Unidad 5.-Tranferencia por cambio de fase. 5.1 Mecanismos físicos de la condensación. 5.2 Mecanismo físico de la ebullición. 5.3 Evaluación de coeficientes locales. locales. 5.4Aplicación 5.4Apl icación en evaporadores y condensadores
Noviembre-Diciembre Authored by: Angélica Flores Luna
Que el alumno sepa explicar que es la transferencia de calor en los cambios de fase, así como la mecánica funcional de la ebullición y la condensación.
Como ya sabemos la pérdida o ganancia de energía en objetos se le considera también calor, por lo tanto en esta unidad veremos como es la transferencia de calor en los cambios de fase, como es la condensación y la ebullición así como su mecanismo de cada uno, es importante tener conocimiento de como funcionan ya que lo veremos aplicado en los calentadores solares entre otras(…)
5.1 Mecanismos físicos de la condensación. e r b m e i c i D e r b m e i v o N | . e s a f e d o i b m a c r o p a i c n e r e f n a r T . 5 d a d i n U
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Condensación: Es un fenómeno físico, el contrario a la vaporización, en el cual un gas se reduce al quitarle calor pasando a el estado liquido. Un ejemplo claro lo vemos cuando nos bañamos con agua caliente y los azulejos de la pared quedan empañados, sucede porque el vapor de agua choca con la pared fría perdiendo energía y al haber un equilibrio de temperatura vuelve al estado liquido formando gotitas de agua, esto es un ejemplo de condensación. La condensación también puede ocurrir cuando un gas es comprimido, al haber un aumento de presión.
En cuanto a mecanismos físicos de condensación podemos encontrar dos formas la primera como la condensación por gotas, y la otra es la condensación en forma de pel ícula.
Formas de condensación. a) Condensación en forma de película (laminar) b) condensación en forma de gota. c) condensación homogénea o como resultado la formación de niebla de aumento de la presión debido a la expansión. d) condensación de contacto directo.
Condensación en forma de gotas: Esta ocurre cuando la superficie sobre la cual se condensara el agua esta sucia con algún sustrato, lo cual impedirá que el vapor condensado moje la superficie, por lo cual su forma de condensación es en forma de gotas. En estos casos la transferencia de calor puede ser mayor a las asociadas en la condensación en forma de pelí cula.
Forma de gota.
Forma de película
Condensación en forma de película: Este tipo de condensación también llamada condensación laminar es cuando se forma sobre una superficie con un flujo continuo del liquido producto de la condensación se da de manera vertical sobre la superficie, esto por la acción de la gravedad, aumentando el espesor de la película de arriba hacia abajo, un ejemplo de esto es cuando sacamos una botella fría y a l contacto con la temperatura del medio ambiente comienza a lo que le llamamos coloquialmente “sudor frio”
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En ambos casos la transferencia de calor se da por conducción, en el caso de la condensación laminar se supone que la superficie es relativamente lisa y limpia, y la temperatura dela superficie es constante. Y se desprecia la curvatura de la l amina. Para estos casos:
La velocidad del vapor que pasa a través de la lamina (película) liq uida de condensado y a la superficie enfriadora por unidad de área. Donde: λ calor latente de vaporización. 2
W ’ kg de condensado por una hora por cm (velocidad del vapor condensado) Y’ espesor de la película de condensado en un punto cualquiera.(coordenadas x,y) t’ – t : gradiente de temperatura K: conducción térmica del material. Realizando el despeje nos quedaría así:
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Esta es la formula con la que obtendremos la velocidad del calor al pasar por la película liquida de vapor ya 2 condensado a la superficie enfriadora por unidad de área y será en Kg. hr/cm La Velocidad aumentara conforme el condensado vaya hacia abajo. Por lo tanto sabemos que en la condensación de un vapor a un líquido tendrá como resultado la transferencia de calor a la superficie soli da.
5.2 Mecanismo Físico de la ebullición
Ebullición: Es el fenómeno físico por el cual un lí quido pasa al estado gaseoso, en otras palabras es la excitación de las moléculas de agua al haber una transferencia de calor. Punto de ebullición: Se conoce como punto de ebullición a la temperatura a la cual la presión de vapor iguala a la presión del medio que rodea al líquido. Este puede ser por un punto de presión dado.
El ejemplo mas trillado es cuando ponemos a calentar agua al grado de hervor podemos ver como comienzan a surgir burbujas en el liquido y se va desprendiendo lo que comúnmente conocemos como vapor.
