التعريف بتدفقات الجسيمات - لادن

إن تدفقات المواد المحتوية على مواد كيميائية متماثلة في العمليات الصناعية الحديثة، بدءاً من احتراق الفحم المكشوف في محطات توليد الطاقة إلى النقل الحفاز المسيل، وتدفقات المواد المسحوقية في خطوط التصنيع، وتتكون هذه النظم المتعددة المراحل من الغازات أو معدات السائلة المستمرة التي توقف وتنقل الجسيمات الصلبة المتفرقة، وقد تكون للجزئات تأثيرات على التدفقات الأساسية في مجال الاستهلاك أو الارتداد أو المرحلة.

وتُستخدم المعدات الصناعية مثل مبادلات الحرارة والمغليات والمفاعلات والجرافات بصورة روتينية في ظروف تتراوح فيها تركيزات الجسيمات بين الإيقاف المخفف إلى الأسرّة المهددة بالثدي، ويمكن أن يؤدي التفاعل بين الجسيمات والميدان الحراري إلى تعزيز أو تدهور أداء نقل الحرارة، تبعاً لممتلكات الجسيمات، ونظام التدفق، والارتقاء بالأجهزة.

التأثيرات الأساسية على نقل النفايات

Thermal Properties of Particle-Laden Suspensions

وتتوقف فعالية الوصل الحراري لتعليق المادة على المواسير الحرارية لسوائل الناقل والجسيمات الصلبة، وكذلك الجزء من حجم الجسيمات، والنماذج الكلاسيكية، مثل نظريات الغاز المتوسطة الجامدة والبروغيمان، على أن إضافة جسيمات ذات قدرة عالية على إحداث زيادة كبيرة في السلوكيات ذات الجرثوم.

وبالإضافة إلى السلوك، فإن القدرة الحرارية المحددة وكثافة التغيير في التعليق مع تحميل الجسيمات، إذ أن الانتشار الحراري (ألفا = كيلو غرام/كتار ()(ب) ) يؤثر على نقل الحرارة عبر المحيط، وفي كثير من الحالات، فإن الكتلة الحرارية للجسيمات تعمل كغلاف حراري أو مصدر، مما يعطل تقلبات درجات الحرارة.

آثار نظام الملاحة الجوية

كما أن نظام التدفق - الملاحية أو الاضطراب - يؤثر تأثيراً شديداً على توزيع الجسيمات وتفاعلها مع طبقة الحدود الحرارية، وفي التدفقات المتطاولة، تميل الجسيمات إلى الهجرة بسبب عدم وجود قوى نقل، وكثيراً ما تركز على نحو أقرب إلى مركز القناة أو جدرانها، ويخلق هذا التوزيع غير الرسمي ارتفاعاً في مستويات الحرارة أو الباردة، مما يقلل من كفاءة النقل الحراري.

ويحدد رقم التدفق (Reynolds) الانتقال إلى الاضطراب، وبالنسبة لتدفقات المركبات المحتوية على جزيئات، يجب استخدام نظرة فعالة تبين وجود الجسيمات، فالعلاقة العملية، مثل ]Einstein relation for dilute suspensions، تتطلب نماذج أكثر تعقيداً، ولكن ينبغي أن تكون هذه النماذج أكثر تعقيداً.

خصائص الجسيمات

ParameterEffect on Heat Transfer
Particle diameterSmaller particles have higher surface area-to-volume ratio; enhance interfacial heat transfer but also increase drag and potential for agglomeration.
ShapeNon-spherical particles (fibers, platelets) create larger disturbance in flow and increase mixing, but also affect settling and erosion patterns.
Density ratio (ρp/ρf)High density ratio causes strong inertial effects and non-equilibrium velocities; particles may not follow fluid temperature.
Concentration (volume fraction)Low loading: particles enhance heat transfer by disrupting boundary layer. High loading: increased thermal conductivity but may cause flow blockage or fouling.

كما أن توزيع حجم الجسيمات مهم أيضاً، إذ يمكن أن يحزم توزيع ثنائي الوسائط أكثر كفاءة، وأن يزيد من فعالية السلوك الحراري، بينما قد يؤدي التوزيع الضيق إلى تفاعل أقل، وبالنسبة لسطح التبادل الحراري، فإن الجسيمات الكبيرة جداً يمكن أن تسبب التآكل، في حين أن الجسيمات الدقيقة جداً عرضة للتسخين الكهربائي والضغط.

