intercambio de calor con cambio de fase

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TRANSFERENCIA DE CALOR CON CAMBIO DE FASE LIQUIDO-GAS Presentado por: BONET DAZA NICOLAS MOJICA VARGAS JENNY PAOLA BURGOS JIMÉNEZ YENNI PAOLA URIBE ECHAVARRÍA MELISSA Directora: MARIA PAOLA MARADEI GARCÍA

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caldera como intercambiador de calor con un cambio de fase

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Page 1: intercambio de calor con cambio de fase

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

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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

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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

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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

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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

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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.

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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)

Page 9: intercambio de calor con cambio de fase

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)

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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.

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BIBLIOGRAFÍA

Acevedo, D., Tirado, D. F. & Guzmán, L. E. (2013). Coeficientes convectivos de

transferencia de calor durante el freído de láminas de Tilapia (Oreochromis

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Alvis, A., Caicedo, I. & Peña, P. (2010). Determinación del coeficiente de transferencia de

calor a través de una aplicación de computadoras. Información Tecnológica,21(5),

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Ardila, J. G. & Hincapié, D. A. (2012). Intercambiadores de calor de tubo en espiral. UIS

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Bird, B. Warren, S.,& Edwin, L. (2006). Fenómenos de transporte.(2a Ed.). México:

Limusa S.A.

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Duffus, A. B., Ibarra, E. V. & Rendueles, R. (2009). Daños asociados a las tuberías de la

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