پدیدهی چگالش (Condensation) یکی از تغییر فازهای بنیادی در ترمودینامیک است که در بسیاری از فرآیندهای صنعتی و تأسیسات کاربرد دارد. در سادهترین تعبیر، وقتی بخار به مایع تبدیل میشود، چگالش رخ میدهد و گرمای نهان تبخیر آزاد میشود. در بسیاری از سیستمهای حرارتی، اگر بتوان این گرما را بازیافت کرد، به شکل چشمگیری راندمان افزایش مییابد.
در تأسیسات گرمایشی، فناوری دیگهای چگالشی (condensing boilers) بر مبنای استفاده از همین گرمای نهان کار میکنند. چگالش کاربردهای گستردهای در صنایع دارد؛ چرا که تبدیل بخار به مایع و بازیافت انرژی میتواند فرآیندها را اقتصادیتر کند.
چگالش در صنایع شیمیایی و پتروشیمی
در واحدهای تقطیر، بخار هیدروکربنی به سمت بالا حرکت کرده و در کندانسورها سرد میشود تا به مایع تبدیل شود. این مایع ممکن است دوباره در برج تقطیر پایین بیاید یا برای جداسازی بیشتر به بخش بعدی برود. پدیده نقطه شبنم و چگالش دقیق در طراحی برجها و مبدلهای حرارتی بسیار حیاتی است.
چگالش در نیروگاهها و سیکل بخار
در نیروگاههای بخار، پس از عبور بخار از توربین، فشار و دما کاهش یافته است. این بخار وارد کندانسور میشود و چگالش رخ میدهد تا دوباره به آب بازگردد و به بویلر فرستاده شود. بدون این گام، سیکل بخار بسته نمیشود و راندمان کلی کاهش مییابد.
چگالش در صنعت فرآیندی و بویلرهای صنعتی
در برخی واحدهای پروسس، استفاده از بخار به عنوان حامل حرارت متداول است. چگالش شاید در بخش بازیافت گرما، پیشگرم آب تغذیه یا در مبدلهای حرارتی ثانویه ظاهر شود. مقالات معتبر نشان میدهد که بویلرهای چگالشی در صنایع پروسس میتوانند بازدهی بهتری داشته باشند و انرژی تلفشده دودکش را بازیابی کنند.
چگالش در تأسیسات گرمایشی (HVAC)
در سیستمهای گرمایش مرکزی و تهویه مطبوع، وقتی هوای مرطوب روی سطح سرد عبور کند، رطوبت آن چگالیده شده و به صورت قطره آب ظاهر میشود. این همان فرایندی است که در سرمایش یا رطوبتزدایی سیستمهای HVAC رخ میدهد.
چگالش در دیگ چگالشی
در دیگهای چگالشی، استفاده از پدیده چگالش برای بازیابی گرمای نهان بخار دودکش است. وقتی سوخت مشتعل میشود، بخار آب (و گازهای دیگر) تولید میشود. در دیگ بخار معمولی، بخار به همراه گازهای خروجی به دودکش میرود و گرمای نهان آن بدون استفاده به هدر میرود. در دیگ چگالشی، گازهای خروجی تا دمایی پایینتر از نقطه شبنم خنک میشوند تا بخار به مایع تبدیل شود و گرمای نهان آن آزاد شود و دوباره به آب سیستم منتقل شود.
در واقع در دیگ چگالشی، بخار تولید شده پیرامون مبدل حرارتی میعان میشود و گرما به آب سیستم بازگردانده میشود. طراحی سیستم چگالشی معمولاً شامل دو مبدل است: یکی مبدل اصلی که گرمای اولیه را انتقال میدهد و یکی مبدل ثانویه که گازهای خروجی را سرد میکند تا چگالش رخ دهد.
طبق پژوهشها و راهنماهای طراحی، دیگهای چگالشی اگر بهدرستی طراحی شوند، میتوانند راندمانی بین ۹۰ تا ۹۸٪ داشته باشند، در مقایسه با ۷۵–۸۵٪ برای دیگهای مرسوم. همچنین در ارزیابیهایی از بویلرهای چگالشی، نشان داده شده که بسته به طراحی و شرایط کاری، بازسازی موتورخانه قدیمی با دیگ چگالشی میتواند بازده حرارتی ساختمان را ۶ تا ۱۸ درصد نسبت به سیستمهای قدیمیتر بهبود دهد.
انواع چگالش در صنعت
چگالش لایهای یا ورقهای یا Film-wise Condensation
در حالت چگالش لایهای، بخار در تماس با سطحی که دمای آن کمتر از دمای اشباع است، به صورت یک لایه مایع پیوسته روی سطح مینشیند. این لایه به تدریج ضخیمتر شده و تحت اثر نیروی گرانش به سمت پایین جریان مییابد. از آنجا که لایه مایع بهعنوان یک مقاومت حرارتی اضافی عمل میکند، میزان انتقال حرارت کاهش مییابد. انتقال حرارت در این حالت به صورت رسانش (conduction) از طریق لایه مایع و سپس جابهجایی (convection) در مایع در حال حرکت انجام میشود. این حالت در بیشتر سطوح صنعتی (مگر با اعمال پوششهای خاص آبگریز) رخ میدهد و راندمان حرارتی آن نسبتاً پایین است. فرمول نوسلت اولین مدل تحلیلی معتبر برای پیشبینی ضریب انتقال حرارت در چگالش لایهای بر روی سطوح عمودی یا افقی است.
