-سیستم‏های تهیه آب‏ شیرین ‏کن خورشیدی و دستگاه‏های تقطیر

کمبود آب یکی از مهمترین عوامل محدودکننده محیط زندگی و کشاورزی و عدم توسعه صنایع می‏باشد و در حقیقت بدون آب، زندگی و پیشرفت ممکن نیست. اقیانوس‏ها یکی از بزرگترین منابع ذخیره آب بوده ولی با داشتن حدود 5/3% وزنی از املاح مختلف در آب، استفاده مستقیم از این آب‏ها در بیشتر موارد امکان‏پذیر نمی‏باشد. درصد املاح محلول در اقیانوس‏ها و دریاها نسبت به عمق‏های مختلف متفاوت است. زیرا آب مصرفی در ساختمان‏های مسکونی و صنعت و کشاورزی، هر یک مشخصات خاصی دارند که با مشخصات آب اقیانوس‏ها و دریاها مطابقت نمی‏کند. لذا حذف قسمت اعظم املاح آب اقیانوس‏ها و انجام پاره‏ای تغییرات در ترکیبات آن‏ها قبل از مصرف، حتمی و ضروری است. مثلاً آب آشامیدنی نباید بیش از 1000 میلی‏گرم در لیتر املاح داشته باشد و یا آبی که در کشاورزی مصرف می‏شود حداکثر املاح مجاز آن 500 میلی‏گرم است. در صنعت نیز آب‏های سخت با املاح زیاد، علاوه بر خوردگی، با ایجاد رسوب در لوله‏‏ها و دستگاه‏ها، مشکلاتی در تأسیسات ایجاد کرده و سرمایه‏های هنگفتی را به هدر می‏دهند. به این ترتیب آب اقیانوس‏ها و دریاها با داشتن 35 گرم در لیتر از مواد محلول، به هیچ عنوان نمی‏تواند مستقیما در صنعت کشاورزی و شرب مورد استفاده قرار گیرند. از مهمترین املاحی که از آب اقیانوس‏ها برای شیرین کردن آن‏ها باید گرفته شود کلروسدیم است که به SALINITY معروف بوده و مقدار متوسط آن 34 گرم در لیتر می‏باشد. همچنین مقادیری از املاح کلسیم و منیزیم نیز ممکن است در این آب‏ها موجود باشند که بایستی حذف شوند ]1[.

در طراحی تأسیسات شیرین کردن آب‏های شور، دو مسئله اساسی زیر بیش از سایر مسائل باید مورد توجه قرار گیرد:

1) در اختیار داشتن مقادیر زیادی انرژی ارزان قیمت.

2) سرمایه‏گذاری قابل توجه اولیه در صورت استفاده از انرژی خورشید.

برای تفهیم مطالب فوق، مقدار انرژی لازم برای تهیه هر مترمکعب آب شیرین در حدود یک کیلووات‏ساعت است. البته باید در نظر داشت که در حین عمل مقداری انرژی تلف می‏شود که جلوگیری از آن امکان‏پذیر نمی‏باشد و لذا مقدار بیشتری انرژی برای تولید آب شیرین لازم است. در تهیه آب شیرین از آب دریاها، مراعات نکات اقتصادی اهمیت بسیاری دارد. به ویژه در مورد بخش کشاورزی باید دقت شود که قیمت تهیه آب شیرین از قیمت محصولات بدست آمده کشاورزی بیشتر نباشد و یا محصولات کشاورزی بیش از اندازه گران تمام نشوند. همچنین در طراحی تأسیسات و دستگاه‏های تهیه آب شیرین در نظر گرفتن موقعیت‏های محلی از نظر زمان و مکان و مصرف اهمیت فراوان دارد. موضوع شیرین کردن آب اقیانوس‏ها و دریاها امروزه مورد توجه اکثر کشورها قرار گرفته و این به دلیل اهمیت آب شیرین در مصارف گوناگون می‏باشد. مثلاً در نقاط گرمسیری برای برداشت یک تن یونجه حدود 760 مترمکعب و برای یک تن گندم حدود 8000 مترمکعب آب لازم است. همچنین برای پرورش یک تن گوشت گاو 31000 مترمکعب، در صنایع برای تهیه هر تن فولاد حدود 200 مترمکعب، برای لاستیک حدود 2500 مترمکعب و برای تهیه یک تن بنزین حدود 20 مترمکعب آب لازم است.

