Estudio experimental del proceso de calentamiento de medios porosos saturados hasta ebullición-

Abstract

La experimentación y posterior modelización de los procesos de transporte y transferencia de calor y de masa en medios poroso saturados encuentra un gran número de dificultades que se derivan fundamentalmente de la heterogeneidad del propio medio, de la metodología de su parametrización estructural y física para asimilarlo a un medio continuo.<br/><br/>Los objetivos planteados en la presente tesis se han orientado hacia un mejor conocimiento de la influencia de diversos parámetros estructurales del medio poroso, así como de las propiedades de las substancias que constituyen la matriz sólida y la fase fluida saturante, en las características de ebullición de un medio poroso inicialmente saturado, calentado por su frontera inferior y limitado por una capa superior del mismo líquido saturante.<br/><br/>A tal fin, se ha estudiado la influencia de la estructura del medio poroso (granular o fibrilar) y de la naturaleza de la sustancia que constituye la matriz sólida sobre la permeabilidad del medio poroso al agua y a una solución acuosa de tensioactivo, de baja concentración. Así mismo se ha estudiado la influencia respecto a la conductividad y difusividad térmicas efectivas en régimen no estacionario. Por último, utilizando la misma variedad de medios porosos saturados, se estudia el proceso de ebullición hasta que se alcanzan condiciones de "dryout", y se analizan las consecuencias que resultan de la variación de la estructura física del medio poroso, de la naturaleza de la sustancia que constituye su matriz sólida y de las propiedades del fluido saturante.<br/><br/>En lo referente a las características fluidodinámicas y térmicas de los medios porosos estudiados se ha podido concluir:<br/><br/>- La adición de un tensioactivo al agua saturante del medio poroso produce un comportamiento diferente según la naturaleza del sólido: en caso de inorgánica (arena) ocasiona un aumento de la permeabilidad intrínseca, mientras que en caso de orgánica (fibras de algodón) produce una reducción tanto mayor cuanto menor es la porosidad del medio poroso. Las causas de este diferente comportamiento, son las notables diferencias de absorción del tensioactivo según el tipo de sólido (orgánico o inorgánico) y la mejora substancial de la humectación de la superficie del sólido inorgánico por el fluido lo que activa la eficacia de desplazamiento de toda fase no acuosa adsorbida o retenida entre partículas.<br/><br/>- La difusividad térmica efectiva promediada espacialmente tiende al valor de la difusividad del componente del medio poroso de menor difusividad térmica a medida que transcurre el tiempo de calentamiento.<br/><br/><br/>- La difusividad térmica efectiva de los medios porosos saturados en los que &#61548;s / &#61548;l < 1 se aproxima a la de la fase líquida; en los medios para los que &#61548;s / &#61548;l >> 1, dicha difusividad térmica efectiva es un grado de orden superior a la de la fase líquida.<br/><br/>- La adición de tensioactivo a la fase líquida saturante provoca la disminución de la conductividad térmica efectiva de medio poroso saturado en aquellos en que la fase sólida es granular e inorgánica.<br/><br/><br/>En lo referente al proceso de calentamiento de un medio poroso saturado hasta ebullición-"dryout" de su fase líquida se ha descrito un modelo físico de comportamiento de los diferentes medios porosos que comporta las siguientes fases:<br/><br/>i) Calentamiento del medio hasta la temperatura de saturación de su fase líquida, con evidente aumento de volumen de las fases sólida y líquida por dilatación térmica.<br/>ii) Proceso de evaporación con formación de una capa bifásica cuya frontera superior se desplaza a la velocidad del frente de vapor. Simultáneamente se produce una disminución de la presión fluidoestática en la frontera de la capa bifásica, lo que se traduce en una reducción del reflujo de líquido hacia la placa calefactora.<br/>iii) Total desaturación de la entrefase medio poroso-placa calefactora al recibir por reflujo menos líquido del que es capaz de evaporar la placa calefactora. Aparición del "dryout" y elevación progresiva de la temperatura de la placa.<br/>iv) Aparición, en algún caso, de un fenómeno de basculamiento de la fase líquida desde la capa subenfriada a la zona desaturada del medio poroso.

A large number of difficulties are found in the experimentation and later modelization of transport and transfer heat and mass process in saturated porous media, which basically derive from the heterogeneity of the medium, the methodology of structural and physic parameterization to assimilate it to a continuous medium.<br/><br/>The raised aims in this doctoral thesis have been directed towards a better knowledge of the influence of several structural parameters of the porous medium, as well as of the properties of the solid matrix and the saturating fluid phase, in the characteristics of boiling of an initially saturated porous medium, heated by its lower boundary and limited by an upper layer of the same saturating liquid.<br/><br/>For this, the influence of the structure of the porous medium (granular or fibrous) and the nature of the solid matrix on the permeability to water and to a surfactant solution of lower concentration have been studied. The influence in relation to effective thermal conductivity and diffusivity in unstationary regime has also been studied. Finally, the boiling process until to achieve dryout conditions has been studied, and the consequences result from the variation of the physical structure of the porous medium, the nature of the solid matrix and the properties of the saturating fluid have been analyzed.<br/><br/>About the fluid dynamic and thermal characteristics of the porous media studied, the thesis concludes that:<br/><br/>- The addition of a surfactant to the saturating water of the porous medium produces a different behaviour depending on the nature of the solid: in inorganic matrix (sand) occasions an increase in the intrinsic permeability, whereas in organic matrix (cotton fibres) produces a decrease as greater as smaller is the porosity of the porous medium. The reasons of this different behaviour are the notable differences of absorption of the surfactant depending on the sort of solid matrix (organic or inorganic) and the important increase of the wetting of the inorganic solid's surface by the fluid activating the displacement of all adsorbed or retained not watery phase between particles.<br/><br/>- The spatially averaged effective thermal diffusivity tends to the value of the diffusivity of the component of the porous medium with lower thermal diffusivity throughout the boiling process.<br/><br/>- The effective thermal diffusivity of the saturated porous media which have &#61548;s / &#61548;l < 1 approaches to of the liquid phase; in the media with &#61548;s / &#61548;l >> 1, the effective thermal diffusivity is a grade of upper order to the of liquid phase.<br/><br/>- The addition of surfactant to the saturating liquid phase gives rise to the decrease of the effective thermal conductivity of the saturated porous medium with granular and inorganic solid phase. <br/><br/><br/>A physical model of behaviour of the different saturated porous media concerning heating process until to achieve dryout conditions has been described considering the next phases:<br/><br/>i) Heating of the medium until the saturation temperature of its liquid phase, with evident increase of volume of the solid and liquid phases by thermal dilatation.<br/>ii) Evaporation process with creation of a biphasic layer whose upper boundary displaces to the velocity of the vapour front. Simultaneously a decrease of the fluid static pressure in the boundary of the biphasic layer is produced, what result in a reduction of the reflux of liquid towards the heating plate.<br/>iii) Total unsaturation of the porous medium-heating plate interphase caused by to receive less liquid by reflux that the heating plate is capable of evaporating.<br/>iv) Appearance, in some case, of a fast phenomenon of turn upside down of the liquid phase from subcooled layer to the unsaturated zone of the porous medium.