پایان نامه تولید آب شیرین با استفاده از سرمایش زیر زمینی هوای مرطوب و انرژی خورشید

پایان‌نامه کارشناسی ارشد

مهندسی مکانیک گرایش تبدیل انرژی

چکیده

به دلیل کمبود منابع آب شیرین کشف راه‌های جدید تولید آب از اهمیت بالایی برخوردار است. یکی از روش‌های نوین تولید آب شیرین در ظرفیت‌های پایین، استفاده از رطوبت هوا است که به عنوان سیستم تولید آب چگالشی شناخته می‌شود. در این روش، جریان هوای گرم و مرطوب به درون لوله‌های مدفون در زمین هدایت می‌شود، هوا در طول لوله به دلیل انتقال حرارت با خاک به تدریج خنک شده و در دمایی کم‌تر از نقطه شبنم، بخار موجود در آن به صورت قطرات آب، روی سطح لوله ظاهر می‌گردد. در این پژوهش سیستم‌های تولید آب خوراکی با هدف به‌دست آوردن طول بهینه و ارزیابی پارامترهای موثر بر میزان آب تولید شده در سیستم‌های چگالشی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته‌اند. بدین منظور ابتدا معادلات حاکم بر مسئله، شرایط مرزی و اولیه آن برای یک سیستم تولید آب چگالشی نمونه، استخراج گردید و سپس با استفاده از روش حجم محدود، گسسته‌سازی آن تشریح می‌شود. در ادامه یک نمونه سیستم تولید آب خوراکی در نرم‌افزار متلب در یک شبانه‌روز مدل‌سازی می‌شود. نتایج عددی نشان می‌دهند، در لوله‌ا‌ی به قطر 2/0 متر، در عمق نیم متری زمین و طول پانزده متر که دمای هوای ورودی 70 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی 70 درصد است، تقریباً 2,1 کیلوگرم آب در روز استحصال خواهد شد. آنالیز حساسیت بر روی پارامترهای مختلف و جنس خاک نیز انجام شده است. نتایج آنالیز نشان می‌دهند که دمای هوا و رطوبت نسبی بیش‌ترین تأثیر را بر میزان آب تولید شده دارند و به ترتیب ماسه، شن، خاک مرطوب و خاک رس بیشترین آب را تولید می‌کنند. مدل‌سازی خنک‌کاری سیستم‌های چگالشی در طول شب نیز نشان دهنده آن است که خاک می‌تواند پس از 12 ساعت خنک‌کاری شبانه تقریباً به دمای اولیه روز قبل برسد.

کلمات کلیدی: سیستم‌ های تولید آب چگالشی، هوای گرم و مرطوب، خاک، آنالیز حساسیت، خنک‌ کاری در طول شب

مقدمه

آب منشأ حیات و سر‌چشمه زندگی است. یکی از راه‌های توسعه کشور‌ها استفاده بهینه از منابع طبیعی خدادادی می‌باشد. از منابع بسیار مهم و حیاتی که در زندگی روزمره انسان‌ها، کشور‌ها و تداوم تولیدات نقش فوق‌العاده دارد، منابع آبی است. آب ماده حیاتی است که به‌طور یکنواخت در سطح کره زمین موجود نیست و بسیاری از نقاط مختلف کره زمین با کمبود آب مواجه هستند. آب از دو بعد اقتصادی و بهداشتی دارای اهمیت است زیرا به حرکت درآورنده‌ی چرخ صنعت و رونق‌بخش فعالیت‌های کشاورزی می‌باشد. همچنین، آب سالم تضمین‌کننده سلامت انسان است.

در دو دهه‌ی اخیر، به ویژه سال‌های پایانی قرن بیستم، آب به عنوان موضوعی مهم در کانون مباحث و مذاکرات بین المللی قرار گرفته ‌است. پدیده‌های ناشی از نحوه بهره‌برداری و مدیریت منابع آب، به بالاترین رده‌های تصمیم‌گیری در سطوح ملی، منطقه‌ای و بین المللی رسیده ‌است. کشورهای در حال توسعه، سهم زیادی از جمعیت جهان را به خود اختصاص داده‌اند. در اواخر قرن بیستم در این کشورها کمبود آب به یکی از مسائل مهم تبدیل شده است. به دلیل شرایط اقلیمی، بخش‌ وسیعی از مساحت‌ آن‌ها به‌طور طبیعی از کمبود بارندگی رنج می‌برند. بسیاری از مشکلات بهداشتی کشورهای در حال توسعه، عدم برخورداری از آب آشامیدنی سالم است. بدون تأمین آب سالم، سلامت و رفاه جامعه به خطر می‌افتد [1].

