در این مقاله می‌خواهیم با مفهوم سیال یا شاره آشنا شویم و بدانیم دقیقاً سیال چیست، چه انواعی دارد و در چه زمینه‌هایی کاربرد پیدا می‌کند. سیال‌ها نقش بسیار مهمی در صنایع مختلف ز جمله مبدل حرارتی دارند؛ از جریان آب در لوله‌ها و حرکت هوا در جو گرفته تا عملکرد سیستم‌های هیدرولیکی و ترمودینامیکی! شناخت ویژگی‌ها و رفتار سیال‌ها به ما کمک می‌کند تا بهتر بتوانیم فرآیندهای فیزیکی و مهندسی را درک کنیم و در طراحی تجهیزات و سیستم‌های صنعتی از آن بهره ببریم.
سیال چیست؟
شاره یا سیال به موادی گفته می‌شود که توانایی جاری شدن دارند و نمی‌توانند شکل ثابتی را حفظ کنند، بلکه شکل ظرف خود را به خود می‌گیرند. به بیان ساده‌تر تعریف سیال در مکانیک سیالات، سیال ماده‌ای است که نمی‌تواند در برابر نیروی برشی (مانند کشیدن یا فشار دادن) مقاومت کند و در نتیجه حرکت می‌کند.
به‌طور کلی، مایعات و گازها هر دو نوعی سیال هستند، چون ذرات آن‌ها به‌راحتی نسبت به هم حرکت می‌کنند. برای مثال آب، هوا، بنزین،نفت، بخار از جمله سیالات پرکاربرد در زندگی روزمره و صنایع مختلف‌اند.
جریان سیال چیست؟
جریان سیال به حرکت منظم یا نامنظم سیال (مایع یا گاز) در یک مسیر مشخص گفته می‌شود. وقتی ماده تحت تأثیر فشار، نیرو یا گرانش شروع به حرکت می‌کند، جریان شکل می‌گیرد و می‌تواند در لوله‌ها، کانال‌ها، روی سطوح یا در فضای آزاد رخ دهد. حرکت سیال به دو شکل اصلی دسته‌بندی می‌شود:
1. جریان آرام
در این نوع جریان، ذرات سیال به‌صورت لایه‌ای و منظم حرکت می‌کنند و مسیر هر ذره تقریباً ثابت است. اصطکاک بین لایه‌ها کم است و جریان یکنواخت و صاف به نظر می‌رسد. مثال: جریان آب آرام در لوله کوچک.
2. جریان آشفته یا توربولنت
در این جریان، ذرات سیال حرکت پیچیده و غیرقابل پیش‌بینی دارند و لایه‌ها با هم آمیخته می‌شوند. این نوع جریان دارای نوسان و گردابه است و انتقال حرارت و جرم در آن سریع‌تر انجام می‌شود. مثال: جریان آب در رودخانه یا جریان هوا در تهویه صنعتی.
ویژگی‌های مهم جریان سیال شامل سرعت، فشار، چگالی، ویسکوزیته و جهت حرکت است. بررسی کاربرد سیال در مهندسی، طراحی مبدل حرارتی، پمپ‌ها، توربین‌ها و سیستم‌های لوله‌کشی اهمیت ویژه دارد که در ادامه به توضیح آن پرداخته ایم.
انواع سیال
سیالات را می‌توان از دیدگاه‌های مختلف به چند دسته تقسیم کرد. در ادامه، رایج‌ترین انواع سیالات را معرفی می‌کنیم:
۱- تراکم‌پذیر و تراکم‌ناپذیر
سیالات از نظر تغییر چگالی در برابر فشار به دو نوع تراکم‌پذیر و تراکم‌ناپذیر تقسیم می‌شوند. سیال تراکم‌پذیر مانند گازها، در اثر تغییر فشار یا دما، حجم و چگالی‌شان تغییر می‌کند. مثلاً هوا در توربین‌های گازی، کمپرسورها یا سیستم‌های تهویه مطبوع نمونه‌ای از سیال تراکم‌پذیر است.
