transferencia de calor con cambio defase

7/26/2019 transferencia de calor con cambio defase

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTBAL

DE HUAMANGA

FACULTAD DE INGENIERA QUMICA Y METALURGIA

TRANSFERENCIA DE CALOR CON CAMBIO DE

FASE

Ayacucho Per2016

OPERACIONES UNITARIAS II

ESCUELA DE FORMACIN PROFESIONAL DE INGENIERA

AGROINDUSTRIAL

Edgar Arons Medina


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La transferencia de calor con cambio de faseen un mediolquido-vapor (ebullicin o condensacin) es importante debidoa que el calor latente no requiere una diferencia detemperatura. De hecho, a travs de la ebullicin o

condensacin, se pueden alcanzar grandes transferencias decalor con pequeas diferencias de temperaturas.

Cuando se eleva la temperatura de un lquido a una presinespecfica, hasta la temperatura de saturacin a esa presin,se presenta la ebullicin. Del mismo modo, cuando se baja latemperatura de un vapor hasta la temperatura de saturacin,ocurre la condensacin.

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INTRODUCCIN


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FASE

Regin observable de la materia con una composicindiferente a la de las regiones que la rodean.Cada fase se distingue por sus propiedades.

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Aceite

Agua

Interfase


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CAMBIO DE FASE

Se denomina cambio de estado a la evolucin de la materia

entre varios estados de agregacinsin que ocurra un cambioen su composicin. Los tres estados ms estudiados ycomunes en la Tierra son elslido, el lquido y el gaseoso; noobstante, el estado de agregacin ms comn en el Universoes el plasma, material del que estn compuestas las estrellas.

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Cambios de estado de la materia

En determinadas condiciones de temperatura y presin, unasustancia se presenta en unestado fsicodeterminado, pero si semodifican las condiciones, esta puede pasar a un nuevo estadofsico.

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Ebullicin y condensacin

Aun cuando la ebullicin y la condensacin exhiben algunascaractersticas nicas, se consideran como formas detransferencia de calor por conveccin, ya que estnrelacionadas conmovimiento del fluido(como la elevacin de

las burbujas hasta la parte superior, el flujo del condensadohacia el fondo).La ebullicin y la condensacin difieren de las otras formasde conveccin en que dependen del calor latente de

vaporizacin del fluido y de la tensin superficial en lainterfase liquido-vapor, adems de las propiedades de esefluido en cada fase.

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TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA

EBULLICIN

Laebullicines un proceso decambio de fase de lquido avapor precisamente como la evaporacin, pero existendiferencias significativasentre los dos.Laevaporacinocurre en lainterfase vapor-liquido, cuando la

presin de vapor es menor que la de saturacin del lquido auna temperatura dada. Note que la evaporacin no comprendela formacin de burbujas o el movimiento de stas.Por otra parte, se tiene ebullicin en la interfase solida-

liquido cuando un lquido se pone en contacto con unasuperficie mantenida a una temperatura superficialsuficientemente por arriba de la de Temperatura desaturacin de ese lquido.30/05/2016 E Arons M


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EBULLICIN

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Proceso de cambio de fase lquida a vapor. a) evaporacin, en lainterfase lquido-vapor. b) Ebullicin, en la interfase slido-lquido.


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EBULLICIN

El proceso de ebullicin secaracteriza por la rpidaformacinde burbujas de vaporen la interfasesolido-lquido que se separan de lasuperficie cuando alcanzan cierto

tamao y presentan la tendencia aelevarse hacia la superficie libre dellquido.La ebullicin es un fenmenocomplejo debido al gran nmero de

variables que intervienen en elproceso y los patrones complejos delmovimiento del fluido causados porla formacin y el crecimiento de lasburbujas.30/05/2016 E Arons M


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EBULLICIN

Ley de enfriamiento de NEWTONEl flujo de calor en la ebullicin, de una superficie slida haciael fluido, se expresa con base a la ley de Newton delenfriamiento como:

El anlisis de la transferencia de calor en la ebullicincomprende las propiedades del lquido o del vapor, el calorlatente de vaporizacin, la tensin superficial y la geometra

del sistema. Debido a la gran cantidad de variablesimplicadas, no existen ecuaciones generales que describan elproceso de la ebullicin ni correlaciones generales de datosde transferencia de calor por ebullicin.30/05/2016 E Arons M

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/c s satq h T T W m


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EBULLICIN

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EBULLICIN

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Modos de ebullicin en base al movimiento masivo delfluido. a) Ebullicin en recipiente. b) Ebullicin en flujo.


