بخشی از مقاله
چکیده
عموماً یکی از روشهای تهیه آب شیرین، روش تبخیر و تقطیر مجدد میباشد که لازمه آن جذب حرارت از منبع گرم است. در آبشیرینکنهای خورشیدی، انرژی لازم از طریق منبع رایگان و پاک خورشید تأمین میشود. با توجه به شرایط اقلیمی کشور ایران - باموقعیت بین مدارهای ٍِ الی ًُ درجه عرض شمالی و با روزهای آفتابی متوسط ًٍَ روز در سال - استفاده از آبشیرینکنهای خورشیدی مقرون بهصرفه میباشد. ولی ظرفیت پایین، نیاز به فضای نسبتاً زیاد، نیاز به منبع ذخیره در مواقع ابری و شرایط نامساعد آبو هوایی و از همه مهمتر کاهش راندمان بر اثر انسداد مجاری آب در اثر رسوب مواد ناخالصی از جمله معایبی هستند که راندمان آبشیرینکنهای خورشیدی را پایین آورده و چه بسا استفاده از آن ها مقرون به صرفه نباشد.
استفاده از جاذب متخلخل با خاصیت مویینگی تا حدی میتواند در رفع این معایب گام بردارد. هدف اصلی این مطالعه، طراحی، ساخت و تعیین عملکرد آبشیرینکن خورشیدی لولهای قائم با استفاده از جاذب نانوسیلیکون با قابلیت نانوموئینگی در مقیاس آزمایشگاهی است. بررسی نتایج نشان میدهد علاوه بر افزایش قابل توجه راندمان این نوع آبشیرینکن نسبت به آبشیرینکنهای معمولی با سطح آفتاب گیری یکسان، حذف ناخالصیهایی از قبیل نیتراتها، کلریدها، آهن و املاح حلشونده در آب و حتی آلودگیهای میکروبی از جمله ویژگی های این نوع آب شیرینکن میباشد. این آبشیرینکن را میتوان در بسیاری از کاربردهای کشاورزی و صنعتی در مقیاس وسیع مورداستفاده قرار داد. در این مطالعه، تأثیر شرایط محیطی و نیز اثر جاذب متخلخل بر عملکرد آبشیرینکن موردتوجه قرار گرفتهاند.
واژه های کلیدی: آب شیرینکن لولهای عمودی، خورشیدی، نانوموئینگی، جاذب نانومتخلخل.
1 -مقدمه
تقریباً ِْ % از سطح کره زمین از آب پوشیده شده ولی آب اقیانوس ها و دریاها با دارا بودن حدود ِ/َ درصد وزنی املاح مختلف برای استفاده مستقیم برای مصرف در موارد شرب، بهداشتی، کشاورزی و صنعتی مناسب نمی باشند. تاکنون روش های مختلفی جهت جداسازی املاح از آب شور و تولید آب شیرین ابداع شده که از میان آن ها روش تبخیر و تقطیر مجدد، قابلیتهای فراوانی جهت بهرهگیری از انرژی خورشیدی دارند. کشور ایران از یک طرف دارای مناطق بسیار وسیعی با پتانسیل بالای انرژی خورشیدی است و از طرف دیگر برابر گزارش وزارت نیرو در مدت زمان نه چندان دور همچنین در مواجهه بابحران آب شیرین خواهد بود.
لذا استفاده از آبشیرینکن های خورشیدی می تواند راه حل بسیار مناسبی برای رفع این بحران احتمالی در نواحی که دسترسی به آب شرب ندارند، باشد . از مزایای این آبشیرینکنها میتوان به قابلیت استفاده آنها به صورت منفرد، عدم ایجاد هرگونه آلودگی، هزینه پایین تعمیر و نگهداری و همچنین نصب و راه اندازی آسان اشاره کرد.اساس کار این گونه سامانهها بر مبنای چرخهای است که در طبیعت طی می گردد، بدین صورت که آب شور بهواسطه انرژی حرارتی خورشید تبخیر و پس از سردشدن، تقطیرشده، قطرات حاصله عاری از هرگونه نمک یا مواد معدنی و میکروارگانیزم ها می باشند.لیکن باید به این نکته دقت نمود که مشکل عمده آب شیرینکنهای معمولی، ظرفیت پایین و نیاز به فضای بسیار است.
