تكثف

Condensation -

التكثف

يوسف معتوق

التكثف الغشائي

التكثف بالتنقيط

التكثف الكاره للماء

مقارنة بين التكثف الغشائي والتكثف بالتنقيط 

التكثف condensateأو التكاثف condensation في الحالة العامة هو تغير الحالة الفيزيائية للمادة من الطور الغازي إلى الطور السائل نتيجة انخفاض درجة الحرارة، وهو بخلاف عملية التبخر. ويطلق أحياناً على انتقال المادة من الطور الغازي إلى الطور الصلب مباشرة، فيكون نقيض عملية التصعد. ويعتمد التكثف على ضغط بخار المادة سواء الكلي إذا كان البخار نقياً؛ أم الجزئي إذا كان ضمن مزيج. ويسمى ضغط البخار الذي يبدأ عنده التكاثف ضغط البخار المشبع saturated vapor pressure الذي يتغير بتغير درجة الحرارة. فقد يحدث التكثف عند ملامسة البخار لسطح بارد فيتكثف عليه الشكل (1).

الشكل (1) التكثف.

    على سبيل المثال: تحدث عملية التكثف في الطبيعة لبخار الماء الموجود في الهواء بكميات متفاوتة بحسب الظروف المناخية المحيطة، حيث يُستعمل مصطلح الرطوبة النسبية relative humidity - وهي نسبة الضغط الجزئي لبخار الماء في الهواء إلى ضغط البخار المشبع للماء النقي عند درجة الحرارة المدروسة - فعند انخفاض درجة حرارة الجو يصل ضغط البخار المشبع إلى القيمة المناسبة فيبدأ التكثف؛ إذ يتناسب ضغط البخار المشبع طرداً مع درجة الحرارة. ففي الهواء مع وجود الغبار أو أي دقائق صلبة -تعمل عمل نويات- يحصل التكاثف بالتنوّي  nucleationعلى شكل قطيرات صغيرة جداً من الماء إما بمظهر متجانس داخل الهواء عند وجود نوى للتكثف مما يشكل الضباب أو المطر أو الثلج أو البَرَد؛ وإما بمظهر غير متجانس على السطوح الباردة كما في حالة الندى أو الصقيع.

يمكن تلخيص أهم ظواهر التكثف على النحو التالي:

1- التكثف الغشائي film condensation: تشكل الكُثافة condensate طبقة سائلة ممتدة على سطح التكثف البارد، وهو شائع في التجهيزات الصناعية كما في منظومات التسخين.

2- التكثف بالتنقيط dropwise condensation: تشكل الكُثافة نُقطاً منتشرة على سطح التكثف البارد، حيث يتحقق معامل نقل حراري مرتفع عند اعتماد هذا النوع من التكثف في المبادلات الصناعية، لكن المحافظة عليه تعد عملية صعبة. يحدث التكثف بالتنقيط فقط مع السوائل التي تملك توتراً سطحياً مرتفعاً كالماء؛ وعلى أسطح معالجة على نحو خاص مثل السطوح المضادة للالتصاق الشكل (2).

الشكل (2) التكثف الغشائي والتكثف بالتنقيط.

3- تكثف أبخرة تُشكل سوائل غير قابلة للامتزاج فتتكون الكُثافة هنا من مزيج من المكونين الرئيسيين على هيئة طبقة من المكون الأول تحوي نُقطاً من المكون الثاني؛ إما أن تكون طافية على سطح المكون الأول وإما ملتصقة بسطح التكثف البارد في الأسفل.

4- تكثف التماس المباشر: نتيجة التماس المباشر بين البخار وسائل مختلف بارد.

5- التكثف المتجانس: يتكثف البخار هنا على شكل قطيرات صغيرة جداً مشكلاً الضباب، وتحدث هذه الظاهرة عندما يَبرد مزيج من البخار مع غاز غير قابل للتكثف إلى ما دون درجة حرارة الإشباع على أن تتوفر نُوى للتكثف. ويلاحظ تشكل الضباب أحياناً في المبادلات الصناعية لكنه يعد حادثة غير مرغوب فيها.

      يمكن الاستفادة من ظاهرة التكثف في مختلف التطبيقات الصناعية، ويعد التكثف الغشائي الأكثر انتشاراً، أما التكثف بالتنقيط فهو أقل استخداماً صناعياً لكن الاهتمام به متزايد بسبب كفاءته العالية، ولذلك سيتم التركيز على هذين النوعين من التكثف.

