Clase digital 9. Ebullición y condensación

Ebullición y condensación

Introducción

Esta clase estará dedicada al mecanismo de transferencia de calor por ebullición y condensación. Aunque podría pensarse que estos dos mecanismos forman parte del mecanismo de convección natural estudiado anteriormente, difiere de él ya que la ebullición y la condensación consisten en el cambio de fase del fluido de trabajo, pues operan con calor latente. Por esta razón operan con coeficientes convectivos mucho más elevados que los observados para convección natural y convección forzada.

También mostraremos cómo se da el fenómeno, además de las correlaciones necesarias para determinar el flujo de calor generado por este tipo de sistemas. Dicho esto, ¡comencemos!

Desarrollo del tema

Para iniciar la clase pensemos en cuando calentamos agua dentro de un sartén. ¿Fuiste curioso y observaste lo que ocurría dentro del recipiente?, ¿notaste que se ven burbujas? Esto sucede en el proceso llamado ebullición, en el cual el líquido (agua) está en contacto con una superficie caliente (cacerola) a una temperatura superior a la temperatura de saturación del líquido. (Çengel, 2007: 562)

Recuerdas de tus clases de termodinámica que en un diagrama P-v-T se pueden observar tres fases del fluido: la fase líquida, la fase mezcla y la fase vapor. La campana de Gauss (Diagrama 1) es la que delimita estas fases, conformada por la temperatura de saturación del líquido a las diferentes presiones dadas: esta es la temperatura de saturación a la que hacemos referencia. Además, el proceso que se lleva a cabo para el cambio de fase está regido por la acumulación de calor latente dentro del sistema.

Regresando a la ebullición, esta se puede clasificar en:

• Ebullición en estanque, cuando el fluido no se encuentra en movimiento masivo (la idea de agua dentro de la cacerola planteada inicialmente).
• Ebullición en flujo, cuando el fluido se encuentra en movimiento masivo (por ejemplo, el evaporador y condensador del refrigerador de tu casa).

Otro tipo de clasificación comúnmente usada considera si la temperatura de la masa principal del líquido se encuentra o no igualada a la temperatura de saturación, de acuerdo a esto tenemos:

• Ebullición subenfriada, también conocida como ebullición local, se da cuando la temperatura de la masa principal del fluido está por debajo de la temperatura de saturación.
• Ebullición saturada, también conocida como ebullición masiva, se da cuando la temperatura de la masa principal del fluido está a la misma temperatura de saturación. (Çengel, 2007: 563)

Como se ha reiterado en las diferentes clases, el flujo de calor depende directamente de la diferencia de temperaturas, pero para la ebullición esta diferencia se da por un parámetro denominado temperatura en exceso que consiste en la diferencia de temperaturas del líquido con respecto a la temperatura de saturación del mismo:

En consecuencia a este parámetro, se pueden distinguir cuatro regímenes diferentes de ebullición:

• Ebullición en convección natural: en termodinámica se dice que en el cambio de fase de una sustancia la temperatura se mantiene constante, sin embargo, esto no ocurre en la práctica pues la temperatura de la sustancia debe estar unos cuantos grados por arriba de la temperatura de saturación para que inicie el fenómeno. A esto se le conoce como ebullición por convección natural y es cuando se ven ligeros movimientos del fluido debido al cambio de densidad. La relación transferencia de calor con temperatura de exceso se mantiene relativamente lineal. (Diagrama 2)

• Ebullición nucleada: en este régimen se tiene la presencia de burbujas (núcleos de vapor), quienes, en una primera etapa, no alcanzan a subir a la superficie del fluido porque las fuerzas de tensión del fluido frío son mucho mayores que las de las burbujas de vapor, por lo cual se ven aplastadas (Diagrama 2, región A-B). Sin embargo, a medida que el fluido toma energía los núcleos de vapor tienen la suficiente energía para subir a la superficie y romper las fuerzas de tensión del fluido frío. Este proceso se da cuando el sistema alcanza el flujo máximo de calor (aproximadamente 30ºC por arriba de la temperatura de saturación). Gran parte de los sistemas de ebullición usados a nivel industrial operan dentro de este régimen, a flujos de calor ligeramente inferiores al flujo de calor máximo (Diagrama 2, región B-C). La forma de determinar el flujo de calor en este régimen está dado como:

Y para el pico de calor se tiene que:

Finalmente, para el calor mínimo se tiene que:

Donde:

Están dados como se muestra en las siguientes tablas:

• Ebullición de transición: aquí el fluido disminuye el flujo de calor presente a pesar de que la temperatura en exceso se sigue incrementando debido a que al final del régimen de ebullición por nucleación, la generación de burbujas sobre la superficie caliente es considerable, haciendo que éstas pasen de ebullición por contacto a ebullición por película (las burbujas de vapor se unen para formar una película entre el fluido y la superficie, lo cual opera como una resistencia térmica dentro del proceso); también se le denomina zona de transición o inestabilidad. Este régimen es evitado en la práctica porque no es fácil controlarlo (Diagrama 2, región C-D).

