Cambio de Fase
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UNIVERSIDAD GRAN MARISCAL DE AYACUCHO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERA DE MANTENIMIENTO INDUSTRIAL NÚCLEO EL TIGRE INTEGRANTES: Oscar José Pichardi C.I: 20.172.213 Mayo 2011
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UNIVERSIDAD GRAN MARISCAL DE AYACUCHO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERA DE MANTENIMIENTO INDUSTRIAL
NÚCLEO EL TIGRE
INTEGRANTES:
Oscar José Pichardi
C.I: 20.172.213
Mayo 2011
Transferencia de calor en Cambio de fase
Oscar Pichardi Página 2
INTRODUCCIÓN
La ebullición y la condensación son procesos esenciales en la transferencia de
calor desde una región caliente a otra más fría en numerosas aplicaciones, como
por ejemplo, la generación de energía eléctrica, la refrigeración, el refinado, la
transmisión de calor, etc.
La ebullición es el proceso físico en el que un líquido pasa a estado gaseoso con
las fuerzas de algo a mucha temperatura (100 grados). Se realiza cuando la
temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de ebullición del líquido a
esa presión. Si se continúa calentando el líquido, éste absorbe el calor, pero sin
aumentar la temperatura: el calor se emplea en la conversión del agua en estado
líquido en agua en estado gaseoso, hasta que la totalidad de la masa pasa al
estado gaseoso. En ese momento es posible aumentar la temperatura del líquido.
Se producen tres modos distintos de ebullición libre: conectiva, nucleada y la
potencialmente peligrosa ebullición pelicular. Los estudiantes de ingeniería deben
conocer las características de cada modo de ebullición si van a participar en el
diseño, el funcionamiento o el servicio de cualquier proceso de transferencia de
calor.
Se denomina condensación al cambio de estado de la materia que se encuentra
en forma gaseosa a forma líquida. Es el proceso inverso a la vaporización. Si se
produce un paso de estado gaseoso a estado sólido de manera directa, el proceso
es llamado sublimación inversa. Si se produce un paso del estado líquido a sólido
se denomina solidificación.
Transferencia de calor en Cambio de fase
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CONDENSACIÓN
Se denomina condensación al cambio de estado de la materia que se encuentra
en forma gaseosa a forma líquida. Es el proceso inverso a la vaporización. Si se
produce un paso de estado gaseoso a estado sólido de manera directa, el proceso
es llamado sublimación inversa. Si se produce un paso del estado líquido a sólido
se denomina solidificación.
La condensación es un fenómeno en la cual un vapor hace contacto con otra
sustancia sin distingo de su estado físico que tiene una temperatura por debajo de
la temperatura de saturación del vapor.
En la condensación podemos distinguir dos formas, una llamada condensación de
película en donde el vapor se condensa sobre la superficie y forma sobre ella una
capa de fluido que cae por acción de la gravedad y su grosor aumenta en el
sentido del fluido todo gracias a la adición de mas vapor condensado sobre la
superficie de la película de fluido. Otra forma es la condensación por gota, en la
que el vapor forma gotas diversas sobre la superficie.
Entre ambas formas de transferencia de calor la más deseada es la transferencia
de calor por gotas, ya que la tasa transferencia de calor en esta forma puede
llegar hasta ser 10 veces mayor que la transferencia de calor por películas, el
trabajo de muchos científico se ha basado en lograr la transferencia de calor por
goteo en tiempo largos sin mayor éxito, por lo tanto lo general es que ocurra
transferencia de calor en película, por esa causa todos los equipos de
transferencia de calor por condensación están concebidos para funcionar con
eficiencia en sistemas de condensación por película.
En la convención por película podemos encontrarnos con la dependencia del
conocer la naturaleza del flujo del fluido condensado para poder determinar la tasa
de transferencia de calor.
Reynolds nos ofrece una forma de calcularlo:
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Dh=4Ac/p=4δ: diámetro hidráulico (m)
p: perímetro mojado del condensado. (m)
Ac=pδ: Perímetro mojado del condensado por el espesor de la película (m2)
Ρ: Densidad de Fluido Kg/m3
µl: Viscosidad del fluido kg/ms
V: velocidad promedio del fluido m/s
m: gasto másico Kg/s
CONDENSACIÓN EN PAREDES VERTICALES.
Ya sabemos que la rata de transferencia de calor por convección está dada por la
ecuación Q=h*A*(t2-t1) y que la condensación desprende calor bajo la siguiente
forma Q=m(hg-hf), pero esta condición es aplicable solo cuando la temperatura del
aire es la temperatura del agua, condición que es poco probable, y por lo tanto hfg
debe reemplazarse por h*fg
Cuando la temperatura de la pared es menor a la temperatura de saturación del
vapor entonces la temperatura del fluido líquido de la capa tendrá una temperatura
de película que es la media de la temperatura de saturación y la película de la
superficie. Por lo tanto se calculará adicionalmente la transferencia de calor del
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fluido con las propiedades del fluido líquido a temperatura de película, quedando
así
Adicionalmente a este fenómeno está la presencia de vapor sobre calentado por lo
cual debe calcularse la pérdida de calor del aire mediante el uso del Calor
específico del vapor a temperatura de película, la cual es la media entre la
temperatura del vapor y la temperatura de saturación del fluido, quedando así:
Por lo tanto:
Despejando m de la anterior y sustituyendo en la ecuación de Reynolds
obtenemos que:
Calculado el Reynolds podemos identificar qué tipo de fluido fluye sobre la
superficie convectiva.
