Cuando se eleva la temperatura de un lquido a una presin especfica, hasta la temperatura de saturacin Tsat a esa presin, se presenta la ebullicin.Es considerada una transferencia de calor por conveccin. La ebullicin y la condensacin difieren de las otras formas de conveccin en que dependen del calor latente de vaporizacin hfg del fluido y de la tensin superficial en la interfase lquido-vapor, adems de las propiedades de ese fluido en cada fase.

La ebullicin tiene muchas aplicaciones prcticas, como en los refrigeradores.Un refrigerador domstico, en la seccin del evaporador, el refrigerante absorbe calor de la cmara fra por medio de ebullicin, y rechaza calor al aire por medio del condensador.En las plantas de potencia que funcionan con vapor, se transfiere calor al agua en la caldera, en donde se vaporiza y el calor de desecho se rechaza de ese vapor en el condensador, donde, como su nombre lo indica, se condensa. Y algunos componentes electronicos se enfrian por ebullicin, al sumergirlos en un fluido con temperatura apropiada.Es un proceso de cambio de fase de lquido a vapor, prcticamente igual a la evaporacin, pero existen diferencias significativas entre las dos:La evaporacin ocurre en la interfase vapor-lquido, cuando la presin de vapor es menor que la de saturacin del lquido a una temperatura dada.Se tiene ebullicin en la interfase slido-lquido cuando un lquido se pone en contacto con una superficie mantenida a una temperatura Ts suficientemente por arriba de la de saturacin Tsat de ese lquido.El proceso de ebullicin se caracteriza por la rpida formacin de burbujas de vapor en la interfase slido-lquido que se separan de la superficie cuando alcanzan cierto tamao y presentan la tendencia a elevarse hacia la superficie del lquido.

Como una forma de transferencia de calor por conveccin, el flujo de calor en la ebullicin, de una superficie slida hacia el fluido, se expresa con base en la ley de Newton del enfriamiento como

donde Ts Tsat se llama temperatura en exceso, la cual representa el exceso de la temperatura superficial por encima de la de saturacin del fluido.El anlisis de la transferencia de calor en la ebullicin comprende estas propiedades del lquido o del vapor, as como las propiedades hfg (el calor latente de vaporizacin) y la tensin superficial. El hfg representa la energa absorbida conforme una unidad de masa del lquido se vaporiza a una temperatura o presin especificadas y es la cantidad primaria de energa transferida durante la transferencia de calor en la ebullicin.La ebullicin se clasifica como ebullicin en estanque o ebullicin en flujo, dependiendo de la presencia de movimiento masivo del fluido. Se dice que la ebullicin es en estanque cuando no se tiene flujo msico del fluido, y que es en flujo o ebullicin en conveccin forzada en presencia de ese flujo. En la ebullicin en estanque el fluido se encuentra en reposo y cualquier movimiento en l se debe a corrientes de conveccin natural y al movimiento de las burbujas bajo la influencia de la flotacin.

Ahora vamos a hablar sobre las burbujas.Las burbujas existen debido a la tensin superficial en la interfase lquido-vapor producida por la fuerza de atraccin sobre las molculas que se encuentran en dicha interfase hacia la fase lquida. En la prctica los procesos de ebullicin no ocurren en condiciones de equilibrio,y normalmente las burbujas no se encuentran en equilibrio termodinmicocon el lquido que las circunda. Es decir, la temperatura y la presin delvapor en una burbuja suelen ser diferentes a las del lquido. La diferencia depresin entre el lquido y el vapor es equilibrada por la tensin superficial enla interfase. La diferencia de temperatura entre el vapor en una burbuja y el lquidocircundante es la fuerza impulsora para la transferencia de calor entrelas dos fases. Cuando el lquido est a una temperatura ms baja que la de laburbuja, se transferir calor de sta hacia aqul, lo que provoca que algo delvapor del interior de la burbuja se condense y sta llegue finalmente a aplastarse.Cuando el lquido est a una temperatura ms alta que la de la burbuja,el calor se transferir de aqul hacia sta, haciendo que la burbuja crezca y subahasta la parte superior bajo la influencia de la flotacin.En las primeras etapas de la ebullicin las burbujas se encuentran confinadas en una angosta regin cercana a la superficie caliente. Esto se debe a que el lquido adyacente a la superficie caliente se vaporiza como resultado de ser calentado arriba de su temperatura de saturacin.Las burbujas sirven como movedores de energa, de la superficie caliente hacia la masa de lquido, absorbiendo calor de aqulla y liberndolo en sta a medida que se condensan y aplastan.Cuando toda la masa de lquido alcanza la temperatura de saturacin, lasburbujas empiezan a subir hasta la parte superior. Se puede ver burbujas en todala masa del lquido y, en este caso, a la ebullicin se le da el nombre deebullicin masiva o saturada.

