بررسی دقیق فرآیند تبخیر مبرد دو فازی در لوله های یک اواپراتور
نویسنده: پیمان داوری-شرکت رادیران
چکیده
این مطالعه به بررسی تبخیر در جریان اجباری دوفازی در لوله‌های مسی واقع در یک کویل فین تیوب می‌پردازد. خواص سیال و شرایط جریان بر عملکرد انتقال حرارت اثر می گذارد. با استفاده از روش‌های تجربی و محاسباتی، نتایج نشان می‌دهند که یک پیکربندی بهینه تیوب ها به طور قابل توجهی نرخ‌های انتقال حرارت را به دلیل افزایش سطح تماس و اختلاط سیال بهبود می‌بخشد. علاوه بر این، این مطالعه شناخت دقیقی از نحوه جریان دو فازی در حین بخار شدن ارائه میدهد که می‌تواند در طراحی مبدل‌های حرارتی با کارایی بیشتر گنجانده شود. این یافته‌ها به پیشرفت سیستم‌های مدیریت حرارتی کمک کرده و بینش‌های جدیدی برای حداکثر کردن کارایی در کاربردهای تبرید و تهویه مطبوع فراهم می‌آورند.
مکانیک جریان. زمانی که مخلوطی از مایع و بخار درون یک لوله جریان دارد، الگوی جریان توسعه یافته به نسبت جرمی مایع، خواص سیال هر فاز و نرخ جریان بستگی دارد. در تیوب اواپراتور، نسبت جرمی مایع در امتداد طول مدار کاهش می‌یابد و منجر به ایجاد یک سری از الگوهای متغیر جریان بخار/مایع می‌شود. اگر سیال به عنوان یک مایع سابکول وارد شود، اولین نشانه‌های تولید بخار، حباب‌هایی هستند که در دیواره گرم تیوب تشکیل می‌شوند (هسته تبخیر). به دنبال آن، جریان‌های حباب، پلاگ، چرخشی (یا نیمه‌حلقوی)، حلقوی، پاشش حلقوی و مه به‌عنوان محتوای بخار در جریان‌های دو فازی در تیوب‌های افقی افزایش می‌یابد. الگوهای ایده‌آل شده جریان در شکل 5A برای یک اواپراتور با تیوب افقی نشان داده شده است.
توجه داشته باشید که در حال حاضر هیچ توافق عمومی در مورد نام الگوهای جریان دو فازی وجود ندارد و یک نام ممکن است به الگوهای مختلفی در جریان‌های عمودی، افقی و تیوب های کوچک اشاره داشته باشد. برای تفصیل دقیق از الگوهای جریان، به Barnea و Taitel (۱۹۸۶) یا اسپدینگ Spedding و اسپنس Spence (۱۹۹۳) برای تیوب‌های با قطر بین ۰.۱۲۵ و ۳ اینچ، به‌علاوه کولمن Coleman و گاریملا Garimella (۱۹۹۹) برای لوله‌های با قطر کمتر از ۰.۱۲۵ اینچ و تام Thome (۲۰۰۱) برای تعاریف رژیم‌های جریان که در مدل‌سازی انتقال حرارت مفید هستند، مراجعه کنید.
افزایش قدرت محاسباتی، تأکید بیشتری بر روی مدل‌های انتقال حرارت الگوهای جریان خاص و افت فشار را ممکن ساخته است (هرچند که میان محققان و متخصصان توافق یکنواختی وجود ندارد که این همیشه مناسب است).
مفاهیم کیفیت بخار و نسبت حجمی بخار ( VOID FRACTION ( به‌طور گسترده‌ای در مدل‌های جریان دو فازی استفاده می‌شوند. کیفیت بخار (x) نسبت جرم (یا نرخ جریان جرمی) بخار به کل جرم (یا نرخ جریان جرمی) سیال است. در این بحث، عموماً به کیفیت بخار جاری یا نسبت حجمی اشاره می‌شود. کیفیت بخار استاتیک به دلیل اینکه بخار در هسته با سرعت متوسط بالاتری نسبت به مایع در دیواره‌ها جریان دارد، کمتر است. علاوه بر این، به‌دلیل گرادیان‌های دما و سرعت قابل توجه در یک مخلوط بخار/مایع دیاباتیک در حال جریان بسیار مهم است که درک کنیم که کیفیت بخار به‌طور تعریف شده در اینجا معمولاً با کیفیت تعادل ترمودینامیکی برابر نیست. برخی از مدل‌ها از کیفیت تعادل ترمودینامیکی استفاده می‌کنند و در نتیجه، در منطقه جوش با حالت سیال سابکول، نیاز به مقادیر منفی و در منطقه پس از خشک شدن یا جریان مه، مقادیر بزرگتر از واحد (عدد یک ) دارند.
نسبت حجمی بخار (ϵv) و کیفیت بخار (x) واقعاً مفاهیم مرتبطی در زمینه جریان‌های دو فازی هستند، به‌ویژه در سیستم‌هایی مانند مبدل‌های حرارتی که در آن‌ها هر دو فاز مایع و بخار وجود دارند.
کیفیت بخار (x):
این معیار مقدار بخار در یک مخلوط مایع و بخار است که به‌عنوان نسبت جرم بخار به جرم کل مخلوط تعریف می‌شود. این رابطه به‌صورت زیر نوشته می‌شود:
که در آن:
جرم بخار
است،- جرم مایع است،
- جرم کل
مخلوط است.
نسبت
حجمی بخار: (ϵv)
این نسبت مساحت مقطع لوله‌ای است که با بخار پر شده به
مساحت کل مقطع لوله. این مقدار به‌صورت زیر تعریف می‌شود:
که در آن:
- مساحت
مقطع اشغال شده توسط بخار است،
- مساحت مقطع اشغال شده توسط مایع است،
- مساحت کل
مقطع لوله است.
