تبخیر و میعان

مقدمه

فرآیند های جوشش(Boiling)  و میعان(Condensation)  نقش بسیار مهمی در انتقال حرارت دارند. به عنوان نمونه در نیروگاه های حرارتی و هسته­ای و در تصفیه و تبرید، این فرآیندها نقش اساسی بازی می­کنند.

جوشش:

فرآیند جوشش برای همه آشناست ولی چگونگی تولید حباب­های بخار، فرآیند بسیار جالب و پیچیده­ای دارد. به دلیل کشش سطحی، فشار بخار داخل یک حباب از فشار سیال اطراف آن بیشتر است و هرچه قطر حباب کوچک­تر باشد این اختلاف فشار بیشتر است. وقتی اندازه حباب بزرگ می­شود این اختلاف ناچیز است. فشار داخل یک حباب، فشار بخار مربوط به دمای سیال اطراف حباب است. بنابراین زمانی که هیچ حبابی وجود ندارد و یا تعداد آنها بسیارکم است (ممکن است دمای مایع درسطح انتقال حرارت بالاتر از دمای واقعی درون مایع باشد) دمای این ناحیه تقریبا دمای مایع در فشار بخار سطح آزاد مایع و بخار است.

 

شکل1: نمودار جوشش آب و شکلی ساده از روی سطح گرم.

زمانی که یک سیال در دمای اشباع با سطح یک جسم جامد (معمولا یک فلز) با دمای بالاتر تماس برقرار کند، انتقال حرارت از سطح گرم (جامد) به محیط سرد (سیال) انجام می­شود و تغییر فاز (به شکل تبخیر) در قسمتی از مایع صورت می­گیرد، که میزان و چگونگی انتقال حرارت بستگی به اختلاف دمای بین سطح گرم و سیال سرد دارد.

اگر سطحی که دمای آن از دمای اشباع یک مایع بیشتر باشد و در تماس با آن مایع قرار گیرد، جوشش رخ می­دهد و شار حرارتی بستگی به اختلاف درجه حرارت­های سطح و مایع اشباع دارد. اگر سطحی در تماس با بخار اشباع یک ماده قرار گیرد و دمای سطح از دمای اشباع آن بخار کمتر باشد، بخار بر روی سطح مایع شده و فرآیند میعان اتفاق می­افتد. جوشش برحسب اختلاف درجه حرارت انواع مختلفی دارد که در شکل (1) برای آب نشان داده شده است.

انواع جوشش:

وقتی که سطح گرم زیر سطح آزاد یک مایع قرار می­گیرد (در توده مایع غوطه ور می شود)، فرآیند را جوشش استخری می­نامند. انواع مختلف جوشش استخری در شکل (1) نشان داده شده است که در آن داده­های شار حرارتی حاصل از یک سیم پلاتینی که با الکتریسته گرم می­شود و در آب غوطه­ور است در مقابل اختلاف درجه حرارت ترسیم شده است. به ترتیب مراحل یک فرآیند جوشش استخری عبارتند از:

       1. جوشش در اثر جابجایی (Convection)

در ناحیهI  که در شکل (1) نشان داده شده است، جابجایی آزاد سبب حرکت سیال در نزدیکی سطح می­شود. وقتی که دمای سطح گرم کمی بالاتر از دمای مایع اشباع باشد، مایع موجود در سطح گرم منبسط شده و در اثر جابجایی به سطح مشترک مایع و بخار برده می­شود. در آنجا مایع، بخار می­شود و تعادل حرارتی برقرار می­گردد. یعنی بدون اینکه حبابی تشکیل شود عمل تبخیر صورت می­گیرد.

