بخشی از مقاله
بررسي تجربي اثر زبري سطح هيتر بر ضريب انتقال حرارت در جوشش استخري آب خالص
چکيده
در پژوهش حاضر اثرات زبري بر ضريب انتقال حرارت در فرآيند جوشش آب خالص روي هيتري از جنس آلومينيوم به صورت تجربي مورد بررسي قرار گرفت . آزمايش ها در گستره شار حرارتي ٤ الي ١٢٠ کيلو وات بر متر مربع انجام شد.
سطح هيتر طي چند مرحله و با استفاده از سنباده هايي با درجات مختلف زبر گرديد. ميزان زبري متوسط سطح به ترتيب ٠.٠٣، ٠.١٩، ٠.٢٨، ٠.٤١ و ٠.٤٣ ميکرومتر بود. نتايج آزمايشگاهي روند افزايشي ضريب انتقال حرارت با افزايش شار حرارتي و زبري سطح هيتر را نشان مي دهد. همچنين مقايسه اي بين داده هاي تجربي و پرکاربرد ترين روابط صورت گرفت . نتايج حاصل از اين بررسي ها مشخص کرد که رابطه گورنفلو در پيش بيني ضريب انتقال حرارت بهترين تطابق را با داده هاي تجربي دارند.
واژه هاي کليدي : جوشش استخري ، زبري ، ضريب انتقال حرارت
١- مقدمه
در انتقال گرما پديده جوشش داراي کاربردهاي صنعتي متعددي مي باشد. لذا درک صحيح از مکانيسم جوشش و ميزان انتقال حرارت در اين پديده ، به بهينه سازي و افزايش راندمان فرآيندهاي صنعتي کمک شاياني مينمايد. هدف نهايي اکثر تحقيقاتي که تاکنون به منظور بررسي شرايط سطح گرمکن صورت گرفته اند، يافتن راهي براي افزايش انتقال حرارت به يکي از روش هاي زير بوده است :
• کاهش دما براي شروع جوشش هسته اي
• توليد مقادير زيادي حباب
• کاهش مدت زمان حضور حباب روي سطح
زبر کردن سطح ، پوشش دادن سطح با فلزات خاص و يا اضافه کردن شکل هندسي خاصي به سطح از جملـه روش هـاي موجود براي دستيابي به اهداف فوق مي باشد. روش هاي ياد شده در نهايت منجر به افـزايش مواضـع فعـال تشـکيل حبـاب و همچنين ايجاد تلاطم در مايع مي شوند که اين عوامـل از جملـه فاکتورهـاي مهـم جهـت افـزايش انتقـال حـرارت بـه شـمار مي روند[١]. با وجود آنکه اثر شرايط سطح گرمکن بر انتقال حرارت جوشش هسته اي از اوايل دهه ٣٠ ميلادي توجـه جامعـه علمي را به خود معطوف کرد، مطالعات آزمايشگاهي با هدف شناخت و ارزيابي اثرات زبري سـطح از اواسـط دهـه ٥٠ مـيلادي شروع شد[٢]. طبق باور مرسومي که از تحقيقات اوليه در مورد جوشش هسته اي وجود داشته ، عنوان مي شود که زبري سطح ، تاثير مثبتي بر ضريب انتقال حرارت دارد. اين افزايش ضريب انتقال حرارت به تجمع حفره هاي فعال روي سطح گرمکن نسبت داده مي شود. در سال ١٩٥٥، Fouster و Corty گرمکن هايي از جنس مس و نيکل با درجات زبري مختلفي را مورد آزمايش قرار دادند و دريافتند که زبري سطح نه تنها دماي مازاد مورد نياز براي شـروع جوشـش ، بلکـه شـيب منحنـي جوشـش را نيـز تحت تاثير قرار مي دهد. سطوح زبر منجر به دماي مازاد کمتري در يک شار مشخص مي شوند و اين رفتار به حضور حفره هاي ناخواسته بيشتر، روي سطح نسبت داده مي شود. در سال ١٩٦٢ Berenson در مطالعات جامعي که روي فرآينـد جوشـش بـا به کار گيري سطوح صاف و زبر انجام داد، پيشنهاد کرد که ضريب انتقال حرارت با زبر کردن سطح گرمکن ميتوانـد تـا ٥ برابـر افزايش پيدا کند[١]. چنين روندي طي آزمايشاتي که Benjamin و همکارانش از طريـق جوشـش آب روي هيتـري از جـنس آلومنيوم که با درجات مختلفي زبر شده بود، نيز مشاهده شد. طبق نتايج حاصل از آزمايشات آنها، زبرترين سطح منجر به کمترين دماي مازاد و در عين حال بيشترين ضريب انتقال حرارت شد[٣]. در سال ٢٠٠٠، Kang با انجام آزمايشـاتي روي آب در فشار اتمسفري و به کارگيري سطوح با زبري ها و جهت گيري هاي مختلف ، عنوان کرد که ضريب انتقال حرارت با زبري سطح افزايش مي يابد و اين افزايش براي سطوح عمودي در مقايسه با سطوح افقي چشمگيرتر است [١].
تاکنون دانشمندان و محققان بسياري فرآيند جوشش را مورد بررسي قرار داده و مدل هاي متعددي از ضريب انتقال حرارت را ارائه داده اند. در کار حاضر تاثير شرايط سطح هيتر بر ضريب انتقال حرارت مورد بررسي دقيقتر قرار گرفته است .