El ejemplo para el caso de ingeniería vendría siendo para los ciclos de potencia y refrigeración, en el de potencia el lí quido presurizado se convierte en vapor dentro de una caldera. En el momento de expansión dentro de la turbina vuelve a su estado líquido por condensación. El proceso de la ebullición es el siguiente, cuando la temperatura de la superficie T Excede la temperatura de saturación Tsat que corresponde a la presión del li quido. El calor se transfiere de la superficie solida al líquido, y la forma apropiada de la ley de enfriamiento de Newton. Ley de enfriamiento de Newton: nos dice que cuando la diferencia de temperaturas entre un cuerpo y su medio ambiente no es demasiado grande, el calor transferido en la unidad de tiempo hacia el cuerpo o desde el cuerpo por conducción, convección y radiación es aproximadamente proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y el medio externo.
Donde se denomina exceso de temperatura. El proceso se caracteriza por la formación de burbujas de vapor que crecen y después se separan de la superficie. Todo esto depende del exceso de temperatura, la naturaleza de la superficie, así como de las propiedades termo físicas del fluido (k) y su tensión superficial.
Si la T=0 temperatura de el cuerpo es igual a cero y realizamos la integral
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ln(Ts-Tsat )=-k ·t + ln(T -Tsat ) 0
Posteriormente despejamos T
Para la curva de ebullición:
Distribución de temperatura de ebullición de alberca saturada en una interfaz de liquido - vapor
Nukiyama fue el primero en identificar diferentes regímenes de ebullición de alberca con el uso del aparato mostrado en la figura. En donde el calor de un alambre de nicromio horizontal al agua saturada se determino mediante la medición de un flujo de corriente y de la caída de potencial E. La resistencia eléctrica varía con la temperatura. A esto se le denomina calentamiento de potencia controlada, porque la temperatura del alambre T (de donde vendrá el exceso de temperatura ) es la variable dependiente y la fijaciòn de potencia (de donde vendrá el flujo de calor Q ) es nuestra variable independiente. En el experimento de Nukiyama el observo que la ebullición es evidenciada por la presencia de burbujas que comenzó hasta que demostrado en la siguiente figura: s
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Aparato de calentamiento de poten cia controlada de Nukiyama para la demostración de la curva de ebullición.
El calor aumento a niveles muy altos para un valor mayor al de Q m la temperatura del alambre salto al punto de fusión y se quemo, al probar el experimento con un alambre de platino con un punto de fusión mas alto Nukiyama fue capaz de mantener los flujos de calor por arriba de Q m sin fundir el alambre, al con Qs siguió la curva de ebullición de la siguiente figura: reducir la potencia la variación de
Curva de ebullición de Nukiyama para agua saturada a presión atmosférica.
Cuando el flujo de calor alcanzo el punto mínimo Qs una disminución adicional en la potencia ocasionó que el exceso de temperatura cayera abruptamente, y el proceso siguió la curva original de calentamiento de . regreso a punto de saturación. Los diferentes regímenes de ebullición de alberca dependerán de
5.3 Evaluación de coeficientes locales.
Es posible interpretar los fenómenos físicos que determinan el comportamiento de la capa límite e ilustrar más su importancia en el transporte por convección mediante el desarrollo de las ecuaciones que gobiernan las condiciones de la capa límite. Esto significa que en cada una de las capas límites (térmica e hidrodinámica), se identifican los procesos relevantes y se aplican las leyes de conservación apropiadas (ecuación de continuidad, de cantidad de movimiento y de energía) en volúmenes de control de tamaño infinitesimal. Las ecuaciones así obtenidas proporcionan una representación completa de las condiciones de las capas límites. Es posible hallar los grupos adimensionales que intervienen en la formul ación de la transferencia de calor por convección. La expresión general que describe este fenómeno es una función del tipo f Nu , Pr,Gr ( ) = 0 convección natural f Nu,Pr,Re ( ) = 0 convección forzada
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Convección natural a) Gases en contacto con paredes verticales
Las propiedades se evalúan a la temperatura media entre la superficie y la del fluido en la región no perturbada. b) Gases que se mueven en flujo cruzado con tubos horizontales
Convección forzada a) Líquidos que se mueven en régimen turbulento, circulando por el interior de tubos
b) Líquidos que se mueven en régimen turbulento, con corrientes cruzadas, sobre la superficie de tubos desnudos.
