بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بهينه سازي سيکل آب شيرين کن خورشيدي HD همراه با استخراج و تزريق
چکيده
با توجه به نياز کشور به آب شيرين در بخش هاي مختلف ، بخشي از اين نياز ميتواند با توليد آب شيرين در ظرفيت هاي پايين مرتفع شود. و با توجه به شدت تابش مناسب خورشيد در مناطقي که غالبا با مشکل تامين آب شرب روبرو هستند، يکي از ايده ها در اين زمينه استفاده از آب شيرين کن هاي خورشيدي است . توليد آب شيرين به روش رطوبت زني- رطوبت زدايي هوا يا به اختصار HD، يکي از تکنولوژي هايي جديد براي توليد آب شيرين است که در سال هاي اخير توسعه يافته است . اين روش براين مبنا استوار است که هوا قابليت جذب و حمل ميزان قابل توجهي بخار آب را دارد. آب شيرين کن HD داراي سه بخش اصلي رطوبت زني ، رطوبت زدايي و بخش گرمايش مي باشد. شدت مصرف انرژي حرارتي اين روش کمتر از روش هاي معمول توليد آب شيرين است و حتي مي توان کل انرژي حرارتي مورد نياز فرآيند را از طريق انرژي خورشيد تأمين نمود. بنابراين براي مناطق دورافتاده کم جمعيت کويري ميتواند گزينه اي مناسب باشد. در اين پژوهش ، ابتدا پس از مطاله ميداني و شناسايي انواع سيستم هاي عملکردي ، به بررسي اثربخشي روش جديد استخراج و تزريق پرداخته شد و سپس با ارائه معادلات بالانس جرم و تحليل ترموديناميکي ، سيکل ، مدل سازي گرديد و براي شرايط عملکردي تعريف شده ، شيوه هاي موجود جهت بهينه سازي بيان شد. نتايج نشان مي دهد استفاده از روش هاي استخراج و تزريق حتي با وجود محدوديت هايي از جمله سطح کلکتور موجود، همواره مي تواند منجر به تعيين نقطه اي بهينه گردد که در آن توليد آب شيرين به طور چشم گيري افزايش مي يابد.
واژه هاي کليدي : آب شيرين کن خورشيدي - استخراج و تزريق - بهينه سازي - فرآيند رطوبت زني و رطوبت زدايي.
١- مقدمه
با توجه به شرايط خشک سالي در مناطق مختلف ايران و کاهش دسترسي به آب آشاميدني و نيز عدم وجود آب شيرين به صورت جاري، تامين آب از طريق حفر چاه هاي بسيار عميق امکان پذير است . اين موضوع علاوه بر هزينه هاي گزاف ، مسائل بهداشتي و شور بودن آب هاي زيرزميني را نيز در بر دارد. از طرفي تامين آب آشاميدني از طريق انتقال آب از شهرهاي بزرگ به مناطق محروم مشکلات ديگري همانند هزينه هاي بالاي انتقال و احداث شبکه ي آب رساني دارد. بنابراين روش متداولي که براي تأمين آب در مناطق خشک به کار گرفته مي شود، استفاده از سيستم هاي بزرگ حرارتي مانند تقطير چند مرحله اي ناگهاني و يا تقطير چند اثره است ، که معمولا از لحاظ اندازه ، هزينه ، و آلودگي بالا مناسب نبوده ، و در مناطق دورافتاده نيز به دليل عدم دسترسي به شبکه برق کاربرد سيستم هاي اسمز معکوس غيرممکن است [١]. بدين ترتيب براي تامين آب شيرين بايد علاوه بر اقتصادي بودن آب شيرين کن ، هزينه هاي تعمير و نگهداري نيز بايد مد نظر قرار گيرند. به نظر ميرسد تنها سيستمي که بتواند حائز تمامي شرايط فوق باشد سيستم آب شيرين کن خورشيدي است . در روش هاي متداول به دليل اينکه دماي کاري واحدها نسبتا بالا است ، هزينه بيشتري بايد صرف تأمين اين دما گردد. اما روش جديد رطوبت زني و رطوبت زدايي هوا نياز به دماي بالايي ندارد و کل انرژي حرارتي مورد نياز آن را ميتوان از طريق انرژي خورشيد تأمين نمود.
