intercambio de calor con cambio de fase
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caldera como intercambiador de calor con un cambio de faseTRANSCRIPT
TRANSFERENCIA DE CALOR CON CAMBIO DE FASE LIQUIDO-GAS
Presentado por:
BONET DAZA NICOLASMOJICA VARGAS JENNY PAOLABURGOS JIMÉNEZ YENNI PAOLA
URIBE ECHAVARRÍA MELISSA
Directora:MARIA PAOLA MARADEI GARCÍA
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERFACULTAD DE INGENIERÍAS FISICOQUÍMICAS
PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICABUCARAMANGA
2015
ANÁLISIS BIBLIOGRAFICO:
Hemos seleccionado la transferencia de calor con cambio de fase (líquido-gas), un proceso
físico muy importante en la industria por su gran utilidad tanto en los procesos de
manufactura como en los de generación de energía, aunque su estudio representa cierto
grado de complejidad , debido a que existen diversas variables de proceso que condicionan
el funcionamiento del sistema; como la temperatura y presión de operación, la velocidad
de flujo de calor dentro del equipo, el tipo de fluido con el que se va a trabajar ,y La
velocidad de conformación de una nueva fase son consideraciones importantes al momento
de estudiar el fenómeno, Como objeto de estudio y eje de la investigación se han elegido
los sistemas de calderas acuotubular vertical .
CALDERAS ACUOTUBULARES:
Las calderas acuotubulares son dispositivos en los cuales la energía de un combustible se
transforma en calor, trabajan realizando un proceso de transferencia térmica y su función
es calentar y evaporar agua . Este tipo de calderas contiene tubos y Ibarra, Duffus y
Rendueles (2009) señalan que “en el interior de los tubos circula agua o vapor mientras
que los gases calientes de la combustión se encuentran en contacto con la superficie externa
de aquellos” (p.64) .
Transferencia de calor con cambio de fase liquido-gas:
Cuando se transporta calor generando un cambio de estado líquido-gas se considera que la
transferencia de calor se da por convección debido al movimiento continuo del fluido; las
formas de convección de dicho proceso son los relacionados a la tensión superficial y el
calor latente de vaporización del fluido; en cuanto las condiciones de cambio de estado
siempre se realiza en equilibrio y bajo la influencia de temperatura constante y a una
presión determinada.
El cambio de fase líquido - gas de un fluido se inicia con la ebullición y se presenta cuando
un fluido permanece en contacto con una superficie sólida que se encuentra a una
temperatura superior a la temperatura de saturación de dicho fluido, la ebullición se
describe con la formación rápida de burbujas en la interface solido-líquido que emergen de
forma progresiva por la masa del fluido hasta desprenderse de la superficie superior de este;
en la parte superior del líquido exactamente donde esta el vapor se acumulan las burbujas;
esta forma de ebullición recibe el nombre de ebullición de líquido saturado.
Alternativamente el líquido a hervir fluye, ya sea por convección libre o forzada. Conforme
avanza la ebullición se incrementa la velocidad de formación de la mezcla líquido – gas.
Entre el vapor de las burbujas generadas y el líquido que las rodea existe una diferencia de
temperatura; esta diferencia es la responsable de la trasferencia de calor entre las dos fases
formadas; cuando la temperatura en el líquido circundante es superior a la temperatura de la
burbuja se presenta un transporte de calor desde el líquido hasta la burbuja provocando que
el tamaño de la burbuja aumente y suba hasta la superficie superior del líquido saturado. La
velocidad de formación de burbujas aumenta con Δt y el coeficiente de transferencia de
calor se incrementa.
En un determinado instante puede haber tantas burbujas que estas pueden llegar a formar
una única capa en forma de vapor aislante; aumentando la diferencia de temperatura y con
ello el espesor de la película de vapor. La superficie caliente (solido) se encuentra
recubierta de un vapor estático aislante en el cual ocurre transferencia de calor por
conducción. Subsecuentemente se genera una paulatina y ordenada formación de burbujas
entre el líquido y la película de vapor caliente. En el desarrollo del proceso existen
limitaciones, una de estas radica en que la burbuja una vez formada no abandone
rápidamente la superficie. El factor importante que modula la velocidad de desprendimiento
de las burbujas es la tensión superficial entre el líquido y el área de calentamiento.
La elevada velocidad de transferencia de calor que se obtiene en la ebullición es
consecuencia de la turbulencia generada en el líquido debido a la acción dinámica de las
burbujas. En resumen, cuando se realiza transferencia de calor y esta a su ves presenta un
cambio de fase se relaciona la naturaleza del líquido, tipo y condición de la superficie de
calentamiento, composición y pureza del fluido, presencia o ausencia de agitación, así
como temperatura y presión.
En el area de investigation y en concordancia con los avances en el campo tecnológico, se
han desarrollado programas que facilitan el analisis de multiples fenomenos, usando
programas esecializados se puede simular el comportamiento fisico de cambio de fase
gracias a una tranferencia de calor.
