poster nukiyama - Instituto Balseiro - CNEA

INTRODUCCIÓN TEÓRICA
Si la temperatura de un cuerpo es llevada por encima de la del líquido en el que esta
inmerso se observarán distintos regímenes de transferencia de calor, desde la superficie
del cuerpo al fluído. Estos regímenes se muestran en la figura 1.
D
F
E
Figura 1:
El primer régimen, anterior al punto A, es simplemente una convección libre, sin
desprendiento de burbujas, debido a que la diferencia de temperaturas no es significante.
Ar ir aumentando la diferencia de temperatura comienza el hervor o nucleate boiling en el
punto A. Este régimen es mas eficiente en la transferencia del calor, debido a la formación
de burbujas, dado que el calor de vaporización es mucho mayor que el producto de la
capacidad calorífica por la diferencia de temperatura. Este régimen se extiende hasta el
punto C.
En el punto C de la curva tenemos la máxima transferencia de calor o CHF (Critical Heat
Flux) Si el flujo de potencia es la variable que se controla se pasa del punto C al punto D.
En el punto C, la ebullición del fluido es muy violenta y las burbujas comienzan a
funcionarse formando un delgado film alrededor de la superficie caliente aislandola. Esto
disminuye la transferencia de calor -transition boiling-, llegandose al punto E, conocido
como Punto de Leindenfrost, donde la transferencia es mínima
.
Nuevamente, si lo que se controla es el flujo calórico, al disminuirlo se salta al punto F.
En los regímenes posteriores al punto C, comienza a ser importante la transferencia por
radición, de este modo la tasa de transferencia vuelve a elevarse pasado el punto de
leidenfrost, esta region se conoce como Film Boiling

MÉTODO EXPERIMENTAL:
Para la experiencia se utilizó un alambre de platino de [0.050±0.001]mm de diámetro y de
longitud conocida, posteriormente se lo colocó en nitrógeno líquido a presión atmosférica
(0.92atm), y se procedió a enviar por él una corriente variable, midiendo simultaneamente
la caída de tensión que se producía en los extremos del alambre. Con esta información
fue posible construir la curva de Nukiyama.
Es importante destacar que los distintos regimenes de ebullición dependen de la
temperatura, sin embargo en esta experiencia la variable controlada es la corriente
entregada a la resistencia
La potencia disipada por el platino se controló enviando por él una corriente conocida y
variable a voluntad. Se midió la caída de tensión en el alambre mediante una
configuración de 4 puntas. De este modo se pudo determinar no solo la potencia disipada,
sino también la resistencia del alambre. Esta última variable esta relacionada a la
temperatura del mismo a través de relaciones tabuladas. Para poder usar dichas
relaciones se midió la resistencia del filamento a 0 o C, sumergiendolo en agua con hielo.
El dispositivo experimental es el que se muestra en la figura 2:
7
V
A
6
R= 5Ω
2
3
N 2 (liq)
5
4
8
1
1- Fuente variable
2- Conexión a 4 puntas
3- Resistencia de Pt
4- Recipiente térmico
5- Nivel de nitrógeno
6- Amperímetro
7- Voltímetro
8- Linea de potencia
figura 2: El dispositivo experimental y sus partes.
Para el experimento se dispuso, como se muestra, de una fuente de tensión en serie con
una resistencia de 5 ohms, un recipiente de vidrio como contenedor, el alambre de platino
montado en un soporte metálico de 4 puntas, un voltímetro, un amperímetro, y finalmente
el nitrógeno líquido.
De las cuatro puntas metálicas, dos (una conectada a un extremo del alambre de platino y
la otra punta al otro extremo del alambre) se conectaron a la linea de potencia y las otras
dos al voltímetro, para medir la diferencia de potencial entre los extremos del alambre de
platino. En este último se tuvo especial cuidado de tenerlo tensado.
Luego de armado el dispositivo, se procedió lentamente a entregar potencia, y a medir los
valores de tensión y corriente con los instrumetros mencionados, siempre cuidando que la
cantidad de nitrógeno en el recipiente fuera suficiente para tener sumergido al alambre, y
asegurandose que éste último no tocara las paredes del contenedor para tener asi una
correcta transferencia de calor al nitrógeno.

RESULTADOS OBTENIDOS:
Se realizaron varias experiencias, las 2 primeras con el objetivo de ver la curva de
Nukijama y las demás para mejorar las lecturas en los puntos de maxima y de mínima
transferencia.
Los resultados obtenidos se grafican en las siguientes figuras.
Figura 3: Resultados de la primer experiencia
Alambre al
rojo
Se observó
formación de
burbujas
Se observó la formación de
una cortina entre el alambre y
el nitrógeno
Se observó
formación
de burbujas
Zona de convección
libre
figura 3: Puntos obtenidos y características fisicas. Se observa que en la zona de convección libre
la curva presenta histéresis, esto es en realidad debido a que la resistencia de platino se recuece en
la primer experiencia cuando ésta se pone al rojo, y modifica valor resistivo por lo que la
temperatura calculada para la curva en caida o cooling presenta un error sistemático.

