Unidad 5: Transferencia con
cambio de fase.
Se sabe, por lo estudiado en termodinámica, que cuando se eleva la temperatura de un líquido a una presión específica, hasta la temperatura de saturación Tsat a esa presión, se presenta la ebullición. Del mismo modo, cuando se baja la temperatura de un vapor hasta Tsat, ocurre la condensación.
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 y 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 hfg del fluido y de la tensión superficial σ en la interfase líquido-vapor, además de las propiedades de ese fluido en cada fase.
Condensación
Es el paso del agua
de estado gaseoso a líquido cuando la presión de vapor de agua (PV) es mayor
que la presión de vapor de saturación (PVS). Este hecho puede producirse por
que aumente PV o por que descienda PVS. La causa fundamental de un descenso en
PVS son los descensos de temperatura. Los mecanismos de enfriamiento de la
atmósfera pueden ser varios: Mezcla de masas de aire húmedo a diferente
temperatura, Contacto con una superficie fría, Enfriamiento adiabático, que es
el más efectivo. Durante el proceso de condensación se desprende energía
equivalente al calor latente de vaporización Además, es necesario que existan
núcleos de condensación sobre los que puedan formarse las gotas, son las
denominadas partículas higroscópicas por su capacidad para absorber humedad. En
caso de que no existan partículas de este tipo, el agua puede permanecer en
forma de vapor incluso cuando PV>PVS, por otra parte la condensación puede
iniciarse sobre núcleos higroscópicos antes de llegar a la saturación. Los núcleos
de condensación son aerosoles de muy diversos tipos. Los mejores son las
partículas de sal, procedentes del océano, y los productos de la combustión
(volcanes o actividad industrial). Los peores son los procedentes del polvo
terrestre, mientras que los de origen vegetal dan mejores resultados.
Formas de condensación
Existen dos formas fundamentales de condensación: las
nieblas que se ligan a condiciones de estabilidad y por tanto falta de
turbulencia y las nubes que aparecen en condiciones de inestabilidad.
Nieblas
-Radiación, por descenso de la temperatura del aire en
contacto con el aire frio por una inversión térmica en superficie. Primero se
origina roció o escarcha y a continuación niebla. Cuando avanza el día, el
suelo se calienta por radiación y calienta el aire por conducción por lo que la
niebla se disipa desde la base hacia arriba (la niebla “se levanta”).
-Advección, por enfriamiento de las capas de aire cuando se desplazan
horizontalmente sobre una superficie generalmente marina. Puede ser aire frio moviéndose
sobre una superficie cálida o aire cálido sobre una superficie fría. En el
primer caso el agua caliente se evapora y se condensa en contacto con el aire más
frio formando columnas de nivel, similares a humo, que muestran la turbulencia
del aire. En el segundo caso, el aire cálido es enfriado por conducción en sus
capas bajas dando lugar a una inversión térmica y condensación. -Industrial, la
adición al aire de partículas higroscópicas de origen industrial facilita la
presencia de nieblas densas con humedades relativas inferiores al 100%. Cuando
se mezclan con humo se forma una niebla muy densa que es el smog.
Nubes
Son las principales formas de condensación. Se trata de un
volumen de aire que se hace visible por contener muchas y minúsculas gotas de
agua y cristales de hielo (unas 1.000 por cm ) que flotan en el aire. Se
originan por condensación y sublimación que se produce en la atmósfera sobre
ciertas partículas sólidas microscópicas que se denominan núcleos de
condensación y sublimación. Por su constitución física, las nubes se clasifican
en: líquidas, de cristales de hielo, heladas (formadas por gotas de agua
congeladas) y mixtas 2 Por su evolución se denominan locales o emigrantes. En
las primeras todas sus etapas tienen lugar a la vista de un observador fijo
sobre la superficie terrestre (son las de origen convectivo en verano), en las
segundas se desarrollan al mismo tiempo que se desplazan de un punto a otro del
horizonte. Por su altitud se clasifican en altas (5-13 Km), medias (2-7 Km) y
bajas (menos de 2Km).
Precipitación
Expresa todas las formas de humedad caídas en estado sólido
o líquido sobre el suelo. Las nubes son la fuente principal de precipitación
aunque la mayoría de ellas no originen precipitación. Las gotas de lluvia
tienen un diámetro medio de 1 mm, por ello en circunstancias normales no pueden
vencer las corrientes ascendentes. Sólo el aumento de tamaño puede provocar
precipitación. Existen dos procesos que explican este aumento de tamaño:
Teoría de Bergeron-Findeisen:
La presión de vapor
de saturación es más pequeña sobre el hielo que sobre el agua. Si en una nube
aparecen gotas de hielo, el vapor de agua tiende a depositarse sobre el hielo.
