بخشی از مقاله
چکیده
نحوه تشکیل قطره در فرایند چگالش بخار بر اساس قوانین ترمودینامیکی و تغییرات انرژی گیبس با کاربرد روشهای عددی به منظور ارزیابی دو فرضیه بررسی گردید . نتایج بدست آمده از کاربرد تئوری-های موجود و دینامیک سیالات محاسباتی یک سیستم در حال چگالش نشان می دهد که در ابتدا یک لایه بسیار نازک از مایع چگالیده سطح سرد را پوشانده و پس از رسیدن ضخامت به مقدار بحرانی یک میکرومتر، لایه تشکیل شده گسسته می شود و قطره های بسیار ریز مایع روی سطح تشکیل می گردند. در ضمن بر اساس نتایج مدلسازی و شبیه سازی انجام یافته در این پژوهش ضریب چگالش بخار آب در فشار ًَ/ً اتمسفر َُِِ/ً بدست آمده است و تایید کننده نتایج حاصل ازتحلیل فرایند انتقال جرم در فصل مشترک بخار- مایع و مقاومت های گرمایی موجود در یک قطره منفرد تشکیل شده در فرایند چگالش قطرهای میباشدکه ضریب چگالش بخار آب را در فشارهای کم در محدوده ٍ/ً تا ّ/ً تخمین میزند.
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 گونههای مختلفی مشتمل برچگالشهای فیلمی و قطرهای انجام مییابد، - شکلٌ - . چگالش قطرهای با ضریب انتقال گرمای بسیار بزرگ-تر از چگالش فیلمی که منجر به افزایش سرعت چگالش می شود، از اهمیت ویژه ای برخوردار است . کنترل سرعت چگالش توسط مشخصه ای به نام ضریب چگالش 1 انجام میپذیرد و برای تعیین مقدار آن، پژوهش - های فراوانی در زمینه تئوری سینتیک مولکولی و سرعت هسته زایی صورت گرفته است . بر اساس آزمایش-های انجام یافته توسط پژوهشگران متعدد مقدار این ضریب در یک دامنه گزارش شده است. تعیین مقدار دقیق این ضریب به افزایش دقت محاسبه سرعت چگالش، ضریب انتقال گرمای چگالش، و در نتیجه طراحی دقیق چگالندهها منجر میشود.
×ٌّ چگونگی تشکیل قطره روی سطح
دو فرضیه برای توصیف چگونگی تشکیل قطره روی سطح وجود دارد]ٍ و َ: [
الف - تشکیل ذرات مایع در مکان های تشکیل هسته : بر اساس این نظریه قطرات مایع چگالیده روی سطح سرد تنها در مکان های تشکیل هسته 1، به صورت ناهمگن به وجود می آیند و در صورت بیشتر بودن شعاع ذرات از شعاع تعادلیشان2 ذرات رشدکرده و با پیوستن به ذرات مجاور خود بزرگ تر شده و قطره را به وجود میآورند. با افزایش جرم قطره تشکیل شده و رسیدن به یک حد مشخص، قطره تحت تاثیر نیروی گرانش و یا نیروی کشش ناشی از جریان بخار از روی سطح حذف می گردد، و تشکیل قطرهها در محلهای قطرهزایی ادامه مییابد. این فرضیه برای نخستین بار توسط یوچن 3 در سال ٌَُْ مطرح شد]ٍ.[ بعد از آن پژوهش-های زیادی جهت اثبات آن صورت گرفت که از آن جمله پژوهش های آزمایشگاهی چگالش قطره ای توسط مک کرمیک4 و بیر5 در سال ٌَُّ می باشد.
ب - فرضیه تشکیل فیلم : بر اساس این نظریه در ابتدا لایه نازکی از مایع چگالیده شده سطح سرد را پوشانده و ضخامت آن تا رسیدن به ضخامت بحرانی در حد یک میکرومتر، افزایش می یابد و سپس قطره های مایع شکل میگیرند. این نظریه برای نخستین بار توسط کری6 در سال ٌٍُُ مطرح شد]ٍ.[
ٍ-ٌ- پتانسیل شیمیایی و نحوه تشکیل قطره پس از قرارگرفتن بخار در مجاورت سطحی با دمایی کمتر از دمای اشباع بخار مجموعه ای از تحولات انجام مییابد، نخست در اثر رسانش گرمایی بین سطح و سیال مجاور، گرما از سیال به سطح منتقل شده و دمای بخار کاهش می یابد. در اثر کاه ش پتانسیل شیمیایی سیال، بر اساس رابطه ترمودینامیکی استفان مکسول 1 - رابطه ٌ - ، با کاهش دما تحت شرایط فشار ثابت انرژی گیبس افزایش یافته و سطح انرژی زیاد میشود.
در ضمن بر اساس قانون دوم ترمودینامیک، فرایندها همواره در جهت کاهش سطح انرژی و رسیدن به
بیشترین بی نظمی پیش می روند، لذا هرگاه در جریان فرایندی تغییرات انرژی گیبس منفی و تغییرات انتروپی مثبت باشد، فرایند به صورت خودبه خودی انجام می یابد. لذا با کاهش دما و افزایش سطح انرژی بخار، فرایندی خود به خودی در جهت کاهش سطح انرژی ص ورت می گیرد، که این کاهش با آزاد شدن انرژی انجام میشود]ُ. [
ٍ-ٍ- شعاع تعادلی و نرخ هستهگذاری
انرژی آزاد گیبس مولکولها با تداوم آزاد شدن گرما و کاهش سطح انرژی، به تدریج تقلیل یافته تا به کمترین مقدار خود برسد. در این شرایط کوچکترین ذره مایع چگالیده یا به عبارتی هسته2 تشکیل میگردد. شعاع کوچکترین هسته که در آن انرژی آزاد گیبس به پایین ترین سطح خود رسیده باشد، شعاع تعادلی هسته نامیده میشود. برخورد هستهها به یکدیگرسبب تشکیل ذرههای بزرگتری به نام کلاستر3 میشود]ِ. [
مقدار تغییر انرژی آزاد گیبس n اتم تشکیل دهنده یک ذره کروی به مساحت سطح A ، ویا به شعاع r به
صورت زیر تعریف میشود:
که در آن Gv تغییر انرژی آزاد گیبس در واحد حجم عبارت است از:
که در آن k ثابت بولتزمن، Pv فشاربخار، کشش سطحی یا انرژی در واحد سطح، Ps فشاربخار اشباع، Vm
حجم مولکولی، R ثابت گازها، و Gs انرژی آزاد گیبس بخار اشباع میباشند.
بر اساس رابطه بدست آمده با افزایش اختلاف فشار بخار و فشاربخار اشباع، انرژی آزاد گیبس کاهش یافته و در نتیجه سطح انرژی کاسته می گردد. بنابراین با افزایش فشار بخار در دمای ثابت، سرعت کاهش سطح انرژی بیشترشده و چگالش با شدت بیشتری انجام میگیرد.