      2.  جوشش هسته­ای (Nucleate Boiling)

در ابتدای ناحیه II، شکل­گیری حباب­ها روی سیم آغاز شده و پس از جدا شدن از سطح، درون مایع متلاشی می­شوند. این ناحیه نمایانگر آغاز جوشش هسته­ای است. در حین بالا رفتن اختلاف درجه حرارت، حباب­ها سریعتر شکل گرفته و به طرف سطح مایع بالا می­روند و در آنجا متلاشی می­شود. این نوع از جوشش در ناحیهIII  نشان داده شده است. به طور کلی در مورد جوشش هسته­ای میتوان گفت با افزایش دمای سطح گرم، فشار بخار در مایع مجاور سطح گرم زیاد می­شود و حباب تشکیل می­گردد. عمل تشکیل حباب در نقاط هسته­ای سطح گرم، جایی که بسته­های کوچک گاز شروع به تشکیل حباب می­کند، اتفاق می­افتد. به محض تشکیل یک حباب، مایع داخل آن بخار می­شود و حباب را بزرگتر می­کند، این حباب در اثر نیروی شناوری به سطح مایع می­آید و مجددا به همین ترتیب حباب دیگر تشکیل می­شود. مشخصه اصلی جوشش هسته­ای، تشکیل شدید این نوع حباب­هاست. در این مرحله از جوشش انتقال حرارت زیادی صورت می­گیرد. در وسایل صنعتی و کاربردهای عملی، جوشش همیشه در این مرحله است و این نوع جوشش تا زمانی که اختلاف دمای سطح گرم و مایع به حد بحرانی نرسد، ادامه دارد.

      3. جوشش لایه­ای (فیلمی)

در انتهای ناحیه III و ابتدای ناحیه IV رژیم جوشش تغییر می­یابد. با افزایش اختلاف دمای بین سطح گرم و مایع، حباب­ها سریعا تشکیل شده و به یکدیگر می­پیوندند و اطراف سطح گرم را می­پوشانند، به عبارت دیگر در این زمان یک لایه از بخار دور سطح گرم تشکیل می­شود که از تماس مستقیم مایع با سطح گرم جلوگیری می­کند. در این شرایط حرارت پیش از رسیدن به مایع باید از طریق هدایت توسط لایه نازک بخار به مایع منتقل شود در نتیجه میزان انتقال حرارت از سطح گرم به مایع کاهش می­یابد و دمای سطح گرم مرتبا افزایش می­یابد. در این شرایط انتقال حرارت به وسیله تشعشع نیز از داخل لایه بخار صورت می­گیرد. این افزایش دمای سطح تا زمانی که انرژی حرارتی منتقل شده از طریق تشعشع (هر چند کم) برابر با توان حرارتی هیتر شود ادامه دارد. حال اگر حرارت داده شده به سطح کاهش نیابد، میله تحمل این افزایش دما را نداشته و به اصطلاح می­سوزد. یکی از علل سوختن دستگاه­ها و تجهیزات در نیروگاه­های هسته­ای گذشتن از شرایط بحرانی است. المان­های گرم کننده که در داخل مایعات قرار می­گیرند، باید به اندازه کافی سطح حرارتی داشته باشند تا شرایط از حد بحرانی بالاتر نرود. در ادامه با افزایش اختلاف دما، مقاومت حرارتی لایه بخار سبب کاهش شار حرارتی می­شود و این فرایند با ناحیهIV  موسوم به ناحیه جوشش لایه­ای نشان داده شده است. این ناحیه بیانگر گذر از جوشش هسته ای به جوشش لایه­ای است که ناپایدار می­باشد. سرانجام در ناحیهV  جوشش لایه­ای پایدار فرا می­رسد. برای تثبیت جوشش لایه­ای پایدار درجه حرارت سطح باید زیاد باشد و بخش مهمی از افت حرارت سطح ناشی از تشعشع حرارتی است.