Si: 0<Re<30 se considera un fluido laminar
30<Re>1800 Se considera un fluido ondulado
1800<Re se considera un fluido turbulento
CORRELACIONES DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR PARA LA
CONDENSACIÓN EN PELÍCULA.
Placas Verticales
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Pared Inclinada
(Laminar)
Tubos Horizontales
Banco de Tubos Horizontales
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Condensación de Película en el interior de tubos.
Siempre que
TRANFERENCIA DE CALOR POR CONDENSACION POR GOTAS
La condensación caracterizada por gotitas de diámetros variables sobre la
superficie de condensación en lugar de una película continúa de líquido, es uno de
los mecanismos más eficaces de transferencia de calor y con él se puede lograr
coeficientes de transferencias de calor extremadamente grandes.
En la condensación por gotas éstas se forman en los sitios de nucleación sobre la
superficie y crecen como resultado de la condensación continuada, se juntan
formando otras más grandes y resbala hacia abajo cuando alcanzan cierto
tamaño, despejando la superficie y exponiéndola al vapor. En este caso no existe
película de líquido que oponga resistencia a la transferencia de calor. Como
resultado, con la condensación por gotas se pueden lograr coeficientes de
transferencia de calor que son diez veces más grandes que los asociados con la
condensación en película. Los coeficientes de transferencia de calor grandes
permiten a los diseñadores lograr una velocidad específica de transferencia de
calor con un área superficial más pequeña y, por consiguiente, un condensador
más pequeño (y menos caro). Por lo tanto, la condensación por gotas es el modo
preferido en las aplicaciones de transferencia de calor.
El reto de este tipo de condensación no es lograrla sino sostenerla durante largos
periodos. La condensación por gotas se logra al agregar una sustancia química
promotora de vapor tratando con esta superficie o recubriéndola con un polímero,
como el teflón, o con un metal noble, como el oro plata, radio, paladio o platino.
Los promotores usados incluyen diversas ceras y ácidos grasos, como los ácidos
oleicos, esteárico y linoico, no obstante pierden efectividad después de un tiempo
debido a la incrustación, la oxidación y la remoción del promotor de la superficie.
Es posible sostener la condensación por gotas durante un año mediante los
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efectos combinados de recubrimiento de la superficie y la inyección periódica del
promotor en el vapor. Sin embargo, cualquier ganancia en la transferencia de calor
debe tasarse contra el costo asociado con el sostenimiento de este tipo de
condensación.
La condensación por gotas se ha estudiado en forma experimental para varias
combinaciones de superficie-fluido. De ellas, los estudios sobre la condensación
de vapor de agua sobre superficies de cobre ha atraído la mayor parte de la
atención debido a si extendida aplicación en plantas generadoras que funcionan
con vapor. Se recomienda aplicar estas sencillas correlaciones para la
condensación por gotas de vapor de agua sobre superficies de cobre:
En donde Tsat se da en ºC y el coeficiente de transferencia de calor h por gotas se
obtiene en W/m2ºC.
Los coeficientes de transferencia de calor que se pueden lograr con la
condensación por gotas tienen poco significado si el material de la superficie de
condensación no es un buen conductor, como el cobre, o si la resistencia térmica
del otro lado de la superficie es demasiado grande. En operación estacionaria la
transferencia de calor de uno de los medios hacia el otro depende de la suma de
las resistencias térmicas en la trayectoria del flujo del calor, y una resistencia
térmica grande puede eclipsar todo lo demás y dominar el proceso de
transferencia. En esos casos la manera de la exactitud de una resistencia
pequeña (como una debida a la condensación o a la ebullición) difícilmente
produce alguna diferencia en los cálculos del coeficiente de transferencia de calor
total.
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EBULLICIÓN
La ebullición es el proceso físico en el que un líquido pasa a estado gaseoso. Se
realiza cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de
ebullición del líquido a esa presión. Si se continúa calentando el líquido, éste
absorbe el calor, pero sin aumentar la temperatura: el calor se emplea en la
conversión del agua en estado líquido en agua en estado gaseoso, hasta que la
totalidad de la masa pasa al estado gaseoso.
La ebullición es un proceso que ocurre gracias al contacto entre un fluido en
estado líquido y una superficie a temperatura superior a la temperatura de
saturación del líquido y se caracteriza por la formación de burbujas sobre la
superficie caliente y el ascenso de estas hasta la superficie del líquido.
