OPERACIONES UNITARIAS II“Evaluación de las diferentes definiciones del

coeficiente de transferencia de masa por convección”

Alumno:Rafael Cruz Ruiz

19-Febrero-2014

Evaluación de las diferentes definiciones del coeficiente de

transferencia de masa por convección

Autores: H.-J. Steeman(a) , C. T’Joen (a), M. Van Belleghem (a), A. Janssens(b) , M. De Paepe(a)

Procedencia:a) Department of Flow, Heat and Combustion Mechanics, Ghent

University–UGent, Sint-Pietersnieuwstraat 41, 9000 Gent, Belgium

b) Department of Architecture and Urbanism, Ghent University – UGent, Jozef Plateaustraat 22, 9000 Gent, Belgium

Revista: “International Journal of Heat and Mass Transfer”

Otros datos: Volumen 0017, número 9310, año 2009, páginas de la 3758 hasta 3766

Indice

Introducción Explicación de las partes del contenido Consideraciones teóricas acerca de la elección

de la fuerza motriz para el transporte de masa Interpretación de los diferentes parámetro que

indican la composición de la mezcla Análisis del ejemplo Proceso de saturación adiabático Aplicación práctica de un experimento de

evaporación real Conclusión

Introducción

La transferencia de masa en la interfase entre un líquido o sólido y un gas es un fenómeno importante para diversas disciplinas de la ingeniería . Dependiendo del autor y la disciplina científica hay diferentes opciones para definir el coeficiente de transferencia de masa y las fuerzas motrices relacionadas. Las condiciones ambientales variables también pueden afectar las propiedades de los materiales necesarios para describir el…

… calor y proceso de transferencia de masa. Boukakdida estudió el efecto de una variación en condiciones de flujo libre en el coeficiente de transferencia de masa para un caso de la evaporación y declaró que la evolución de el coeficiente de transferencia de masa con las variables investigadas cambia cuando otro fuerza de accionamiento se utiliza para definir el coeficiente de transferencia de masa.

El análisis realizado en este trabajo consta de dos partes

1.- El comportamiento de las diferentes fuerzas motrices para el transporte de masas basado en consideraciones teóricas. Las diferentes definiciones del coeficiente de transferencia de masa por convección.

2.- un estudio de CFD(Computational Fluid Dynamics) de un experimento de evaporación. El estudio CFD demuestra el efecto de la utilización indebida de los coeficientes de transferencia de masa .

Consideraciones teóricas acerca de la elección de la fuerza motriz para el transporte de masa

Cuando se estudia el coeficiente de transferencia de masa convectivo se relaciona con diferentes fuerzas motrices y es muy común escribirlas con las ecuaciones gobernantes de transferencia de masa en la interface del gas y el líquido o sólido.Bajo la condición de la ley de Fick de difusión y si la interfase es semipermeable es válido que el flujo de masa puede expresarse por las siguientes ecuaciones:

Son 4 alternativas para representar la transferencia de masa en la superficie1.- Usando la densidad del vapor (ec. 1)2.- Fracción masa (ec. 2)3.- Presión del vapor (ec. 3)4.- Fracción mol (ec. 4)Como fuerza impulsora.

Interpretación de los diferentes parámetro que indican la composición de la mezcla

Para mejor entendimiento de las limitaciones de los diferentes parámetros que indican la composición de la mezcla se muestra un ejemplo de aire húmedo pasando a través de un canal de calefacción(fig.1). En el interior del canal sólo se añade calor,no se agrega ni se quita humedad.Por lo tanto la composición en la entrada es igual que en la salida.

a

Basado en las condiciones de entrada, las condiciones de salida para este ejemplo se calcula mediante la ley de los gases ideales y las ley de conservación de masa, energía y momento. En esta tabla podemos ver las condiciones de entrada y de salida.

Tabla 1

Análisis del ejemplo

Se muestra que bajo las condiciones no isotérmicas la diferencia en la densidad del vapor es una despreciable fuerza motriz para el transporte de masa.La presión del vapor de agua no es constante sin embargo, es muy pequeño su cambio comparado con el cambio de densidad.

Esto confirma que la fuerza motriz para la transferencia de masa es la fracción masa o la fracción mol, 2 parámetros que solo son afectados por la composición de la mezcla.

