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EBULLICIÓN Y CONDENSACIÓN

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on 14 May 2014

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EBULLICIÓN Y CONDENSACIÓN
Integrantes:
Aguilar Reyes Clives
Asto Fuentes Patricia
Castillo Córdova Karina
Cueva Montoya Diego
Hernández Flores Carla
Lavado Pérez Kasunari
Neira Hipólito Lucero
Rodríguez Gárate Pierre
Romero Urquiza Mercedes
Sandoval Eustquio Diana
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 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 liquido-vapor, además de las propiedades de ese fluido en cada fase.
En este capítulo se estudian las razones de la transferencia de calor durante esas transformaciones de fase: líquido en vapor y vapor en líquido.
INTRODUCCIÓN
TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA EBULLICIÓN
La ebullición es un proceso de cambio de fase de líquido a vapor precisamente como la evaporación, pero existen diferencias significativas entre las dos. La evaporación ocurre en la interfase vapor – liquido, cuando la presión de vapor es menor que la de saturación del líquido a una temperatura dada. Note que la evaporación no comprende la formación de burbujas o el movimiento de éstas (figura 10-1).
Por otra parte, se tiene ebullición en la interfase solida-liquido cuando un líquido se pone en contacto con una superficie mantenida a una temperatura superficial suficientemente por arriba de la de Temperatura de saturación de ese líquido (figura 10-2).
El proceso de ebullición se caracteriza por la rápida formación de burbujas de vapor en la interfase solido-líquido que se separan de la superficie cuando alcanzan cierto tamaño y presentan la tendencia a elevarse hacia la superficie libre del líquido.
La ebullición es un fenómeno complejo debido al gran número de variables que intervienen en el proceso y los patrones complejos del movimiento del fluido causados por la formación y el crecimiento de las burbujas.
EBULLICIÓN EN UN ESTANQUE
En la ebullición en estanque no se fuerza el fluido a que se mueva por medio de un impulsor, como una bomba, y cualquier movimiento en él se debe a corrientes de convección natural y al movimiento de burbujas por influencia de la flotación.
Regímenes de ebullición y la curva de ebullición
Correlaciones de la transferencia de calor en la ebullición en estanque
Mejoramiento de la transferencia de calor en la ebullición en estanque
REGÍMENES DE EBULLICIÓN Y LA CURVA DE EBULLICIÓN
Se observaron cuatro regímenes diferentes de ebullición: ebullición en convección natural, ebullición nucleada, ebullición de transición y ebullición en película (figura 10-5).
El trabajo que abrió el camino en relación con la ebullición fue realizado en 1934 por S. Nukiyama, quien utilizó en sus experimentos alambres de nicromo y de platino calentados eléctricamente sumergidos en líquidos. Nukiyama advirtió que la ebullición toma formas diferentes, dependiendo del valor de la temperatura en exceso.
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 lo tanto, es necesario usar relaciones diferentes de transferencia de calor para regímenes diferentes de ebullición.

Ebullición nucleada
FLUJO PICO DE CALOR
Flujo mínimo de calor
EBULLICIÓN EN PELÍCULA
Cualquier modificación que mejore la nucleación sobre la superficie de calentamiento también mejora la transferencia de calor en la ebullición nucleada. Se observa que las irregularidades sobre la superficie de calentamiento, incluyendo la aspereza y la suciedad, sirven como sitios adicionales de nucleación durante la ebullición, como se muestra en la figura 10-13.
Se fabrican, y se encuentran en el mercado, superficies que proporcionan una transferencia mejorada de calor en la ebullición nucleada de manera permanente.
En esas superficies especiales se logra el mejoramiento en la nucleación y, como consecuencia, en la transferencia de calor al recubrir la superficie con una capa delgada (mucho menos de 1 mm) de material muy poroso, o bien, formando en forma mecánica cavidades sobre la superficie para facilitar la formación continua de vapor.

En la figura 10-14 se muestra el mejoramiento proporcionado por uno de esos materiales preparado produciendo la aspereza con máquina, el Thermoexcel-E.
También se puede mejorar la transferencia de calor en la ebullición mediante otras técnicas como la agitación mecánica y la vibración superficial. Sin embargo, estas técnicas no son prácticas debido a las complicaciones que se presentan.
MEJORAMIENTO DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA EBULLICIÓN EN ESTANQUE
REGÍMENES DE EBULLICIÓN Y LA CURVA DE EBULLICIÓN
El trabajo que abrió el camino en relación con la ebullición fue realizado en 1934 por S. Nukiyama, quien utilizó en sus experimentos alambres de nicromo y de platino calentados eléctricamente sumergidos en líquidos. Nukiyama advirtió que la ebullición toma formas diferentes, dependiendo del valor de la temperatura en exceso.
EBULLICIÓN EN FLUJO
En la ebullición en flujo se fuerza al fluido a moverse por medio de una fuente externa, como una bomba, a medida que pasa por un promedio de cambio de fase. La ebullición en flujo también se clasifica en ebullición en flujo externo o en flujo interno, dependiendo de si el fluido se fuerza a moverse sobre una superficie calentada o en el interior de un tubo calentado.
Ebullición en flujo externo
La ebullición en flujo externo sobre una plaza o cilindro es semejante a la ebullición en estanque, pero el movimiento agregado incrementa de manera considerable tanto el flujo de calor de la ebullición nucleada y el flujo crítico de calor.
Ebullición en flujo interno
Es mucho más complicado debido a que no existe superficie libre donde el vapor se escape, y por ende, tanto el líquido como el vapor son forzados a estar juntos
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 gotas
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.
TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA CONDENSACIÓN
CONDENSACIÓN EN PELÍCULA
REGÍMENES DE FLUJO
CORRELACIONES DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR PARA LA CONDENSACIÓN EN PELÍCULA
CORRELACIONES DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR PARA LA CONDENSACIÓN EN PELÍCULA
REGÍMENES DE FLUJO
PLACAS INCLINADAS
La ecuación 10-30 está desarrollada para flujo laminar del condensado, pero se puede usar también para flujos laminares ondulados como una aproximación.
Tubos verticales
También se puede usar la ecuación para placas verticales con el fin de calcular el coeficiente de transferencia de calor promedio para la condensación en película laminar sobre las superficies exteriores de tubos verticales, siempre que el diámetro del tubo sea grande en relación con el espesor de la película de líquido
TUBOS HORIZONTALES Y ESFERAS
BANCOS DE TUBOS HORIZONTALES
Enseguida se discutirán las relaciones para el coeficiente de transferencia de calor promedio h para el caso de condensación laminar en película para varias configuraciones geométricas.
Efecto de la velocidad del vapor
cuando la velocidad del vapor es alta, este “tira” del fluido a lo largo de la interfase, puesto que en ella la velocidad de ese vapor debe caer hasta el valor de la del líquido.
Si el vapor fluye hacia abajo la fuerza adicional hará que se incremente la velocidad promedio del líquido y, como consecuencia, disminuye el espesor de la película.

Presencia de gases no condensables en los condensadores
Los estudios experimentales demuestran que la presencia de gases no condensables en el vapor tiene un efecto perjudicial sobre la transferencia sobre la transferencia calor en la condensación.

El flujo de vapor hacia arriba tiene los efectos opuestos: el vapor ejerce una fuerza sobre el líquido en la dirección opuesta al flujo, incrementa el espesor de las películas de líquido y, por consiguiente, disminuye la transferencia de calor.

La drástica reducción en el coeficiente de transferencia de calor en la condensación en presencia de un gas no condensable se puede explicar de la manera siguiente: cuando se condensa el vapor mezclado con un gas no condensable, solo este último permanece en la vecindad de la superficie.
Esta capa de gas actúa como una barrera entre el vapor y la superficie y dificulta que aquel llegue a esta. El vapor ahora debe difundirse primera a través del no condensable antes de llegar a la superficie y esto reduce la efectividad del proceso de condensación. 

CONDENSACIÓN EN PELÍCULA DENTRO DE TUBOS HORIZONTALES
Hasta ahora se ha discutido la condensación en película sobre las superficies exteriores de tubos y otras configuraciones geométricas. Sin embargo, la mayor parte de los procesos de condensación que se encuentran en las aplicaciones de refrigeración y acondicionamiento de aire están relacionados con la condensación sobre las superficies interiores de tubos horizontales o verticales.
El análisis de la transferencia de calor de la condensación en el interior de tubos se complica por el hecho de que la velocidad del vapor y la rapidez de la acumulación de líquido sobre las paredes de los tubos influyen fuertemente sobre ella (figura 10-34).
CONDENSACIÓN POR GOTAS
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 resbalan hacia abajo cuando alcanzan cierto tamaño, despejando la superficie y exponiéndola al vapor.

El reto en este tipo de condensación no es lograrla sino sostenerla durante largos periodos. La condensación por gotas se logra al agregar una sustancia química promotora en el vapor, tratando con ésta la superficie o recubriéndola con un polímero, como el teflón, o con un metal noble.
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