التكثف الغشائي

 تصنف معظم المواد على أنها قابلة للبل wettable ما لم تكن معالجة معالجة خاصة، ولذلك عندما يبدأ التكثف تتشكل طبقة رقيقة من الكُثافة تنتشر بحيث تغطي سطح التكثف، وتتوقف سماكة هذه الطبقة وسلوكها على عدد من العوامل لعل من أهمها: معدل التكثف ولزوجة الكُثافة وتوترها السطحي وزاوية التماس بين السائل والسطح. يتكثف البخار على السطح الخارجي لطبقة الكُثافة المتشكلة مع استمرار العملية، وتنتقل الحرارة عبرها إلى طبقة التكثف تحتها، وعندما تصبح هذه الطبقة سميكة تسيل باتجاه الأسفل تحت تأثير الجاذبية الأرضية، ثم تَقْطُر من النقط المنخفضة لسطح التكثف، حينئذٍ تصل طبقة الكُثافة إلى وضع التوازن وتحافظ على سماكة ثابتة الشكل (3).

الشكل (3) تشكل التكثف الغشائي على سطح أسطوانة (مقطع عرضي).

   يعد التدفق الحراري من أهم العوامل المدروسة في ظاهرة التكثف، ولاسيما عند تغير الشروط الحرارية والضغوط فيظهر أكثر من طور مما يؤثر في عملية النقل الحراري وكفاءتها، يبين الشكل (4) مقاومة التدفق الحراري خلال عملية التكثف التي تقسم إلى الأنواع التالية:

 1- المقاومة الحرارية الناتجة من السطح البيني بخار-سائل vapor – liquid interface: وهي في حالة البخار المشبع صغيرة يمكن إهمالها، في حين تكون كبيرة في حالة وجود غاز غير قابل للتكثف أو مزيج بخاري يحوي عدداً من المكونات.

2- مقاومة طبقة الكُثافة: تنتقل الحرارة من البخار خلال طبقة الكُثافة إلى سطح التكثف ثم إلى سائل التبريد إن وجد، وفي حالة البخار المشبع تعد هذه الطبقة المقاومة الرئيسة لنقل الحرارة، ولذلك ينبغي العمل على آليات مختلفة تقلل من سماكة هذه الطبقة لتحقيق ناقلية حرارية أعلى ومن ثم كفاءة تكثف أكبر.

3- مقاومة الطور الغازي تعد العامل الرئيس الذي يسيطر على كفاءة عملية التكثف في حالة مزيج بخاري أو وجود غاز غير قابل للتكثف؛ في حين لا يؤثر تحسين النقل الحراري خلال طبقة الكُثافة في فعالية عملية التكثف.

 

الشكل(4) مقاومة نقل الحرارة مع ظاهرة التكثف.

      تتنوع العوامل المؤثرة في عملية التكثف تنوعاً كبيراً اعتماداً على معدل التكثف ونماذج التدفق وتصميم جهاز التكثف وعوامل أخرى متعددة، حيث يتغير التدفق خلال ظاهرة التكثف فيكون عند مدخل المكثف بخاراً بأكمله تقريباً؛ في حين يكون عند المخرج سائلاً بأكمله تقريباً، ومن ثم يكون العامل المتحكم بالتدفق عند المدخل هو إجهاد قص البخار shear-dominated؛ في حين يكون ثقل السائل gravity-dominatedهو المتحكم بالتدفق عند المخرج.

    يمر التدفق خلال سير عملية التكثف عبر عدد من أنظمة التدفق، فعند إجهاد بخار مرتفع تكون طبقة الكُثافة مضطربة turbulentوتكون فعالية النقل الحراري متحررة من توجه سطح التكثف، أما عندما تكون معدلات الإجهاد ضعيفة تحكم قوةُ الجاذبية تأثير توجه جهاز التكثف على طبقة الكُثافة فتصبح صفائحية laminar، وعندما تكون معدلات إجهاد البخار متوسطة تصبح نماذج التدفق موجية wavy أو شبيهة بالفقاعات bubble-type، حيث يمكن أن تتقلب كفاءة النقل الحراري كثيراً في هذه النماذج جميعها.

التكثف بالتنقيط

 يمكن معالجة سطح التكثف وجعله غير قابل للتبلل؛ عندئذٍ يتكثف البخار عليه وتتشكل كُثافة تنتشر على شكل عدد من الكريات الصغيرة؛ ومع متابعة التكثف يزداد عدد هذه الكريات وتصبح أكبر ويندمج بعضها في بعض ثم تسيل مندفعة على السطح بسرعة باتجاه الأسفل -بفعل الجاذبية الأرضية- وتنضم إليها القطيرات الصغيرة الثابتة تاركةً سطح التكثف مكشوفاً دائماً (الشكل 5). يقدم سطح التبادل الحراري في هذا النوع من التكثف مقاومة ضئيلة لنقل الحرارة، لذلك يمكن تحقيق تيارات نقل حراري عالية جداً، لكن ولسوء الحظ فإن طبيعة المواد المستعملة في بناء أجهزة التكثف تجعل النمط الشائع هو التكثف الغشائي.