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c) Gases que se mueven en régimen turbulento, en la dirección perpendicular a la superficie de tubos desnudos.
d) Aire que circula en cocorriente con tubos desnudos.
Aplicación en evaporadores y condensadores.
Debido a que un evaporador es cualquier superficie de transferencia de calor en la cual se vaporiza un líquido volátil para eliminar calor de un espacio o producto refrigerado, los evaporadores se fabrican en una gran variedad de tipos, tamaños y diseños y se pueden clasificar de diferentes maneras.
De expansión directa o expansión seca.
En estos casos la evaporación del refrigerante se lleva a cabo a través del evaporador, encontrándose este en estado de mezcla en un punto intermedio de este. De esta manera, el fluido que abandona el evaporador es puramente vapor sobrecalentado. Estos evaporadores son los más comunes y son ampliamente uti lizados en sistemas de aire acondicionado. No obstante son muy utilizados en la refrigeración de media y baja temperatura, no son los más apropiados para instalaciones de gran vo lumen.
Inundados
Los evaporadores inundados trabajan con refrigerante líqui do con lo cual se ll enan por completo a fin de tener humedecida toda la superficie interior del intercambiador y, en consecuencia, la mayor razón posible de transferencia de calor. El evaporador inundado está equipado con un acumulador o colector de vapor el que sirve, a la vez, como receptor de lí quido, desde el cual el refrigerante líquido es circulado por gravedad a través de los circuitos del evaporador. Preferentemente son utilizados en aplicaciones industriales, con un número considerable de evaporadores, operando a baja temperatura y util izando amoníaco (R717) como refrigerante.
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Sobrealimentados
Un evaporador sobrealimentado es aquel en el cual la cantidad de refrigerante líquido en circulación a través del evaporador ocurre con considerable ex ceso y que además puede ser vaporizado.
Evaporador de tubo descubierto de cobre para enfriamiento de agua
Los evaporadores de tubo descubierto se construyen por lo general en tuberías de cobre o bien en tubería de acero. El tubo de acero se utiliza en grandes evaporadores y cuando el refrigerante a utilizar sea amoníaco (R717), mientras para pequeños evaporadores se utiliza cobre. Son ampliamente utilizados para el enfriamiento de líquidos o bien utilizando refrigerante secundario por su interior (salmuera, glicol), donde el fenómeno de evaporación de refrigerante no se lleva a cabo, sino más bien estos cumplen la labor de intercambiadores de calor. e r b m e i c i D e r b m e i v o N | . e s a f e d o i b m a c r o p a i c n e r e f n a r T . 5 d a d i n U
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De superficie de Placa
Existen varios tipos de estos evaporadores. Uno de ellos consta de dos placas acanaladas y asimétricas las cuales son soldadas herméticamente una contra la otra de manera tal que el gas refrigerante pueda fluir por entre ellas; son ampliamente usados en refrigeradores y congeladores debido a su economía, fácil limpieza y modulación de fabricación. Otro tipo de evaporador corresponde a una tubería doblada en serpentín instalada entre dos placas metálicas soldadas por sus orillas. Ambos tipos de evaporadores, los que suelen ir recubiertos con pintura epóxica, tienen excelente respuesta en aplicaciones de refrigeración para mantención de productos congelados.
Evaporadores Aleteados
Evaporador de serpentín aleteado al interior de equipo de aire acondicionado tipo Split. Los serpentines aleteados son serpentines de tubo descubierto sobre los cuales se colocan placas metálicas o aletas y son los más ampliamente uti lizados en la refrigeración industrial como en los equipos d e aire acondicionado. Las aletas sirven como superficie secundaria absorbedora de calor y tiene por efecto aumentar el área superficial externa del intercambiador de calor, mejorándose por tanto la eficiencia para enfriar aire u otros gases.
Fundamentos de transferencia de calor 4ª Ed. Frank P. Incropera, David P. De Witt, Prantice Hall, México 1999. Transferencia de calor, prácticas de laboratorio, 2006-2007. Transferencia de calor, Anthony F. Mill s, Mc Graw Hill , 1997. Fenómenos de transporte, R.B Bird, W.E. Stewart, E. N. Lightfoot . Editorial Reverté 1992. Procesos de Tranferencia de calor, Donald Q. Kern, Trigésima primera reimpresión: 1999, Compañía editorial continental. http://es.wikipedia.org/wiki/Evaporador. http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/otros/enfriamiento/enfriamiento.htm#Ley del enfriamiento de Newton http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/mabel/materias/ope2/correlacionesh.pdf
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