ویکی‌جزوه/دانشکده:فنی و مهندسی/انتقال حرارت/جریانات دو فازی

جریان دو فازی

جوشش با جابجایی واداشته، همان حباب‌های تشکیل شده در سطح داخلی لوله حاوی مایع گرم می‌باشد. در این شرایط رشد و جدایی، حباب شدیداً تحت تأثیر سرعت جریان قرار دارد و اثر هیدرودینامیکی در این حالت با اثر متناظر در جوشش استخری کاملاً تفاوت دارد.

وجود نقش‌های متفاوت در جریان دوفازی باعث پیچیدگی فرایند، و مانع استنتاج نظریه‌های کلی می‌شود.

جریان دوفازی در لوله افقی

جریان دوفازی در لوله قائم

جریان در لوله‌ای گرم را به شکل عمودی در نظر بگیرید. انتقال گرما به مایع فروسردی که وارد لوله می‌شود، ابتدا با جابجایی واداشته است، که روابط آن را در فصل ۸ کتاب خوانده‌ایم.

ولی با شروع جوشش حباب‌هایی در سطح ظاهر می‌شود که رشد کرده و به داخل جریان منتقل می‌شود. در این جریان حبابی، ضریب انتقال حرارت جابجایی شدیداً افزایش پیدا می‌کند. با افزایش کسر حجمی بخار، حباب‌ها به هم می‌پیوندند و جریان بی شکلی را بوجود می‌آورند. پس از جریان بی شکل، جریان حلقوی بوجود می‌آید که در آن لایه‌ای از مایع تشکیل می‌شود.

این مایع در امتداد سطح داخلی لوله و بخار، با سرعت بیشتری در مرکز لوله حرکت می‌کند؛ لذا افزایش ضریب انتقال حرارت در جریان حبابی و بیشتر در جریان حلقوی ادامه می‌یابد؛ ولی سرانجام نقاط خشک روی سطح داخلی ظاهر می‌شود و ضریب انتقال حرارت شروع به کاهش می‌کند. مرحله گذار، با پیدایش نقاط خشک شروع و تا جایی ادامه می‌یابد که سطح کاملاً خشک شود و تمام مایع باقیمانده به صورت قطره‌هایی ظاهر شود و کاهش ضریب انتقال حرارت در این مرحله همچنان ادامه پیدا می‌کند. سپس بخار توسط جابجایی واداشته در سطح، فوق گرم می‌شود.

انواع الگوهای جریان در لوله‌های افقی

هفت نوع الگوریتم توزیع برای جریان‌های دوفازی در خطوط لوله افقی وجود دارد. به طوری که برای هر رژیم جریان مقادیر تجربی سرعت هر فاز برای مخلوطی از گازهایی با جرم ویژه نزدیک به جرم ویژه هوا و مایعاتی با گرانروی کمتر از ۱۰۰ سانتی پوز داده شده است.

جریان حبابیBubbly flow:

در خطوط لوله افقی در مواردی که نرخ حجمی گاز نسبتاً کم و نرخ حجمی مایع نسبتاً زیاد باشد جریان حبابی بصورت حباب‌های کوچک گاز تحت تأثیر اختلاف چگالی در قسمت فوقانی لوله ظاهر می‌شود. با افزایش نرخ حجمی فاز گاز اندازه حباب‌ها به تدریج افزایش می‌یابد. سرعت ظاهری مایع در این نوع رژیم جریان بین ۵ الی ۱۵ فوت بر ثانیه و سرعت ظاهری گاز بین ۱ الی ۱۰ فوت بر ثانیه می‌باشد.

جریان توپی یا قالبی:

با افزایش سرعت فاز گاز در جریان حبابی تعداد حباب‌های فاز گازی افزایش می‌یابد. به طوری که از برخورد و بهم پیوستن آن‌ها حباب‌های بزرگ و توپی شکل نزدیک به جداره بالایی لوله تشکیل می‌شود. این نوع جریان جریان توپی یا قالبی نامیده می‌شود.

جریان لایه‌ای:

در این نوع الگوی توزیع فازهای مایع و گاز کاملاً از هم جدا هستند و فاز گاز که عموماً دارای سرعت بیشتری نسبت به فاز مایع می‌باشد و در قسمت فوقانی و مایع در ناحیه پایین درون لوله حرکت می‌کنند. همچنین تداخل بین دو فاز بندرت صورت می‌گیرد و فصل مشترک بین آنها نسبتاً منظم و صاف می‌باشد. در این حالت سرعت ظاهری فاز مایع کمتر از ۵ فوت بر ثانیه و سرعت ظاهری فاز گازی بین ۲ الی ۱۰ فوت بر ثانیه می‌باشد.

جریان موجی:

در جریان لایه‌ای اگر سرعت پیدایش گاز مجداداً افزایش یابد. بین فاز گاز و مایع تنشی ایجاد می‌شود که خود باعث پیدایش امواج در فصل مشترک می‌شود که این امواج در امتداد جریان حرکت می‌کنند. سرعت ظاهری مایع در این حالت کمتر از ۱ فوت بر ثانیه و سرعت ظاهری گاز حدود ۱۵ فوت بر ثانیه می‌باشد.

جریان لخته‌ای: slug flow

در خطوط لوله افقی و مواردی که نرخ جریان مایع زیاد باشد افزایش سرعت گاز منجر به افزایش دامنه موج‌های سطحی مایع در فصل مشترک گاز و مایع می‌شود که ضمناً موج‌ها به جداره فوقانی لوله برخورد کرده و لخته‌های مایع تشکیل می‌شود. لخته‌های مایع در چنین حالتی می‌توانند باعث لرزش‌های شدید و در برخی موارد ایجاد خطر درون تجهیزات واقع در مسیر خطوط لوله و مراکز جمع‌آوری شوند. از ویژگی‌های این نوع رژیم جریان می‌توان از نوسانات منظم در تغییرات فشار و مقدار مایع تجمع یافته نام برد که معیار مناسبی برای تشخیص این نوع رژیم جریان می‌باشد.

