آشنایی با مفهوم جوشش و چگالش

آشنایی با مفهوم جوشش و چگالش

در ادامه مقالات آموزشی رشته مهندسی مکانیک گرایش سیالات در این مقاله آموزشی به آشنایی با مفهوم جوشش و چگالش می پردازیم که امیدواریم برای شما عزیران در ارایه پایان نامه های کارشناسی ارشد, مقالات آموزشی و پژوهشی مفید واقع شود.

با درنظرگرفتن یک تعریف کلّی، جوشش و چگالش فرایندهای جابجایی در تغییر فاز سیالات هستند و در فصل مشترک جامد و مایع رخ می­دهند. یک تعریف ساده و کاربردی برای جوشش عبارت است از تغییر حالت سیال از مایع به بخار با انتقال گرما از سطح به سیال و نیز چگالش یا میعان عبارت است از تغییر از فاز بخار به مایع در اثر از دست دادن حرارت و عموماً هنگامی رخ می­دهد که بخار در معرض دیوار سرد قرارگیرد. در هر دوی این فرایندها، گرمای­ نهان­ تبخیر، نقشی کلیدی ایفا می­کند. طی این دو فرایند، انتقال گرما با آهنگ زیاد و تغییرات کوچک دما در سیال رخ داده و علاوه بر گرمای نهان  ، دو پارامتر دیگر، یکی کشش سطحی h_fg و دیگری تفاوت چگالی فاز مایع- بخار تأثیر به ­سزایی بر ضریب انتقال حرارت جابجایی تغییر فاز که معمولاً چند مرتبه بزرگ­تر از ضرایب جابجایی بدون تغییر فاز هستند، دارد. امروزه بررسی پدیده­های تغییر فاز جوشش و چگالش یکی از مهم­ترین زمینه­های مورد مطالعه در علم انتقال حرارت و جرم می­باشد و کاربرد­های بی­شماری برای آن در صنعت و فناوری به­چشم می­خورد. از آن جمله می­توان به کاربرد آنها در نیروگاه­های حرارتی، سیکل­های قدرت و تبرید، طراحی دیگ­های بخار، کندانسورها، اواپراتورها، مبدل­ها و پمپ­های حرارتی و رآکتورهای هسته­ای اشاره کرد.

با استفاده از تئوری پی- بوکینگهام، گروه­های بی­بعد مؤثر بر فرایند­های جوشش و چگالش عبارت‌اند از:

• عدد ژاکوب )Jacob Number(: عبارت است از نسبت ماکزیمم انرژی محسوس جذب شده توسط مایع یا بخار به انرژی نهان جذب شده توسط مایع یا بخار در فرایند جوشش یا چگالش که به­صورت زیر بیان می­شود:

• عدد بوند )Bond Number(: عبارت است از نسبت نیروی گرانشی به نیروی کشش سطحی که به ­صورت زیر تعریف می­شود:

• عدد پرانتل (Prandtl Number(: عبارت است از نسبت نفوذ اندازه حرکت به نفوذ حرارتی که به­ صورت زیر تعریف می­شود:

پارامتر زیر که شباهت زیادی به عدد گراشف در انتقال حرارت جابجایی آزاد سیال دارد و به­صورت زیر تعریف می­شود:

پس از معرفی پارامترهای مؤثر بر پدیده­ی جوشش و چگالش، به تعریف دقیق و علمی این پدیده پرداخته می­شود. جوشش عبارت است از تبخیر در فصل مشترک جامد- مایع، هنگامی­که که دمای دیواره از دمای اشباع سیال متناظر با فشار آن، بیشتر شده و حرارت از سطح دیواره­ی جامد به سیال منتقل شود.

 پدیده­های جوشش به دو دسته کلی تقسیم ­بندی می­شوند:

• جوشش استخری (Pool Boiling(: در این حالت از جوشش، سیال ساکن است و حرکت سیال در نزدیکی سطح دیواره بر اثر جابجایی آزاد و اغتشاش ناشی از جدایش حباب از سطح می­باشد.
• جوشش با جابجایی واداشته )Forced Convective Boiling(: در این حالت از جوشش، جریان سیال ناشی از حرکت کپه­ای سیال بر اثر عامل خارجی و نیز ناشی از نیروی شناوری است.

مطابق شکل زیر با توجه به شرایط مختلف جوشش و تبخیر جریان آب در لوله­ قائم، سه ناحیه­ متفاوت جریان در لوله مشاهده می­گردد که به شرح زیر می­باشد:

• ناحیه­ی مایع تک­فاز )Single Phase Liquid(
• ناحیه­ی جوشش جریان مادون سرد )Subcooled Flow Boiling(
• ناحیه­ی جوشش جریان­های دوفازی (Two Phase Flow Boiling(

ناحیه جوشش جریان مادون سرد، شامل سه ناحیه­ی زیرمجموعه می­باشد:

• ناحیه­ی جوشش جزیی )Paritial Boiling(
• ناحیه­ی ­جوشش توسعه­ یافته )Fully Developed Boiling(
• ناحیه­ی شامل کسر حجمی بالای بخار (Significant Void Flow(

در ناحیه­ مادون سرد به علت عدم ورود جریان به ناحیه­ دوفازی، فرایند تبخیر و شکل­گیری رژیم دوفازی مشاهده نشده و به دلیل کمتر بودن دمای توده­ای (بالک) سیال (T_L) از دمای اشباع آن (T_sat)، انرژی حباب­های ریز تشکیل شده برای رسیدن به قسمت دوفازی جریان، کم است. در این حالت، بخشی از حباب­ها در فاز مایع حل شده و تبدیل به مایع تک­فاز  می گردد. در ادامه و با افزایش دمای بالک و رسیدن آن به دمای اشباع سیال، شکل­گیری رژیم­های دوفازی مشاهده شده و حباب­های تشکیل شده به علت وجود نیروهای شناوری در جهت حرکت جریان و خلاف گرانش زمین به سمت بالا حرکت می­کنند. سپس هنگامی که دمای دیواره از دمای اشباع بیشتر می­شود فرایند جوشش روی دیواره­ لوله رخ می­دهد که این قسمت همان ناحیه جوشش جریان مادون سرد است.

برای شبیه سازی جوشش در مهندسی مکانیک از نرم افزار OpenFoam که یکی از مهم ترین و پرکاربرد ترین نرم افزارهای مهندسی در گرایش ارشد برای ارایه پایان نامه های کارشناسی ارشد می اشد استفاده می شود که برای آشنایی با نرم افزار OpenFoam و دیگر مقالات آموزشی رشته مهندسی مکانیک می توانید با کلیک بر روی عنوان های زیر به مقاله های مربوطه هدایت شوید :

- آشنایی با نرم افزار OpenFoam

- آموزش نصب نرم افزار OpenFoam

- آشنایی با نرم افزار Fluent

- آشنایی با نرم افزار Visual Studio