٢- دستگاه آزمايشگاهي
دستگاه مورد استفاده در اين پژوهش به منظور بررسي جوشش آب خالص ، مشابه دستگاه جوشش استخري گورنفلو مي باشد. نمايي از دستگاه در شکل ١ نشان داده شده است . بخش اصلي اين دستگاه يک گرمکن استوانه اي است که به صورت افقي درون يک محفظه شيشه اي با قابليت تحمل حرارتي بالا قرار مي گيرد و توليد حرارت مي نمايد. هيتر استوانه اي از جنس آلومينيوم به طول ٢٢٠ و قطر ٢٢ ميلي متر مي باشد. در سطح مقطع اين استوانه چهار سوراخ به قطر ٢ و عمق ١٠٠ ميلي متر وجود دارد که در واقع محل قرار گيري سنسورهاي ترموکوپل است . نمايي از هيتر ميله اي و محل قرارگيري ترموکوپل ها در شکل ٢ نشان داده شده است .
ترموکوپل ها از نوع K-type با امکان اندازه گيري دما تا ٧٠٠ درجه سانتيگراد مي باشند. خروجي ترموکوپل ها بر حسب ميلي ولت به صفحه نمايشگر از نوع LCD که نتايج حاصل از سيگنال هاي دريافتي را به صورت دما گزارش مي نمايد، منتقل مي شود. به منظور قرارگيري بهتر ترموکوپل ها در اين سوراخ ها از خمير سيليکون استفاده شده است . ميانگين چهار دماي ثبت شده توسط ترموکوپل با تصحيح ، به عنوان دماي سطح (Tw) در نظر گرفته مي شود. ولتاژ لازم توسط منبع برق شهري تامين شده و به وسيله يک اتوترانس تنظيم مي گردد. براي اندازه گيري شدت جريان نيز از يک Multi-Meter با دقت اندازه گيري ٠.١ ميلي آمپر استفاده شده است . هيتر ميله اي طي پنج مرحله و با استفاده از سنباده هايي با درجات زبري متفاوت زبر گرديده است . ميزان زبري حاصل با استفاده از دستگاه زبري سنج مدل TQC(RNG.CTG٢٠٠٠) که توانايي تعيين زبري در محدوده ٠ تا ١٢.٧ ميکرومتر را دارد، اندازه گيري و در جدول ١ گزارش شده است .
اساس انجام اين آزمايش ها بر قانون سرمايش نيوتن استوار است :
که در آن Tw دماي سطح استوانه و Tsat دماي اشباع مايع مورد آزمايش مي باشد. پس از ثبت دماي ترموکوپل ها، تصحيح و گزارش آنها به عنوان دماي سطح و همچنين محاسبه شار حرارتي در هر ولتاژ، ضريب انتقال حرارت با استفاده از قانون سرمايش نيوتن محاسبه شد..
٣- نتايج و بحث
در کار حاضر با انجام آزمايش هاي متعدد روي آب مقطر در شارهاي گرمايي و ميزان زبري هاي مختلف سطح هيتر، ضريب انتقال حرارت اندازه گيري شد.
٣-١- اثر زبري بر دماي مازاد
زبر کردن سطح ، دماي مازاد مورد نياز براي شروع جوشش هسته اي را تحت تاثير قرار مي دهد. به بيان بهتر سطوح زبرتر منجر به دماي مازاد کمتري در يک شار حرارتي مشخص مي شوند. چنين رفتاري به حضور حفره هاي بيشتر روي سطح زبر نسبت داده مي شود، چرا که اين حفره ها قادر هستند مايع بيشتري را به دام انداخته و به حباب تبديل نمايند. شکل ٣ اثر زبري سطح بر اختلاف دماي مورد نياز به منظور انتقال شار حرارتي مشخصي را در فرآيند جوشش هسته اي آب خالص نشان مي دهد. مطابق اين شکل مادامي که زبري سطح هيتر افزايش مي يابد، دماي مازاد در يک شار مشخص کاهش مي يابد.
زبرترين سطح (μm ٠.٤٣) در يک شار مشخص ، منجر به کمترين دماي مازاد شد، در حالي که صاف ترين سطح (μm ٠.٠٣) بيشترين دماي مازاد را در اختيار قرار داد. البته لازم به ذکر است که زبر کردن سطح عملکرد جوشش را تا نقطه مشخصي بهبود مي بخشد و زبر کردن بيشتر سطح ، هيچ مزيتي را به همراه نخواهد داشت . به عبارت ديگر، فقط محدوده مشخصي از سايز حفره ها مي توانند به عنوان مواضع هسته زايي فعال به کار برده شوند.
٣-٢- اثر زبري بر ضريب انتقال حرارت
بهترين روش جهت افزايش انتقال گرما، افزايش ضريب انتقال حرارت مي باشد. مطابق قانون سرمايش نيوتن ضريب انتقال حرارت با شار حرارتي رابطه مستقيم و با اختلاف دماي سطح و سيال رابطه عکس دارد. اگرچه با افزايش شار حرارتي ، اختلاف دماي سطح و سيال افزايش مي يابد، اما در محدوده شار حرارتي مربوط به آزمايشات انجام شده ، اثر افزايش شار حرارتي بر افزايش اختلاف دماي سطح و سيال غلبه کرده و در نهايت افزايش ضريب انتقال حرارت را در پي خواهد داشت .
