TECNOLOGIA DE LA ENERGIA TERMICA

TECNOLOGIA DE LA

ENERGIA TERMICA

EBULLICION

EBULLICION

1. Objetivos

2. Alcance

3. Desarrollo

• Evaporación y ebullición • Formación de burbujas

• Clasificación de la ebullición • Ebullición en estanque

• Ebullición en flujo

• Clasificación de equipos • Diseño de marmita

• Uso de la ecuación de diseño

EBULLICION -

OBJETIVOS

•

Conocer la diferencia entre evaporación y ebullición

•

Conocer los distintos tipos de ebullición

•

Conocer los distintos regímenes de ebullición

ALCANCE

EBULLICION

-•

Ebullición nucleada

•

Ebullición de fluidos monocomponente

•

Cálculo de coeficiente pelicular de ebullición en estanque (pool boiling)

•

Cálculo de pérdida de carga

Evaporación y ebullición

DESARROLLO

EBULLICION

-Cambio de fase de un líquido a un vapor

Ebullición

Evaporación

Evaporación

• Ocurre en la interfase vapor-líquido

• P_vap < P_sat del líquido a una dada temperatura • No hay formación de burbujas

Ebullición

• Ocurre en la interfase sólido-líquido • T_sup > T_sat del líquido a una dada presión • Hay formación de burbujas

Formación de burbujas

DESARROLLO

EBULLICION

-Se requiere de:

• Un medio de calefacción Tº ebullición

• Una superficie rugosa Centros de nucleación

Se generan:

• Sobre la superficie de calefacción

• Cuando el líquido alcanza la temperatura de ebullición

Formación de burbujas – Influencia de la tensión superficial

DESARROLLO

EBULLICION

-Forma de la burbuja

Tamaño de la burbuja

Alto

σ

Clasificación de la ebullición

DESARROLLO

EBULLICION

-Clasificación según movimiento

Ebullición en estanque (pool boiling)

• Fluido estacionario

• El movimiento interno se debe a

Convección natural Flotación de burbujas

Ebullición en flujo

• Fluido en movimiento

• El movimiento interno se debe a

Clasificación de la ebullición

DESARROLLO

EBULLICION

-Clasificación según temperatura del líquido

Ebullición subenfriada

• Tº del líquido en contacto con la superficie = T_sat • Tº de la masa principal de líquido < T_sat

• Las burbujas desaparecen al llegar a la superficie

Ebullición saturada

• Tº del líquido en contacto con la superficie = Tsat • Tº de la masa principal de líquido = Tsat

Ebullición en estanque – Curva de ebullición

DESARROLLO

EBULLICION

-Ebullición en convección natural

Ebullición nucleada

Ebullición de transición

Ebullición en película

∆T_exc = T_W - T_sat

F

lu

jo

d

e

c

a

lo

r

Q

/A

[

W

/m

Ebullición en estanque – Regímenes

DESARROLLO

EBULLICION

-Dependencia del valor de

∆

_T

exceso

Ebullición en convección natural

Zona hasta el punto A

• No hay formación de burbujas

• Sólo convección libre por diferencia de densidades

Ebullición nucleada

Zona entre los puntos A y C

• Hay formación de burbujas en el punto A • A > ∆_T

exc > velocidad de generación de burbujas

Zona A-B:

• Formación de burbujas aisladas

• Las burbujas no llegan a la superficie

• Leve agitación por movimiento de las burbujas Zona B-C:

• Formación de burbujas en gran parte de la superficie • Las burbujas llegan a superficie

• Gran agitación por movimiento de las burbujas Punto C:

• Superficie cubierta por burbujas

• Flujo crítico o máximo de calor Q_max a ∆_T

Ebullición en estanque – Regímenes

DESARROLLO

EBULLICION

-Burbujas en ebullición nucleada

Ebullición en estanque – Regímenes

DESARROLLO

EBULLICION

-Ebullición de transición

Zona entre los puntos C y D

• A > ∆_T

exc la superficie se cubre aun mas con burbujas

• El flujo de calor de la superficie al líquido disminuye debido a la resistencia de transferencia de calor generada por la película de vapor

Punto C:

• Ebullición nucleada Superficie cubierta por burbujas Zona C-D:

• Ebullición de transición Transición entre burbujas y película en función del ∆_T

exc

Punto D:

Ebullición en estanque – Regímenes

DESARROLLO

EBULLICION

-Ebullición en película

Zona desde el punto D

• Superficie cubierta por una capa estable de vapor

• El calor se transfiere de la superficie al líquido a través de la película • A > ∆_T

exc > calor transferido por radiación > Q/A

Punto E:

Ebullición en estanque – Cálculo de coeficiente pelicular – Correlaciones

DESARROLLO

EBULLICION

-Correlación de Foster & Zuber

Propiedades únicamente en SI M = peso molecular

P = presión (unidades absolutas)

t_s = temperatura de saturación (unidades absolutas) t_w calculada a partir del ∆_{Texc (unidades absolutas)}

24 . 0 5 . 0 24 . 0 29 . 0 24 . 0 75 . 0 79 . 0 49 . 0 45 . 0

.

.

.

.

.

.

.

.

00122

,

0

T

P

k

Cp

h

=

∆

∆

σ

λ

µ

ρ

ρ





















−

=

∆

1

.

exc

P

e

P

λ

Para todas las correlaciones valen las expresiones de

• ∆_T

exc = TW - Tsat

• q = h*∆_T

Ebullición en estanque – Cálculo de coeficiente pelicular – Correlaciones

DESARROLLO

EBULLICION

-Correlación de Rohsenow

n = 1 para el agua

n = 1,7 para fluidos orgánicos

C_SF Depende del par utilizado de fluido y material de superficie

Ebullición en estanque – Cálculo de coeficiente pelicular – Correlaciones

DESARROLLO

EBULLICION

-Correlación de Mostinsky

Propiedades únicamente en SI

Pc = presión crítica (unidades absolutas) P = presión (unidades absolutas)





























⋅

+













⋅

+













⋅

=

10

4

8

.

