مبانی جریان دوفازی (بخش اول)

۵ ماه قبل ۲۱۶ ۰

جریان دوفازی

بطور كلي فازها بخش‌هايي همگن از سيال هستند كه براي هركدام خواص محلي حالت و انتقال، منحصرا قابل تعريف باشد. به حركت هم‌زمان دوفاز مخلوط نشدني كه توسط فصل مشترك خيلي نازك از هم جدا شده‌اند، جريان دوفازي گفته مي‌شود. جريان‌هاي دوفازي را مي توان بصورت‌هاي مختلفي دسته‌بندي نمود. متداول‌ترين دسته‌بندي بر حسب حالت فيزيكي فازها مي‌باشد كه عبارتند از:

1. جریان سیال جامد: در این نوع، جریان سیال می تواند به صورت گاز یا مایع باشد.

2. جریان گاز- مایع

3. جریان مایع- مایع

مفاهیم جریان دوفازی

در ادامه به توضیح مختصر مفاهیم اولیه جریان دوفازی همانند کیفیت، کسر بخار و سرعت ظاهری می‌پردازیم که از آن‌ها در فصول بعدی استفاده شده است. در تعاریف زیر، برای مشخص نمودن سطح مقطع از نماد (A)، دبی جرمی (m) و دبی حجمی از (Q) استفاده شده است. 

کیفیت: کیفیت به صورت نسبت دبي جرمي بخار به دبي جرمي كل سيال(مايع و بخار) تعريف مي گردد.

جریان دو فازی

کسر حجمی بخار: در هر سطح مقطع جریان به صورت نسبت سطح اشغال شده بوسیله بخار به سطح مقطع کانال تعریف می‌شود که به ضریب وید نیز معروف است.

جریان دو فازی

سرعت واقعی: نسبت دبی حجمی هر یک از فازها به سطح مقطع همان فاز در لوله تعریف می­شود.

جریان دو فازی

سرعت ظاهری: برای هر فاز برابر است با سرعتی که اگر آن فاز به تنهایی با آن سرعت در سطح مقطع کانال جریان داشت، دبی حجمی آن برابر با دبی حجمی جریان دوفاز باشد. سرعت ظاهری در دسته‌بندی الگوهای جریان مورد استفاده قرار می‌گیرد. 

جریان دو فازی

سرعت جرمی: نسبت دبی جرمی هر یک از فازها به سطح مقطع کل را می­گویند.

جریان دو فازی

نسبت لغزش: نسبت سرعت واقعی فاز گاز به سرعت واقعی فاز مایع می‌باشد.

جریان دو فازی

دریفت فلاکس: از نظر فیزیکی نمایانگر دبی حجمی بخاری است که در جریان بطرف بالا جلو می­رود و یا در جریان بطرف پایین، عقب می‌ماند بر واحد سطح صفحه عمود بر محور کانال که خودش با سرعت جریان j  حرکت می­کند. یا به طور ساده بیانگر سرعت ظاهری یک جزء نسبت به سطح متحرک در سرعت متوسط است.

سرعت دریفت: اختلاف بین سرعت واقعی هر فاز با سرعت ظاهری را می­گویند.

جریان دو فازی

مضرب دو فازی: نسبت گرادیان فشار سیال دو فار به گرادیان فشار سیال تک فاز را مضرب دو فازی می­گویند. در فصل آینده نحوه بدست آمدن این مضرب و رابطه آن بیان شده است.

جریان دو فازی

درجه سوپرهیت و مادون سرد: همانگونه که در شکل 1 نشان داده شده است، منظور از درجه سوپرهت، اختلاف دمای سیال در نقطه 1 و نقطه اشباع می­باشد. درجه مادون سرد به اختلاف دمای نقطه 2 و نقطه اشباع مربوط می­شود که به صورت زیر تعریف می­شوند:

جریان دو فازی

 

جریان دو فازی

مقدمه ای بر انواع جوشش

تولید بخار در سطح مشترک مسطح زمانی اتفاق می‌افتد که دمای مایع کمی بیشتر از دمای اشباع شود. درحقیقت تبخیر در سطح مشترک جامد مایع را اصطلاحا جوشش می‌نامند. جوشش ممکن است در شرایط مختلفی روی دهد. مثلا در جوشش استخری سیال ساکن است و حرکت آن در مجاورت سطح به وسیله جابجایی آزاد و اغتشاش ناشی از رشد و جدایی حباب انجام می‌شود. در این حالت جریان سیال عمدتا ناشی از حرکت حباب‌ها در اثر نیروی غوطه‌وری است که از سطح داغ ناشی می‌شود. برعکس در نوع دیگر جوشش که به جوشش با جریان اجباری شناخته می‌شود، مانند آنچه در داخل لوله با جریان داخلی اتفاق می‌افتد جریان سیال در اثر حرکت توده سیال و همچنین نیروی غوطه‌وری است. در این مورد شرایط به شدت به هندسه جریان بستگی دارد که ممکن است به صورت جریان خارجی روی سطح تخت یا استوانه گرم یا داخلی (داخل مجرا) باشد. جوشش با جریان اجباری داخلی معمولا به جریان دو فاز معروف بوده و با تغییر فاز سریع از مایع به بخار در جهت جریان همراه است. در ادامه فقط به نحوه جوشش با جابجایی اجباری به طور اختصار اشاره می‌‌شود.

با توجه به نمودار فشار حجم مخصوص زیر به بررسی نحوه تشکیل بخار و ایجاد جوشش پرداخته می‌شود.

جریان دو فازی

در شکل 2 می توان با کاهش فشار مایع در دمای ثابت در امتداد خط AB به 'B رسید در حالیکه باز مایع وجود داشته باشد و همچنین در امتداد خط CD با افزایش فشار به 'C رسید در حالیکه هنوز بخار وجود داشته باشد، در حقیقت به این حالت‌ها که در واقع فشار بخار و مایع یکی نیست حالت شبه پایدار و یا ناپایدار می‌گویند. در این ناحیه که امکان حضور هر دو فاز مایع و بخار می‌باشد اگر سطح مشترک بخار و مایع مقعر باشد و مرکز انحنا داخل فاز بخار باشد، فشار فاز بخار بیشتر از فشار فاز مایع می‌باشد که مقدار این اختلاف فشار از رابطه (1-12) بدست می‌آید: 

جریان دو فازی

و اگر سطح مشترک بخار و مایع کروی باشد این اختلاف فشار به صورت زیر می‌باشد: 

جریان دو فازی

در این حالت، چون فشار بخار بیشتر از فشار مایع است، تعداد مولکول‌های بخار که به سطح مشترک برخورد کرده و جذب می‌شود بیشتر از حالتی است که سطح مشترک مسطح باشد. برای برقراری تعادل باید تعداد مولکول‌هایی که از سطح مایع بلند می‌شوند افزایش یابد، این کار فقط با افزایش دمای سیستم (بخار و مایع) به دمای بالاتر از دمای اشباع متناظر با Pf امکانپذیر است. بنابراین مایع مجاور سطح مشترک منحنی نسبت به فشار مایع، سوپرهیت می‌باشد.

 

این مطلب ادامه دارد ...

 

نگارش : محمد جعفر نیری

منبع : Collier, J.G. and J.R. Thome, Convective boiling and condensation. 1994: Clarendon Press


۰ دیدگاه