با توجه به رشد روز‌افزون جمعیت جهان و ثابت بودن منابع آبی می‌توان نتیجه گرفت که معضل کمبود آب به مشکل بزرگی در آینده تبدیل خواهد شد. در نتیجه باید راه‌کارهای جدید و مطمئنی برای حفظ منابع آبی در دسترس و همچنین تولید و تصفیه‌ آب شیرین در پیش گرفته شود. بر ‌اساس گزارش منتشر شده از موسسه پاسیفیک اوکلند کالیفرنیا [2] در صورت عدم اتخاذ تصمیمی پیشگیرانه بیش از 76 میلیون نفر در سال 2020 در اثر بیماری‌های ناشی از آب‌های آلوده جان خود را از دست خواهند داد و بیماری‌های ناشی از آب‌های آلوده بیش‌تر از ایدز سلامت جامعه جهانی را تهدید می‌نماید. لذا استفاده از فن‌آوری‌ها و راه‌کارهای نوین جهت تهیه آب شیرین امری ضروری محسوب می‌گردد.

1-1وضعیت آب در جهان

حجم آب‌های زمین در حدود 1.386 میلیارد کیلومتر مکعب است که حدود 70 درصد از کره زمین را پوشانده است. بخش اندکی از آب‌های موجود برای مصارف بهداشتی و کشاورزی قابل استفاده می‌باشد. آب اقیانوس‌ها، دریاها و اغلب دریاچه‌ها به علت شوری بیش از حد و داشتن املاح معدنی، برای مقاصد بهداشتی، کشاورزی و صنعتی غیر قابل استفاده است [1 و 3].

تنها 5/2 درصد از کل آب‌های جهان، شیرین می‌باشد که بیش‌تر آن‌ها به صورت یخ و برف در کوهستان‌ها و قطب‌ها واقع شده‌اند. انسان‌ آب شیرین مورد نیاز خود را از رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و آب‌های زیرزمینی تأمین می‌نماید. آب در دسترس برای بشر حدود 11میلیون کیلومتر مکعب است [1 و 3]. توزیع آب‌های شیرین در شکل (1-1) نشان داده شده است [4].

(تصاویر در فایل اصلی موجود است)

در حال حاضر بیش‌ از 25 کشور در جهان با بحران کمبود آب مواجه هستند. حدود 5,1 میلیارد نفر به آب آشامیدنی سالم دسترسی ندارند. 7,1 میلیارد نیز در آستانه شرایط بحران کمبود آب قرار دارند. تا سال 2025 میلادی حدس زده می‌شود که دوسوم از جمعیت کل جهان با کمبود آب مواجه شوند [5].

1-2طبقه‌بندی مصارف آب شیرین

معمولاً مصارف آب شیرین را به سه دسته کلی زیر تقسیم‌بندی می‌کنند:

1- مصارف خانگی (نوشیدن، پخت و پز و بهداشت): 8 تا 10 درصد از مصرف جهانی را به خود اختصاص می‌دهد.

2- مصارف صنعتی: حدود 20 درصد از مصرف جهانی آب شیرین را به خود اختصاص داده ‌است و از سال 1950 مصرف این حوزه رو به افزایش است.

3- مصارف کشاورزی: بزرگ‌ترین مصرف‌کننده منابع آب شیرین دنیا است و از آغاز قرن 20 تا کنون، به علت افزایش جمعیت جهان مصرف این حوزه  تقریباً 7 برابر شده ‌است. پیش‌بینی می‌شود تا سال 2025 نیاز آب برای بخش کشاورزی 20 درصد افزایش یابد.

به منظور تأمین غذا برای جمعیت روبه‌رشد جهان، توسعه‌ی زمین‌های کشاورزی لازم است. با توسعه زمین‌های کشاورزی، آبیاری و شیوه‌های نوین آن مهم می‌گردد. روش‌های سنتی همانند غرق‌آب‌کردن علاوه بر افزایش هزینه، باعث تخریب زمین‌های کشاورزی می‌شود [1].

مصارف بخش‌های مختلف آب در برخی کشورها در جدول (1-1) ارایه شده است. همان‌طور که ملاحظه می‌شود کشورهایی همانند هند و مصر که دارای سرزمین‌های خشک هستند، بیش‌ترین مصرف آب را در حوزه‌ی کشاورزی دارند [5].

