بسم الله الرحمن الرحیم
انتقال حرارت 2
نام پروژه : ترجمه فصل جوشش و چگالش
تفاوت بین جوشش و کاویتاسیون
جوشش : فشار ثابت فواید کاویتاسیون : سوپر کاویتاسیون برای کاهش
تبخیر : دما ثابت نیروی درگ وارد بر زیردریایی
مثالی برای تبخیر : کاویتاسیون
کاربرد جوشش : نیروگاه
اعداد بی بعد
عدد ژاکوب ((Ja:
نسبت ماکزیمم انرژی محسوس جذب شده توسط مایع (یا گاز)
به گرمای نهان جذب شده توسط مایع (یا گاز)
در فرآیند چگالش(جوشش)
عدد بوند ((Bo:
نسبت نیروی شناوری به نیروی کشش سطحی
عدد بی نام (مشابه عدد گراشف با جایگذاری ):
نسبت نیروهای شناوری به نیروهای کشش سطحی
طبقه بندی جوشش
جوشش استخری
جوششی را جوشش استخری میگویند
که در آن حرکت توده ای سیال وجود
نداشته باشد.
تنها حرکت ایجاد شده در سیال در
جوشش استخری ناشی
از جریانهای جابجایی
طبیعی وحرکت حبابها
تحت تاثیرنیروی
شناوری می باشد.
جوشش جریانی
جوششی راجوشش جریانی می گویند
که در آن حرکت توده ای سیال وجود
داشته باشد.
در جوشش جریانی سیال به
صورت اجباری توسط
پمپ یاوسیله دیگری
داخل لوله یا بالای
سطح به حرکت درآورده
میشود.
طبقه بندی جوشش
جوشش مادون سرد
زمانی رخ میدهد که دمای مایع کمتر از
دمای اشباع در فشار موردنظر باشد.
جوشش اشباع
زمانی جوشش را جوشش اشباع میگویند
که دمای مایع با دمای اشباع در فشار
مورد نظر برابر باشد.
جوشش استخری
جوشش شامل قسمت های مختلفی میباشد که به بستگی دارد.
جابجایی طبیعی (تا نقطه A روی منحنی جوشش)
تا زمانیکه دمای مایع چند درجه بالای دمای اشباع (برای آب2تا6 درجه) نباشد حبابها روی سطح گرم شونده تشکیل نمیشوند.
مایع در این حالت اندکی فوق گرم میشود (حالت نیمه پایدار)
حرکت سیال در این مرحله از جوشش غالبا به صورت جابجایی طبیعی می باشد.
انتقال گرما از سطح گرم شونده به سیال به روش جابجایی آزاد میباشد.
جوشش هسته ای
در صورت وجود اغتشاش با افزایش سایت های هسته ای تعداد حبابها افزایش
می یابد.این در حالتی است که در روی منحنی به سمت نقطه C حرکت میکنیم.
ناحیه A تا B:حبابهای ایزوله
ناحیهB تا C:افزایش پیوسته ستونهای بخار
جوشش هسته ای
در ناحیه Aتا B:جنبش و تلاطم ایجاد شده توسط سیالی که با صفحه گرم در تماس
است عمدتا باعث افزایش ضریب انتقال حرارت جابجایی می شود.
در ناحیه A تا B: (h وT∆ افزایش می یابند)
بعد از نقطه B انتقال حرارت با مقدار کمتری افزایش می یابد، به دلیل اینکه T∆
افزایش یافته و h کاهش می یابد تا به مقدار ماکزیمم خود در نقطه C برسد.
انتقال حرارت ماکزیمم در این نقطه انتقال حرارت بحرانی(ماکزیمم) نامیده میشود
وازاهمیت بالایی برخوردار است.
جوشش گذرا
وقتی از نقطه C دورتر میشویمT ∆ افزایش می یابد وضریب انتقال حرارت جابجایی
h کاهش یافته بنابراین انتقال حرارت کاهش می یابد.
کاهش انتقال حرارت به دلیل کم بودن انتقال حرارت هدایتی پاکت های بخار نزدیک
دیواره میباشد.کسر بزرگی از صفحه گرم را لایه ای از بخار میپوشاند که این عمل
باعث کاهش انتقل حرارت میشود.
