Transmisión de calor por cambio de fase por ebullición

TRANSMISIÓN DE CALOR POR CAMBIO DE FASE POR EBULLICIÓN

OBJETIVO

El objetivo de la práctica es ver cómo varía el coeficiente de película en una superficie, inmersa en un fluido, a temperatura superior de la de saturación del líquido y calcular el flujo de calor existente para varias diferencias de temperatura entre la superficie de calefacción y el agua a temperatura de saturación.

Con el calor intercambiado se puede calcular la masa de agua que se ha evaporado en cada uno de los ensayos realizados para los diferentes incrementos.

INTRODUCCIÓN

La ebullición en recipientes o ebullición en masa, es la ebullición más sencilla. En la que una superficie se encuentra a una temperatura mayor que la temperatura de saturación del líquido, que al sumergirla en el líquido, se produce la ebullición del mismo.

Farber y Scorah obtuvieron una curva para la ebullición de agua en recipientes a la presión atmosférica y a la temperatura de saturación sobre la superficie sumergida de un alambre de platino calentado eléctricamente, representando en ordenadas el coeficiente de película “h” y en abscisas la densidad de flujo de calor q en función de la diferencia de temperatura (Tsup-T ), donde:

Tsup: temperatura de la parede del elemento sumergido (ºC)

T : temperatura de saturación (ºC)

METODOLOGÍA

La práctica consiste en calentar el agua y el bulbo hasta conseguir la diferencia de temperaturas deseada, una vez que se alcanza, se sumerge el bulbo en el baño de agua y se registran durante 30 segundos la evolución que sigue la diferencia de temperaturas. Haciendo anotaciones de las temperaturas inicial y final que tiene el agua.

Los aparatos que hemos utilizado para realizar nuestra práctica son:

• Un aparato de ebullición.

• Un termopar con unidad lectora para la medición de la temperatura del agua.

• Un registrador gráfico para obtener la diferencia de temperaturas entre la superficie del bulbo y el agua.

CÁLCULOS

Hemos realizado cinco mediciones a distintas temperaturas: 100 ºC, 75 ºC, 50 ºC, 25 ºC, 10 ºC.

En la siguiente tabla, presentamos los valores de la temperatura del agua inicial y final:

Diferencia de Tª Tª inicial Tª final

100 97,4 97,6

75 97,8 97,6

50 96,6 96,5

25 97,2 97,0

10 97,7 98,2

Ahora calcularemos la temperatura del bulbo, primero obtendremos el incremento de temperatura entre el agua y bulbo, haciendo uso del gráfico obtenido en el laboratorio, después de obtener estos valores, calculamos la temperatura inicial y final del bulbo descontando la temperatura inicial y final del agua.

Incremento de Tª inicial Incremento de Tª final

107 19,7

94,2 20,5

65,1 2,6

36,8 5,1

23,9 5,1

Ahora calcularemos la temperatura inicial y final del bulbo, sumándole al incremento de temperaturas la temperatura inicial y final del agua.

Tª inicial Tª final

204,6 117

191,8 118

162,4 99,9

133,6 101,7

121,7 102,4

Una vez que tenemos todos estos datos, lo que se nos pide es calcular el flujo de calor que ha pasado del bulbo al agua, primero calcularemos el incremento de temperatura mediante las siguientes fórmulas:

T media del bulbo = (T inicial del bulbo + T final del bulbo)/2

T media del agua = (T inicial del agua + T final del agua)/2

T película = (T media del bulbo + T media del agua)/2

ΔT = T media del bulbo – T media del agua

Con estas ecuaciones obtenemos los siguientes valores de temperaturas para cada caso:

T media del bulbo T media del agua T película ΔT

160,8 97,5 129,15 63,3

154,9 97,7 126,3 57,2

131,15 96,55 113,85 34,6

117,65 97,1 107,375 20,55

112,05 97,95 105 14,1

Calcularemos la densidad de flujo de calor mediante la fórmula que propone Rohsenow, que tenemos en los apuntes sobre la práctica:

CpL : calor especifico del líquido saturado [J/Kg ºC]

λ : calor latente de vaporización [J/Kg]

g : aceleración de la gravedad [m/s2]

PrL: el número de Prandtl del líquido saturado

q : densidad de flujo de calor de la ebullición [J/m2]

ΔT: diferencia de temperaturas [ºC]

μ L: es la viscosidad del líquido saturado [Kg/m s]

ρL, ρV: densidad del líquido y vapor saturado [Kg/m3]

σLV:

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