Perfiles de temperatura

Bajo las condiciones dadas en la sección 5.1.1., se obtienen las curvas de funcionamiento del caloducto. A partir de los valores obtenidos en las corridas se procede a la graficación de dichos valores para obtener la tendencia de su comportamiento a diferentes condiciones de operación.

Las figuras 5.21. y 5.22., permiten apreciar los perfiles de temperatura del vapor para las diferentes pruebas realizadas.

El radio libre para el flujo de vapor, rv, constituye el segundo parámetro que se varía dentro

de la razón de radios (rv/ri) y que expresa el espesor adimensional de la película. Los valores

que se toman para rv son de 6 y 0.65 mm para relaciones de 0.92 y 0.1, respectivamente. La

temperatura se constituye en el principal factor de cambio durante las corridas.

Para un valor del rv = 6 mm, con las condiciones dadas en 5.1.1., el programa nos permite

obtener el perfil de temperaturas, figura 5.21, para las temperaturas de operación constante de 120, 110, 100, 90, 80 y 70 ºC y bajo los suministros de calor constante de 2,319, 2,143.2, 1,994.1, 1784.1, 1,612.6, 1421.6 Watts, respectivamente.

Se puede observar en los primeros 0.2 m del caloducto la disminución de la temperatura de operación. Esta sección constituye la sección de evaporación y el extremo izquierdo el punto donde se suministra la cantidad de calor necesaria para garantizar el alcance de la temperatura de operación. La zona adiabática queda comprendida en la zona media a partir de los 0.2 y hasta los 0.3 m en tanto que, los últimos 20 cm, de 0.4 a 0.5 m se reserva la zona de evaporación.

Cada corrida esta representada por una temperatura de operación.

La curva del perfil de temperaturas a 70 ºC, nos muestra una corrida en la que se han tomado como datos puntuales 10 termopares ubicados en cada una de las tres regiones del caloducto. Este número de termopares se especifica en los datos de entrada de al rutina PPTAV, figura 5.25. Es decir, 30 en total.

Como se puede apreciar existe una disminución de la temperatura en el vapor al avanzar hasta el final de la sección del evaporador y el inicio de la zona adiabática. A partir de la zona adiabática y hasta la zona de condensación, de acuerdo a los resultados proporcionados por el programa, se observa la completa isotermicidad del caloducto.

A 70 ºC, la pérdida de temperatura en la región de evaporación es 15.32 ºC siendo la temperatura adiabática de 54.68 ºC.

A 80 ºC, la pérdida de temperatura es 11.96 ºC con una temperatura adiabática de 68.04 ºC. A 90 ºC la pérdida es de 4.88 ºC con una temperatura adiabática de 85.12 ºC.

A 100 ºC la pérdida es de 4.62 ºC con una temperatura adiabática de 95.38 ºC. A 110 ºC la pérdida es de 2.04 ºC con una temperatura adiabática de 107.96 ºC. A 120 ºC la pérdida es de 1.89 ºC con una temperatura adiabática de 118.11 ºC.

Se puede observar que la temperatura adiabática siempre es menor a la de operación y la diferencia entre la primera y la segunda disminuye conforme aumenta la cantidad de calor suministrado.

Como se puede apreciar al incrementar la temperatura de operación desde 70º hasta 120 ºC, en seis corridas, el descenso de temperatura en el vapor al llegar al final de evaporador se reduce de forma significativa corrida a corrida de manera tal que a los 120 ºC esta disminución es prácticamente muy pequeña.

El programa envía estos resultados considerando que se ha alcanzado la temperatura de operación en el punto de aplicación del calor suministrado; esto es, al inicio de la sección del evaporador. Considera además, la temperatura en la sección del condensador sin la circulación externa de agua de enfriamiento.

Esto implica la posibilidad de reducir la temperatura del vapor al colocar un sistema de refrigeración en la zona permitiendo la extracción de calor lo que, finalmente, es la función principal del caloducto.

El programa no rige el comportamiento del vapor a temperaturas por debajo de los 60 ºC con los modelos matemáticos, utilizados bajo las condiciones especificadas, por lo que deben tomarse con reservas pues muy posiblemente con el cambio de los valores de entrada esto ya no se presente, como se verá más adelante en la figura 5.22.

Perfil de temperaturas rv/ri = 0.92 320 330 340 350 360 370 380 390 400 0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2 0.22 0.24 0.26 0.28 0.3 0.34 0.38 0.42 0.46 0.5 Distancia axial, (m) Temperatura, (K) 2319 W 2143.2 W 1994.1 W 1784.1 W 1421.6 W 1421.6 W

Figura 5.21.- Perfil de temperaturas del caloducto sometido a diversos suministros de calor constante.

