FACULTAD DE INGENIERÍA INDUSTRIAL
Nombre de los estudiantes
EDUARDO VALENTIN ANCHUNDIA DELGADO
BRYAN KELVIN QUIJIJE GUAICHA
MERO MENDOZA STEVEN ABAD
NESTOR FABIAN TELLO PILLIGUA
La ebullición al igual
que la condensación son fenómenos comunes en la mayoría de los procesos de
transferencia de calor. Dicha transferencia se realiza a través de interfaces
metálicas, las cuales debido a sus características físicas, químicas y
mecánicas pueden arrojar diferentes resultados. Existe una demanda por
optimizar los equipos donde se lleva a cabo la transferencia de calor. Algunos
estudios realizados han intentado mejorar la transferencia mediante la
manipulación de la tensión superficial del fluido con el que se trabaja ya sea
agregando surfactantes o utilizando mezclas binarias.
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PRINCIPIOS
Condensación
El
proceso de condensación es un cambio de fase de una sustancia del estado
gaseoso (vapor) al estado líquido. Este cambio de fase genera una cierta
cantidad de energía llamada "calor latente".
El
paso de gas a líquido depende, entre otros factores, de la presión y de la
temperatura. La condensación, a una temperatura dada, conlleva una liberación
de energía, así el estado líquido es más favorable desde el punto de vista
energético.
Punto de ebullición
El punto de ebullición como la
temperatura a la cual se produce la transición de la fase líquida a la gaseosa.
En el caso de sustancias puras a una presión fija, el proceso de ebullición o
de vaporización ocurre a una sola temperatura; conforme se añade calor la
temperatura permanece constante hasta que todo el líquido ha hervido.
El punto normal de ebullición se
define como el punto de ebullición a una presión total aplicada de 101.325
kilopascales ( 1atm); es decir, la temperatura a la cual la presión de vapor
del líquido es igual a una atmósfera. El punto de ebullición aumenta cuando se
aplica presión.
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CONSIDERACIONES
FUNDAMENTALES
Condensación
El punto
de condensación es la temperatura
a la cual el aire se debe enfriar, en una presión barométrica
constante, para que el vapor se condense en agua. El punto de
condensación es una temperatura de saturación, es decir, la humedad
relativa del gas (aire) es 100%.
Partículas de la
condensación
Se produce cuando al bajar las temperaturas,
las partículas próximas a los líquidos quedan atrapados por la superficie de
este.
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CONSIDERACIONES DE PUNTO DE
EBULLICIÓN
Presión
atmosférica a
mayor presión mayor punto de ebullición
Estructura
molecular
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CURVA
DE EBULLICIÓN
Se sabe, que cuando se eleva la
temperatura de un líquido a una presión específica, hasta la temperatura de saturación
Tat a esa presión, se presenta la ebullición. Del mismo modo, cuando se baja la
temperatura de un vapor hasta Tat, ocurre la condensación.
Aun cuando la ebullición y la condensación
exhiben algunas características únicas, se consideran como formas de
transferencia de calor por convección, ya que están relacionadas con movimiento
del fluido (como la elevación de las burbujas hasta la parte superior y el
flujo del condensado hacia el fondo).
La ebullición y la condensación difieren
de las otras formas de convección en que dependen del calor latente de
vaporización del fluido y de la tensión superficial en la interfase
líquido-vapor, además de las propiedades de ese fluido en cada fase.
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Ebullición
en convección natural (hasta el punto A sobre la curva de ebullición)
En la termodinámica se aprende que 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 que el líquido se calienta unos cuantos
grados arriba de la temperatura de saturación (alrededor de 2 a 6°C para el
agua). Por lo tanto, en este caso, el líquido está ligeramente sobrecalentado
(una condición meta estable) y se evapora cuando sube hasta la superficie
libre. En 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.
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Ebullición
nucleada (entre los puntos A y C)
El régimen de ebullición nucleada se puede
separar en dos regiones distintas. En la región A-B se forman burbujas aisladas
en varios sitios preferenciales de nucleación sobre la superficie calentada.
Pero éstas se disipan en el líquido poco después de separarse de la superficie.
El espacio que dejan vacío las burbujas que suben lo llena el líquido que se
encuentra en la vecindad de la superficie del calentador y el proceso se repite.
