تحليل قانونهای اول و دوم ترموديناميک
برای سامانه شيرينسازی آب به روش رطوبت زني و رطوبتزدايي
براساس سيکل بسته هوا ـ باز آب

طه خادمينژاد، حسن رحيمزاده*+
تهران، دانشگاه صنعتي اميرکبير، دانشکده مهندسي مکانيک

چكيده:روش رطوبت زني و رطوبت زدايي از جمله روشهاي ارزان توليد آب در مقياس کوچک ميباشد که در ساليان اخير با توجه به پيش بينيهاي نگران کننده در رابطه با منابع رو به پايان سوختهاي فسيلي، توجه ويژهاي را به خود جلب کرده است. در اين مقاله روش رطوبت زني و رطوبت زدايي بر اساس سيکل بسته هوا ـ باز آب به وسيله نرم افزار تجاري EES مورد بررسي ترموديناميکي )قوانين اول و دوم( قرار گرفت. در ادامه تاثير پارامترهاي حاکم بر مسئله مانند ظريبهاي اثر بخشي محفظه هاي رطوبت زني )h( و رطوبت زدايي )d(،دماي آب ورودي به محفظه رطوبتزني )2,Tw( و دماي آب ورودي به محفظه رطوبت زدايي )0,Tw(، نسبت شدت جريان جرمي )mr mw

ma( بر نسبت خروجي سامانه )GOR( و نرخ توليد آنتروپي بي بعد شده) Sgen

C( بررسي شد .
از شبيه سازي هاي ترموديناميکي اين نتيجه به دست آمد که بازده محفظه رطوبت زدايي به شدت بر بازده کل سامانه اثرگذار بوده و اثر آن به مراتب بيشتر از بازده محفظه رطوبتزني ميباشد .افزون بر اين، در نسبت شدت جريانهاي پايين، نسبت خروجي به ازاي دماهاي پايين تر آب ورودي به محفظه رطوبت زدايي افزايش پيدا ميکند .
اين در حالي است که در نسبت شدت جريانهاي جرمي بالا بر خلاف نسبت شدت جريانهاي جرمي پايين ، دماهاي بالاتر آب ورودي به محفظه رطوبت زدايي منجر به نسبت خروجي بيشتري مي شوند.

واژههاي كليدي: تحليل ترموديناميکي، روش رطوبتزني و رطوبت زدايي، سيکل بسته هوا ـ باز آب، نمکزدايي آب، نرم افزار EES.

KEY WORDS: Thermodynamic analysis, Humidification-Dehumidification, Close air-open water cycle, Water desalination, Engineering Equation Solver (EES).
مقدمه
روش رطوبت زني و رطوبت زدايي يک روش کاربردي برراي ب دماي بالا ندارد ب شكل دلخواهي ميتواند از انريي خورشيدي توليد آب در مقياس هاي کوچک با کمک گرفتن از رطوبرت هروا استفاده کند ]1[.
ميباشد و بر دل يرل اينكر نيراز بر انرريي زير اد برراي رسريد پژوهشهاي گوناگوني در زمين بررسي سيكل بست هوا ر براز

+E-mail: [email protected] عهده دار مکاتبات *
99

شکل 1ـ شمای سيکل بسته هوا ـ باز آب با سيستم گرمايش آب.