Para una relación (rv/ri) = 0.1 el comportamiento de los perfiles de temperatura en el

caloducto se presenta en la figura 5.22. En ella se muestran dos temperaturas más que en la figura 5.21. no se presentan, las de 50° y 60°C. Las temperaturas de operación constante de 120, 110, 100, 90, 80, 70, 60 y 50 ºC se alcanzaron bajo suministros de calor constante de 197.48, 159.02, 116.46, 90.91, 62.45, 47.39, 30.77 y 22.41 Watts, respectivamente.

Las pérdidas de temperatura a lo largo de la zona de evaporación, para cada temperatura de

operación, es mucho menor para un rv = 0.65 mm (figura 5.22.) que a un rv = 6 mm (figura

5.21.).

Sin embargo, entrando a la zona adiabática y aún más allá hasta la zona de condensación no se alcanza un estado estacionario pleno pues desde los 50° y hasta los 80°C la temperatura disminuye constantemente.

Es a partir de los 90° y hasta los 120°C que se percibe el alcance del estado térmico estacionario y sólo hasta la zona de condensación para las temperaturas de 90° y de 100°C y desde la zona adiabática para los 110° y 120°C.

Este comportamiento debe entenderse básicamente debido a que se está trabajando, en el caso de la figura 5.22., un caloducto con un espesor de película muy grande y prácticamente con los límites de arrastre y sónico alcanzados plenamente desde los 20° y hasta los 60°C y por alcanzarse desde los 70° y hasta los 120°C.

A temperaturas de operación por debajo de los 50 ºC, reflejan justamente este comportamiento donde el programa nos señala el alcance total de ambos límites y su poca

utilidad para el análisis del caloducto bajo un rv = 0.65 mm y por las condiciones dadas en

5.1.1.

Mediante la observación de la distribución axial de la temperatura a lo largo de la superficie del caloducto, se puede determinar la máxima capacidad de transporte de calor.

Las figuras 5.21. y 5.22., muestran los perfiles de temperatura axial típicos para diversas cargas térmicas aplicadas. Como se ve en la figura 5.21., el incremento de la carga suministrada o del flujo de calor origina incrementos graduales de la temperatura en las regiones del evaporador y condensador del caloducto.

En la región del evaporador de la figura 5.21., la distribución de la temperatura exhibe una ligera reducción de la temperatura al final del evaporador, que nos indicaría, muy posiblemente pérdidas de calor de tipo axial.

Sin embargo, en la figura 5.22., este comportamiento se extiende hasta la zona adiabática para las temperaturas de 110º y 120 ºC y hasta el condensador para el resto de las temperaturas, desde los 100º hasta 50 ºC, siendo mayores en las curvas de los 50º y 60 º. Con el incremento gradual de la carga térmica aplicada, el rápido incremento de la temperatura en el evaporador es patente. Este incremento de la temperatura en el evaporador

Perfil de temperaturas rv/ri = 0.1 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2 0.22 0.24 0.26 0.28 0.3 0.34 0.38 0.42 0.46 0.5 Distancia axial, (m) Temperatura, (K) 197.48 W 159.02 W 116.46 W 90.91 W 62.45 W 47.39 W 30.77 W 22.41 W

Figura 5.22.- Perfil de temperaturas del caloducto sometido a diversos suministros de calor constante.

La caída de la temperatura a 50°C en la región de evaporación es de 3.78 ºC con una temperatura adiabática de 46.22 ºC.

A 60°C, la caída de la temperatura es de 4.18 ºC y la temperatura adiabática de 55.82 ºC. A 70 ºC, la pérdida de temperatura en la región de evaporación es de 2.39 ºC siendo la temperatura adiabática de 67.61 ºC.

A 80 ºC, la pérdida de temperatura es de 2.71 ºC con siendola temperatura adiabática de 77.29 ºC.

A 90 ºC la pérdida es de 1.65 ºC con una temperatura adiabática de 88.35 ºC. A 100 ºC la pérdida es de 1.89 ºC con una temperatura adiabática de 98.11 ºC. A 110 ºC la pérdida es de 1.22 ºC con una temperatura adiabática de 108.78 ºC. A 120 ºC la pérdida es de 1.41 ºC con una temperatura adiabática de 118.59 ºC.