Figura 4: Segunda experiencia realizada, se muestran los puntos obtenidos para la curva
en aumento de potencia y los obtenidos en descenso de potencia, se observa la
existencia de histéresis.
Segunda experiencia
figura 4: Los resultados de la segunda experiencia.
En este caso se volvió a utilizar el mismo alambre de platino de la experiencia 1.
Finalmente se decidió estudiar el punto de máxima transferencia de potencia
(experiencias 3 y 4), se obtuvieron puntos que alta dispersión, como muestra la siguiente
secuencia montada sobre los puntos de las experiencias 1 y 2.
También se intentó tomar valores del punto de leindenfrost, se obtuvieron pocos puntos
debido a que en dicha región las lecturas se vuelven inestables e impiden tomar valores
confiables.

Zoom
Figura 5: Resultados de todas las experiencias realizadas
Zoom
Figura 6: Zoom en la región de máxima transferencia de potencia.

Figura 7: Zoom en la región de máxima transferencia. Se observa una gran dispersión de datos, El
punto promedio se encuentró en Log Tm-Tsat = 1.28, es decir, cuando la diferencia de temperatura
entre el platino y el nitrógeno era de 19 o C

DISCUSIÓN
Al iniciar la experiencia, cuando el platino se encuentra a la misma temperatura del
nitrógeno, no se observaron burbujas, es decir estabamos en presencia de convección
libre.
A medida que se aumentó la corriente enviada, se empezaron a observar burbujas, este
hecho experimental coincide con un cambio en la pendiente de la curva de ebullición o
boiling curve, la producción de burbujas se fue intensificando hasta que se llegó al punto
de CHF, donde se observó la formación de la capa film o cortina.
En este punto, cualquier aumento en la corriente entregada provocó un salto de tensión,
elevando la potencia disipada por el platino, a la vez que este se puso al rojo, es decir que
alcanzó una temperatura nuy elevada, calculada en 530 o C. El cambio brusco de
temperatura debe tratarse con cuidado ya que arruinó la experiencia 0, al provocar el
corte del alambre. Esta situación se conoce como burn-out point, o boiling crisis.
Del análisis de los datos obtenidos se obtuvo que el punto de CHF ocurre cuando la
diferencia de temperatura en la interfase Pt-N 2 es de 19 o C.
El punto de leindenfrost no pudo ser hallado debido a que fue muy difícil tomar medidas
en esa region de la curva de ebullición. El punto A, el menor de todos los valores
obtenidos en la region de Film Boiling, se encontró cuando la diferencia de temperatura
era de 176 o C, sin embargo no podemos asegurar que este sea efectivamente el punto de
Leidenfrost, debido a las mencionadas dificultades técnicas.
Formación de
capa Film
Salto de tensión
Alambre al
rojo
CHF
Salto de corriente
A
Burbujeo
violento
Burbujas

CONCLUSIONES
Se obtuvo una curva de Nukiyama, sin embargo esta presenta poca confiabilidad en los
puntos criticos. Tambien se observaron los distintos regímenes de transferencia del calor,
a excepción de la boiling transition debido a que la variable controlada era la potencia.
Para los distintos regímenes de transferencia se obtuvieron distintas pendientes en la
curva de Nukiyama, congruentes con la teoría.
Se encontró que la CHF se dá para una diferencia de 19 o C entre el platino y el nitrógeno.
El punto de leidenfrost se estima en alrededor de los 176 o C de diferencia entre ambas
fases. Y no se lo pudo ubicar de modo satisfactorio debido a la inestabilidad del sistema
Pt-N 2 .
CORTE AQUI
OBTENCIÓN DE LA CURVA DE
NUKIYAMA
Leidenfrost en alambre
PIECK, Darío – Instituto Balseiro.
pieckd@ib.cnea.gov.ar
RESUMEN
El trabajo consistió en la obtención de la curva de Nukiyama para el sistema Pt-N 2 . En
dicho proceso también se encontró la temperatura para la cual la transferencia de calor es
maxima a bajas temperaturas conocida como Critical Heat Flux, CHF. También se
encontró cualitativamente el punto de Leidenfrost, donde la transferencia de calor entre
ambas fases es mínima.
El experimento se llevó a cabo sumistrando distintas corrientes a un delgado alambre de
platino en nitrógeno liquido, de modo de variar su temperatura,mediante el control de la
potencia entregada. La temperatura del alambre se puede conocer midiendo su
resistencia. Los valores de temperatura y potencia permiten dibujar la curva de Nukiyama.