بخشی از مقاله
چکیده
انرژی آزاد سطح و برهمکنش الکتریکی مایع چگالیده و سطح جامد، به همراه زاویه تماس به عنوان نتیجه این برهمکنش در فرایند چگالش قطره ای بررسی گردید . فرایند چگالش قطره ای روی سطح PTFE1 در فشار یک اتمسفر شبیه سازی شد . دادههای شبیه سازی با نتایج آزمایشگاهی و تئوری مقایسه گردید که حاکی از انطباق داده های شبیهسازی وانحراف دادههای تئوری با نتایج آزمایشگاهی میباشد.
برای اصلاح رابطه تئوری، نقش زاویه تماس در مقاومت های گرمایی موجود در فرایند انتقال گرمای چگالش قطره ای در نظر گرفته شد . محاسبه ضریب انتقال گرما توسط فرمول اصلاح شده نیازمند تعیین ضریب توزیع اندازه قطرهها است . برای بدست آوردن این ضریب، چگالش قطره ای بخارآب، روی سطوح مس و PTFE در فشار یک اتمسفر شبیه سازی شد و با بهینه سازی نتایج بدست آمده، رابطهای برای این ضریب بدست آمد . نتایج رابطه اصلاح شده با داده های آزمایشگاهی مقایسه گردید که حاکی از انطباق مناسب این دادهها با یکدیگر میباشد.
مقدمه
چگالندهها نقش مهمی در صنایع گوناگون، بویژه صنایع شیمیایی دارند . بهبود کارایی چگالنده ها، از
اهمیت ویژه ای در جهت بهینه سازی مصرف انرژی و حفاظت از محیط زیست، برخوردار می باشد و این
موضوع با شناخت کامل از پدیده چگالش وکارکرد چگالنده ها امکانپذیر است. انتقال گرما در چگالنده ها با تغییر فاز سیال عملیاتی همراه است، فرایند چگالش با توجه به شرایط عملیاتی به گونه های مختلفی مشتمل برچگالشهای فیلمی و قطره ای انجام می یابد. چگالش قطره ای با ضریب انتقال گرمای بسیار بزرگ تر از چگالش فیلمی که منجر به افزایش سرعت چگالش می شود، از اهمیت ویژه ای برخوردار است
. جنس سطح انتقال گرما نقش مهمی در تعیین نوع چگالش، میزان ضریب انتقال گرما و بازده کندانسور و در نهایت هزینههای عملیاتی دارد. بنابراین انتخاب جنس مناسب برای بدست آوردن بیشترین بازده و کمترین هزینه از اهمیت ویژه ای برخوردار است و این موضوع تنها با شناخت عمیق فرایند انتقال گرمای چگالش به ویژه چگالش قطرهای و بررسی نقش سطح در انتقال گرما تحقق مییابد.
روند چگالش قطرهای
ذره های بسیار ریز مایع تشکیل شده در فاز بخار مجاور سطح سرد - کلاسترها - ، در اثر برخورد با
یکدیگر، ذره های بزرگ تری را بوجود می آورند که به تدریج قابل رویت می شوند. پدیده تشکیل مه در
مجاورت سطح سرد پدیده چگالش حجمی 1 نامیده می شود. ابری شدن بخار و تشکیل مه در هوای سرد نتیجه تشکیل تعداد زیادی ذره کوچک کلاستراست ]ٌ.[ در اثر برخورد کلا سترها به سطح و وجود نیروی کشش سطحی بین ذرهها و سطح، ذره ها به سطح چسبیده و به تدریج لایه بسیار نازکی از مایع روی سطح سرد تشکیل میشود.
تشکیل ذرههای ریز مایع در بخار مجاور سطح سرد، منجر به افزایش خواص ترموفیزیکی بخار به مانند ضریب رسانش گرمایی، ظرفیت گرمای ویژه، چگالی، و ویسکوزیته شده و شدت انتقال گرما از سیال به سطح افزایش مییابد]ٌ.[ این موضوع سبب کاهش بیشتر دمای بخار و افزایش نرخ حجمی هسته زایی میشود، در نتیجه گرمای بیشتری در اثر چگالش بخار، آزاد شده و ضخامت لایه مایع چگالیده روی سطح افزایش میابد
با رسیدن ضخامت لایه مایع به حد بحرانی یک میکرومتر ]ٍ وَ[ ، نیروی کشش سطحی بین سطح و مایع چگالیده شده بر نیروی کشش بین مولکول های مایع غلبه مینماید و پیوستگی لایه مایع روی سطح از بین رفته و قطره های بسیار ریزی روی سطح سرد تشکیل می شوند. لازم به تذکر است که در ابتدا نرخ گرمای منتقل شده از سیال به سطح بسیار بیشتر از نرخ گرمای نهان تبخیر تولیدی در اثر چگالش میباشد و دلیل آن کوچکی ذرههای مایع و بالابودن ضریب انتقال گرما است که منجر به کاهش مقاومت گرمایی می شود.
در نتیجه سرعت تشکیل کلاسترها افزایش یافته و با پیوستن آن ها به قطره های روی سطح، به تدریج قطر قطرهها افزایش می یابد. افزایش قطر قطره ها در اثر برخورد ذره های مایع درون بخار به سطح قطره را پدیده رشد قطره به واسطه چگالش مستقیم می نامند.2 در این شرایط نرخ پیوستن مولکول های مایع به قطرههای روی سطح بسیار بیشتراز نرخ فرار آن از سطح مایع است . با افزایش تدریجی قطر قطره ها، و درنتیجه افزایش مقاومت رسانش گرمایی بین سطح و بخار، از شدت گرمای تولیدی توسط چگالش به تدریج کاسته میشود. با یکسان شدن شدت گرمای منتقل شده از سیال به سطح با شدت گرمای انتقالی از بخار به سطح، سرعت جذب مولکولهای بخار به سطح قطرهها با سرعت فرار مولکولها به سیال برابر میشود]ُ.[ در این حالت افزایش قطر قطره ها متوقف شده و توزیع دما در مجاورت سطح پایا می شود و تعادل گرمایی، بین مایع چگالیده شده و بخار مجاور آن برقرار میشود.
افزایش قطر قطرهها منجر به کاهش فاصله قطره ها از یکدیگر می شود، در اثر وجود نیروی کشش سطحی، قطرهها به یکدیگر می پیوندند و قطره های بزرگتری را به وجود می آورند]ُ.1[ پس از آن قطره ها تحت تاثیر نیروهای خارجی به مانند نیروی گرانش یا نیروی ناشی از جریان آزاد سیال، به تدر یج سطح سرد را ترک میکنند و با تهی شدن سطح، روند تشکیل قطرهها، در چگالش قطرهای تداوم مییابد.
شکل - ٌ - : نمایش روند چگالش قطرهای روی سطح ]ُ.[
سرعت چگالش
فرایند انتقال جرم در فصل مشترک مایع- بخار توسط شراگ2 بر اساس تئوری توزیع سرعت ماکسول بررسی گردید و شدت تشکیل قطرههای مایع چگالیده روی سطح سرد را از تفاضل شدت جذب مولکول های بخار به سطح قطره، و شدت فرار مولکول ها از سطح به بخار بدست آورد . رابطه زیر شار جرمی قطره های به وجود آمده را پیش از برقراری تعادل گرمایی و پس از آن تعیین میکند
• و e به ترتیب ضریب های جذب و دفع مولکول های مایع، Tv و Ti به
m شار جرمی خالص چگالش، c
ترتیب دماهای توده بخار و فصل مشترک قطره مایع و بخار، ثابت جهانی گازها ، v فشار توده بخار