میعان:

استفاده از بخار برای تولید انرژی و حمل آن سابقه ای طولانی دارد و جهت استفاده­­ی  بهینه از آن مطالعات مستمری صورت گرفته است. به عنوان مثال در دستگا هایی مانند بلورساز ها، مبدلهای حرارتی و دستگاه هایی از این قبیل، فرایند میعان بخار عامل اصلی انتقال حرارت است. در تمام موارد جهت انتقال حرارت از بخار به محیط سرد، باید عمل میعان بخار صورت گیرد.

در طی عمل میعان حرارت زیادی بر واحد سطح تولید می شود و سبب انتقال حرارت سریع از سطحی که روی آن عمل میعان صورت گرفته می شود. چنین شرایطی باعث کوچکتر شدن و در عین حال موثر تر شدن یک مبدل حرارتی می شود.

عمل میعان بخار روی سطوح مختلف ممکن است به دو صورت متفاوت زیر انجام شود :

  1. میعان فیلمی
  2. میعان قطره ای

تئوری میعان فیلمی:

در حالتی که اختلاف دما بین سطح و بخار در دو میعان کننده برابر باشد انتقال حرارت در میعان کننده قطره ای چندین برابر میعان کننده فیلمی است. به همین دلیل در طراحی ها سعی می شود شرایطی مناسب جهت انجام پدیده ­ی میعان قطره ای فراهم شود، اگر چه با گذشت زمان به دلایلی از جمله آلوده شدن سطح میعان، ممکن است مشکلاتی پیش آید.

موادی که عموماً در ساختمان مبدلهای حرارتی به کار می روند (بجز مواد محدودی) "تر شونده" هستند، در نتیجه در طول میعان یک لایه از مایع حاصل در اثر میعان روی سطح پخش می شود و با ادامه­ی عمل میعان بخار بیشتری در خارج این لایه، مایع می شود و به این ترتیب مرتبا ضخامت مایع زیادتر می شود. به این دلیل جریانی از مایع به سمت پایین بوجود می آید و مایع از پایین ترین نقطه جدا می شود. بدین ترتیب انرژی (حرارت) در طول عمل میعان از بخار به فیلم مایع منتقل می شود و از فیلم توسط هدایت به سطح فلز رسیده و از فلز نیز به مایع خنک کننده  منتقل می شود. علیرغم کوچک بودن ضخامت فیلم مایع، به دلیل پایین بودن قابلیت هدایتی مایع کوچک، مقاومت حرارتی قابل ملاحظه ای روی سطح ایجاد می شود. همین مقاومت است که سبب بروز اختلاف زیادی در موثر بودن انتقال حرارت به روش میعان قطره ای نسبت به میعان فیلمی می شود.

تئوری میعان قطره ای:

با انجام اعمال خاصی بر روی سطح یک مبدل می توان یک سطح ایجاد کرد. در این صورت بخار هنگام مایع شدن به صورت دانه های بسیار زیاد و کروی شکل روی سطح تولید می شود و با ادامه­ی میعان، این دانه های مایع تولید شده بزرگتر شده و به یکدیگر متصل می شوند و به پایین می افتند. حرکت دانه ها به سمت پایین باعث متصل شدن دانه های ساکن روی سطح می شود یا پایین آمدن این قطرات و بزرگتر شدن آنها، شتاب حرکت به پایین بیشتر شده و بر اثر کشش، مایع سطح را رها کرده و سطح کاملاً از مایع تمیز می شود . این سطح لخت شده، دارای مقاومت کمتری در برابر انتقال حرارت می باشد و موجب بیشتر شدن مقدار انتقال حرارت می شود.

در عمل ترکیبات گوناگونی (غالباً اسید های چرب) به داخل بخار و سپس روی سطح تزریق می کنند که همانند پرداخت سطوح حرارتی باعث ایجاد شرایط لازم جهت پدیده­ی میعان قطره ای می شود.

