Ebullicion y Condensacion

Transferencia de calor
Ebullicion y Condensacion información extraida de Cengel

1. ebullición L a ebullición es la forma más conocida de transferencia de calor, sin embargo es la forma menos comprendida . El trabajo que abrió el camino en relación con la ebullición fue realizado en1934 por S. Nukiyama, quien utilizó en sus experimentos alambres de nicromo y de platino calentados eléctricamente sumergidos en líquidos. Nukiyama advirtió que la ebullición toma formas diferentes, dependiendo del valor de la temperatura en exceso, T exceso .  

2. TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA EBULLICIÓN Es un proceso de cambio de fase de líquido a vapor precisamente como la evaporación, pero existen diferencias significativas entre las dos. EBULLICIÓN

3. Por otra parte, se tiene ebullición en la interfase sólido-líquido cuando un líquido se pone en contacto con una superficie mantenida a una temperatura Ts suficientemente por arriba de la de saturación T sat de ese líquido.

4. El flujo de calor en la ebullición , de una superficie sólida hacia el fluido, se expresa con base en la ley de Newton del enfriamiento como:   en donde: T exceso = Ts – T sat se llama temperatura en exceso.

5. CLASIFICACIÓN Ebullición en estanque Ebullición en flujo

6. Se observaron cuatro regímenes diferentes de ebullición: ebullición en convección natural , ebullición nucleada , ebullición de transición y ebullición en película Regímenes de ebullición y la curva de ebullición

7. En la figura se ilustran estos regímenes sobre la curva de ebullición , la cual es una gráfica del flujo de calor en la ebullición contra la temperatura en exceso. Aun cuando la curva de ebullición dada en esta figura es para el agua su forma general es la misma para diferentes fluidos.

8. Ebullición en convección natural (hasta el punto A sobre la curva de ebullición) En este modo de ebullición la convección natural rige el movimiento del fluido y la transferencia de calor de la superficie de calentamiento al fluido se realiza por ese mecanismo. Observe la figura, donde la zona de ebullición por convección natural para el agua termina 5ºC arriba de su temperatura de saturación .

9. Ebullicion Nucleada (   En la ebullición nucleada la razón de la transferencia de calor depende de la rapidez de la formación de burbujas en cada sitio, etc.), lo cual es difícil de predecir. Estas complicaciones dificultan desarrollar relaciones teóricas o ecuaciones para la transferencia de calor por ello es necesario apoyarse en relaciones basadas en datos experimentales.

10. En donde: .s   La correlación que se usa con mayor amplitud para el flujo de calor en el régimen de ebullición nucleada fue propuesta en 1952 por Rohsenow y se expresa como: Correlacion según Rohsenow

11. Ebullición de transición A medida que se incrementa la temperatura del calentador y, por consiguiente, la más allá del punto C, el flujo de calor disminuye. En el régimen de ebullición de transición se tienen en forma parcial tanto ebullición nucleada como en película.  

12. Flujo máximo de calor El flujo máximo(o crítico) de calor en la ebullición nucleada en estanque y se expresa como: Exhaustivos estudios experimentales realizados por Lienhard y sus colaboradores indicaron que el valor de Ccr es alrededor de 0.15  

13. Flujo mínimo de calor El flujo mínimo de calor, presente en el punto de Leidenfrost representa el límite inferior para el flujo de calor en el régimen de ebullición en película.

14. Ebullición en película E l flujo de calor para la ebullición en película sobre un cilindro horizontal o una esfera de diámetro d se expresa por: en donde k v es la conductividad térmica del vapor en W/m · °C y :

15. S i fuera un cuerpo negro, la transferencia de calor por radiación se puede determinar a partir de: en donde ԑ es la emisividad de la superficie de calentamiento y 5.67 * 10^(-8) W/m 2 ·K 4 es la constante de Stefan- B oltzmann . P ara q rad < q película, B romley determinó que la relación:  

16. En la figura se ilustran las diferentes etapas que se encuentran en la ebullición en flujo en un tubo calentado, junto con la variación del coeficiente de transferencia de calor a lo largo del tubo. A l final de este último régimen se ha saturado el vapor. Ebullición en FLUJO

17. Es un cambio de estado de la materia que se encuentra en forma gaseosa (vapor) y pasa a forma líquida. Cuando se baja la temperatura de un vapor hasta , ocurre la condensación.   CONDENSACION

18. TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA CONDENSACIÓN La condensación también puede ocurrir sobre la superficie libre de un líquido o incluso en un gas, cuando la temperatura de estos a la cual se expone el vapor está por debajo de .   Se observan 2 formas distintas de condensación: en película y por gotas. En la condensación en película el condensado moja la superficie y forma una película de líquido sobre la superficie En la condensación por gotas el vapor condensado forma gotitas sobre la superficie en lugar de una película.

19. CONDENSACIÓN EN PELÍCULA La película de líquido se empieza a formar en la parte superior de la placa y fluye hacia abajo por la influencia de la gravedad.