گزارشی از کیاتسیریروت در مورد آبشیرینکنهای عمودی موجود است] ٌ.[ در ٌُِّمیلادی، بلوئِمر نیز در گزارشی، به ساخت ُ آبشیرینکن عمودی در فلوریدا اشاره نموده است] ٍ.[ کافی در استرالیا، طرحی از یک آبشیرینکن با یک سطح عمودی استوانهای ارائه نمود] َ[و. نهایتاً در تایلند در ٌٌَُ ویبولسواز و همکارانش آبشیرینکنی با جاذب استوانه ای عمودی ساخته و مورد آزمایش قرار دادند]ِوُ.[مقاله حاضر، به طراحی، ساخت و تعیین عملکرد نوعی آبشیرینکن خورشیدی لوله ای عمودی با جاذب نو از نوع نانوسیلیکون که در شرایط آب و هوایی کرج آزمایش شده، میپردازد. در این مطالعه ضمن بررسی عملکرد این نوع آبشیرینکن به تأثیر شرایط محیطی و نیز جاذب متخلخل با نانوموئینگی در عملکرد آن پرداخته شده است.
2 -تئوری و فرمولبندی آب شیرینکن لولهای نانومتخلخل
برای تعیین عملکرد آبشیرینکن از مبادله حرارتی بین هوای مرطوب و مبادله جرمی بخار آب در هوای مرطوب استفاده شده است. فرضیات اصلی انجام شده برای جاذب استوانهای متخلخل عبارت است از:
1- اندازه ذرات در جاذب دارای توزیع یکنواخت میباشد، بنابراین ضریب تخلخل به طور متوسط در نظر گرفته می شود.
2 - جاذب و آب شور جذب شده در حالت تعادل ترمودینامیکی هستند و لذا دارای دمای یکسان میباشند.
3- مقاومت گرمایی داخل دانههای جاذب قابل صرفنظرکردن است.
4- خواص ترموفیزیکی جاذب و جذب شونده ثابت در نظر گرفته میشود.
5- انتقال جرم در سطح داخلی جاذب قابل صرفنظرکردن میباشد.
6- شدت تابش خورشیدی در بازه زمانی آزمایش ثابت در نظر گرفته میشود.
تحت فرضیات فوق معادلات حاکم برای سامانه آبشیرینکن میتواند به صورت زیر نوشته شود ]ّ:[
الف - اصل بقای انرژی
ب - اصل بقای جرم
W غلظت متوسط آب شور جذب شونده است. روابط - ٌ - و - ٍ - موازنه جرم و انرژی در سامانه آبشیرینکن را نشان میدهد. به طوریکه از روابط فوق مشهود است انتقال جرم و انرژی به علت طول زیاد جاذب نسبت به قطر، فقط در جهت شعاعی در نظر گرفته شده است که با نشان داده میشود. رابطه - َ - موازنه جرم را داخل لوله و در نتیجه نفوذپذیری آب را در آن نشان میدهد. با استفاده از قانون گاز ایدهال در رابطه دارسی سرعت به صورت زیر به دست میآید:
کهR ثابت گازها و M جرم مولکولی را نشان می دهد. نفوذ پذیری ظاهری بستر Kapp می تواند به صورت زیر محاسبه شود:
که نفوذپذیریK ذاتی برای بستر جاذب است که میتواند با استفاده از رابطه کوزِنیبلِیک به دست آید که برای تخلخل کمتر از ِ/ً قابل استفاده است. نماد Dbed می تواند توسط رابطه زیر محاسبه شود:
