Fenómenos de Transferencia de Calor con Cambio de Fase: Ebullición y Condensación

Transferencia de Calor con Cambio de Fase

1. Introducción a los Fenómenos de Cambio de Fase

La evaporación es el proceso en el que un líquido recibe calor de un sólido que está más caliente, transformándose en vapor. Por otro lado, la condensación ocurre cuando el vapor que condensa, cede calor al sólido que está más frío.

Se considera que estos procesos discurren en convección, aunque presentan diferencias significativas:

• Temperatura constante (T cte) durante el cambio de fase.
• Presencia de dos fases fluidas, lo que se conoce como flujo bifásico.
• Variables adicionales como el calor latente, la tensión superficial de la interfase líquido-vapor y la diferencia de densidad entre el líquido y el vapor.

Equipos con Transferencia de Calor y Cambio de Fase

Estos fenómenos son fundamentales en diversos equipos y sistemas industriales:

• Hervidores y calderas
• Condensadores
• Vapores condensantes
• Sistemas de aire acondicionado
• Sistemas de refrigeración

Para su estudio, se utilizan números adimensionales como el número de Bond (Bo) y el número de Grashof.

2. Ebullición de Líquidos

La ebullición es un proceso de transferencia de calor altamente eficiente. La cantidad de calor transferido (Q) se puede expresar mediante la siguiente fórmula:

Q = h·A·(T0-Ts) = h·A·ΔT

Formación de Burbujas de Vapor

El crecimiento y la evolución de las burbujas de vapor dependen de varios factores:

• El exceso de temperatura (sobrecalentamiento).
• La naturaleza de la superficie de contacto.
• Las propiedades físicas del fluido, como la tensión superficial.

Mecanismos de Formación de Burbujas de Vapor

• Nucleación homogénea: Las burbujas se forman directamente en el seno del fluido, lo que requiere grados de sobrecalentamiento muy altos.
• Nucleación heterogénea: Las burbujas se forman en las irregularidades y grietas de la superficie sólida en contacto con el líquido, siendo el mecanismo más común en la práctica.

Ebullición sobre Superficies Sumergidas

Un ejemplo clásico es la ebullición sobre un hilo de platino por el que circula una corriente eléctrica:

• A-C: Zona de ebullición nucleada, caracterizada por la formación de burbujas.
• B-C: Columna de vapor, ↑ la turbulencia.
• C-D: ↓ flujo de calor, formación de película inestable.
• D-E: Ebullición en película estable.
• E-F: Flujo ↑, entra la radiación.

Ebullición en el Interior de Tubos

Este fenómeno se observa en líquidos en movimiento a través de una tubería ascendente:

• O-A: Líquido subenfriado, sin formación de burbujas.
• A-B: Flujo burbujeante.
• B-C: Flujo globular: grandes burbujas.
• C-D: Flujo anular: muchas burbujas, con película de aire.
• D-E: Zona de transición, la película desaparece.
• E-F: Zona de gotas o de niebla, la película desaparece totalmente.

3. Condensación de Vapores

Tipos de Condensación

• Condensación en película: Se forma una película continua de líquido que recubre totalmente la superficie sólida. Ocurre cuando el líquido moja bien la superficie.
• Condensación en gotas: Se forman gotas de líquido sobre la superficie que, al alcanzar un determinado tamaño, caen por gravedad. No toda la superficie sólida está recubierta de líquido. Se da cuando el líquido no moja bien la superficie. Los coeficientes de transferencia de calor son significativamente mayores que en la condensación en película.

En la práctica industrial, la condensación en película es el tipo más común y estudiado debido a su prevalencia en la mayoría de las aplicaciones.