مقدار آب لازم برای هر نفر در نقاط مختلف دنیا متفاوت می‏باشد و در کشورهای کشاورزی مانند ایران حدود 900 مترمکعب در سال و در کشور‏های صنعتی این رقم به حدود 2700 مترمکعب در سال برای هر فرد می‏رسد. از این رقم مقدار ناچیزی برای شرب بوده و بقیه به مصرف خانگی وکشاورزی و صنعتی می‏رسد که قسمت اعظم آن آب شیرین (بدون نمک) می‏باشد.

در بعضی از مناطق و کشورها، انرژی خورشیدی تنها امید برای تهیه آب مناسب و ارزان قیمت بوده و جنبه حیاتی برای ساکنین منطقه دارد. در سال 1872 اولین بار در کشور شیلی، با استفاده از انرژی خورشیدی به میزان 20 مترمکعب در روز آب شیرین از آب دریا تهیه شد. اصول آب‏شیرین‏کن خورشیدی تقریباً مشابه تهیه آب شیرین در طبیعت می‏باشد که آب‏های تبخیر شده از سطح دریاها و اقیانوس‏ها، ابرها را بوجود می‏آورند. در این تبخیر و جابجایی طبیعی، مواد محلول از جمله نمک‏ها تبخیر نشده و لذا بارش بصورت برف و باران به حالت آب شیرین نازل می‏شود. آب شیرین را از طریق انجماد آب شور نیز می‏توان بدست آورد. زیرا در هنگام یخ بستن آب شور، نمک از آب جدا شده و پس از ذوب یخ‏ها آب شیرین حاصل می‏شود.

1-1-1-روش‏های تهیه آب شیرین

مهم‏ترین و مرسوم‏ترین روش‏های تهیه آب شیرین عبارتند از ]1[:

1)روش تقطیری که خود به انواع تقطیر ساده (یک مرحله‏ای)، تقطیر چند مرحله‏ای، تقطیر ناگهانی، تقطیر فشاری، تقطیر به روش متراکم گریز از مرکز و ... تقسیم‏‏بندی می‏شود.

2)روش الکترو دیالیز

3)روش مبادله‏کننده‏های یونی

4)روش تبرید و انجماد

چهار روش فوق بنام روش‏های اصلی آب‏شیرین‏کن‏ها مرسوم بوده مطالعات و تحقیقات کافی بر روی آن‏ها انجام شده و مورد بهره برداری قرار گرفته‏اند. بعلاوه روش‏های دیگری نیز برای شیرین کردن آب شور پیشنهاد شده‏اند که بعضی مورد استفاده قرار گرفته و بعضی مراحل تحقیق را می‏گذرانند. عمده‏ترین این روش‏ها عبارتند از:

5-روش استفاده از حلال‏ها

6- روش تراوش معکوس[1] یا روش OSMIONS که از دو لغت OSMOSEو IONS تشکیل شده است.

7-روش تصفیه دقیق یا فرا پالایش[2]

8-روش تقطیر در فشار بحرانی

9- روش انجماد در خلاء[3]

باید توجه داشت که بعضی از مواقع برای اینکه آب شیرین بدست آمده ارزان تمام شود چند روش را با هم تلفیق می‏نمایند که در این صورت نه تنها قیمت تمام شده آب پایین می‏آید، بلکه تلفات انرژی را نیز بحداقل می‏رساند به عبارت دیگر با این روش، از انرژی‏های تلف شده یک واحد، برای استفاده در واحدهای دیگر استفاده می‏شود.

نکته مهم دیگر این است که یکی از مهم‏ترین و پردردسر‏ترین اشکالات در دستگاه‏های تهیه آب شیرین، تشکیل رسوبات در جدار داخلی تأسیسات می‏باشد که بهتر است برای جلوگیری از افزایش انرژی لازم برای تهیه آب شیرین، و در نتیجه کاهش هزینه‏ها، و ادامه کار دستگاه‏ها با راندمان قبلی، از تشکیل رسوبات جلوگیری بعمل می‏آید. پیشنهادات مهم برای احتراز از تشکیل رسوبات در تأسیسات تهیه آب شیرین به قرار زیرند:

1- خارج ساختن املاحی که ایجاد رسوبات می‏کنند قبل از ورود آب خام به دستگاه‏ها

2-طرح دستگاه‏ها و انتخاب مواد متشکله آن، بطوریکه رسوبات مجال تشکیل شدن را نداشته باشند.

