بخشی از مقاله
چکیده
امروزه با توجه به گرم شدن کره زمین و از بین رفتن منابع آب شیرین، استفاده از انرژی حرارتی خورشید برای تولید آب شیرین اهمیت بسزایی یافته است. در این بین استفاده از آب شیرین کن های تقطیری فعال از نوع ترکیبی برای بهینه کردن این استفاده رایگان و پاک سهم بسزایی به خود اختصاص داده است. در این پژوهش طراحی و ساخت آب شیرین کن تقطیری فعال ترکیبی ارایه می گردد که در جهت نمک زدایی از آب شور بوسیله استفاده از انرژی حرارتی جذب شده توسط یک متمرکزکننده سهموی خورشیدی و تولید آب شیرین می باشد.
طراحی این آب شیرین کن تقطیری فعال با استفاده از نرم افزار کتیا 1 و ساخت آن با ورق های استیل و از طریق جوش نقطه ذوب صورت پذیرفته است. برای عبور سیال واسط نیز از لوله های مسی در ساخت استفاده شده است. این لوله ها بصورت مارپیچ درون محفظه توسط جوش نقره به یکدیگر متصل شده اند. این محفظه با لحیم و مشعل بصورت کاملاً دقیق آب بندی شده است.
آب شور ورودی به درون محفظه نیز بوسیله یک شناور کنترل می گردد. بعد از تبخیر صورت گرفته، صفحه ای از جنس شیشه بصورت 45 درجه بر روی محفظه قرار می گیرد تا مایعات پس از تقطیر بر روی ناودانی تعبیه شده در پائین فرو بریزند و از شیر خروجی به سمت منبع آب شیرین جریان یابند . از آنجا که سیستم ما یک سیستم بخار می باشد، برای جلوگیری از هدر رفت بخار موجود، 5 سانتیمتر از شیلنگ خروجی را با مقدار کمی سیم استیل پر می نمائیم تا نقش تله بخار2 دستی یا ستون تقطیر را برای ما ایفا نماید.
.1 مقدمه
یکی از منابع فراوان روی زمین، آب است که چیزی حدود %75 از سطح زمین را پوشانده است. %97 از این مقدار را آب های شور اقیانوس ها و تنها بخش کمی یعنی %3 ، چیزی در حدود 36 میلیون کیلومتر مکعب آب شیرین تشکیل داده است، که این مقدار ناچیز نیز در قطب ها به شکل یخ، دریاچه ها، آب های زیرزمینی و رودخانه ها وجود دارد و اغلب نیاز انسان ها و حیوانات را رفع می نماید. نزدیک به %70 از این سه درصد کوچک و ناچیز از آب های شیرین، به صورت یخ زده در یخچال های طبیعی، پوشش های برف دائمی، یخ ها و لایه های منجمد در اعماق زمین وجود دارند. %30 از تمام آب های شیرین به صورت زیرزمینی هستند که اغلب آن ها در اعماق زمین بوده و دسترسی به این سفره های آب زیرمینی دشوار می باشد. دریاچه ها و رودخانه ها روی هم رفته تنها حدود 0/25 درصد تمام آب های شیرین را شامل می شوند که اغلب آنها در دریاچه ها هستند.
در واقع بشر امروزی بسیار وابسته به دریاچه ها، رودخانه ها و منابع آب های زیرزمینی به منظور رفع نیازهای آب آشامیدنی هم در مصارف بهداشتی و هم کشاورزی و صنعتی می باشد. رشد سریع صنعت و افزایش جمعیت جهان باعث تقاضای شدید آب سالم و شیرین هم در مصارف خانگی و هم در مصارف صنعتی شده است. علاوه بر این موارد، مشکل آلودگی رودخانه ها و دریاچه ها به وسیله پساب ها و فاضلاب های صنعتی نیز را می توان یکی از علل کمبود آب و رشد سریع تقاضا برای آب دانست. در مقیاس جهانی آلودگی منابع آب ناشی از فعالیت های انسان و توزیع نابرابر آب در حال تبدیل شدن به یکی از بزرگترین دلایل کمبود آب آشامیدنی می باشد.
برای مثال کانادا %10 از آب های بهداشتی سطحی را در اختیار دارد در صورتی که جمعیت آن یک درصد کره زمین است.[2] همان طور که گفته شد %97 از آب های کره زمین شور هستند و تنها %3 از آب های در دسترس آب شیرین می باشد. به همین دلیل طراحی و ساخت سیستم آب شیرین کن های خورشیدی راندمان بالا همراه با بازیافت حرارتی، مقدمه و ضرورتی برای انجام طرح های تولید آب شیرین است که امروزه یکی از مهم ترین منابع و سرمایه ها محسوب می شود.