• Ebullición en película: el sistema presenta una película constante de vapor localizado entre la superficie del sistema y el fluido fuera de la película, esto es, un sándwich sólido-película-líquido. Así, el proceso de evaporación se continúa entre el líquido y esta película de evaporación y no entre el sólido y el líquido. Un punto importante a resaltar es que el flujo de calor es considerablemente menor al observado en el punto C, sin embargo, la temperatura en exceso es extraordinariamente alta, por lo que, si el sistema operara dentro de este régimen, podrías llegar a fundirlo rápidamente sin dar tiempo a controlar o mitigar el daño posible. La cantidad de calor transferida en este régimen se puede cuantificar como:

Donde Cpelícula es igual a 0.62 para cilindros horizontales y 0.67 para esferas. (Çengel, 2007: 565-572).

El Diagrama 2 muestra el diagrama de ebullición del fluido, en el cual se pueden apreciar estos cuatro regímenes en función de la temperatura en exceso.

Realiza la lectura reflexiva de siguiente documento:

• Ebullición y condensación – páginas 561 a 578

Aprovecho este espacio para compartirte el siguiente video complementario:

Por otra parte, pensemos ahora en una lata de refresco recién salida del refrigerador en un día cálido y húmedo. Si observas con detalle, sobre la superficie de la lata se empieza a formar agua, primero en gotas y luego en una cantidad considerable que la cubre toda, el líquido proviene del vapor de agua presente en el aire, y el proceso por el cual aparece es la condensación. Este proceso tiene lugar cuando un gas se encuentra en contacto con una superficie a una temperatura menor que la temperatura de saturación. En la naturaleza se conocen dos tipos de condensación:

• Condensación en película: el condensado moja o cubre la superficie del sistema tendiendo a moverse hacia abajo por efectos de la gravedad, esto genera una pequeña capa límite que crece a medida que el fluido se mueve para abajo; el crecimiento de la capa límite provoca una disminución en la razón de transferencia de calor pues opera como un aislante (Diagrama 3). De tal manera, la forma de determinar el coeficiente convectivo presente por este medio de transferencia de calor está ligado a la velocidad con que el fluido se desplaza hacia abajo una vez condensado; es decir, depende del número de Reynolds, el cual está dado como:

Así, en base al régimen que presenta el fluido y la geometría del sistema, se cuenta con correlaciones específicas para determinar el coeficiente convectivo de transferencia de calor generado por este mecanismos.

• Condensación por gotas: aquí, el vapor condensado forma incontables gotas de diámetro variable sobre la superficie, en lugar de una película continua. Este fenómeno permite que se tenga una mayor superficie de contacto y evita que el fluido opere como resistencia térmica, de esta manera el sistema de condensación por gota funciona de manera más eficiente que el de película. A pesar de estas ventajas, no se ha podido generar un sistema que trabaje única y exclusivamente con un sistema de condensación por gotas. El coeficiente de transferencia de calor por gotas es determinado de forma experimental ya que tiene una relación directa con el tipo y acabado de la superficie. Por ejemplo, para una superficie de cobre, el coeficiente convectivo está dado como (Çengel, 2007: 578-598):

Efectúa la lectura del siguiente documento:

• Transferencia de calor en la condensación – páginas 578 a 598

Para finalizar este tema, te pido visualices los siguientes videos:

Conclusión

La transferencia de calor generada a partir del cambio de fase en el fluido de trabajo produce coeficientes convectivos más elevados que los observados para convección natural y convección forzada, por lo cual, los flujos de calor presentes en estos sistemas tendrán un mayor impacto. Para ebullición el objetivo es operar cerca del punto crítico, donde se presenta el mayor flujo de calor sin que el incremento de la temperatura excedente pueda causar daños importantes al sistema; por otra parte, para el caso de la condensación, el objetivo es tener sistemas que operen solamente por condensación por goteo, sin embargo, a la fecha no se ha podido generar un sistema capaz de realizar este proceso, por lo tanto, al ser la condensación en película la más viable en la práctica se espera tener los menores números de Reynolds a fin de evitar que la película opere como una resistencia térmica que disminuye la eficiencia del sistema de condensación.

Lo anterior es una recapitulación de lo más importante en tu penúltima clase del unidad de aprendizaje Transferencia de calor. Es importante para reforzar tu aprendizaje realizar las lecturas sugeridas y las consignas. La siguiente sesión será la última, en ella abordaremos los principios básicos de la radiación, otro mecanismo de transferencia de energía en forma de calor.

¡Hasta entonces!