Transferencia de calor y masa durante la formación de escarcha en superficies horizontales con flujo paralelo

Ramírez Hernández, Hernán Alberto (2017) Transferencia de calor y masa durante la formación de escarcha en superficies horizontales con flujo paralelo. Maestría thesis, Universidad Autónoma de Nuevo León.

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Resumen

La formación de escarcha es un fenómeno muy común que ocurre cuando se tiene una superficie a baja temperatura en un ambiente con aire húmedo. Este fenómeno ocurre debido a que el vapor de agua contenido en el aire cambia de fase, depositándose sobre la superficie fría. El estudio de este fenómeno es de gran importancia debido a que el espesor y las propiedades termof´ısicas (i.e. conductividad térmica y densidad) de la capa de escarcha afectan considerablemente a la transferencia de calor que ocurre entre el aire húmedo y la superficie fría. Debido a esto, en los ´últimos 20 años se han realizado diversos estudios numéricos y experimentales para poder conocer las condiciones bajo las cuales se favorece la formación de la escarcha, además de conocer la variación de sus propiedades y el efecto que tiene esta variación a la transferencia de calor. Para poder predecir el crecimiento de la capa de escarcha sobre superficies planas a bajas temperaturas en condiciones de convección forzada, en este trabajo de investigación se desarrolló un código numérico empleando el Método de los volúmenes finitos. Para lograr esto, fue necesario resolver las ecuaciones que gobiernan dicho fenómeno, es decir, las ecuaciones de conservación de masa, conservación de cantidad de movimiento, conservación de la energía y transporte de especies para todo el dominio, mismo que incluía la capa de escarcha y el aire húmedo. Para calcular la tasa de crecimiento se realizó un balance de masa en la interfaz escarcha-aire en donde se estimó la diferencia entre los flujos de masa que provenían del lado del aire y los flujos de masa que se difundían dentro de la capa de escarcha, y esta diferencia correspondía a la masa que contribuye al crecimiento de la escarcha. Además de esto, se calculó la variación de las propiedades termof´ısicas dentro de la capa de escarcha considerando que ´esta es un medio poroso. Para validar el código numérico, se realizó un estudio experimental en un calorímetro tipo túnel de viento en el que es posible tener controladas las variables involucradas en el fenómeno (i.e. temperatura, humedad relativa, velocidad del aire). El parámetro que se valido fue el espesor de la capa de escarcha. Se realizaron tres casos de estudio, con el fin de poder comparar los resultados numéricos a diferentes condiciones y se encontró una diferencia relativa menor del 10 % en la mayoría de los puntos en donde se midió el espesor, siendo que al final de la placa el error fue mayor, de entre 12 % y 22 %, presumiblemente por la transición al régimen turbulento.

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