Fundamentos de la Condensación y Ebullición en Procesos Industriales

Fundamentos de la Condensación

El fenómeno de la condensación ocurre cuando la temperatura de un vapor se reduce por debajo de su temperatura de saturación ($T_{sat}$). Matemáticamente, se produce cuando la diferencia de temperatura $\Delta T = T_w - T_{sat} < 0$, donde $T_w$ es la temperatura de la pared del sistema.

Modos de condensación

• Condensación superficial: Resulta del contacto entre el vapor y una superficie fría, donde la energía se transfiere a la pared.
• Condensación homogénea: El vapor se condensa como gotas suspendidas en la fase gaseosa, formando neblina.
• Condensación por contacto directo: Ocurre cuando el vapor entra en contacto directo con un líquido frío.

Tipos de condensación superficial

• Condensación en película: Una película líquida cubre toda la superficie y fluye de forma continua bajo la acción de la gravedad.
• Condensación en gotas: Se mantiene cuando la superficie posee una sustancia que impide que se moje (hidrofobicidad).

Condensación en película sobre placas verticales

En este proceso, la película de líquido se forma en la parte superior y fluye hacia abajo. El espesor de la película ($\delta$) aumenta en la dirección del flujo debido a la condensación continua en la interfase líquido-vapor.

• Condición de no deslizamiento: La velocidad del condensado en la pared es cero, alcanzando su máximo en la interfase.
• Perfil térmico: La temperatura es $T_{sat}$ en la interfase y disminuye gradualmente hasta $T_w$ en la pared.
• Regímenes: Se identifican tres regímenes distintos en función del número de Reynolds.

Crisis de ebullición y sus consecuencias

La crisis de ebullición representa un límite crítico en la transferencia de calor, pudiendo clasificarse en dos patrones principales:

1. Crisis de caudal burbujeante (DNB)

Ocurre cuando la capa de burbujas en la superficie es tan densa que el líquido no puede alcanzar la pared, formándose una capa de vapor aislante. Se conoce como Límite superior de Ebullición Nucleada (DNB). El flujo de calor depende más de las condiciones locales que de la velocidad del fluido.

2. Secado del caudal anular (Dryout)

Se produce a altas calidades de vapor. La película de líquido se vuelve demasiado delgada y se descompone en zonas secas y húmedas. A diferencia del DNB, el aumento de temperatura de la pared es más lento debido a la refrigeración por convección del vapor a alta velocidad.

Nota industrial: El Critical Heat Flux (CHF) es vital para la integridad de componentes como las varillas de combustible en reactores nucleares (LWRs) o haces de tubos en calderas.

Transferencia de calor en ebullición

La ebullición es un proceso complejo que depende de parámetros como el calor latente de vaporización, la tensión superficial, la presión y las características de la superficie.

Mecanismo de formación de burbujas

Para formar una burbuja, el líquido debe estar sobrecalentado respecto a la presión del sistema. Este proceso es facilitado por:

• Centros de nucleación: Arañazos, cavidades superficiales o presencia de gases/vapores en el líquido.
• Energía superficial: Requerida junto con el calor latente para la creación de la interfase vapor-líquido.