مقاله ارزیابی عددی عملکرد یک آب شیرین کن خورشیدی از نوع دو طرفه

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

ارزیابی عددی عملکرد یک آب شیرین کن خورشیدی از نوع دو طرفه

چکیده

کمبود آب آشامیدنی یکی از معضلات بشر میباشد زیرا 94% از آب جهان شور است. هدف اصلی این مقاله بدست آوردن آب شیرین با هزینه پایین از آب شور است. آب شیرینکن خورشیدی که تنها از انرژی ارزان خورشید استفاده میکند بهترین روش میباشد . دستگاه تولید آب شیرین (مقطر ساز خورشیدی ) بسیار ساده و قابل حمل به نقاط مختلف است. روش تقطیر خورشیدی یک روش ساده، در اندازه های کوچک و متوسط و یک فناوری مناسب برای فراهم کردن آب سالم برای خانهها و اجتماعات میباشد. تقطیر فرآیندی است که میتوان از آن برای پالایش آب بهره برد. این فرآیند به انرژی گرمایی نیاز دارد که میتواند از انرژی خورشیدی به عنوان منبع انرژی استفاده شود. در این فرایند، آب بخار شده و بخار آب از مواد محلول جدا شده به سمت شیشه سرد به حرکت درآمده و طی عمل میعان به شکل آب خالص در امده قابل استفاده میباشد. در این مقاله با تدوین یک کد کامپیوتری اثرات پارامترهای مختلف از جمله میزان ارتفاع آب درون آب شیرینکن و حالت آفتابی و ابری بودن، بر عملکرد دستگاه مورد بررسی قرار گرفته است. یکی دیگر از نتایج مهم بدست آمده، میزان تولید آب شیرین دستگاه در طول روزهای مختلف است.

کلمات کلیدی

دما،رطوبت،تبخیر،تقطیر،تابش،انرژی خورشیدی، شناوری مثبت و منفی.

مقدمه
رشد علم، صنعت و فناوری در جهان امروز، روشهای مختلف استفاده از انرژی را که در دوران قبل از انقلاب صنعتی معمـول بـود دگرگـون کرده، و شناخت منابع انرژی جدید، تحولی عظیم در توسعه صنعتی و تکامل اجتماعی بشر به وجود آورده است. خورشـید عامـل و منشـاء انرژیهای گوناگونی است که در طبیعت موجود است و یکی از منابع مهم انرژی اسـت کـه بایـد بـه آن روی آورد زیـرا بـه فـن آوریهـای پیشرفته و پرهزینه نیاز نداشته و میتواند به عنوان یک منبع مفید و تامین کننده انرژی در اکثر نقاط جهان بکـار گرفتـه شـود، همچنـین خطر و آثار نامطلوبی از خود باقی نمیگذارد و برای کشورهایی که فاقد منابع انرژی زیرزمینی هستند، مناسبترین راه بـرای دسـتیابی بـه نیرو و رشد و توسعه اقتصادی است.

کمبود آب یکی از مهمترین عوامل محدود کننده محیط زندگی و کشاورزی و عدم توسعه صنایع میباشد و در حقیقت بدون آب، زندگی و پیشرفت ممکن نیست . اقیانوسها یکی از بزرگترین منابع ذخیره آب بوده ولی با داشتن حدود %3/5 وزنی از املاح مختلـف در آب، اسـتفاده مستقیم از این آبها در بیشتر موارد دچار اشکال میگردد. درصد املاح محلول اقیانوسها و دریاها نسبت به عمقهای مختلـف متفـاوت اسـت چون آب مصرفی در ساختمانهای مسکونی و صنعت و کشاورزی و شرب، هر یک مشخصات خاصـی دارنـد کـه بـا آب اقیانوسـها و دریاهـا مطابقت نمیکند، لذا حذف قسمت اعظم املاح آب اقیانوسها و انجام پارهای تغییرات در ترکیبات آنها قبل از مصرف، حتمی و ضروری است مثلاً آب آشامیدنی نباید بیش از 1000 میلیگرم در لیتر املاح داشته باشد و یا آبی که در کشاورزی مصرف میشود حداکثر امـلاح مجـاز آن 5000 میلیگرم در لیتر است، به این ترتیب، آب اقیانوسها و دریاها با داشتن 35 گرم در لیتر از مواد محلول، به هیچ عنوان نمیتواننـد مستقیماً در صنعت و کشاوزی و شرب مورد استفاده قرار گیرند.

