FLUJO BIFÁSICO

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     FLUJO BIFÁSICO INTRODUCCIÓN Se denomina genéricamente flujo bifásico a aquel en el que fluyen simultáneamente dos fases. Estas fases pueden ser líquidas, sólidas o gaseosas. La superficie que separa las fases, denominada interface, puede ser rígida o deformable, y a través de ellas las fases pueden intercambiar masa, momento y/o energía. En los fluidos bifásicos una de las fases es denominada fase continua, y la otra fase dispersa. La fase dispersa puede presentarse en forma de burbujas (gas) o de partículas (sólidas o líquidas) de distintos tamaños y formas. La distribución geométrica de las fases, que se denomina topología del flujo, es una característica importante de los flujos bifásicos, porque influye en la interacción entre las fases. La figura 1. muestra las topologías características de los flujos gas  –  líquidos en conductos verticales. FIGURA 1. REGIMENES DE FLUJO EN FLUJO VERTICAL El modelado completo y detallado de un flujo bifásico constituye, hoy por hoy, un problema casi inabordable, por su complejidad, y por la capacidad de cálculo computacional que demandaría. Téngase en cuenta, por ejemplo, que exigiría tener la capacidad de predecir la evolución de cada burbuja o partícula de fase dispersa. Es por esta razón que han sido desarrollados modelos simplificados para presentar los flujos bifásicos con mayor o menor detalle.  EVAPORACIÓN EN EL INTERIOR DE TUBOS Para describir el flujo bifásico se considera  “ idealmente un tubo vertical ”   caliente en cuyo interior circula un fluido que ingresa al tubo en condición de líquido subenfriado, a medida que el fluido alcanza su temperatura de saturación se irán generando burbujas en la superficie caliente del tubo y la tasa de generación de estas se verá incrementada a medida que el fluido avanza a través del tubo, las burbujas de vapor dan lugar a un flujo combinado de líquido y vapor el cual presenta diferentes comportamientos a medida que se incrementa la fracción de vapor y el liquido se va evaporando tal como se ilustra en la figura 1. Esta variación de comportamiento influye directamente en Inicialmente la transferencia de calor se da por convección forzada y el coeficiente de transferencia es estable durante muy corto tiempo ya que se alcanza rápidamente el punto de ebullición y se genera el flujo de burbujas lo que conlleva un incremento en el coeficiente de transferencia, luego las burbujas tienden a agruparse a medida que crece la fracción de vapor generando un flujo de vapor en el centro del tubo rodeado por una capa de líquido dando lugar a lo que se conoce como flujo anular durante el cual el coeficiente de transferencia de calor continua creciendo. Finalmente, la capa de líquido empieza a evaporarse hasta quedar en forma de gotas dispersas en el flujo de vapor en un régimen llamado flujo de niebla con lo que el coeficiente por convección el coeficiente local de transferencia de calor. Inicialmente la transferencia de calor se da por convección forzada y el coeficiente de transferencia es estable durante muy corto tiempo ya que se alcanza rápidamente el punto de ebullición y se genera el flujo de burbujas lo que conlleva un incremento en el coeficiente de transferencia, luego las burbujas tienden a agruparse a medida que crece la fracción de vapor generando un flujo de vapor en el centro del tubo rodeado por una capa de líquido dando lugar a lo que se conoce como flujo anular durante el cual el coeficiente de transferencia de calor continua creciendo. Finalmente, la capa de líquido empieza a evaporarse hasta quedar en forma de gotas dispersas en el flujo de vapor en un régimen llamado flujo de niebla con lo que el coeficiente por convección empieza a disminuir hasta que las gotas se evaporan por completo quedando solo vapor que se sobrecalienta por convección forzada desde la superficie del tubo. En la explicación previa se citó la frase “idealmente un tubo vertical” para dar una introducción de fácil comprensión, pero dado que en muchos de los casos la orientación de los tubos es horizontal (véase figura 2.), los efectos de la gravedad se harán presentes a través de la estratificación del flujo que causará que el líquido tienda a concentrarse en la parte inferior dejando ciertas zonas del perímetro superior secas lo que conlleva un cierto decaimiento en el coeficiente de transferencia de calor. Cabe recalcar que en caso de que el flujo posea la suficiente velocidad los efectos de la gravedad podrán ser despreciados.    FIGURA 2. REGIMENES DE FLUJO EN FLUJO HOTIZONTAL CORRELACIONES PARA TUBOS LISOS (SHAH Y KANDLIKAR) La mayoría de los autores suelen subdividir el análisis del flujo bifásico a través de dos mecanismos, transferencia de calor por evaporación nucleada y transferencia de calor por evaporación convectiva. El primer mecanismo es generado por el flujo de burbujas de vapor y es predominante en la mayor parte del proceso, mientras que el segundo se refiere al proceso de transferencia entre la pared caliente y la fase liquida del flujo, por lo que los modelos puestos a consideración tendrán términos relacionados a los mecanismos previamente mencionados Es necesario mencionar que las correlaciones a tratar sirven para calcular coeficientes de transferencia locales, por lo que los resultados de las mismas varían a medida que la calidad del flujo varía en el interior del tubo.  Antes de analizar los modelos de SHAH y KANDLIKAR se definirá algunos de los parámetros a utilizar en dichas correlaciones para lograr una mejor comprensión de los mismos. DEFINICIONES 1.   Ebullición nucleada. Régimen de ebullición de un líquido en el que las burbujas de vapor que se producen en la superficie de la fuente de calor se desprenden de ella a medida de que se producen y son arrastradas por el líquido, dando lugar a una tasa de intercambio térmico muy elevada.  2.    Velocidad másica (G). Se define como la relación entre el flujo másico ( ̇ ) que circula a través del conducto y la sección transversal de éste. Sus unidades son: kg/s.m 2 .  =   ̇  (1) Donde: ̇ = flujo másico kg/s  A= área de la sección del conducto m 2 3.   Número de Reynolds (Re). Representa la razón entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas. Según el tipo sea el tipo de flujo, mono fásico o bifásico, calculamos Re con las ecuaciones que se muestran a continuación:    Flujo monofásico    =  ∗    (2)    Flujo bifásico    =  ∗(−)∗    (2a) Donde: G= velocidad másica kg/m 2 .s D i = diámetro interno de la tubería m µ= viscosidad Pa.s  = densidad kg/m 3 4.   Número de Nusselt (Nu). Representa un coeficiente de transferencia de calor adimensional.    =  ∗     (3)
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