آليات تعزيز نقل النفايات

تعزيز السلوك من خلال شبكات الجسيمات

وعند اتصال الجسيمات بعضها ببعض أو بسطح نقل الحرارة، فإنها تخلق جسور صلبة تُجري حرارة أكثر كفاءة من مرحلة السوائل، وهذه الآلية مهمة خاصة في تدفقات المواد الكثيفة مثل الأسرّة المسيلّة، وفي إطار عملية تزييف حرارة مُتَوَجَّلة، تُحوَّل الجسيمات في مرحلة الارتداد إلى أسطح محشوَّنة عن طريق التصريف.

وحتى في التدفقات المخففة، يمكن للجسيمات التي تقترب من السطح أن تعزز السلوك عبر طبقة الحدود السوائل عن طريق إنشاء دائرة قصيرة حرارية، وهذا أمر له أهمية خاصة بالنسبة للجسيمات النانوية التي تظهر نقل حراري بالقذائف على مسافات قصيرة جدا.

التكسين الإيجابي وتشويه الخيوط

وتُخل الجسيمات بتدفق السوائل من خلال آلية تسمى "التغيير الاضطرابات الناجمة عن الجسيمات" في التدفقات المخففة، يمكن للجسيمات إما أن تعزز أو تُوقف الاضطرابات حسب حجمها ورقم المكدسات، وتميل الجسيمات الصغيرة (الزيادة في المادة 1) إلى اتباع مسارات السوائل وطاقة استخراجها، مما يُوقف الاضطرابات الكبيرة (الثانية الأولى)

وتبين الدراسات التجريبية في تدفقات الأنابيب مع الجسيمات الصلبة أن رقم النوسيلت يمكن التعبير عنه بأنه لا = لا 0 ] (1+C)

m), where Nu0 is the single-phase Nusselt number, φ is the particle volume fraction, and C and m are empirical constants ranging from 2 to 10 and 0.5 to 1.5, respectively. The enhancement factor increases with Reynolds number and particle loading.

نقل الحرارة الإشعاعية في الغازات الجسيمية - الدن

وفي درجات حرارة عالية (فوق 800 كاف)، يصبح الإشعاع الحراري وسيلة نقل حراري مهيمنة، وتستوعب الجسيمات الإشعاع الحراري الحاد وتنبعث منه وتشتته، وتغير توزيع الحرارة الإشعاعية داخل المعدات، وفي نظم الاحتراق مثل مغلي الفحم المحتوي على الكبريت، وتزيد الجسيمات السائلة والرماد من الانتقال الإشعاعي من أحواض اللهب إلى أحواض المياه.

ويمكن أن تزيد الجسيمات ذات السمعة العالية (مثلاً، الأسود الكربون) ارتفاعاً كبيراً معدلات نقل الحرارة الإشعاعية، وعلى العكس من ذلك، فإن الجسيمات المجسّدة (مثلاً، السيليكا) قد تقلل من صافي نقل الحرارة، كما أن وظيفة الفرز في مرحلة الفرز هي أيضاً مهمة: فالتفرق الأمامي يحافظ على الطاقة الموجهة نحو الأمام، بينما ينتشر الرش فيها.

الآثار الضارة لتدفقات الجسيمات - الدن

التعبئة والتأديب

ويمكن أن تُودع الجسيمات في أسطح نقل الحرارة، مما يشكل طبقة مُثبطة تعمل كمُوجّه حراري، وتُحدّد المقاومة الرغوية التي تُمارس في إطارها، وتُحدّد (M2 K/W) من معامل نقل الحرارة عموماً، وكثيراً ما تشمل آليات التحلل التأثير غير المباشر، ودرجة براون، ودرجة الحرارة في الجاذبية الصغيرة.

ويتوقف معدل الرغوة على العصيان الجسيمي (وظيفة درجة الحرارة والرطوبة)، والوعرة السطحية، وظروف التدفق، وتخفض السطحية والتدفقات المرتفعة من الخرف التخصيب، ويمكن أن تؤدي المعاطف السطحية مثل فلوروبوليمر إلى تخفيف الضغط، ولكنها قد تؤدي أيضا إلى تدهور حركة الحرارة.

