Evaporación, ebullición subenfriada, ebullición saturada
- Evaporación: Se da en la superficie por la diferencia de presión de vapor entre la fase líquida y la fase gas, pero no hay generación de burbujas. La diferencia de temperaturas entre la pared y el fluido es baja y menor que la de saturación.
- Ebullición subenfriada: La diferencia entre Tf y Tw es mayor (pero Tf sigue siendo menor a Tsat). Ese gradiente de T local hace que se formen burbujas, que ascienden un poco y se rompen, pues la Tf es menor que Tsat.
- Ebullición saturada: La Tf=Tsat, por lo tanto ahora las burbujas que se forman ascienden hasta la superficie y pasan a la fase gas.
Qué es la nucleación?
Tipos?
Es el fenómeno de formación de burbujas.
El grado de calentamiento es la diferencia entre la temperatura de la burbuja y la temperatura de saturación.
* Homogénea: en el seno del fluido. El grado de sobrecalentamiento requerido para la nucleación homogénea teórico es mayor que el real, pues en la práctica la presencia de cualquier partícula lo reduce significativamente pues funciona como centro de nucleación (en gral no se opera con sustancias completamente puras).
* Heterogénea: (la que nos interesa) se da sobre una superficie sólida, el grado de calentamiento requerido teórico es el de la homogenea afectado por un factor que depende del ángulo entre el sólido y las burbujas que se forman (factor menor a 1, por lo tanto el grado de calentamiento en heterogénea es menor).
Teoría de Hsu: nucleación en presencia de un gradiente de T
El crecimiento y desprendimiento de la burbuja se dará solo si la T del líquido alrededor de la burbuja excede la requerida para el equilibrio para el radio de la cavidad.
Tg(r) es la curva de la temperatura necesaria para la formación de burbujas en un poro de radio r.
El poro permite la formación de burbujas dependiendo de la Tw (de pared). Si Tw es baja (muy cercana a Tsat) la curva de gradiente de temperaturas en la capa límite no se interseca con la curva de equilibrio para la formación de burbujas Tg(r). O sea no se forman bubrujas para ningún tamaño de poro.
Existe una cierta Tw a la cual las dos curvas (la del gradiente de temperaturas y Tg(r)) se intersecan en un punto. A esa Tw entonces sólo se forman burbujas en los poros de radio rc.
Si la Tw aumenta aun más, existe una zona para la cual la curva del gradiente de T es mayor que Tg(r), por lo tanto se forman burbujas para todo ese rango de tamaño de poros.
. : Existe una Tw mínima para la formación de burbujas (sólo para un cierto radio de poros) y a mayor Tw mayor es el rango de tamaños de poros que permitan la formación de burbujas.
Cuándo se da el desprendimiento de las burbujas que se forman en la nucleación?
Cuando la fuerza de flotación es mayor que el efecto de tensión superficial.
Por qué se llama “ebullición de líquidos en reposo”?
Porque el líquido que se quiere evaporar tiene mínimo movimiento convectivo, excepto por la reposición. Es decir, está circulando pero el movimiento es mínimo.
Curva de (Tw-Tsat) vs calor intercambiado
Construimos la curva aumentando Tw (o sea el deltaT) y midiendo el q intercambiado.
* Curva AB: cuando deltaT es bajo, la transferencia de calor es por convección natural. (crecimiento lineal)
* Punto B: El sobrecalentamiento de la pared ya es suficiente para la formación de burbujas en la superficie, por lo tanto el coeficiente de transferencia de calor crece de repente por la agitación que producen las burbujas. Entonces un mini aumento de Tw produce un aumento enorme de q. Por lo tanto de B se “salta” a B” casi verticalmente.
* curva B” CD (media parábola): se entra en el régimen de ebullición nucleada, a medida que aumenta deltaT aumenta q, pero cada vez menos hasta que se llega a el punto D (máximo).
* Punto D (burnout): comienza el cambio en el régimen hidrodinámico.
* Curva DE: La producción de burbujas ya es tan grande que se genera una capa de vapor sobre la superficie calefactora, que impide el paso del líquido a la superficie calefactora. Por lo tanto el coeficiente de transferencia de calor baja. En esta región el incremento de fuerza impulsora genera una disminución en el flujo de calor!!!. Se llega a un mínimo de q en el punto E.
* Curva EF: La superficie está cubierta de una capa estable de vapor, y el calor debe transferirse a través de esa capa para alcanzar el líquido. En esta región Tw es muy alto, por lo tanto los efectos de radiación son significativos y el flujo de calor vuelve a incrementarse al aumentar deltaT (fenómeno de ebullición en película). (En el punto E la curva pega la vuelta y vuelve a subir)
El punto D se llama burnout porque si el gráfico se hace variando q con una resistencia y midiendo el delta T en el punto D al intentar aumentar q hay un incremento brusco en deltaT y la resistencia se quema.
Ebullición y correlaciones
El fenómeno es tan complejo que no hay una correlación de validez general. Lo que se tiene son correlaciones para cada zona.
En qué zona operan los equipos de ebullición? Por qué?