Fuentes, Manrique y Muñoz (2010) señalan que :
En el área del análisis numérico se creó un software para simular el flujo de
vapor en una tubería, como parte de “GeoSteamNet”: un paquete informático
para la simulación del flujo de vapor en una red de plantas de energía
geotérmica. En este trabajo el movimiento de la fase líquida se rige por los
siguientes criterios básicos: la conservación de la masa, el principio de
movimiento lineal (segunda ley de Newton o Navier Stokes) y la primera y
segunda leyes de la termodinámica y donde las ecuaciones no lineales se
resuelven con el método de Newton-Raphson. En este trabajo se encontraron
limitaciones al empleo de la ecuación de Bernoulli para simular el flujo de
vapor, lo cual condujo a reducciones del 36% en la densidad del vapor.
Además, se estableció la necesidad de realizar una calibración del modelo
numérico, pues muchas de las correlaciones se establecen a partir de estudios
experimentales.
Sujetando lo anteriormente explicado y basándose en el eje central de Trasferencia de calor
con cambio de fase liquido – gas, a continuación se presenta una base constante, donde se
establece un modelo físico- matemático, con lo cual se facilita trabajar los múltiples
programas sistemáticos que precisamente tiene como función manejar los cálculos de este
tipo de fenómenos, siendo una herramienta realmente útil en el campo ingenieril.
Alvis, Caicedo y Peña en su artículo de determinación del coeficiente de transferencia de
calor a través de una aplicación de computadoras, mencionan que
La transferencia de calor puede ser expresada por la ley de Enfriamiento
de Newton
Q=h A ∆ T
El coeficiente de calor es un parámetro importante y necesario para
diseñar y controlar el procesamiento de los alimentos donde los fluidos
están sujetos a calentamiento, enfriamiento o medio de fritura. Por lo
tanto el coeficiente de transferencia de calor se determinará en un
tratamiento térmico, considerando el estado cuasi-estacionario cuando la
temperatura en el interior del sólido es uniforme, y se describe en la
ecuación
h∗A (T S−T b )=ρ∗V∗C p∂T∂t
La ecuación diferencial se resolverá con las condiciones iníciales
adecuadas y es expresada como en la ecuación
T t−T e
T0−Te=e
( −hAρV Cp
t )
DESCRIPCION DEL MODELO MATEMATICO EN EL FENOMENO DE
TRANSFERENCIA DE CALOR CON CAMBIO DE FASE LIQUIDO-GAS
Para nuestro estudio hemos escogido trabajar con una caldera acuotubular vertical.
Fuente: Esquema Caldera Acuotubular http://www.eisa.cl/scontenido.php?
seccion=7&subseccion=2&contenido=12
Consideraciones:
Fluido incompresible Régimen turbulento
Estado estable Coordenadas cilíndricas
Fluido Newtoniano T(r,z)
Densidad y viscosidad constantes Velocidad en dirección Z con
dependencia radial VZ(r)
La caldera acuotubular está conformado por múltiples tubos por donde fluye el agua y el
vapor. Para el estudio del fenómeno se seleccionó un tubo en particular al cual se le realiza
el balance de cantidad de movimiento por medio de la siguiente ecuación para coordenadas
cilíndricas:
La velocidad como se dijo al principio se da en dirección z con dependencia radial
La velocidad como se dijo anteriormente es en dirección z con dependencia radial VZ(r), el
agua se mueve por un gradiente de presión, por lo tanto la ecuación de cantidad de
movimiento se reduce a:
Las condiciones de frontera son:
r = δ VZ = 0 Condición de no deslizamiento
(Bird, 2006)
r = 0 τrz = 0
Aplicando dichas condiciones de frontera, el perfil de velocidad es el siguiente:
VZ(r) = −dPdz
r2
2 + dP
dzδ 2
2
Ahora para el balance de energía se tiene en cuenta que los tubos están rodeados por el
calor que desprende la cámara de combustión, por tanto utilizamos la ecuación de energía
para coordenadas cilíndricas:
La temperatura varia a lo largo del tubo debido a que al entrar el agua esta tiene una
temperatura inicial y cuando sale del tubo aparte de salir en fase de vapor tiene una
temperatura mayor a la de entrada. De igual modo existe el fenómeno de conducción (Ley
de Fourier) ya que el calor proveniente de la cámara de combustión atraviesa el tubo
proporcionando energía térmica al fluido. Además se desprecia el termino de disipación
viscosa porque no es significativo y el termino de trabajo en virtud de que es un sistema
con densidad constante.
A partir de estas consideraciones la ecuación de energía queda de la siguiente manera:
(Bird, 2006)
Para transferencia de calor si bien existe fenómeno de convección y conducción en la
misma dirección, prevalece el término convectivo sobre el conductivo, debido a esto el
término conductivo se desprecia; por ende el modelo matemático del perfil de temperatura
queda de la siguiente manera:
Las condiciones de frontera en este modelo son:
z = 0 T = T0
z = L, donde L es el largo de un tubo T = T1
r = δ T = T1
Aclarando que T1>>>T0
Es importante aclarar que la presión y la temperatura en el interior de la cámara de
combustión son constantes con el fin de evitar daños en la caldera y prevenir accidentes.
BIBLIOGRAFÍA
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