بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مطالعه آزمایشگاهی فرکانس حباب در فرایند جوشش استخری بر روی استوانه افقی مس و فولادضد زنگ
چکیده
در این پژوهش، فرکانس جدایش حبابها در جوشش استخری محلول 40 درصد حجمی آب و ایزوپروپانل بطور تجربی اندازه گیری شده است ؟به این منظور دستگاه ویژه ای طراحی و ساخته شد و فرایند جوشش محلول بر روی یک هیتر استوانه ای افقی از جنس مس و فولاد ضد زنگ در محدوده ی گسترده ای از شار حرارتی و فشار اتمسفر مورد مطالعه قرار گرفت ؟در شار های حرارتی مختلف فیلم هایی با قابلیت 1200 فریم در ثانیه توسط یک دوربین فیلمبرداری دیجیتالی پیشرفته گرفته شد و به کمک فیلمها فرکانس حبابها تعیین گردید. نتایج تجربی نشان داد که با افزایش شار حرارتی مقدار فرکانس تشکیل حبابها نیز افزایش می یابد ؟نتایج تجربی با داده های تخمینی از مدلهای موجود برای فرکانس تشکیل حبابها مقایسه و بهترین مدل معرفی گردید.
واژه های کلیدی
جوشش استخری، فرکانس حباب ، استوانه افقی
مقدمه
بسیاری از فرایندهای مهندسی شیمی شامل فرآیند جوشش میشوند برای مثال در فرآیند سیکلهای قدرت با تغییر فاز مایع به بخار با توجه به بخش خاصی از سیکل که مورد بررسی قرار گرفته است روبرو هستیم .در یک سیکل قدرت، مایع تحت فشار در دیگ بخار به بخار تبدیل میشود .تبخیرکننده که فرآیند جوشش در آن رخ میدهد از اجزاء اصلی سیکل قدرت به حساب میآید .طراحی صحیح این اجزاء ایجاب میکند که فرآیندهای تغییر فاز به خوبی شناخته شوند .نرخ بالای انتقال حرارت،معمولاً در جوشش مطرح میگردد و این حقیقت، طراحان را به طراحی مبدلهای حرارتی فشرده رهنمون میکنند.[ 1,2]
؟تجزیه و تحلیل جوشش نیاز به پیش بینی فرکانس حباب در هر موضع دارد ؟محاسبه بهتر نرخ انتقال گرما و ضریب انتقال حرارت جوشش، قطر حبابها و دانسیته مواضع فعال هسته زایی نیازمند دانستن این پارامتر است ؟هرچند که مکانیسم های حاکم بر ناحیه جوشش هسته ای بطور گسترده ای مورد مطالعه قرار گرفته، ولی مدلهای ریاضی جامع و قابل اعتماد هنوز ارائه نشده است؟ جوشش دارای ریز مکانیسم ها و زیر پدیده هایی است که پیشگویی و درک این پدیده را بسیار پیچیده و مشکل می سازد ؟یکی از این زیر پدیده ها، فرایند حباب زایی و فرکانس تولید حباب می باشد که به صورت رابطه (1) تعریف شده است.
که Tgمدت زمان لازم از لحظه شروع رشد حباب تا لحظه جدایی حباب از سطح و Tw زمان مورد نیاز برای گرمایش لایه مایع جدید و هسته زایی حباب بعدی روی همان مکان مولد حباب تعریف شده است.. [3] بررسی پژوهش های انجام شده نشان می دهد که پدیده فرکانس تولید حباب به طور گسترده ای در فرایند جوشش مورد بررسی قرار گرفته است؟
جاکوب [3] (Jacob)کشف کـرد کـه حاصلضـرب فرکـانس و قطـر جدایی حباب برابر با یک عدد ثابت است.زوبر [4] (Zuber)این ثابت را با سرعت برخواست حباب مرتبط ساخت. ای وی [5] (Ivey)سه رابطه به صورت حاصلضـرب فرکـانس تولیـد حبـاب در تـوان هـای مختلف از قطر حباب را در سه ناحیه (1): ناحیه هیدروداینامیک که نیروهای غوطه وری و دراگ حاکم هستند;(2) ناحیـه انتقـالی کـه نیروهای غوطه وری، دراگ و کشش سطحی حاکم هستند (3) ناحیه ترمودینامیک که مکانیسم رشد حباب حاکم است ارائه داده است.