جوشش لایه ای
قبل از نقطه D صفحه گرم به طور کامل به وسیله لایه نازک،پایا و پیوسته از بخار
پوشیده شده است.
حضور لایه ی بخار مابین صفحه گرم و مایع دلیل انتقال حرارت پایین در ناحیه
جوشش لایه ای است (ضریب هدایت بخار کوچکتراز مایع است).
نقطه D مکانی است که انتقال حرارت به کمترین مقدار خود میرسد که نقطه
لیدنفراست نامیده میشود.
بعد از نقطه D انتقال حرارت با افزایش دما وبه واسطه ی آن وجود تشعشع با مایع
افزایش می یابد.
پدیده Burnout
نوعی فرآیند جوشش وجود دارد که از
منحنی جوشش در نقاط دورتراز نقطه C
پیروی نمیکند.
زمانیکه توان به کاررفته برای گرم کردن
صفحه اندکی از مقدار خود در نقطه C
بیشتر شود،دمای سطح دمای سطح به طور
ناگهانی تا نقطه Eافزایش می یابد.
زمانیکه توان را از نقطه E بتدریج کاهش
میدهیم،وقتی به نقطه D می رسیم نمودار
خنک سازی شکل بالا را با یک افت سریع در تغییرات دما دنبال می کند.
روابط انتقال حرارت در جوشش استخری
به روبط مختلفی برای انتقال حرارت در نواحی مختلف جوشش نیاز داریم.
در ناحیه جوشش با جابجایی طبیعی میتوان میزان انتقال حرارت را به زور دقیق
با استفاده از روابط جابجایی طبیعی تعیین کرد.
روابط انتقال حرارت در جوشش استخری_ جوشش هسته ای
در این ناحیه از روابط آزمایشگاهی استفاده می شود.
نرخ انتقال حرارت به شدت به نوع و ساختار هسته ونوع و شرایط سطح گرم شونده
بستگی دارد.
به طور گسترده رابطه Rohsenow که در سال 1952 ارائه شده است، پیشنهاد
می شود
روابط انتقال حرارت در جوشش استخری_ جوشش هسته ای
روابط انتقال حرارت در جوشش استخری_ جوشش هسته ای
از آنجاییکه نرخ انتقال حرارت در ناحیه جوشش هسته ای اساسا مستقل از هندسه
و جهت گیری سطح گرم شونده است،پس مقادیر بدست آمده از رابطه
Rohsenow را برای هر هندسه ای می توان به کاربرد.
روابط برای سطوح تمییز و نسبتا صاف کاربرد دارند.
روابط انتقال حرارت در جوشش استخری_ جوشش لایه ای
انتقال حرارت برای ناحیه جوشش لایه ای روی یک استوانه و یا کره افقی به قطر D
به صورت زیر ارائه شده است :
در دماهای بالا برای صفحه (معمولا بالای 300درجه سلسیوس) انتقال حرارت از
لایه نازک بخار توسط تشعشع اهمیت پیدا کرده و باید اثرات تشعشع را هم لحاظ نمود.
مطالعات تجربی این نکته را تایید میکند که انتقال حرارت در بحرانی و انتقال حرارت
در ناحیه جوشش لایه ای با متناسب است.
انتقال حرارت بحرانی(CHF )
شار حرارتی ماکزیمم (یا بحرانی) در جوشش استخری هسته ای با رابطه تجربی
زیر تعیین میشود:
ثابتی است که مقدار آن به هندسه سطح گرم بستگی دارد ولی معمولا آنرا
در حدود در نظر میگیرند.
CHF مستقل از ویسکوزیته،ضریب هدایت و گرمای ویژه مایع است.
CHF با بالا بردن فشار تاحدود ⅓ فشار بحرانی،افزایش یافته وسپس کاهش می یابد
ودر فشار بحرانی به صفر میرسد.
CHF با متناسب است و برای بدست آوردن شارهای گرمایی بالا می توان از
سیالاتی با آنتالپی تبخیر بالا مانند آب استفاده کرد.