شرایط خشک سالی به خصوص در سالیان اخیر در مناطق مختلف ایران به ویژه در جنوب کشور منجر به کاهش دسترسی به آب آشامیدنی گردیده است. در این مناطق عموما آب شیرین بصورت جاری وجود نداشته و تامین آب از طریق حفر چاه های بسیار عمیق امکان پذیر است. این موضوع علاوه بر هزینه های گزاف، مشکل غیر بهداشتی و شور بودن آب های زیرزمینی را نیز در بردارد. از طرفی تامین آب آشامیدنی از طریق انتقال آب از شهرهای بزرگ به مناطق دور افتاده و محروم مشکلات دیگری شامل هزینه بالای انتقال و احداث شبکه آبرسانی دارد که این امر را غیر اقتصادی می نماید.
روش متداولی که برای تامین آب شرب در مناطق خشک به کار گرفته می شود استفاده از سیستم های معمول آب شیرین کن می باشد که مشکلاتی از قبیل تامین انرژی و سوخت مورد نیاز، تکنولوژی بالا در این گونه سیستم ها، هزینه بالای ساخت و تعمیر و نگهداری، ظرفیت بالا و عدم کاربری آن برای مناطق با جمعیت محدود باعث می شود که استفاده از این گونه سیستم ها درروستاها امری غیر ممکن باشد.
با توجه به مطالب مطرح شده در فوق می توان نتیجه گرفت، تنها سیستمی که بتواند تمامی شرایط فوق را داشته باشد، سیستم های آب شیرین کن خورشیدی می باشند. اساس کار این گونه سیستم ها بر مبنای همان سیکلی است که در طبیعت طی می گردد. در واقع آب شور به واسطه انرژی حرارتی خورشید تبخیر و روی سطح شیشه ای آب شیرین کن سرد و تقطیر می گردد.
قطرات حاصله عاری از هرگونه نمک یا مواد معدنی و میکرو ارگانیزم می باشند. اما باید به این نکته دقت نمود که مشکل عمده آب شیرین کن های خورشیدی، ظرفیت پایین و نیاز به فضای بسیار در آنها می باشد. امروزه تحقیقات وسیعی در مورد ساخت آب شیرین کن های خورشیدی با ظرفیت های بالاتر در حال انجام است. در این پژوهش سعی بر این است که طرحی کاربردی از یک آب شیرین کن فعال که می تواند با یک متمرکز کننده سهموی خورشیدی ترکیب شود، ارائه گردد.
.2 انواع آب شیرین کن ها
آب شیرین کن های خورشیدی دارای انواع گوناگونی می باشند که از آنها می توان به انواع یک مرحله ای و چند مرحله ای اشاره نمود . عنوان یک مرحله ای به این معنا می باشد که آب شیرین در یک مرحله تهیه و تولید می شود. همان گونه که در شکل.1 نشان داده شده، آب شیرین کن های یک مرحله ای به دو گونه ی فعال و غیرفعال دسته بندی شده اند.
شکل.- 1 انواع آب شیرین کن های یک مرحله ای[4]
همانطور که ذکر گردید هدف این پژوهش طراحی و ساخت آب شیرین کن فعال ترکیبی با یک متمرکزکننده خورشیدی همانطور که در شکل.2 نشان داده شده است، می باشد . انجام عملیات به کمک یک آب شیرین کن خورشیدی که با یک بخش حرارت دهی از بیرون ترکیب شده می تواند کارکرد بهتری داشته باشد که این امر با جایگزینی متمرکزکننده به جای گرد آورنده صورت می پذیرد. در متمرکزکننده به دلیل کوچک بودن سطح، میزان افت کمتری نسبت به گرد آورنده وجود دارد و همچنین دمای آب شور در درون دستگاه بالاتر می باشد
شکل.- 2 شماتیک اولیه آب شیرین کن فعال ترکیبی با یک متمرکزکننده سهموی خورشیدی
.3 معادلات ترمودینامیکی حاکم بر فرآیند تقطیر
تجزیه و تحلیل فرایندهای تقطیر برای نمک زدایی در زمینه قانون دوم ترمودینامیک به منظور شناسایی منابع تولید آنتروپی با هدف کمینه کردن تلفات موفقیت آمیز بوده است. [9-6] از اصول ترمودینامیک، می توان بیان کرد که حداکثر کارایی تقطیر، معادل قانون کارنو است.
