Transferencia de Calor

Algunas modificaciones del tubo de calor nos permiten aplicarlo de diferentes maneras. Por ejemplo, la porción aislada se puede hacer con tubo flexible para permitir arreglos de diferentes restricciones físicas. Además, se puede aplicar a circuitos mitroelectrónicos fríos, donde es importante mantener temperaturas constantes para diferentes componentes. Bajo condiciones de estado estacionario en operación, un transistor de energía que transfiere calor a la sección evaporada de un tubo de calor de mantener constante su temperatura, a la temperatura de saturación del vapor en el tubo de calor. Cuando las necesidades de calentamiento y enfriamiento se hagan cada vez más complejas, podemos esperar que se incremente el uso de tubos de calor.

El tubo de calor es un aparato novedoso capaz de transferir grandes cantidades de calor a través de áreas de sección transversal relativamente pequeñas. De hecho, un tubo de calor común transfiere alrededor de diez veces el calor que es capaz de mantener el volumen equivalente de cobre. La figura 10-5 nos muestra un tubo de calor típico. En esencia, un tubo de calor consta de un tubo cerrado alineado con un material de mecha y contiene un gas condensable. La parte central del tubo está aislada y sus dos extremos no aislados sirven respectivamente como evaporadores. En el extremo caliente, se evapora fluido y, por lo tanto, absorbe una gran cantidad de calor igual a su calor latente de evaporación. Cuando se evapora el fluido, se fuerza al vapor a través del corazón central del tubo de calor hacia el extremo frío, donde se condensa y entrega su calor latente de condensación, siempre que el extremo que se encuentra a baja temperatura, tenga una temperatura inferior a la temperatura de ...

Determine el flujo de calor unitario de arroyo de salida para ebullición en núcleos para el problema de la muestra 10-2

Tiene agua hirviendo a una razón de 40lbm/h en una tetera a la presión admosférica. El fondo de la tetera es plano, de 9 pulgadas de diámetro y de cobre. Cuál es la temperatura de la superficie del fondo de la tetera? Solución Datos: Unta tetera de cobre con fondo plano de 9 pulgadas de diámetro hierve agua a una razón de 40lbm/h o a la presión atmosferica. Objetivo: Determinar la temperatura en el fondo de la tetera Diagrama

Para determinar hTP con un flujo de calor unitario conocido, q, velocidad de masa, G y cualidad, x, debemos calcular hc y hNcB según se indica antes y sumarlos para obtener hTP.En seguida, debemos graficar el flujo de calor unitario.

Para calcular las componentes de hTP debidas a ebullición, determinamos el número de Reynolds debido a la parte líquida del flujo según.

Chen sugiere una correlación que en general se ha aceptado como una de las más adecuadas para convección forzada en dos fases. Como sugiere la ecuación (10-25), Chen supone que los dos mecanismos, de ebullición y transferencia de calor por convección, se suman y escribe la ecuación:

Como se observó al principio, usualmente la radiación juega un papel importante en la ebullición en película. Al lector interesado en el tema se la recomienda Collier para información más detallada acerca del tema. Para cerrar esta sección, observamos que si ocurre la ebullición bajo condiciones de convección forzada, tal como en flujo a través  de un tubo, se puede aproximar el flujo de calor unitario total como la suma del flujo de calor unitario debido a ebullición y el flujo de calor unitario debido a convección forzada . Esto es

Para superficies horizontales, tubos de gran calibre y alambres de pequeño diámetro no es válida la ecuación (10-22). Breen y Westwater utilizan la longitud de onda, λc, para la inestabilidad de Taylor en lugar del diámetro del tubo, di, y sugieren la siguiente ecuación para ebullición en película de superficies de tubo:

La región D de la figura 10-2 representa la ebullición en película estable, en la cual ocurre una descarga ordenada de burbujas que parte del extremo de la película. Cuando crece la temperatura de la superficie, la radiación comienza a jugar un papel importante. La mayor resistencia al flujo de calor ocurre a través de la película de vapor y ya que se establece este problema nos lleva por sí sólo directamente a una solución analítica. De muchas maneras, este problema es análogo al de la condensación por película y, por analogía directa con las relaciones correspondientes para la condensación por película, se puede determinar el coeficiente de transferencia de calor. Broomley aprovecha este hecho y desarrolla la siguiente ecuación para ebullición en pelicula laminar de un tubo horizontal.

La región C de la figura 10-2 se llama de ebullición de transición o ebullición de película parcial. Aquí la película es inestable. Alternativamente la película se forma y se rompe, debido a corrientes convectivas y fuerzas de tensión de superficie. Cuando se incrementa la temperatura, más vapor cubre la superficie, dando como resultados coeficientes de transferencia de calor pequeños y flujo de calor unitario en la superficie reducido. En estos momentos no existe una teoría adecuada para predecir la transferencia de calor en esta región. El punto c de la figura 10-2 se llama punto Leidenfrost y es la condición mínima para ebullición por película que ocurre cuando una película continua de vapor cubre a la superficie calentada. Collier presenta una correlación para el flujo de calor unitario mínimo. Sin embargo, no es adecuada para sistemas normales que contienen impurezas y donde la superficie puede exhibir algún grado de contaminación.