کمترین شار حرارتی
کمترین مقدار شار حرارتی در نقطه لیدنفراست رخ می دهد علاقه کاربردی است،
بدلیل اینکه کمترین مقدار شار گرما را در رژیم جوشش لایه ای نشان می دهد.
Zuber عبارت پایین را برای کمترین مقدار شار گرمایی،برای صفحه افقی بزرگ
بدست آورد.
افزایش مقدار شار حرارتی در جوشش استخری
مقدارشارحرارتی در رژیم جوشش هسته ای به شدت به تعداد مکانهای هسته ای
فعال روی سطح و نرخ تشکیل حباب در هر مکان بستگی دارد.
اختلالات روی سطح گرم شونده شامل زبری ویا کثیفی سطح به عنوان
مکانهای هسته ای اضافی به کار می روند.
مشاهدات تجربی نشان می دهد که اثرات
زبری سطح با گذشت زمان از بین
می روند.
افزایش مقدار شار حرارتی در جوشش استخری
سطوح آماده ای که تولید شده و در بازار موجود هستند،انتقال حرارت در ناحیه
جوشش هسته ای را بطور دائمی،افزایش می دهند.
انتقال حرارت را با روش بالا می توان تا 10 برابر در ناحیه جوشش هسته ای و
شار حرارتی بحرانی را تا 3 برابر افزایش داد.
جوشش جریانی
در جوشش جریانی سیالی که دستخوش تغییر فاز می باشد،باید توسط یک
وسیله ی خارجی مانند پمپ به صورت اجباری به حرکت در آورده شود.
جوشش استخری،ترکیبی ازاثرات انتقال حرارت جابجایی و جوشش استخری
است.
جوشش جریانی به دو دسته جوشش جریانی داخلی وخارجی طبقه بندی می شود.
جوشش جریانی_ جریان خارجی
جریان خارجی _ با افزایش سرعت سیال،شار گرمایی وشار حرارتی بحرانی
در ناحیه جوشش هسته ای افزایش می یابد.
جوشش جریانی _ جریان داخلی
جریان دو فازی در یک لوله با رژیم
های مختلف جوشش جریانی نمایش داده
شده است که به مقدار نسبی فاز بخارو
مایع بستگی دارد.
انواع رژیم های جریان:
_ جریان تک فاز مایع
_ جریان حبابی
_ جریان گلوله ای
_ جریان حلقوی
_ جریان مرطوب
_ جریان تک فاز بخار
موقعیت محوری در لوله
جوشش جریانی _ جریان داخلی
جریان تک فاز مایع
_ درناحیه ورودی مایع مادون سرد است وانتقال حرارت در مایع به روش جابجایی
اجباری انجام می شود(بافرض اینکه جوشش مادون سرد وجود نداشته باشد).
جریان حبابی
_ حباب های منفرد
_ کیفیت پایین
جریان گلوله ای
_ حباب ها به چسبیده و گلوله از بخار را تشکیل می دهند
_ کیفیت مناسب
جریان حلقوی
_ هسته جریان،تنها از بخار تشکیل شده است و مایع فقط در کنار دیواره وجود دارد
_ ضریب انتقال حرارت بسیار بالا
جریان مرطوب
_ بخار با قطرات کوچک مایع
_کاهش زیاد ضریب انتقال حرارت
جریان تک فاز مایع
_فاز مایع کاملا بخار شده وبخار فوق گرم می شود
چگالش
چگالش زمانی رخ میدهد که دمای بخار از دمای اشباع در فشار
مورد نظرکمتر باشد.
انواع مختلف چگالش :
لایه ای.
چگالش قطره ای روی سطح.
چگالش همگن یا ساختار مه که ناشی
از کاهش فشار در نتیجه انبساط است.
d)) چگالش باتماس مستقیم.
چگالش
در این بخش تنها چگالش روی سطح جامد بررسی می شود.
دو شکل از چگالش :
_ چگالش لایه ای
_ چگالش قطره ای
چگالش لایه ای
رطوبت روی سطح سرد چگالیده میشود
ولایه ی نازکی از مایع روی سطح
تشکیل میشود.
