En termodinámica de fluidos , la ebullición nucleada es un tipo de ebullición que tiene lugar cuando la temperatura de la superficie es más alta que la temperatura del fluido saturado en una cierta cantidad, pero donde el flujo de calor está por debajo del flujo de calor crítico . Para el agua, como se muestra en el gráfico a continuación, la ebullición nucleada ocurre cuando la temperatura de la superficie es mayor que la temperatura de saturación ( T S ) entre 10 y 30 °C (18 y 54 °F). El flujo de calor crítico es el pico en la curva entre la ebullición nucleada y la ebullición de transición. La transferencia de calor de la superficie al líquido es mayor que en la ebullición de película .
La ebullición nucleada es común en los hervidores eléctricos y es responsable del ruido que se produce antes de que se produzca la ebullición. También ocurre en calderas de agua donde el agua se calienta rápidamente.
Se pueden distinguir dos regímenes diferentes en el rango de ebullición nucleada. Cuando la diferencia de temperatura está entre aproximadamente 4 y 10 °C (7,2 a 18,0 °F) por encima de TS , se forman burbujas aisladas en los sitios de nucleación y se separan de la superficie. Esta separación induce una considerable mezcla de fluidos cerca de la superficie, aumentando sustancialmente el coeficiente de transferencia de calor por convección y el flujo de calor. En este régimen, la mayor parte de la transferencia de calor se realiza mediante transferencia directa desde la superficie al líquido en movimiento en la superficie y no a través de burbujas de vapor que se elevan desde la superficie.
Entre 10 y 30 °C (18 y 54 °F) por encima de T S , se puede observar un segundo régimen de flujo. A medida que se activan más sitios de nucleación, una mayor formación de burbujas provoca interferencia y coalescencia de las burbujas . En esta zona el vapor se escapa en forma de chorros o columnas que posteriormente se fusionan formando tapones de vapor.
La interferencia entre las burbujas densamente pobladas inhibe el movimiento del líquido cerca de la superficie. Esto se observa en el gráfico como un cambio en la dirección del gradiente de la curva o una inflexión en la curva de ebullición. Después de este punto, el coeficiente de transferencia de calor comienza a reducirse a medida que la temperatura de la superficie aumenta aún más, aunque el producto del coeficiente de transferencia de calor y la diferencia de temperatura (el flujo de calor) sigue aumentando.
Cuando el aumento relativo en la diferencia de temperatura se equilibra con la reducción relativa en el coeficiente de transferencia de calor, se logra un flujo de calor máximo como se observa en el pico en el gráfico. Este es el flujo de calor crítico. En este punto máximo, se forma una cantidad considerable de vapor, lo que dificulta que el líquido moje continuamente la superficie para recibir calor de la superficie. Esto hace que el flujo de calor se reduzca después de este punto. En los extremos, se observa una película de ebullición comúnmente conocida como efecto Leidenfrost .
El proceso de formación de burbujas de vapor dentro del líquido en microcavidades adyacentes a la pared si la temperatura de la pared en la superficie de transferencia de calor aumenta por encima de la temperatura de saturación mientras la mayor parte del líquido ( intercambiador de calor ) está subenfriado . Las burbujas crecen hasta alcanzar un tamaño crítico, momento en el que se separan de la pared y son transportadas a la corriente de fluido principal . Allí las burbujas colapsan porque la temperatura del fluido a granel no es tan alta como en la superficie de transferencia de calor, donde se crearon las burbujas. Este colapso también es responsable del sonido que produce un hervidor de agua durante el calentamiento, pero antes de la temperatura a la que se alcanza la ebullición total.
La transferencia de calor y la transferencia de masa durante la ebullición nucleada tienen un efecto significativo sobre la tasa de transferencia de calor. Este proceso de transferencia de calor ayuda a eliminar rápida y eficientemente la energía creada en la superficie de transferencia de calor y, por lo tanto, a veces es deseable, por ejemplo en las centrales nucleares , donde se utiliza líquido como refrigerante .
