Estudio experimental de la influencia de la rugosidad superficial en la ebullición nucleada en flujo de agua subenfriada a baja presión

Resumo

El estudio del proceso de ebullición en flujo subenfriado de refrigerante es básico para la mejora de los procesos de transferencia de calor. Elemento fundamental de este proceso es la superficie en la cual se produce el intercambio térmico y sobre la cual se genera la ebullición. En este trabajo se estudia la influencia de la rugosidad de la superficie en un intercambio térmico entre un flujo de agua desionizada subenfriado y una pequeña superficie plana de cobre. Para el estudio se han utilizado tres superficies con diferentes acabado superficial obtenidos con diferentes procesos de mecanizado. La revisión bibliográfica representa una primera parte esencial en la investigación, ésta ha seguido dos caminos paralelos. Uno ligado a la adquisición de conocimientos relacionados con el proceso de ebullición y los parámetros de influencia y el otro encaminado a desarrollar un equipo experimental que permita el estudio de las variables del proceso que se plantean como objetivo. Para poder llevar a cabo el estudio del proceso de ebullición fue necesario diseñar, construir e instrumentar una instalación experimental que permita la recirculación de refrigerante subenfriado y la formación de flujo bifásico líquido-vapor. Con la instalación creada se pueden modificar las condiciones de flujo refrigerante así como la superficie calentadora. En base a los objetivos planteados se han diseñado experimentos que permiten la evaluación de la rugosidad de la superficie, el envejecimiento de la misma y las condiciones del flujo, velocidad, presión y temperatura. Como herramienta de adquisición se emplea un sistema de grabación de alta velocidad de imagen, con equipo de iluminación propio. Ha sido necesario implementar una herramienta de procesado de imagen con el apoyo de un software de reconocimiento óptico. Este equipo permite el análisis y medición de los parámetros básicos asociados a la dinámica de burbujas, principalmente se ha utilizado para medir los diámetros de burbuja, la frecuencia de nucleación y para la identificación de los sitios de nucleación. Con un equipo de interferometría óptico se han caracterizado las superficies de ebullición, realizando el análisis de las muestras antes y después de realizar los experimentos, evaluando las alteraciones producidas. Los experimentos diseñados se han aplicado a tres superficies de distintas rugosidades con la finalidad de analizar y estudiar los efectos que produce sobre la trasmisión de calor en una superficie el acabado superficial de la misma. Para el estudio se han combinado los resultados procedentes de la instrumentación asociada a la instalación experimental con los datos obtenidos del análisis de imagen. Obteniendo resultados que permiten evaluar las alteraciones producidas en los parámetros asociados a la dinámica de burbujas ya comentados. Para finalizar, han sido declarados factores de ajuste el función de la rugosidad, para el diámetro de burbuja y los sitios de nucleación según correlaciones de la bibliografía.