در قرن نوزدهم دستگاههای آب شیرینکن خورشیدی رواج پیدا کردند و دستگاههایی ساخته شدند که قادر بودند در روزهای آفتابی روزانه حدود 20000 لیتر آب مقطر تولید نمایند . و همچنین در قرن بیستم استفاده از کلکتورها جهت تولید بخـار در نیروگـاههـای برقـی مـورد توجه بسیار قرار گرفت . آزمایشهای تجربی متعددی بر روی این نمونه دستگاه در شهرهای مختلـف در طـول و عـرض جغرافیـایی متفـاوت صورت گرفته است. در حالت عادی و برای نمونه ساده بطور متوسط روزانه 4 تا 5 لیتر در هر روز به ازای هر متر مربع مساحت سـطح آب شیرینکن برای روزهای تابستانی که بیشترین تشعشع را دارند بدست آمده است. لذا محققان سعی بر محاسبه عملکرد دستگاه در منـاطق مختلف و افزایش راندمان با تغییر شرایط آزمایش داشتهاند .[1,2] نصب آب شیرین کن خورشیدی در بسیاری از مناطق موجب ایجاد امید جهت احیاء و ادامه حیات شده است بگونهای که مشکلات آب آنجا با استفاده از انرژی پاکیزه، فراوان و در دسترس خورشیدی میتواند حل شود. علیرغم مزیت کلی این نوع دستگاهها عیب اصلی آن پایین بودن میزان تولید به نسبت روشهای دیگر تهیه آب شیرین بوده و احتیـاج به فضای زیاد نیز دارد .[3] به همین علت عمده توجه محققان به افزایش میزان تولید با استفاده از تکنیکهای متفاوت میباشد .[4]

موسی[5] 1F0 در مسقط عمان برای بررسی تاثیر تفاوت دمایی میان شیشه و آب آزمایشهایی انجام داد . وی از دو دستگاه استفاده نمـود کـه کاملا مشابه هم بودند. یکی از آنها بطور معمولی ساخته شده بود و دیگری داری کاور دوجدارهای بود کـه از میـان آن آب بـا دمـای 25œC عبور میکرد. گرچه عبور آب موجب کاهش تشعشع خورشید به داخل دستگاه و کمتر شدن دمای آب داخل دستگاه میشـد ولـی موجـب افزایش اختلاف دمای میان شیشه و آب داخل دستگاه شده و تولید را افزایش میداد. عماد الحیاک[6] 2F1 مقایسه میان دو دستگاه، که یکی به صورت دو سطح شیبدار و دیگری با یک سطح شیبدار ولی داخل آن آینه نصب شده بود در عمان انجام داد. نتایج حـاکی از آن بـود کـه میزان تولید در حالت یک سطح با رفلکتور داخلی %20 از حالت با دو سطح شیب و مساحت 2 برابر، بیشتر بوده است.

بوچکیما[7] 3F2 به ارائه دستگاهی پرداخت که دارای 3 قسمت مجزا بصورت لایههای نازکی از پارچه، که جاذب رطوبت و قطعات فلـزی کـه هر یک بصورت چگالنده و اواپراتور باهم در ارتباط هستند تولید آب شیرین میکنند، که البته هدف نهایی آن نیـز جمـعآوری اطلاعـات از آبدهی و همچنین میزان انتقال حرارت این دستگاه در الجزیره بوده و میـزان آبـدهی در سـاعات مختلـف و در فصـول و در نهایـت امکـان استفاده در آنجا بررسی شده است.

