En el estudio de la transferencia de calor , el flujo de calor crítico ( CHF ) es el flujo de calor en el que la ebullición deja de ser una forma eficaz de transferir calor de una superficie sólida a un líquido .
Los sistemas de ebullición son aquellos en los que el refrigerante líquido absorbe energía de una superficie sólida calentada y sufre un cambio de fase . En los sistemas de ebullición de flujo, el fluido saturado avanza a través de una serie de regímenes de flujo a medida que aumenta la calidad del vapor. En sistemas que utilizan ebullición, la tasa de transferencia de calor es significativamente mayor que si el fluido fuera 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 jugado un papel importante en procesos industriales de transferencia de calor, como intercambiadores de transferencia de calor macroscópicos en centrales nucleares y fósiles, y en dispositivos microscópicos de transferencia de calor, como tubos de calor y microcanales para enfriar chips electrónicos .
El uso de la ebullición como medio de eliminación de calor está limitado por una condición llamada flujo de calor crítico (CHF). El problema más grave que puede ocurrir con el CHF es que la temperatura de la superficie calentada puede aumentar dramáticamente debido a una reducción significativa en la transferencia de calor. En aplicaciones industriales como refrigeración de dispositivos electrónicos o instrumentación en el espacio, el aumento repentino de temperatura puede comprometer la integridad del dispositivo.
La transferencia de calor por convección entre una pared uniformemente calentada y el fluido de trabajo se describe mediante la ley de enfriamiento de Newton :
donde representa el flujo de calor, representa la constante proporcional llamada 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 .
La comprensión del fenómeno CHF y una predicción precisa de su condición 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 ha sido investigado extensamente a lo largo de el mundo desde que Nukiyama lo caracterizó por primera vez. [1] En 1950, Kutateladze sugirió la teoría hidrodinámica de la crisis del agotamiento. [2] Gran parte del trabajo significativo se ha realizado durante las últimas décadas con el desarrollo de reactores nucleares refrigerados por agua . Ahora se comprenden bien muchos aspectos del fenómeno y se dispone de varios modelos de predicción fiables para condiciones de intereses comunes.
El uso del término flujo de calor crítico (CHF) no es consistente entre los autores. [3] La Comisión Reguladora Nuclear de los Estados Unidos ha sugerido utilizar el término “transición de ebullición crítica” (CBT) para indicar el fenómeno asociado con una reducción significativa en la transferencia de calor de dos fases. [4] Para una sola especie, la fase líquida generalmente tiene propiedades de transferencia de calor considerablemente mejores que la fase de vapor, es decir, la conductividad térmica. Entonces, en general, la TCC es el resultado de cierto grado de deficiencia de líquido en una posición local a lo largo de una superficie calentada. Los dos mecanismos que resultan en alcanzar la CBT son: salida de la ebullición nucleada (DNB) y secado de la película líquida.
DNB
La desviación de la ebullición nucleada (DNB) se produce en flujos subenfriados y regímenes de flujo burbujeante. DNB ocurre cuando muchas burbujas cerca de la superficie calentada se fusionan e impiden que el líquido local alcance la superficie. La masa de vapor entre la superficie calentada y el líquido local puede denominarse manto de vapor.
Secar
Secado significa la desaparición de líquido en la superficie de transferencia de calor lo que da como resultado la CBT. El secado de la película líquida ocurre en flujo anular. [3] 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 corte en la interfaz líquido-vapor impulsa el flujo de la película líquida a lo largo de la superficie calentada. En general, el HTC de dos fases aumenta a medida que disminuye el espesor de la película líquida. Se ha demostrado que el proceso ocurre en muchos casos de eventos de sequía, que abarcan una duración finita y son locales de una posición. [3] El CBT ocurre cuando la fracción de tiempo que una posición local está sujeta a sequía se vuelve significativa. [3] 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 [1]. Muchos eventos de sequía (cientos o miles) que ocurren en secuencia son el mecanismo para una reducción significativa en la TCC de sequía asociada a la transferencia de calor. [3]
Post-CHF
Post-CHF se utiliza 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 gotas dispersas, un núcleo líquido continuo o una transición entre los dos primeros casos. El possecado se puede utilizar específicamente para denotar el deterioro de la transferencia de calor en la condición en la que el líquido está solo en forma de gotas dispersas, y denotar los otros casos con el término Post-DNB. [5]
El flujo de calor crítico es un punto importante en la curva de ebullición y puede ser deseable operar un proceso de ebullición cerca de este punto. Sin embargo, se podría tener cuidado de no disipar calor en exceso de esta cantidad. Zuber, [6] a través de un análisis de estabilidad hidrodinámica del problema ha desarrollado una expresión para aproximar este punto.
Unidades: flujo crítico: kW/m 2 ; h fg : kJ/kg; σ: N/m; ρ: kg/ m3 ; gramos: m/ s2 .
Es independiente del material de la superficie y depende débilmente de la geometría de la superficie calentada descrita por la constante C. Para grandes cilindros horizontales, esferas y grandes superficies finitas calentadas, el valor de la constante de Zuber . 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 que conduce a 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 a cero, convirtiéndolos en las fuentes dominantes de dependencia de la presión. [7]
Para agua a 1 atm, la ecuación anterior calcula un flujo de calor crítico de aproximadamente 1000 kW/m 2 .
![{\displaystyle {\frac {q}{A_{\text{max}}}}=Ch_{fg}\rho _{v}\left[{\frac {\sigma g\left(\rho _{L} -\rho _{v}\right)}{\rho _{v}^{2}}}\right]^{\frac {1}{4}}(1+\rho _{v}/\rho _ {L})}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3ccd6c6552bb892e1cfe02bdcedbdd69c9eb096a)
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