جریان حلقوی Annular flow:

در این نوع جریان دو فاز گاز و مایع بصورت دو استوانه متداخل درون لوله جاری خواهند شد. این نوع جریان وقتی شکل خواهد گرفت که سرعت ظاهری گاز بیشتراز ۲۰ فوت بر ثانیه باشد. بررسی دقیق این نوع الگوی جریان به جهت تعیین میزان خوردگی سایشی و افزایش بازدهی خط انتقال پیش بینی مقدار مایع تجمع یافته و تعیین ضخامت فیلم مایع روی دیواره لوله و محاسبه افت فشار سیال جهت طراحی خطوط لوله انتقال و تجهیزات انتهایی آن از اهمیت خاصی برخوردار است.

جریان قطرهای:

با افزایش نرخ جریان فاز گاز در جریان حلقوی فاز گاز و فاز مایع را بصورت قطرات ریزی انتقال خواهد داد. احتمالاً چنین جریانی وقتی شکل می‌گیرد که سرعت ظاهری فاز گاز بیش از ۲۰ فوت بر ثانیه باشد. در مواردی که نرخ جریان گاز نسبتاً زیاد و نرخ جریان مایع نسبتاً کم باشد.

فاز مایع در داخل فاز گاز بصورت ذرات بسیار ریز و پراکنده تبدیل شده و اصطلاحاً فضایی شبیه مه بوجود می‌آید. در این حالت رژیم جریان را مه آلود می‌نامند. بعضی از خطوط انتقال سیستم گاز میعانی در مواقع خاصی در این الگوی جریان قرار دارند.

انواع الگوهای جریان در لوله های قائم

در خطوط لوله قائم نیز الگوهایی ظاهر می شوند که تفاوت چندانی با الگوهای جریان در خطوط لوله افقی ندارند.

جریان حبابیBubbly flow

در این نوع رژیم جریان فاز مایع بصورت پیوسته و فاز گاز بصورت پراکنده (حباب های ریز) درون مایع بطرف بالا حرکت می کند. سرعت فازها در این نوع جریان بدلیل اختلاف جرم ویژه فازها متفاوت می باشد. معمولاً حباب های ریز گاز با سرعت ظاهری کمتر از ۲ فوت بر ثانیه از درون فاز مایع عبور می کنند.

جریان لخــته ای Slug flow

در جریان حبابی با افزایش سرعت فاز گاز تعداد حباب ها افزایش یافته و از برخورد و بهم پیوستن آنها با یکدیگر چند گنبد چتری شکل گازی بوجود می آید که در قسمت هایی از لوله تمام سطح مقطع لوله را اشغال می کنند. در عمل این نوع جریان بصورت منقطع از فازهای مایع و گاز دارای افت فشار زیاد و همچنین از نظر فرآیندی با ایجاد سروصدا های ناهنجار و آسیب دیدگی تجهیزات همراه است. در طراحی خطوط لوله جریان دو فازی سعی می شود حتی الامکان از ایجاد چنین رژیم جریانی اجتناب شود. در این حالت سرعت ظاهری فاز گاز از ۲ الی۳۰ فوت بر ثانیه تغییر می کند.

جریان کف آلودChurn flow

در جریان لخته ای با افزایش سرعت جریان توده های گاز شکسته شده و جریان ناپایدار و انتقالی بین دو جریان لخته ای و حلقوی شکل خواهد گرفت. در خطوط لوله جریان با قطر زیاد حرکت نوسانی مایع بسمت بالا و پایین رخ می دهد در حالیکه در لوله های باریک این حرکت نوسانی بوقوع نخواهد پیوست و حرکت انتقالی بین دو نوع جریان لخته ای و حلقوی بسیار گذرا خواهد بود.

جریان قطره ایAnnular flow

در این نوع الگوی جریان فاز گاز بصورت پیوسته و فاز مایع بصورت ذرات ریز به همراه آن در حرکت است. بطوریکه فاز گاز فاز مایع را بصورت قطرات ریز انتقال می دهد. در این حالت تغییرات فشار سیال توسط فاز گاز کنترل می شود. اطلاعات تجربی نشان می دهد که به ازای سرعت ظاهری فاز گاز بیش از ۷۰ فوت بر ثانیه و سرعت ظاهری فاز مایع کمتر از ۲ فوت بر ثانیه باشد این نوع رژیم به جریان حلقوی تبدیل خواهد شد.

ویدئوهای آموزشی

در اینجا لینک نمایش چند فیلم از محلول دوفازی هوا و آب در لوله قائم آورده شده است.

Bubbly: http://ct-cr4.chem.uva.nl/SingleCapillary/videos/a.Water_bubbly.avi

slug-bubbly flow: http://ct-cr4.chem.uva.nl/SingleCapillary/videos/b.Water_slugbubbly.avi

churn flow: http://ct-cr4.chem.uva.nl/SingleCapillary/videos/b.Water_slugbubbly.avi

tylor flow: http://ct-cr4.chem.uva.nl/SingleCapillary/videos/c.Water_Taylor.avi

annular flow: /http://ct-cr4.chem.uva.nl/SingleCapillary/videos/e.Water_annular.avi

منابع

1. کتاب انتقال حرارت/اینکروپرا
2. http://www.sat2me.org/t83770/