تلاشهای زیادی جهت بهبود و توسعه عملکرد دستگاههای نمکزدایی از آب بالاخص دستگاههای آب تقطیر کن صورت گرفته است. بـرای افزایش دمای آب داخل دستگاه تقطیرکن بعضی از محققان اتصال کلکتورهای خورشیدی بیشتری بـا دسـتگاه پیشـنهاد نمودنـد .[8-10] یکی از دلایل پایین بودن بازده دستگاه این است که حدود 30% تا [11 ] 40% از گرمای نهان چگالیده به محیط منتقل مـیشـود کـه ایـن خود اتلاف حرارتی بالایی میباشد. استفاده از گرمای نهان میعان جهت پیشگرم نمودن آب تغذیه دسـتگاه در عملکـرد آن تـاثیر بسـزایی داشته است .[12,13] بعضی از محققان با استفاده از گرمای نهان میعان در یک قسمت از دستگاههای چندگانه جهت گـرم نمـودن آب در قسمت دیگر دستگاه تقطیر، موجب افزایش بازدهی دستگاه شدند .[14,15]

از آنجا که تأثیر بادی که روی دستگاه میوزد بر میزان انتقال حرارت و عملکرد دستگاه تأثیر میگذارد لذا تلاشهایی توسط محققان صورت گرفت که از جمله نتایج آن پیدا نمودن میزان مناسب سرعت باد، 10m/s و 8m/s برای دو فصل تابستان و زمستان است .[16]

آب شیرین کن ساده خورشیدی

در سیستمهای تقطیری خورشیدی، آب دریاها را بهظروف کم عمقی که کاملاً آببندی شده است و با هـوای خـارج ارتبـاطی نـدارد وارد میکنند. پوشش شفافی مانند شیشه و یا پلاستیک، سطح فوقانی ظروف مربوطه را میپوشاند، انرژی خورشـیدی از شیشـه گذشـته و تابش خورشید با آب داخل ظرف برخورد نموده و آب را گرم میکند. شیشه شفاف مانع خروج اشعههای بازتاب خورشیدی از محفظه شـده به علاوه باعث میشود که افت حرارتی از طریق جابجائی به مقدار زیادی کاهش یابد. باین ترتیب انرژی حرارتی خورشیدی در دسـتگاه آب شیرینکن، محصور شده و موجب افزایش درجه حرارت آب و تولید و بالا رفتن میـزان بخـار آب در محفظـه مـی گـردد و در نتیجـه نمـک موجود در آب دریا در محفظه رسوب میکند (شکل .(1

شکل :1 آب شیرین خورشیدی تقطیری یک طرفه

بتدریج که رطوبت نسبی در محفظه افزایش مییابد بخارآب در اثر دفع حـرارت از شیشـه، روی سـطح داخلـی شیشـه تقطیـر شـده و آب شیرین حاصله بطرف محل جمعآوری در انتهای پوشش حرکت میکند و باین ترتیب با استفاده از انـرژی خورشـیدی و عمـل تقطیـر، آب شیرین تهیه میشود. آب نمک غلیظ شده نیز بطور دائم یا متناوب، از دستگاه خارج و به آب دریا وارد میشود.

مهمترین عامل مؤثر در آب شیرینکنهای خورشیدی شدت نور خورشید میباشد، زیرا میزان تولید آب شیرین بر حسب کیلـوگرم در هـر مترمربع در روز با شدت تابش خورشید نسبت مستقیم دارد. بعلاوه عواملی چون درجه حرارت محیط خـارج، سـرعت بـاد، مقـدار بـاران و درجه حرارت آب دریا، در مقدار بازدهی دستگاه مؤثر میباشند.

تقطیر آب از دو مرحله اصلی تبخیر و چگالش تشکیل میشود. ورود آب شور (غیر شرب) به داخل از طریق مجرای کناری دستگاه صـورت میگیرد. در انتهای مجرای ورودی، شناوری قرار دارد که وظیفه تنظیم ارتفاع آب داخل مخـزن را دارد. آب شـور پـس از ورود، بـه داخـل مخزن یا حوضچه ریخته و تا ارتفاع تنظیم شده بالا میآید. انرژی خورشیدی تابیده شده به دستگاه از سطح شفاف فوقانی آن عبور کرده و به کف دستگاه میرسد. میزان زیادی از انرژی خورشیدی تابیده شده، از سطح فوقانی و آب درون دستگاه عبور کرده و توسط کف دسـتگاه جذب شده و موجب گرم شدن آن میگردد. پس از بالا رفتن دمای کف، حرارت به آب درون حوضچه منتقل شده و دمای آب نیز گرم می-شود. میزان افزایش دمای آب به حدی نیست که به دمای جوشش برسد، ولی با توجه به دمای بالای آب، تبخیر سطحی از روی آب صورت گرفته و بخار آب تحت جابجایی آزاد به زیر سطح شفاف فوقانی میرسد. بخار آب پس از رسیدن به زیر سطح فوقانی با انتقال گرمای خـود به پوشش و هوای اطراف آن، به آب تبدیل میشود . سطح کاور بصورت مایل نصب میگردد بگونهای که قطرات آب زیر شیشـه در اثـر وزن خود به سمت پایین حرکت کرده و پس از رسیدن به مجرای کناری، به سمت خارج و مخزن ذخیره منتقل میگردد. سطوح جـانبی و زیـر دستگاه معمولاً عایقبندی میشود تا از اتلاف حرارت جلوگیری بعمل آید.

