بخشی از مقاله
چکیده
در یک مطالعه تجربی عملکرد حرارتی یک برج خنککن تحت فشار مورد استفاده در یک سیستم نمکزدایی خورشیدي مورد بررسی قرارگرفته است. این سامانه تقطیري بر اساس عملیات واحد صنعتی رطوبتدهی- رطوبتگیري هوا کار میکند. برج خنککن مزبور از نوع جریان مرطوب ناهمسو میباشد که با مواد فیلمی فشرده پر شده است. در کار حاضر، متغیرهاي اندازهگیري به کمک نسبت دادن محدوده گستردهاي از نرخ شارش جرمی هوا و آب تعیین گردیدند. مضافاً، براي چندین دماي آب ورودي، مشخصات و بهره برج ارزیابی شده و نتیجه به یاري معرفی کمیت نسبی نرخ شارش جرمی آب به هوا بیان میگردد. نتایج نشان میدهد که با افزایش نسبت L/G، تعداد واحد انتقال یا مشخصه برج شامل ترکیب ریاضی چند متغیر به فرم KaV/L کاهش مییابد.
حرارت و جرم
مقدمه
در نواحی آب و هوایی خشک، عملکرد تقطیرکنندههاي خورشیدي با تمرکز بر اصل رطوبتدهی– رطوبتگیري به پارامترهاي بزرگی در فرآیند میعان حساساند. به طورکلی، این پارامتر به صورت یک فاکتور مهمی از دماي آب سردکننده توصیف میشود. ابتدائیترین عنصري را که میتوان با کمک انرژي خورشیدي بهبودي بخشید؛ آب است که در بسیاري از نواحی دنیا یا به صورت شورمزه و یا به صورت آب دریا در دسترس است. براي اجتماعات بزرگ که منبع انرژي معمولی در اختیار دارند؛ آب شیرینکنهائی که با تبخیر حرارتی عمل میکنند؛ داراي تکنولوژي جا افتادهاي هستند. از متمرکز کننده سهموي خطی نیز براي کاهش تقاضا براي انرژي معمولی نیز استفاده مینمایند.
براي جوامع دور افتاده و منزوي ، دستگاه تقطیر خورشیدي مت مدیدي است که به عنوان تنها منبع تأمین آب تازه مورد استفاده بوده است. یک پوشش شفاف شیب دار بر روي یک برکه کم عمق اثر گلخانهاي شدیدي را القاء میکند. بدین طریق آب تبخیر شده و در برخورد با پوشش شفاف چگالش یافته، تحت نیروي ثقل خود سقوط و جریان مییابد. سپس آب شیرین بدستآمده جمع آوري شده و به مصرف میرسد. اما آب شیرینکنهاي خورشیدي داراي کارآئی بسیار پایین و هزینه نگهداري زیادي هستند و با کاهش هزینههاي PV، نمکزدایی الکترود پالیزي یا اسمزي معکوس با انرژي PV، اغلب همراه با تابش ماوراء بنفش براي باکتريزدائی، براي این کاربردها بتدریج جذابتر می شوند.
کاربردهاي حرارت انرژي خورشیدي گروه بسیار گسترده و متنوع فناوري انرژي خورشیدي را تشکیل می دهند. این فناوري ها از حرارت خورشید براي گرم کردن آب، فضا، تهویه، حرارت لازم در فرایندهاي صنعتی، پخت وپز غذا، تقطیر آب و ضدعفونی و سایر کاربردها استفاده می کنند. توسعه صنعت فوتوولتاییPV، براي کاربردهاي زمینی در زمان اولین بحران نفت در دو جهت کاملاً متفاوت آغاز گردید. یکی در جهت فناوريهاي متمرکزي است که درآن کاهش هزینهها بوسیله جایگزین سطح فتوولتایی به کمک سطح عدسی صورت میگیرد و دیگري در جهت کاهش هزینه مدولهاي فتوولتایی با استفاده از ساخت صنعتی با حجم زیاد است.
در تکنولوژيهاي تمرکزي، هدف اصلی تحقیق و توسعه بدست آوردن راندمان بالاتر است. با رویهم قراردادن مواد بمنظور تشکیل سلولهاي چند پیوندي که هر یک از لایههاي آنها جزء متفاوتی از طیف فرکانسی خورشیدي را جمع آوري مینماید، قادر است به ارقام بالاتري براي کارآئی نیز رسید. رکوردي که تاکنون با این روش بدست آمده است 40 درصد میباشد. این سلولها در مدولهاي با تمرکز بالا حدود 100 و یا خیلی بالاتر در حدود 1000 قرار داده میشوند.
کارآیی سلولی همراه با افزایش دماي سلول کاهش مییابد و تمرکزکننده خیلی قوي به سیستم خنککننده فعال نیاز دارند که این خود به عنوان یک منبع انرژي گرمائی کم دما قابل بهرهبرداري است. به ردگیرهاي دو محوري بسیار دقیق نیاز است تا کانون را بر روي سلولها نگهدارد و همچنین پیشنهاد شده است که این سلها را بر روي برج گیرنده تابش مستقیمی که توسط مجموعه هلیوستاتها منعکس شده است، نصب گردد.
