بخشی از مقاله
تدوين نقشه رژيم چگالش براي پديده چگالش تماس مستقيم جت بخار در جريان آب در لوله عمودي
خلاصه
چگالش تماس مستقيم به طور گستره در کاربردهاي صنعتي که نيازمند انتقال حرارت و جرم با بازده بالاتر هستند، مورد استفاده قرار ميگيرد. آزمايش ها و تحليل هاي عددي متعددي در خصوص اين پديده در آب ساکن استخر انجام شده است ؛ با اين حال ، چگالش تماس مستقيم بخار در جريان آب هنوز به طور کامل بررسي نشده است . در اين پژوهش ، آزمايش هايي جهت بررسي چگالش تماس مستقيم بخار در جريان آب درون لوله عمودي مربعي شکل انجام شده است . در اين مطالعه ، شکل توده بخار، که از مشخصه هاي اصلي چگالش مي باشد، بررسي و چهار شکل مختلف توده (نيم کره اي، مخروطي، استوانه اي و واگرا) در اين پژوهش آزمايشگاهي مشاهده شده است . توزيع اين شکل ها به وسيله يک نمودار سه بعدي رژيم چگالش که تابع سه پارامتر شار جرمي بخار، دماي آب و رينولدز جريان آب است نيز ارائه شده است .
کلمات کليدي: نقشه رژيم چگالش ، چگالش تماس مستقيم ، تغيير فاز، بررسي آزمايشگاهي، تزريق بخار
١. مقدمه
چگالش تماس مستقيم جت بخار تزريق شده در آب مادون سرد يک روش موثر براي انتقال سريع و بدون واسطه حرارت به آب ميباشد. به دليل بازده بالاي آن در انتقال حرارت و جرم و نيز هندسه ساده تجهيزات ، اين پديده داراي کاربردهاي فراواني در صنعت از قبيل سيستم هاي حفاظت رآکتورهاي هسته اي، سيستم هاي پيشرانش زيرآبي و گرم کن هاي تماس مستقيم آب تغذيه ديگ هاي بخار نيروگاهي مي باشد و به همين دليل ، اهميت بالايي در سال هاي اخير يافته است . به طور کلي، در فرآيند چگالش تماس مستقيم جت بخار در آب ، بخار با سرعت بالا در آب تخليه مي شود و پس از تشکيل يک توده خالص بخار و در تماس با آب ، مستقيما در محل سطح ميان دو فاز چگاليده مي شود. در اغلب
کاربردهاي اين پديده ، رفتار سطح ميان دو فاز، شکل جت بخار، طول توده و نوسانات فشار و دما از اهميت بالايي در طراحي مهندسي برخوردار است .
به دليل پيچيدگي الگوهاي جريان ، تحليل تئوري پديده چگالش تماس مستقيم ، امري بسيار پيچيده است . از اين رو،
اکثر پژوهشگران از بررسي هاي آزمايشگاهي و عددي براي تعيين و پيش بيني رفتار و شکل توده استفاده مي کنند.
پژوهش هاي قبلي يافته اند که مشخصات توده جت بخار بستگي به شرايط کاري و هندسي سيستم دارد [١-١٢]. اين بررسي ها در راستاي مشخص کردن پارامترهاي موثر و کمي سازي تأثير آنها بر سه حوزه تمرکز داشته است : ١- محاسبه شکل و طول توده بخار، ٢- تخمين ضريب انتقال حرارت متوسط چگالش تماس مستقيم ، ٣- تدوين نقشه رژيم چگالش .
کرني و همکاران [١] نخستين افرادي بودند که با بررسي بخار تزريق شده در استخر آب ، رابطه اي تجربي براي طول توده بخار را تابعي از شار جرمي بخار، دماي آب و مدول متوسط انتقال ارائه کردند. ساير پژوهشگران نيز رابطه آنها را بر اساس داده هاي تجربي خود اصلاح کردند. چان و لي [٢] جت رو به پايين بخار درون يک استخر آب را در شارهاي جرمي پايين بخار مورد بررسي قرار دادند و سه الگوي جريان (نوساني، خفگي و حبابي) را مشاهده کردند. آنها همچنين نمودار رژيم چگالش بر حسب شار جرمي بخار و دماي استخر رسم کردند. چون و همکاران [٣] نيز شارهاي جرمي بالاي بخار را در طي تزريق بخار در استخر آب بررسي و دو شکل مخروطي و بيضوي را در طي آزمايش هاي خود مشاهده کردند.