آب شيرين کن هاي خورشيدي با فرآيند رطوبت زني -رطوبت زدايي (HD) به عنوان سيستمي کوچک ، موثر و کارآمد جهت توليد آب شيرين با کاربرد در مناطق دور دست ، شناخته شده است [٢، ٣]. اين نوع فرآيند، بر اساس توانايي اختلاط هوا با مقدار زيادي بخارآب پايه ريزي شده است [٢]. قوانين ترموديناميکي با استفاده از نمودار رطوبت سنجي به وضوح اين اصل بنيادي را نشان مي دهد [٤].
نخستين پژوهش ها در زمينه HD در اوايل دهه ١٩٩٠ و در کشورهاي تونس ، مالزي و اردن انجام شد [٥، ٦]. گوسن (Goosen) و همکاران [٧] نيز با کمک از فرآيند HD به بررسي تعدادي از جنبه هاي اقتصادي و تروموديناميکي آب شيرين کن خورشيدي پرداختند. گزارش آنها مبني بر اين بود که توليد تجاري آب شيرين کن هاي خورشيدي از لحاظ اقتصادي و راندمان عملکردي به صرفه مي باشد.
نخستين تحقيقي که بهينه سازي مصرف انرژي در آب شيرين کن هاي HD را مورد بررسي قرار داد، توسط هو (Hou) و همکاران [٨] در کشور چين گزارش شده است . آن ها با استفاده از نمودارهاي ترکيبي پينچ براي ، حداقل مصرف انرژي را با استفاده از حداکثر بازيافت حرارت چگالنده ، براي شرايط مشخص محاسبه نمودند.
همچنين ، روش هاي بهينه سازي متنوعي از سال ٢٠٠٦ تا به امروز توسط عميدپور و همکاران در ايران انجام شده است که مهمترين آن ها استفاده از دو مبدل براي ايجاد جريان اجباري و طبيعي جهت توليد بيشتر آب شيرين با در نظر گرفتن پارامترهاي عملکردي مختلف [٩]، استخراج هندسه بهينه [١٠]، و همچنين افزايش بهره وري با استفاده از سيکل هاي چند مرحله اي [١١] ميباشد.
در ادامه ي روش هاي افزايش بهره وري از سال ٢٠٠٩ مجموعه تحقيقات فراواني جهت تحليل سيکل آب شيرين کن خورشيدي HD توسط جان لينهارد (John H. Lienhard) و همکاران در آمريکا آغاز شده است که مهمترين آن ها ارائه روش استخراج و تزريق [١٢، ١٣] مي باشد، بدين صورت که براي تعادل بهتر رطوبت زن و رطوبت زدا، سيال از يکي از جريان هاي آب يا هوا استخراج شده و به جزء ديگر تزريق شود. اين روش در دو سال اخير براي سيکل هايي با استخراج و تزريق منفرد، چندگانه و صفر به خوبي تحليل شده است [١، ١٤]. برخلاف تحقيقات گروه لينهارد، که با تعريف پارامترهاي عملکردي مختلف ، در سيکل هايي با گوناگوني استخراج آب يا هوا و نيز فرض گرمايش آب يا هوا، تا دماي ٧٠ درجه سانتيگراد به بررسي تأثيرات روش پرداخته است ، در مطالعه کنوني ، سيکل HD همراه با استخراج آب و گرمايش آب ، در دماهاي بالاي متنوع ، که ناشي از کاربرد کلکتور خورشيدي با مساحت هاي مختلف ميباشد، جهت بهبود بهره وري و بهينه سازي مصرف انرژي تحت تأثير شرايط عملکردي مختلف کلکتور و نرخ استخراج ، بررسي ميشود.