تآكل واجهات المعدات

وتؤثر الجسيمات العالية السرعة على السطح، مما يتسبب في إزالة المواد تدريجيا (الهبوط) - ويتناسب معدل التآكل (فقدان الكتلة لكل أثر) مع الطاقة الحركية الجسيمية وزاوية الارتطام، وتعاني المواد الداكنة من أقصى قدر من التحات عند زوايا الأثر الضحل (20-30 درجة)، بينما تهبط المواد الرشوية إلى أقصى حد ممكن في التأثير الطبيعي.

زيادة العجز والضغط

فإضافة الجسيمات إلى تدفق يزيد من الحساسية الفعالة ويمكن أن يؤدي إلى زعزعة الاستقرار مثل الملح أو تدفق التدفق أو التكوين الغاشم في الأنابيب الأفقية، وهذه الاضطرابات تسبب تقلبات في نقل الحرارة ويمكن أن تؤدي إلى تهتز المعدات، مثلا، في نظام نقل المياه، فإن تسوية جسيمات الكاروز تؤدي إلى خفض منطقة التدفق وزيادة الضغط، وزيادة أسعار الصرف الحراري.

ويزيد عادة انخفاض الضغط في تدفق جسيمات على ارتفاع التدفق من نقطة واحدة بسبب زيادة الجر والاحتكاك، ويمكن تقدير انخفاض الضغط الزائد باستخدام معادلة إرغو للأسرة المكبوتة أو الروابط العملية للنظم المسيلّة، ويجب على المصممين أن يحسبوا ذلك عند تضخ المضخات أو المفجرات.

التطبيقات الصناعية

مبادلات حرارة في بيئات مدرعة

وتواجه مبادلات حرارة الطلقات والتربة التي تتاجر في الغازات المحتوية على جزيئات مدرَّبة (مثل نظم تدفئة الغازات المفلورة) كلاً من التآكل والتحات، وتشمل استراتيجيات التصميم استخدام أجهزة قياس الأنابيب الأكبر للحد من التلويث، واستخدام البكلاء السائلة لتعزيز التدفق عبر الإنترنت، وتركيب أجهزة القاذفات الفول السوداني للتنظيف على الإنترنت، ويجب الإبقاء على تركيز الجسيمات دون عتبة للحفاظ على سوائل المتطورات المتطورة المتطورة المتطورة المحتوية.

مفاعلات بضاعة ملوثة

وتعتمد مفاعلات الأسرّة الملوّثة على نماذج أولية لتدفقات مركب الجسيمات من أجل تحسين النقل الحرائي، وفي إطار عملية سطو مزدهرة، فإن فقاعات الغاز المستخدمة تحمل جسيمات صلبة، مما يخلق خللاً حاداً، ويمكن أن يصل معامل نقل الحرارة بين الأسرة والأنابيب المحتوية على مواد متحركة إلى 300-500 W/m2K، ويتجاوز حجم الغاز المركب بدرجة كبيرة.

نظم المواظبة المنوية

(ب) نقل المواد الصلبة ذات الصلصة بالجملة باستخدام الهواء.() وكثيراً ما يكون نقل الحرارة في هذه النظم ضعيفاً بسبب تقلص التدفق وفترات الإقامة القصيرة، غير أنه في تطبيقات التجفيف (مثلاً، أجهزة التبريد الضوئي)، فإن الاتصال الحميم بين الهواء الساخن والجسيمات يتيح إزالة الرطوبة السريعة.() وقدر نقل الحرارة في المراحل الدلوية من التصفية هو معامل التحلل الحراري (نبي)

نُهج النماذج والتحكيم

Eulerian-Lagrangian vs Eulerian-Eulerian Methods

وتستخدم ديناميات السوائل المحوسبة على نطاق واسع للتنبؤ بنقل الحرارة في تدفقات المواد المحتوية على جزيئات، ويتتبع نهج " إيوليريان - لاغراني " كل جزيئات تستخدم طريقة الجسيمات المتفرقة، ويحل مرحلة السوائل على شبكة ثابتة، وهذه الطريقة دقيقة ولكنها باهظة التكلفة بالنسبة لأعداد كبيرة من الجسيمات، وهي مناسبة لتدفقات الصواريخ المميتة ولدراسة طريقة نقل الجسيمات.

