مفهوم جوشش، منحنی جوشش و انواع آن
در این مقاله ما در مورد جوشش Boiling، منحنی جوشش و انواع آن صحبت میکنیم. جوشش یک نگرانی عمده برای هر صنعت حرارتی است. این اتفاق پدیدهای است که در آن آب به بخار تبدیل میشود یا میتوان گفت این یک فرآیند تغییر فاز از حالت مایع به حالت گاز است. هنگامی که مایع تا دمای اشباع خود گرم میشود (دمایی که در آن مایع شروع به تبدیل به بخار میکند)، فشار بخار آن بیشتر از فشار محیط اتمسفر میشود. به دلیل این اختلاف فشار، ذرات مایع شروع به حرکت به درون اتمسفر میکنند. این فرآیند را جوشش مینامند. مدلسازی این پدیده در نرم افزار فلوئنت یکی از مباحث بسیار مورد توجه و البته پرچالش است.
جوشش چیست ؟
با انجام دادن آزمایش زیر به راحتی میتوان جوشش را درک کرد :
بیایید آب را به درون یک ظرف رو باز بریزیم و آن را در دمای اتاق قرار دهیم. ظرف رو باز است بنابراین فشار اعمال‌شده توسط محیط اطراف به آب، فشار جو است. حال ظرف را روی آتش قرار داده و به آن حرارت میدهیم. اینکار باعث افزایش انرژی و دمای آب میشود. به دلیل این انرژی، فشار بخار آب نیز افزایش مییابد. پس از گرمایش پیوسته به نقطه‌ای می‌رسیم که در آن فشار بخار آب برابر با فشار اتمسفر میشود. به این نقطه، نقطه جوش گفته میشود. افزایش بیشتر دما باعث افزایش فشار بخار میشود و باعث میشود فشارش از فشار جو بیشتر گردد که باعث حرکت ذرات آب به داخل اتمسفر میشود. افزایش بیشتر دما باعث تبدیل کل آب به بخار میگردد. این پدیده به جوشش معروف است.
دمای شروع جوشش به عنوان دمای اشباع در فشار ثابت شناخته میشود. دمای اشباع آب در فشار اتمسفر ۱۰۰ درجه سانتیگراد است. اگر فشار افزایش یابد دمای اشباع نیز افزایش پیدا میکند.
منحنی جوشش و انواع آن
بیایید نگاهی به منحنی زیر بیاندازیم:
منحنی بالا به منحنی جوشش معروف است. این منحنی بر اساس پدیده انتقال حرارت به چهار ناحیه تقسیم شده است.
جوشش با مکانیزم انتقال حرارت جابجایی طبیعی (Natural Convection Boiling)
از مبدا تا نقطه‌ی A اولین منطقه‌ای است که در آن فرآیند انتقال حرارت به صورت جابجایی آزاد صورت میگیرد. ذرات آبی که با سطح گرمایش داده شده در ارتباط هستند، گرما را از سطح می‌گیرند و در بالا شروع به حرکت میکنند. حالا سایر ذرات فضای خالی را اشغال کرده و به‌وسیله گرمای سطح گرم شده، این ذرات شروع به گرم شدن میکنند. این روند به طور مداوم ادامه مییابد تا آب کاملاً به بخار تبدیل شود.
جوشش هسته‌ای (Nucleate Boiling)
ناحیه بعدی (AC) به عنوان منطقه هسته‌ای یا جوشش از نوع هسته‌ای شناخته میشود. این ناحیه مطلوب‌ترین قسمت جوشش است که بسیاری از صنایع از آن استفاده میکنند. در این منطقه، حباب‌ها تشکیل میشوند. ذرات آبی که با سطح گرم شده در ارتباط هستند بخار شده و به حباب تبدیل میشوند. این حباب‌ها در بالای مایع حرکت میکنند و فرو می‌ریزند. خود این منطقه را می توان به دو منطقه دیگر تقسیم کرد.
اولی توسط AB نشان داده میشود که در آن تشکیل حباب رخ میدهد و حباب‌ها شروع به حرکت در سمت بالا میکنند. این حباب‌ها از آبی که در زیر دمای اشباع خود قرار دارد عبور میکنند. بنابراین حباب‌ها گرمای خود را به ذرات آب احاطه شده منتقل میکنند و به درون آب فرو می‌روند.
منطقه دیگر BC است که در آن کل آب در دمای اشباع تبدیل شده و حباب‌ها شروع به عبور از آب احاطه شده میکنند. آن‌ها گرمایشان را به محیط اطراف انتقال نمی‌دهند و در بالای مایع فرو می‌ریزند و بخار را به محیط اطراف خود آزاد میکنند. این پدیده جوشش به جوشش هسته‌ای معروف است. این منطقه بیشترین میزان نرخ انتقال حرارت را فراهم میکند. بالاترین نقطه در منحنی، در ناحیه جوشش هسته‌ای به عنوان نقطه شار حرارتی بحرانی شناخته میشود.
جوشش گذار (Transition Boiling)
ناحیه سوم که با CD نشان داده میشود به عنوان منطقه گذار شناخته میشود. این منطقه چیزی جز یک منطقه واسط میان جوشش هسته‌ای و جوش فیلم (Film Boiling) نیست. این بخش به دلیل پایین بودن نرخ انتقال حرارت، ناحیه‌ی بسیار نامطلوبی از منحنی جوشش است. در این ناحیه ذرات آبی که مرتبط با سطح گرم شده هستند، به بخار تبدیل میشوند و یک پوشش بخار تشکیل می‌دهند. این پوشش نرخ انتقال حرارت ضعیفی دارد در نتیجه دیگر ذرات مایع به سختی می‌توانند گرما را از منبع دریافت کنند. به این دلیل است که انتقال حرارت در این ناحیه از نرخ پایینی برخوردار است و یک ناحیه نامطلوب تلقی میگردد. پایین‌ترین نقطه ناحیه گذار به عنوان نقطه Leidenfrost شناخته میشود.
جوشش فیلم (Film Boiling)
آخرین قسمت از منحنی، به عنوان جوشش فیلم شناخته میشود. این منطقه نرخ انتقال حرارت بسیار بالایی دارد. با خط DE در منحنی جوشش نشان داده میشود. این منطقه دارای بیشترین اختلاف دما بین آب و منبع گرمایی است. وقتی این اختلاف دمایی را بیشتر کنیم، سرعت انتقال حرارت به طور مداوم افزایش پیدا میکند. در این ناحیه بیشتر گرما بواسطه مکانیزم انتقال حرارت تشعشعی منتقل میشود. هنگامی که دمای منبع گرما را بعد از عبور از ناحیه گذار افزایش میدهیم، چگالی پوشش بخار کاهش مییابد و ناحیه انتقال حرارت تشعشعی بین ذرات مایع و منبع گرما شکل میگیرد. به همین دلیل این منطقه افزایش قابل توجهی در سرعت انتقال حرارت از خود نشان میدهد.