٢- تشريح فرآيند سيستم رطوبت زني و رطوبت زدايي هوا
سيکل ترموديناميکي بکار رفته در تکنولوژي HD مشابه چرخش طبيعي باران است ؛ بخار آب ناشي از تبخير آب شور، وارد هوا (که به عنوان گاز حامل عمل مي کند) مي شود و سپس به عنوان هواي سرد مرطوب متراکم مي گردد. در اينجا دو بخش اصلي رطوبت زني و رطوبت زدايي وجود دارد که در آن هوا و آب چرخه ي مشابه اي را طي مي کنند، که در اين چرخه يک رطوبت زن تماس مستقيم جريان متقابل ، جهت مرطوب ساختن هواي حامل بخار آب انجام مي گردد. هنگامي که هوا در تماس با آب شور قرار ميگيرد، تعدادي از مولکول هاي آب با استفاده از گرماي محسوس آب شور يا هواي گرم ، بخار شده و جذب هوا ميگردند. بين اين دو بخش اصلي ، يک بخش گرمايش (کلکتور خورشيدي ) که مي تواند هوا يا آب را گرم کند اضافه مي گردد، تا باعث جريان داشتن چرخه گردد. اين بخار سپس مي تواند با عبور هواي حامل آن از روي يک سطح سرد مانند کندانسور (رطوبت زدا)، تقطير و بازيافت گردد. براساس فرآيند کلي فوق ، يک سيستم معمولي HD شامل سه بخش اصلي رطوبت زني ، رطوبت زدايي و بخش گرمايش ميباشد. نمونه اي از يک سيستم HD با گرمايش آب ، به همراه استخراج آب از رطوبت زدا و تزريق آن به رطوبت زن در شکل (١) نشان داده شده است .
با توجه به شکل (١) آب شور با دماي به سيستم آب شيرين کن وارد شده ، در يک کندانسور (رطوبت زداي ١) با هواي گرم شده در قسمت رطوبت زن تبادل حرارت کرده و دماي آن به دماي افزايش مي يابد. بخشي از اين آب شور استخراج و به رطوبت زن (١) تزريق مي گردد و مابقي آن براي تبادل حرارت بيشتر وارد رطوبت زداي (٢) مي گردد. سپس اين آب شور وارد يک کلکتور خورشيدي شده و دماي آن تا افزايش مي يابد. اين آب گرم شده سپس به محفظه رطوبت زني (٢) وارد شده ، بصورت پاششي بر روي پکينگ ريخته شده ، و با هوايي که روي اين پکينگ ها جريان دارد، تبادل جرم و حرارت مي کند. بطور مشابه اين فرآيند براي آب شور خروجي از رطوبت زن (٢) که با آب تزريق شده اختلاط يافته ، در رطوبت زن (١) انجام مي گيرد.
شکل ١- سيستم با گرمايش آب ، سيکل هوا بسته -آب باز HD با استخراج منفرد آب [١].
هوا در اين دو فرآيند با عبور از دو رطوبت زن گرم ميشود (بر اساس نمودار سايکرومتريک ، هواي گرم قابليت پذيرش رطوبت بيشتري نسبت به هواي سرد را داراست ) و دماي آن از مقدار به مقدار افزايش مي يابد. آب شور که غظت نمک آن بسيار افزايش يافته است ، با دماي از سيستم خارج مي شود. هواي گرم شده که داراي رطوبت زيادي نيز هست ، به محفظه رطوبت زداهاي (١) و (٢) وارد شده و پس از کاهش دما (که تقطير آب موجود در آن را در پي خواهد داشت ) دوباره به دماي مي رسد. آب تقطير شده در اين دو رطوبت زدا، آب شيرين است . همچنين جريان هوا مي تواند بصورت طبيعي و يا اجباري باشد. بنابراين ، اساس اين سيستم همانند سيستم هاي HD معمولي بوده ، با اين تفاوت که در اينجا با افزايش تعداد واحدهاي رطوبت زني و رطوبت زدايي به ٢ عدد، و ايجاد قابليت استخراج بخشي از جريان آب خروجي رطوبت زداي (٢) که قبل از گرمايش با آب گرم تر خروجي از رطوبت زن (١) اختلاط يافته ، به رطوبت زن (٢) تزريق شده و لذا همچنان مي توان از گرماي آب ، جهت استحصال بيشتر بخار بهره برد.
٣- مدل سازي
قبل از مدل سازي يک سيستم کامل ، ابتدا دستگاه هاي رطوبت زني و رطوبت زدايي به صورت واحدهاي مجزايي بررسي خواهد شد. در اين بخش ، تحليل ترموديناميکي در هر بخش به طور مجزا تحت استخراج يا تزريق ارزيابي خواهد شد. تمامي زيرنويس ها و روابط مطابق با شکل (١) ميباشد. فرض ميشود که : سيکل تحت شرايط پايدار عمل ميکند، افت فشاري وجود ندارد، تلفات حرارتي به محيط قابل اغماض است ، و از تغييرات انرژي جنبشي و پتانسيل صرف نظر ميشود. توان مورد نياز پمپ در مقايسه با حرارت ورودي ناديده گرفته مي شود، چراکه از لحاظ مقدار کوچکتر هستند. همچنين ، جريان هاي هواي مرطوب در خروجي از رطوبت زن و رطوبت زدا اشباع فرض مي شود.