1

.

.

.

10

.

75

,

3

Pc

P

Pc

P

Pc

P

q

Pc

h

33 . 0 31 . 0 69 . 0

.

.

.

.

.

225

,

0

_











₋

























=

k

P

Cp

q

h

ρ

ρ

ρ

σ

λ

Ebullición en estanque – Cálculo de coeficiente pelicular – Correlaciones

DESARROLLO

EBULLICION

-Correlación de Kern

.

23

,

19

Kern

T

Ebullición en estanque – Cálculo de flujo crítico de calor - Correlaciones

DESARROLLO

EBULLICION

F

Pc

P

Pc

P

Pc

q

0

,

368

.

.

.

1

.

9 . 0 35 . 0





























−













=

Se calcula un q_max

Se toma el 20% y 80% del q_max

Se evalúa si el Q/A está comprendido dentro del rango

Correlación de Cichelli & Bonilla

1 . 1

.

.

_











=

D

Pt

do

Pt

C

F

Pc = presión crítica (unidades absolutas) P = presión absoluta (unidades absolutas) F_G = factor geométrico

Ebullición en estanque – Cálculo de flujo crítico de calor - Correlaciones

DESARROLLO

EBULLICION

-Correlación de Pallen & Small

(

)

























₋

=

Nt

do

Pt

g

q

.

.

39

,

2

.

.

.

.

.

.

18

,

0

ρ

ρ

ρ

σ

λ

ρ

Correlación de Kern

Ebullición en estanque – Mejoramiento de la transferencia de calor

DESARROLLO

EBULLICION

-Se busca trabajar en ebullición nucleada porque se obtienen buenos buenos

valores de coeficientes peliculares a con

∆

_T

exc

relativamente bajos

Aumento de sitios activos de nucleación

• Superficie irregular por asperezas y suciedad

• Recubrimientos especiales con materiales porosos

Extensión de la superficie

• Superficies aletadas

Agitación mecánica

Ebullición en flujo

DESARROLLO

EBULLICION

-Se combinan los efectos de la convección forzada y la ebullición en estanque

Ebullición en flujo externo

Fuera de tubos

q_max

Régimen de ebullición nucleada

en estanque

Ebullición en flujo

DESARROLLO

EBULLICION

-Ebullición en flujo interno

Dentro de tubos

• El vapor y el líquido fluyen en el mismo sentido

• Hay distintos regímenes dependiendo del título del vapor

Convección forzada (vapor)

Flujo en neblina

Flujo en transición

Flujo anular

Flujo tapón

Flujo en burbujas

Clasificación de equipos

DESARROLLO

EBULLICION

-Calderas

• Contacto directo con el fuego

• La energía de combustión se convierte en calor de vaporización

Intercambiadores vaporizadores

• No hay contacto con el fuego, sí con otro fluido calefactor

• El calor latente o sensible del fluido calefactor se convierte en calor de vaporización • Nomenclatura:

• Evaporación de agua o solución acuosa Evaporador

• Evaporación de producto de fondo de torre de destilación Hervidor o Rebullidor (Reboiler).

Clasificación de equipos – Rebullidores

DESARROLLO

EBULLICION

-Rebullidor de circulación forzada

• Ebullición en tubos • Costo operativo

• Dimensionamiento de bomba

• Relación W:V 3:1 (recomendable)

• Ensuciamiento ebullición parcial

• Condiciones operativas de la bomba Temperatura

Clasificación de equipos – Rebullidores

DESARROLLO

EBULLICION

-Rebullidor de termosifón vertical

• Ebullición en tubos

• Costo operativo • Costo de instalación

• Circulación natural

Clasificación de equipos – Rebullidores

DESARROLLO

EBULLICION

Clasificación de equipos – Rebullidores

DESARROLLO

EBULLICION

-Rebullidor de termosifón horizontal

• Ebullición en coraza • Costo operativo

• Layout

• Circulación natural

• Ensuciamiento difícil limpieza

Clasificación de equipos – Rebullidores

DESARROLLO

EBULLICION

-Rebullidor interno

• Ebullición dentro de la torre

• Empleados cuando el Q es bajo • Costo operativo

Diseño de marmita (kettle reboiler)

DESARROLLO

EBULLICION

Diseño de marmita (kettle reboiler)

DESARROLLO

-Diseño de marmita (kettle reboiler)

DESARROLLO

EBULLICION

-• Ebullición en coraza

• Reflujo vapor saturado

• Costo operativo • Costo de instalación

• Layout

• Arreglo típico de tubos

Diseño de marmita (kettle reboiler)

DESARROLLO

EBULLICION

-2

2

,

1

−

≈

D

D

•

Nivel de líquido

Vertedero

•

Cálculo de arrastre

Garantizar la separación entre L y V

e v v salida

A

W

V

.

ρ

=

A

=

C

.

Lt

2

.

2

1

1

.

_











−

−

=

D

D

D

C

k

V

ρ

ρ

ρ

−

=

.

•

Pérdida de carga

Columna de líquido

L L

S

g

h

P

=

⋅

⋅

∆

ρ

Uso de la ecuación de diseño

DESARROLLO

EBULLICION

-Verificación del equipo

A_C A_D

NO SI

• A_A> A_D El equipo verifica térmicamente • A_A< A_D El equipo NO verifica térmicamente

T ML

C

C

A

T

F

U

Q

=

⋅

⋅

∆

⋅

Q

=

U

⋅

A

⋅

∆

T

⋅

F

Despeje Despeje

FIN