رابطه بین کیفیت بخار و نسبت حجمی بخار:
رابطه بین کیفیت بخار و نسبت حجمی بخار می‌تواند با اشاره به چگالی بیان شود. با فرض توزیع یکنواخت فازهای مایع و بخار، کیفیت بخار می‌تواند به نسبت حجمی بخار با استفاده از چگالی‌های فازها مرتبط شود:
( نتیجه‌گیری: درک رابطه بین کیفیت بخار و نسبت حجمی بخار برای طراحی و تحلیل سیستم‌هایی که شامل تغییر فاز هستند، ضروری است. این امر به مهندسان اجازه میدهد تا رفتار جریان را پیش‌بینی کنند، افت فشار، نرخ انتقال حرارت و عملکرد کلی سیستم را در سناریوهای جریان دو فازی به‌طور کارآمد محاسبه کنند.)
حال به دلیل اینکه هسته بخار در سطح داغ تیوب در یک زیرلایه نازک از مایع فوق‌گرم صورت می‌گیرد، جوشیدن در جریان اجباری ممکن است در حالی آغاز شود که بخش عمده مایع سابکول می باشد. بسته به ماهیت سیال و میزان سابکول، حباب‌ها می‌توانند یا فروروند یا به رشد و ادغام ادامه دهند)شکل 5A (. همانطور که گوس Gouse و کومو Coumou (۱۹۶۵) برای R-113 مشاهده کردند.
پس از شروع هسته‌زایی ( بخارات ) ، حباب‌ها
به سرعت انباشت می‌شوند تا پلاگ‌های بخار را در مرکز یک تیوب عمودی یا، همانطور
که در شکل A ۵ نشان داده شده است، در طول سطح بالایی یک تیوب افقی تشکیل دهند.
در نقطه‌ای که بخش عمده سیال به دمای اشباع می‌رسد، که معادل با فشار استاتیک محلی
است، به دلیل جوشیدن سطحی قبلی (گوئرری و تالتی Guerrieri
و Talty 1956) ممکن است تا ۱% کیفیت بخار وجود داشته باشد (و کیفیت تعادلی
حرارتی منفی).
هم‌افزایی بیشتر حباب‌ها و پلاگ‌های
بخار منجر به جریان چرخشی یا جریان نیم‌دایره‌ای می‌شود. اگر سرعت سیال به اندازه
کافی بالا باشد، به زودی یک هسته بخار پیوسته که توسط یک حلقه مایع در دیواره لوله
احاطه شده، تشکیل می‌شود. این حالت زمانی رخ میدهد که نسبت حجمی بخار معادل
تقریباً ۸۵% باشد؛ با مبرد خنک‌کننده رایج، این معادل یک کیفیت بخار حدود ۱۰ تا
۳۰% است.
اگر سرعت جرم دو فازی بالا باشد (بیش
از ۱۵۰,۰۰۰ پوند بر ساعت بر فوت مربع برای یک لوله به قطر ۰.۵ اینچ)، جریان حلقوی
با قطرات کوچک مایع معلق در هسته بخار (اسپری) می‌تواند در محدوده کیفیت بخار از
حدود ۱۰% تا بیش از ۹۰% ادامه یابد. اواپراتورهای مبرد از یک دستگاه انبساط با
کیفیت بخار تقریباً ۲۰% تغذیه می‌شوند، به طوری که جریان حلقوی و جریان اسپری
حلقوی در بیشتر طول تیوب غالب است. در یک لوله عمودی، حلقه مایع به طور یکنواخت
بر روی محیط توزیع می‌شود، اما در یک لوله افقی به طور نسبی نامتقارن است)
.شکل ( 5A
هنگامی که کیفیت بخار به حدود ۸۰% می‌رسد (کیفیت واقعی از حدود ۷۰ تا ۹۰% متغیر است، بسته به قطر لوله، سرعت جرم، نوع مبرد و …)، بخش‌هایی از سطح خشک می‌شوند. در یک لوله افقی، خشک شدن ابتدا در بالای لوله رخ میدهد و با افزایش کیفیت بخار به سمت پایین پیشرفت می‌کند) .شکل ( 5A
اگر سرعت جرم دو فازی پایین باشد (کمتر از ۱۵۰,۰۰۰ پوند بر ساعت بر فوت مربع برای یک لوله افقی به قطر ۰.۵ اینچ)، مایع تنها بخش پایین مقطع عرضی لوله را اشغال می‌کند. این باعث ایجاد نوعی جریان موج‌دار در کیفیت بخار بالای حدود ۵% می‌شود. با تسریع بخار در حین تبخیر، سطح تماس به اندازه کافی مختل می‌شود تا جریان حلقوی توسعه یابد ) .شکل ( 5B لغزش مایع می‌تواند بر روی الگوهای جریان نشان داده شده، اضافه شود؛ مایع یک لایه پیوسته یا تقریباً پیوسته بر روی مقطع عرضی لوله تشکیل میدهد و لغزش‌ها به طور سریع و با فواصل نامنظم حرکت می‌کنند.
نتیجه گیری
اساسا شناخت نوع جریال در مبدل های حرارتی می تواند در نحوه محاسبات و طراحی اجزاء مبدل ها کمک شایانی کند. جریان های دو فازی و گذرا اساس انتقال حرارت در اواپراتور های فین و تیوب هستند . شرکت رادایران با سالها تجربه، استفاده از علم روز و شناخت کامل به مفاهیم مکانیک سیالات و ترمودینامیک برای ارتقا کیفیت تلاش کرده است.