مزایای قابل ملاحظه و عملی میعان قطره ای نسبت به میعان فیلمی عبارتند از:

  • برای انتقال حرارت معینی در یک اختلاف دمای داده شده سطح کمتری لازم است.
  • برای انتقال حرارت معین، از یک سطح معین به اختلاف دمای کمتری احتیاج است.
  • میزان انتقال حرارت در یک سطح با اختلاف دمای معین، بیشتر است.
  1. میعان فیلمی :

در طول میعان فیلمی، یک لایه مایع روی سطح خنک کننده را می پوشاند. این لایه فیلم باعث بوجود آمدن مقاومتی در مقابل انتقال حرارت می شود. بسته به ضخامت لایه و سرعت بخار در حال حرکت به سمت فیلم مایع، سطح فیلم مایع که به صورت کلی به سمت پایین در حال حرکت است، ممکن است آرام و یا موجدار باشد . با در نظر گرفتن فرضیات زیر در این دستگاه، می توان رابطه ای تئوری برای انتقال حرارت بدست آورد .

1) جریان فیلم مایع کاملاً آرام است.

2) انتقال حرارت در فیلم مایع فقط از طریق هدایت انجام می شود.

3) دمای داخل فیلم مایع به صورت یکنواخت افت می کند.

4) جریان مایع حاصل تنها تحت تاثیر نیروی جاذبه­ی زمین پایین می آید.

  1. میعان قطره ای:

در شرایط یکسان، ضریب انتقال حرارت میعان قطره ای معمولاً 5 الی 10 برابر ضریب انتقال حرارت میعان فیلمی است. برای حالت میعان قطره ای، رابطه­ی تئوری مناسبی نمی توان ارائه کرد و فقط از همان آزمایشهای تجربی انجام شده می توانیم استفاده کنیم. متاسفانه اکثر عواملی که موجب بوجود آمدن میعان قطره ای می شوند، بعد از مدت کوتاهی در اثر آلوده شدن سطح از بین می روند و پرداخت سطوح برای ایجاد میعان قطره ای نیز آنقدر گران تمام می شود که ساخت مبدل ها با چنین هزینه هایی عملی نیست. ولی اگر در ساخت مبدلهای حرارتی – کاربردی امکان طراحی به صورت میعان قطره ای عملی باشد، سطح تماس لازم بین بخار آب و مبدل در مقایسه با حالت میعان فیلمی چیزی در حدود 60% کاهش می یابد و کاملاً به نظر منطقی می رسد که تلاش برای رسیدن به این حالت هچنان ادامه داشته باشد.

  1. تاثیر وجود هوا و یا گاز های غیر قابل میعان در محفظه:

بازده مبدلهای حرارتی، در اثر وارد شدن مقدار کمی هوا در محفظه­ی بخار، کاهش زیادی می یابد. در حقیقت در همه­ی مبدل­های حرارتی که با مایع کردن بخار عمل می­کنند، هنگامی که گاز های مایع نشدنی از سیستم حذف شده باشند، عملکرد بهتر خواهد بود.

در هوای ساکن و زمانی که هیچ عمل میعانی صورت نمی گیرد، هوا و بخار باید برای ایجاد یک مخلوط همگن، به داخل یکدیگر نفوذ کنند ولی در میعان کننده ها زمانی که عمل میعان صورت می گیرد، هوا و بخار با سرعت بالایی به سمت سطح خنک کننده جریان می یابند. بعد از عمل میعان هوای باقیمانده تمایل به نفوذ به اطراف دارد. ولی هوای تازه در حال حرکت با بخار به سمت سطح میعان کننده، باعث جلوگیری از برگشت آن می شود و این عمل موجب تشکیل یک لایه­ی هوا در اطراف سطح می شود. بخار برای رسیدن به سطح سرد باید از این لایه­ی هوا بگذرد. این سد ایجاد شده توسط هوا باعث کاهش ضریب انتقال حرارت می شود. در تجربه دیده شده است که وارد شدن هوا به اندازه 1% وزنی در داخل محفظه بخار سبب نصف شدن ضریب انتقال حرارت می شود.