بخشی از مقاله
خلاصه
با توجه به نیاز کشور به آب شیرین در بخشهای مختلف و وجود شدت تابش مناسب خورشید در مناطقی هک غالباً با مشکل تأمین آب شرب روبرو هستند، یکی از ایدهها در این زمینه، استفاده از آب شیرینکنهای خورشیدی است. تولید آب شیرین به روش رطوبتزنی- رطوبتزدایی، یکی از تکنولوژیهای جدیدی است که شدت مصرف انرژی حرارتی آن کمتر از روشهای معمول است و برای مناطق دورافتادهی کم جمعیت کویری گزینهای مناسب است.
در این پژوهش، پس از مطالعهی میدانی و شناسایی انواع سیستمهای عملکردی، به بررسی روش استخراج و تزریق پرداخته شد و سپس با ارائه معادلات موازنه جرم و تحلیل ترمودینامیکی و اگزرژی، سیکل مدلسازی شد و برای شرایط عملکردی تعریف شده، تأثیر اجزای سیکل در دستیابی به حالت بهینه بیان شد. نتایج نشان میدهد بخش گرمایش با 88 درصد، بزرگترین منشأ بازگشتناپذیریها در سیستمهای این آبشیرینکن است و بنابراین بهبود عملکرد آن بیشترین تأثیر را بر بازدهی سیستم دارد.
کلمات کلیدی: آبشیرینکن خورشیدی، استخراج و تزریق، اگزرژی، بهینهسازی، فرآیند رطوبتزنی و رطوبتزدایی.
-1 مقدمه
با توجه به شرایط خشکسالی در مناطق مختلف ایران و کاهش دسترسی به آب آشامیدنی و نیز عدم وجود آب شیرین به صورت جاری، تامین آب از طریق حفر چاههای بسیار عمیق امکانپذیر است. این موضوع علاوه بر هزینههای گزاف، مسائل بهداشتی و شور بودن آبهای زیرزمینی را نیز در بر دارد. استفاده از سیستمهای بزرگ حرارتی مانند تقطیر چند مرحلهای ناگهانی و یا تقطیرچند اثره است، که معمولاً از لحاظ اندازه، هزینه و آلودگی بالا مناسب نبوده و در مناطق دورافتاده نیز به دلیل عدم دسترسی به شبکه برق کاربرد سیستمهای اسمز معکوس غیرممکن است .[1]
در روشهای متداول به دلیل اینکه دمای کاری واحدهانسبتاً بالا است، هزینه بیشتری باید صرف تأمین این دما گردد. اما روش جدید رطوبتزنی و رطوبتزدایی هوا نیاز به دمای بالایی ندارد و کل انرژی حرارتی مورد نیاز آن را میتوان از طریق انرژی خورشید تأمین نمود. آب شیرین کنهای خورشیدی با فرآیند رطوبت زنی - رطوبت زدایی - HD - به عنوان سیستمی کوچک، موثر و کارآمد جهت تولید آب شیرین با کاربرد در مناطق دور دست، شناخته شده است .[3 ,2] نخستین پژوهشها در زمینه HD در اوایل دهه 1990 و در کشورهای تونس، مالزی و اردن انجام شد .[5 ,4] گوسن و همکاران [6] نیز گزارشی مبنی بر به صرفه بودن تولید تجاری آب شیرین کن های خورشیدی HD از لحاظ اقتصادی و راندمان عملکردی، ارائه دادند.
در سالهای اخیر سیستمهای حرارتی با استفاده از قانون دوم ترمودینامیک تحلیل اگزرژی و بهینه شدهاند. در سیستمهای آب شیرینکن HD دو پدیده اصلی انتقال جرم و انتقال حرارت، وجود دارد. روشهای بهینهسازی متنوعی از سال 2007 تا به امروز توسط عمیدپور و همکاران انجام شده است که مهمترین آنها استفاده از دو مبدل برای ایجاد جریان اجباری و طبیعی جهت تولید بیشتر آب شیرین با در نظر گرفتن پارامترهای عملکردی مختلف [7]، استخراج هندسه بهینه [8] و همچنین افزایش بهرهوری با استفاده از سیکلهای چند مرحلهای [9] میباشد. در ادامه روشهای افزایش بهرهوری از سال 2009 مجموعه تحقیقات فراوانی جهت تحلیل سیکل آب شیرینکن خورشیدی HD، توسط جان لینهارد و همکاران در آمریکا آغاز شده است که مهمترین آنها ارائه روش استخراج 1 و تزریق [11 ,10] 2 میباشد، بدین صورت که برای تعادل بهتر رطوبتزن و رطوبتزدا، سیال از یکی از جریانهای آب یا هوا استخراج شده و به جزء دیگر تزریق شود .[12 ,1]
براساس نتایج ارائه شده در مطالعه نارایان و همکاران [13] و نیز مطالعهی مهرگو و همکاران [14] ، سیستم با گرمایش هوا عملکرد بهتری از سیستم با گرمایش آب در یک شرایط یکسان دارد. بنابراین، در مطالعه کنونی، برخلاف تحقیقات گروه لینهارد، که با تعریف پارامترهای عملکردی مختلف، در سیکلهایی با گوناگونی استخراج آب یا هوا و نیز فرض گرمایش آب یا هوا، تا دمای 70 درجه سانتیگراد به بررسی تأثیرات روش پرداخته است، سیکل HD همراه با استخراج آب و گرمایش هوا، در دماهای بالای متنوع، که ناشی از کاربرد کلکتور خورشیدی با مساحتهای مختلف میباشد، تحلیل اگزرژی شده و جهت بهبود بهرهوری تحت تأثیر شرایط عملکردی مختلف اجزای سیکل، بررسی و مقایسه میشود.
-2 تشریح فرآیند سیستم رطوبت زنی و رطوبت زدایی هوا
نمونهای از یک سیستم HD با گرمایش آب، به همراه استخراج آب از رطوبتزدا و تزریق آن به رطوبتزن در شکل - 1 - نشان داده شده است. سیکل ترمودینامیکی بکار رفته در تکنولوژی HD مشابه چرخش طبیعی باران است؛ بخار آب ناشی از تبخیر آب شور، وارد هوا - که به عنوان گاز حامل عمل میکند - میشود و سپس به عنوان هوای سرد مرطوب متراکم میگردد. در اینجا دو بخش اصلی رطوبتزنی و رطوبتزدایی وجود دارد که در آن هوا و آب چرخهی مشابهای را طی میکنند، که در این چرخه یک رطوبتزن تماس مستقیم جریان متقابل، جهت مرطوب ساختن هوای حامل بخار آب انجام میگردد.
جهت بررسی قانون اول موازنه انرژی، یک حجم کنترل پیرامون کل سیستم - هر دو جزء - ، ترسیم میگردد:
همانطورکه در شکل - 1 - نشان داده شده است، رطوبتزن به دو بخش فرعی تقسیم میشود. با مشخص شدن شرایط آب و هوای ورودی - دما، نرخ جریان جرمی، میزان رطوبت جریان هوا - و همچنین میزان استخراج و کارآیی کل جزءهای فرعی، تنها مجهول سیستم، دمای خروجی و نرخ جریان جرمی خروجی آب خواهد بود - نرخ جریان جرمی هوای خشک ثابت فرض میشود - . این سه مجهول از طریق سه معادله: موازنه جرم، موازنه انرژی و معادله تعریف کارآیی بدست میآیند. علاوه بر این، حجم کنترل قانون اول نیز پیرامون بخش تزریق رسم شده تا شرایط آب ورودی به رطوبتزن - 2 - را مشخص کند.
هنگامی که هوا در تماس با آب شور قرار میگیرد، تعدادی از مولکولهای آب با استفاده از گرمای محسوس آب شور یا هوای گرم، بخار شده و جذب هوا میگردند. بین این دو بخش اصلی، یک بخش گرمایش - کلکتور خورشیدی - که میتواند هوا یا آب را گرم کند اضافه میگردد، تا باعث جریان داشتن چرخه گردد. این بخار سپس میتواند با عبور هوای حامل آن از روی یک سطح سرد مانند کندانسور - رطوبتزدا - ، تقطیر و بازیافت گردد. براساس فرآیند کلی فوق، یک سیستم معمولی HD شامل سه بخش اصلی رطوبتزنی، رطوبتزدایی و بخش گرمایش میباشد.
در این بخش، تحلیل ترمودینامیکی در هر بخش به طور مجزا ارزیابی خواهد شد. فرض میشود که: سیکل تحت شرایط پایدار عمل میکند، افت فشاری وجود ندارد، تلفات حرارتی به محیط قابل اغماض است و از تغییرات انرژی جنبشی و پتانسیل صرفنظر میشود. همچنین، جریانهای هوای مرطوب در خروجی از رطوبتزن و رطوبتزدا اشباع فرض میشود.
1؛-3 رطوبتزن
