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tarea de procesos de conveccion del segundo corte parcial
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UNIVERSIDAD TÉCNICA ESTATAL DE QUEVEDO
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA
UNIDAD DE APRENDIZAJE
PROCESOS DE CONVENCIÓN
DOCENTE: ING. JAVIER CÓNDOR
ALUMNO: Molina Bustamante David
PERIODO LECTIVO
2015-2016
TRANSFERENCIA DE CALOR CON CAMBIO DE FASE
I.- Introducción
Estudiaremos ahora los mecanismos de transferencia de calor con cambio de
fase, es decir, aquellos Donde intervienen la ebullición y la condensación. La
característica fundamental de estos procesos es la anuencia del calor latente de
cambio de fase, hf g, debido al cual se pueden transferir grandes potencias sin
una gran diferencia de temperatura entre La pared y el fluido Otras características
importantes son la anuencia de la tensión superficial σ (la cual determina el
Ángulo de contacto y mojabilidad de las superficies) y de la fuerza boyante, g (ρf −
ρg). Ejemplos de estos modos de transferencia se encuentran en el núcleo y en el
condensador de una central nuclear.
II.- Parámetros adimensionales en ebullición y condensación
La obtención de los parámetros adimensionales para un flujo de dos fases es una
tarea muy compleja, ya que los contornos y la ubicación de las fases liquida y
gaseosa son desconocidas. Tenemos Que utilizar la experiencia para determinar
los parámetros más importantes. Para el cociente de transferencia de calor, puede
escribirse
h = h[∆T , g(ρf − ρg ) , hf g , σ , L , ρ , cp , k , µ]
Donde ∆T = Tw − Tsat
Tw: temperatura de pared, Tsat: temperatura de saturación
G (ρf − ρg): fuerza boyante
hf g: calor latente de cambio de fase
σ: tensión superficial
ρ, cp, k, µ: densidad, calor especifico conductividad y viscosidad del líquido o del
vapor, respectiva mente.
L: longitud característica.
III.- Ebullición
Cuando la transferencia de calor se produce transfiriendo calor a un fluido con
cambio de fase Desde una pared calefactora, se dice que estamos en presencia
de ebullición.
La temperatura de la pared Tw debe ser mayor que la temperatura de saturación.
Hay diferentes tipos de ebullición: si el líquido en la cercanía del calefactor se
encuentra en reposo y El movimiento se establece por el proceso de ebullición,
entonces estamos en presencia de ebullición enpileta. Si por el contrario el
movimiento principal se establece en forma externa, se la denomina Ebullición en
convección forzada. Además, en cada uno de los casos el fluido puede tener una
temperatura igual a la de saturación (ebullición saturada) o menor (ebullición sub
enfriada).
EBULLICION EN PILETA
La curva de ebullición
La curva de ebullición Nukiyama, en 1934, fue el primero en identificar los
diferentes regímenes en ebullición en pileta utilizando como calefactor un alambre
sumergido en agua a presión atmosférica y temperatura de saturación.
Controlando la potencia, Nukiyama observó que la ebullición no comenzaba hasta
que ∆Te = Tw − Tsat excedida los 50 C. Este sobrecalentamiento depende de las
características de la superficie y del fluido, y se conoce a este punto como el
comienzo de la ebullición nucleada (ONB, onset nucleate boiling).
La ONB está relacionada con la teoría de nucleación heterogénea; de acuerdo con
está, la ebullición es un proceso de nucleación y crecimiento de burbujas en
cavidades preexistentes en la superficie calefactora.
Aumentando la potencia, Nukiyama observó que la temperatura de la pared
aumentaba muy poco dentro del rango de ebullición hasta que para una
determinada potencia o flujo de calor, la temperatura del calefactor saltaba en
forma repentina a un valor muy alto (aproximadamente 1000o C ), pudiendo
Llegarse a la destrucción del calefactor; este valor es conocido como flujo calórico
criticó.
Si el calefactor no se destruyó y disminuimos la potencia, se sigue una curva de
enfriamiento hasta llegar a un punto a partir del cual una disminución de la
potencia produce un abrupto descenso del ∆Te, volviendo a la curva de ebullición
original. Por este efecto de histéresis, se vuelve a dicha curva de ebullición en
forma repentina luego de llegar a la potencia mínima, punto que recibe el nombre
de punto de Leidenfrost.