3- افزودن اسید به محیط عمل برای پایداری آب نسبت به رسوبات در دماهای بالا

4- افزودن موادی که مانع ایجاد رسوبات سخت شود مثل ترکیبات مختلف فسفات - نشاسته

5- کم کردن زمان توقف آب در سیستم، یعنی افزایش عمل سیرکولاسیون در سیستم

6-تهیه آب شیرین با استفاده از روش تقطیر

فهرست مطالب

 

فصل اول.. 1

سیستم‏های تهیه آب شیرین خورشیدی، دستگاه‏های تقطیركن و لوله‏های حرارتی... 1

1-1-سیستم‏های تهیه آب‏شیرین‏کن خورشیدی و دستگاه‏های تقطیر. 2

1-1-1-روش‏های تهیه آب شیرین.. 4

1-1-2-آب‏شیرین‏کن تقطیری چند مرحله‏ای.. 7

1-1-3-معرفی و مقایسه سایر انواع آب‏شیرین‏کن‏های خورشیدی.. 8

1-2-لوله‏هاي حرارتي.. 13

1-2-1-نحوه کار لوله‏هاي حرارتي.. 14

1-2-2-انواع لوله‏های حرارتی.. 15

1-2-3-مکانيزم عمل.. 22

1-2-4-کاربرد لوله‏های حرارتی.. 26

1-2-5-محدودیت‏های انتقال حرارت در لوله‏های گرمایی.. 28

1-2-6-مواد سازنده لوله‏های گرمایی و روش‏های ساخت آن.. 31

1-2-7-پارامترهاي مؤثر بر عملکرد لوله حرارتي نوساني.. 32

1-3-مروری بر فصل‏های پایان نامه. 45

1-4-ویژگی منحصر به فرد تحقیق.. 46

فصل دوم.. 47

مروری بر کارهای انجام شده در زمینه آب‏شیرین‏کن‏های خورشیدی... 47

2-1-مقدمه. 48

2-2-آب‏شیرین‏کن فعال.. 48

2-3-آب‏شیرین‏کن فعال دما بالا. 48

2-3-1-آب‏شیرین‏کن متصل شده به کلکتور تخت... 49

2-3-2-آب‏شیرین‌کن خورشیدی همراه با متمرکزکننده سهموی.. 58

2-3-3-آب‌شیرین‌کن خورشیدی جفت شده با لوله خلاء 62

2-3-4-آب‌شیرین‌کن خورشیدی جفت شده با لوله گرمایی.. 64

2-3-5-دستگاه تقطیر خورشیدی کوپل شده با سیستم پی وی-تی هیبرید. 66

فصل سوم.. 69

دستگاه آب‏شیرین‏کن خورشیدی نمونه آزمایشگاهی... 69

3-1- مقدمه. 70

3-2- مدل آزمايشگاهي بكار رفته. 70

3-2-1- مخزن آب.. 71

3-2-2- کلکتور با لوله‏های حرارتی نوسانی.. 71

3-3-سیستم خلاء استفاده شده 73

3-4-نحوه پركردن سيستم. 75

3-5-نحوه انجام آزمايش.... 76

فصل چهارم.. 77

نتایج... 77

4-1-تغییرات دما 78

4-2-نسبت پرکنندگی PHP. 80

4-3-تأثیر عمق آب.. 81

4-4-تأثیر زاویه شیب کلکتور صفحه تخت... 82

4-5-تحلیل اقتصادی آب‏شیرین‏کن خورشیدی.. 83

4-6-تحلیل عدم قطیعت... 86

فصل پنجم.. 88

نتیجه‏گیری و پیشنهادها برای ادامه کار. 88

5-1-نتیجه‏گیری.. 89

5-2-پیشنهادها برای ادامه کار 90

مراجع.. 91

1. Abstract.. 95