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

Abstract

Mediante la realización de este proyecto se profundizará 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 pretende contribuir 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 (dimensiones características, dinámica, tiempo de vida… ) y como afecta este mecanismo a la transferencia de calor sólido-fluido. Para ello, se hace necesario contar con datos e imágenes experimentales, en condiciones totalmente controladas, que en último término permitan condicionar y validar modelos numéricos para su uso en simulación así como la evaluación de modelos teóricos de flujo bifásico.

Para el desarrollo del proyecto, enmarcado en una de las líneas actuales de investigación del laboratorio del área de mecánica de fluidos de la universidad de Vigo, la herramienta experimental principal será el banco de ebullición existente en el laboratorio, con sus dos subsistemas de adquisición de información básicos: por un lado todo el instrumental de medida de las propiedades termodinámicas del flujo, y por otro el sistema de captación de imágenes de alta velocidad existente, sin descartar cualquier modificación o nuevo elemento de interés, dentro de los recursos disponibles.

El objetivo principal del trabajo es el de contribuir a la caracterización en base a unos parámetros deseados, por descontado tangibles y mediante un proceso de observación experimental factible, del proceso de ebullición en función del tipo de material base de la superficie caliente perturbadora causante de la ebullición. 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 con 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.

Mediante a realización deste proxecto profundizará-se no coñecemento da formación de burbullas de vapor no seo dun líquido, debido a la presenza dunha superficie sólida á temperatura suficiente como para iniciar o proceso de ebulición. Pretende-se contribuír á análise da complexa interacción entre os actores principais: fase vapor, fase líquida e sólido superficial, analizando, entre outros puntos, a formación e evolución de las burbullas (dimensións características, dinámica, tempo de vida … ) e como afecta este mecanismo á transferéncia de calor sólido - fluído. Para isto, fai-se necesário contar con datos e imaxes experimentais, en condicións totalmente controladas, que en último termo permitan condicionar e validar modelos numéricos para o seu uso en simulación así como para a avaliación de modelos teóricos de fluxo bifásico.

Para o desenrolo do proxecto, enmarcado en una das liñas actuais de investigación do laboratorio da área de mecánica de fluídos da universidade de Vigo, a ferramenta experimental principal será o banco de ebulición existente no laboratorio, cos seus dous subsistemas de adquisición de información básicos: por un lado todo o instrumental de medida das propiedades termodinámicas do fluxo, e por outro o sistema de captación de imaxes de alta velocidade existente, sen descartar calquera modificación o novo elemento de interese, dentro de los recursos dispoñíbeis.

O obxectivo principal do traballo é o de contribuír á caracterización en base a uns parámetros desexados, por descontado tanxíbeis e mediante un proceso de observación experimental factíbel, do proceso de ebulición en función do tipo de material base da superfície quente perturbadora causante da ebulición. Así, en función fundamentalmente da composición do material base e o seu acabado superficial, o proceso de ebulición adoptará particularidades dunha ou outra índole que afectarán ao mecanismo de transferéncia de calor.

Co punto de mira posto na grande cantidade de aplicacións industriais que precisan dun intercámbio térmico cunha interface sólido - fluído, e en importantes industrias como a electrónica, a nuclear ou a automoción, a xustificación do traballo é inmediata, existindo todo un espectro de melloras en infinidade de procesos nos que entra en xogo un intercambiador de calor.

By carrying out this project will deepen the knowledge of the formation of vapor bubbles within a liquid due to the presence of a solid surface to the temperature sufficient to start the boiling process. It is intended to contribute to the analysis of the complex interaction between the main actors: vapor phase, surface liquid and solid phase, analyzing, among other things, the formation and evolution of bubbles (characteristic dimensions, dynamics, life time...) and as this mechanism affects the transfer of solid-fluid heat. For this, it is necessary to have experimental data and images, in totally controlled conditions, which ultimately enable condition and validate numerical models for use in simulation and evaluation of theoretical models of two-phase flow. To develop the project, framed in one of the current research lab area of fluid mechanics from the University of Vigo, the main experimental tool is the bank's existing boiling in the laboratory, with its two subsystems acquisition basic information: on the one hand all the instruments measuring the thermodynamic properties of the flow, and secondly the imaging system existing high-speed, without discarding any modification or new element of interest, within available resources. The main objective of this work is to contribute to the characterization based on parameters desired by tangible discounted and through a process of feasible experimental observation of the boiling process depending on the type of material base of the disturbing hot surface causing boiling. Thus, depending mainly on the composition of base material and surface finish, the boiling process will take particularities of one kind or another which will affect the mechanism of heat transfer. With sights set on the large number of industrial applications that require a heat exchange with a solid-fluid interface, and in important industries such as electronics, nuclear or automotive, justification of the work is immediate, and there are quite a spectrum countless improvements in processes in which comes in a heat exchanger.