بررسي تجربي جوشش جرياني مادون سرد آب و نانوسيال‌ها در ماكروكانال عمودي و تأثير ويژگي‌هاي سطح جوشش بر شارگرماي بحراني و ضريب انتقال گرماي جوشش

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي شيمي

دكتري

در اين پژوهش انتقال گرماي جوشش جرياني مادون سرد براي آب خالص و نانوسيال‌هاي مختلف از ناحيه تك فاز با سازوكار انتقال گرماي جابجايي اجباري تا ناحيه دو فاز با سازوكار جوشش هسته‌اي و سرانجام رسيدن به شارگرماي بحراني (CHF) تحت شرايط عملياتي مختلف مورد بررسي قرار گرفت. آزمايش‌هاي جوشش جرياني در لوله‌اي با قطر داخلي 3/4 ميليمتر، زبري 328/2 ميكرومتر و زاويه تماس ° 73 با جرياني عمودي رو به بالا انجام شدند و منحني جوشش جرياني با تغيير شارگرماي داده شده به لوله گرمكن از ناحيه تك فاز تا بروز شارگرماي بحراني ترسيم شد و نواحي مختلف جوشش با ارائه سازوكارهاي حاكم بر انتقال گرماي هر ناحيه توصيف شدند. در بخش نخست پژوهش، آزمايش‌هاي آب تحت شرايط عملياتي مختلف از جمله شار جرمي ( kg/m2.s 689 ، 819 و 1148)، دماي مادون سرد سيال ورودي (C°30، 40 و 50)، طول لوله گرمكن (120 و 165ميليمتر) و فشار (يك و سه بار) انجام شدند و تأثير اين عوامل بر ضريب انتقال گرماي جوشش (HTC) و شارگرماي بحراني مورد مطالعه قرار گرفتند. نتايج نشان دادند CHF با افزايش شار جرمي و فشار به ترتيب 42 و 7/42 درصد افزايش يافت. در حالي كه افزايش دماي مادون سرد ورودي و افزايش طول لوله گرمكن باعث كاهش CHF به ترتيب به ميزان 5 و 2/24 درصد شدند. همچنين در ناحيه تك فاز با انتقال گرماي جابجايي اجباري، افزايش شار جرمي و فشار سبب بهبود ضريب انتقال گرما شدند، درحالي كه تأثير عوامل ذكر شده بر ضريب انتقال گرماي جوشش در ناحيه جوشش هسته‌اي به گونه‌اي بود كه با افزايش فشار، شار جرمي و دماي مادون سرد سيال ورودي ضريب انتقال گرما افزايش يافت و با كاهش طول لوله گرمكن، ضريب انتقال گرما افزايش يافت. در بخش دوم اين پژوهش، جوشش جرياني مادون سرد نانوسيال هاي مختلف شامل آلومينا/آب (005/0، 01/0، 02/0 و 03/0 درصد حجمي)، نقره/آب (005/0 و 01/0 درصد حجمي)، سيليكا/آب (005/0 درصد حجمي) و سريم‌اكسيد/آب (005/0 درصد حجمي) در لوله گرمكن به طول 120 ميليمتر با جريان عمودي رو به بالا و دماي مادون سرد C °40 تحت فشار يك بار و در شارگرمايي متغير بررسي شد. منحني جوشش جرياني مادون سرد نانوسيال‌ها با غلظت 005/0 درصد حجمي در نواحي مختلف مورد تجزيه و تحليل قرار گرفت و با آب مقايسه شد. اثر عواملي مانند غلظت نانوسيال ورودي، نوع نانوسيال و شار جرمي در لوله خام بر ويژگي‌هاي جوشش جرياني مانند CHF ، ضريب انتقال گرما و كيفيت بخار تعادلي خروجي بررسي و با جوشش آب در لوله خام مقايسه شدند. ويژگي‌هاي سطح جوشش، مانند زبري سطح، ريخت‌شناسي مشاهده شده از تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) و زاويه تماس، بررسي شدند و تأثير آنها بر ويژگي‌هاي جوشش جرياني مورد تحليل قرار گرفتند. بالاترين درصد افزايش CHF (4/23 درصد) در اين پژوهش براي نانوسيال آلومينا/آب با غلظت 03/0 درصد حجمي نسبت به ديگر نانوسيال‌ها نسبت به CHF آب در لوله خام اتفاق افتاد. همچنين، بر اساس نتايج بدست آمده CHF نانوسيال سيليكا/آب با غلظت 005/0 درصد حجمي با افزايش شار جرمي از kg/m2s 459 تا 689 نسبت به آب به ترتيب 4/5 و 2/17 درصد افزايش يافتند. ضريب انتقال گرما براي همه نانوسيال‌ها (005/0 درصدحجمي) نسبت به آب در لوله خام افزايش يافت و براي نانوسيال سريم‌اكسيد/آب به دليل اندازه كوچك ذرات و الگوي يكنواخت تجمع نانوذرات در سطح و افزايش مكان‌هاي هسته‌زايي سطح، بيشترين افزايش در ضريب انتقال گرما مشاهده شد. كيفيت بخار تعادلي خروجي رفتار مشابهي را براي همه نانوسيال‌ها و آب، در ناحيه تك فاز و ناحيه نزديك به بروز CHF نشان داد. در حاليكه كيفيت بخار تعادلي در خروجي براي نانوسيال ها مقاديركمتري در مقايسه با آب در ناحيه جوشش هسته‌اي داشت. ويژگي‌هاي جوشش آب بر روي سطوح نانو پوشش داده شده با نانوذرات مختلف در مقايسه با جوشش آب در سطح لوله خام مورد آزمايش قرار گرفتند و تأثير مشخصات سطوح جوشش در بهبود مشخصه‌هاي جوشش قابل ملاحظه بود و با جوشش نانوسيال متناظر در لوله خام قابل رقابت هستند كه نشان‌دهنده تأثير بسزاي سطح اصلاح شده توسط نانوذرات رسوب كرده بر مشخصه‌هاي جوشش مي‌باشد.

232796

-

آموزش الكترونيكي

دانشگاه صنعتي اصفهان