UNIVERSIDAD TÉCNICA ESTATAL DE QUEVEDO

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA

CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA

UNIDAD DE APRENDIZAJE

PROCESOS DE CONVENCIÓN

DOCENTE: ING. JAVIER CÓNDOR

ALUMNO: Molina Bustamante David

PERIODO LECTIVO

2015-2016

TRANSFERENCIA DE CALOR CON CAMBIO DE FASE

I.- Introducción

Estudiaremos ahora los mecanismos de transferencia de calor con cambio de

fase, es decir, aquellos Donde intervienen la ebullición y la condensación. La

característica fundamental de estos procesos es la anuencia del calor latente de

cambio de fase, hf g, debido al cual se pueden transferir grandes potencias sin

una gran diferencia de temperatura entre La pared y el fluido Otras características

importantes son la anuencia de la tensión superficial σ (la cual determina el

Ángulo de contacto y mojabilidad de las superficies) y de la fuerza boyante, g (ρf −

ρg). Ejemplos de estos modos de transferencia se encuentran en el núcleo y en el

condensador de una central nuclear.

II.- Parámetros adimensionales en ebullición y condensación

La obtención de los parámetros adimensionales para un flujo de dos fases es una

tarea muy compleja, ya que los contornos y la ubicación de las fases liquida y

gaseosa son desconocidas. Tenemos Que utilizar la experiencia para determinar

los parámetros más importantes. Para el cociente de transferencia de calor, puede

escribirse

h = h[∆T , g(ρf − ρg ) , hf g , σ , L , ρ , cp , k , µ]

Donde ∆T = Tw − Tsat

Tw: temperatura de pared, Tsat: temperatura de saturación

G (ρf − ρg): fuerza boyante

hf g: calor latente de cambio de fase

σ: tensión superficial

ρ, cp, k, µ: densidad, calor especifico conductividad y viscosidad del líquido o del

vapor, respectiva mente.

L: longitud característica.

III.- 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.

Hay diferentes tipos de ebullición: si el líquido en la cercanía del calefactor se

encuentra en reposo y El movimiento se establece por el proceso de ebullición,

entonces estamos en presencia de ebullición enpileta. Si por el contrario el

movimiento principal se establece en forma externa, se la denomina Ebullición en

convección forzada. Además, en cada uno de los casos el fluido puede tener una

temperatura igual a la de saturación (ebullición saturada) o menor (ebullición sub

enfriada).

EBULLICION EN PILETA

La curva de ebullición

La curva de ebullición Nukiyama, en 1934, fue el primero en identificar los

diferentes regímenes en ebullición en pileta utilizando como calefactor un alambre

sumergido en agua a presión atmosférica y temperatura de saturación.

Controlando la potencia, Nukiyama observó que la ebullición no comenzaba hasta

que ∆Te = Tw − Tsat excedida los 50 C. Este sobrecalentamiento depende de las

características de la superficie y del fluido, y se conoce a este punto como el

comienzo de la ebullición nucleada (ONB, onset nucleate boiling).

La ONB está relacionada con la teoría de nucleación heterogénea; de acuerdo con

está, la ebullición es un proceso de nucleación y crecimiento de burbujas en

cavidades preexistentes en la superficie calefactora.

Aumentando la potencia, Nukiyama observó que la temperatura de la pared

aumentaba muy poco dentro del rango de ebullición hasta que para una

determinada potencia o flujo de calor, la temperatura del calefactor saltaba en

forma repentina a un valor muy alto (aproximadamente 1000o C ), pudiendo

Llegarse a la destrucción del calefactor; este valor es conocido como flujo calórico

criticó.

Si el calefactor no se destruyó y disminuimos la potencia, se sigue una curva de

enfriamiento hasta llegar a un punto a partir del cual una disminución de la

potencia produce un abrupto descenso del ∆Te, volviendo a la curva de ebullición

original. Por este efecto de histéresis, se vuelve a dicha curva de ebullición en

forma repentina luego de llegar a la potencia mínima, punto que recibe el nombre

de punto de Leidenfrost.

Regímenes de ebullición en pileta

Considerando la curva de ebullición para agua en estado de saturación y presión

atmosférica, observamos los siguientes regímenes:

a) Convección natural en una fase (∆Tsat < 50 C ) El sobrecalentamiento de

pared no alcanza para producir la nucleación y el crecimiento de las

burbujas de vapor en este rango q´´ = Atsat donde n=45 (régimen laminar ) o

n= 43 régimen turbulento.

b) Ebullición nucleada (5o C < ∆Tsat < 30o C ) Se identifican el régimen de

burbujas aisladas y el régimen de chorros y columnas de burbujas. Con

sólo 25 C de aumento en la temperatura de pared, pasamos de flujos de

calor de 104 a 106 W/m2. Los coeficientes de transferencia de calor que se

obtienen son enormes, del orden de 104 W/m2K .

c) Ebullición en transición (30o C < ∆Tsat < 120o C ) Las condiciones en el

calefactor oscilan entre ebullición nucleada y ebullición pelicular, el flujo

de calor y el coeficiente de transferencia de calor disminuyen con ∆Tsat. A

esta región sólo se puede acceder en forma experimental si controlamos la

temperatura.

d) Ebullición pelicular (∆Tsat > 120o C ) En el punto de Leidenfrost, el flujo de

calor es un minino local, y el calefactor se encuentra completamente

cubierto por un colchón de vapor. La transferencia de calor se realiza por

convección en el vapor y, para mayores ∆Tsat, por radiación.

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.

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

Transferencia de calor en Cambio de fase Oscar Pichardi fluido con las

propiedades del fluido líquido a temperatura de película, quedando así.

Correlaciones de la transferencia de calor para la condensación en película.

Tubos Horizontales

Transferencia de calor por condensación 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

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.

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.

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.

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.

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.