این موضوع خیلی به سیستم حرارتی از نوع دریافت کننده مرکزي شبیه است. سیستمهاي PV با تمرکز بالا در واقع به دو طریق به این سیستم شبیه هستند. پیچیدگی مکانیکی، این سیستمها را تنها براي نیروگاههاي مرکزي مناسب می سازد و عدم توانایی آنها در استفاده از تابش افقی پراکنده این نیروگاهها را بالقوه محدود به نواحی میکند که دریافت تابش خورشیدي بسیار زیاد است وگر نه از درجه کارآئی بالائی برخوردار نخواهند بود.
هم اکنون تکنولوژيهاي تمرکزي سیستمهاي فتوولتایی با تمرکز کم که بر مبناي تمرکزدهندههاي هونوگرافی یا درخشنده غیر مجازي استوار هستند؛ تحت بررسی بوده و توسعه آنها دنبال میشود، در حالیکه شاخه اصلی صنعت PV متوجه تکنولوژي هاي غیرمتمرکزي است تا بازار سیستمهاي مستقل را که حاضر به تقبل هزینههاي بالاتري براي الکتریسیته هستند، تغذیه کند. در دستگاه تقطیر خورشیدي براي تقطیر و تصفیه آب از انرژي خورشیدي استفاده می شود.
انواع عمده این نوع دستگاه مخروطی شکل و مانند جعبه یا چاله است. نوع جعبه اي این دستگاه پیچیده و انواع چاله اي آن نسبتاً ساده است. در دستگاه هاي تقطیر خورشیدي، آب ناخالص وارد ظرف مخصوصی شده در آنجا نور خورشید از پلاستیک شفاف عبور می کند و آب را تبخیر می کند. بخار آب در بالاي دستگاه متراکم شده و آب حاصل از اطراف به پائین می چکد و در آنجا جمع آوري و خارج می شود.
سیستم پاستوریزه خورشیدي براي ضدعفونی کردن آب با قراردادن آب در دماي بالاي60 درجه سانتیگراد براي مدت معینی از تابش و انرژي خورشیدي استفاده می . توسط انرژي خورشیدي، ضدعفونی آب روش دیگري براي گندزدائی کردن آب با استفاده از نور خورشید است. براي وضوح مسأله، ظرف شفاف پرشده سه چهارم آب به مدت بیست ثانیه به شدت تکان داده شود. درب آن بسته و در مقابل نور خورشید قرار می گیرد.
با تکان دادن ظرف هوارسانی به آب صورت می گیرد و ضدعفونی می شود. با تابش انرژي خورشید به داخل ظرف اشعه یو وي- آ - UV-A - باعث می شود اکسیژن محلول به شدت از خود واکنش نشان دهد. این نوع واکنش اکسیژن از تولیدمثل میکروارگانیزم ها جلوگیري می نماید. ضمن گرم شدن ظرف حاوي آب، موجودات زنده مضر نیز به کمک حرارت نابود می شوند. در بهرهگیري از انرژي زمینگرمایی، آب موجود در بسترهاي زیرسطحی که به عنوان آب سردکننده در چگالنده تأسیساتی قابل استفاده است، در نواحی آب و هوایی خشک و نیمه خشک، به مقدار قابل توجهی داغ است و حتی میتواند به 70 درجه سانتیگراد برسد. بنابراین افزودن برجهاي خنککن در سیستمهاي نمکزدا میتواند براي مشکل میعان در سردسازي چگالندهها یک راهحل اساسی باشد.
به عبارت دیگر، برجهاي خنککن با مواد فیلم فشرده کاربرد گستردهاي در گرفتن و محو بارهاي حرارتی بزرگ و انتقال این حرارت به اتمسفر دارند و در فرایندهاي متعدد صنعتی همچون واحدهاي مولد نیرو، پالایشگاهها و صنایع پتروشیمی و سیستمهاي تهویه مطبوع ظهور مییابند. در حقیقت، نوع خاصی از فیلم فشرده به کار رفته در برج خنک کن به آن دلیل که فرایندهاي انتقال حرارت و جرم را بین آب و هوا کنترل میکند، نقش مهمی در عملیات واحد صنعتی ایفا مینماید. عملکرد برج خنککن، عموماً توسط نسبت - KaV/L - بیان میگردد که در هندبوك اشري[1] گزارش شده است. این کسر را نسبت مشخصه برج یا تعداد واحدهاي انتقال - NTU - مینامیم. در اینجا K،a،VوL، به ترتیب ضریب انتقال جرم، مساحت سطح بر واحد حجم برج، حجم و نرخ شارش جرمی آب میباشند.
پیشینه تحقیق
پژوهشگران متعددي روي این موضوع از طریق تحلیل نظري و تجربی فرآیندهاي انتقال حرارت و جرم تحقیق کردهاند. بدکر1 و همکاران [2] به صورت تجربی بر روي عملکرد یک برج خنککن مکانیکی جریان ناهمسو با بستر آکنه مطالعه کردند که در آن بستر از مواد فیلمی فشرده استفاده میشد. نتایج تحقیق آنان به صورت مشخصات برج، دماي آب خروجی و بهره سیستم به عنوان توابعی از کمیت نسبی جریان آب به هوا، L/G ارائه گردید. آنها اگرچه هیچگونه رابطهاي را در کارشان پیشنهاد ندادند، نتیجه گرفتند که عملکرد برج همزمان با افزایش نسبت L/G کاهش مییابد.
