INSTITUTO TECNOLOGICO DE LEÓN
INGENIERIA ELECTROMECÁNICA
TEMA: RESUMEN (EBULLICIÓN Y CONDENSACIÓN)
TRANSFERENCIA DE CALOR
PROFESOR: DR. RENTERIA HERNANDEZ JULIAN
ALUMNO: ROBLEDO PÉREZ JORGE ALBERTO
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EBULLICIÓN Y CONDENSACIÓN 10-1 TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA EBULLICIÓN Muchas aplicaciones conocidas de la ingeniería comprenden la transferencia de calor por condensación y ebullición. Por ejemplo, en un refrigerador doméstico, el refrigerante absorbe calor de la cámara fría por ebullición en la sección del evaporador y rechaza el calor hacia el aire de la cocina condensándose en la sección del condensador los largos serpentines !ue se encuentran detrás o abajo del refrigerador". #a ebullición es un proceso de cambio de fase de lí!uido a vapor precisamente como la evaporación, pero e$isten diferencias significativas entre las dos. #a evaporación ocurre en la interfase vapor%lí!uido, cuando la presión de vapor es menor !ue la de saturación del lí!uido a una temperatura dada. Por ejemplo, el agua en un lago a &'() se evapora hacia el aire a &'() y humedad relativa de *'+, ya !ue la presión de saturación del agua a esa temperatura es &. -Pa y la presión de vapor del aire en las condiciones mencionadas es ./ -Pa. Por otra parte, se tiene ebullición en la interfase sólido%lí!uido cuando un lí!uido se pone en contacto con una superficie mantenida a una temperatura 0s suficientemente por arriba de la de saturación 0sat de ese lí!uido. Por ejemplo, a atm, el agua lí!uida en contacto con una superficie sólida a '() hervirá, puesto !ue la temperatura de saturación del agua a atm es ''(). #as burbujas e$isten debido a la tensión superficial s en la interfase lí!uido% vapor producida por la fuerza de atracción sobre las moléculas !ue se encuentran en dicha interfase hacia la fase lí!uida. #a tensión superficial disminuye al aumentar la temperatura y se hace cero a la temperatura crítica. 1sto e$plica por !ué no se forman burbujas durante la ebullición a presiones y temperaturas supercríticas. #a tensión superficial tiene la unidad de 23m. #a ebullición se clasifica como ebullición en estan!ue o ebullición en flujo, dependiendo de la presencia de movimiento masivo del fluido.
4e dice !ue la ebullición es en estan!ue cuando no se tiene flujo masivo del fluido, y !ue es en flujo o ebullición en convección forzada" en presencia de ese flujo. 1n la ebullición en estan!ue el fluido se encuentra en reposo y cual!uier movimiento en él se debe a corrientes de convección natural y al movimiento de las burbujas bajo la influencia de la flotación. #a ebullición del agua en una cacerola colocada sobre una estufa es un ejemplo de ebullición en estan!ue. 4e dice !ue la ebullición es subenfriada o local" cuando la temperatura de la masa principal del lí!uido está por debajo de la de saturación 0sat es decir, la masa del lí!uido está subenfriada" y es saturada o masiva" cuando la temperatura del lí!uido es igual a 0sat es decir, la masa del lí!uido está saturada". 1n las primeras etapas de la ebullición las burbujas se encuentran confinadas en una angosta región cercana a la superficie caliente. 1sto se debe a !ue el lí!uido adyacente a la superficie caliente se vaporiza como resultado de ser calentado arriba de su temperatura de saturación.
10-2 EBULLICIÓN EN ESTANQUE 1n la ebullición en estan!ue no se fuerza el fluido a !ue se mueva por medio de un impulsor, como una bomba, y cual!uier movimiento en él se debe a corrientes de convección natural y al movimiento de burbujas por influencia de la flotación. )omo un ejemplo conocido de la ebullición en estan!ue considere la ebullición de agua de la llave sobre una estufa. 5nicialmente el agua está a alrededor de 6(), bastante abajo de la temperatura de saturación de ''() a la presión atmosférica estándar. 1n las primeras etapas de la ebullición nada significativo advertirá el lector, e$cepto algunas burbujas !ue se pegan a la superficie de la cacerola.
