التكاثف السطحي: غشائي أم قطري؟

يحدث التكاثف بنمطين متمايزين، والفرق في انتقال الحرارة بينهما يُقاس بمضاعفات:

التكاثف الغشائي. إن كان السطح قابلاً للبلل كوّن السائل غشاءً متصلاً. وذلك الغشاء طبقةُ مقاومةٍ حرارية بين البخار والجدار، وتزداد المقاومة كلما ازداد سماكةً.

التكاثف القطري. إن كان السطح كارهاً للماء تجمّع السائل قطرات؛ وكلما كبرت القطرات وانسابت، انكشف السطح النظيف تحتها من جديد. ومعامل انتقال الحرارة أعلى برتبة مقدار من قيمته في الغشائي.

لماذا تُبنى التصاميم على الغشاء

النظام القطري مغرٍ لكنه غير دائم. فطلاءات الأسطح تصير قابلة للبلل مع الزمن بفعل الاتساخ والأكسدة والتآكل، فيعود النظام إلى الغشاء. ولذلك يقوم تصميم المبادلات الحرارية على فرضية الغشاء، وهي آمنة على امتداد عمر الجهاز؛ ويُعامَل السلوك القطري بوصفه مكسباً إضافياً.

الغازات غير القابلة للتكاثف: كسر صغير وأثر كبير

كمية صغيرة من غاز غير قابل للتكاثف (هواء، نيتروجين) في البخار تخفض انتقال الحرارة أكثر بكثير مما يُتوقع. فمع تكاثف البخار عند السطح يتراكم الغاز هناك؛ وطبقة الغاز المتكوّنة عند السطح البيني تمنع البخار من بلوغ السطح.

وبضع نقاط مئوية من الهواء قد تُدهور أداء المكثّف بوضوح. وفي الأنظمة العاملة تحت التفريغ يكون الإحكام مسألة أداء لا مسألة صيانة فحسب.

النمذجة

نادراً ما يلزم حلّ الغشاء بالشبكة في المسائل الصناعية؛ بل يُمثَّل الغشاء مقاومةً حرارية سطحية ومصرفَ كتلة. أما إن كان الغشاء نفسه هو السؤال (التقطّر، والانجراف، والتآكل)، فيلزم عندئذ مقاربة السطح الحر.

وحيث يوجد غاز غير قابل للتكاثف، يجب حلّ نقل الأنواع؛ وإلا لم يرَ النموذج إلا بخاراً وخرجت النتيجة متفائلة.

المراجع

1. Shah, R. K. & Sekulić, D. P. (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design. John Wiley & Sons. DOI: 10.1002/9780470172605
2. Ranz, W. E. & Marshall, W. R. (1952). Evaporation from drops. Chemical Engineering Progress, 48, 141–146 (Part I) and 173–180 (Part II).