بخشی از مقاله
چکیده
سیستمهاي اسمز معکوس حداقل مصرف انرژي را در بین سایر روشهاي شیرین سازي آب دریا دارند و مصرف انرژي در آنها صرفاً بصورت برق میباشد. از طرف دیگر در بسیاري از اقلیمها و حتی در بسیاري از کارخانجات و صنایع علاوه بر آب شیرین نیاز به تولید سرما نیز وجود دارد که تامین آنها مستلزم مصرف انرژي زیادي است. هدف از این مقاله ارائه یک شیوه نوین براي تولید همزمان سرما و آب شیرین با انتگراسیون سیستمهاي اسمز معکوس و سیکلهاي تبرید تراکمی میباشد.
در این ساختار نوین، صرفه جویی در مصرف توان الکتریکی پمپهاي سیستم اسمز معکوس با پیش گرمایش آب دریا با بازیافت حرارتهاي اتلافی در کندانسور سیکل تبرید صورت میپذیرد. علاوه بر آن، مقداري از تقاضاي توان الکتریکی این پمپها با جایگزینی شیر فشار شکن با یک توربین انبساطی در سیکل تبرید امکان پذیر خواهد بود. با توسعه کد در نرم افزار EES، امکان سنجی یکپارچه سازي سیستم اسمز معکوس و سیکل تبرید جهت تولید همزمان 10m3/day آب شیرین و 3 تن تبرید برودت بعنوان یک نمونه مطالعاتی انجام و بهترین حالت براي این ساختار تعیین گردید. نتایج نشان داد روش یاد شده امکان کاهش مصرف برق به میزان %7/6 را در مقایسه با تولید جداگانه آب شیرین و برودت فراهم میآورد.
مقدمه
%97 آبهاي روي زمین آب اقیانوسها است و تنها %3 باقیمانده براي استفاده انسان قابل استحصال است که در آبهاي زیرزمینی، یخچالهاي طبیعی، آب دریاچهها و رودخانهها موجود میباشد. در پی رشد جمعیت و افزایش تقاضاي جهانی براي آب شیرین، منابع تامین مستقیم این ماده مهم و حیاتی در حال کاهش است. به طوري که در حال حاضر %40 از مردم جهان با کمبود آب شرب مواجه هستند و پیش بینی میشود تا سال 2025 میلادي، این مقدار به %60 افزایش یابد 2]و.[1 از طرفی با وجود منابع بزرگ آب شور مانند اقیانوس ها و دریاها و یا وجود منابع محلی آب شور در مناطق کویري، صنعت شیرین سازي آب، یک راه حل منطقی و مطمئن براي حل این مشکل به شمار میآید .[1]
شیرین سازي، فرآیندي است که در آن نمکها و دیگر مواد تولید همزمان آب شیرین و برودت به منظور کاهش مصرف و تقاضاي برق در سیستمهاي اسمز معکوس نامحلول مانند، فلزات، میکرو ارگانیزم ها، باکتريها و ... به میزان زیادي حذف میشود .[3] اکثر آب شیرین کنهاي موجود از نوع RO،MSF، MED و یا VC هستند که ظرفیت تولید این واحدها عموماً بالاتر از یکصد متر مکعب در روز بوده و در برخی موارد به یکصد هزار متر مکعب در روز نیز میرسد .[4]
سهم بازار روش اسمز معکوس در بازار شیرین سازي آب دریا در سال 2004 به میزان %43 بوده است که پیش بینی میشود این مقدار تا سال 2015 به %61 افزایش یابد که این به دلیل پیشر فت هایی شامل مصرف انرژي کم در بین سایر روش هاي شیرین سازي، دماي عملیاتی و هزینههاي تولید پایین میباشد 6]و.[5 در بسیاري از اقلیمها و حتی در بسیاري از کارخانجات و صنایع علاوه بر آب شیرین، نیاز به تولید سرما نیز وجود دارد.
