependencia de la presión. [2]
Para el agua a 1atm, la ecuación anterior calcula un flujo de calor crítico de aproximadamente 1000 kW / m2.
Aplicaciones en la transferencia de calor [ editar ]
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 El mundo desde que Nukiyama lo caracterizó por primera vez. [3] En 1950, Kutateladzesugirió 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 enfriados por agua. Ahora se comprenden bien muchos aspectos del fenómeno y existen varios modelos de predicción confiables para condiciones de intereses comunes.
Terminología [ editar ]
Se utilizan varios términos diferentes para denotar la condición de CHF: salida de ebullición nucleada (DNB), secado de película líquida (LFD), secado de película anular (AFD), secado (OD), agotamiento (BO), crisis de ebullición (BC) , transición en ebullición (BT), etc. DNB, LFD y AFD representan mecanismos específicos que se presentarán 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 la sequedad 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 la CHF) es la más utilizada hoy en día, aunque puede inducir a error al pensar que existe una criticidad en el flujo de calor. Los términos que denotan el valor del flujo de calor en el momento de la ICC son CHF, flujo de calor de secado, flujo de calor de agotamiento, flujo de calor máximo, flujo de calor DNB, etc.
El término flujo máximo de calor de ebullición de la piscina también se usa para denotar 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 rociado dispersado de gotas, núcleo líquido continuo o transición entre los dos primeros casos. Post-Dryout puede usarse específicamente para denotar el deterioro de la transferencia de calor en la condición de que el líquido solo está en forma de gotitas dispersas, y denotar los otros casos por el término Post-DNB.
línea crítica es el equivalente dimensional superior de un punto crítico . [1] Es el lugar de los puntos críticos contiguos en un diagrama de fase . Estas líneas no pueden aparecer para una sola sustancia debido a la regla de fase , pero pueden observarse en sistemas con más variables, como mezclas. Dos líneas críticas pueden encontrarse y terminar en un punto tricrítico .
Un crióforo es un recipiente de vidrio que contiene agua líquida y vapor de agua . Se utiliza en cursos de física para demostrar la congelación rápida por evaporación . Un crióforo típico tiene una bombilla en un extremo conectada a un tubo del mismo material. Cuando el agua líquida se manipula en el extremo abombado y el otro extremo se sumerge en una mezcla de congelación (como el nitrógeno líquido ), la presión del gas disminuye a medida que se enfría. El agua líquida comienza a evaporarse, produciendo más vapor de agua. La evaporación hace que el agua se enfríe rápidamente a su punto de congelación y se solidifica repentinamente. [nota 1]
No hay comentarios:
Publicar un comentario