Las vueltas que da el líquido y la agitación causada por su arrastre hacia la
superficie del calentador son las principales responsables del coeficiente de transferencia
de calor y del flujo de calor más altos en esta región de la ebullición
nucleada.
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Ebullición
de transición (entre los puntos C y D sobre la curva de ebullición)
A medida que se incrementa la temperatura
del calentador y, por consiguiente, la T exceso más allá del punto C, el flujo
de calor disminuye, Esto se debe a que una fracción grande de la superficie del
calentador se cubre con una película de vapor, la cual actúa como un aislamiento
debido a su baja conductividad térmica en relación con la del líquido. En el
régimen de ebullición de transición se tienen en forma parcial tanto ebullición
nucleada como en película. La ebullición nucleada que se tiene en el punto C es
reemplazada por completo por la ebullición en película en el punto D. En 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
exceso de alrededor de 30°C hasta más o menos 120°C.
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Ebullición
en película (más allá del punto D)
En esta región la superficie de
calentamiento queda cubierta por completo por una película continua estable de
vapor. El punto D, en donde el flujo de calor alcanza un mínimo, se llama punto
de Leidenfrost, en honor de J. C. Leiden frost, quien en 1756 observó que las
gotitas de líquido sobre una superficie muy caliente saltan de un lado a otro y
se evaporan con lentitud. La presencia de una película de vapor entre la
superficie del calentador y el líquido es la responsable de las bajas razones
de la transferencia de calor en la región de ebullición en película. La razón
de la transferencia de calor aumenta al incre- mentarse la temperatura en exceso
como resultado de la transferencia de calor de la superficie calentada hacia el
líquido, a través de la película de vapor, por radiación, la cual se vuelve
significativa a altas temperaturas
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CORRELACIONES - ECUACIONES
CORRELACIONES
DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA EBULLICIÓN EN ESTANQUE
Los regímenes de ebullición que
acaban de discutirse difieren de manera considerable en su carácter y, por
tanto, es necesario usar relaciones diferentes de transferencia de calor para
regímenes diferentes de ebullición. El régimen de ebullición en convección
natural está determinado por las corrientes de convección natural y, en este
caso, las velocidades de la transferencia de calorse pueden calcular con
exactitud usando las relaciones de la convección natural
CONVECCION
La convección es el mecanismo de
transferencia de calor por movimiento de masa o circulación dentro de la
sustancia. Puede ser natural producida solo por las diferencias de densidades
de la materia; o forzada, cuando la materia es obligada a moverse de un lugar a
otro, por ejemplo el aire con un ventilador o el agua con una bomba. Sólo se
produce en líquidos y gases donde los átomos y moléculas son libres de moverse
en el medio. En la naturaleza, la mayor parte del calor ganado por la atmósfera
por conducción y radiación cerca de la superficie, es transportado a otras
capas o niveles de la atmósfera por convección.
Un modelo de transferencia de calor H por convección,
llamado ley de en friamiento de Newton, es el siguiente:
H = h A (TA – T)
donde h se llama coeficiente de convección, en W/(m2 K),
A es la superficie que entrega calor con una temperatura TA al fluido
adyacente, que se encuentra a una temperatura T, como se muestra en el esquema
de la figura 6. La tabla 2 lista algunos valores aproximados de coeficiente de
convección h.
CLASIFICACION DE LA CORRELACIÓN DE EBULLICIÓN EN TANQUE
Ebullición nucleada
Flujo pico de calor
Flujo mínimo de calor
CORRELACIONES DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR PARA LA CONDENSACIÓN EN PELÍCULA
Las relaciones para el coeficiente de transferencia de calor
promedio h para el caso de condensación laminar en película para varias configuraciones
geométricas.
Placas verticales
Placas inclinadas
Tubos verticales
También se puede usar la ecuación PLACAS VERTICALES
Tubos horizontales y esferas
TRANSFERENCIA DE CALOR CONDENSACIÓN
Se
presenta la condensación cuando la temperatura de un vapor se reduce por debajo
de su temperatura de saturación, Tsat. Esto suele llevarse a cabo cuando el
vapor entra en contacto con una superficie sólida cuya temperatura Ts esté por
debajo de la temperatura de saturación Tsat de ese vapor. Pero la condensación
también puede ocurrir sobre la superficie libre de un líquido o incluso en un
gas, cuando la temperatura de éstos a la cual se expone el vapor está por
debajo de Tsat.