20. el número de Reynolds proporciona el criterio para el régimen de flujo el cual se define como: en donde:  

21. calor latente de vaporización modificado h * fg , definido como: en donde cpl es el calor específico del líquido a la temperatura promedio de película. Se puede tener un argumento semejante para el vapor que entra en el condensador como vapor sobrecalentado a una temperatura Tv , en lugar de como vapor saturado. En este caso, el calor latente modificado de vaporización queda:

22. Con estas consideraciones, la razón de la transferencia de calor se puede expresar como: en donde As es el área de transferencia de calor (sobre la cual ocurre la condensación). Al despejar m · de las ecuaciones anteriores y sustituyéndolo en la 10-8 da otra relación para el número de Reynolds,

23. REGÍMENES DE FLUJO El flujo de esta película exhibe regímenes diferentes , dependiendo del valor del número de Reynolds. Se observa que la superficie exterior de la película de líquido permanece lisa y sin ondas para alrededor de Re 30,   Conforme el número de Reynolds aumenta, éste se vuelve completamente turbulento a alrededor de Re 1 800.  

24. Placas Verticales Considere una placa vertical de altura L y ancho b mantenida a una temperatura constante Ts que se expone a vapor a la temperatura de saturación Tsat . En 1916 Nusselt fue el primero en desarrollar la relación analítica para el coeficiente de transferencia de calor en la condensación en película sobre una placa vertical, antes descrita, bajo las siguientes hipótesis simplificadoras: 1.Tanto la placa como el vapor se mantienen a las temperaturas constantes de Ts y Tsat , respectivamente, y la temperatura de uno a otros lados de la película de líquido varía en forma lineal. 2.La transferencia de calor de uno a otro lados de la película de líquido es por conducción pura (no existen corrientes de convección en la película de líquido). 3.La velocidad del vapor es baja (o cero), de modo que no ejerce arrastre sobre el condensado (no existe fuerza cortante viscosa sobre la interface líquido-vapor). 4.El flujo del condensado es laminar y las propiedades del líquido son constantes. 5.La aceleración de la capa de condensado es despreciable.

25. Flujo laminar ondulado sobre placas verticales Con números de Reynolds mayores que 30 se observa que se forman ondas en la interfase líquido-vapor, aun cuando el flujo en la película de líquido es todavía laminar. En este caso se dice que es laminar ondulado . En este caso se dice que es laminar ondulado. Las ondas en la interfase líquido-vapor tienden a incrementar la transferencia de calor. Pero las ondas también complican el análisis y resulta muy difícil obtener soluciones analíticas. Por lo tanto, se debe recurrir a estudios experimentales. En promedio, el incremento en la transferencia de calor debido al efecto de las ondas es de alrededor de 20%, pero puede sobrepasar 50%.

26. Flujo turbulento sobre placas verticales Con números de Reynolds de alrededor de 1 800 el flujo de condensado se vuelve turbulento. Se han propuesto varias relaciones empíricas, con grados variables de complejidad, para el coeficiente de transferencia de calor para el flujo turbulento. Labuntsov (1957) propuso la relación que sigue para el flujo turbulento del condensado sobre placas verticales:

27. Placas Inclinadas

28. En la condensación sobre placas inclinadas un ángulo θ respecto a la horizontal se utiliza la siguiente ecuación: Para r égimen laminar

29. S e puede usar la ecuación para placas verticales, siempre que el diámetro del tubo sea grande en relación con el espesor de la película de líquido. Tubos verticales

30. Se puede extender el análisis de Nusselt de la condensación en película sobre placas verticales hacia tubos horizontales. Se determina que el coeficiente de transferencia de calor promedio para la condensación en película sobre las superficies exteriores de un tubo horizontales Tubos horizontales

31. De la ecuación del coeficiente de calor promedio para tubos horizontales se puede modificar con facilidad para una esfera al reemplazar la constante 0.729 por 0.815 ESFERAS

32. En el diseño de condensadores los tubos horizontales apilados uno sobre del otro, y son de uso común. BANCO DE TUBOS HORIZONTALES Si el condensado proveniente de los tubos de arriba hacia los de abajo drena con suavidad

33. CONDENSACIÓN EN PELÍCULA DENTRO DE TUBOS HORIZONTALES El análisis de la transferencia de calor de la condensación en el interior de tubos se complica por el hecho de que la velocidad del vapor y la rapidez de la acumulación de líquido sobre las paredes de los tubos influyen fuertemente sobre ella . Para velocidades bajas del vapor, Chato (1962) recomienda esta expresión para la condensación Para: en donde el número de Reynolds del vapor se debe evaluar en las condiciones de admisión del tubo.

34. CONDENSACIÓN POR GOTAS La condensación caracterizada por gotitas de diámetros variables sobre la superficie de condensación en lugar de una película continua de líquido, es uno de los mecanismos más eficaces de la transferencia de calor y con él se pueden lograr coeficientes de transferencia extremadamente grandes.

35. CONDENSACIÓN POR GOTAS Los estudios sobre la condensación de vapor de agua sobre superficies de cobre han atraído la mayor parte de la atención debido a su extendida aplicación en plantas generadoras que funcionan con vapor. en donde Tsat se da en °C y el coeficiente de transferencia de calor, h por gotas se obtiene en W/m 2 · °C.