TECNOLOGIA DE LA ENERGIA TERMICA

Transcripción

1 TENOLOGI DE L ENERGI TERMI ONDENSION Mariano Manfredi Tecnología de la Energía Térmica 1

2 ONDENSION Indice 1. Objetivos 2. lcance 3. Desarrollo Mecanismos de la condensación Teoría de Nusselt Orientación de la condensación oeficientes balanceados Uso de la ecuación de diseño Pérdida de carga Tecnología de la Energía Térmica 2

3 OBJETIVOS onocer los distintos tipos de condensación Emplear la teoría de Nusselt y sus hipótesis Identificar diferencias entre condensación vertical y horizontal alcular coeficientes globales balanceados Tecnología de la Energía Térmica 3

4 LNE ondensación en forma de película ondensación de fluidos monocomponente álculo de coeficiente pelicular de condensación en régimen laminar álculo de pérdida de carga considerando condensación plicación de equipos casco y tubos para condensación Tecnología de la Energía Térmica 4

5 Mecanismos de la condensación ondensación Proceso por el cual un vapor se transforma en líquido Extracción de calor del vapor mediante fluido refrigerante a menor temperatura ondensación Total: X V 1 X V 0 ondensación Parcial: X V 1 X V <1 ondensación de fluido monocomponente Tº constante (P constante) ondensación de fluido multicomponente Tº variable Tº constante (P constante y mezclas azeotrópicas) Tipos de condensación ondensación en gotas ondensación en película Tecnología de la Energía Térmica 5

6 Mecanismos de la condensación ondensación en gotas Ocurre cuando el condensado no tiene mucha afinidad superficial por el material de la pared que lo separa del fluido refrigerante Ángulo de mojado Ángulo de mojado > 90º ondensación en gotas El valor del ángulo de mojado depende de Tensión superficial del líquido cabado de la superficie oeficiente pelicular en gotas hasta 10 veces mayor que coeficiente pelicular en película Es un proceso inestable y difícil de mantener en el tiempo Tecnología de la Energía Térmica 6

7 Mecanismos de la condensación ondensación en película Ocurre cuando el ángulo de mojado es menor a 90º se forma una película sobre la superficie La película desciende por gravedad y el condensado escurre hacia abajo Se va produciendo acumulación umento de espesor de la película La película ofrece una resistencia a la transferencia de calor del medio refrigerante al vapor Empleado como mecanismo de diseño para condensadores Tecnología de la Energía Térmica 7

8 Teoría de Nusselt Nusselt establece una teoría para calcular el coeficiente pelicular de condensación onsidera: ondensación en película Superficie plana vertical El condensado desciende por gravedad El espesor de la película aumenta acumulativamente de arriba hacia abajo en la superficie El espesor de la película es función de la velocidad de drenado, la cual depende de la viscosidad del condensado Etc. Establece Hipótesis Tecnología de la Energía Térmica 8

9 Teoría de Nusselt Hipótesis de Nusselt Estado termodinámico del vapor alor transferido por el vapor Descenso de la película de condensado Régimen de drenado de la película de condensado Mecanismo de transferencia a través de la película de condensado Resistencia a la transferencia de calor en la fase vapor Dependencia del espesor punto a punto Dependencia de la velocidad de las capas individuales de la película Proporcionalidad de la cantidad de condensado Película de condensado delgada Evaluación de propiedades termodinámicas del condensado cabado de la superficie de condensación Temperatura de la superficie de condensación urvatura de la película Tecnología de la Energía Térmica 9

10 Teoría de Nusselt Definición del sistema Se toma un cubo de dimensiones dx, dy, dz Se identifican fuerzas orte viscoso F Peso P Se identifican dimensiones en la película X Y Z Se identifican temperaturas Tw Temperatura de pared Ts Temperatura de saturación Tecnología de la Energía Térmica 10

