DEPARTAMENTO DE CIENCIA DE LA ENERGA Y MECNICA

Diseo Trmico

Ebullicin y Condensacin

Integrantes: Marco Quito Luis Aguirre Anbal Faruk Abedrabbo

NRC: 2573

12-06-2014

Captulo 9Ebullicin y CondensacinEn este captulo se consideran los dos procesos con cambio de fase ms comunes: evaporacin y condensacin. Como en la conveccin simple, se utiliza un coeficiente de transferencia de calor. h, para relacionar el flujo de calor con la diferencia de temperatura entre la superficie de calentamiento y el lquido saturado.

Sin embargo, como los procesos de cambio de fase incluyen cambios en la densidad, viscosidad, calor especifico y conductividad trmica del fluido, mientras libera (condensacin) o absorbe (evaporacin) el calor latente del fluido, el clculo del coeficiente de transferencia de calor para la evaporacin y condensacin es mucho ms complicado que para los procesos de conveccin en una sola fase. Debido a esto, la mayor parte de los clculos de ingeniera que tienen que ver con ebullicin y condensacin se hacen a partir de correlaciones empricas.

9.1 FENMENO DE LA EBULLICINCuando un fluido confinado en un recipiente se calienta desde abajo, por ejemplo, con un alambre sumergido, y la adicin de calor es lenta, se observa la formacin de vapor en la superficie libre. A medida que aumenta el flujo de calor se forman burbujas en la superficie del elemento de calefaccin, las cuales cambian de tamao mientras suben por el fluido, adems de la evaporacin en la superficie libre. Esta formacin de burbujas, con la agitacin que le es propia, se denomina ebullicin.El comportamiento de un fluido durante la ebullicin depende en gran medida del exceso de temperatura , medido a partir de la temperatura de ebullicin del fluido. La figura 9-1 indica seis regmenes diferentes para la ebullicin en recipiente tpica; la curva de flujo de calor se denomina comnmente curva de ebullicin.Rgimen I. El calor se transfiere por conveccin libre, como se describe detalladamente en el captulo 8.Rgimen II. Empiezan a aparecer burbujas en la superficie de calefaccin y suben, en forma individual, hasta la superficie libre.Rgimen III. La accin de la ebullicin se hace tan fuerte que las burbujas individuales se combinan unas con otras, rpidamente para formar una columna de burbujas de vapor que llega hasta la superficie libre.Rgimen IV. Las burbujas se forman tan rpidamente que cubren la superficie de calefaccin, evitando que nuevas partculas de fluido se pongan en contacto con ella. La resistencia de la pelcula se incrementa, reduciendo el flujo de calor y la rapidez de transferencia de calor disminuye, aumentando la diferencia de temperatura. Debido a que la pelcula se desvanece y reaparece intermitentemente, este rgimen es muy inestable.Rgimen V. La pelcula sobre la superficie de calefaccin se hace estable. Cuando T alcanza aproximadamente los 1000 F, la transferencia de calor por radiacin 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 condicin que se presenta cuando el incremento del flujo de calor debido a aumento de T se compensa con el incremento de la resistencia de la pelcula de vapor que cubre la superficie de calefaccin. Los dos efectos se equilibran, produciendo lo que a veces se denomina ebullicin crtica, punto de quemado o desviacin de la ebullicin en ncleos. Para muchos fluidos comunes, la temperatura en el punto D es superior al punto de fusin de la mayora de materiales de calefaccin y el calentador falla antes de alcanzarla. Si el calentador no se funde, la curva de ebullicin continua ascendiendo ms all del punto D.

Fig. 9-1. Alambre de calefaccin horizontal de cromel de 0.040 pul de dimetro en agua a 1 atmosfera.

Como la ebullicin es un fenmeno predominante local, el coeficiente de transferencia de calor generalmente se expresa sin la barra superior, como en . Sin embargo, la mayora de las aplicaciones requieren el clculo de un flujo promedio de calor. Como el quemado de los elementos de calefaccin es un problema corriente de ebullicin y el flujo de calor ms alto es una cantidad local para un rgimen determinado, el valor local es el que se debe utilizar en diseo, lo cual constituye un criterio conservativo.

9.2 EBULLICION EN RECIPIENTESConveccin libre (Rgimen I)Utilizando la ecuacin general , la rapidez de transferencia de calor en este rgimen est dada por

Donde es la temperatura media volumtrica y las constantes a y C se toman de la Tabla 8-3. Como y el exponente a es generalmente 1/4 para flujo laminar y 1/3 para flujo turbulento, la rapidez de transferencia de calor en este rgimen varia con a la potencia 5/4 para flujo laminar y 5/3 para flujo turbulento.Ebullicin en ncleos (Rgimen II y III) La correlacin general ms aceptada para la rapidez de transferencia de calor en los regmenes de ebullicin en ncleos es la debida a W.M. Rohsenow.

Donde Calor especifico del lquido saturado, Btu/lmb-F o J/kg-K Constante para la combinacin superficie - fluido (Tabla 9-1) Aceleracin gravitacional local, pie/seg2 o m/s2 Constante de proporcionalidad, 32.17 lbm-pie/lbf-seg2 o kg-m/N-s2 Entalpia de evaporacin, Btu/lbm J/kg Nmero de Prandtl del lquido saturado Flujo de calor por unidad de rea, Btu/hr-pie2 W/m2 Exceso de temperatura, F K Viscosidad del lquido, lbm/pie N/m Tension superficial, lbf/pie N/m Densidad del lquido saturado, lbm/pie3 kg/m3 Densidad del vapor saturado, lbm/pie3 kg/m3

Nota: En la ecuacin anterior y en el resto del captulo, simboliza el coeficiente de viscosidad con base en la masa. Los subndices y se refieren a las fases de lquido y vapor, respectivamente.La constante para la combinacin superficie-liquido, para la cual se dan algunos valores en la Tabla 9-1, es una funcin de la rugosidad superficial (nmero de puntos de nucleacin) y del ngulo de contacto entre la burbuja y la superficie de calefaccin. En la figura 9-2 se representan los valores de la tensin superficial, para algunos fluidos comunes. Para el agua

Donde T esta en F y en lbf/pie. Debe observarse que el flujo de calor en los regmenes de ebullicin en ncleos es proporcional al cubo de .

Tabla 9-1

Combinacin superficie-fluido

Agua-latn0.006

Agua-cobre0.013

Agua-nquel0.006

Agua-platino0.013

CCl4-cobre0.013

Benceno-cromo0.010

n-Pentano-cromo0.015

Alcohol etlico-cromo0.0027

Alcohol isopropilitico-cobre0.0025

35% de K2CO3-cobre0.0054

50% de K2CO3-cobre0.0027

n-Alcohol butlico-cobre0.0030

Flujo de calor pico. En el punto donde la rapidez de transferencia de calor es mxima (punto B de la figura 9-1), se recomienda la correlacin

Obsrvese que el flujo de calor pico es independiente del elemento de calefaccin.Ebullicin en forma de pelcula (Regmenes IV, V, VI)Tubo horizontal. Con base en un estudio de la conduccin a travs de la pelcula sobre un tubo caliente y la radiacin del tubo, L.A.Brombey propuso las siguientes ecuaciones.