Aplicación en evaporadores y condensadores.

Evaporador.

Se conoce por evaporador al intercambiador de calor donde se produce la transferencia de energía térmica desde un medio a ser enfriado hacia el fluido refrigerante que circula en el interior del dispositivo. Su nombre proviene del cambio de estado sufrido por el refrigerante al recibir esta energía, luego de una brusca expansión que reduce su temperatura. Durante el proceso de evaporación, el fluido pasa del estado líquido al gaseoso.

Los evaporadores se encuentran en todos los sistemas de refrigeración como neveras, equipos de aire acondicionado y cámaras frigoríficas. Su diseño, tamaño y capacidad depende de la aplicación y carga térmica de cada uso.

Principio.

En los sistemas frigoríficos el evaporador opera como intercambiador de calor, por cuyo interior fluye el refrigerante el cual cambia su estado de líquido a vapor. Este cambio de estado permite absorber el calor sensible contenido alrededor del evaporador y de esta manera el gas, al abandonar el evaporador lo hace con una energía interna notablemente superior debido al aumento de su entalpía, cumpliéndose así el fenómeno de refrigeración.

El flujo de refrigerante en estado líquido es controlado por un dispositivo o válvula de expansión la cual genera una abrupta caída de presión en la entrada del evaporador. En los sistemas de expansión directa, esta válvula despide una fina mezcla de líquido y vapor a baja presión y temperatura. Debido a las propiedades termodinámicas de los gases refrigerantes, este descenso de presión está asociado a un cambio de estado y, lo que es más importante aún, al descenso en la temperatura del mismo.

De esta manera, el evaporador absorbe el calor sensible del medio a refrigerar transformándolo en calor latente el cual queda incorporado al refrigerante en estado de vapor. Este calor latente será disipado en otro intercambiador de calor del sistema de refrigeración por compresión conocido como condensador dentro del cual se genera el cambio de estado inverso, es decir, de vaporización a líquido.

Condensador.

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.

La condensación se puede producir bien utilizando aire mediante el uso de un ventilador o con agua (esta última suele ser en circuito cerrado con torre de refrigeración, en un río o la mar). La condensación sirve para condensar el vapor, después de realizar un trabajo termodinámico; por ejemplo, una turbina de vapor o para condensar el vapor comprimido de un compresor de frío en un circuito frigorífico. Cabe la posibilidad de seguir enfriando ese fluido, obteniéndose líquido subenfriado en el caso del aire acondicionado.

Adopta diferentes formas según el fluido y el medio. En el caso de un sistema fluido/aire, está compuesto por uno tubo de diámetro constante que curva 180° cada cierta longitud y unas láminas, generalmente de aluminio, entre las que circula el aire. Un condensador es un cambiador de calor latente que convierte el vapor (en estado gaseoso) en vapor en estado líquido, también conocido como fase de transición. El propósito es condensar la salida (o extractor) de vapor de la turbina de vapor para así obtener máxima eficiencia e igualmente obtener el vapor condensado en forma de agua pura de regreso a la caldera. Condensando el vapor del extractor de la turbina de vapor, la presión del extractor es reducida arriba de la presión atmosférica hasta debajo de la presión atmosférica, incrementando la caída de presión del vapor entre la entrada y la salida de la turbina de vapor. Esta reducción de la presión en el extractor de la turbina de vapor, genera más calor por unidad de masa de vapor entregado a la turbina de vapor, por conversión de poder mecánico.

Evaluación de coeficientes locales.

Evaluación térmica de condensadores.

Tipos de Condensadores:

Consideramos los condensadores en que hay una superficie sólida que separa el refrigerante del vapor en condensación (Contacto indirecto). Hay dos tipos principales:

Condensadores enfriados por aire. La condensación tiene lugar dentro de los tubos de un haz, y el enfriamiento es proporcionado por aire en flujo cruzado.

Debido al bajo coeficiente convectivo en el lado del aire, los tubos son aleteados externamente.

Condensadores de carcasa y tubos. En estos tipos, la condensación se puede hacer en el interior o exterior de los tubos. Distinguimos

El condensador típico es del tipo 1-1, con el refrigerante por el interior de los tubos. En esta situación se usan bafles segmentados verticalmente, sin embargo, cuando la condensación tiene lugar en el interior, los bafles se segmentan horizontalmente. Debe proveerse un venteo con el fin de eliminar los gases no condensables, los cuales, si se acumulan en el espacio destinado al vapor, reducen la tasa de condensación. El venteo se coloca en el extremo frío, donde la concentración de gases no condensables es mayor

El equipo debe tener fácil evacuación de condensado. En caso contrario, una sección del haz de tubos puede quedar sumergida, con lo cual se pierde parte del área de condensación. 

Sin embargo, a veces se permite esto si se desea obtener condensado subenfriado. Todos los tipos de carcasas existentes pueden usarse para condensar vapores en el interior o en el exterior de tubos. Es usual que la condensación interna se haga en tubos horizontales, aunque éstos pueden ser también inclinados o verticales.

Condensadores para vapor de turbinas.

Estos se denominan "condensadores de superficie" (porque tienen mucha superficie de intercambio).

En principio, no debieran ser diferentes de los condensadores de proceso.

Sin embargo, éstos condensadores deben satisfacer condiciones especialmente severas (altas cargas térmicas, y la necesidad de mantener una baja temperatura de condensación para lograr la máxima eficiencia posible en el ciclo de generación de potencia).

Evaluación de la ebullición.