Regímenes de ebullición en pileta
Considerando la curva de ebullición para agua en estado de saturación y presión
atmosférica, observamos los siguientes regímenes:
a) Convección natural en una fase (∆Tsat < 50 C ) El sobrecalentamiento de
pared no alcanza para producir la nucleación y el crecimiento de las
burbujas de vapor en este rango q´´ = Atsat donde n=45 (régimen laminar ) o
n= 43 régimen turbulento.
b) Ebullición nucleada (5o C < ∆Tsat < 30o C ) Se identifican el régimen de
burbujas aisladas y el régimen de chorros y columnas de burbujas. Con
sólo 25 C de aumento en la temperatura de pared, pasamos de flujos de
calor de 104 a 106 W/m2. Los coeficientes de transferencia de calor que se
obtienen son enormes, del orden de 104 W/m2K .
c) Ebullición en transición (30o C < ∆Tsat < 120o C ) Las condiciones en el
calefactor oscilan entre ebullición nucleada y ebullición pelicular, el flujo
de calor y el coeficiente de transferencia de calor disminuyen con ∆Tsat. A
esta región sólo se puede acceder en forma experimental si controlamos la
temperatura.
d) Ebullición pelicular (∆Tsat > 120o C ) En el punto de Leidenfrost, el flujo de
calor es un minino local, y el calefactor se encuentra completamente
cubierto por un colchón de vapor. La transferencia de calor se realiza por
convección en el vapor y, para mayores ∆Tsat, por radiación.
CONDENSACIÓN EN PAREDES VERTICALES
Ya sabemos que la rata de transferencia de calor por convección está dada por la
ecuación Q=h*A*(t2-t1) y que la condensación desprende calor bajo la siguiente
forma Q=m (hg-hf), pero esta condición es aplicable solo cuando la temperatura del
aire es la temperatura del agua, condición que es poco probable, y por lo tanto hfg
debe reemplazarse por h*fg.
Ya sabemos que la rata de transferencia de calor por convección está dada por la
ecuación Q=h*A*(t2-t1) y que la condensación desprende calor bajo la siguiente
forma Q=m (hg-hf), pero esta condición es aplicable solo cuando la temperatura del
aire es la temperatura del agua, condición que es poco probable, y por lo tanto hfg
debe reemplazarse por h*fg.
Cuando la temperatura de la pared es menor a la temperatura de saturación del
vapor entonces la temperatura del fluido líquido de la capa tendrá una temperatura
de película que es la media de la temperatura de saturación y la película de la
superficie. Por lo tanto se calculará adicionalmente la transferencia de calor del
Transferencia de calor en Cambio de fase Oscar Pichardi fluido con las
propiedades del fluido líquido a temperatura de película, quedando así.
Correlaciones de la transferencia de calor para la condensación en película.
Tubos Horizontales
Transferencia de calor por condensación por gotas
La condensación caracterizada por gotitas de diámetros variables sobre la
superficie de condensación en lugar de una película continúa de líquido, es uno de
los mecanismos más eficaces de transferencia de calor y con él se puede lograr
coeficientes de transferencias de calor extremadamente grandes.
En la condensación por gotas éstas se forman en los sitios de nucleación sobre la
superficie y crecen como resultado de la condensación continuada, se juntan
formando otras más grandes y resbala hacia abajo cuando alcanzan cierto
tamaño, despejando la superficie y exponiéndola al vapor. En este caso no existe
película de líquido que oponga resistencia a la transferencia de calor. Como
resultado, con la condensación por gotas se pueden lograr coeficientes de
transferencia de calor que son diez veces más grandes que los asociados con la
condensación en película. Los coeficientes de transferencia de calor grandes
permiten a los diseñadores lograr una velocidad específica de transferencia de
calor con un área superficial más pequeña y, por consiguiente, un condensador
más pequeño (y menos caro). Por lo tanto, la condensación por gotas es el modo
preferido en las aplicaciones de transferencia de calor.
El reto de este tipo de condensación no es lograrla sino sostenerla durante largos
periodos. La condensación por gotas se logra al agregar una sustancia química
promotora de vapor tratando con esta superficie o recubriéndola con un polímero,
como el teflón, o con un metal noble, como el oro plata, radio, paladio o platino.
Los promotores usados incluyen diversas ceras y ácidos grasos, como los ácidos
oleicos, esteárico y linoico, no obstante pierden efectividad después de un tiempo
debido a la incrustación, la oxidación y la remoción del promotor de la superficie.
Es posible sostener la condensación por gotas durante un año mediante los
efectos combinados de recubrimiento de la superficie y la inyección periódica del
promotor en el vapor. Sin embargo, cualquier ganancia en la transferencia de calor
debe tasarse contra el costo asociado con el sostenimiento de este tipo de
condensación.
La condensación por gotas se ha estudiado en forma experimental para varias
combinaciones de superficie-fluido. De ellas, los estudios sobre la condensación
de vapor de agua sobre superficies de cobre ha atraído la mayor parte de la
atención debido a si extendida aplicación en plantas generadoras que funcionan
con vapor. Se recomienda aplicar estas sencillas correlaciones para la
condensación por gotas de vapor de agua sobre superficies de cobre.
En donde Tsat se da en ºC y el coeficiente de transferencia de calor h por gotas se
obtiene en W/m2ºC.
Los coeficientes de transferencia de calor que se pueden lograr con la
condensación por gotas tienen poco significado si el material de la superficie de
condensación no es un buen conductor, como el cobre, o si la resistencia térmica
del otro lado de la superficie es demasiado grande. En operación estacionaria la
transferencia de calor de uno de los medios hacia el otro depende de la suma de
las resistencias térmicas en la trayectoria del flujo del calor, y una resistencia
térmica grande puede eclipsar todo lo demás y dominar el proceso de
transferencia. En esos casos la manera de la exactitud de una resistencia
pequeña (como una debida a la condensación o a la ebullición) difícilmente
produce alguna diferencia en los cálculos del coeficiente de transferencia de calor
total.
EBULLICIÓN
La ebullición es el proceso físico en el que un líquido pasa a estado gaseoso. Se
realiza cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de
ebullición del líquido a esa presión. Si se continúa calentando el líquido, éste
absorbe el calor, pero sin aumentar la temperatura: el calor se emplea en la
conversión del agua en estado líquido en agua en estado gaseoso, hasta que la
totalidad de la masa pasa al estado gaseoso.
La ebullición es un proceso que ocurre gracias al contacto entre un fluido en
estado líquido y una superficie a temperatura superior a la temperatura de
saturación del líquido y se caracteriza por la formación de burbujas sobre la
superficie caliente y el ascenso de estas hasta la superficie del líquido.
La ebullición se clasifica según la presencia de flujo másico en ebullición de
estanque, donde no existe flujo másico y todo el desplazamiento es originado por
la flotabilidad de las burbujas producto de la ebullición por lo cual la convección es
del tipo natural, mientras que la ebullición en flujo ocurre en ambientes donde
existe condiciones de convección forzada y el movimiento de las burbujas
dependen además de factores externos. Y a su vez cada clasificación se sub
divide en ebullición su enfriada la cual se refiere a que mayormente el fluido está
por debajo de la temperatura de saturación, mientras que una ebullición saturada,
presenta como característica principal que la temperatura del flujo esta en
temperatura de saturación.
En la región de transición que corresponde a Δ Te, C ≤ Δ Te ≤ Δ Te, D, donde Δ Te,
D ≈ 120 ºC. Esta región también es conocida como ebullición de película inestable
o ebullición de película parcial. La ebullición ahora es tan rápida que una película
de vapor o manto se comienza a formar en la superficie.
La ebullición de película se da para Δ Te ≥ Δ Te, D. En el punto D de la curva de
ebullición, denominado punto de Leidenfrost, es un mínimo, = y la superficie está
completamente cubierta por un manto de vapor.
EBULLICIÓN EN FLUJO
La ebullición en estanque considerada hasta ahora comprende un estanque de
líquido aparentemente inmóvil, con burbujas de vapor elevándose hasta la parte
superior como resultado de la flotación. En la ebullición en flujo se fuerza al fluido
a moverse por medio de una fuerza externa, como una bomba, a medida que pasa
por un proceso de cambio de fase. En este caso, la ebullición exhibe los efectos
combinados de la convección y de la ebullición en estanque. La ebullición en flujo
también se clasifica en flujo externo y en flujo interno, dependiendo de si el fluido
se fuerza a moverse sobre una superficie calentada o en el interior de un tubo
calentado. La ebullición en flujo externo sobre placa o cilindro es semejante a la
ebullición en estanque, pero el movimiento agregado incrementa de manera
considerable tanto el flujo de calor en la ebullición nucleada como el flujo critico de
calor. Note que entre más alta es la velocidad, más alto es el flujo de calor en la
ebullición nucleada y el flujo de crítico de calor. En experimentos con agua se han
obtenido valores tan altos de flujo crítico de calor como de 35 MW/m2, (comparado
con 1.3MW/m2 de la ebullición de estanque a presión de 1 atmosfera) al
incrementar la velocidad del flujo.
La naturaleza de la ebullición en flujo interno es mucho más complicada, debido a
que no existe superficie libre donde el vapor se escape y, por ende, tanto el líquido
como el vapor son forzados a fluir juntos.