الشكل (5) مراحل التكثف بالتنقيط.

التكثف الكاره للماء

 يشبه التكثف الكاره للماء superhydrophobic التكثف بالتنقيط من حيث الكفاءة العالية للنقل الحراري، لكنه يتميز بكفاءة أعلى في حالة مزج البخار مع غاز غير قابل للتكثف. يبين الشكل (6) نوعاً حديثاً من التكثف بالتنقيط، حيث يعالَج سطح التكثف ليكون غير قابل للتبلل وكارهاً للماء بشدة، وذلك بتصنيعه من مواد خاصة مثل الغرافين وإنتاجه بتقنيات مكروية أو نانوية.

 

الشكل (6) قضيب معدني عولج ليصبح غير قابل للتبلل. (أ) غير معالج، (ب) معالج بالكرافين، (جـ) التكاثف على النوع غير المعالج، (د) التكاثف على القضيب المعالج.

مقارنة بين التكثف الغشائي والتكثف بالتنقيط

أُجري العديد من التجارب على هذين النوعين من التكثف على بخار الماء عند الضغط الجوي باستعمال سطوح تكثف متنوعة وبتغيير توجهاتها وميولها وتغيير تركيز الهواء معها (كغاز غير قابل للتكثف)، وكما هو متوقع فقد أظهر التكثف بالتنقيط معدلات نقل حراري أكبر بـمرتين إلى عشر مرات من التكثف الغشائي في حالة البخار الصافي. تُعزى النتائج السابقة إلى آلية التكثف الحاصلة، فنُقط الكُثافة في التكثف بالتنقيط منفصلة لا تغطي كامل سطح التكثف، وهي باستمرار تتشكل ثم تسيل عندما تبلغ حجماً محدداً تاركة سطح التكثف نظيفاً ومُعَرضاً للبخار من دون وجود ما يقاوم في نقل الحرارة، إن الطبقة المتشكلة بالتكثف الغشائي تغطي دائماً سطح التكثف وبما أنها موصل ضعيف للحرارة فإنها تشكل مقاومة تعد السبب الرئيس لانخفاض التدفق الحراري مقارنة بالتكثف بالتنقيط، ومن ثم فإن للتكثف بالتنقيط أفضلية تطبيقية في الصناعة تتجلى في استعمال مكثفات ذات كفاءة عالية وبحجم صغير نسبياً.

أما في حالة وجود الهواء ممزوجاً مع البخار فقد أظهر نوعا التكثف معدلات نقل حراري متناقصة ومتشابهة بسبب المقاومة الحرارية العالية للطبقة الغنية بالهواء والفقيرة بالبخار والتي تتجمع عند سطح التكثف، في حين يحافظ التكثف الكاره للماء -على الرغم من تراجعه- على كفاءة أعلى منهما. وفي نتائج أخرى أظهر نوعا التكثف انخفاضاً منتظماً في النقل الحراري مع انخفاض الزاوية بين سطح التكثف واتجاه تدفق البخار، وكذلك مع ازدياد تركيز الهواء.

    كان التركيز فيما سبق على تكاثف بخار الماء وسطوح أخرى مختلفة، ويمكن إجراء مناقشة مماثلة على أبخرة أخرى وكُثافاتها مع الأخذ في الحسبان تفاعل هذه الأبخرة وسوائلها مع السطوح المختلفة بدءاً من كون السطوح شاقولية أو أفقية مروراً بتوترها السطحي وزاوية تماسها معها ولزوجتها وأنظمة التدفق الحاصلة في عملية التكثف.

 

مراجع للاستزادة: - H. Bhavsar, Introduction and Basics of Condensation, PriMera Scientific Engineering,  2023. - A . Faghri, et al., Advanced Heat and Mass Transfer, Global Digital Press, Columbia, MO. 2010. - A. Goswami, S. C. Pillai,  G. McGranaghan, Surface Modifications to Enhance Dropwise Condensation, Surfaces and Interfaces, 2021.

---

- التصنيف : الكيمياء والفيزياء - النوع : الكيمياء والفيزياء - المجلد : المجلد التاسع، طبعة 2025، دمشق مشاركة :