Ebullición nucleada

En termodinámica de fluidos , la ebullición nucleada es un tipo de ebullición que ocurre cuando la temperatura de la superficie es mayor que la temperatura del fluido saturado en cierta cantidad, pero donde el flujo de calor es menor que el 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 ( TS ) 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 la que ocurre en la ebullición en película .  

La ebullición nucleada es común en los hervidores eléctricos y es la responsable del ruido que se produce antes de que el agua hierva. También ocurre en los calentadores de agua donde el agua se calienta rápidamente.

En el rango de ebullición nucleada, se pueden distinguir dos regímenes diferentes. Cuando la diferencia de temperatura se encuentra entre aproximadamente 4 y 10 °C (7,2 y 18,0 °F) por encima de T _S , se forman burbujas aisladas en los puntos de nucleación que se separan de la superficie. Esta separación induce una considerable mezcla del fluido cerca de la superficie, lo que aumenta 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 produce por transferencia directa desde la superficie al líquido en movimiento en la superficie, y no a través de las burbujas de vapor que ascienden 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, la mayor formación de burbujas provoca interferencia y coalescencia entre ellas . En esta región, el vapor escapa en forma de chorros o columnas que posteriormente se fusionan formando tapones de vapor.  

La interferencia entre las burbujas densamente agrupadas inhibe el movimiento del líquido cerca de la superficie. Esto se observa en el gráfico como un cambio en la dirección de la pendiente de la curva o un punto de inflexión en la curva de ebullición. A partir de este punto, el coeficiente de transferencia de calor comienza a disminuir a medida que aumenta la temperatura superficial, aunque el producto del coeficiente de transferencia de calor y la diferencia de temperatura (el flujo de calor) continúa aumentando.

Cuando el aumento relativo de la diferencia de temperatura se equilibra con la reducción relativa del coeficiente de transferencia de calor, se alcanza un flujo de calor máximo, como se observa en el pico de la gráfica. Este es el flujo de calor crítico. En este punto, se forma una cantidad considerable de vapor, lo que dificulta que el líquido humedezca continuamente la superficie para recibir calor. Esto provoca una disminución del flujo de calor a partir de este punto. En casos extremos, se observa la ebullición en película, comúnmente conocida como efecto Leidenfrost .

El proceso de formación de burbujas de vapor dentro del líquido en microcavidades adyacentes a la pared ocurre cuando la temperatura de la pared en la superficie de transferencia de calor supera la temperatura de saturación, mientras que el resto del líquido ( intercambiador de calor ) se encuentra subenfriado . Las burbujas crecen hasta alcanzar un tamaño crítico, momento en el que se separan de la pared y son arrastradas hacia la corriente principal del fluido . Allí, las burbujas colapsan debido a que la temperatura del fluido no es tan alta como en la superficie de transferencia de calor, donde se originaron. Este colapso también es responsable del sonido que produce una tetera eléctrica durante el calentamiento, antes de alcanzar la temperatura de ebullición.

La transferencia de calor y de masa durante la ebullición nucleada tiene un efecto significativo en la tasa de transferencia de calor. Este proceso de transferencia de calor ayuda a disipar de forma rápida y eficiente la energía generada en la superficie de transferencia de calor y, por lo tanto, a veces resulta deseable, por ejemplo, en centrales nucleares , donde se utiliza un líquido como refrigerante .

Los efectos de la ebullición nucleada tienen lugar en dos sitios:

• la interfaz de pared líquida
• la interfaz burbuja-líquido

El proceso de ebullición nucleada tiene una naturaleza compleja. Un número limitado de estudios experimentales ha aportado información valiosa sobre el fenómeno de la ebullición; sin embargo, estos estudios han proporcionado datos a menudo contradictorios debido a recálculos internos (el estado de caos en el fluido no se ajusta a los métodos de cálculo termodinámicos clásicos , lo que da lugar a valores de retorno erróneos) y aún no han proporcionado conclusiones definitivas para desarrollar modelos y correlaciones. El fenómeno de la ebullición nucleada todavía 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 ].}

${\displaystyle \mathrm {Nu} _{b}=C_{fc}(\mathrm {Re} _{b},\mathrm {Pr} _{L})}$

Donde Nu es el número de Nusselt , definido como:

${\displaystyle \mathrm {Nu} _{b}={\frac {(q/A)D_{b}}{(T_{s}-T_{\mathrm {sat} })k_{L}}}}$

dónde:

• q / A es el flujo de calor total,
• D _b es el diámetro máximo de la burbuja cuando abandona la superficie,
• T _s – T _sat es la temperatura en exceso,
• k _L es la conductividad térmica del líquido,
• Pr _L es el número de Prandtl del líquido,
• Re _b es el número de Reynolds de la burbuja ,${\displaystyle \mathrm {Re} _{b}={\tfrac {D_{b}G_{b}}{\mu _{L}}},}$dónde:
  • G _b es la velocidad másica promedio del vapor que abandona la superficie.
  • μL _es la viscosidad del líquido .

Rohsenow ha desarrollado la primera y más utilizada correlación para la ebullición nucleada, ^{[ 3 ].}

${\displaystyle {\frac {q}{A}}=\mu _{L}h_{fg}\left[{\frac {g(\rho _{L}-\rho _{v})}{\sigma }}\right]^{\frac {1}{2}}\left[{\frac {c_{pL}\left(T_{s}-T_{\mathrm {sat} }\right)}{C_{sf}h_{fg}\mathrm {Pr} _{L}^{n}}}\right]^{3}}$

dónde:

• c _pL es el calor específico del líquido,
• C _sf es la combinación de fluido y superficie y varía para diversas combinaciones de fluido y superficie,
• σ es la tensión superficial de la interfaz líquido-vapor.

La variable n depende de la combinación de fluidos superficiales 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 un n de 1,0.

Si el flujo de calor de un sistema de ebullición es mayor que el flujo de calor crítico (CHF) del sistema, el fluido puede hervir, o en algunos casos, pueden hervir regiones del fluido donde este se desplaza por canales pequeños. De esta forma, se forman grandes burbujas que, en ocasiones, bloquean el paso del fluido. Esto da lugar a 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 drásticamente. El vapor aísla esencialmente el líquido de la superficie caliente. ^{[ 4 ]}

Durante la ebullición nucleada dinámica (DNB), la temperatura superficial debe aumentar sustancialmente por encima de la temperatura del fluido principal para mantener un flujo de calor elevado. Evitar el flujo crítico de calor (CHF) es un problema de ingeniería en aplicaciones de transferencia de calor, como los reactores nucleares , donde las placas de combustible no deben sobrecalentarse. La DNB puede evitarse en la práctica aumentando la presión del fluido, incrementando su caudal o utilizando un fluido principal a menor temperatura con un CHF más alto. Sin embargo, si la temperatura del fluido principal es demasiado baja o la presión del fluido es demasiado alta, la ebullición nucleada no es posible.

La ebullición de transición (DNB) también se conoce como ebullición de transición , ebullición de película inestable y ebullición de película parcial . Para la ebullición del agua, 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 de la 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 de película es el punto de Leidenfrost .  

Durante la ebullición transitoria 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 ebullición en película y ebullición nucleada, pero la fracción de la superficie total cubierta por la película aumenta con la diferencia de temperatura. Dado que 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 disminuyen con el aumento de la diferencia de temperatura.

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