مقاله بررسی عوامل موثر بر تبخیر سطحی

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

بررسي عوامل موثر بر تبخير سطحي
چکيده
در اين مطالعه نرخ تبخير آب براي رژيم هاي جريان مختلف که به صورت آزمايشگاهي مورد مطالعه قرار گرفته اند را بررسي مي کند. آزمايش هاي گوناگوني براي اندازه گيري ميزان اثر گذاري عوامل و پارامترهاي مختلف بر نرخ تبخير آب انجام شدهاند که اين اندازه گيريها بر دامنه وسيعي از Gr.Re2 با سرعت هاي باد متفاوت صورت پذيرفته اند. بررسي ها نشان مي دهد که نرخ تبخير به شدت به رژيم هاي جريان Gr.Re2 وابسته مي باشد. رابطه تجربي جديدي بر پايه اندازه گيريهاي تجربي براي نرخ تبخير آب در هواي متحرک بدست آمد. با مقايسه نرخ تبخير آب از سطح آزاد آب و سطح مرطوب شده اين نتيجه بدست آمد که براي سرعت هاي باد کم ، نرخ تبخير از سطح مرطوب شده بيشتر از سطح آزاد آب مي باشد و براي سرعت هاي بالاي باد، برعکس مي باشد.
کلمات کليدي
نرخ تبخير آب، جابه جايي اجباري، جابه جايي ترکيبي ، جابه جايي آزاد، سطح آزاد، سطح مرطوب شده.

مقدمه
در بسياري از کاربردهاي مهندسي به محاسبه ي آب اتلافي از سطح آب به هواي محيط نيازمنديم . پديدهي تبخير آب به هوا از نظر انتقال گرما و جرم اهميت فراواني دارد و در بسياري از کاربردها مثل استخرهاي شنا، استخرهاي خنک کن ، خشککن ها، تهويه هوا و مهندسي هسته اي وجود دارد.
به منظور تعيين اينکه کدام مکانيزم بر تبخير آب از سطح آب حاکم است از رابطه زير استفاده مي کنيم :

