TRANSFERENCIA SIMULTÁNEA de calor y masa

TRANSFERENCIA SIMULTÁNEA DE CALOR Y DE MASA En la práctica, se encuentran muchos procesos de transferencia de masa que Ocurren isotérmicamente y, por po r lo tanto, en ellos no interviene la transferencia de calor. Pero algunas aplicaciones de ingeniería comprenden la vaporización deun líquido y la difusión de este vapor hacia el gas circundante. Esos procesos requieren la transferencia del calor latente de vaporización, hfg , hacia el líquido para vaporizarlo y, como consecuencia, en esos problemas interviene la transferencia simultánea de calor y de masa. Para generalizar, cualquier problema de transferencia de masa que comprende cambio de fase (evaporación, sublimación, condensación, fusión, etc.) también debe comprender la transferencia de calor, y la solución de esos problemas necesita nec esita analizarse considerando la transferencia simultánea de calor y de masa. masa. Algunos ejemplos de problemas simultáneos de calor y de masa son el secado, el enfriamiento por evaporación, el enfriamiento por transpiración (o sudación), el enfriamiento por hielo seco, la combustión de gotitas de combustible y el enfriamiento por ablación de los vehículos espaci ales en el curso de su regreso e, incluso, sucesos comunes como la lluvia, la nieve y el granizo. Por ejemplo, en los lugares más cálidos, la nieve se funde y la lluvia se evapora antes de llegar al suelo Para entender el mecanismo de la transferencia simultánea de calor y de masa, considérese la evaporación de agua de una piscina hacia el aire. Supóngase que, inicialmente, el agua y el aire están a la misma temperatura. Si este último está saturado (una humedad relativa de f _ 100%), no habrá transferencia de calor o de masa en tanto se mantengan las condiciones isotérmicas. Pero si no está saturado (f _ 100%), habrá una diferencia entre la concentración de vapor de agua en la interfase agua-aire (la cual siempre está saturada) y a alguna distancia por encima de d e la interfase (la capa límite de concentración). La d iferencia de concentración es la fuerza fu erza impulsora para la transferencia de masa, por lo que esta diferencia de concentración impulsa el agua hacia el aire. Pero primero debe vaporizarse el agua y debe absorber el calor latente de vaporización para que eso suceda. Inicialmente, todo el calor de vaporización proviene del agua cercana a la interfase, puesto que no hay diferencia de temperatura entre el agua y los alrededores y, por consiguiente, no puede haber transferencia de calor. La temperatura del agua cercana a la superficie debe disminuir, como resultado de la pérdida de calor sensible, lo cual hace disminuir también la presión de saturación y, como consecuencia, la concentración de vapor en la interfase.

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La reducción en la temperatura crea diferencias de ésta dentro del agua, en la parte superior así como entre el agua y el aire circundante. Estas diferencias de temperatura impulsan la transferencia de calor hacia el agua, tanto desde el aire como desde ls partes más profundas del agua, como se muestra en la Si la razón de evaporación es alta y, por ende, la demanda de calor de vaporización es más alta que la cantidad de calor que puede ser suministrado desde las partes más bajas de la masa de agua y de los alrededores, el déficit se compensa a partir del calor sensible del agua en la superficie y, como consecuencia, la temperatura del agua en esta última disminuye más. El proceso continúa hasta que el calor latente de vaporización sea igual a la transferencia de calor hacia el agua en la superficie. Una vez que se alcanzan las condiciones estacionarias de operación y se estabiliza la temperatura de la interfase, el balance de energía en una capa delgada del líquido en la superficie puede expresarse como

̇        ̇    ̇    ̇   ̇  es la razón de evaporación y   es el calor latente de vaporización donde  del agua a la temperatura de la superficie. En la tabla de abajo , se dan diversas ̇  en relación con varias aproximaciones. Las propiedades de la mezcla, expresiones para  como el calor específico  y la masa molar M, M, normalmente deben evaluarse a la composición media de la película y a la temperatura media de la película. película. Sin embargo, al tratar con mezclas de aire-vapor de agua en las condiciones atmosféricas o en otras situaciones de flujo bajo de masa, simplemente pueden simplemente pueden usarse las propiedades del gas con exactitud razonable. Diversas expresiones para la razón de evaporación de un líquido hacia un gas a través de un área A de la interfase, en relación con varias aproximaciones (el subíndice v representa vapor, s representa la interfase líquido-gas y _, lejos de la superficie)



TRANSFERENCIA SIMULTÁNEA de calor y masa

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