ويت و همکاران [٤, ٥] ضمن مشاهده چهار شکل کروي، مخروطي، بيضوي و واگرا در هنگام تزريق جت بخار در استخر آب ، با افزودن تأثير قطر خروجي نازل بخار، يک نمودار سه بعدي رژيم چگالش بر اساس داده هاي آزمايشگاهي خود ارائه کردند. آنها همچنين يافتند که طول توده بخار در جريان آب حدود ٦٠ درصد کمتر از طول توده بخار در استخر آب ميباشد. وو و همکاران [٦-٨] با بررسي چگالش جت مافوق صوت بخار در آب ساکن ، يافتند که شکل توده بخار در هنگامي که به صورت مافوق صوت در آب تزريق ميشود متفاوت از حالت مادون صوت بوده و بسته به شرايط جريان ، حالت انقباضي يا انبساطي و يا ترکيبي از آنها را به خود ميگيرد و شش شکل مختلف را تشکيل ميدهد. داهيکار و همکاران [٩] نيز با استفاده از روش هاي آشکارسازي PLIF و PIV به بررسي الگوهاي جريان در فرآيند چگالش تماس مستقيم بخار در استخر آب پرداختند.
ژو و همکاران [١٠] جزو معدود پژوهشگراني بودند که به بررسي آزمايشگاهي پديده چگالش تماس مستقيم جت پايدار بخار در جريان آب پرداختند. آنها ضمن بررسي تأثير عدد رينولدز جريان آب ، پنج شکل کروي، مخروطي، بيضوي، استوانه اي و واگرا را در هنگام تزريق جت پايدار بخار در جريان آب مشاهده کردند.
با اين وجود، پژوهش هاي اندکي بر روي چگالش تماس مستقيم جت بخار در جريان آب صورت پذيرفته است و اطلاعات اندکي در اين زمينه موجود است . از اين رو، پژوهش آزمايشگاهي حاضر، به بررسي يک خصوصيت چگالش جت بخار در جريان آب در يک لوله مکعبي عمودي، که شامل شکل توده بخار ميشود، ميپردازد. همچنين تأثير پارامترهاي مختلف جريان ، شامل جريان جرمي بخار، دماي آب و عدد رينولدز جريان آب ، بر روي اين خصوصيت پديده چگالش مستقيم جت بخار در جريان آب مورد بحث و بررسي قرار مي گيرد و در پايان ، توزيع شکل هاي توده بخار بر حسب پارامترهاي مختلف جريان در نمودار سه بعدي رژيم چگالش ارائه مي گردد.
٢. دستگاه و روش آزمايش
عمده ترين بخشهاي دستگاه چگالش بخار درون جريان آب در لوله عمودي را سه قسمت خط تامين بخار آب ، خط
تامين آب و محفظه آزمايش تشکيل ميدهد که اين قسمتها در شکل ١ قابل مشاهده است .
شکل ١- نمودار شماتيک دستگاه آزمايش ؛ ١) مخزن آب ، ٢) پمپ آب ، ٣) مخزن تغذيه ديگ بخار، ٤) پمپ تغذيه ديگ بخار، ٥) ديگ بخار، ٦) اوريفيس ، ٧) محفظه آزمايش ، ٨) دوربين سرعت بالا، ٩) مخزن خروجي.
مهم ترين بخش قسمت تامين بخار، ديگ بخاري است که بخار اشباع را به صورت پيوسته براي انجام آزمايش تامين
مينمايد. فشار بيشينه توليدي توسط اين ديگ بخار برابر با bar ٥ و بيشترين حد دبي بخار براي اين ديگ بخار kg.hr
٩٠ است . در مسير انتقال بخار به قسمت محفظه آزمايش يک فلنچ به همراه اوريفيس تعبيه شده است که از اين طريق ميتوان بوسيله دو خروجي از طرفين اوريفيس که به يک ترنسميتر اختلاف فشار با دقت kPa ٠.٠٠١ متصل شده اند، دبي جريان بخار را اندازه گيري کرد. خط انتقال بخار به محفظه آزمايش نيز توسط شيرهايي براي قطع و وصل جريان بخار در مواقع لزوم مجهز شده است و در پايان ، اين خط به نازل تزريق بخار درون آب درحال جريان منتهي مي گردد.