سطح بالایه ی نازکی از مایع پوشیده
میشود که به عنوان یک مقاومت در برابر
انتقال حرارت عمل می کند.
چگالش قطره ای
بخار روی سطح چگالیده میشود و
قطرات کوچکی از مایع روی سطح
تشکیل میشود.
قطرات مایع وقتی به اندازه معینی
میرسند،به طرف پایین می لغزند.
لایه ای از مایع که در برابر انتقال
حرارت مقاومت کند وجود ندارد.
در نتیجه نرخ انتقال حرارت در این
حالت 10 برابر بیشتر از حالت چگالش
لایه ای است
چگالش لایه ای بر روی صفحه عمودی
برای چگالش دمای سطح باید از دمای
کمتر باشد.
لایه ی نازک مایع از بالای صفحه شروع به
شکل گرفتن کرده و تحت اثرات نیروی جاذبه
به طرف پایین جریان می یابد.
δ درجهت جریان x افزایش می یابد.
در طی فرآیند چگالش گرمایی به اندازه
آزاد شده ودر طول لایه نازک مایع به سطح
منتقل میشود.
دمای چگالش در سطح مشترک مایع – بخار
برابر بوده وبتدریج کاهش یافته ودر
دیوار به می رسد.
صفحه عمودی _ رژیم های جریان
پارامتر بی بعد کنترل کننده جریان انتقال
بین رژیم های جریان می باشد عدد رینولدز
است:
3رژیم عمده جریان جریان وجود دارد:
_ _ آرام (بدون موج)
_ _ آرام _موجی
_ _ آشفته
عدد رینولدز در جهت جریان افزایش
می یابد؟؟؟
جریان آرام روی صفحه عمودی
معادله مومنتوم
پروفیل سرعت لایه (تحلیلی)
جریان آرام روی صفحه عمودی
ضخامت لایه ی مرزی لایه
ضریب انتقال حرارت جابجایی
جریان آرام روی صفحه عمودی
انتقال حرارت کل
نرخ بخار چگالش یافته
جریان آرام موجی روی صفحات عمودی
موج ها در فصل مشترک بخار _ مایع انتقال حرارت را افزایش می دهند.
دانش در این قسمت بر پایه مطالعات آزمایشگاهی است.
بنا بر اثرات موج،انتقال حرارت به طور متوسط 20 درصد افزایش می یابد ولی
تا50 درصد هم امکان افزایش وجود دارد.
Kutateladze (1963) باتکیه بر مطالعات آزمایشگاهی خود،رابطه زیر را
پیشنهاد کرد.
جریان آشفته روی صفحه عمودی
Labuntsov (1957) رابطه زیر را برای جریان آشفته چگالش روی صفحات
عمودی پیشنهاد کرد :
خواص فیزیکی در فرآیند چگالش در دمای فیلم محاسبه می شوند.
ضریب انتقال حرارت بی بعد
چگالش لایه ای روی سیستم های شعاعی
چگالش لایه ای روی سیستم های شعاعی
چگالش لایه ای داخل لوله های افقی
چگالش قطره ای
یکی از مکانیزم های بسیارموثر انتقال حرارت است که ضریب انتقال حرارت
بسیاربزرگی از آن حاصل می شود.
قطرات کوچک در ادامه چگالش بزرگتر شده و به هم می پیوندند و قطرات
بزرگتری را تشکیل می دهند و وقتی به اندازه معینی رسیدند به طرف پایین
جریان می یابند.
قابلیت رسیدن به ضریب انتقال حرارت بالا
توسط طراحان وجود دارد.با استفاده از سطح
کوچکتر می توان به شار گرمایی مشخصی
دست یافت.
چگالش قطره ای
چالشی که در مورد چگالش قطره ای وجود دارد،دستیابی به آن نیست بلکه پایدار
نگه داشتن آن برای مدت طولانی است.
چگالش قطره ای،به طور آزمایشگاهی بر روی تعدادی ازترکیب های سطح _ سیال
مطالعه شده است.
Griffith(1983) این معادله ساده را برای چگالش قطره ای،بخار بر روی سطوح
مسی پیشنهاد کرد: