TRANSFERENCIA DE CALOR CON CAMBIO DE FASES

INTRODUCCIÓN

        Es muy común que una sustancia experimente un cambio de temperatura cuando se transfiere energía entre ella y su entorno. Hay momentos, sin embargo, en las que la transferencia de energía no resulta en un cambio de temperatura. Éste es el caso siempre que las características físicas de la sustancia cambien de una forma a la otra; a este cambio se conoce comúnmente como cambio de fase.

        Generalmente en los procesos de transferencia de calor en los que participa un valor saturado se experimenta un cambio de fase al estado líquido a través de un  mecanismo llamado condensación. Este fenómeno ocurre cuando el vapor entra en contacto con una superficie a menor temperatura. Por otra parte, en otros procesos se experimenta un cambio de fase inverso, es decir, del estalo líquido al vapor mediante el mecanismo de ebullición. Los problemas de transferencia de calor en condiciones de condensación y ebullición son considerablemente más complejos que los de convección sin cambio de fase.

        Un equipo de intercambio de calor es un aparato que transfiere energía térmica desde un fluido a alta temperatura hacia un fluido a baja temperatura con ambos fluidos moviéndose a través del aparato. Algunos ejemplos de intercambiadores de calor en la vida diaria lo constituyen el radiador de un automóvil y el calentador de agua doméstico. En industrias químicas y plantas de energía se utilizan ampliamente los intercambiadores de calor. El rango de temperaturas, las bases de los fluidos. La cantidad de energía térmica que se debe transferir y la caída de presión permitida para los fluidos fríos o calientes, determinan la configuración del intercambiador de calor para una aplicación dada. En la práctica, el proceso de diseño y selección involucra con frecuencia un procedimiento de ensayo error.

        Dada la importancia de este trabajo referente a la transferencia de calor con cambio de fase y a los intercambiadores de calor, el mismo, está estructurado con una explicación pautada de la definición de la transferencia de calor en condensación y ebullición, ejercicios, además del coeficiente global de transferencia, los intercambiadores de calor a contracorriente, flujo paralelo y ejemplos de los mismos. Conjuntamente de esto, las conclusiones correspondientes en base a los resultados obtenidos de la investigación y las referencias bibliográficas en donde se tuvo la gran oportunidad de encontrar la siguiente información, la cual es esencial para la formación de ingenieros industriales.

TRANSFERENCIA DE CALOR CON CAMBIO DE FASES

Transferencia de calor en la Condensación

        Como consecuencia de la condensación suele formarse una película de líquido sobre la superficie que influye hacia abajo debido a la atracción gravitacional, e incrementa su espesor conforme se condensa más vapor en la interfase.

        A menos que la velocidad del vapor sea muy alta o el espesor de la película sea grande, el flujo de condensado es laminar y el calor se transfiere hacia la superficie solo por conducción. Este fenómeno de transferencia de calor se conoce como condensación en forma de película.

        En otras circunstancias menos comunes, cuando la superficie de la transferencia de calor está contaminada con alguna sustancia que evita que el líquido se adhiera a la superficie, el vapor se condensa en gotas en vez de formar una película continua a este fenómeno se le denomina condensación en forma de gotas.

        En el caso de la condensación en forma de película el coeficiente de transferencia de calor puede determinarse en forma analítica mediante la metodología propuesta por Nusselt a principios del siglo XX.

        EJEMPLO:

        Se condensa un vapor saturado seco a una presión de 1 bar sobre la placa vertical de 0.5 m de altura. La placa tiene una temperatura uniforme de 60 °C. Determinar el coeficiente promedio de transferencia de calor.

Las tablas de vapor de agua indican que para una presión de 1 bar:

[pic 1]

[pic 2]

Por otra parte, las propiedades del condensado a una temperatura de 80°C son:

[pic 3]

[pic 4]

 [pic 5]

Para determinar si el régimen es laminar o turbulento primero debe calcularse el espesor máximo de la película de condensado.

[pic 6]

[pic 7]

[pic 8]

Por otra parte, la velocidad promedio en la parte inferior de la placa puede estimarse.

[pic 9]

[pic 10]

[pic 11]

Con los datos anteriores:

[pic 12]

[pic 13]

[pic 14]

Como el régimen es laminar se aplica otra ecuación:

[pic 15]

[pic 16]

[pic 17]

Transferencia de Calor en la Ebullición

        El proceso de transformación de un líquido en vapor también reviste gran importancia. Imagínese  ahora la ebullición de un líquido saturado en un recipiente cuando entra en contacto con una superficie caliente. La experiencia indica que, en ciertas condiciones donde el calor suministrado al líquido es relativamente pequeño, el intercambio de calor lo realiza este último solo por convección natural y el vapor que se produce disipa a través de la superficie libre del líquido.  

        Sin embargo, conforme se incrementa el flujo de calor se forman burbujas de vapor sobre la superficie caliente. Estas burbujas se crean en ciertos núcleos favorables de la superficie, aumentan de tamaño y se desprenden llevando a la superficie libre del líquido el vapor producido. En este régimen de ebullición denominado, ebullición nucleada, el fluido próximo a la superficie caliente se encuentra en un estado de agitación muy grande y el proceso de transferencia de calor a través del líquido es muy tenso.  Por último, la transferencia de calor se estabiliza en un mínimo con esta resistencia térmica y el fenómeno de ebullición se conoce como ebullición pelicular.

INTERCAMBIADORES DE CALOR

        Bajo la denominación general de intercambiadores de calor, o simplemente cambiadores de calor, se engloba a todos aquellos dispositivos utilizados para transferir energía de un medio a otro.        “Un intercambiador de calor es un dispositivo que facilita la transferencia de calor de una corriente fluida a otra”.

Clasificación y Terminología

        Los intercambiadores normalmente se clasifican de acuerdo con el arreglo del flujo y el tipo de construcción. El intercambiador de calor más simple es aquel en que los fluidos caliente y frio se mueven en la misma dirección o en direcciones opuestas en una construcción de tubos concéntricos (o doble tubo). De manera alternativa los flujos se pueden mover en flujo cruzado (perpendiculares entre sí) como se muestra mediante los intercambiadores de calor tubulares con aletas y sin aletas. Se dice que el fluido no está mezclado si las aletas impiden el movimiento en una dirección (y) que es transversal a la dirección del flujo principal (x). En este caso la temperatura varía con x y y.

...