پارامترهای به ترتیب دانسیته بخار، دانسیته مایع، شتاب گرانش، کشش سطحی، زمان انتظار، زمان رشد حباب، قطر حباب و فرکانس تولید حباب هستند ؟هر چند روابط ارائه شده دارای دقت یکسان نیستند اما هر یک از این محققان به فاکتور یا مجموعه ای از عوامل خاص در تعیین فرکانس تولید حباب توجه داشته اند ؟عواملی همچون دانسیته فاز مایع و بخار، کشش سطحی، زبری سطح و شرایط فیزیکی و هندسی محیط و ؟؟؟ همگی از عواملی هستند که بر روند حباب زایی موثر می باشند.
دستگاه آزمایشگاهی :
دستگاه مورد استفاده برای جمع اوری و اندازه گیری داده ها موسوم به دستگاه جوشش استخری گارنفلو می باشد .این دستگاه از یک استوانه با سطحی صاف و از جنس فولاد ضد زنگ و مس ساخته شده است که درون یک محفظه از جنس شیشه با قابلیت تحمل حرارتی بالا قرار دارد .در روی سطح هر استوانه چهار عدد ترموکوپل قرار دارد که در هر لحظه میانگین حسابی دمای این چهار ترموکوپل پس از تصحیح نهایی نشان دهنده دمای سطح این استوانه می باشد . در مرکز این استوانه هیتر اصلی آزمایش قرار دارد که در نزدیکی نقطه جوش وارد عمل شده وپدیده جوشش استخری به کمک این هیتر صورت می گیرد .شکل شماره((1 و (2) جزئیات کامل دستگاه را نشان می دهند.
برای کاهش مقاومت تماس حرارتی میان ترموکوپل و سوراخها از خمیر سیلیکون استفاده می گردد . .ولتاژ لازم توسط منبع برق شهری تامین شده و به وسیله یک اتوترانس تنظیم می گردد .به منظور حذف زبری، سطح استوانه توسط کاغذ سمباده یکنواخت با زبری 400 میکرومتر پالیش شده و با روغن جلادهی ریز پالیش شده است و به منظور عملکرد دقیق سنسور های دمایی ، قطر این سنسور ها 2 میلی متر و طول آنها 100 میلی متر در نظر گرفته شده است . ظرف ازمایش به طور تقریبی در حدود 4 لیتر حجم دارد . همچنین یک کندانسور جهت بازگردانی بخارات ناشی از فرایند جوشش در بالای ان تعبیه شده است .اساس انجام این آزمایش بر قانون سرمایش نیوتن (رابطه (1 استوار است :
که در آن Twدمای سطح استوانه وTsat که دمای اشباع مایع اطراف استوانه می باشد .همچنین برای ثبت نتایج مربوط به قطر از یک دوربین canon Eos 300D DIGITAL با قابلیت فیلمبرداری 1200 فریم در ثانیه و قایلیت عکسبرداری 60 فریم در ثانیه استفاده شده است که علاوه بر ثبت تصاویر دقیق و با کیفیت بسیار بالا امکان تحلیل تصاویر را توسط نرم افزار های پیشرفته ای از قبیل Ediuse را به وجود می آورد .
نتایج آزمایشگاهی :
آزمایش ها برای محلول 40 درصد حجمی آب و ایزوپروپانل در فشار اتمسفری، در گستره شار حرارتی 2000 تا 80000 وات بر متر مربع برای هیترهایی از جنس مس و فولاد ضد زنگ انجام شد و تصاویر مورد نیاز در هر مرحله از آزمایش ثبت و سپس مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت؟
شکل (4) و (5) وضعیت فرکانس حباب برای محلول آب و ایزوپروپانل بر اساس شار حرارتی برای هیتر با جنس مس و
فولادضدزنگ را نشان می دهد همچنین نتایج پیش بینی سایر معادلات نیز آمده است
