Cambio de Fase

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 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.

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Transferencia de calor en Cambio de fase 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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Transferencia de calor en Cambio de fase Dh=4Ac/p=4δ: diámetro hidráulico (m) p: perímetro mojado del condensado. (m) Ac=pδ: Perímetro mojado del condensado por el espesor de la pelícu la (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 h fg 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 Oscar Pichardi

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Transferencia de calor en Cambio de fase 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
se considera un fluido laminar

301800

Se considera un fluido ondulado

1800
se considera un fluido turbulento

CORRELACIONES DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR PARA L A CONDENSACIÓN EN PELÍCULA.

Placas Verticales

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Transferencia de calor en Cambio de fase

Pared Inclinada (Laminar)

Tubos Horizontales

Banco de Tubos Horizontales

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Transferencia de calor en Cambio de fase 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 Oscar Pichardi

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Transferencia de calor en Cambio de fase 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 obtiene en W/m2ºC.

por gotas

se

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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Transferencia de calor en Cambio de fase 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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Transferencia de calor en Cambio de fase La ebullición nucleada se da en el rango Δ Te, A ≤ Δ Te ≤ Δ Te, C, donde Δ Te, C ≈ 30 ºC. En este inte rvalo

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/m 2, (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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Transferencia de calor en Cambio de fase 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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Transferencia de calor en Cambio de fase 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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Transferencia de calor en Cambio de fase BIBLIOGRAFÍA

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