Regímenes de ebu!"!#n $ % "u&'% de ebu!"!#n 2u-iyama advirtió !ue la ebullición toma formas diferentes, dependiendo del valor de la temperatura en e$ceso, 0e$ceso. 4e observaron cuatro regímenes diferentes de ebullición7 ebullición en convección natural, ebullición nucleada, ebullición de transición y ebullición en película. 8un cuando la curva de ebullición dada en esta figura es para el agua su forma general es la misma para diferentes fluidos. #a forma específica de la curva depende de la combinación de materiales en la superficie de calentamiento del fluido y de la presión de este 9ltimo, pero es prácticamente independiente de la configuración geométrica de dicha superficie.
1bullición en convección natural hasta el punto 8 sobre la curva de ebullición" 1n la termodinámica se aprende !ue una sustancia pura a una presión específica empieza a hervir cuando alcanza la temperatura de saturación a esa presión. Pero en la práctica no se ven burbujas formándose sobre la superficie de calentamiento hasta !ue el lí!uido se calienta unos cuantos grados arriba de la temperatura de saturación alrededor de & a *() para el agua". Por lo tanto, en este caso, el lí!uido está ligeramente sobrecalentado una condición metaestable" y se evapora cuando sube hasta la superficie libre. 1n 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. 1bullición nucleada entre los puntos 8 y )" #as primeras burbujas se empiezan a formar en el punto 8 de la curva de ebullición, en varios sitios preferenciales sobre la superficie de calentamiento. #as burbujas se forman con rapidez cada vez mayor, en un n9mero creciente de sitios de nucleación, conforme nos movemos a lo largo de la curva de ebullición hacia el punto ). 1bullición de transición entre los puntos ) y : sobre la curva de ebullición" 8 medida !ue se incrementa la temperatura del calentador y, por consiguiente, la 0e$ceso más allá del punto ), el flujo de calor disminuye. 1sto se debe a !ue una fracción grande de la superficie del calentador se cubre con una película de vapor, la cual act9a como un aislamiento debido a su baja conductividad térmica en relación con la del lí!uido. 1n el régimen de ebullición de transición se tienen en forma parcial tanto ebullición nucleada como en película. #a ebullición nucleada !ue se tiene en el punto ) es reemplazada por completo por la ebullición en película en el punto :. 1n la práctica se evita operar en el régimen de ebullición de transición, el cual también se conoce como régimen inestable de ebullición en película. Para el agua la ebullición de transición se presenta sobre el rango de temperatura en e$ceso de alrededor de '() hasta más o menos &'().
1bullición en película más allá del punto :" 1n esta región la superficie de calentamiento !ueda cubierta por completo por una película continua estable de vapor. 1l punto :, en donde el flujo de calor alcanza un mínimo, se llama punto de #eidenfrost, en honor de ;. ). #eidenfrost, !uien en <6* observó !ue las gotitas de lí!uido sobre una superficie muy caliente saltan de un lado a otro y se evaporan con lentitud. #a presencia de una película de vapor entre la superficie del calentador y el lí!uido es la responsable de las bajas razones de la transferencia de calor en la región de ebullición en película. #a razón de la transferencia de calor aumenta al incrementarse la temperatura en e$ceso como resultado de la transferencia de calor de la superficie calentada hacia el lí!uido, a través de la película de vapor, por radiación, la cual se vuelve significativa a altas temperaturas.
1bullición nucleada 1n el régimen de ebullición nucleada la razón de la transferencia de calor depende fuertemente de la naturaleza de la nucleación el n9mero de sitios activos de nucleación sobre la superficie, la rapidez de la formación de burbujas en cada sitio, etc.", lo cual es difícil de predecir. 1l tipo y la condición de la superficie calentada también afectan la transferencia de calor. 1stas complicaciones dificultan desarrollar relaciones teóricas para la transferencia de calor en el régimen de ebullición nucleada y se necesita apoyar en relaciones basadas en datos e$perimentales.
=lujo pico de calor 1n el dise>o del e!uipo de transferencia de calor para la ebullición es en e$tremo importante !ue el dise>ador tenga conocimiento del flujo má$imo de calor para evitar el peligro de la e$tinción. 4. 4. ?utateladze, en @usia, en A/B, y 2. Cuber, en 1stados Dnidos, en A6B, determinaron teóricamente, aplicando enfo!ues diferentes, el flujo má$imo o crítico" de calor en la ebullición nucleada en estan!ue.
