Tema 4 Transferencia de calor con cambio de

Tema 4 : Transferencia de calor con cambio de fase (IA) : Primera parte Tema 5 : Diseño de equipos de transferencia de calor IV(IQ) : Primera parte v. Condensación ØMecanismos físicos ØCondensación en película: Laminar en placa vertical, en película turbulenta, en película sobre sistemas radiales, en el interior de tubos horizontales ØCondensación en gotas ØPresencia de incondensables ØCondensadores: verticales y horizontales ØCondensadores subenfriadores ØPrincipios de diseño térmico

Bibliografia v. Incropera: Capítulo 10 : ebullición y condensación v. Yunus A. Ҫengel : Transferencia de calor y masa. Un enfoque práctico. Capítulo 10 : Ebullición y condensación

Formas de condensación

Condensación en película

Condensación en película: sobre una placa vertical La película de líquido se empieza a formar en la parte superior de la placa y fluye hacia abajo por la influencia de la gravedad. El espesor o de la película se incrementa en la dirección x del flujo debido a la condensación continuada en la interfase líquido-vapor. Durante la condensación se libera calor en la cantidad hfg y es transferido a través de la película hasta la superficie de la placa que se encuentra a la temperatura Ts La velocidad del condensado en la pared La temperatura del condensado es Tsat en la es cero, por la condición de "no deslizainterfase y disminuye gradualmente hasta Ts en la miento" y alcanza un máximo en la pared. interfase líquido-vapor.

Tipo de flujo del condensado Laminar (Re<450) Turbulento (Re>1800)

Tipo de flujo del condensado El número de Reynolds se incrementa en la dirección del flujo debido al aumento del espesor 8 de la película de líquido. Regímenes de flujo en función del Re ØLaminar (sin ondas) ØLaminar (ondulado) ØTurbulento

Velocidad de transferencia de calor latente de vaporización modificado (Rohsenow) a) teniendo en cuenta el enfriamiento del líquido donde Cpl es el calor específico del líquido a la temperatura promedio de película. b) Cuando el vapor entra como vapor sobrecalentado a una temperatura Tv

Sabiendo que Re se puede calcular como ØLas propiedades del líquido deben evaluarse a la temperatura de película T¡ = (Tsat + Ts)/2 ØSin embargo, el h¡g debe evaluarse a Tsat

Correlaciones de la transferencia de calor para la condensación en película ØEl coeficiente promedio de transferencia de calor sobre la placa vertical completa flujo laminar El espesor del líquido en cualquier ubicación es: Suponiendo 1. El Tanto placa como el vapor se mantienen a las temperaturas constantes 4. flujoladel condensado es laminar y las propiedades del líquido son de Ts y Tsat , respectivamente, y la temperatura de uno a otro lado de constantes. la película de líquido varía en forma lineal. 2. delacalor a otro lado la película de líquido es 5. La Latransferencia aceleración de capade deuno condensado esde despreciable. por conducción pura (no existen corrientes de convección en la película de líquido). 3. La velocidad del vapor esno baja (o cero), de modo que ejercede arrastre Y donde los efectos perfil lineal de temperaturas en lano película líquido y sobre el condensado (no existe fuerza cortante viscosa sobre interfase se el enfriamiento de este último por debajo de la temperatura delasaturación líquido-vapor). pueden tomar en cuenta si se reemplaza h por h * fg fg

El coeficiente de transferencia de calor hvert en términos de Re queda Todas las propiedades del líquido se deben evaluar a la temperatura de película Tf = (Tsat + Ts)/2. El hfg y la ρv se deben evaluar a la temperatura de saturación Tsat

ØEl coeficiente promedio de transferencia de calor sobre la placa vertical completa flujo laminar ondulado (30<Re<1800) Cuando aún el flujo en la película de líquido es todavía laminar se forman ondas en la interfase líquido-vapor. Las ondas en la interfase líquido-vapor tienden a incrementar la transferencia de calor Kutateladze

ØEl coeficiente promedio de transferencia de calor sobre la placa vertical completa flujo turbulento (Re>1800) Las propiedades físicas del condensado se deben evaluar a la temperatura de película Tf = (Tsat + Ts)l 2. El Re turbulento queda expresado como

Coeficientes adimensionales de transferencia de calor del condensado sobre placas verticales para el flujo laminar sin ondas, el laminar ondulado y el turbulento.