آب همراه با سامان گرمايش آب صورت گرفت است .)الحلاج1( و
همكارا ]2[ در سال 1991 ميلادي با ساخت يک دستگاه آب شيرين کن ب روش رطوبت زني و رطوبت زدايي بر اساس سيكل بست هوا ر باز آب، ب اين نتيج رسيدند ک ميزا شدت جريا آب يک نقط بهين دارد ک بازده سامان در آ بيشين خواهد شد .
نارايا ) 2( و همكارا ]3[ در سال 2212 ميلادي، عملكرد ترموديناميكي سيكلهاي گوناگو رطوبتزني و رطوبت زدايي را مورد تحليل و بررسي قرار دادند .ميستر )ي3( و همكارا ]4[ در سال 2211 ميلادي، از روش برنام نويسي غيرخطي براي بهين سازي سيكل بست هوا ر باز آب براي ب دست آورد بيشترين نسبت خروجي)4( استفاده کردند .)سوفاري5( و همكارا ]5[ در سال 2229 ميلادي، روش رطوبتزني و رطوبتزدايي را مورد بررسي قرار دادند و با استفاده از مدلهاي رياضي عملكرد سامان را
بهين کردند .هاشمي فرد و آذين ]6[ در سال 2224 ميلادي يک دستگاه آب شيرين کن را در استا بوشهر بنا نهادند و با استفاده از موازن جرم و انريي يک مدل رياضي براي فرايند رطوبت زني و رطوبت زدايي هوا اراي کردند .ضامن و همكارا ]7[ در سال 2229 ميلادي، با اضاف نمود صفح هاي کلكتور خورشيدي ب سامان و با استفاده از مدل سازي رياضي هزين ها را بهين کردند. آنها هدف اصلي اين پژوهش را کاهش هزين آب توليدي توسط روش رطوبت زني و رطوبت زدايي معرفي کردند.
)4( Gained Output Ratio (GOR)
)5( Soufari

07
قرقاني و رحيم زاده ]1[ در سال 1315 خورشيدي، يک نمون آب شيرين کن خورشيدي بر اساس روش رطوبت زني و رطوبت زدايي و بر پاي سيكل بست هوا ر بازآب طراحي کرده و ساختند .شكوري و همكارا ]9[ در سال 2212 ميلادي قابليت ادغام يک سامان شيرين سازي آب و توربين گازي را در پالايشگاه نفت جزيره لاوا مورد بررسي قرار دادند. آنها از نرم افزار EES براي انجام شبي سازي استفاده کردند.
در پژوهش حاضر يكي از رايج ترين و پرکاربردترين سيكلهاي رطوبت زني و رطوبت زدايي )سيكل بست هوا ر باز آب همراه با سامان گرمايش آب( از لحاظ ترموديناميكي و ب کمک نرم افزار تجاري EES مورد تحليل قرار گرفت است. در ادام تأثير پارامترهاي حاکم بر مسئل مانند شدت جريا آب و هواي ورودي ب محفظ رطوبت زني، ضريبهاي اثر بخشي محفظ هاي رطوبت زني و رطوبت زدايي و دماي آب ورودي ب محفظ هاي رطوبت زني و رطوبت زدايي بر راندما سامان مورد بررسي قرار گرفت است.

بخش نظری
سيکل بسته هوا-باز آب همراه با سامانه گرمايش آب
در شكل 1 شمايي از سيكل بست هوا، باز آب با سامان گرمايش آب نشا داده شده است. در اين سيكل، آب شور با ورود ب بخش رطوبت زدايي ابتدا پيش گرم شده و سپس وارد منبع گرمايي ميشود. پس از آ با پاشيده شد بر روي هوا در بخش رطوبت زني، از سامان خارج ميشود. ولي در اين سيكل، هوا دائما بين دو بخش رطوبت زني و رطوبت زدايي در چرخش است و هيچ وقت از سامان خارج نميشود .در شكل 1، 1Ta, دماي هواي ورودي ب محفظ رطوبتزني، 2Ta, دماي هواي اشباع خروجي از محفظ رطوبت زني و ورودي ب محفظ رطوبت زدايي، 0Tw, دماي آب شور سرد ورودي ب سامان ، 1Tw, دماي آب پيش گرم شده خروجي از محفظ رطوبت زدايي و ورودي ب منبع گرمايي، 2Tw, دماي آب گرم خروجي از منبع گرمايي و ورودي ب محفظ رطوبتزني و 3Tw, نيز دماي آب شور خروجي از سامان ميباشد.

