Modelización de procesos de condensación en presencia de gases incondensables y de niebla

Abstract

No es demasiado lo que se sabe sobre comportamiento en condensadores cuando además de la muchas veces inevitable presencia de gases incondensables, existe un aerosol disperso en el gas. En esta tesis se realiza un estudio detallado del comportamiento de este tipo de sistemas, analizando la posibilidad de aparición de las partículas líquidas que forman el aerosol y de su posible efecto sobre la condensación. Se parte de un análisis de la condensación en película en presencia de gases incondensables. El estudio de este proceso se aborda mediante la aplicación de modelos de cálculo clásicos de transferencia de calor y masa. Tras la solución de la transferencia de calor y de masa correspondientes a la condensación en película no se obliga a la relación entre variables definida por el estado de saturación del vapor, considerando así los estados de sobresaturación necesarios para el estudio del comportamiento de las partículas líquidas. Descritos los fenómenos físicos más importantes que tienen lugar en sistemas con presencia de aerosoles, se introducen las ecuaciones conservativas en la fase continua (gas) y en la fase discreta (aerosol) y los términos que las relacionan. Se justifica la selección de un método de solución de aerosoles de planteamiento euleriano y por tramos de móviles de tamaño de las partículas. También se introducirán las ecuaciones y modelos relativos a la coagulación, la nucleación o la precipitación de partículas. El complejo problema del intercambio de masa y energía entre la fase gaseosa y las partículas se resuelve evitando simplificaciones habituales, no aplicables en estos casos. Para ello se ha desarrollado un modelo de cálculo numérico basado en el método de los volúmenes finitos que resuelve las ecuaciones de conservación de masa y energía en el entorno de las partículas. Este modelo es puesto a prueba mediante la comparación con soluciones analíticas del problema de otros autores. Las conclusiones se obtienen a partir de la solución de un modelo unidimensional en el que se simula un condensador de geometría sencilla. Durante el proceso de cálculo se debe alcanzar la solución simultánea de múltiples fenómenos físicos que tienen lugar tanto en la fase continua como en el aerosol y a la relación entre ambas. En el documento se detalla el orden y los criterios de cálculo del modelo mediante la descripción detallada del algoritmo de cálculo. Por último se describen los casos de cálculo resueltos, consistentes en la simulación de la introducción en el condensador de mezclas de varios vapores y de aire como gas incondensable, primero sin presencia de aerosoles y después con varias distribuciones de tamaños de partículas. Se compararán las soluciones de ambos tipos de situaciones. De los resultados correspondientes a los casos sin presencia de aerosol se deduce el efecto de la presencia de gas incondensable sobre la condensación del vapor y la existencia de estados de sobresaturación que promoverían la aparición de aerosoles. A partir de los resultados de los casos en los que la mezcla incluye la presencia de aerosoles se observa la evolución de múltiples parámetros relativos a ambos medios en el condensador, con interesantes conclusiones sobre la importancia relativa de los fenómenos físicos que tienen lugar en el sistema y del diferente comportamiento de las partículas de aerosol en el seno de la mezcla dependiendo de su tamaño y concentración. Se concluye que durante la condenación de vapor en presencia de gases incondensables es posible la aparición de estados de sobresaturación que promueven la formación de aerosoles por nucleación heterogénea y que la tendencia a producir dichos estados depende de las características que definen la difusión másica y térmica de las sustancias que se condensan. De existir aerosoles, estos tienden a reducir su caudal másico durante la condensación del vapor y se produce un importante fenómeno de arrastre de las partículas hacia la película de condensado por parte del vapor. Las partículas más pequeñas tienden a evaporarse mientras que las de mayor tamaño crecen. El caudal másico neto de vapor entre el gas y las partículas depende de la proporción presente de gas incondensable produciendo su aumento una mayor tendencia a la evaporación de las partículas.