La ebullición se clasifica según la presencia de flujo másico en ebullición de
estanque, donde no existe flujo másico y todo el desplazamiento es originado por
la flotabilidad de las burbujas producto de la ebullición por lo cual la convección es
del tipo natural, mientras que la ebullición en flujo ocurre en ambientes donde
existe condiciones de convección forzada y el movimiento de las burbujas
dependen además de factores externos. Y a su vez cada clasificación se sub
divide en ebullición su enfriada la cual se refiere a que mayormente el fluido está
por debajo de la temperatura de saturación, mientras que una ebullición saturada,
presenta como característica principal que la temperatura del flujo esta en
temperatura de saturación.
La ebullición tiene 4 diferentes regímenes y están estrechamente relacionados con
la temperatura en exceso, ebullición natura, ebullición nucleada, ebullición de
transición y ebullición de película.
Todas las etapas forman la curva de la ebullición del agua.
La ebullición de convección Natural existe si Δ Te ≤ Δ Te, A donde Δ Te, A ≈ 5 ºC.
En este régimen hay insuficiente vapor en contacto con la fase líquida para
ocasionar la ebullición a la temperatura
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La ebullición nucleada se da en el rango Δ Te, A ≤ Δ Te ≤ Δ Te, C, donde Δ Te, C
≈ 30 ºC. En este intervalo se distinguen dos regímenes de flujo diferentes. En la
región A-B, se forman burbujas aisladas en los lugares de nucleación y se separan
de la superficie. Esta separación induce una mezcla considerable de fluido cerca
de la superficie
En la región B-C, el vapor escapa como chorros o columnas, que posteriormente
se unirán en flujos de vapor.
En la región de transición que corresponde a Δ Te, C ≤ Δ Te ≤ Δ Te, D, donde Δ
Te, D ≈ 120 ºC. Esta región también es conocida como ebullición de película
inestable o ebullición de película parcial. La ebullición ahora es tan rápida que una
película de vapor o manto se comienza a formar en la superficie.
La ebullición de película se da para Δ Te ≥ Δ Te, D. En el punto D de la curva de
ebullición, denominado punto de Leidenfrost, es un mínimo, = , y la
superficie está completamente cubierta por un manto de vapor
El cálculo del calor transferido en los diferentes regímenes de ebullición:
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EBULLICIÓN EN FLUJO
La ebullición en estanque considerada hasta ahora comprende un estanque de
líquido aparentemente inmóvil, con burbujas de vapor elevándose hasta la parte
superior como resultado de la flotación. En la ebullición en flujo se fuerza al fluido
a moverse por medio de una fuerza externa, como una bomba, a medida que pasa
por un proceso de cambio de fase. En este caso, la ebullición exhibe los efectos
combinados de la convección y de la ebullición en estanque. La ebullición en flujo
también se clasifica en flujo externo y en flujo interno, dependiendo de si el fluido
se fuerza a moverse sobre una superficie calentada o en el interior de un tubo
calentado.
La ebullición en flujo externo sobre placa o cilindro es semejante a la ebullición en
estanque, pero el movimiento agregado incrementa de manera considerable tanto
el flujo de calor en la ebullición nucleada como el flujo critico de calor. Note que
entre más alta es la velocidad, más alto es el flujo de calor en la ebullición
nucleada y el flujo de crítico de calor. En experimentos con agua se han obtenido
valores tan altos de flujo crítico de calor como de 35 MW/m2, (comparado con
1.3MW/m2 de la ebullición de estanque a presión de 1 atmosfera) al incrementar la
velocidad del flujo
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La naturaleza de la ebullición en flujo interno es mucho más complicada, debido a
que no existe superficie libre donde el vapor se escape y, por ende, tanto el líquido
como el vapor son forzados a fluir juntos. El flujo en dos fases en un tubo exhibe
regímenes diferentes de ebullición, dependiendo de las cantidades relativas de las
fases de líquido y de vapor. Esto complica el análisis todavía más.
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CONCLUSIÓN
Ebullición: Cuando la transferencia de calor se produce transfiriendo calor a un
fluido con cambio de fase desde una pared calefactora, se dice que estamos en
presencia de ebullición. La temperatura de la pared Tw debe ser mayor que la
temperatura de saturación.
Condensación: El fenómeno de condensación ocurre cuando la temperatura del
vapor se reduce a un valor por debajo de la temperatura de saturación. En estos
casos, se entrega el calor latente y se forma el condesando.
El calor latente se puede entregar a una superficie fría, mediante condensación
homogénea o por contacto directo (como en sistemas de seguridad en edificios de
contención de centrales nucleares o en las duchas de los presurizadores).
La comprensión de estos fenómenos en sus diferentes variaciones es de especial
importancia para las aplicaciones industriales y tecnológicas ya que se puede
diseñar mejorando las eficiencias logradas.
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BIBLIOGRAFÍA
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