CONDENSACIÓN EN PELÍCULA
El
condensado moja la superficie y forma una película de líquido sobre la
superficie, la cual resbala hacia abajo debido a la influencia de la gravedad.
Ésta es la forma en la que por lo general ocurre la condensación en la
práctica. En la condensación en película la superficie se cubre por una
película de líquido de espesor creciente y esta “pared líquida” entre la
superficie sólida y el vapor sirve como una resistencia a la transferencia de
calor
CONDENSACIÓN POR GOTEO
El
vapor condensado forma gotitas sobre la superficie, en lugar de una película
continua, y esa superficie se cubre de un número incontable de gotitas de
diámetros variables. En la condensación por gotas, éstas resbalan hacia abajo
cuando llegan a tener cierto tamaño, despejando la superficie y exponiéndola al
vapor, en este caso, no se tiene película de líquido que oponga resistencia a
la transferencia de calor.
EJERCICIO DE EBULLICIÓN
EJERCICIO DE EBULLICIÓN
Se va a hervir
agua a la presión atmosférica en una cacerola de acero inoxidable, pulida
mecánicamente, colocada sobre la parte superior de una unidad de calentamiento,
como se muestra en la figura. La superficie interior del fondo de la cacerola
se mantiene a 108°C. Si el diámetro del fondo de esa cacerola es de 30 cm,
determine a) la razón de la transferencia de calor hacia el agua y b)
la rapidez de la evaporación de esta última.
FIGURA Esquema
Objetivo Se hierve agua a una presión de 1 atm sobre
una superficie de acero inoxidable. Se deben determinar la razón de la
transferencia de calor hacia el agua y la rapidez de la evaporación de esta
última
Calculo Las propiedades
del agua a la temperatura de saturación de 100°C son σ = 0,0589 N/m (tabla 10-1) y de la
tabla A-9,
Asimismo, Csf = 0,0130 y n
= 1,0 para la ebullición del agua sobre una superficie de acero inoxidable
pulida mecánicamente (tabla 10-3).
Análisis
a) En este caso, la temperatura en exceso es ΔT = Ts
− Tsat = 108 − 100 = 8°C, la cual es relativamente baja
(menos de 30°C). Por tanto, se tendrá ebullición
nucleada. En este caso se puede determinar el flujo de calor con
base en la relación de Rohsenow
El área superficial del fondo de la cacerola es A = πD2
/ 4 = π(0,3 m) 2 / 4 = 0,07069m2 Entonces la velocidad de la transferencia de calor durante
la ebullición queda
b)
La rapidez de la evaporación del agua se determina a partir de
Conclusión Es decir, el agua en la cacerola hervirá a razón de más de
2 gramos por segundo.
EJERCICIO DE
CONDENSACIÓN
Vapor saturado de agua a la presión atmosférica se
condensa sobre una placa vertical de 2 m de alto y 3 m de ancho que se mantiene
a 80°C, haciendo circular agua fría por el otro lado.
Determine:
a) la razón
de la transferencia de calor por condensación hacia la placa
b)
la razón a la cual el condensado gotea de la placa por el extremo inferior de
ésta.
FIGURA Esquema
Objetivo Vapor saturado de agua a 1 atm se condensa sobre una placa vertical. Deben determinarse las razones de transferencia de calor y de condensación
Calculo Las propiedades del agua a la temperatura de saturación de 100°C son hfg = 2 257 × 103 J/kg y ρv = 0.60 kg/m3. Las propiedades del agua líquida a la temperatura de película de Tf = (Tsat + Ts)/2 = (100 + 80)/2 = 90°C son (tabla A-9)
Análisis a) El calor latente modificado de
vaporización es
Para el flujo laminar ondulado, con base en la ecuación 10-27 se determina que el número de
Reynolds es.
El Re cual se encuentra entre 30 y 1 800 y, por tanto, se
verifica nuestra suposición de que se trata de flujo laminar ondulado.
Entonces, a partir de la ecuación 10-25,
se determina que el coeficiente de transferencia de calor en la condensación es
El área superficial de transferencia de calor de la placa
es As = W × L = (3 m)(2 m) = 6 m2. Entonces, la
razón de la transferencia de calor durante este proceso de condensación queda
La razón de la condensación del vapor se determina a
partir de
Conclusión Es decir, el vapor se condensará sobre la superficie a
razón de 303 gramos por segundo.
VÍDEO GRUPAL