11 Tecnología de la Energía Térmica 11 Teoría de Nusselt Perfil de velocidad ONDENSION - ondición de equilibrio: g y g y g V m g F P F XZ XZ XZ XZ XZ ρ τ ρ τ ρ τ Definición de esfuerzo de corte viscoso: 2 2 y v y y v x x µ τ µ τ Igualando: µ ρ g y v x y y g v y g y v x x µ ρ µ ρ Integrando:

12 Teoría de Nusselt Perfil de velocidad ondiciones de contorno: y 0 v 0 y e τ 0 Obtengo perfil de velocidad ρ. g v x µ y. e 2 y 2 Obtengo expresión de velocidad media v e 0 e v. dy 0 dy ρ. g e 3. µ 2 Tecnología de la Energía Térmica 12

13 Teoría de Nusselt Espesor de la película Balance de masa en un diferencial de x Diferencial de masa de vapor que condensa sobre la superficie P.dx: dw G P dx Densidad de flujo de vapor hacia la superficie P.dx Diferencial de caudal de condensado en una sección de la película: dw ( v e P) d ρ Igualando: d ( ρ v e P) G P dx Tecnología de la Energía Térmica 13

14 Teoría de Nusselt Espesor de la película Balance de energía Q k e ( T T ) G. λ s w Despejo ( ) k G T s T w e. λ Reemplazo G y v media en la expresión del balance de masa: 2 3 ρ. g. e. P k d ( Ts Tw ). P. dx La variable es el e en función de x 3. µ e. λ 2 2 ρ. g. e k Derivo el primer término respecto del espesor e:. de ( Ts Tw )dx. µ e. λ. 2 s w x ρ. g. λ 4. µ. k Integro y despejo e: e ( T T ) 1/ 4 Tecnología de la Energía Térmica 14

15 Teoría de Nusselt oeficiente de condensación Balance de energía Q k e ( T T ) h( T T ) s w s w h x k e oeficiente pelicular local Expresión del coeficiente pelicular medio en función de x: Despejo e y reemplazo en la ecuación del espesor h x 2 3 1/ 4. ρ. k. λ 1/ 4 g 4. µ.( T T ) x s w Para obtener un coeficiente pelicular medio para toda la longitud L, integro: h L h x 0 L 0. dx dx Expresión de coeficiente pelicular medio válida para Superficie plana vertical Tubo vertical h 2 3 g. ρ. k. λ µ. L T s T w ( ) 1/ 4 Tecnología de la Energía Térmica 15

16 Teoría de Nusselt oeficiente de condensación Balance de energía G λ h ( ) T s T w h ( T T ) G s λ w Reemplazo en h medio h 2 g. ρ. k µ. L. G 3 1/3 Definición de area. de. flujo D eq 4 perímetro Definición de G Re Definición de flujo de vapor a la superficie P.L w L P D e. G 4. w 4. w. µ P. µ µ. P L G G ' w P ' w P Re ond ' 4 G µ ' Reond µ G 4 Reemplazo en h medio Tecnología de la Energía Térmica 16

17 Teoría de Nusselt oeficiente de condensación Equivalente a h 2 4. g. ρ. k µ 3 1/3 1 Re ond 1/3 proximando y generalizando a distintos tipos de superficies h g. ρ. k 2 µ 3 1/3 1 Re ond 1/3 Expresión válida para ondensación total de fluido monocomponente Superficie plana o tubular Orientación vertical u horizontal varía el valor del perímetro Todos los fluidos Desvíos de +/- 15/20% Régimen de validez Laminar (Re ond < 1800) Tecnología de la Energía Térmica 17

18 Orientación de la condensación Orientación horizontal ondensación fuera de tubos Definición del perímetro: P 2 / 3 L t. N t onfiguración más empleada. Se debe a que en líneas generales se utiliza agua como fluido refrigerante (asignada por interior de tubos) Puede haber problemas de drenado de condensado debido a la presencia de baffles. Pueden emplearse baffles con ventana vertical o bien baffles con ventana horizontal y ranura de drenaje Tecnología de la Energía Térmica 18

19 Orientación de la condensación Orientación vertical ondensación fuera de tubos Definición del perímetro: P π. D o. N t Los baffles regulan la velocidad del vapor y cortan la película de condensado a medida que desciende En estos equipos el coeficiente de condensación depende más de la velocidad del vapor que del espesor de la película de condensado Tecnología de la Energía Térmica 19

