انتقال حرارت به سیالات

با خواص متغیر موضوعی است كه از بیش از نیم قرن پیش مورد توجه محققان قرار گرفته است.

خواص ترمودینامیكی و انتقالی در سیالات معمولا تابعی از دما و فشار سیال است. این خواص در دماها و فشارهای معمولی تقریبا ثابت است. یكی از پیچیده ترین وكلی ترین سیال با خواص متغیر و تابع شدید دما و فشار سیال فوق بحرانی می باشد. این سیال بدلیل تغییر بسیار زیاد خواص آن بخصوص در نقطه بحرانی بسیار مورد توجه است و همواره به عنوان یك سیال خواص متغیر كامل مورد استفاده قرار می گیرد.

در اینجا نیز با توجه به ویژگی های این سیال كه در ادامه شرح داده خواهد شد و همچنین به عنوان پیچیده‌ترین نوع سیال خواص متغیر كه می‌توان انواع دیگر از سیالات با خواص متغیر را حالت خاصی از این سیال دانست از این سیال به عنوان سیال پایه وخواص متغیر استفاده می‌شود.

1-1-سیال فوق بحرانی

وقتی صحبت از سیال فوق بحرانی می‌شود منظور سیال در فشار بالای نقطه بحرانی و دمای نزدیك نقطه بحرانی یا نقطه شبه بحرانی‌[1] Tpc می‌باشد.(شكل 1-1 )

نقاط شبه بحرانی به نقاطی اطلاق می‌شود كه ظرفیت كرمایی ویژه در فشار ثابت ماكزیمم است.

شكل (1ـ1): نمودار درجه حرارت ـ حجم برای آب خالص

در واقع در هر فشار فوق بحرانی یك نقطه شبه بحرانی( دمای شبه بحرانی) وجود دارد كه در آن تغییرات خواص سیال حداكثر است.( ظرفیت گرمای ویژه ماكزیمم است).

شكل (1ـ2): نمودار فشار ـ درجه حرارت برای آب خالص (دیاگرام فاز)

همانطور كه در شكل (1-2) دیده می‌‌شود ناحیه فوق بحرانی به دو قسمت ناحیه شبه مایع[2] و ناحیه   شبه بخار[3] تقسیم می‌‌شود . در فشار ثابت زمانی كه دما بزرگتر از دمای شبه بحرانی است ناحیه شبه بخار و در زمانی كه كوچكتر از دمای شبه بحرانی است ناحیه شبه مایع نامیده میشود .

 دلیل این اسم گذاری آن است كه در واقع در فشارهای فوق بحرانی سیال را نه می‌توان مایع فرض كرد ونه بخار وتنها هاله‌ای است كه فقط میتوان به آن سیال گفت . واین تقسیم‌بندی فقط جهت تطابق با حالت فشارها و دماهای عادی (زیر نقطه بحرانی) است وگرنه در فشارهای فوق بحرانی تغییر فاز وجود ندارد و فقط خواص سیال من جمله چگالی در قبل و بعد از نقطه شبه بحرانی تغییر می‌كند . همچنین می‌توان اینطور عنوان كرد كه بدلیل اینكه در ناحیه دمای بزرگتر از دمای شبه بحرانی چگالی كوچكتر از ناحیه دمای كوچكتر از دمای شبه بحرانی است ، ناحیه چگالی كوچكتر را شبه بخار ودیگری را شبه مایع می‌نامند .

1-2-كاربردهای سیالات فوق بحرانی

در دهه های اخیر استفاده از سیال فوق بحرانی در صنعت رو به فزونی است . برای افزایش بازده نیروگاهها در سالهای اخیر استفاده از آب فوق بحرانی SCW[4] ، مورد توجه قرار گرفته است . سیالات فوق بحرانی بعنوان مبرد (خنك كننده ) برای ماشین‌های الكتریكی وهمچنین بعنوان مبرد برای راكتورهای هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند . در فرایندهای شیمیایی بسیار زیادی مانند ، تغییر فرم ذره[5] ، استخراج[6] و كارخانه‌‌های كف (شوینده) از سیالات فوق بحرانی مانند CO2 وهیدروكربنها استفاده می‌كنند .

در یكی دیگر از كاربردهای سیالات فوق بحرانی از اكسیداسیون آب فوق بحرانی ، scwo[7] ، استفاده می‌شود . مواد آلی مسموم بهمراه اكسیژن داخل آب فوق بحرانی مخلوط می‌شوند كه نتیجه محصولات احتراق بی ضرر می‌باشد . در این روش آب خاصیت جالب توجهی از خود نشان می‌دهد. آب كه در حالت معمول حلال مواد معدنی ونمكها است وقابلیت حل كردن مواد آلی را ندارد ، در حالت فوق بحرانی تغییر كرده و بر عكس می‌شود یعنی مواد آلی را به خوبی در خود حل می‌كند در حالی كه دیگر حلال خوبی برای نمكهای معدنی