در مقابل، سیالات تراکم‌ناپذیر مانند آب، روغن هیدرولیک یا مایعات صنعتی، تغییر حجم بسیار کمی در برابر فشار دارند. این نوع سیالات در سیستم‌های هیدرولیکی، انتقال نیرو، خنک‌کننده‌ها و نیروگاه‌های برق‌آبی کاربرد فراوان دارند.
2- نیوتنی و غیرنیوتنی
از نظر رفتار جریان و گرانروی، سیالات به نیوتنی و غیرنیوتنی تقسیم می‌شوند. سیالات نیوتنی مانند آب، الکل یا هوا، ویسکوزیته ثابتی دارند؛ یعنی مقاومت آن‌ها در برابر تغییر شکل با نرخ برش تغییر نمی‌کند. این ویژگی باعث می‌شود که رفتار آن‌ها در تحلیل‌های مکانیک سیالات و طراحی لوله‌کشی‌ها قابل پیش‌بینی باشد.
اما سیالات غیرنیوتنی مانند عسل، خمیر دندان، دوغاب سیمان، خون یا رنگ صنعتی، گرانروی متغیری دارند و بسته به میزان تنش برشی، رفتار متفاوتی از خود نشان می‌دهند. این نوع سیالات در صنایع غذایی، دارویی، رنگ‌سازی، پتروشیمی و سیمان بسیار کاربردی هستند.
3- واقعی و ایده‌آل
در تحلیل‌های تئوری، گاهی برای ساده‌سازی، از سیال ایده‌آل استفاده می‌شود؛ سیالی فرضی که در آن هیچ‌گونه اصطکاک، چسبندگی یا اتلاف انرژی وجود ندارد. مثلاً در آموزش مفاهیم پایه مانند قانون برنولی، جریان هوا را معمولاً به‌صورت سیال ایده‌آل در نظر می‌گیرند.
اما در واقعیت، تمام سیالات واقعی هستند؛ یعنی دارای گرانروی، اصطکاک و اتلاف انرژی می‌باشند. آب، روغن، بخار و گاز طبیعی همه نمونه‌هایی از سیالات واقعی‌اند. بررسی رفتار سیالات واقعی در مهندسی مکانیک، نفت و شیمی اهمیت دارد؛ مثلاً در طراحی پمپ‌ها، توربین‌ها، خطوط لوله و مبدل‌های حرارتی باید این ویژگی‌ها لحاظ شود.
4- تک‌فاز و چندفاز
از نظر فاز (حالت ماده)، سیالات به دو نوع تک‌فاز و چندفاز تقسیم می‌شوند. سیال تک‌فاز فقط شامل یک حالت ماده است، مثل جریان کامل آب در یک لوله یا عبور هوا در کانال تهویه! در مقابل، سیالات چندفاز ترکیبی از دو یا چند فاز هستند، مثل آب و بخار در دیگ بخار، نفت و گاز در خطوط انتقال، یا دوغاب در صنایع معدنی!
مدیریت و طراحی جریان چندفاز پیچیده‌تر است و در صنایع نفت و گاز، پتروشیمی، نیروگاه‌ها و فرآیندهای شیمیایی اهمیت ویژه‌ای دارد.
ویژگی‌های مهم سیالات
سیالات (مایعات و گازها) دارای خصوصیات فیزیکی و رفتاری خاصی هستند که آن‌ها را از جامدات متمایز می‌کند. این ویژگی‌ها در تعیین رفتار سیال هنگام جریان، انتقال حرارت، فشار و سایر پدیده‌های فیزیکی نقش اساسی دارند. در ادامه مهم‌ترین ویژگی‌های سیالات را بررسی می‌کنیم:
۱. چگالی
چگالی مقدار جرم سیال در واحد حجم است و با نماد ρ نمایش داده می‌شود. چگالی نشان می‌دهد شاره چقدر «سنگین» یا «سبک» است. برای مثال، چگالی آب در دمای اتاق حدود ۱۰۰۰ کیلوگرم بر مترمکعب است، در حالی که چگالی هوا حدود ۱.۲ کیلوگرم بر مترمکعب است. چگالی در محاسبات نیرو، فشار و شناوری اهمیت زیادی دارد.
