5.1 Mecanismos físicos de la condensación
Precipitación
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
particulas 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.
Núcleos de condensación
Las observaciones ponen de manifiesto que la condensación
del vapor de agua en gotitas ocurre en una nube sobre ciertas partículas de
sustancias que tienen facilidad para absorber el vapor de agua. Estas
partículas se llaman núcleos de condensación, y las sustancias que las
constituyen, sustancias higroscópicas. Esto quiere decir que las moléculas de
vapor de agua no son capaces de unirse en gotitas más que cuando pueden hacerlo
sobre las sustancias que hemos llamado núcleos. Unas veces que comienza el
proceso, el vapor de agua se condensa sobre el agua en estado líquido que ya se
ha formado.
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.
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.
Además
se reducen considerablemente las pérdidas por humos a través del sistema de
salida de gases procedentes de la combustión.
Durante
la combustión, los componentes combustibles del gas natural o gasóleo (carbono
de hidrógeno), reaccionan con el oxígeno del aire, formando dióxido de carbono
(CO2), vapor de agua (H2O) y calor.
El
calor latente contenido en los humos es liberado en la condensación del vapor
de agua generado durante la combustión y transferido al agua de la caldera.
El
proceso de condensación suele tener lugar cuando un gas es enfriado hasta su
punto de rocío. Sin embargo, este punto también puede ser alcanzado variando la
presión.
Precipitación
La precipitación es una parte importante del ciclo
hidrológico, llevando agua dulce a la parte emergida de la corteza terrestre y,
por ende, favoreciendo la vida en nuestro planeta, tanto de animales como de
vegetales, que requieren agua para vivir. La precipitación se genera en las nubes,
cuando alcanzan un punto de saturación; en este punto las gotas de agua
aumentan de tamaño hasta alcanzar una masa en que se precipitan por la fuerza
de gravedad. Es posible inseminar nubes para inducir la precipitación rociando
un polvo fino o un químico apropiado (como el nitrato de plata) dentro de la
nube, acelerando la formación de gotas de agua e incrementando la probabilidad
de precipitación, aunque estas pruebas no han sido satisfactorias.
Si bien la lluvia es la más frecuente de las
precipitaciones, no deben olvidarse los otros tipos: la nevada y el granizo.
Cada una de estas precipitaciones puede a su vez clasificarse en diversos
tipos.
* Las
moléculas flotantes de agua se unen a las demás causadas por la cohesión y se
hacen demasiado pesadas para flotar. Estas se caen y llamamos a este fenómeno
'lluvia'.
* Las
moléculas flotantes de agua se unen a las demás causadas por la cohesión, estas
se congelan en forma de esferas de protuberancias irregulares de hielo y se
hacen demasiado pesadas para flotar. Estas se caen y llamamos a este fenómeno
'granizo'.
* Las
moléculas flotantes de agua se unen a las demás causadas por la cohesión y se
vuelven hielo cristalino demasiado pesado para flotar. Estas se caen y llamamos
a este fenómeno 'nieve'.
5.2 Mecanismo físico de la ebullición.
Ebullición
La ebullición
es un proceso físico en el que un líquido pasa a estado gaseoso. 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.
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
El proceso de ebullición del agua, especialmente a alta
presión, se utiliza desde la antigüedad como medio para esterilizar el agua,
debido a que algunos microorganismos mueren a esta temperatura.
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..
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 evaporación ocurre en la interfase vapor-líquido, cuando la
presión de vapor es menor que la de saturación del líquido a una temperatura
dada
Por ejemplo, el agua en un lago a 20°C se evapora hacia el
aire a 20°C y humedad relativa de 60%, ya que la presión de saturación del agua
a esa temperatura es 2.3 kPa y la presión de vapor del aire en las condiciones
mencionadas es 1.4 kPa. Se encuentran
otros ejemplos de evaporación en el secado de ropa, frutas y vegetales; la
evaporación del sudor para enfriar el cuerpo humano y el rechazo de calor de
desecho en las torres húmedas de enfriamiento.
Note que la evaporación no comprende la formación de burbujas o el
movimiento de éstas.
se tiene ebullición en la interfase sólido-líquido cuando un
líquido se pone en contacto con una superficie mantenida a una temperatura Ts
suficientemente por arriba de la de saturación Tsat de ese líquido. Por
ejemplo, a 1 atm, el agua líquida en contacto con una superficie só- lida a
110°C hervirá, puesto que la temperatura de saturación del agua a 1 atm es 100°C.
El proceso de ebullición se caracteriza por la rápida formación de
burbujas de vapor en la interfase sólido-líquido que se separan de la
superficie cuando alcanzan cierto tamaño y presentan la tendencia a elevarse
hacia la superficie libre del líquido.
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 C)
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 nucleada (entre los puntos A y C)
En la región B-C la temperatura del calentador se incrementa
todavía más y las burbujas se forman a velocidades tan grandes en un número tan
grande de sitios de nucleación que
forman numerosas columnas continuas de vapor en el líquido. Las burbujas se
mueven a todo lo largo del camino hasta la superficie libre, en donde se
revientan y liberan su contenido de vapor. Los grandes flujos de calor que se
pueden obtener en esta región son causados por el efecto combinado del arrastre
de líquido y de la evaporación.
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
5.3 Evaluación de coeficientes locales.
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.
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).
5.4 Aplicación en evaporadores y condensadores
aplicaciones de evaporadores
Al tratarse de un sistema de evaporación o destilación los
caudales a tratar son siempre bajos de tal manera que únicamente se aplica este
sistema para la depuración de aguas con gran dificultad de tratamiento
tradicional se utilizan generalmente cuando existen:
* Bajos caudales
* Grandes concentraciones
EJEMPLO:
CONCENTRACIÓN DE RESIDUOS
CONCENTRACIÓN DE PRODUCTOS EN EL CUALQUIER PROCESO
INDUSTRIAS COSMÉTICAS
INDUSTRIA QUÍMICA -PRODUCCIÓN DE TINTAS Y DISOLVENTES
EVAPORADORES INDUSTRIALES
Se conoce por evaporador al intercambiador de
calor que genera la transferencia de energía térmica contenida en el medio
ambiente hacia un gas refrigerante a baja temperatura y en proceso de evaporación.
El evaporador tiene un diseño, tamaño y capacidad particular conforme la
aplicación y carga termica.
EVAPORADORES DE PELÍCULA DESCENDENTE
En los evaporadores
de película descendente el producto líquido (A) usualmente entra al evaporador
por la parte superior (1) o cabezal del evaporador. En el cabezal, el
producto es uniformemente distribuido dentro de los tubos de calentamiento.
Una película fina entra a los tubos de calentamiento fluyendo hacia abajo, donde es calentada a temperatura de ebullición y así, es parcialmente evaporada. En la mayoría de los casos es
usado vapor (D) para calentar el evaporador. El producto y los vahos, ambos
fluyen hacia abajo en un flujo paralelo. Este movimiento de gravedad inducida
hacia abajo es aumentado cada vez más por el flujo a corriente de vapor. La
separación del producto concentrado (C) forma su vapor (B) lo que se lleva
a cabo en la parte baja del intercambiador de calor (3) y en
el separador (5).
A: Producto
B: Vapor
C: Concentrado
D: Vapor de Calentamiento
E: Condensado
1: Cabezal
2: Calandria
3: Parte baja de la Calandria
4: Zona de Mezcla
5: Separador de Vahos
Los evaporadores de película
descendente pueden ser operados con diferenciales de temperatura muy bajos
entre el medio de calentamiento y el líquido a evaporar y, además, tienen
tiempos de contacto con el producto muy cortos, justo unos cuantos segundos por
paso. Estas características hacen al evaporador de película descendente
especialmente adecuado para productos sensibles al calor.
APLICACIONES DEL CONDENSADOR
Los condensadores tienen muchas aplicaciones. Como su capacidad depende de la sección entre las placas, se pueden construir condensadores de capacidad variable, como los utilizados en los mandos de sintonización de un aparato de radio tradicional. En estos aparatos, al girar el mando, se varía la superficie efectiva entre placas, con lo que se ajusta su capacidad y, en consecuencia, se sintoniza una frecuencia de una emisora. Del mismo modo, el teclado de un ordenador actúa sobre un condensador variable, lo que nos permite actuar sobre la pantalla de este.
Como se muestra más adelante, los
condensadores también son particularmente útiles para dirigir el movimiento de
haces de partículas cargadas. Si se trata de condensadores planos producen un
campo eléctrico uniforme, con el que se pueden desviar las partículas al
aplicarles una fuerza eléctrica proporcional a dicho campo. También se puede
conectar el condensador a una corriente alterna u oscilante, que hace que sus
dos placas se carguen y descarguen continuamente alternándose en cada una la
carga positiva y la negativa. Entonces, el campo eléctrico entre ellas también
oscila y cambia de orientación con la misma frecuencia del alternador.
Los pequeños condensadores
utilizados en electrónica pueden tener diferentes usos, uno de los
más usuales es “filtrar” el rizado de una señal en fuentes de alimentación.
Super condensadores
Mientras que un condensador electrolítico “normal” tiene una
capacidad de unos mili-Faradios, un super-condensador puede llegar a capacidades
del orden de Faradios, de esta forma se pueden alcanzar densidades de
acumulación de energía de hasta 30Wh/kg.
Los supercondensadores, también conocidos como condensadores
electroquímicos de doble capa, pseudo capacitores, ultra capacitores o
simplemente EDLC por sus siglas en inglés, son dispositivos
electroquímicos capaces de sustentar una densidad de energía inusualmente alta
en comparación con los condensadores normales, presentando una capacidad miles
de veces mayor que la de los condensadores electrolíticos de alta
capacidad
integrantes:
jose abraham contreras vargas
luis fernando arguello sanchez