Los efectos de la ebullición nucleada tienen lugar en dos lugares:
El proceso de ebullición nucleada tiene una naturaleza compleja. Un número limitado de estudios experimentales proporcionaron información valiosa sobre el fenómeno de ebullición; sin embargo, estos estudios proporcionaron datos a menudo contradictorios debido a recálculos internos (el estado de caos en el fluido no se aplica a los métodos de cálculo termodinámicos clásicos , por lo que arrojan valores de retorno incorrectos) y no han proporcionó hallazgos concluyentes aún por desarrollar modelos y correlaciones. El fenómeno de la ebullición nucleada aún requiere una mayor comprensión. [1]
El régimen de ebullición nucleada es importante para los ingenieros debido a los altos flujos de calor posibles con diferencias de temperatura moderadas. Los datos se pueden correlacionar mediante una ecuación de la forma [2]
Donde Nu es el número de Nusselt , definido como:
dónde:
Rohsenow ha desarrollado la primera y más utilizada correlación para la ebullición nucleada, [3]
dónde:
La variable n depende de la combinación de fluidos de la superficie y normalmente tiene un valor de 1,0 o 1,7. Por ejemplo, el agua y el níquel tienen un C sf de 0,006 y una n de 1,0.
Si el flujo de calor de un sistema en ebullición es mayor que el flujo de calor crítico (CHF) del sistema, el fluido a granel puede hervir o, en algunos casos, pueden hervir regiones del fluido a granel donde el fluido viaja en pequeños canales. Se forman así grandes burbujas que a veces bloquean el paso del líquido. Esto da como resultado una desviación de la ebullición nucleada ( DNB ), en la que las burbujas de vapor ya no se desprenden de la superficie sólida del canal, las burbujas dominan el canal o la superficie y el flujo de calor disminuye dramáticamente. El vapor esencialmente aísla el líquido a granel de la superficie caliente.
Por lo tanto, durante la DNB, la temperatura de la superficie debe aumentar sustancialmente por encima de la temperatura del fluido a granel para mantener un alto flujo de calor. Evitar el CHF es un problema de ingeniería en aplicaciones de transferencia de calor, como los reactores nucleares , donde no se debe permitir que las placas de combustible se sobrecalienten. El DNB se puede evitar en la práctica aumentando la presión del fluido, aumentando su caudal o utilizando un fluido a granel de menor temperatura que tenga un CHF más alto. Sin embargo, si la temperatura del fluido es demasiado baja o la presión del fluido es demasiado alta, no es posible la ebullición nucleada.
La DNB también se conoce como ebullición de transición , ebullición de película inestable y ebullición de película parcial . Para el agua que hierve como se muestra en el gráfico, la ebullición de transición ocurre cuando la diferencia de temperatura entre la superficie y el agua hirviendo es aproximadamente de 30 a 130 °C (54 a 234 °F) por encima del T S . Esto corresponde al pico alto y al pico bajo en la curva de ebullición. El punto más bajo entre la ebullición de transición y la ebullición cinematográfica es el punto de Leidenfrost .
Durante la ebullición de transición del agua, la formación de burbujas es tan rápida que comienza a formarse una película o manto de vapor en la superficie. Sin embargo, en cualquier punto de la superficie, las condiciones pueden oscilar entre la película y la ebullición nucleada, pero la fracción de la superficie total cubierta por la película aumenta al aumentar la diferencia de temperatura. Como la conductividad térmica del vapor es mucho menor que la del líquido, el coeficiente de transferencia de calor por convección y el flujo de calor se reducen al aumentar la diferencia de temperatura.
![{\displaystyle {\frac {q}{A}}=\mu _{L}h_{fg}\left[{\frac {g(\rho _{L}-\rho _{v})}{\ sigma }}\right]^{\frac {1}{2}}\left[{\frac {c_{pL}\left(T_{s}-T_{\mathrm {sat} }\right)}{C_ {sf}h_{fg}\mathrm {Pr} _{L}^{n}}}\right]^{3}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/01b007074e80d52f5423e3c2559a93e772f76a89)
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