20 Orientación de la condensación Orientación horizontal ondensación dentro de tubos Definición del perímetro: P L t. N t.0.5 Puede haber problemas de inundación de los tubos, lo que genera bajo coeficiente pelicular de condensación Limitado a Npt2 para cabezal de retorno U Limitado a Npt1 para otros cabezales Tecnología de la Energía Térmica 20

21 Orientación de la condensación Orientación vertical ondensación dentro de tubos Definición del perímetro: P π. D i. N t El condensado desciende sin interferencias hasta llegar al cabezal de salida. Es posible que en alguna parte de la longitud del tubo haya un cambio de régimen de la película de condensado El vapor y el condensado circulan en el mismo sentido, favoreciendo el coeficiente de condensación (se logran menores espesores de película) Limitado a Npt1 Tecnología de la Energía Térmica 21

22 Orientación de la condensación ondensación Horizontal Vs. Vertical Valor del coeficiente pelicular Distribución del vapor Drenado del condensado Mantenimiento y soportación Proceso de subenfriamiento Tecnología de la Energía Térmica 22

23 Orientación de la condensación Ubicación del condensador en torres de destilación osto de construcción, soportación y mantenimiento osto de operación Determinación de la altura del condensador Tecnología de la Energía Térmica 23

24 Orientación de la condensación aracterísticas y aspectos constructivos particulares Proceso limpio rreglo típico en condensadores Orientación de baffles o ranura de drenaje para condensación horizontal fuera de tubos Baja pérdida de carga Tecnología de la Energía Térmica 24

25 oeficientes balanceados Uso álculo de coeficientes globales de transferencia cuando: Desobrecalentamiento + ondensación ondensación + Subenfriamiento Se divide hipotéticamente al intercambiador en tantas subunidades como procesos de transferencia de calor haya Se definen tantos U como subunidades haya Se definen tantos T ML como subunidades haya U bal depende de: U de cada subunidad alor transferido en cada subunidad T ML depende de: T ML de cada subunidad alor transferido en cada subunidad Tecnología de la Energía Térmica 25

26 oeficientes balanceados Desobrecalentamiento + ondensación T bal V Q T ond ond V QTOT Q + T Desobr Desobr V U bal U ond ond ond + U + Desobr Desobr Desobr U bal D Q U ond ond D QTOT Q + U Desobr Desobr D Tecnología de la Energía Térmica 26

27 oeficientes balanceados ondensación + Subenfriamiento T bal V Q T ond ond V QTOT Q + T Subenf Subenf V U bal U ond ond ond + U + Subenf Subenf Subenf U bal D Q U ond ond D QTOT Q + U Subenf Subenf D Tecnología de la Energía Térmica 27

28 oeficientes balanceados ondensación + Subenfriamiento Tecnología de la Energía Térmica 28

29 Uso de la ecuación de diseño Verificación del equipo ondensador Q U T ML F T Q U D D T ML F T Despeje Despeje omparo contra NO SI D > D El equipo verifica térmicamente < D El equipo NO verifica térmicamente Tecnología de la Energía Térmica 29

30 Uso de la ecuación de diseño Verificación del equipo Desobrecalentador + ondensador ondensador + Subenfriador Q U bal T bal V Q U bal D D T bal V Despeje Despeje omparo contra NO SI D > D El equipo verifica térmicamente < D El equipo NO verifica térmicamente Tecnología de la Energía Térmica 30

31 Pérdida de carga Del condensado P Vapor > P > P Liquido ρ Vapor < ρ < ρ Liquido Defino una densidad media ρ Vap ρ 1 Liq ρ 2 Fanning en función del Re Vapor Si ρ Vapor <<< ρ Liquido P P Vap 2 Tecnología de la Energía Térmica 31

32 PREGUNTS? Tecnología de la Energía Térmica 32

33 FIN Mariano Manfredi Tecnología de la Energía Térmica 33