Una vez formados los minúsculos cristales de hielo, estos crecen rápidamente
por condensación. Los cristales de hielo tienden a astillarse por efecto de las
corrientes de aire lo que incrementa su número. Por otra parte los cristales de
hielo pueden unirse debido a su forma dendrítica. Cuando la velocidad de caída
del hielo sobrepasa las corrientes de aire ascendente el copo de nieve cae y se
transforma en lluvia si atraviesa una capa de aire con temperatura mayor de 0 C
suficientemente espesa. Basados en esta teoría se han hecho experimentos de
siembra de nubes subenfriadas con núcleos de condensación. Los resultados
parece que sólo son positivos en nubes orográficas. El desencadenamiento
prematuro de la precipitación puede incluso destruir las ráfagas ascendentes de
aire y disipar la nube sin embargo no existen resultados concluyentes.
Procesos de colisión y coalescencia:
El movimiento de las gotas de agua en las nubes origina
colisiones entre las mismas que contribuyen a unirlas y por tanto a aumentar su
tamaño medio. Por otra parte la velocidad de caída de las gotas de agua tiene
una velocidad límite proporcional a su diámetro, de este modo las gotas mayores
caen más rápido que las pequeñas arrastrándolas.
Tipos de precipitación
En función del tipo
de proceso que desencadena el ascenso de aire: las precipitaciones pueden
clasificarse en:
Ciclónica o frontal.
Se produce por el
ascenso de masas de aire por convergencia de masas de aire de distinta
temperatura en un sistema de bajas presiones. La masa de aire frío penetra por
debajo de la de aire cálido y la eleva con lo que se enfría adiabáticamente
pudiendo producir precipitaciones. Se producen precipitaciones moderadas o
fuertes y continuas sobre áreas muy extensas a medida que se mueven hacia el Este.
El frente polar es el responsable de la mayor parte de las precipitaciones
entre 40 y 65 de latitud Norte.
Precipitación por convergencia.
Tiene su origen en el ascenso de aire por convergencia de
dos masas de aire de características similares en la Zona de Convergencia
Intertropical.
Precipitación convectiva.
El intenso calentamiento del suelo en verano se transmite a
las capas de aire más cercanas a este, constituyendo el mecanismo
desencadenante de un movimiento ascendente del aire que lleva a la formación de
nubes de tipo cúmulo o incluso cumulonimbo que pueden producir intensas
precipitaciones.
Precipitación orográfica.
Las montañas tienen
un mecanismo propio de producir precipitación en situaciones de inestabilidad
condicional debido a su capacidad para elevar el aire, produciendo las lluvias
orográficas en sentido estricto (llueve más en las vertientes que en las
llanuras).
Formas de precipitación
La forma en que se
produce la precipitación, junto a la estructura térmica de la capa de aire situada
bajo la atmósfera va a condicionar la forma (sólida o líquida) de la
precipitación. Por otra parte, la humedad de dicha capa condiciona la
evaporación que se produce y determina el tamaño final de las gotas de lluvia.
Todas las formas de precipitación se conocen con la denominación general de
hidrometeoros, estos se dividen en dos categorías:
Precipitaciones verticales: lluvia, granizo, nieve.
Precipitaciones horizontales u ocultas: rocío, escarcha,
cencellada blanca (niebla congelada).
Mecanismo físico de 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 ebullición se realiza cuando la temperatura de la totalidad
del líquido iguala al punto de ebullición del líquido a esa presión. Si se
continúa calentando el líquido, éste absorbe el calor, pero sin aumentar la
temperatura el calor se emplea en la conversión de la materia en estado líquido
al estado gaseoso, hasta que la totalidad de la masa pasa al estado gaseoso. El
calor puesto en juego durante el calentamiento de la masa del líquido se
denomina calor sensible, y al que se manifiesta durante el cambio de estado se
lo llama calor latente de ebullición o vaporización.
El líquido a ebullición suele estar encerrado en un
recipiente, con superficie de calentamiento en forma de tubos o placas
verticales u horizontales que suministran el calor para la ebullición. Las
superficies de calentamiento pueden funcionar con electricidad o bien con un
fluido caliente o que se condensa del otro lado de la superficie calentada.
