¿Por qué los contraflujos no alcanzan el equilibrio térmico?

Entonces, el verdadero problema aquí no es por qué no lo hacen, sino que podrían hacerlo, o qué tipo de equilibrio alcanzan.

Realmente hay algunas maneras de interpretar el equilibrio térmico, lo que hace que su pregunta sea difícil de responder.

Equilibrio “temporal”: más a menudo simplemente se conoce como un “estado estable” del sistema, este equilibrio es alcanzable, y el perfil de temperatura del sistema en este estado estable se define por los coeficientes de transferencia de calor, las tasas de flujo y las capacidades de calor del material.

Equilibrio de la misma corriente: en resumen, tiene un sistema que fluye. El agua fría que ingresa nunca estará a la misma temperatura que el agua fría que sale porque la difusión de energía térmica nunca será lo suficientemente rápida como para superar la transferencia convectiva. Incluso si la convección fuera baja, todavía tendría un gradiente térmico entre la entrada y la salida, por lo que el sistema no estaría en equilibrio de esa manera de todos modos.

Si no hubiera una transferencia de calor proveniente de las paredes (las dos corrientes tienen la misma temperatura), entonces no tendría un perfil de temperatura a lo largo de la corriente, pero esa es una solución trivial. Si su flujo de calor desde las paredes no fuera cero, todavía tendría un gradiente, ya que el fluido más abajo de la tubería habría visto una mayor energía = tiempo de flujo *. Dudo en hacer una declaración radical, pero seguiré adelante y diré que el equilibrio térmico espacial, donde todos los puntos (x, y, z) tienen la misma temperatura, solo se puede lograr realmente en un sistema cerrado. Ignoraré procesos como mi último ejemplo que muestran una solución trivial, es decir, el flujo de agua sin flujo de calor no conduce a cambios de temperatura.

Equilibrio del sistema: ¿por qué no pueden ambas corrientes tener la misma temperatura? Sospecho que esta es más o menos tu pregunta. Realmente no tienes suficiente área de superficie es el problema … más o menos. Los intercambiadores de calor co-corrientes son fáciles de imaginar, tiene dos corrientes que comienzan a diferentes temperaturas, las fluye una al lado de la otra durante un tiempo lo suficientemente largo y eventualmente obtendrá dos corrientes de salida de esencialmente la misma temperatura. En el flujo de contracorriente, tiene esencialmente un lado caliente y un lado frío de un intercambiador de un solo paso, esto ayuda a mantener un mejor gradiente térmico entre las dos corrientes a través del proceso.

En primer lugar, para un equilibrio térmico real, esencialmente necesitaría dos corrientes idénticas, de lo contrario, tiene capacidades de calor de flujo diferentes y las matemáticas nunca funcionarían. Si haces eso, el cambio de temperatura de uno es el mismo que el otro. Para tener un equilibrio térmico se requeriría que la salida de la corriente caliente sea igual a la entrada de la corriente fría. Esto es imposible ya que nunca podría enfriar la transmisión sin un diferencial existente. Si ignoras eso por un segundo, lo que estarías sugiriendo son dos corrientes cuyo perfil de temperatura se ve idéntico entre sí. Si esto es cierto, entonces no podría ocurrir una transferencia de calor, ya que no hay fuerza motriz.

Si observa la imagen de arriba, si no hay distancia entre las curvas, no se produce transferencia de calor. La co-corriente ‘eventualmente’ se uniría. La contracorriente nunca podría ser realmente igual, ya que entonces no ocurriría ningún flujo de calor.

En resumen, lo mejor que podría hacer es dos corrientes que están en un ligero diferencial de temperatura entre sí, y esto requeriría un área de superficie infinita.

Respuesta larga y un poco confusa, estoy seguro. Como su pregunta es una solución no real para el sistema, me tomó un tiempo tratar de entender por qué la solución no era factible.