مدلسازی و ارائه معادلات حاکم
قدم اول در راه حل عددی مسأله، ساده سازی و تفکیک دقیق تمام پارامترها و معادلات حاکم بر مسأله می باشد. بین هر دو قسمت از دستگاه انتقال حرارت از طرق گوناگون (تابشی، جابجایی) وجود داشته و جدای از آن ذخیره شدن حرارت در قسمت های مختلف، تبادل حرارت به علت تغییر فاز ماده (تبخیر آب و سپس چگالش آن) و تابش مستقیم خورشید مسائلی است که بایستی در نظر گرفته شود. هر نوع انتقال حرارت در مجموعه را با علامت فلش و Q نشان میدهیم. شکل (2) نشان دهنده انتقال حرارتهای موجود در دستگاه میباشد.

شکل : 2 تبادلات گرمایی درون دستگاه آب شیرین کن خورشیدی ساده

هریک از تبادلات نشان داده شده در شکل (2) عبارتند از:
Qsolar میزان تابش انرژی خورشیدی
Qrad تبادل گرمایی تابشی میان شیشه و آسمان و شیشه و آب

Qconv تبادل گرمایی جابجایی در خارج از دستگاه و داخل دستگاه Qstored گرمای ذخیره شده در شیشه، آب و سطح جاذب
Qabs گرمای جذب شده توسط شیشه، آب و جاذب Qtrans انرژی تابشی عبوری از شیشه و آب

Qref انرژی گرمایی منعکس شده از روی کاور، سطح آب و جاذب Qeva تبادل گرمایی ناشی از تبخیر و چگالش آب
Qdown اتلاف گرمایی از زیر دستگاه

Qside اتلاف گرمایی از اطراف دستگاه Qleakage اتلاف گرمایی ناشی از نشتی
Q feed میزان انرژی وارد شده ناشی از تغذیه دستگاه
Qdistillate میزان انرژی خارج شده ناشی از آب شیرین تولیدی دستگاه

همانگونه که ملاحظه می نمایید تعداد شار حرارتی مطرح شده در مسئله بسیار زیاد بوده و احتیاج به ساده سازی و تجمیع آن میباشد. برای اینکار سه محل 1 و 2 و 3 که به ترتیب کاور شیشهای، آب درون مخزن و هوای اطراف میباشند را انتخاب کرده و با توجه به دمای هر قسمت روابط گرمایی بین هر سه محل که مرتبط با دمای آنها نیز می باشد را مینویسیم.

معادلات حاکم بر شیشه

شیشه بالاترین قسمت دستگاه بوده که انرژی خورشیدی بر روی آن تابیده می شود. شفافیت هرچه بیشتر سطح موجب افزایش میزان انرژی تابشی ورودی به دستگاه و در نتیجه افزایش راندمان دستگاه میشود. همچنین در زیر شیشه چگالش بخار و تولید آب شیرین صورت میگیرد که تبادلات گرمایی آن مستقیمأ بر روی عملکرد دستگاه نقش دارد. در شکل (3) انتقال حرارتهای موجود در شیشه ملاحظه میگردد. در ابتدا با توضیح هریک از تبادلات گرمایی نشان داده شده در شکل ( (3 به بررسی آن می پردازیم. همانگونه که بیان شد انرژی خورشید پس از برخورد به شیشه به 3 قسمت تقسیم میشود. میزان عمده آن از شیشه عبور کرده و داخل دستگاه شده، مقداری جذب شیشه شده و منجر به ذخیره شدن در آن و بالا رفتن دمای شیشه شده و قسمت اندکی نیز بازتابش می گردد. نوع کاور
(شیشه ای یا تلقی) استفاده شده، ضخامت آن، ضریب جذب و عبور، ظرفیت گرمایی و همچنین پاکیزگی، صیقل بودن و گرد و غبار نشسته بر روی دستگاه بر روی عملکرد تأثیر مستقیم دارد.