٣-١- رطوبت زن
همانطورکه در شکل (١) نشان داده شده است ، رطوبت زن به دو بخش فرعي تقسيم مي شود. در اينجا مي توان هر بخش فرعي را بطور جداگانه و يا کل دستگاه رطوبت زن را بررسي کرد. با مشخص شدن شرايط آب و هواي ورودي (دما، نرخ جريان جرمي، ميزان رطوبت جريان هوا) و همچنين ميزان استخراج و کارآيي کل جزءهاي فرعي، تنها مجهول سيستم ، دماي خروجي و نرخ جريان جرمي خروجي آب خواهد بود (نرخ جريان جرمي هواي خشک ثابت فرض ميشود). اين سه مجهول از طريق سه معادله : موازنه جرم ، موازنه انرژيو معادله تعريف کارآيي بدست ميآيند. علاوه بر اين ، حجم کنترل قانون اول نيز پيرامون بخش تزريق رسم شده تا شرايط آب ورودي به رطوبت زن (٢) را مشخص کند.
جريان جرمي درون رطوبت زن ثابت است ، بنابراين هر حالت داراي جريان جرمي يکسانيبرحسب (kg,da.s) است . نرخ جريان جرمي آب (kg.s) ورودي به سيستم ، مقداري مشخص و ثابت بوده ، اما وضعيت هر بخش نسبت به حالت اوليه يکسان نيست . آب تبخير شده هنگام عبور از هر طبقه رطوبت زن ، با کاهش جريان جرمي همراه است . اين مقدار کاهش آب با مؤلفه ṁ a در معادله (٢) و (٤) برآورده شده است که در آن نسبت رطوبت جريان هوا برحسب کيلوگرم آب بر کيلوگرم هواي خشک است . علاوه براين ، در معادله (٣) نقطه تزريق ، آب را به جريان را اضافه ميکند:
جهت بررسي قانون اول موازنه انرژي، يک حجم کنترل پيرامون کل سيستم (هر دو جزء)، ترسيم ميگردد:
حجم کنترل جداگانه اي نيز پيرامون تزريق کننده ترسيم شده است تا به درستي دماي آب را بلافاصله بعد از عبور از تزريق کننده ارزيابي کند. در اين روابط h، آنتالپي مخصوص و ṁ، دبي جرمي جريان ميباشند.
هر دو رطوبت زن و دو رطوبت زداي موجود در اين سيکل ، مانند مبدلي عمل ميکنند که کارآييهاي آن ها، معادلات نهايي لازم جهت حل مجهولات حالت هاي خروجي سيستم هستند. کارآيي تفاوت آنتالپي ايده آل و واقعي را براي هر جريان مقايسه مي کند[١٥]. مقادير آنتالپي ايده آل مقدار آنتالپي هستند که به ترتيب آب در دماي هواي ورودي، و هواي اشباع در دماي آب ورودي، دارند. کارآيي کلي رطوبت زن نيز،εH ماکزيمم کارآيي جريان هاي آب يا هوا تعريف ميگردد. در مدل سازي تمامي کاراييها، با پيش فرضي منطقي [١، ١٦]، ٠.٨ در نظر گرفته شده است .
٣-٢- رطوبت زدا
همانند رطوبت زن ، رطوبت زدا نيز به دو بخش فرعي تقسيم شده و با همان روش ها تحليل ميگردد. معادلات مشابه اي براي توصيف رطوبت زدا با استثنائاتي استفاده ميشود. در اينجا جريان جرمي هوا در رطوبت زدا ثابت است . برخلاف رطوبت زن ، که در آن آب از مسير جريان آب به مسير جريان هوا تبديل به بخار ميشود، در اينجا جريان آب ، تماس غيرمستقيم با جريان هوا برقرار مي کند. بنابراين در اين حالت تغيير نرخ جرمي به وجود نميآيد. با اين حال ، نقطه استخراج آب را از جريان حذف ميکند. در حالت رطوبت زدايي، معادله ي ديگري نياز است تا آب توليدي را محاسبه کند. در اينجا نرخ جريان جرمي آب توليد شده از اختلاف بين رطوبت ورودي و خروجي جريان هوا ضربدر نرخ جريان جرمي بدست مي آيد.
