بخشی از مقاله
چکیده
به دلیل کمبود آب شیرین در چند دهه اخیر، استفاده از فیلترهای آبشیرینکن افزایش یافته و بهبود عملکرد این فیلترها به شدت مورد توجه قرار گرفته است. در این بین، فیلترهای اسمز معکوس - RO - به دلیل داشتن سوراخهای غشا ریزتر، آب با کیفیت بهتر تصفیه میکند. در این مقاله با استفاده از نرمافزار تجاری، شبیهسازی دو بعدی کانال تغذیه این فیلترها انجام شد. با توجه به بالا بودن حجم و زمان محاسبات، المان کوچکی از این کانال در نظر گرفته شده و نتایج آن به کل کانال تعمیم داده میشود.
در این مطالعه تاثیر رینولدز ورودی و هندسه فیلامنتها بر روی افت فشار و ضریب افت فشار مورد بررسی قرار گرفت. طبق نتایج، افزایش رینولدز ورودی موجب افزایش افت فشار و کاهش ضریب افت فشار در طول کانال میگردد. با تغییر قطر فیلامنتها باز هم افت فشار وجود دارد، اما مقدار آن در مقایسه با افزایش رینولدز قابل چشمپوشی است. بنابراین بهبود هندسه فیلامنت نتایج بهتری را به همراه خواهد داشت.
.1 مقدمه
یکی از مهمترین چالشهای دنیای امروز، کمبود آب شیرین است. افزایش جمعیت، ارتقا استانداردهای زندگی، رونق بخش کشاورزی و صنعتی نیاز به آب شیرین را شدیدتر میکند و تکنولوژی لازم به منظور تامین آن را قوت میبخشد. با توجه به از بین رفتن منابع طبیعی آب شیرین، باید منابع دیگری جایگزین آنها شود. نمکزدایی1یکی از روشهای اصلی و موثر برای این کار است. در کشورهای مدیترانه و خاورمیانه، مناطقی که جمعیت آن از کمبود آبشیرین رنج میبرند، رویکرد به این تکنولوژی بالا است.
نمکزدایی فرایندی است که نمک و سایر مواد معدنی را از آب شور جدا میکند. در پروسههای جداسازی، از غشاهایی استفاده میشود که در دمای محیط، دو جریان را جدا میکنند. غشاها به ترتیب کاهش سایز روزنهها؛ میکروفیلترها2، فراپالایش3، نانوفیلتر4 ،اسمز معکوس5 هستند. در بین آنها RO دارای کوچکترین سایز روزنه است و به دلیل جدا کردن کلوییدها و مواد محلول موجود در آب، به شدت مورد استقبال قرار گرفته ا ست
اسمز معکوس، فرآیندی ا ست که در آن از ف شار برای معکوس نمودن جریان ا سمزی آب از درون یک غ شای نیمهتراوا استفاده میشود. اگر یک غشای نیمهتراوا بین دو محلول آب خالص و آب ناخالص قرار گیرد آب به صورت طبیعی و تحت خاصیت اسمزی از غلظت پایینتر به غلظت بالاتر جریان مییابد. این پدیده تا هنگامی که پتانسیلهای شیمیایی دو طرف برابر گردند ادامه خواهد یافت.
در حالت تعادل اختﻻف فشار بین دو طرف غشا برابر اختلاف فشار اسمزی است. اگر فشاری برابر با اختلاف فشار اسمزی به محلول غلیظتر اعمال گردد جریان آب قطع خواهد شد. در صورتیکه فشار اعمال شده بیشتر از فشار اسمزی باشد، جهت جریان طبیعی آب، معکوس خواهد گردید. مسئلهای که به شدت مورد توجه است افت فشاری است که در حین فرآیند رخ میدهد و این مسئله بر فاکتورهای زیادی از جمله رسوبگذاری در کانال غشا، افزایش انرژی اولیه کار شیرینسازی آب و میزان تولید آب شیرین اثرگذار ا ست. در این میان، هند سه کانال تولید بر روی فاکتورهای جریان اهمیت فراوانی دارد. در کانال تغذیه که محل ورود آب شور است، رشتههایی به نام فیلامنت بین دو لایه غشا طبق شکل 1 قرار میگیرند که علاوه بر جدا کردن غشاها از یکدیگر، بر روی جریان سیال هم تاثیر میگذارد.
شکل1 محل قرارگیری فیلامنت بین دو ورقه غشا
آقای شوینگ و دوستان[2] اثر نحوه چیدمان این فیلامنتها و فاصله بین آنها در رینولدزهای مختلف بر روی الگوی جریان را بررسی نمودهاند. در مطالعات آقای لی و دوستان[4,5] مدلسازی دو بعدی و حالت پایا با چیدمانهای مختلف و اثر انحنای موجود در فیلتر بر روی هیدرودینامیک جریان مورد بررسی قرار گرفته و نتایج از اهمیت این فاکتور هندسه فیلتر بر روی تنش برشی روی صفحات غشا حاکی است. هدف این پژوهش شبیهسازی دو بعدی جریان در المان کوچکی از کانال تغذیه، به منظور بررسی افت فشار و ضریب افت ف شار در کانال میبا شد. به دلیل رفتار تکراری جریان در طول کانال [1] با در نظر گرفتن این المان و اعمال شرایط متناوب، نتایج بر روی کل کانال قابل تعمیم است. در این شبیهسازی فیلامنتها به صورت زیگزاگ در فواصل مختلف با سطح مقطع دایرهای با قطرهای مختلف قرار گرفته اند.
.2 شبیهسازی عددی
شبیه سازی عددی برای عدد رینولدز1 در بازه 50 تا 262 و هندسه با طول المان ثابت، قطرهای مختلف فیلامنت و فاصله مختلف بین فیلامنتها در ابعاد میکرومتر انجام شده ا ست. در این مطالعه معادلات پیو ستگی، مومنتوم با الگوریتم کوپل 2 حل شدند. از نرمافزار تجاری فلوئنت 3 برای این شبیهسازی و با معیار همگرایی 10−6 استفاده شده است. سلولها از نوع مثلثی4 و مش لایه مرزی به تعداد 8 لایه در نظر گرفته شده و تفاوت قابل توجهی بعد از بهبود شبکه دیده نمیشود و حل، مستقل از شبکه است.
.3 معادلات حاکم
معادلات حاکم برای جریان در کانال تغذیه؛ پیوستگی و مومنتوم هستند:
u به عنوان پروفیل سرعت توسعهیافته به صورت - - = 23 0 [1 − - 2 - ] تعریف و در ورودی اعمال میشود. 0 به عنوان پارامتر کاربر و H طول کانال هستند. پروفیل سرعت در خروجی در حل همگرا به عنوان شرط مرزی ورودی وارد میشود. ضریب اصطکاک به صورت زیر تعریف میشود:
که به صورت اختلاف فشار ورودی و خروجی، طول المان، ℎ قطر هیدرولیکی و برابر با دو برابر ارتفاع المان و ̅ سرعت متوسط هستند. در این مطالعه یک سیال غیرقابلتراکم و نیوتنی برای شبیهسازی دو بعدی، حالت پایا و جریان آرام در یک کانال پر شده از فیلامنت با آرایش زیگزاگ، که مشخصات آنها در جدول 1 میباشد، انتخاب شده است.
جدول 1 ابعاد هندسه المانها برای شبیهسازی
lf فا صله بین فیلامنتها، dfilament قطر فیلامنتها، h ارتفاع کانال و L طول کانال ه ستند. هند سه مورد مطالعه در شکل 1 مشخص شده است.
شکل1 نمونه دامنه محاسباتی شبیهسازی