Ebullición en convección natural
En la termodinámica se aprende que una sustancia pura a una
presión específica empieza a hervir cuando alcanza la temperatura de saturación
a esa presión. Pero en la práctica no se ven burbujas formándose sobre la
superficie de calentamiento hasta que el líquido se calienta unos cuantos
grados arriba de la temperatura de saturación (alrededor de 2 a 6°C para el
agua). Por lo tanto, en este caso, el líquido está ligeramente sobrecalentado y
se evapora cuando sube hasta la superficie libre. En este modo de ebullición la
convección natural rige el movimiento del fluido y la transferencia de calor de
la superficie de calentamiento al fluido se realiza por ese mecanismo.
Ebullición nucleada
Las primeras burbujas se empiezan a formar en el punto A de
la curva de ebullición, en varios sitios preferenciales sobre la superficie de
calentamiento. Las burbujas se forman con rapidez cada vez mayor, en un número
creciente de sitios de nucleación, conforme nos movemos a lo largo de la curva
de ebullición hacia el punto C.
Ebullición nucleada (entre los puntos A y B)
En la región A-B se forman burbujas aisladas en varios
sitios preferenciales de nucleación sobre la superficie calentada. Pero éstas
se disipan en el líquido poco después de separarse de la superficie. El espacio
que dejan vacío las burbujas que suben lo llena el líquido que se encuentra en
la vecindad de la superficie del calentador y el proceso se repite. Las vueltas
que da el líquido y la agitación causada por su arrastre hacia la superficie
del calentador son las principales responsables del coeficiente de
transferencia de calor y del flujo de calor más altos en esta región de la
ebullición nucleada.
Ebullición de transición (entre los puntos e y D sobre la
curva de ebullición)
A medida que se incrementa la temperatura del calentador y,
por consiguiente, la DTexceso más allá del punto C, el flujo de calor
disminuye. Esto se debe a que una fracción grande de la superficie del
calentador se cubre con una película de vapor, la cual actúa como un aislamiento
debido a su baja conductividad térmica en relación con la del líquido. En el
régimen de ebullición de transición se tienen en forma parcial tanto ebullición
nucleada como en película.
Ebullición en película (más allá del punto D)
En esta región la superficie de calentamiento queda cubierta
por completo por una película continua estable de vapor. El punto D, en donde
el flujo de calor alcanza un mínimo, se llama punto de Leidenfrost, en honor de
J. C. Leidenfrost, quien en 1756 observó que las gotitas de líquido sobre una
superficie muy caliente saltan de un lado a otro y se evaporan con lentitud. La
presencia de una película de vapor entre la superficie del calentador y el
líquido es la responsable de las bajas razones de la transferencia de calor en la
región de ebullición en película
Aplicaciones
Evaporador
El evaporador es un intercambiador de calor, en el que se da la
transferencia de calor desde el fluído que se quiere enfriar
(generalmente aire que circula en la cámara de frío) y el
refrigerante que se está evaporando.
Las aplicaciones de estos evaporadores son diversas y específicas para las industrias.
Ejemplo:
-Concentración de residuos (para optimizar costes de retirada)
-.Concentración de productos en el cualquier proceso (farmacia,
alimentación, etc)
-Industrias cosméticas (depuración de aguas o concentración de
productos)
-Farmacia -Industria Química -Producción de tintas Y Disolventes
-En artes graficas para:
- Contra coladoras / tratamiento de aguas residuales con restos de
barniz acrílico
- Tratamiento de aguas residuales procedentes de limpieza de planchas
- Tratamiento de aguas residuales con restos de tinta (serigrafía
/ flexo grafía)
- Cubos de limpieza de cauchos (no disolventes)
- Agua-alcohol / sistema de mojado
- Reveladores de planchas
- Engomadoras
-Otras aplicaciones como separación de taladrinas, aceites de corte,
soluciones salinas.
Condensador
Un condensador es un intercambiador térmico, en cual se pretende que el fluido que lo recorre cambie a fase líquida desde su fase gaseosa mediante el intercambio de calor (cesión de calor al exterior, que se pierde sin posibilidad de aprovechamiento) con otro medio.
El condensador termodinámico es utilizado muchas veces en la industria
de la refrigeración, el aire acondicionado o en la industria naval y en la
producción de energía eléctrica, en centrales térmicas o nucleares.