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EBULLICIN

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Ebullicin en un estanqueEn la ebullicin en estanque no se fuerza el fluido a que semueva por medio de un impulsor, como una bomba, y cualquiermovimiento en l se debe a corrientes de conveccin natural y

al movimiento de burbujas por influencia de la flotacin.El trabajo que abri el camino en relacin con la ebullicin fuerealizado en 1934 por S. Nukiyama, quien utiliz en susexperimentos alambres de nicromo y de platino calentados

elctricamente sumergidos en lquidos. Nukiyama advirti quela ebullicin toma formas diferentes, dependiendo del valorde la temperatura en exceso.

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Regmenes de ebullicin y la curva de

ebullicin

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Regmenes de la ebullicin en recipientes. a) Ebullicin enconveccin natural. b) Ebullicin nucleada. c) Ebullicin detransicin. d) Ebullicin en pelcula.


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Curva tpica de mecanismo de ebullicin de agua a la

presin de 1 atm en un recipiente flujo de calor en funcin

del gradiente de temperatura.

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ebullicin

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ebullicin

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ebullicin

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ebullicin

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Correlaciones de TC en la ebullicin en

estanque

Los regmenes de ebullicin que acaban de discutirse difieren

de manera considerable en su carcter y, por lo tanto, esnecesario usar relaciones diferentes de transferencia decalor para regmenes diferentes de ebullicin.

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Ebullicin nucleada

En la regin de ncleos de ebullicin, elflujo de calordependede T, la presin, la naturaleza y de la geometra de la

superficie y del sistema, y de las propiedades fsicas del

vapor y del lquido. Estas ecuaciones son complejas que hansido propuestas por otros autores, una correlacin

aproximada expuesta por Foster y Zuber, para estimar el

coeficiente de transferencia de calor por ebullicin el

recipiente es el siguiente:

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Ebullicin nucleada

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Ebullicin nucleada

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Ebullicin nucleada

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Ebullicin en pelcula

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En la regin de ebullicin de pelcula, la velocidad de

transferencia de calor es baja debido a la gran cada detemperatura que se tiene y que no se utiliza efectivamente.La ecuacin dada por Bromley puede ser utilizado paraestimar el coeficiente de transferencia de calor de pelculasobre cilindros horizontales. El calor se trasmite por

conduccin a travs de la fina pelcula de vapor que rodeacompletamente la superficie del cilindro.

Para una superficie plana horizontal Berenson propuso lasiguiente ecuacin:

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0

0,62

V v L V

V W s

k gh

T T D

1/4

3 0,425

..

V v L V

V W s

L V

k gh

T Tg


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Utilizando graficas

El coeficiente de conveccinpara lquidos en ebullicinpueden ser determinadosgrficamente, conociendo ladiferencia entre la

temperatura de la superficiecaliente y del fluido. En losequipos de la industria, lacada de temperatura atravs de la pelcula suele ser

de 20 a 30 C cuando laebullicin se realiza con unabuena formacin de ncleosde vaporizacin.

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TC en la condensacin

Se presenta la condensacin cuando la temperatura de un

vaporsereducepordebajode sutemperatura de saturacin,Tsat. Esto suele llevarse a cabo cuando el vapor entra encontacto con una superficie slidacuya temperatura Ts estpor debajo de la temperatura de saturacin Tsat de ese

vapor. Pero la condensacin tambin puede ocurrir sobre lasuperficie libre de un lquido o incluso en un gas, cuando latemperatura de stos a la cual se expone el vapor est pordebajo de Tsat.

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Modos de condensacin

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Condensacin por gotas

El vapor condensado forma gotitas sobre la superficie, enlugar de una pelcula continua, y esa superficie se cubre de unnmero incontable de gotitas de dimetros variables. En lacondensacin por gotas, stas resbalan hacia abajo cuando

llegan a tener cierto tamao, despejando la superficie yexponindola al vapor, en este caso, no se tiene pelcula delquidoque opongaresistenciaa la transferencia de calor.

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Resistencia a la condensacin

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Coeficientes de condensacin

El coeficiente de condensacin depende del tipo de

superficies sobre las que se efecta, adems de ciertas

propiedades del condensado, como son: calor latente,

conductividad trmica, viscosidad, densidad, etc.

El coeficiente de condensacin se puede calcular mediante el

mtodo de anlisis dimensional y la teora de Nusselt.

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Mtodo de anlisis dimensional

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Mtodo de la teora de Nusselt

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Coeficientes decondensacin de

pelcula parasuperficies verticales


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Coeficientes de condensacin de pelcula en el exterior de cilindros horizontales


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Relacin entre los coeficientes de conveccin horizontal y vertical


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GRACIAS POR SU

ATENCIN

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