بررسی تجربی هیدرودینامیک و انتقال جرم جریان تیلور دو فازی گاز – مایع درون میکروکانال با استفاده از گازCO2 و سیال آب و نانوسیال سیلیکا

STUDENT

DEGREE

YEAR

Hydrodynamics and mass transfer in gas–liquid flow in slug flow regime through a square microchannel with a hydraulic diameter of 200mµ have been investigated experimentally. The range of the superficial gas velocity was and the superficial liquid velocity was Hydrodynamics and mass transfer coefficients were studied in three modes: constant ratio of gas to liquid flow rate, constant gas flow rate and constant liquid flow rate. The results showed that with increasing the gas to liquid flow rate ratio at constant total flow rate the length of the liquid slug reduced while the gas bubble increased. For constant gas flow rate and constant liquid flow rate, with increasing the average superficial velocity, the length of the liquid slug decreased while the gas bubble length increased. Three different junction structures were investigated. The liquid slug, gas bubble and unit cell length in the microchannel with cross-shaped T- junction were increased on average by 20% and 18% relative to that of T-junction and cross-shaped junction, respectively. Silica nanofluid flow in the microchannel was also studied. The length of the gas bubble, unit cell length and liquid slug with nanofluid were 51%, 55% and 49%, respectively, larger than those with de-ionized water. The specific interfacial area was measured. The specific interfacial area increased with liquid flow rate at constant gas flow rate, gas flow rate at constant liquid flow rate and constant ratio of gas to liquid flow rate at constant total flow rate. The specific interfacial area with nanofluid was 37% larger than those with de-ionized water. The liquid mass transfer coefficient in the constant gas to liquid flow rate ratio at 2 was greater than other two ratios investigated in this work. Circulation in liquid slug was derived from intensified at high liquid flow rate, resulting in higher mass transfer. The liquid mass transfer coefficient in the microchannel with cross-shaped junction was enhanced on average by 14% and 17% relative to that using T-junction and cross-shaped T-junction, respectively. In cross-shaped junction at the bubble the flow formation stage, the shear force was applied on the gas bubble from the both sides resulting in stronger internal circulations and mixing in the liquid. Comparing the mixing junctions of T-junction and cross-shaped T-junction shows higher mass transfer coefficient. Gas-liquid Taylor flow mass transfer inside a square micro-channel is studied when using nano-fluid and water as the liquid phase. The mass transfer coefficient increased on average by 24% in nanofluid. This is due to micro convections induced in the liquid because of Brownian motion of the nanoparticles. Keywords: microchannel, mass transfer, hydrodynamics, mixing junction configuration, nanofluid.