که Gr و Re به ترتيب اعداد گراشف و رينولدز مي باشند. براي رژيم هاي جريان جابه جايي اجباري، Gr.Re2 بسيار از يک کوچکتر مي باشد در حالي که براي جابه جايي طبيعي Gr.Re2 بسيار بزرگتر از يک خواهد بود. به علاوه، اگر Gr.Re2 تقريبا برابر يک شود، رژيم جريان ترکيبي از جابه جايي طبيعي و اجباري مي باشد.
تبخير آب از سطوح آزاد تابع پارامترهاي گوناگوني مي باشد، نظير دماي آب، دماي هوا و رطوبت نسبي ، سرعت هوا و اختلاف فشار. عبارت هاي آزمايشگاهي و نظري بسيار زيادي براي پيش - بيني نرخ تبخير آب از سطح آزاد آب به هواي ساکن و يا به هواي محيط حدس و ارزيابي شده است . اين عبارتها بر پايه اندازه گيري - هايي است که بر سطوح آب در مکانهاي آزمايشگاهي خاص تحت دامنه محدودي از شرايط آب و هوايي انجام شدهاند و يا بر پايه تشابه و تناسب بين انتقال گرما و جرم بدست آمدهاند.
مطالعه هاي زيادي براي بررسي نرخ تبخير انجام پذيرفته است [١،٢،٣،٤]؛ هرچند اکثر اين مدلها براي دامنه محدودي از Gr.Re٢ معتبر هستند. نرخ تبخير بر روي سطح آزاد بوسيله مکانيزم جابه جايي طبيعي به طور گستردهاي مورد بررسي قرار گرفته است [٥،٦]. به علاوه، برخي از محققان اثر جابه جايي اجباري بر نرخ تبخير را مورد بررسي قرار دادند. همچنين مطالعات اندکي بر رژيم جابه جايي مخلوط انجام گرفته است .
در گذشته تلاش هاي زيادي براي جمع آوري اطلاعات از تبخير بيروني (هواي آزاد) انجام شده است [٨،٦،٥]. بررسي و آزمايش هاي بيشتري نياز است تا مشخص شود کدام يک از روابط را مي توان براي پيش بيني نرخ تبخير براي جريانهاي هواي متحرک در نظر گرفت .
هدف از اين تحقيق بررسي شناخت پارامتر هاي گسترده موثر در استخر هاي داخلي که شامل سرعت هوا، دماي آب، رطوبت نسبي و اختلاف فشار بخار بر تبخير از سطح آزاد آب استخر و سطح مرطوب شده مي باشد. همچنين ، روابط گوناگوني که براي محاسبه نرخ تبخير بيان شده بيان مي شود.
تعاريف ضريب انتقال جرم جابه جايي براي تبخير آب به هوا
انتقال جرم در سطح مشترک بين مايع يا جامد و گاز پديده مهمي براي نظامهاي گوناگون مهندسي مي باشد. نرخ انتقال جرم در اين سطوح مشترک اغلب با استفاده از ضريب انتقال جرم جابه جايي توصيف مي شوند. بسته به مطالعه ي انجام گرفته ، گزينه هاي مختلفي براي تعريف ضريب انتقال جرم و نيروي محرک وابسته به آن وجود دارد.
به طور کلي بررسي هاي نظري نشان مي دهد که ضريب انتقال جرم جابه جايي مربوط به فشار بخار به عنوان نيروي محرک فقط تحت شرايط سيستم دما ثابت عملي مي باشد.. همچنين تنها در شرايط چگالي ثابت مي توان از ضرايب انتقال جرم جابه جايي مربوط به چگالي بخار استفاده نمود. اگر اين ضريب در شرايط غير دما ثابت استفاده شود پيش بيني دقيق شار جرمي فقط تحت شرايط کاملا مشابه محيط امکان پذير خواهد بود. در نتيجه پيشنهاد مي شود که از ضرايب انتقال جرم مرتبط با کسرهاي جرمي به عنوان نيروي دانشکده مهندسي مکانيک ، دانشگاه شيراز، شيراز ، ايران، ٢٦ لغايت ٢٨ ارديبهشت ١٣٩١ محرک استفاده شود. با اين تعريف ، وابستگي ضرايب انتقال جرم به دما، فشار کلي و رطوبت نسبي محيط از بين مي رود.
روابط کلي
تبخير از سيستم آب توسط ترکيب عوامل تبخير آزاد و اجباري رخ مي دهد. در عوض در ساير سيستم ها از قبيل استخرهاي شناي و استخرهاي نيروگاههاي راکتور هسته اي تنها در نتيجه ي تبخير آزاد مي باشند.
دالتون (کسي که قانون فشارهاي جزئي را تعيين نمود) اظهار داشت که تبخير با اختلاف فشار بخار در سطح آب و در هوا متناسب است که آن هم در تناسب سرعت باد مي باشد. پس از اين ، محققان زيادي شروع به بررسي تبخير بر پايه تعريف دالتون کردند. با انجام اندازه گيريهاي آزمايشگاهي زياد اکثر روابط رياضي منتشر شده براي نرخ تبخير آب گفته دالتون را تصديق مي کنند.
فرم کلي اين روابط تجربي براي نرخ تبخير آب به هواي متحرک با معرفي به عنوان سرعت هوا به شکل زير مي باشد:

که به ترتيب فشار بخار اشباع در سطح آزاد و محيط مي باشند.
تلاشهاي زيادي براي تعيين ضرايب c1 و c2 از پارامترهاي گوناگوني که در مقادير اين ضرايب دخالت دارند، نظير مساحت سطوح آب و شکل آنها، انجام پذيرفته است . با مشاهده بررسي هاي انجام شده مي توان چندين مقدار گزارش شده براي اين ضرايب پيدا کرد. اين اختلاف و تفاوت بين مقادير ضرايب ممکن است تا حدي به علت اين حقيقت باشد که نرخ تبخير آب تابع خطي ساده اي از اختلاف فشار بخار نمي باشد. نتايجي که بدست آمده است نشان مي دهد که نرخ تبخير براي سرعت هواي ثابت به طور خطي با اختلاف فشار بخار افزايش نمي يابد. پس اين ايجاب مي کند که نرخ تبخير آب احتمالا وابسته نمايي (تواني ) از اختلاف فشار بخار باشد.