Inicialmente la transferencia de calor hacia líquidos en ebullición es un proceso de convección que comprende un cambio en fase de liquido a vapor. Dicho esto también podemos decir que los fenómenos de la transferencia de calor por ebullición son considerablemente mas complejos que los de convección sin cambio de fase debido a que además de todas las variables asociadas con la convección también son relevantes las asociadas con el cambio de fase

Debido a la gran cantidad de variables implicadas no existen ecuaciones generales que describen los procesos de la ebullición ni correlaciones generales de datos de transferencia de calor por ebullición.

no obstante, se ha hecho un progreso considerable al adquirir una comprensión física del mecanismo de la ebullición! 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 a esa presión! Se presenta la ebullición. Del mismo modo cuando se baja la temperatura de un vapor hasta la temperatura de saturación ocurre la condensación

Mecanismo físico de la ebullición.

Ebullición.

Del latín ebullitĭo, el término ebullición hace referencia al proceso y las consecuencias de hervir. Este verbo, por su parte, refiere a la generación de burbujas debido al calor o la fermentación. Se trata, por lo tanto, de un sinónimo de hervor.

Puede definirse a la ebullición como el fenómeno físico mediante el cual un líquido modifica su estado y se vuelve gaseoso. Dicho traspaso se produce cuando la temperatura de todo el líquido alcanza el denominado punto de ebullición a una presión determinada. El punto de ebullición es la temperatura en la que la presión de vapor resulta igual a la presión del medio que está situado en torno al líquido.

El proceso que estamos abordando hay que dejar patente que ha sido muy importante a lo largo de la historia de la humanidad. Y es que desde tiempos inmemoriales se ha hecho uso del mismo para poder acometer la esterilización del agua. Así, la misma se sometía a este proceso de hervido para acabar con diversos microorganismos o bacterias que podían producir todo tipo de infecciones y virus.

La temperatura de ebullición depende de la presión a la que está sometida el líquido. En una olla a presión, el agua, por ejemplo, llega a una temperatura de 105 o 110 °C antes de hervir, debido a la mayor presión alcanzada por los gases en su interior. Gracias a esta mayor temperatura del agua en el interior de la olla, la cocción de la comida se da más rápidamente. Por el contrario, cuando se hierve en una olla abierta, disminuye la temperatura de ebullición del agua cuando aumenta la altitud del lugar en el que realizamos la cocción.

La adición de aditivos al agua, como la sal común, normalmente aumenta su punto de ebullición, fenómeno conocido como aumento ebulloscopio.

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 

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. 

Mecanismos físicos de la condensación

Precipitación

condensación

Se denomina condensación al proceso físico que consiste en el paso de una sustancia en forma gaseosa a forma líquida. Este cambio de fase genera una cierta cantidad de energía llamada “calor latente”. El paso de gas a líquido depende, entre otros factores, de la presión y de la temperatura.

La condensación, a una temperatura dada, conlleva una liberación de energía. Así, el estado líquido es más favorable desde el punto de vista energético.

La técnica de condensación fuerza que los gases de combustión condensen y, de esta forma, se aprovecha la energía latente en el vapor de agua para convertirla así en calor sensible.

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 nucleos de condensación son aerosoles de muy diversos tipos. Los mejores son las partículas de sal, procedentes del oceano, 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.

Núcleo de condensación.

En algunas partículas presentes en la atmósfera que son higroscópicas (presión de vapor baja), el aire en contacto con estas partículas tiende a depositarse en el núcleo de la misma. Concretando lo expuesto tenemos por ejemplo... Lluvias artificiales: se bombardean las nubes con yoduro de plata cual posee una presión de vapor muy baja imponiendo la condensación de las nubes.

Los núcleos más abundantes y que comienzan más rápidamente este proceso son las partículas de sal procedentes del mar y los productos de combustiones que contienen distintos tipos de ácidos, principalmente el nítrico y el sulfúrico. Los núcleos salinos varían en tamaño desde pequeñísimos de media micra (milésima de milímetro), hasta los gigantes de cinco micras. Su número es enorme, y va desde diez a mil por centímetro cúbico. Los núcleos procedentes de combustiones son generalmente más pequeños, y su número son generalmente más pequeños, y su número depende mucho de la actividad industrial. Imaginemos que introducimos un núcleo de sal en un aire con mucho contenido de vapor de agua. Entonces se producirá condensación sobre la sal. Sin embargo, a medida que la gotita crece, la sal se diluye y su efecto va siendo menor. Cuando la gota llega a tener el tamaño de dos micras, la sal está tan diluida que la gota se comporta como si fuera de agua pura. Resulta que el efecto de la sustancia que sirve de núcleo sólo tiene importancia al comenzar el proceso, aunque durante éste es la condición primordial, pues las gotitas no se formarían sin núcleos.

Precipitación.

Presipitación es una noción que deriva de praecipitatĭo, un vocablo del latín. Este puede traducirse como “acción y efecto de lanzar desde una altura” y se encuentra formado a partir de la suma de tres partes diferenciadas:

-El prefijo “prae-”, que significa “delante”.

-El sustantivo “caput”, que es sinónimo de “cabeza”.

-El sufijo “-cion”, que es equivalente a “acción y efecto”.

El término refiere al proceso y al resultado de precipitar (arrojar u caer desde la altura).

El uso más frecuente de precipitación se halla en el ámbito de la meteorología y nombra al agua que cae a la superficie terrestre desde la atmósfera. La lluvia, el granizo y la nieve, en este sentido, son tipos de precipitación.

Por ejemplo: “La precipitación fue récord y provocó una importante inundación en las zonas rurales”, “Los organizadores del evento están atentos al pronóstico del tiempo ya que una precipitación podría obligar a suspender las actividades”, “No se prevén precipitaciones en el área metropolitana”.