در این پژوهش جذب فیزیکی گاز در آب و نانوسیال در یک میکروکانال مربعی با سطح مقطع مربعی با طول ضلع mµ200 × mµ200 و طول 8cm تحت رژیم جریان تیلور در محدوده سرعت ظاهری مایع و سرعت ظاهری گاز مطالعه شده است. هیدرودینامیک و ضریب انتقال جرم حجمی مایع در سه حالت، نسبت ثابت دبی گاز به مایع ، دبی ثابت گاز و دبی ثابت مایع مورد بررسی قرار گرفتند. با استفاده از عکس‌های گرفته شده در طول میکروکانال، طول حباب گاز، لخته مایع و سلول واحد استخراج شدند. نتایج نشان می‌دهند، با افزایش نسبت دبی فازی طول لخته مایع کاهش و طول حباب گاز افزایش می‌یابد. در حالات دبی ثابت گاز و دبی ثابت مایع، با افزایش سرعت کل جریان طول لخته مایع کاهش و طول حباب گاز افزایش می‌یابد. در بخش دیگر پژوهش، سه هندسه نقطه اختلاط به کمک میکروکانال مربعی mµ200 مطالعه شده است. سه هندسه نقطه اختلاط، T شکل، L شکل و صلیبی شکل می‌باشند. در مقایسه بین سه هندسه ورودی میکروکانال، بیشترین طول لخته مایع، حباب گاز و سلول واحد مربوط به هندسه L شکل است. در هندسه L شکل نیروی تنش برشی وارده بر سیال به دلیل زاویه کمتر نسبت به دو هندسه دیگر، دیرتر باعث قطع جریان گاز و تشکیل حباب می‌شود. در نتیجه با افزایش سرعت، طول حباب گاز در این هندسه به ترتیب 20% و 18% بیشتر از دو هندسه T شکل و صلیبی شکل می‌شود. در ادامه پژوهش به بررسی تاثیر سیال عامل بر هیدرودینامیک جریان پرداخته شد. بدین منظور از نانوذره سیلیس در آب با کسر جرمی % 025/0 استفاده گردید. به طور میانگین زمانی که از نانوسیال استفاده می‌شود، طول حباب گاز، لخته مایع و سلول واحد به ترتیب 51%، 49 % و 55 % بیشتر از سیال آب می‌باشند. برای سه هندسه نقطه اختلاط، در هنگام استفاده از نانوسیال طول‌های حباب گاز، لخته مایع و سلول واحد به ترتیب 66%، 53% و 57% افزایش داشته است. در ادامه مساحت سطح بین فازی در میکروکانال بررسی گردید. مساحت سطح بین فازی با افزایش نسبت دبی فازی، دبی ثابت فاز گاز و دبی ثابت فاز مایع افزایش می‌یابد. نتایج نشان می‌دهند مساحت سطح بین فازی برای نانوسیال به طور میانگین در سه حالت ذکر شده، 37% بیشتر از سیال آب دی‌یونیزه می‌باشد. ضریب انتقال جرم حجمی مایع به دلیل افزایش جریان مایع، تقویت چرخش‌های درونی لخته مایع در نسبت ثابت دبی فازی 2 در مقایسه با نسبت دبی فازی 3 و 4 بیشتر است. نتایج نشان می‌دهند، تاثیر سرعت ظاهری فاز مایع، فاز مایع بر ضریب انتقال جرم حجمی مایع، بیشتر از فاز گاز است. زیرا افزایش دبی مایع باعث تشکیل لایه مرزی نازک‌تر مایع، افزایش میزان آشفتگی جریان و چرخش درونی لخته مایع می‌شود. استفاده از هندسه صلیبی اختلاط نسبت به دو هندسه L شکل و T شکل باعث به ترتیب باعث افزایش 14% و 17% ضریب انتقال جرم حجمی آب دی‌یونیزه می‌شود. در مقایسه بین دو هندسه L شکل و T شکل، ضریب انتقال جرم حجمی مایع در هندسه L شکل بیشتر از هندسه T شکل است. زیرا در هندسه صلیبی در هنگام تشکیل حباب، نیروی تنش برشی از دو جهت به گاز وارد می‌شود و باعث افزایش چرخش درونی قوی‌‌تر و اختلاط بیشتر درون فاز مایع می‌شود. هنگام استفاده از هندسه L شکل، طول لخته مایع کمتر از هندسه T شکل است. در بخش پایانی تحقیق، انتقال جرم جریان تیلور گاز – مایع درون میکروکانال مربعی هنگامی که نانوسیال و آب به عنوان فاز مایع استفاده شده‌اند، با یکدیگر مقایسه گردیده است. با تغییر سیال عامل از آب دی‌یونیزه به نانوسیال، ضریب انتقال جرم به طور میانگین 24 درصد افزایش می‌یابد. زیرا میکروجابه‌جایی ناشی از حرکت براونی نانوذرات باعث افزایش چرخش درون لخته مایع می‌شود. کلمات کلیدی: جریان گاز – مایع، جریان تیلور، میکروکانال، انتقال جرم، نانوسیال، دبی گاز و دبی مایع، هندسه نقطه اختلاط