=lujo mínimo de calor 1l flujo mínimo de calor, presente en el punto de #eidenfrost, tiene interés práctico por!ue representa el límite inferior para el flujo de calor en el régimen de ebullición en película. Mediante la teoría de la estabilidad, Cuber dedujo la e$presión siguiente para el flujo mínimo de calor para una placa horizontal grande
1bullición en película 8plicando un análisis semejante al de la teoría de 2usselt sobre la condensación en película !ue se presenta en la sección siguiente, Eromley desarrolló una teoría para la predicción del flujo de calor para la ebullición estable en película sobre el e$terior de un cilindro horizontal.
(e)*&%m!en+* de % +&%ns,e&en"!% de "%*& en % ebu!"!#n en es+%nue )ual!uier modificación !ue mejore la nucleación sobre la superficie de calentamiento también mejora la transferencia de calor en la ebullición nucleada. 4e observa !ue las irregularidades sobre la superficie de calentamiento, incluyendo la aspereza y la suciedad, sirven como sitios adicionales de nucleación durante la ebullición. Por ejemplo, lo más probable es !ue las primeras burbujas en una cacerola llena con agua se formen en los ara>azos en la superficie del fondo. 1stos ara>azos act9an como FnidosG para !ue se formen las burbujas y, por tanto, incrementan la velocidad de formación de éstas. Eerensen ha demostrado !ue se puede incrementar el flujo de calor en el régimen de ebullición nucleada en un factor de ' haciendo áspera la superficie de calentamiento. 4in embargo, estas elevadas velocidades de la transferencia de calor no se pueden sostener por mucho tiempo, ya !ue se observa !ue el efecto de aspereza superficial decae con el tiempo y llega el momento en !ue el flujo de calor cae hasta valores similares a los encontrados sobre las superficies lisas. 1l efecto de la aspereza superficial es despreciable sobre el flujo crítico de calor y el flujo de calor en la ebullición en película.
10-. EBULLICIÓN EN FLU/O #a ebullición en estan!ue considerada hasta ahora comprende un estan!ue de lí!uido aparentemente inmóvil, con burbujas de vapor elevándose hasta la parte superior como resultado de los efectos de flotación. 1n la ebullición en flujo se fuerza al fluido a moverse por medio de una fuente e$terna, como una bomba, a medida !ue pasa por un proceso de cambio de fase. 1n este caso, la ebullición e$hibe los efectos combinados de la convección y de la ebullición en estan!ue. #a ebullición en flujo también se clasifica en ebullición en flujo e$terno o en flujo interno, dependiendo de si el fluido se fuerza a moverse sobre una superficie calentada o en el interior de un tubo calentado.
#a naturaleza de la ebullición en flujo interno es mucho más complicada, debido a !ue no e$iste superficie libre donde el vapor se escape y, por ende, tanto el lí!uido como el vapor son forzados a fluir juntos. 1l flujo en dos fases en un tubo e$hibe regímenes diferentes de ebullición, dependiendo de las cantidades relativas de las fases de lí!uido y de vapor. 1sto complica el análisis todavía más. 1n este régimen de flujo tapón, hasta la mitad del volumen del tubo es ocupado por el vapor. :espués de un tiempo el n9cleo del flujo consta sólo de vapor y el lí!uido se confina en el espacio anular entre el n9cleo de vapor y las paredes del tubo. Hste es el régimen de flujo anular, y en él se presentan coeficientes muy altos de transferencia de calor. )onforme el calentamiento contin9a, la capa anular de lí!uido se adelgaza cada vez más y llega el momento en !ue empiezan a aparecer manchas secas sobre las superficies interiores del tubo. #a aparición de las manchas secas viene acompa>ada por una brusca disminución en el coeficiente de transferencia de calor. 1ste régimen de transición contin9a hasta !ue la superficie interior del tubo !ueda seca por completo. 1n este momento cual!uier lí!uido se encuentra en la forma de gotitas suspendidas en el n9cleo de vapor, lo cual asemeja a una neblina y se tiene un régimen de flujo en neblina hasta !ue se vaporizan todas las gotitas. 8l final de este 9ltimo régimen se ha saturado el vapor, el cual se vuelve sobrecalentado con cual!uier transferencia adicional de calor.
