TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA EBULLICIÓN La ebullición es un cambio de fase de liquido a vapor precisamente como la evaporización, evaporización, pero existen diferencia significativas entre las dos. La evaporación ocurre en la superficie del líquido, además se da a cualquier temperatura y este proceso ocurre en dos fases liquido-vapor, ejemplo. Un vaso de agua, la superficie del agua se va a evaporar a una temperatura antes de su saturación en esta evaporación no ocurre formación de burbujas, ya que se da en la superficie. En la ebullición ocurre en una interface solido-liquido, en donde el sólido esta a una temperatura mayor que la de saturación. En este proceso se caracteriza por que se forma burbujas en la superficie del sólido y se elevan hacia la superficie libre del líquido. En la transferencia de calor por ebullición se relacionan las propiedades de densidad, viscosidad dinámica, k y Cp del liquido (L) y vapor(V), también a h fg (calor de vaporización) y σ(tensión superficial). Las burbujas existen debido a la te nsión superficial σ, en donde la σ disminuye cuando la temperatura aumenta .La σ se mide en N/m2 igual que la presión. En una una burbuja la presión y
temperatura son diferentes a la del líquido. La diferencia de presión en la burbuja se trata de equilibrar con la tensión superficial para alcanzar un equilibrio. En cuanto a la diferencia de temperatura, ocurre una transferencia de calor gracias a esta diferencia, de la burbuja al liquido (condensación) y del liquido a la burbuja. La transferencia de calor en la ebullición se clasifica en: ebullición en estanque y ebullición en flujo. En donde la ebullición en estanque se caracteriza por que el flujo en él se debe a la convección natural. En cambio la ebullición en el flujo el fluido se fuerza a moverse por medios externos como una bomba. Estos tipos de ebullición se clasifican a su vez en ebullición sub enfriada y ebullición saturada. En la ebullición sub enfriada, la temperatura del liquido principal es menor que la saturación en esta ebullición se forman burbujas en la superficie caliente, debido a que esta superficie esta a una temperatura mayor que la Tsat, conforme estas burbujas transfiere calor al liquido que esta a una temperatura menor que la Tsat. Estas burbujas sirven como transportadoras de calor de la superficie caliente caliente hacia el resto del del líquido. En este este caso la ebullición se da en una región cercana a la superficie caliente denominándose ebullición local y sub enfriada. Cuando todo el líquido esta a la temperatura de saturación, se puede ver burbujas en todo el líquido y a este caso se le llama ebullición masiva o saturada.
Ebullición en flujo En la ebullición en flujo el fluido se fuerza a ir mediante bombas además que el fluido sufre un cambio de fase. Este tipo de flujo se presenta en la parte interna de una tubería o sobre superficies (cilindros o placas), clasificándose como ebullición en flujo interno y ebullición en flujo externo respectivamente respectivamente
Ebullición en flujo externo. El fluido fluye sobre una superficie (cilindro). Este tipo de proceso es
muy similar a la ebullición de estanque, pero a diferencia que debido al movimiento agregado el flujo de calor aumenta considerablemente en la zona de ebullición nucleada como el flujo de calor critico. En el grafico se puede notar que mientras mayor sea la velocidad del fluido mayor será el flujo de calor nucleado y mayor valor de flujo critico. Por ejemplo: Experimentalmente para el agua se a alcanzado valores de 35MW/m2 para su flujo critico de calor mientras que para la ebullición de estanque se obtuvo valores de 1.3 MW/m2 ambos a 1 atm de presión.
Ebullición de flujo interno: A diferencia del otro flujo acá no hay superficie libre donde el vapor
salga por ende el vapor y el liquido fluirán juntos: En este tipo de flujo existen dos fases complicando su análisis, lo que sugiere a analizar según su composición de liquido y vapor en todo el tubo y además analizar el coeficiente de transferencia de calor. En la figura para x=0 es decir no existe vapor, el liquido está sub enfriado y la transferencia de calor se da por “convección forzada”.
Cuando se empieza a formar burbujas estas son arrastradas por la corriente principal llamándose a este “régimen de flujo de burbujas”. A medida que se calie nte el tubo las burbujas crecen y se juntan formando masa de vapor, este es “régimen de flujo tapón”. Conforme se siga calentando el tubo las burbujas se seguirán juntando y luego fluirán por el centro de la tubería y el liquido estará rodeado por el vapor y las paredes del tubo este es el “régimen de flujo anular” en este régimen se puede ver que presenta valores muy altos de “h” conforme el liquido se siga calentando el liquido
se evaporara quedando unas manchas secas en las paredes de las tuberías este e s el “régimen de flujo de transición” en donde se presenta valores bajos de “h”. Conforme se siga calentando la superficie de la tubería se seca por completo quedando solo unas gotitas de liquido en el centro de la tubería siendo este un “régimen de flujo en neblina” , el tubo se sigue calentando hasta que todas las gotas se vaporen quedando solo vapor saturado (con x=1 ) el cual se sigue calentando quedando como sobrecalentado. Se puede ver que para x=0 ó x=1 se trata de una sola fase en donde en ambos casos se trabaja por convección en una sola fase, mientras que para x ≠1 ≠0 los cálculos son mucho mas complicados presentándose las siguientes estimaciones: Metodo de chen
hcb = h’c+ h’b hcb: coe. De transmisión de calor h’c: coef. De ebullición convectiva h’b: coef. de ebullición nucleada
LIMITACIÓN: h’c y h’b varían a lo largo del tubo porque cambia la calidad de vapor Diseñar por tramos donde los h sean ctes. h’c: se calcula partir del coef de convección en el líquido corregido por un factor (fc) que es función de la fracción en masa del vapor (Xtt).
En donde:
- G: flujo másico por unidad de área -hc: coef. De convección del liquido -fc: factor de corrección Factor de corrección, fc:
h’b: se calcula partir del coef. de ebullición nucleada en piscina de líquido corregido por un factor
(fS)
En donde:
hnb: coef. de ebullición nucleada, W/m2·ºC λ: Calor latente
Cp: capacidad calorifica Tw: T de la superficie, ºC Ts: T de saturación, ºC