En muchas aplicaciones de ingeniería se prescriben en los procesos de ebullición los flujos de calor unitarios, en lugar de las temperaturas de superficie, y es importante un conocimiento del flujo de calor unitario de arroyo de salida para prevenir fallas de elementos calentadores. Específicamente, en plantas de energía nuclear, usualmente se prescribe el flujo de calor unitario del combustible radioactivo en el boiler y los ingenieros deben tener cuidado de mantener este flujo de calor unitario por debajo del nivel de arroyo de salida para evitar un serio accidente. Zuber nos da la siguiente ecuación para el flujo de calor unitario, qB, en el arroyo de salida:

Volviendo a la figura 10-3, observamos que el punto b en la figura representa la condición cúspide de flujo de calor unitario para ebullición en núcleos, que ocurre cuando la razón de generación de vapor se hace suficientemente grande para prevenir que el líquido alcance la superficie sumergida, dejándola por lo tanto cubierta con un manto de vapor. Si la superficie sumergida tiene temperatura constante, tal como se podría conseguir utilizando vapor condensado a varias presiones para calentarlo, entonces es posible pasar a las regiones C y D de la figura 10-2. Sin embargo, si la superficie sumergida está sujeta a un flujo de calor unitario constante (por ejemplo, mediante un calentamiento eléctrico), el proceso de ebullición se hace inestable y el proceso pasa súbitamente al punto d, que puede ser o no una temperatura mayor que el punto de licuación de la superficie sumergida. En consecuencia, el punto b representa el flujo de calor unitario crítico. Si el flujo de calor unitario es su...

La tabla 10-1 nos proporciona valores de Csf para varias combinaciones de superficie-líquido. La tabla 10-2 nos da valores de la tensión superficial para el agua en función de la temperatura.

Se han hecho varios intentos de correlacionar datos para la ebullición en núcleos. Roshenow recomienda en la referencia 23 la ecuación (10-20),que se presenta enseguida.

La región B de la figura 10-3 representa la ebullición en núcleo. Aquí las burbujas forman sitios favorables provocados por aspereza de la superficie, pequeñas partículas sólidas en la superficie sumergida o algunos otros objetos que sirven como núcleos. En el caso de flujos de calor unitario pequeñas burbujas se despegan y se elevan a la superficie libre, pero permanecen diferentes unas de otras. Con flujo de calor unitario elevados, las burbujas parecen interaccionar y en una corriente continua de vapor parte de la superficie sólida. La figura 10-4 ilustra cualitativamente la variación de la temperatura en la superficie calentada. Debido a la interacción de la superficie líquida, existe un coeficiente de transferencia de calor elevado y la temperatura de la pared cae (región A de la figura 10-4). Después de un periodo la microcapa se evapora, dando por resultado un coeficinte de transferencia de calor bajo entre el vapor y la superficie calentada. Esto provoca que la temperaturade la...

En el punto a vemos el inicio de ebullición en núcleo que ocurre cuando el sobrecalentamiento se hace suficientemente grande como para provocar nucleación de vapor en la superficie calentadora. Se forman burbujas en la superficie calentada, se despegan y se elevan hacia la superficie libre, aun cuando algunas se pueden romper antes de alcanzar la superficie libre. Si consideramos que ocurre la nucleación en pequeñas cavidades de la superficie sumergida, es posible predecir el tamaño de la cavidad requerida para el principio de la ebullición en núcleo y el flujo de calor unitario de pared requerido. Se recomienda al lector la referencia 21 para una discusión acerca de estas cantidades.

La parte de la curva que señala con una A representa la región de convección natural de una fase. El calor se conduce dentro del fluido en la superficie calentada y se transfiere por convección hacia la superficie libre, donde se conduce el calor, se le transfiere por convección y evaporado se aleja hacia el espacio que queda arriba del fluido. El calor transferido para la sección A se predice mediante datos estándar para convección libre que general se correlacionan por medio de ecuaciones de la forma: La sección 9-5 de este texto nos ofrece un gran número de correlaciones que se pueden emplear para calcular la transferencia de calor en esta región.

La ebullición de alberca puede ocurrir cuando una superficie se sumerge debajo de la superficie libre de un líquido. Una condición necesaria para que ocurra la ebullición es que la temperatura de la superficie que se calienta exceda a la temperatura de saturación del líquido. La temperatura del líquido determina el tipo de ebullición. Si la temperatura del líquido está por debajo de su temperatura de saturación, el proceso se llama subenfriamiento o ebullición local. Sin embargo, si la temperatura del líquido es igual a la temperatura de saturación, el proceso se llama saturado o ebullición en bulto. Se pueden entender mejor los diferentes regímenes de la ebullición de alberca examinando una gráfica general que nos muestra cómo varía el flujo de calor unitario de la superficie con la diferencia entre la temperatura de saturación del líquido (conocida con frecuencia como la temperatura de exceso). La figura 10-3 nos señala dicha gráfica y se le conoce como curva de ebullición. En la d...

Igual que en el caso de la condensación, la ebullición es de gran importancia en la generación de energía. En una planta cualquiera de energía eléctrica se transforma agua en vapor dentro de un bóiler de manera tal que se le pueda utilizar para mover una turbina. Lo que sigue es una descripción breve, cualitativa del fenómeno de transferencia de calor por ebullición. Se recomienda al lector las referencias 21 y 22 para un excelente resumen del tema en general. Si se suministra el calor de evaporización a un líquido saturado en su superficie libre, tal como energía radiante incidente en una pila de agua, se puede producir vapor y a dicho proceso se le llama evaporación. Por otra parte, si se agrega calor a un líquido a través de una superficie sólida sumergida, se puede producir vapor que puede formar burbujas, que pueden crecer, finalmente separarse de la superficie, y elevarse a la superficie libre debido a los efectos de flotamiento. Dicho proceso se llama ebullición de alberca. ...