انتقال حرارت چگالشی

یکی از نکات حائز اهمیت در مورد آب، بالا بودن گرمای نهان تبخیر آن نسبت به سایر مواد است. به همین دلیل به منظور انتقال حرارت در صنعت، دو فرایند تبخیر و چگالش آب مورد توجه قرار گرفته‌اند. فرایند تبخیر در بویلرها و فرایند چگالش در مبدل‌های حرارتی و کندانسورها به کار گرفته می‌شوند.

فرایند چگالش در دو حالت لایه‌ای و قطره‌ای صورت می‌گیرد. وجود لایه ای از سیال بر روی سطح باعث ایجاد یک مقاومت حرارتی بزرگ می شود. در واقع در مسیر انتقال حرارت از بخار آب به سطح چگالش، مقاومت حرارتی ناشی از حضور گاز‌های غیر قابل کندانس، مقاومت ناشی از قطره یا لایه سیال کندانس شده بر روی سطح چگالش، مقاومت پوشش و زبری سطح چگالش و مقاومت انقباض قرار گرفته‌اند که از این میان بزرگترین مقاومت حرارتی موجود، مقاومت لایه سیال کندانس‌شده بر روی سطح است که شکسته‌شدن لایه سیال و ایجاد قطرات مجزا بر روی سطح چگالش، سبب کاهش شدید مقاومت حرارتی کل و در نتیجه افزایش چشم‌گیر ضریب انتقال حرارت می‌شود. از این رو شکسته شدن لایه سیال و تبدیل فرایند به چگالش قطره‌ای یکی از راهکارهای مطلوب برای افزایش نرخ انتقال حرارت خواهد بود. یکی از روش‌های ایجاد و حفظ حالت قطره‌ای چگالش فراهم کردن شرایطی جهت پاک شدن سریع سطح از سیال چگالیده شده است. نانومهندسی سطوح و تغییر زاویه تماس سطح سبب می‌شود بتوان نیروی لازم جهت جدا کردن قطرات از سطح را کاهش داد. به عبارت دیگر در این روش با افزایش زاویه تماس سطح و کاهش زاویه تماس پسماند آن، به جای اجازه دادن به تشکیل لایه‌ای از سیال چگالیده شده بر روی سطح و ایجاد یک مقاومت حرارتی بزرگ، بخار به صورت قطرات مجزا بر روی سطح چگالش می‌یابد. قطرات شکل گرفته بر روی سطح بر اساس نحوه رشد به دو دسته کوچک و بزرگ تقسیم می‌شوند. قطرات کوچک با جذب مستقیم بخار و قطرات بزرگ بر اثر به‌هم‌چسبیدن رشد می‌کنند تا بر اثر غلبه وزن خود بر نیروی چسبندگی، قطره به سطح سقوط کند و قطرات پایین‌دست خود را جاروب نماید. با جاروب شدن سطح، دوباره سطح خالی از قطره و آماده برای جذب بخار و تشکیل قطرات جدید است.

از دیگر نکات قابل ذکر می توان به این اشاره نمود که افزایش اختلاف دمای سطح سرد و بخار آب، سبب می‌شود قطرات بر روی سطح فوق آب‌گریز از حالت کسی-بکستر عبور کرده و به حالت ونزل قرار گیرند. در مقایسه دو حالت ونزل و کسی-بکستر، به دلیل این‌که در حالت ونزل فواصل بین زبری‌ها با آب ناشی از چگالش قطرات پر می‌شود، ضریب انتقال حرارت نسبت به حالت کسی-بکستر که هوا این فواصل را پر می‌کند، بیشتر خواهد بود.

از این رو می توان گفت میزان شار حرارتی انتقال یافته در حین فرایند چگالش، علاوه بر رژیم این فرایند به جنس سطح (ضریب هدایت حرارتی آن)، جنس و ضخامت پوشش (ضریب هدایت حرارتی آن)، ابعاد و شکل زبری‌های سطح، زاویه تماس استاتیک سطح (که برخی از مقاومت‌های حرارتی به طور مستقیم به آن وابسته‌اند.) و زاویه تماس پسماند (که در تعیین نیروی لازم جهت جدایش قطرات از سطح چگالش موثر است.) بستگی دارد.

ستاپ آزمایشگاهی برای اندازه‌گیری ضریب انتقال حرارت در حین چگالش، مستقر در شرکت ژیکان. در این ستاپ انواع سطوح فوق آبدوست، فوق آبگریز و معمولی برای اندازه‌گیری ضرایب انتقال حرارت چگالش با یکدیگر مقایسه می‌شوند.

سطح آب‌گریز به سطحی با زاویه تماس بالاتر از °150 و سطح فوق آب‌دوست به سطحی با زاویه تماس کمتر از °10 اطلاق می شود که هر دو سطح با کمک به تشکیل حالت قطره ای چگالش باعث افزایش نرخ انتقال حرارت خواهند شد. بررسی‌های انجام شده نشان می‌دهد که فوق آبگریزی سطح باعث افزایش 100 درصدی انتقال حرارت نسبت به حالت معمولی می شود. در صورت فوق آب‌دوست بودن سطح نیز شاهد افزایش 34 درصدی انتقال حرارتی خواهیم بود.