جلسه دفاع از رساله دکترای گرایش تبدیل انرژی خانم الهام کاظمی
موضوع: مدلسازی، ساخت و بررسی عملکرد آب شیرین کن خورشیدی چند مرحلهای غیرفعال
استادان راهنما: دکتر محسن ثقفیان- دکتر علی اکبر عالم رجبی
استاد مشاور: دکتر رامین کوهی کمالی
استادان داور:
دکتر محمدرضا توکلینژاد
دکتر محمدرضا سلیمپور
دکتر علی جعفریان دهکردی
چکیده:
بحران جهانی کمآبی، توسعه سیستمهای نمکزدایی غیرفعال با بازدهی بالا را به ضرورتی انکارناپذیر تبدیل کرده است. با وجود مطالعات گسترده در زمینه مدلسازی تحلیلی آبشیرینکنهای خورشیدی چندمرحلهای مبتنی بر مویینگی، تأثیر مشخصات منسوج مویین بر نرخ تبخیر و در نتیجه عملکرد کلی سیستم تاکنون به صورت جامع بررسی نشده است. در این پژوهش، برای نخستین بار یک مدل تحلیلی نوین ارائه شده است که با استفاده از اعداد بیبعد، تأثیر ویژگیهای منسوج را بر تبخیر مویینگی در نظر میگیرد. ضریب تبخیر مویینگی با دادههای تجربی با ضریب تعیین 99/0 همبستگی نشان داد. علاوه بر این، تلفات حرارتی بین مرحلهای تبخیر و چگالش، با تعریف یک راندمان چگالش ظاهری به عنوان تابعی از اختلاف فشار بخار، در مدل گنجانده شده که با نتایج تجربی و ضریب تعیین 98/0 اعتبارسنجی شد. سپس از این مدل برای بررسی تاثیر پارامترهای مختلف از جمله شار حرارتی و تعداد مراحل، شرایط محیطی و خنککاری چگالنده استفاده گردید. نتایج تحلیل پارامتری با ارزیابی دستگاههای ۱ تا ۱۶ مرحلهای تحت شارهای حرارتی ۱۰۰ تا ۱۳۰۰ وات بر مترمربع آشکار ساخت که حداکثر عملکرد سیستم نه با بیشینهسازی صرف تعداد مراحل، بلکه با بهینهسازی ترکیب تعداد مراحل و شار ورودی حاصل میشود. شناسایی این منطقه بهینه و رفتار بازده نزولی پس از آن، مبنای علمی مستحکمی برای ارائه مفهوم نوآورانه «طراحی تطبیقی فصلی» فراهم مینماید. در این راهبرد، تنظیم تعداد مراحل بر اساس فصل، ضمن حفظ بازدهی بالا در طول سال، توجیهپذیری اقتصادی سیستم را نیز افزایش میدهد. نتایج تجربی عملکرد یک دستگاه چندمرحلهای به ابعاد cm2 14×18 با استفاده از منسوج با بافت حلقوی خارخورده،که به دلیل خاصیت ترشوندگی، مویینگی و تبخیر برتر انتخاب شد، نشان داد که این دستگاه در پنج مرحله و تحت شار حرارتی ۱۰۰۰ وات بر مترمربع، قادر به تولید 77/2 لیتر بر مترمربع - ساعت آب شیرین با ضریب بهرهوری انرژی ۲۸۹ % است که بهبودی معادل ۲۱۱ % نسبت به حالت تکمرحلهای محسوب میشود. در ادامه، برای بررسی تأثیر افزایش ارتفاع بر عملکرد و امکانپذیری مقیاسپذیری، دستگاهی با ابعاد cm2 ۳۶×۳۶ ساخته شد و عملکرد آن در دو حالت تغذیه از پایین (مویینگی) و تغذیه از بالا (به کمک گرانش) و زوایای مختلف ارزیابی گردید. نتایج جذب آب توسط منسوج نشان داد در حالت تغذیه از پایین و به کمک مویینگی، افزایش زاویه از 30 به 90 درجه باعث کاهش 20% در جذب آب میشود، درحالیکه تولید آب شیرین تحت شار حرارتی W/m2 1000، 46% افزایش مییابد. همچنین نتایج نشان داد در حالت تغذیه از بالا ارتفاع صعود مویینگی اولیه h0، از سطح آب مخزن تا بالاترین قسمت دستگاه، تاثیر بسیار زیادی بر میزان جذب آب و درنتیجه عملکرد دستگاه دارد. در ارتفاع اولیه cm 2= h0 با افزایش زاویه از 30 به 90 درجه، جذب آب توسط منسوج 28 % افزایش مییابد. با کاهش این ارتفاع از ۲ به ۱ سانتیمتر، جذب آب توسط منسوج در زاویه ۹۰ درجه 54% افزایش مییابد. همچنین نتایج نشان داد حداکثر تولید آب شیرین در cm 1= h0 و در زاویه °90 به دست میآید که معادل 5/119 گرم بر ساعت است و در مقایسه با حالت تغذیه از پایین افزایشی حدود ۱۲۴% را نشان میدهد. آزمایشهای شوری با سه سطح ۱، 5/3 و ۷ درصد وزنی نمک طعام در بازه ۸ ساعته، عملکرد پایدار دستگاه را تأیید کرد و کیفیت آب تولیدی با TDS کمتر از ۶۰ میلیگرم بر لیتر، بسیار پایینتر از استاندارد سازمان بهداشت جهانی بود. در آزمایشهای محیطی در شهر اصفهان، پیکربندی عمودی با بازتابنده صفحهتخت ۱۰ درجه، با وجود دریافت 19 درصد تابش کمتر نسبت به حالت شیبدار ۳۰ درجه، عملکرد برتری داشت که ناشی از بهبود تخلیه قطرات، تغذیه مؤثر فتیله و دفع پیوسته نمک بود. تحلیل E4 نشان داد برای پیکربندی عمودی با بازتابنده، راندمان انرژی 94/56 درصد، راندمان اگزرژی 08/3 درصد، زمان بازگشت انرژی 57/0 سال و هزینه تولید هر لیتر آب شیرین 012/0 دلار است که تأییدکننده پایداری فنی، زیستمحیطی و اقتصادی این سامانه میباشد. نتایج این پژوهش چارچوبی ارزشمند برای توسعه نسل آینده سیستمهای نمکزدایی خورشیدی کارآمد، مقرونبهصرفه و پایدار ارائه میدهد.