En la ebullicin en estanque no se fuerza el fluido a que se mueva por medio de unimpulsor y cualquier movimiento en l se debe a corrientes de conveccin natural y al movimiento de burbujas por influencia de la flotacin.

La ebullicin es la forma ms conocida de transferencia de calor, sin embargo es la forma menos comprendida. Todava no se comprende por completo el proceso de formacin de burbujas y an se debe apoyar en relaciones empricas para predecir la velocidad de la transferencia de calor en la ebullicin.El trabajo que abri el camino en relacin con la ebullicin fue realizado por S. Nukiyama, que advirti que la ebullicin toma formas diferentes, dependiendo del valor de latemperatura en exceso, T.exceso. Se observaron cuatro regmenes diferentes deebullicin: ebullicin en conveccin natural, ebullicin nucleada, ebullicinde transicin y ebullicin en pelcula Aun cuando la curva de ebullicin dada en esta figura es para el agua su forma general es la misma para diferentes fluidos. La forma especfica de la curva depende de la combinacin de materiales en la superficie de calentamiento del fluido y de la presin de este ltimo, pero es prcticamente independiente de la configuracin geomtrica de dicha superficie.

Ebullicin en conveccin natural En la termodinmica se aprende que una sustancia pura a una presin especficaempieza a hervir cuando alcanza la temperatura de saturacin a esa presin.Pero en la prctica no se ven burbujas formndose sobre la superficie de calentamientohasta que el lquido se calienta unos cuantos grados arriba de la temperaturade saturacin (alrededor de 2 a 6C para el agua). Por lo tanto, en estecaso, el lquido est ligeramente sobrecalentado y se evapora cuando sube hasta la superficie libre. En este modo de ebullicin la conveccin natural rige el movimiento del fluido y la transferencia de calor de la superficie de calentamiento al fluido se realiza por ese mecanismo.Ebullicin nucleadaLas primeras burbujas se empiezan a formar en el punto A de la curva de ebullicin,en varios sitios preferenciales sobre la superficie de calentamiento.Las burbujas se forman con rapidez cada vez mayor, en un nmero crecientede sitios de nucleacin, conforme nos movemos a lo largo de la curva de ebullicinhacia el punto C.En la regin B-C la temperatura del calentador se incrementa todava ms ylas burbujas se forman a velocidades tan grandes en un nmero tan grande desitios de nucleacin que forman numerosas columnas continuas de vapor enel lquido. Las burbujas se mueven a todo lo largo del camino hasta la superficielibre, en donde se revientan y liberan su contenido de vapor. Los grandes flujos de calor que se pueden obtener en esta regin son causados por el efecto combinado del arrastre de lquido y de la evaporacin.Ebullicin de transicin A medida que se incrementa la temperatura del calentador y, por consiguiente,la T.exceso ms all del punto C, el flujo de calor disminuye. Esto se debe a que una fraccin grande de la superficie del calentador se cubre con una pelcula de vapor, la cual acta como un aislamiento debido a su baja conductividad trmica en relacin con la del lquido.En el rgimen de ebullicin de transicin se tienen en forma parcial tantoebullicin nucleada como en pelcula. La ebullicin nucleada que se tiene enel punto C es reemplazada por completo por la ebullicin en pelcula en elpunto D. En la prctica se evita operar en el rgimen de ebullicin de transicin,el cual tambin se conoce como rgimen inestable de ebullicin en pelcula.Para el agua la ebullicin de transicin se presenta sobre el rango detemperatura en exceso de alrededor de 30C hasta ms o menos 120C.Ebullicin en pelcula (ms all del punto D)En esta regin la superficie de calentamiento queda cubierta por completo poruna pelcula continua estable de vapor. La presenciade una pelcula de vapor entre la superficie del calentador y el lquido es laresponsable de las bajas razones de la transferencia de calor en la regin deebullicin en pelcula. La razn de la transferencia de calor aumenta al incrementarsela temperatura en exceso como resultado de la transferencia de calorde la superficie calentada hacia el lquido, a travs de la pelcula de vapor, porradiacin, la cual se vuelve significativa a altas temperaturas.El fenmeno de extincin en la ebullicin se puede explicar de la manera siguiente:para moverse ms all del punto C, en donde se presenta q mx, se debe incrementar la temperatura Ts de la superficie del calentador. Sin embargo, paralograrlo se debe incrementar el flujo de calor. Pero el fluido no puede recibir esta energa incrementada precisamente ms all del punto C. Por tanto, la superficie del calentador finaliza absorbiendola causando la elevacin de la temperatura superficial Ts del mismo. Pero a esta temperatura en exceso ms alta el fluido puede recibir incluso menos energa, lo que hace que la temperatura superficial Ts del calentador se eleve todava ms. Esto contina hasta que la temperatura superficial alcanza un punto en el que ya no se eleva y el calor alimentado se puede transferir al fluido en forma estacionaria. ste es el punto E sobre la curva de ebullicin, el cual corresponde a temperaturas superficiales muy elevadas. Por lo tanto, cualquier intento de incrementar el flujo de calor ms all de q mx har que el punto de operacin sobre la curva de ebullicin salte en forma sbita del punto C al E.

