En el estudio de la transferencia de calor, el «flujo crítico de calor» (CHF) es el flujo de calor en el que la ebullición deja de ser una forma eficaz de transferir calor desde una superficie sólida a un líquido.

Descripción miniatura|Progresión del régimen de ebullición por flujo (arriba) y descripción cualitativa de la transferencia de calor (abajo). Los sistemas de ebullición son aquellos en los que el líquido refrigerante absorbe energía de una superficie sólida calentada y sufre un cambio de fase. En los sistemas de ebullición por flujo, el fluido saturado progresa a través de una serie de regímenes de flujo a medida que aumenta la calidad del vapor. En los sistemas que utilizan la ebullición, la tasa de transferencia de calor es significativamente mayor que si el fluido fuera de una sola fase (es decir, todo líquido o todo vapor). La transferencia de calor más eficiente desde la superficie calentada se debe al calor de vaporización y al calor sensible. Por lo tanto, la «transferencia de calor por ebullición» ha desempeñado un papel importante en los procesos industriales de transferencia de calor, como los intercambiadores de calor macroscópicos en centrales nucleares y fósiles, y en dispositivos de transferencia de calor microscópicos, como tubos de calor y microcanales para refrigerar chips electrónicos de circuitos integrados. El uso de la ebullición como medio de eliminación de calor está limitado por una condición denominada «flujo crítico de calor (CHF)». El problema más grave que puede producirse en torno al CHF es que la temperatura de la superficie calentada puede aumentar drásticamente debido a una reducción significativa de la transferencia de calor. En aplicaciones industriales como la refrigeración de dispositivos electrónicos o la instrumentación espacial, el aumento repentino de la temperatura puede comprometer la integridad del dispositivo. Transferencia de calor en dos fases La transferencia de calor por convección entre una pared calentada uniformemente y el fluido de trabajo se describe mediante la ley de enfriamiento de Newton:

donde representa el flujo de calor, representa la constante de proporcionalidad denominada 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 y fijos, mientras que disminuirá para fijo. Modos de CHF La comprensión del fenómeno CHF y una predicción precisa de la condición CHF son importantes para el diseño seguro y económico de muchas unidades de transferencia de calor, incluyendo reactores nucleares, calderas de combustibles fósiles, reactores de fusión, chips electrónicos, etc. Por lo tanto, el fenómeno ha sido investigado exhaustivamente en todo el mundo desde que Nukiyama lo caracterizó por primera vez. En 1950, Kutateladze sugirió la teoría hidrodinámica de la crisis de quemado. Durante las últimas décadas se ha realizado un importante trabajo con el desarrollo de reactores nucleares refrigerados por agua. Ahora se comprenden bien muchos aspectos del fenómeno y se dispone de varios Modelo conceptual de predicción fiables para condiciones de interés común.

El uso del término «flujo térmico crítico» (CHF) no es uniforme entre los autores. La Comisión Reguladora Nuclear de los Estados Unidos ha sugerido utilizar el término «transición crítica de ebullición» (CBT) para indicar el fenómeno asociado con una reducción significativa en la transferencia de calor bifásico. Para una sola especie, la fase líquida suele tener propiedades de transferencia de calor considerablemente mejores que la fase vapor, concretamente la conductividad térmica. Por lo tanto, en general, la CBT es el resultado de un cierto grado de deficiencia de líquido en una posición local a lo largo de una superficie calentada. Los dos mecanismos que dan lugar a la CBT son: la desviación de la ebullición nucleada (DNB) y el secado de la película líquida.

DNB

La desviación de la ebullición nucleada (DNB) se produce en flujos subenfriados y regímenes de flujo burbujeante. La DNB se produce cuando muchas burbujas cercanas a la superficie calentada se fusionan e impiden que el líquido local llegue a la superficie. La masa de vapor entre la superficie calentada y el líquido local puede denominarse manta de vapor.