بخش تامين آب اين دستگاه از يک پمپ سانتريفيوژ با توان kW ١ تشکيل شده است که آب تغذيه آزمايش را از مخزني با حجم ٠.٥ متر مکعب و از طريق خط لوله اي به محفظه آزمايش پمپ مي کند. در مسير اين خط لوله ، يک روتامتر که بازه ١-١٠ متر مکعب در ساعت را با دقت ٤ درصد اندازه گيري ميکند، براي اندازه گيري دبي جريان آب و همچنين چندين شير دروازه اي به همراه يک شير يک طرفه تعبيه شده است و در پايان ، اين خط لوله به محفظه آزمايش ختم ميشود. مخزن تامين آب نيز به يک گرمکن به منظور کنترل دماي آب تغذيه مجهز شده و اين مخزن نيز به وسيله يک خط لوله و يک مسير برگشت به پمپ دستگاه متصل است .
محفظه آزمايش نيز از يک لوله عمودي با فريم هاي فولادي و مقطع مربعي به اندازه داخلي ٨ و ارتفاع ٥٠ سانتي متر تشکيل شده است که از چهار طرف داراي پنجره هاي شيشه اي براي مشاهده پديده و عکس برداري است . نازل خروجي بخار نيز که در اين قسمت از دستگاه قرار دارد از جنس فولاد با قطر داخلي ٧.١ ميلي متر بوده و براي عکس برداري از دوربيني سرعت بالا با مدل KC-C٠٣٢-GRAS ساخت شرکت Point Grey استفاده شده است که براي عکس برداري از پديده ، بر روي سرعت ١٠٠ فريم بر ثانيه تنظيم شده است .
جهت انجام آزمايش ها، ابتدا به وسيله گرمکن ، آب درون منبع به دماي مورد نظر رسانده شده و سپس آب تغذيه به وسيله پمپ به محفظه آزمايش انتقال داده مي شود. پس از آن ، با باز کردن شير خروجي ديگ بخار، آب و هواي داخل لوله ها خالي شده و سپس بخار به صورت اشباع به داخل محفظه ، تزريق ميگردد و در همين حين نيز به وسيله دوربين از پديده عکس گرفته ميشود. شرايط آزمايش در پژوهش حاضر در جدول ١ ارائه شده است .
٣. نواحي و رژيم هاي مختلف پديده چگالش تماس مستقيم
- نواحي مختلف پديده چگالش تماس مستقيم
صرف نظر از اين که پديده چگالش تماس مستقيم در آب چگونه و با چه شکل توده بخاري اتفاق مي افتد، تزريق بخار درون آب داراي چهار ناحيه متمايز است که در شکل ٢ نشان داده شده است . اولين ناحيه که در خروجي نازل تشکيل مي گردد، بخار خالص است که به توده بخار معروف است . سطح خارجي توده بخار نيز که چگالش بخار از آنجا آغاز ميگردد، سطح مشترک فازها نام دارد. در اين ناحيه ، بخار تزريق شده به آب گرماي خود را به آب انتقال مي دهد و باعث ايجاد ناحيه سوم ميگردد. ناحيه سوم که به ناحيه دوفازي شناخته ميشود، مخلوطي از حباب هاي بخار و آب گرم است که اين آب گرم محصول چگالش در ناحيه دوم است . در پايان نيز ناحيه چهارم ، که جريان آب مي باشد را مي توان مشاهده
کرد.
شکل ٢- نواحي مختلف در پديده چگالش تماس مستقيم جت بخار در جريان آب
٤
توده بخار اولين ناحيه اي است که بلافاصله پس از خروجي نازل تشکيل مي شود و با تقريب بالايي ميتوان آن را بخار خالص در نظر گرفت . اين ناحيه ، بسته به شرايط جريان ، شکل هاي مختلفي به خود مي گيرد. با توجه به آزمايش هاي انجام شده ، شکل ها متفاوتي مشاهده مي شود. اين شکل ها ميتوانند يا به صورت يک شکل هندسي قابل تشخيص از قبيل نيم کره اي ، مخروطي، استوانه اي و واگرا و يا اين که به صورت يک حباب يا به صورت يک توده کوچک با سطح نوساني در خروجي نازل باشند.
سطح مشترک بين فازها دومين ناحيه در اين پديده است که سطح خارجي توده بخار را در بر ميگيرد. اين ناحيه به عنوان مرزي بين توده بخار و آب گرم اطراف آن است و پديده چگالش که شامل انتقال حرارت و انتقال جرم است ، در اين مرز اتفاق مي افتد. گستردگي اين ناحيه به ميزان بخار تزريق شده به آب وابسته است و از طرفي اين ناحيه را نمي توان به صورت قطعي تشخيص داد. اين ناحيه به گردابه هاي ايجاد شده و دماي آب اطراف توده بخار بستگي دارد. با تشخيص اين مرز ميتوان طول توده بخار را اندازه گيري کرد که اين امر با استفاده از دوربين سرعت بالا امکان پذير مي باشد.
