Estudio experimental de la ebullición subenfriada y forzada de agua en función del material calefactado y su morfología superficial. Influencia en el flujo de calor, diámetros de burbuja y sitios de nucleación

Resumo

El presente proyecto de tesis, presentado bajo la modalidad de compendio de artículos de investigación, profundiza en el conocimiento de la formación de burbujas de vapor en el seno de un líquido, debido a la presencia de una superficie sólida a la temperatura suficiente como para iniciar el proceso de ebullición. Se contribuye al análisis de la compleja interacción entre los actores principales—fase vapor, fase líquida y sólido superficial—analizando entre otros puntos la formación y evolución de las burbujas y como afecta el mecanismo de ebullición a la transferencia de calor sólido-fluido. Por tanto, la meta principal del trabajo es contribuir a la caracterización del fenómeno de ebullición en función del tipo de material base de la superficie caliente perturbadora—causante de la nucleación heterogénea—y en base a parámetros tangibles y de fácil medida por medio de la observación experimental. Así, en función fundamentalmente de la composición del material base y su acabado superficial, el proceso de ebullición adoptará particularidades de una u otra índole que afectarán al mecanismo de transferencia de calor. Con el punto de mira puesto en la gran cantidad de aplicaciones industriales que precisan de un intercambio térmico mediante una intercara solido-fluido y en importantes industrias como la electrónica, la nuclear o la automoción, la justificación del trabajo es inmediata, existiendo todo un espectro de mejoras en infinidad de procesos en los que entra en juego un intercambiador de calor. Para el análisis del fenómeno, se han puesto los medios necesarios para contar con datos e imágenes experimentales de alta velocidad en condiciones totalmente controladas, a partir de los cuales se ha generado todo el trabajo publicado permitiendo cumplir con los objetivos marcados. En último término y como posible línea futura, los datos generados podrían servir para condicionar y validar modelos numéricos para su uso en simulación así como la evaluación de modelos teóricos de flujo bifásico. A lo largo del desarrollo del proyecto—enmarcado en una de las líneas actuales del grupo de investigación y cuya investigadora principal es la directora de esta tesis—la herramienta experimental principal ha sido el banco de ebullición existente en el laboratorio, construido para investigaciones previas y constituido por dos subsistemas elementales en lo que concierne a la adquisición de información: por un lado todo el instrumental de medida de las propiedades termodinámicas del flujo y software de adquisición, y por otro el sistema de captación de imágenes de alta velocidad. Los resultados más destacables del proyecto, que se sintetizan—como no podía ser de otra manera—en los artículos de investigación publicados, se resumen en dos análisis cuantitativos—un estudio estadístico sobre la influencia de la morfología superficial en el tamaño de burbuja, y un análisis de los efectos que tiene la orientación de la superficie sobre la transferencia de calor—, y dos trabajos de síntesis—la generación de una correlación global del proceso de ebullición, en función del material y la rugosidad de la superficie calefactada, y la obtención de un modelo semiempírico, para caracterizar la densidad de sitios de nucleación, en función de la morfología de la superficie de trabajo—