چگالش قطرهای یا Dropwise Condensation
در حالت چگالش قطره ای، بهجای تشکیل یک لایه پیوسته مایع، میعان به شکل قطرات مجزا روی سطح سرد رخ میدهد. این قطرات رشد میکنند، با یکدیگر ترکیب میشوند و تحت اثر گرانش یا نیروی برشی جریان هوا از سطح جدا میگردند. از آنجا که سطح فلز یا مبدل بهطور مستقیم در تماس با بخار باقی میماند (جز در محل قطرات)، مقاومت حرارتی کمتری وجود دارد. در نتیجه، انتقال حرارت در این حالت ۵ تا ۱۰ برابر بیشتر از چگالش لایه ای است. برای ایجاد پایدار این حالت، سطح باید دارای خاصیت آبگریزی (hydrophobicity) باشد یا با پوششهای مخصوص اصلاح شود.
با این حال، در شرایط عملیاتی بلندمدت، حفظ حالت قطرهای دشوار است زیرا آلودگی سطح یا تغییر خواص شیمیایی موجب گذار از حالت قطرهای به حالت لایهای میشود.
۳. چگالش در حضور گازهای غیرقابل تقطیر (Condensation with Non-condensable Gases)
در بسیاری از فرآیندهای صنعتی، بخار خالص وجود ندارد و اغلب همراه با آن گازهای غیرقابل تقطیر (مانند نیتروژن، اکسیژن یا دیاکسید کربن) نیز حضور دارند. این گازها در نزدیکی سطح سرد یک لایه مرزی غنی از گاز غیرقابل تقطیر تشکیل میدهند. این لایه، مقاومت قابل توجهی در برابر انتقال جرم بخار به سطح ایجاد میکند و در نتیجه سرعت چگالش و میزان انتقال حرارت بهطور چشمگیری کاهش مییابد. در تحلیل این حالت، علاوه بر انتقال حرارت، باید انتقال جرم (diffusion of vapor) در لایه مرزی گاز نیز در نظر گرفته شود.
این پدیده در طراحی کندانسورهای نیروگاهی، مبدلهای حرارتی صنایع شیمیایی و تجهیزات تبرید اهمیت ویژه دارد، زیرا وجود حتی مقادیر اندک گاز غیرقابل تقطیر میتواند ظرفیت حرارتی سیستم را بهطور محسوس کاهش دهد.
معادلات حاکم و انتقال حرارت در پدیده چگالش
پدیده چگالش با معادلات انتقال حرارت و جرم ترکیب میشود. برای مثال:
- قانون فوریه برای انتقال حرارت در لایه مایع
- معادلات مقاومت حرارتی و ضخامت فیلم
- تأثیر فشار، دمای سطح و دمای بخار
- در حالت حضور گاز غیرقابل تقطیر، تقریب مقاومت لایه گازی نیز باید لحاظ شود
در جدول زیر میتوانید با برخی از این فرمول ها آشنا شوید:
موضوع | توضیحات | مثال در صنعت |
چگالش فیلمی روی سطح صاف (قانون نوسلت) | وقتی بخار روی یک سطح سرد مثل دیواره مبدل حرارتی یا دیگ مینشیند، یک لایه مایع نازک تشکیل میشود. ضخامت و مقاومت این لایه، تعیین میکند انتقال حرارت چقدر خوب انجام شود. | طراحی دیگهای چگالشی و مبدلهای صفحهای. |
چگالش روی لولهها | اگر سطح به جای صفحه صاف، یک لوله باشد (مثل کندانسورهای لولهای)، انتقال حرارت کمی فرق میکند. در لولههای افقی، بخار راحتتر میچگد چون لایه مایع سریعتر جدا میشود. | کندانسور نیروگاه یا موتورخانه. |
میزان گرمای منتقل شده (شار حرارتی) | مقدار حرارتی که از بخار گرفته میشود بستگی به اختلاف دمای سطح سرد و بخار اشباع دارد. هرچه اختلاف بیشتر باشد، چگالش سریعتر است. | دیگهای بخار خانگی و صنعتی. |
اثر گازهای اضافی (مثل هوا) | اگر در کنار بخار، گازهایی مثل هوا هم وجود داشته باشند، جلوی رسیدن بخار به سطح سرد را میگیرند. این باعث کاهش راندمان چگالش میشود. | سیستمهای سرمایش یا دیگهای چگالشی که نیاز به هواگیری دارند. |
چگالش قطرهای در مقابل فیلمی | گاهی بخار به جای تشکیل لایه پیوسته، به صورت قطره روی سطح مینشیند. در این حالت انتقال حرارت خیلی سریعتر است (۵ تا ۱۰ برابر بهتر). اما کنترل آن در عمل سخت است. | کاربرد محدود در صنایع خاص، چون پایدار نگه داشتن حالت قطرهای مشکل است. |
ضخامت لایه مایع | هرچه لایه مایع روی سطح ضخیمتر باشد، انتقال حرارت سختتر میشود. در طراحی صنعتی سعی میکنند شرایطی ایجاد کنند که لایه خیلی ضخیم نشود. | در طراحی سطح مبدلها و دیگهای چگالشی بهینهسازی میشود. |
جمعبندی
چگالش یکی از پدیدههای ترمودینامیکی اساسی است که از سطح طبیعت تا صنایع پیشرفته کاربرد دارد. در صنعت تأسیسات، ارزش واقعی چگالش در دیگهای چگالشی نمایان میشود؛ جایی که گرمای نهان بخار دودکش بازپسگرفته میشود و راندمان کلی سیستم به طرز چشمگیری افزایش مییابد.
با این حال، دستیابی به عملکرد بهینه مستلزم طراحی دقیق، انتخاب مواد مقاوم، کنترل دمای بازگشتی بهینه، و نگهداری منظم است. اگر این الزامات رعایت شود، دیگ چگالشی میتواند به ابزار قدرتمندی در کاهش مصرف انرژی، هزینهها و تأثیرات زیستمحیطی تبدیل شود.
سایر مقالات
برخی محصولات دابو صنعت