Condensado en película sobre placas inclinada Laminar Para θ≤ 60°

ØEl coeficiente promedio de transferencia de calor sobre tubos vertical Siempre que el diámetro del tubo sea grande en relación con el espesor de la película de líquido. ØEl coeficiente promedio de transferencia de calor sobre tubos horizontales y esferas Se puede modificar con facilidad para una esfera al reemplazar la constante 0. 729 por 0. 815. Para L > 2. 77 D, el coeficiente de transferencia de calor será mayor en la posición horizontal.

Bancos de tubos horizontales Condensación en película sobre una hilera de tubos horizontales. ØEl espesor promedio de la película de líquido en los tubos inferiores es mucho mayor, como resultado del condensado que cae sobre la parte superior de ellos desde los tubos que se encuentran directamente arriba. ØEl coeficiente de transferencia de calor promedio en los tubos inferiores de ese tipo de arreglos es más pequeño. ØEl coeficiente de transferencia de calor promedio en la condensación en película para todos los tubos en una hilera vertical es:

Efecto de la velocidad del vapor ØCuando la velocidad del vapor es alta, éste "tira" del fluido a lo largo de la interfase. ØSi el vapor fluye hacia abajo (es decir, en la misma dirección que el líquido), la fuerza adicional hará que se incremente la velocidad promedio del líquido y, como consecuencia, disminuye el espesor de la película, disminuye la resistencia térmica de la película de líquido y, aumentará la transferencia de calor. ØEl flujo de vapor hacia arriba tiene los efectos opuestos: el vapor ejerce una fuerza sobre el líquido en la dirección opuesta al flujo, adelgaza la película de líquido y, por consiguiente, disminuye la transferencia de calor.

Presencia de gases no condensables en los condensadores La presencia de un gas no condensable (aire) en un vapor, hecho que se ve Esto ocurre porque cuando se condensa el favorecido por que los condensadores vapor mezclado con un gas no operan por debajo de la presion condensable, sólo este último permanece atmosterica (0. 1 atm) impide que las en la vecindad de la superficie moléculas del vapor lleguen con facilidad Esta de gas actúa una barrera hastacapa la superficie fría ycomo por ende entre el vapor y la superficiede y dificulta disminuye la transferencia calor en que la elcondensación. vapor llegue a la superficie La presencia de menos de 1 % (en masa) El ahora debede difundirse primero a devapor aire en el vapor agua puede reducir través del gas de no transferencia condensable antes de en el coeficiente de calor llegar a la superficie y esto la la condensación a más de reduce la mitad. efectividad del proceso de condensación.

CONDENSACiÓN EN PELíCULA DENTRO DE TUBOS HORIZONTALES Flujo del condensado en un tubo horizontal con velocidades grandes del vapor. Importante en aplicaciones de refrigeración y acondicionamiento de aire Para velocidades bajas del vapor, Chato 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

CONDENSACiÓN POR GOTAS La condensación caracterizada por gotitas de diámetros variables sobre la superficie de condensación en lugar de una película continua de líquido, es uno de los mecanismos más eficaces de la transferencia de calor y con él se pueden lograr coeficientes de transferencia extremadamente grandes. El reto en este tipo de condensación no es lograrla sino sostenerla durante largos periodos. Cualquier ganancia en la transferencia de calor debe tasarse contra el costo asociado con el sostenimiento de este tipo de condensación. La condensación por gotas se logra al agregar una sustancia química promotora en el vapor, tratando con esta la superficie o recubriéndola con un polímero, como el Teflon, o con un metal noble. P. Griffith (1983) recomienda estas sencillas correlaciones