۲. فشار
فشار در سیال‌ها، نیروی وارد بر واحد سطح است. این ویژگی در مایعات و گازها به‌صورت یکنواخت در همه جهات پخش می‌شود. فشار نقش کلیدی در عملکرد پمپ‌ها، کمپرسورها، خطوط لوله و سیستم‌های هیدرولیکی دارد.
۳. دما
دما میزان انرژی جنبشی ذرات سیال یا شاره را نشان می‌دهد و تأثیر مستقیمی بر چگالی، ویسکوزیته و فشار دارد. در گازها، افزایش دما معمولاً باعث افزایش حجم و کاهش چگالی می‌شود، در حالی‌که در مایعات این اثر کمتر است.
۴. ویسکوزیته
ویسکوزیته یا گرانروی، مقاومت سیال در برابر جاری شدن است. سیالی با ویسکوزیته زیاد (مثل عسل) کندتر جریان می‌یابد، در حالی که سیال با ویسکوزیته کم (مثل آب یا هوا) سریع‌تر حرکت می‌کند. ویسکوزیته یکی از عوامل مهم در طراحی سیستم‌های لوله‌کشی و پمپ‌ها است.
۵. کشش سطحی
کشش سطحی خاصیتی است که باعث می‌شود سطح مایع مانند یک پرده‌ی نازک رفتار کند. این ویژگی به‌دلیل نیروهای جاذبه‌ی بین مولکول‌های سطح مایع به وجود می‌آید. برای مثال، قطرات باران کروی‌اند چون کشش سطحی تمایل دارد سطح مایع را به حداقل برساند.
۶. تراکم‌پذیری
تراکم‌پذیری نشان‌دهنده میزان تغییر حجم سیال در اثر تغییر فشار است. گازها به‌طور قابل‌توجهی تراکم‌پذیر هستند، اما مایعات معمولاً تراکم‌ناپذیر در نظر گرفته می‌شوند. این ویژگی در محاسبات جریان گازها و عملکرد کمپرسورها اهمیت دارد.
۷. دبی جریان
دبی، مقدار سیال عبوری از یک مقطع در واحد زمان است. این ویژگی نشان‌دهنده‌ی سرعت انتقال سیال در لوله یا کانال است و در طراحی شبکه‌های انتقال سیال، سیستم‌های آبرسانی و تجهیزات صنعتی کاربرد زیادی دارد.
کاربرد سیالات در صنایع مختلف
سیالات در صنایع متعددی کاربرد حیاتی دارند و تقریباً در همه حوزه‌های مهندسی نقش کلیدی ایفا می‌کنند. به عنوان مثال:
- • صنایع انرژی و نفت و گاز: برای انتقال نفت، گاز و فرآورده‌های پتروشیمی از طریق لوله‌ها و مخازن، و همچنین در سیستم‌های خنک‌کننده و نیروگاهی.
- • صنایع خودروسازی و حمل‌ونقل: در ترمزهای هیدرولیکی، سیستم فرمان هیدرولیک، روغن‌کاری موتور و انتقال قدرت.
- • صنایع شیمیایی و دارویی: برای مخلوط کردن، پمپاژ و انتقال مواد شیمیایی و دارویی به‌صورت مایع یا گاز.
- • صنایع غذایی و نوشیدنی: در فرآیندهای بسته‌بندی، پمپاژ مایعات، تولید نوشیدنی‌ها و شیرینی‌جات.
- • صنایع هوافضا و تهویه مطبوع: برای کنترل جریان هوا، تهویه، سرمایش و گرمایش، و سیستم‌های هیدرولیک هواپیما.
- • صنایع نیرو و برق: در توربین‌های بخار و گاز، سیستم‌های خنک‌کننده ژنراتورها و مبدل‌های حرارتی.
- • صنایع ساختمانی و تأسیسات: تأمین آب و فاضلاب و شبکه‌های لوله‌کشی شهری، سیستم‌های گرمایش، سرمایش و تهویه مطبوع، پمپاژ و کنترل سیالات ساختمانی مانند سیمان مایع و ملات.