به منظور تخمين نماي n در معادله (٣) روابط گوناگوني پيشنهاد شده است . بسياري از محققان n را ثابت در نظر گرفته اند، برخي از محققان آن را کمتر از يک بيان کردهاند، در حالي که برخي آن را بزرگتر از يک پيشنهاد داده اند. مطالعات و تحليل اطلاعات نشان مي - دهد که توان n تابع سرعت هوا مي باشد يا Gr.Re2 مي باشد.
بررسي آزمايش ها، نتايج و نمودارها
آزمايش هاي گوناگوني براي پي بردن به چگونگي تاثير عواملي که در تبخير آب وجود دارند انجام پذيرفته است . آزمايش هايي که محور مطالعه ما قرار گرفته اند بررسي روابط تبخير براي رژيم هاي مختلف تبخير و ارزيابي عوامل موثر بر نرخ تبخير آب در استخرهاي شناي مي باشد. آثار محدودهي وسيعي از رژيم هاي جابه جايي (آزاد، اجباري و ترکيبي از هر دو) بر نرخ تبخير به صورت آزمايشگاهي مورد مطالعه قرار گرفته است . همچنين اثر پارامترهاي گوناگون استخرها بر تبخير که شامل سرعت هوا، دماي آب، رطوبت نسبي و اختلاف فشار بخار مي شود را از سطح آزاد آب استخر و نيز از سطح مرطوب شده، بررسي شده است .
آزمايش اول
اين آزمايش توسط Tang و Etzio [٦] انجام پذيرفته است . هدف از اين آزمايش مطالعه بر نرخ تبخير آب از سطح آزاد آب و سطح مرطوب شده مي باشد. براي انجام آزمايش دو استخر در نظر گرفته شده است . در استخر اول يک حوله غوطه ور شده است که اين حوله به عنوان سطح مرطوب شدهي آزمايش استفاده شده است . استخر دوم به سادگي با آب پر شده است و سطح آب اين استخر به عنوان سطح آزاد آب مورد آزمايش در معرض باد قرار گرفته است .
پس از اندازه گيري و به کار گيري روابط و معادلات موجود و با در نظر گرفتن کمترين خطاي آزمايش ، معادله نهايي براي تبخير آب از سطح مرطوب شده (استخر١) و سطح آزاد آب (استخر ٢) به ترتيب به صورت زير مي باشد:

روابط بالا نشان مي دهد که نرخ تبخير آب از سطح مرطوب شده با سطح آزاد آب متفاوت مي باشد. شکل ١ مقايسه ي ضريب انتقال جرم وابسته به سرعت را در دو سطح مورد آزمايش در سرعت هاي باد مختلف نشان مي دهد. همان طور که از شکل مي توان مشاهده کرد وقتي مقدار اين ضريب در هر دو استخر برابر مي باشد.
براي اين مقدار براي استخر ١ از استخر ٢ بزرگتر است .
در اين حالت تبخير آزاد بر انتقال رطوبت بين سطح آب و هواي محيط حاکم مي باشد. سطح زبر حوله سطح تماس بزرگتري با هواي محيط دارد بنابراين از نرخ تبخير آب بالاتري نسبت به سطح آزاد آب آرام برخوردار است . براي شرايط برعکس مي باشد. در اين حالت جابه جايي افقي هواي عبوري از سرتاسر سطح آب بر انتقال رطوبت بين سطح آب و هواي محيط حاکم مي باشد. سطح زبر حوله اصطکاک بين خود و هوا را افزايش مي دهد و لايه مرزي ضخيمي از چگالي بخار تشکيل مي شود و در نتيجه نرخ تبخير آب کاهش مي يابد.

آزمايش دوم
اين آزمايش توسط Asdrubali [٧] انجام پذيرفته است . اين مطالعه قصد دارد با استفاده از نتايج آزمايشگاهي براي نرخ تبخير آب يک مدل مقياسي را پيشنهاد کند تا هر کسي با استفاده از آن بتواند با دقت تمام پارامترهايي که بر تبخير آب تاثير گذار است را کنترل کند.
با استفاده از روابط رياضي براي اعداد شروود، اشميت و رينولدز ضريب انتقال جرم( k ) را به صورت زير تعريف مي کنيم :

اگر k ضريب انتقال جرم مربوط به استخر شناي واقعي x و اندازه واقعي استخر شنا باشد، داريم :

با تعريف به عنوان ضريب مقياس داريم :

ضريب مقياس بين استخر شناي واقعي و مدل تقريبا ١٠ مي باشد. بنابراين براي بدست آوردن مقدار مقياس واقعي k از معادله (٨)، مقدار مقياس مدل بايد در ٣.١٦ ضرب شود.
مقدار k در هر چرخه مشابه اندازه گيري براي دادههاي گوناگون، ثابت باقي مي ماند؛ در حالي که هندسه سيستم و سرعت هوا متغير مي باشند. با مشخص بودن k مي توان نرخ جريان تبخير آب را به صورت تابعي از دماي آب، دما و رطوبت هوا بدست آورد.