وتتيح التطورات الأخيرة في نظام عنصر الدمج والتوازن بين الديموقراطية والديموغرافيا (طريقة العنصر الخرساني) وضع نماذج دقيقة لسلوك الجسيمات والجسيمات الحرارية في نظم الكثافة، ويمكن لهذه المحاكاة أن تستنسخ معامل نقل الحرارة التجريبية بدقة جيدة.

المراسلات التجريبية والنماذج الختامية

وفي حين أن البرمجيات التجارية المتعددة المصدر قوية، فإن العديد من التصميمات الصناعية لا تزال تعتمد على الروابط العملية، وبالنسبة لنقل الحرارة في النقل الناموسياتي، كثيرا ما تستخدم العلاقة بين السود والأرض:

Nu = 0.027 Rem0-8 Pr1/3 (1 + 0.3 / ]0.5]]) حيث Re]m هو رقم المخلوط رينولدز استناداً إلى سرعة سطحية ومزيجات من الفول.

وبالنسبة للأسرة المسيلة، يوفر نموذج كوناي - ليفنسبيل تعبيرا شبه تجريبي لمعامل النقل الحراري الذي يمثل امتلاك الجسيمات، وتركيب الغاز، والإشعاع، ويجب على المهندسين اختيار العلاقة المناسبة القائمة على نظام التدفق وخواص الجسيمات.

الاستراتيجيات الأمثل

مراقبة توزيع الجسيمات

ويمكن أن يؤدي توزيع حجم الجسيمات إلى تحقيق التوازن بين تحسين نقل الحرارة والآثار السلبية، إذ أن نطاق ضيق الحجم يقلل من الفصل ويكفل التقلب الموحد، فإضافة جزء صغير من الجسيمات الدقيقة يمكن أن يؤدي إلى تحسين نقل الحرارة عن طريق زيادة المساحة السطحية دون زيادة التآكل بدرجة كبيرة، ويمكن للطحن الذكي أو التصنيف أن يحقق ذلك.

Flow Velocity and Turbulence Manipulation

ويؤدي العمل في ارتفاع السرعة إلى زيادة الخلط ونقل الحرارة، ولكنه يزيد أيضا من الانحدار والضغط، وتوجد بقعة حلوة حيث يتم تعظيم نقل الحرارة دون ارتداء ألبسة مفرطة، كما أن الحركات السريعة المتغيرة على المراوح أو المضخات تسمح للمشغلين بتعديل السرعة مع تغير الظروف، كما أن تصاعد مروجي الاضطرابات (الزجاجات والأشرطة الملتوية) في مبادلات الحرارة يمكن أن يزيد من الخلط دون زيادة تركيز الجسيمات.

التحديثات والمواد السطحية

ويمكن أن يؤدي استخدام الأسطح المجهزة بالطلاء أو النسيج على سطح نقل الحرارة إلى الحد من الرغوة والتحات، مثلاً، فإن السطح الكهرومغناطيسي يقلل من تآكل الجسيمات، بينما تزيد مبادلات الحرارة مع السطح المحسن (الحدائق، الجمود) من منطقة نقل الحرارة، ولكنها قد تكون عرضة للتراكم الجسيمات.

خاتمة

إن تدفقات المواد المحتوية على جزيئات تمثل فرصا وتحديات لنقل الحرارة في المعدات الصناعية، ومن خلال فهم الآليات الأساسية - السلوك المعزز، والخلط الميسر، والمهندسات الإشعاعية - يمكن أن تصمم نظما تسخر التفاعلات بين الجسيمات لتحسين الأداء الحراري، ومع ذلك، فإن أوجه القصور مثل التخصيب والتحات والثبات التي تُحسن، يجب أن تدار بعناية من خلال الاختيار المناسب لممتلكات التجزئة، وظروف التدفق، والمعدات.

لمزيد من القراءة، انظر نقل المحركات في نظم متعددة المراحل ] من قبل هيتسروني و ] برنامج بحوث التدفق الجسيمات-الدنيا .