Los regmenes de ebullicin que acaban de discutirse difieren de manera considerableen su carcter y, por tanto, es necesario usar relaciones diferentes detransferencia de calor para regmenes diferentes de ebullicin. El rgimende ebullicin en conveccin natural est determinado por las corrientes deconveccin natural y, en este caso, las velocidades de la transferencia de calorse pueden calcular con exactitud usando las relaciones de la conveccin naturalpresentadas en el captulo 9.En el rgimen de ebullicin nucleada la razn de la transferencia de calor dependefuertemente de la naturaleza de la nucleacin (el nmero de sitios activosde nucleacin sobre la superficie, la rapidez de la formacin de burbujasen cada sitio, etc.), lo cual es difcil de predecir. El tipo y la condicin de la superficiecalentada tambin afectan la transferencia de calor. Estas complicacionesdificultan desarrollar relaciones tericas para la transferencia de caloren el rgimen de ebullicin nucleada y se necesita apoyar en relaciones basadasen datos experimentales. La correlacin que se usa con mayor amplitudpara el flujo de calor en el rgimen de ebullicin nucleada fue propuesta en1952 por Rohsenow y se expresa como:

Flujo Pico de CalorEn el diseo del equipo de transferencia de calor para la ebullicin es en extremoimportante que el diseador tenga conocimiento del flujo mximo decalor para evitar el peligro de la extincin. El flujo mximo (o crtico) de calor en la ebullicin nucleada en estanque y se expresa como:

en donde Ccr es una constante cuyo valor depende de la configuracin geomtricadel calentador. Exhaustivos estudios experimentales realizados por Lienhard y sus colaboradores indicaron que el valor de Ccr es alrededor de 0.15. La ecuacin dar el flujo mximo de calor en W/m2 si en sus descripcioneslas propiedades se expresan en las unidades especificadas al principio, despus de la ecuacin anterior. El flujo mximo de calor es independiente de la combinacin fluido-superficie de calentamiento, as como de la viscosidad, la conductividad trmica y el calor especfico del lquido.Note que al aumentar la presin rv aumenta, pero s y hfg disminuyen, por consiguiente, el cambio en q mx con la presin depende de cul efecto domine.Los estudios experimentales de Cichelli y Bonilla indican que q mx se incrementacon la presin hasta alrededor de un tercio de la presin crtica. Asimismo, note que qmx es proporcional a hfg y se pueden obtener los flujos mximos ms grandes de calor usando fluidos con una gran entalpa de vaporizacin, como el agua.

Flujo mnimo de calorEl flujo mnimo de calor, presente en el punto de Leidenfrost, tiene intersprctico porque representa el lmite inferior para el flujo de calor en el rgimende ebullicin en pelcula. Mediante la teora de la estabilidad, Zuber dedujola expresin siguiente para el flujo mnimo de calor para una placahorizontal grande:

Ebullicin en pelculaAplicando un anlisis semejante al de la teora de Nusselt sobre la condensacinen pelcula que se presenta en la seccin siguiente, Bromley desarrolluna teora para la prediccin del flujo de calor para la ebullicin estable en pelculasobre el exterior de un cilindro horizontal. El flujo de calor para la ebullicinen pelcula sobre un cilindro horizontal o una esfera de dimetro D seexpresa por:

Las propiedades del vapor deben evaluarse a la temperatura de pelculaTf (Ts+Tsat)/2 la cual es la temperatura promedio de la pelcula de vapor.Las propiedades del lquido y hfg deben evaluarse a la temperatura de saturacina la presin especificada.