La zona donde normalmente operan los equipos de ebullición es en la zona B” a D de régimen de ebullición nucleada. Nos interesa estar por encima del punto B”, pues ya estamos en zona de ebullición donde al aumentar Tw el coeficiente aumenta significativamente (bueno), pero sin pasar al punto D, donde la capa de vapor que se genera interfiere con la transferencia (vuelven a bajar los coeficientes, malo).
Cuando se diseña se debe verificar no pasarnos de ese punto de máximo flujo de calor. Kern propone valores para el q de D que son conservadores, por lo tanto conviene hacer la verificación con Kern.
No se diseña en la zona EF (donde yalos coeficientes vuelven a aumentar y el vapor ya está estable) porque la fuente caliente debe estar a muy altas T y además porque si se vaporiza totalmente el líquido, todos los sólidos que estaban disueltos en él quedan formando incrustaciones dentro del equipo.
Características de las marmitas
- Ebullición en coraza
- Tiene un vertedero que divide la zona donde estan los tubos (se mantiene un nivel de líquido constante) de la salida del líquido (producto de fondo). Debe tener una altura tal que el haz de tubos quede totalmente cubierto, para no sobrecalentar el vapor y máximo aprovechamiento.
- Se deja un espacio entre el haz de tubos (cubierto por líquido) y la coraza para que las gotitas de líquido que son arrastradas por el vapor puedan sedimentar y no salgan del equipo.
- La alimentación es por abajo.
- Los bafles cumplen una función de soporte.
- Siempre hay un producto de fondo, la vaporización está limitada a un 80% (por los sólidos)
- Son de construcción más cara que los termosifones pero son más flexibles.
- Funcionan como una etapa más de equilibrio en las torres de destilación.
- El gas sale por la conexión de arriba
Funcionamiento del termosifón
- Ebullición en tubos (mezcla bifásica dentro de tubos)
- El líquido ingresa subenfriado por la parte inferior a los tubos, se calienta en una primera zona monofásica (zona de calor sensible). Se sigue calentando, pasando por distintas zonas (aumentando la fracción de vapor) a medida que se sube por los tubos.
- Zona de ebullición nucleada subenfriada: se forman burbujas en la pared que vuelven a condensar, porque aun no está saturado. La formación de burbujas genera un efecto microconvectivo (agitación por desprendimiento de burbujas) que aumenta el coeficiente de transferencia. Esto se refleja en un cambio abrupto de la Tw (baja de repente, se parece más a la Tf que a la del fluido de coraza).
- Zona de ebullición nucleada saturada: El flujo se va transformando (pasando al slug o anular). Si el fluido es puro la Tf se mantiene prácticamente cte en toda la zona. La fracicón de vapor va aumentando, o sea cada vez hay mas burbujas, o sea más turbulencia y más velocidad, o sea el coeficiente h aumenta, por lo tanto Tw va bajando lentamente a lo largo de esta zona.
- Cuando aparece el flujo anular, se da un cambio en el mecanismo de transferencia: hay supresión de la ebullición nucleada, o sea dejan de formarse burbujas en la pared y el calor se transfiere sólo por convección forzada.
- Si se continua hasta el flujo niebla se llega al secado de pared, donde ya no hay fase líquida continua y lllos sólidos se pegan a los tubos. Los termosifones se diseñan para que no se llegue a esta zona (o sea largo de los tubos limitado)
- La Tw de los tubos varía a lo largo de los mismos.
Tipos de flujos bifásicos
- Burbuja: La fase líquid aes continua y hay burbujas discretas de vapor. Fracción de vapor muy muy baja.
- Slug o Tapón: Se forman bolsones de vapor. Es muy discontinuo. Fracción de vapor baja.
- Batido o Churn: Los bolsones de vapor ya no están bien discretizados. Fracción de vapor media.
- Anular filamentoso: Se forma una película de líquido alrededor dle tubo (contra los bordes) y en el medio está el vapor. Es filamentoso porque hay filamentos de líquido que se mueve dentro de la fase continua de gas. Fracción de vapor media alta.
- Anular: Se forma una película de líquido alrededor del tubo y en el medio está el vapor. Pueden haber algunas gotas separadas de líquido que se mueven dentro del gas. Fracción de vapor alta
- Niebla: No existe película de líquido, la fase continua es el gas y dentro de el viajan algunas gotitas de líquido. La fracción de vapor es muy muy alta.
Flujos bifásicos: velocidades de cada fase
Como el vapor y el líquido tienen la misma presión en cada punto del tubo, pero sus propiedades (viscosidad, densidad, etc) son distintas, para que el DP/L sea el mismo para ambas fases las velocidades de cada fase son diferentes.
Características de termosifones
- Un solo paso por tubo (no puede ser de más pasos porque no podría fluiur)
- Vaporización máxima del 50%, la práctica usual es limitar al 30%.
- Instalación más barata que la marmita, pero está más limitado en área.
- Cañerías cortas y de gran D para reducir la fricción y colaborar con la estabilidad del flujo
- Ensuciamiento: Si se usa un Rf muy alto para el diseño, cuando se pone en marcha puede generarse un flujo de calor excesivo (porque ahí el U es Uc) y que se seque la pared, promoviendo el ensuciamiento. Si se usa un Rf chico, puede resultar que el dT no alcance para alcanzar la especificación buscada.