امروزه بدون بهره گیري از چرخه هاي تبرید، تهیه و نگهداري مواد غذایی، تهویه مطبوع و همچنین فرآیند هاي شیمیایی مانند میعان گازها، سرمایش پروپان، فرآیند تولید گاز مایع، واحد آمونیاك و ... امکان پذیر نخواهد بود .[7] تاریخ پیدایش تجارت برودت ازسال 1810 تا 1850 بوده است. اولین ماشین تبرید براي اولین بار در انگلستان ساخته شد و از سال 1940 به بعد دستگاههاي تبرید صنعتی و خانگی به میزان قابل توجهی تولید گردیدند .[8]
اساس کار چرخه هاي تبرید، جذب گرما از منبع سرد و دفع آن به منبع گرم توسط یک مبرد است که براي این کار فشار مبرد، توسط کمپرسور ب÷ا مصرف انرژي افزایش و با شیر فشار شکن کاهش مییابد .[7] در حال حاضر تولید سرما توسط چرخه هاي تبرید به طور جداگانه از سیستمهاي شیرین ساز صورت میگیرد. با توجه به نیاز بسیاري از مناطق و صنایع به آب شیرین و سرما به طور همزمان، میتوان از انتگراسیون سیستم هاي تبرید تراکمی و اسمز معکوس براي تولید همزمان آب شیرین و برودت به منظور کاهش هزینهها و مصرف انرژي استفاده کرد.
با کمی افزایش دماي آب دریاي ورودي به سیستم اسمز معکوس، میتوان شدت مصرف برق را در آن کاهش داد. با یکپارچه سازي این سیستم با سیکل هاي تبرید، علاوه بر اینکه امکان مقداري افزایش دماي آب دریاي ورودي به سیستم شیرین سازي وجود خواهد داشت، میتوان با نصب یک توربواکسپندر بجاي شیر فشار شکن در این سیکل، مقداري از کار محوري مورد نیاز سیستم شیرین سازي را نیز بازیافت کرد.
به همین منظور، در این مقاله به ارائه یک شیوه نوین براي تولید همزمان سرما و آب شیرین با انتگراسیون سیستمهاي اسمز معکوس و سیکلهاي تبرید تراکمی پرداخته شده است. در این ساختار نوین، صرفه جویی در مصرف توان الکتریکی پمپهاي موجود در سیستم اسمز معکوس با پیش گرم شدن آب دریا با بازیافت حرارتهاي اتلافی در کندانسور سیکل تبرید و با استفاده از خنک کن میانی در کمپرسور سیکل تبرید صورت میپذیرد. علاوه بر آن، مقداري از تقاضاي توان الکتریکی این پمپ ها با جایگزینی شیر فشار شکن با یک توربین انبساطی در سیکل تبرید امکان پذیر خواهد بود.
با توسعه کد در نرم افزار EES، امکان سنجی یکپارچه سازي سیستم اسمز معکوس و سیکل تبرید جهت تولید همزمان 10 متر مکعب آب شیرین در روز و 3 تن تبرید برودت بعنوان یک نمونه مطالعاتی انجام و بهترین حالت براي این ساختار تعیین گردیده است. نتایج نشان داد، روش یاد شده امکان کاهش مصرف برق به میزان %7/6 را در مقایسه با تولید جداگانه آب شیرین و برودت فراهم میآورد. همچنین علاوه بر ساختار بررسی شده چندین ساختار دیگر براي انتگراسیون سیستم هاي تبرید و اسمز معکوس ارائه گردیده است که هر یک به طور مشابه با ساختار بررسی شده در این مقاله، قابل بررسی میباشد.
مواد و روش ها
سیستم اسمز معکوس :
در این مطالعه از یک سیستم آب شیرین کن اسمز معکوس تک مرحله اي نشان داده شده در شکل 1 ، با مشخصات جدول 1 استفاده گردیده است. درشیرین سازي به روش اسمز معکوس، آب با فشار از لایه هاي غشاي نیمه تراوا که تولید همزمان آب شیرین و برودت به منظور کاهش مصرف و تقاضاي برق در سیستمهاي اسمز معکوس درون مخازنی تحت عنوان مخازن تحت فشار، جا سازي شده اند عبور داده شده، املاح معدنی محلول، ذرات نا محلول، فلزات و میکرو ارگانیزمهاي موجود در آن بسته به اندازه منافذ غشا هاي به کار رفته، به میزان زیادي حذف میشوند 10]و.[9 فشار اسمزي موردنیاز در این سیستم، توسط یک پمپ تامین میگردد که سهم اعظم مصرف برق پلنت را به خود اختصاص میدهد.