Esta ecuación nos muestra que la relación de solo es posible si la presión del vapor solo es mucho menor que la presión total ( o si el peso molecular de las diferentes especies químicas son iguales).Para evitar estos problemas nos vamos a centrar el análisis en el caso de la masa transporte a bajas presiones de vapor.

Proceso de saturación adiabático

La saturación adiabática es un proceso en el cual el agua se evapora en el aire dentro de un conducto de tal manera que el aire sale saturado con el vapor de agua.El calor latente necesario para la evaporación se extrae de sólo la corriente de aire.

Evolución de la temperatura del aire (⎯⎯) y la fracción masa del vapor de agua a lo largo del flujo en el proceso de saturación adiabática.La fracción masa está dada por la difusividad asociada con Le=1 (• • •) y con Le=0.2( - - - ). Mientras Le diferente a 1 el intercambio de calor y masa en la superficie serán diferentes.

Descripción de las siguientes gráficas

Proporción de calor y el coeficiente de transferencia de masa como función de la humedad relativa de entrada para la temperatura de entrada y la presión de entrada de 40 ° C y 1 atm. (⎯⎯), 40 ° C y 0,8 atm.( * * * ), 70° C y 1 atm. (- - - ) En el proceso de saturación adiabática.El coeficiente de transferencia de masa se define con un flujo de conducción de densidades de vapor (A), fracciones de masa (b), de presiones vapor (c) y fracciones molares (d).

Se muestra fuertemente hm depende fuertemente de la temperatura y la presión de entrada pero solo para la humedad relativa de entrada.

Los resultados de este análisis se muestran en las figura. 4: la dependencia de la relación h / hm de las condiciones ambientales se representa por cuatro diferentes fuerzas impulsoras.

Muestra la dependencia total de hm en la presión. No obstante el hecho que el proceso de saturación adiabática es en sí isobárico, el valor de la presión total influye en el valor de m.

Podemos observar que usando las fracciones molares en lugar de presión vapor la dependencia del coeficiente de transferencia de masa sobre la presión total se cancela.

En general, se puede afirmar que el uso de fracciones de masa o fracciones molares en lugar de la densidad de vapor de agua o presiones de vapor de agua como fuerza motriz para la transferencia de masa por convección conduce a coeficientes de transferencia de masa que son menos dependientes de las condiciones ambientales.

Aplicación práctica: un experimento de evaporación real

El objetivo de esta sección es examinar las consecuencias prácticas de la utilización de los diferentes coeficientes de transferencia de masa por convección. Esto se realiza mediante el estudio de un experimento de evaporación bien definido para flujo laminar y turbulento.

Comparación de la predicción CFD de Nu locales (⎯⎯) y Sh locales ( - - - ) con la correlación de Shah y Londres ( o ) para el flujo laminar. (a) no adiabática, caso isotérmico con Sh definido, (b) el caso no adiabático, no isotérmico con Sh define utilizando hq m,

Comparación de la predicción CFD de Nu locales (⎯⎯) y Sh locales ( - - - ) con la correlación de Sakakibara y Endo ( o ) para el flujo turbulento. (a) no adiabática, caso isotérmico con Sh define utilizando, (b) no adiabático, no isotermico caso de Sh.

Conclusión

El análisis teórico demostró que la masa convectivo coeficientes de transferencia relacionadas con la presión de vapor como fuerza motriz sólo son aplicables a los sistemas de isobaricos y la debe corregir por la presión total cuando se utiliza en un ambiente diferente presión . Si esta condición no se cumple, los valores de hq m mostrará una dependencia de las condiciones ambientales tales como la temperatura , humedad relativa y la presión .

Por tanto, si hm se usa en condiciones no isotérmicas una predicción precisa del flujo de masa sólo será posible en virtud exactamente las mismas condiciones ambientales como aquellos para los que la masa coeficientes de transferencia se determinaron originalmente .Por tanto, se recomienda el uso de coeficientes de transferencia de masa relacionados de fracciones de masa como fuerza impulsora.

Una ventaja adicional de esta definición del coeficiente de transferencia de masa es que permite a directamente convertir correlaciones de transferencia de calor para Nu en la transferencia de masa correlaciones para Sh para el caso de mezclas de gases diluidos .

Gracias por su atención