شکل :3 تبادلات گرمایی موجود بر روی شیشه

بخار آب درون دستگاه پس از صعود و رسیدن به زیر شیشه تغییر فاز داده و به قطرات آب تبدیل می شود. این تغییر فاز با آزاد شدن انرژی و دادن گرما به شیشه همراه می باشد. شیشه نیز بدلیل تفاوت دمایی که با آب و آسمان دارد دارای تبادل انرژی تابشی هرچند به میزان اندک می باشد. یکی از مهمترین تبادلات گرمایی دیگری که در این حین هم از زیر شیشه و هم از روی آن اتفاق می افتد، تبادل گرمایی جابجایی می باشد. حرکت بخار آب در زیر شیشه و همچنین وزش باد در خارج آن عوامل این جابجایی بوده و افزایش و کاهش هریک تأثیر زیادی بر این تبادلات دارد.برای ساده سازی، معادله کلی تبادلات گرمایی شیشه را متناسب با تفاوت دمایی میان شیشه و دمای بیرون و شیشه با آب به شکل زیر مینویسیم (سطح مقطع A 1m2 در نظر گرفته شده است).

در معادله فوق 4 ترم متفاوت وجود دارد که هر کدام خلاصهای از تبادلات گرمایی میباشد که بین نقاط مختلف و بر اساس نوع انتقال وجود دارد. ولی برای سادگی با خلاصه نمودن و تبدیل آنها به یک ضریب گرمایی به یک معادله میرسیم. حال به تشریح تنها معادلهای که برای شیشه نوشتهایم میپردازیم.

نرخ گرم شدن شیشه نسبت به زمان میباشد که در سمت چپ معادله برابر با کلیه تبادلات گرمایی اتفاق افتاده dt

در طرف دیگر است.
الف) ذخیره شدن انرژی درون شیشه ب) تابش انرژی خورشیدی بر شیشه

Qabs  g E مربوط به میزان انرژی گرمایی میباشد که شیشه از انرژی خورشید بطور مستقیم دریافت نموده که در اینجا αg به عنوان ضریب جذب شیشه ( که چندان بالا هم نمیباشد) و E میزان انرژی تابشی خورشیدی میباشد.

ج) تبادلات گرمایی شیشه با آب

h1 (Tw −Tg ) برای انتقال حرارت بین آب و شیشه منظور گردیده است . اندیس g و w به ترتیب برای شیشه و آب انتخاب شده اند. با توجه به اینکه هرگونه انتقال حرارت بین آب و شیشه (جابجایی، تشعشع و حتی چگالش بر روی شیشه) را میتوان به صورت ضریبی از تفاوت دمایی دو نقطه عنوان کرد، h1 را بصورت ضریب گرمایی که خود چندین نوع مختلف از تبادلات گرمایی را در بر میگیرد تعریف می کنیم. h1 شامل موارد ذیل می شود:
انتقال حرارت تشعشعی میان آب و شیشه انتقال حرارت جابجایی آزاد میان آب و شیشه
انتقال حرارت ناشی از چگالش بخار آب بر روی شیشه

د) تبادلات گرمایی میان شیشه و خارج از دستگاه

Qconv  h2 (Tg −Ta ) برای انتقال حرارت میان شیشه و هوا در نظر گرفته شده است اندیس , a g به ترتیب برای هوا و شیشه انتخاب شده است مانند ترم قبلی h2 نیز تعریف گردیده که خود شامل مواردی میباشد. در واقع h2 جهت خلاصه سازی انتقال حرارت

میان شیشه و هوای اطراف تعریف شده است و شامل موارد ذیل میباشد. انتقال حرارت تشعشعی میان شیشه و آسمان انتقال حرارت جابجایی ناشی از وزش باد.
حال به تشریح کامل , h2 h1 و روابطی که از معادلات ترمودینامیکی و یا معادلات تجربی برای آن موجود است پرداخته میشود.
ضریب گرمایی میان کاور شیشهای و آب h1
همانگونه که عنوان شد h1 شامل سه قسمت اصلی بود (از بعضی از قسمت های کم اثر صرفنظر شده است) تشعشع، جابجایی و چگالش.

تشعشع داخلی

اولین تبادل گرمایی میان شیشه و آب که به علت تفاوت دمایی آن ها بررسی می شود تشعشع می باشد. بالا بودن دمای آب نسبت به شیشه در اغلب ساعات شبانه روز که در آزمایش های تجربی دیده شد، موجب انتقال گرما از آب به شیشه می شود. با استفاده از معادله انتقال تابشی، میزان این تبادل میان شیشه و آب بصورت معادله (2) بیان می شود (مساحت شیشه و آب A 1m2 ، F12 1 فرض شده است.)

دانکل [13] برای کاور شیشه ای که در حین عملکرد دستگاه یک لایه نازک از آب بر روی آن پوشیده شده است عدد ثابتی پیشنهاد نموده است. میزان این ضریب بصورت تقریبی برابر 0/9 در نظر گرفته شده است. لذا می توان به جای رابطه (2) از رابطه (3) استفاده نمود.

با تقسیم میزان گرمای بدست آمده از رابطه (3) بر تفاوت دمایی میان دمای شیشه و آب می توان ضریب معادل جابجایی به جای تشعشع بدست می آید که در معادله جاگذاری می نماییم.

جابجایی داخلی
دومین بخش موثر در h1 مربوط به جابجایی داخلی دستگاه می باشد. درون دستگاه میان سطح روی آب و زیر شیشه جابجایی وجود دارد که میزان آن با توجه به رسیدن داخل دستگاه به اشباع کامل و حرکت بخار آب قابل ملاحظه می باشد. اگر Qci را به عنوان انتقال حرارت جابجایی داخلی در نظر بگیریم، خواهیم داشت:

hci به عنوان ضریب جابجایی داخلی دستگاه می باشد. برای محاسبه میزان آن از روابط تجربی بدست آمده برای محفظه های مستطیلی [27] که سطح پایین آن گرم و سطح بالای آن خنک بوده و هوای میان آن بدون هیچ گونه جابجایی اجباری، فقط بصورت جابجایی آزاد و با حضور شتاب گرانش زمین به حرکت در می آید استفاده شده است. رابطه عنوان شده برای محاسبه عدد بی بعد ناسلت (جهت محاسبه ضریب جابجایی آن) این شکاف هوایی بصورت تابعی از عدد رایلی با درجه و ضریب عددی 0/075 می باشد که بصورت زیر است:

برای جاگذاری در معادله بالا شرط زیر را داریم.

در جایی که دمای اعمال شده درون عدد رایلی تغییر می کند معادله ∆T ′ به علت چگالی متفاوت بخار آب نزدیک به دو سطح ( سطح
روی آب و سطح زیر شیشه) بصورت زیر در می آید.[13]


pw و pg فشار بخار آب نزدیک به دو سطح آب و شیشه بر حسب پاسکال بوده و همچنین Tw و Tg به ترتیب دمای آب و دمای داخل شیشه می باشد. با قرار دادن معادله ∆T / درون عدد رایلی و محاسبه عدد ناسلت مربوط به آن، hci که نشان دهنده ضریب جابجایی گرمایی درون دستگاه است بصورت زیر بیان می شود.[13]

بدین صورت قسمت دوم h1 با اضافه نمودن معادله بالا تکمیل می گردد.
چگالش - تبخیر

بخش سوم که درون h1 نهفته است مربوط به چگالش بخار آب در زیر شیشه و تبدیل شدن آن به قطرات آب می باشد. دانکل [13] پس از بررسی تجربی، میزان انتقال جرم از حالت گاز به مایع را برابر معادله (10) پیشنهاد داد که این میزان چگالش با اعمال ضریب گرمایی تبخیر آب، مقدار انرژی حین چگالش را می دهد.