به طور خلاصه، هر جایی که حرکت، انتقال یا کنترل مایع یا گاز مورد نیاز باشد، سیالات نقش اساسی دارند و مهندسی سیالات پایه طراحی و بهره‌برداری این سیستم‌هاست.
سیالات مورد استفاده در مبدل های حرارتی کدام ها هستند؟
در مبدل‌های حرارتی، انتخاب سیال مناسب نقش بسیار مهمی در انتقال حرارت، بازدهی سیستم و عمر تجهیزات دارد. سیالات معمولاً به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند: مایعات و گازها، هر کدام با ویژگی‌های خاص خود!
در ادامه پرکاربردترین سیالات مورد استفاده در مبدل‌های حرارتی آورده شده است:
آب
آب یکی از رایج‌ترین سیالات در مبدل‌های حرارتی است، به‌ویژه در سیستم‌های تهویه مطبوع، دیگ‌های بخار و چیلرها. آب ارزان، در دسترس و دارای ظرفیت حرارتی بالا است، به این معنی که می‌تواند مقدار زیادی حرارت را بدون تغییر زیاد دما منتقل کند. گاهی به آب افزودنی‌هایی مانند ضدیخ یا بازدارنده خوردگی اضافه می‌شود تا عملکرد سیستم بهبود یابد.
روغن‌ها
روغن‌های حرارتی معمولاً در دماهای بالاتر از حد تحمل آب استفاده می‌شوند، زیرا نقطه جوش بالاتری دارند و کمتر تبخیر می‌شوند. روغن‌ها برای انتقال حرارت در سیستم‌های صنعتی، مانند کوره‌ها، برج‌های حرارتی و تجهیزات شیمیایی مناسب‌اند.
گلیکول‌ها
گلیکول‌ها، به‌ویژه اتیلن گلیکول و پروپیلن گلیکول، معمولاً با آب ترکیب می‌شوند تا نقطه انجماد سیال کاهش یابد و سیستم در شرایط سرمای شدید دچار یخ‌زدگی نشود. این سیالات در سیستم‌های تهویه مطبوع و سرمایش صنعتی کاربرد فراوان دارند.
بخار
بخار به‌عنوان سیال گرم‌کننده در مبدل‌های حرارتی تبادل حرارت بالا استفاده می‌شود. بخار به دلیل ظرفیت حرارتی زیاد و ویژگی تراکم‌پذیری‌اش می‌تواند به‌سرعت انرژی حرارتی را به سیال دیگر منتقل کند. مبدل‌های حرارتی با بخار معمولاً در صنایع غذایی، شیمیایی و نیروگاه‌ها کاربرد دارند.
هوا و گازهای صنعتی
در برخی مبدل‌ها، گازها به‌عنوان سیال گرم‌کننده یا خنک‌کننده استفاده می‌شوند. برای مثال، هوا در مبدل‌های حرارتی هوا به هوا، و گازهای صنعتی مانند نیتروژن یا گازهای احتراق در فرآیندهای خاص صنعتی کاربرد دارند.
سیالات اختصاصی با خواص ویژه
برای شرایط دمایی یا فشار بسیار بالا، یا هنگامی که مایعات معمولی مناسب نباشند، از سیالاتی با خواص ویژه مانند سیلیکون‌ها، مایعات فلزی (مثل گالیم و سدیم مذاب) و نمک‌های مذاب استفاده می‌شود. این سیالات در صنایع نیروگاهی، شیمیایی و هسته‌ای کاربرد دارند.
هدف شرکت آرکا صدر، به‌عنوان یکی از تولیدکنندگان پیشرو مبدل‌های حرارتی در ایران، از ارائه مقاله آموزشی «سیال چیست» این است که مشتریان و مخاطبان بتوانند با مفاهیم پایه‌ای و اصطلاحات تخصصی مرتبط با سیالات آشنا شوند و درک بهتری از عملکرد و کاربرد محصولات مبدل حرارتی داشته باشند. این دانش به آن‌ها کمک می‌کند تا انتخاب‌های فنی آگاهانه‌تری داشته باشند و از تجربه کار با تجهیزات آرکا صدر بیشترین بهره را ببرند.