1-3وضعیت منابع و سرانه آب در ایران

کشور ایران 1,1 درصد از مساحت کل جهان را به خود اختصاص داده ‌است اما فقط 43/0 درصد از آب‌های موجود در جهان را در اختیار دارد. ایران دارای اقلیم آب و هوایی خشک و نیمه خشک است و میزان بارندگی در آن 25/0 بارندگی متوسط در جهان و سهم سرانه مصرف هر ایرانی 25/0سرانه جهانی است. با توجه به ارقام بالا ایران یکی از فقیر‌ترین کشورها از لحاظ منابع آبی سرانه در جهان می‌باشد. روش‌های مبارزه با بحران آب در کشور عبارتند از:

اصلاح مصرف آب در کشور به‌گونه‌ای تغییر یابد که سهم مصرف آب کشاورزی از 92 درصد به 87 درصد در بیست سال آتی کاهش دهد.

بازدهی آب در بخش کشاورزی به ازای هر متر مکعب آب از وضع فعلی به دو برابر در بیست سال آتی افزایش یابد.

اولویت‌ مصرف آب به ترتیب برای شرب، بهداشت، صنعت و کشاورزی اختصاص یابد.

رعایت استاندارهای ملی حفاظت کیفی منابع آب توسط مصرف‌کنندگان الزامی شود.

استفاده از شیوه نمک‌زدایی و سایر روش‌های نوین برای تولید آب شیرین رایج گردد.

آب شرب از سایر مصارف تفکیک شود [1].

1-4مروری بر روش‌‌های متداول شیرین سازی آب در کشور

با توجه به اقلیم کشور، تامین آب شیرین یکی از مهم‌ترین دغدغه‌های کشور، مخصوصاً در مناطق خشک به شمار می‌رود. برای مقابله با مشکل تأمین آب شرب ایران، برای مناطقی که نیاز به آب شرب دارند با روش‌های معمول نمی‌توان آب شیرین را از آب‌های سطحی و زیرزمینی تأمین کرد زیرا در بسیاری موارد باید هزینه‌های زیادی صرف کرد.

امروزه برای شیرین‌کردن آب شور رودخانه، دریا و آب‌های زیرزمینی از آب‌‌شیرین‌کن‌ها در ظرفیت بالا استفاده می‌کنیم. بخش‌هایی از جنوب کشور به خصوص استان‌های حاشیه خلیج فارس و دریای عمان از این آب‌شیرین‌کن‌ها به‌طور کامل استفاده می‌کنند و میزان قابل توجهی از آب مصرفی آن مناطق از این طریق تأمین می‌شود. در‌حال‌‌حاضر سیستم‌های بخار، مثل مجموعه‌های چابهار به شیرین‌سازی آب شور مبادرت می‌کنند و هم‌اکنون روش‌های جدید و پیشرفته‌ای در کشور برای شیرین‌سازی آب‌های شور در حال ساخت و راه‌اندازی است.

فن‌آوری آب‌شیرین‌کن در حال حاضر با سه چالش تخریب محیط زیست، بالا بودن هزینه تمام شده و وابستگی تجهیزات به خارج از کشور مواجه است. تولید هر متر مکعب آب شیرین 50 تا 80 سنت هزینه دارد، که این مقدار به‌طور مستمر در حال کاهش است [1]. روش‌های مختلفی برای تولید آب شیرین وجود دارد که در این بخش به دو روش متداول نمک‌زدایی و استفاده از رطوبت هوا پرداخته می‌شود.

Abstract

The development of new technologies for producing desalinated water is essential. A recent investigation is introduced a low capacity desalinated water production system by condensing of humid air, and called them condensation drinking water production system. In this systems, warm and humid airflow is leaded through the buried pipes, then air gradually cools and condenses when its temperature became less than the exist vapor temperature in the humid air, i.e. at dew point temperature, so fresh water will precipitate. According to the pipe types, these systems can be applied for drinking water production or irrigation applications. Evaluation of critical length and assessment of the parameters influences on the desalinated water production amount is the aim of this investigation. For a typical condensation drinking water production system, the governing equations and their initial and boundary conditions and also discretization using the finite volume method is described first. Then a computational model is developed by using MATLAB software to evaluate the water amount in the period of one day. Numerical results indicate that the water production capacity is approximately 1.2 kg per day over a pipe with 15-m length, 0.2-m diameter and 0.5-m depth for entering air with 70°C temperature and70% relative humidity. Also, the sensitivity analysis has been done on different parameters and soil types. Sensitivity analysis results show that the air temperature and relative humidity have the most influence on the amount of produced water; also soil type is one of the important parameters in the air heat transfer that can influence the amount of produced water. Sandstone, sand, wet soil and clay produces more water respectively. Soil temperature almost reaches to the initial temperature after nightly cooling operation.

Keywords: condensation drinking water production systems, hot and humid air, soil, sensitivity analysis, nightly cool