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Experimental Investigation and Correlation Development of the Overall Heat Transfer Coefficient for a Multi-channel Evaporator Heated by Subcritical CO₂

Este estudio investiga experimentalmente el coeficiente global de transferencia de calor de un evaporador de canales múltiples calentado por CO₂ subcrítico, demostrando que el coeficiente aumenta con mayores caudales másicos y números de Reynolds, y desarrolla posteriormente una correlación empírica altamente precisa para guiar el diseño y la evaluación del desempeño de tales sistemas.

Autores originales: Hongbo Wang, Cong Liu, Qimin Wang, Xiaohui Zhang

Publicado 2026-07-29

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CC BY 4.0

Autores originales: Hongbo Wang, Cong Liu, Qimin Wang, Xiaohui Zhang

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina que estás intentando calentar una habitación fría, pero en lugar de usar un calentador eléctrico estándar, tienes un río gigante e invisible de aire caliente corriendo a través de tus paredes. Este es el mundo del almacenamiento de energía térmica, donde los científicos buscan los mejores "transportadores de calor" para llevar la energía desde un tanque de almacenamiento hasta un lugar donde se necesite, como una fábrica o una planta de energía. Durante mucho tiempo, hemos usado aire o agua, pero hay un nuevo contendiente: el dióxido de carbono (CO₂). Tal vez conozcas el CO₂ como el gas en tu refresco o aquel que las plantas respiran, pero cuando se comprime con fuerza y se calienta, se convierte en un transportador de calor súper eficiente. La gran pregunta que se hacen los científicos es: "¿Qué tan bien este río de CO₂ caliente realmente descarga su calor en el agua para convertirla en vapor?". Es un poco como intentar averiguar exactamente qué tan rápido se enfría una taza de café caliente cuando la viertes en una taza fría, pero a una escala industrial masiva. Si no podemos predecir esta transferencia de calor perfectamente, nuestros sistemas de energía podrían ser ineficientes, desperdiciando combustible precioso o fallando en generar suficiente vapor para hacer girar las turbinas.

Este artículo es como una historia de detectives donde los autores montan un patio de juegos gigante y de alta tecnología para observar cómo ocurre este intercambio de calor en la vida real. Construyeron un "evaporador multicanal" especial, que es esencialmente un conjunto de 63 tubos paralelos, como un denso bosque de pajitas. Bombeaban CO₂ subcrítico caliente (lo que significa que está caliente pero no llega al estado supercrítico, súper denso) a través de estos tubos mientras el agua fría fluía por el exterior, intentando hervir para convertirse en vapor. El equipo quería ver cómo el cambio en la velocidad del río de CO₂ alteraba la tasa a la que el calor saltaba del gas al agua. Descubrieron que cuando aumentaban el flujo de CO₂, haciendo que corriera más rápido a través de los tubos, la transferencia de calor mejoraba significamente. Específicamente, a medida que aumentaban el "número de Reynolds" (una forma elegante de describir qué tan turbulento y energético es el flujo) de aproximadamente 120,000 a 205,000, el coeficiente de transferencia de calor global saltó de 132.52 a 151.49 W/(m²·K). Piensa en ello como revolver una olla de sopa: cuanto más rápido revuelves, más uniforme y rápidamente se propaga el calor.

Pero la verdadera magia de este artículo no es solo observar cómo se mueve el calor; se trata de crear una "receta" o una fórmula matemática para predecir exactamente qué tan bien funcionará esto en el futuro. Los autores probaron tres fórmulas diferentes para ver cuál podía adivinar la tasa de transferencia de calor con mayor exactitud. Encontraron que una fórmula simple basada solo en la velocidad del flujo no era lo suficientemente buena. Sin embargo, una receta más compleja que mezclaba la velocidad del flujo con la relación de cuánto CO₂ fluía frente a cuánto agua fluía, funcionó de maravilla. Su mejor fórmula fue increíblemente precisa, con un error máximo de solo un 2.71%, lo cual es minúsculo, especialmente considerando la realidad desordenada de los gases calientes y el agua hirviendo. Incluso verificaron su trabajo asegurándose de que el calor perdido por el CO₂ coincidiera con el calor ganado por el agua, y descubrieron que estaban en sintonía en un 92.2%, lo cual es una confirmación sólida de que sus datos eran confiables.

Entonces, ¿cuál es la conclusión para cualquiera que esté construyendo estos sistemas de energía? Los autores han entregado a los ingenieros una herramienta nueva y confiable. Han demostrado que, para este tipo específico de configuración de tubos multicanal, puedes predecir exactamente cuánto vapor obtendrás basándote en qué tan rápido bombeas el CO₂. No es una varita mágica que resuelve todos los problemas energéticos del mundo, y los autores tienen cuidado de decir que esta receta funciona mejor para los tamaños de tubo y presiones específicos que probaron. Pero para cualquiera que esté diseñando un sistema que utiliza CO₂ caliente para generar vapor, este artículo proporciona un mapa claro y probado para navegar el calor, asegurando que la energía almacenada en el CO₂ se entregue eficientemente al agua que espera para convertirse en vapor.

Resumen Técnico: Investigación Experimental y Desarrollo de Correlaciones para un Evaporador de CO₂ Multicanal

Planteamiento del Problema
El dióxido de carbono (CO₂) subcrítico es reconocido cada vez más como un medio de liberación de calor viable para sistemas de generación de vapor y de almacenamiento de energía térmica de alta temperatura. Si bien su adaptabilidad termodinámica en ciclos de bucle cerrado está bien documentada, el comportamiento específico de liberación de calor del CO₂ gaseoso subcrítico dentro de los evaporadores no se comprende suficientemente. A diferencia de los intercambiadores de calor convencionales, estos sistemas involucran un acoplamiento único: convección forzada monofásica en el lado del CO₂ transfiriendo calor sensible a un lado de agua-vapor que experimenta un cambio de fase. La literatura existente se centra principalmente en la evaporación de refrigerantes, procesos de película caída o medios porosos, dejando un vacío en la comprensión del rendimiento global de transferencia de calor de la liberación de calor de CO₂ gaseoso para generar vapor. Además, la aplicabilidad de las correlaciones estándar de transferencia de calor a esta configuración multicanal específica no ha sido evaluada plenamente.

Metodología
El estudio empleó un enfoque experimental utilizando un banco de pruebas de evaporador multicanal dedicado. El sistema operó bajo condiciones de estado estacionario con CO₂ circulando en un bucle cerrado, calentado por un medio de almacenamiento térmico antes de entrar al evaporador.

Configuración Experimental: El evaporador contaba con 63 canales de transferencia de calor paralelos y escalonados. La presión del CO₂ se mantuvo aproximadamente en 0.2 MPa (subcrítica). El sistema fue diseñado para generar vapor a una tasa de aproximadamente 1.5 t/h.
Adquisición de Datos: Los parámetros clave, incluyendo temperaturas de entrada/salida, presiones y caudales tanto para los lados del CO₂ como del agua-vapor, fueron monitoreados mediante instrumentos calibrados (termopares, transmisores de presión y medidores de flujo).
Procesamiento de Datos: El estudio utilizó un análisis de balance de calor para verificar la fiabilidad de los datos, calculando el calor liberado por el CO₂ ( $Q_{CO_2}$ ) y el calor absorbido por el lado del agua-vapor ( $Q_w$ ). El coeficiente global de transferencia de calor ( $U$ ) se derivó utilizando la diferencia de temperatura media logarítmica ( $\Delta T_{lm}$ ).
Desarrollo de Correlaciones: Basándose en el conjunto de datos experimentales, se desarrollaron tres correlaciones empíricas para predecir $U$ . Estos modelos variaron desde una función básica de ley de potencia del número de Reynolds ($Re$) hasta formas más complejas que incorporan el número de Prandtl ($Pr$) y la relación de flujo másico entre los lados del CO₂ y del vapor ( $m_{CO_2}/m_s$ ).
Validación: La precisión predictiva de las correlaciones se evaluó mediante indicadores estadísticos: el coeficiente de determinación ( $R^2$ ), el error porcentual absoluto medio (MAPE), el error cuadrático medio (RMSE) y la desviación relativa máxima ( $\delta_{max}$ ).

Resultos Clave

Fiabilidad de los Datos: La relación de balance de calor entre el lado del CO₂ y el lado del agua-vapor osciló entre 0.904 y 0.964, con un promedio de 0.922. Esto indica que aproximadamente el 92.2% del calor liberado por el CO₂ fue absorbido por el lado del vapor, con el resto atribuido a la pérdida de calor y la incertidumbre de la medición. La incertidumbre global del coeficiente de transferencia de calor se calculó en 5.62%.
Efectos Paramétricos:
- Caudal Másico: El coeficiente global de transferencia de calor ( $U$ ) aumentó con el incremento del caudal másico de CO₂, elevándose de 132.52 a 151.49 W/(m²·K) conforme aumentó el caudal. Esto se atribuye a la intensificación de la convección forzada y la reducción del espesor de la capa límite térmica.
- Número de Reynolds: Se observó una fuerte correlación positiva y no lineal entre $U$ y $Re$. A medida que $Re$ aumentó de aproximadamente $1.20 \times 10^5$ a $2.05 \times 10^5$ , $U$ incrementó aproximadamente un 14.3%.
Desempeño de las Correlaciones: Se compararon tres correlaciones. La correlación recomendada, que incorpora el número de Reynolds y la relación de flujo másico (excluyendo el número de Prandtl debido a su estremo rango de variación), demostró el mejor equilibrio entre precisión y simplicidad:
$U = 0.044 \cdot Re^{0.774} \cdot \left(\frac{m_{CO_2}}{m_s}\right)^{0.891}$
Este modelo alcanzó un $R^2$ de 0.9682, un MAPE de 0.5713%, un RMSE de 1.0354 W/(m²·K) y una desviación relativa máxima de 2.7072%. Notablemente, la desviación máxima fue inferior a la incertidumbre experimental del propio coeficiente.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este estudio proporciona evidencia experimental esencial para el comportamiento de liberación de calor del CO₂ subcrítico en evaporadores de generación de vapor, un área que carecía de suficientes datos previos. La contribución principal es el desarrollo de una correlación empírica validada que predice con precisión el coeficiente global de transferencia de calor bajo condiciones operativas específicas. Los autores sostienen que esta correlación sirve como una referencia útil para el diseño preliminar, la evaluación del desempeño y la optimización de los parámetros operativos de evaporadores en sistemas de liberación de calor de alta temperatura basados en CO₂.

El artículo mantiene un alcance modesto respecto a su aplicabilidad, señalando explícitamente que la correlación es empírica y está limitada a la estructura geométrica y los rangos de parámetros operativos investigados (específicamente el diseño del evaporador multicanal y las condiciones de presión subcrítica). Los autores sugieren que se requiere trabajo futuro para expandir la base de datos a través de diferentes presiones, geometrías y condiciones del lado del agua-vapor para mejorar la generalidad del modelo.

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