Secado miniatura|Figura de Morse et al. (2021) El secado significa la vaporización local del líquido en una superficie calentada. El secado de la película líquida se produce en el flujo anular. El flujo anular se caracteriza por un núcleo de vapor, una película líquida en la pared y gotas de líquido arrastradas dentro del núcleo. El cizallamiento en la interfaz líquido-vapor impulsa el flujo de la película líquida a lo largo de la superficie calentada. En general, el HTC bifásico aumenta a medida que disminuye el espesor de la película líquida. Se ha demostrado que el proceso se produce en muchos casos de eventos de secado, que tienen una distancia finita y son locales en una posición. El CBT se produce cuando la fracción de tiempo en que una posición local está sujeta a secado se vuelve significativa. Un solo evento de secado, o incluso varios eventos de secado, pueden ir seguidos de períodos de contacto sostenido entre la película líquida y la región previamente seca. Muchos eventos de secado (cientos o miles) que se producen en secuencia son el mecanismo que provoca una reducción significativa del CBT de secado asociado a la transferencia de calor. Descripción analítica del secado La película se compone de dos campos: la película base y las ondas de perturbación. Utilizando los principios fundamentales mediante un balance energético en un elemento diferencial en la región de la película base de la onda se puede obtener fácilmente una descripción analítica del flujo de calor de secado. Supongamos que el flujo de calor debe ser tal que la película base se vaporice en el mismo instante en que llega una nueva.

Suponiendo que toda la energía transferida desde la superficie calentada al fluido saturado se utiliza para la vaporización, Morse et al. muestran que el CHF de secado, , se puede calcular como:

donde es la densidad de la fase líquida en saturación en kg/m, es la entalpía de vaporización en J/kg , es la frecuencia de la onda de perturbación en Hz, y es el espesor de la película base en metros. Correlaciones para DNB

Existen muchas correlaciones que intentan predecir el flujo crítico de calor de tipo DNB. Esto se debe a la falta de acuerdo sobre el mecanismo físico en toda la bibliografía disponible. Uno de los primeros en investigar el CHF de tipo DNB y producir una correlación fue Zuber, mediante un análisis de estabilidad hidrodinámica del problema, ha desarrollado una expresión para aproximar este punto.

donde es la tensión superficial y la aceleración debida a la gravedad en la superficie terrestre. Es independiente del material de la superficie y depende ligeramente de la geometría de la superficie calentada, descrita por la constante C. Para cilindros horizontales grandes, esferas y superficies calentadas finitas grandes, el valor de la constante de Zuber es . Para placas horizontales grandes, es más adecuado un valor de .

El flujo de calor crítico depende en gran medida de la presión. A bajas presiones (incluida la presión atmosférica), la dependencia de la presión se debe principalmente al cambio en la densidad del vapor, lo que provoca un aumento del 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 en cero, lo que las convierte en las fuentes dominantes de dependencia de la presión.

Para el agua a 1atm, la ecuación anterior calcula un flujo térmico crítico de aproximadamente 1000 kW/m.

Post-CHF

Post-CHF se utiliza para denotar el deterioro general de la transferencia de calor en el proceso de ebullición en flujo, y el líquido podría estar en forma de pulverización dispersa de gotas, núcleo líquido continuo o transición entre los dos casos anteriores. Post-dryout se puede utilizar específicamente para denotar el deterioro de la transferencia de calor en la condición en la que el líquido solo está en forma de gotas dispersas, y denotar los otros casos con el término Post-DNB.Yu, D., Feuerstein, F., Koeckert, L. y Cheng, X. (2018). Análisis y modelización de la transferencia de calor post-dryout en flujo vertical ascendente. Annals of Nuclear Energy, 115, 186-194.

Véase también Efecto Leidenfrost Cavitación Transferencia de calor Sonoluminiscencia

Referencias

Exnlaces externos Modeling of the boiling crisis

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