Ebullición y condensación

Capítulo 9

Ebullición y condensación

En este capitulo se consideran los dos procesos con cambio de fase mas comunes evaporación y condensación. Como en la convección simple, se utilizan un coeficiente de transferencia de calos h, para relacionar el flujo de calor con la diferencia de temperatura entre la superficie de calentamiento y el liquido saturado

q=hA(T_1-T_∞)

Sin embargo, como los procesos de cambio de fase incluyen cambios en la densidad, viscosidad, calor especifico y conductividad térmica de fluido, mientrase se libera (condensación) o se absorbe (evaporación) el calor latente del fluido, el calculo del coeficente de transferencia de calor para evaporación y condensación es mucho mas complicado que para el proceso de convección en una sola fase. Debido a esto, la mayor parte de los calculos de ingeniería que tienen que ver con ebullición y condensación se hacen a partir de correlacion empíricas.

9.1 Fenomeno de la ebullición

Cuando un fluido confinado en un recipiente se calienta desde abajo, por ejemplo, con un alambre sumergido, y la adicion de calor es lenta, se observa la formación de vapor en la superficie libre. A medida que aumenta el flujo de calor se forman burbujas en la superficie del elemento de calefacion, las cuales cambian se tamaño mientras suben por el fluido, además de la evaporación en la superficie libre. Esta formación de burubujas, con la agitación que le es propia, se denomina ebullición.

El comportamiento de un fluido durante la ebullición depende en gran medida del exceso de temperatura ∆T=T_s-T_sat medio a partir de la temperatura de ebullición del fluido. La figura 9-1 indica seis regímenes diferentes para la ebullición en recipientes típicas; la curva de flujo de calor se denomina comúnmente curva de ebullición.

Régimen I. el calor se transfiere por convección libre, como se describe detalladamente en el capitulo 8.

Régimen II. Empieza a parecer burbujas en la superficie de calefacción y suben, en forma individual, hasta la superficie libre

Régimen III. La acción de la ebullición se hace tan fuerte que las burbujas individuales se combinan una con otra, rápidamente para formar una columna de burbujas de vapor que llega hasta la superficie libre

Regimen IV. Las burbujas se forman tan rápidamente que cubren la superficie de calefacion evitando que nuevas partículas de fluido se pongan en contacto con ella. La recistencia de la particula se incrementa, reducioendo el flujo de calor y la rapidez de transferencia de calor disminuye, aumnetando la diferencia de temperatura. Debido a que la película se desvanece y reaparece intermitentemente, este regimen es muy inestable

Regimen V. la película sobre la superficie de calefacion se hace estable . cuando ∆T alcanza aproximadamente los 1000F, la transferencia de calor por radiación empieza a tener importancia en realidad se hace predominante y el flujo de calor vuelve a aumentar cuando aumenta ∆T

El flujo de calor pico, punto B, se llama el punto de quemado. Esta es la condición que se presenta cuando el incremento del flujo de calor debido al aumento de ∆T se compenza con el incremento de la resistencia de la particula de vapor que cubre la superficie de calefacción. Los dos efectos se equilibran, produciendo lo que aveces se denomina ebullición critica. Punto de quemado o desviación de la ebullición en nucleos. Para muchos fluidos comunes, la temperatura en D es superior al punto de fusión de la mayoría de materiales de calefacion y el calentador falla antes de alcanzarla. Si el calentamiento no se funde, la curva de ebullición continua mas alla el punto D.

Fig. 9-1. Alambre de calefacción horizontal de cromel de 0.040 pul de diámetro en agua a 1 atmosfera.

Como la ebullición en un fenómeno predominante local, el coeficiente de transferencia de calor h generalmente se expresa sin la barra superior, como en 9,1 sin embargo, la mayoría de aplicaciones requieren el cálculo de un flujo promedio de calor. Como el quemado de los elementos de calefacion es un problema corriente en ebullición y el flujo de calor mas alto es una cantidad local para un regimen determinado el valor local es el que se debe utilizar en diseño, lo cual constituye un criterio concervativo.

9.2 Ebullición En Recipientes

Utilizando la ecuación general (8.28), la rapidez de transferencia de calor en este régimen está dada por

q/A=C k/L 〖(〖Gr〗_L Pr)〗^a (T_s-T_b)

Donde tb es la temperatura media volumétrica y las constantes a y C se toman de la tabla 8-3 como 〖Gr〗_L≡(gβ(T_C-T_b ) L^3)/v^2 y el exponente a es ¼ para flujo laminar y 1/3 para flujo turbulento, la rapidez de transferencia de calor en este régimen varia con ∆T a la potencia 5/4 para flujo laminar y 5/3 para flujo turbulento.

Ebullición en núcleos (Regímenes II y III)

La correlación general más aceptada para la rapidez de transferencia de calor en los regímenes de ebullición en núcleos es la debida a W.M.Rohsenow.

q/A=u_l h_fg √((p(p_1-p_p))/(g_c σ)) [(c_1 (T_1-T_sat))/(h_fg 〖Pr〗_l^1.7 C_sf )]^3

Donde

C_t= calor especifico del líquido saturado, Btu⁄(〖lbm-〗^0 F) o J⁄(kg-K)

C_sf= constante para la combinación superficie-fluido (tabla 9-1)

g = aceleración gravitacional local, pie⁄〖seg〗^2 o m⁄s^2

g_c= constante de proporcionalidad 32.17 (lbm-pie)⁄〖lbf-seg〗^2 o 1.0 (kg-m)⁄(N-s^2 )

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