اندازه سطح مشترک فازها هم به نرخ چگالش وابسته بوده و هم بر اين نرخ تاثير گذار است . اگر سطح مشترک فازها کوچک باشد انتقال جرم و حرارت نيز کم است و چگالش با سرعت پاييني رخ مي دهد. اما اگر توده بخار بزرگ باشد، اندازه سطح مشترک فازها نيز بزرگ بوده و نرخ چگالش افزايش ميابد. چگالش سريع از طريق سطح مشترک فازها باعث ناپايداري توده بخار و در نتيجه فروپاشي حبابها ميشود که به دليل کافي نبودن ميزان بخار نسبت به نرخ چگالش مي باشد.
ناحيه سوم که در مجاورت سطح مشترک فازها قرار دارد ناحيه دوفازي است که در آن آب گرم و حباب هاي بخار که در نزديکي دماي اشباع قرار دارند و داراي حرکت توربولانسي است ، قرار دارد. اين حرکت توربولانسي که از چگالش بخار ناشي مي گردد تاثير بسزايي بر شکل گيري سطح مشترک فازها و چگالش آن از اين طريق دارد.
در ناحيه چهارم شامل آب در حال جريان يا ساکن که توده بخار و ناحيه آب گرم را دربر گرفته است ، مي باشد.
سرعت آب در اين ناحيه به صورت مستقيم بر حرکت اغتشاشي ناحيه آب گرم و در نتيجه بر شکل توده بخار و ضريب انتقال حرارت موثر است . اين ناحيه بسته بر شرايط جريان ميتواند يک فاز و يا دوفاز متشکل از آب و حبابهاي چگالش نيافته بخار باشد. مشاهدات آزمايشگاهي نشان ميدهد که اين ناحيه به صورت مستقيم تحت تاثير تشکيل و فروپاشي توده بخار که متنج شده از فشار نوساني در آب است مي باشد.
- رژيم هاي جريان چگالش تماس مستقيم
رفتار ديناميکي و هندسي شکل توده بخار خود به سه رژيم اصلي تقسيم بندي مي شود: ١) رژيم خفگي، ٢) جت پايدار، ٣) رژيم نوساني .
١. رژيم خفگي
اين رژيم معمولا در دماهاي آب کم و دبي هاي پايين بخار، هنگامي که رينولدز آب بالا است ، اتفاق ميافتد. از ويژگي هاي اين رژيم مي توان به اين موضوع اشاره کرد که توده بخار به شدت به نازل خروجي نزديک بوده و تقريبا مسطح است . همانطور که در شکل ٣ نشان داده شده است ، در اين نوع رژيم معمولا توده بخار به صورت پيوسته به بيرون از نازل و داخل آن در حال حرکت است و علت آن اين است که نرخ بخار تزريق شده به آب از نرخ چگالش کمتر بوده و لذا آب اطراف به درون نازل تزريق وارد ميگردد.
شکل ٣- نمايش رژيم خفگي در بازه ms ٦ در دماي oC٢٠، در جريان آب با رينولدز ٢٣٨٦٧ و دبي جرمي بخار 240 kg.m2s
٢. جت پايدار:
براي نرخ هاي بالاتر جريان ورودي بخار، ناحيه توده بخار، شکل و طول هندسي تقريبا ثابتي را به خود مي گيرد. اين نوع از چگالش جت پايدار ناميده ميشود، که شکل و اندازه آن بستگي به شرايط کاري جريان دارد. به طور کلي، توده بخار چهار شکل اصلي به خود مي گيرد که شامل شکل هاي نيم کره اي ، مخروطي، استوانه اي و واگرا مي باشد.
٣. رژيم نوساني:
معمولا در دماهاي پايين آب تغذيه و دبي هاي پايين بخار تزريقي به محفظه اختلاط ، جت بخار داراي سطح مشترک فازها مشخص و پايداري است . ولي در دماهاي بالاي آب اين سطح به صورت نوساني و ناپايدار شکل مي گيرد. در اين شرايط مرز بين توده بخار و ناحيه آب گرم ديگر پايدار نبوده و داراي حرکت نوساني رفت و برگشتي مي باشد. اين پديده که در آن توده بخار داراي طول پايداري نبوده و حرکت رفت و برگشتي دارد، به رژيم نوساني معروف است .
٤. نتايج و بحث
- طول توده