معادلههای حاکم و روند حل
مدل سازي واقعي رفتار هر يک از بخش هاي رطوبتزني و رطوبت زدايي ب دليل تلفات غير قابل کنترل و تعدد اجزاي
-14479-51235

)1( Al-Hallaj
)2( Narayan
)3( Mistry
ب کار رفت در اين بخشها ب تقريب غيرممكن است. در نتيج براي شبي سازي، بايد فرض هايي براي ساده سازي مسئل ب کار گرفت شود ک برخي از فرضي هاي صورت گرفت در اين مقال عبارتند از: )1( اتلاف گرمايي از تمامي اجزاي سامان ناچيز ميباشد .
)2( تمامي فرايندها در حالت پايا و مستقل از زما اتفاق ميافتند .
)3( هواي خروجي از محفظ رطوبت زني اشباع فرض ميشود .
)4( فشار داخل و خارج دستگاه يكسا و برابر فشار اتمسفر در نظر گرفت ميشود.
هر يک از دو محفظ رطوبت زني و رطوبت زدايي در نقش يک مبدل گرمايي عمل ميکنند ک ميتوا براي آنها ضريب اثر بخشي () تعريف کرد. محفظ رطوبت زني ب عنوا يک مبدل گرمايي تماس مستقيم و واحد رطوبت زدايي ب عنوا يک مبدل گرمايي تماس غير مستقيم عمل ميکنند .
397925-89347

 HHmax )1(
213365850

2857442240621

1213276483285

در معادل بالا H تغييرهاي آنتالپي سيال سرد يا گرم و Hmax نشانگر بيشين تعييرهاي آنتالپي است ک سيال ميتواند ب آ دست پيدا کند و تغيير آنتالپي )H( واقعي نيز ب ازاي تغيير دماي واقعي هوا رخ ميدهد .
براي تحليل بازده کل سامان بر اساس شدت جريا آب توليدي، از يک عدد بي بعد ب نام «نسبت خروجي کسب شده» استفاده شده است. اين عدد نسبت گرماي نها تبخير آب توليد شده ب کل انريي حرارتي ورودي ب سامان ميباشد ]12[.
613012-74454

1766523407829

)2( GOR  m hQpinfg در معادل بالا ،mp دبي آب شيرين توليدي سامان ، hfg گرماي نها تبخير آب و Qin گرماي ورودي ب سامان ميباشد .
اين گرما ميتواند توسط کلكتور خورشيدي و هر نوع منبع گرمايي ب آب يا هوا داده شود.

تحليل قانون اول ترموديناميک
01
-3060138111977

براي نوشتن معادل هاي ترموديناميكي مربوط ب محفظ رطوبتزني، اين محفظ ب صورت يک حجم کنترل در نظر گرفت شده است ک از يک سمت آ آب و از طرف ديگر مخلوط هوا و بخار آب وارد آ ميشوند.
محفظه رطوبت زني
معادل هاي بقاي جرم و انريي مربوط ب اين محفظ را ميتوا ب صورت زير نوشت.
776034475

mb mw m (a  a,2a,1) )3(
773954

)4( 1m hb b m hw w,2 m (ha a,2 h )a, در معادل بالا  نشا دهنده رطوبت مطلق مخلوط هوا و بخار آب ميباشد.

محفظه رطوبت زدايي
معادل هاي بقاي جرم و انريي مربوط ب محفظ رطوبت زدايي نيز با در نظر گرفتن اين محفظ ب عنوا يک حجم کنترل ب صورت زير نوشت ميشوند:
1169785944

mp m (a  a,i,da,o,d ) )5(
77642-18640

m hpp m (hww,o,d hw,i,d)m (haa,i,d ha,o,d ) )6(

منبع حرارتي
73622258211

براي شبي سازي منبع حرارتي، يک حجم کنترل در نظر گرفت ميشود ک آب از يک سمت آ آب با شدت جريا mw و دماي 1Tw, وارد شده و پس از حرارت ديدين ب مقدار Qin در اين محفظ ، با هما شدت جريا و دماي 2Tw, از آ خارج شده و وارد محفظ رطوبتزني ميشود.
72607-15668

Qi m (hww,i,h hw,o,d ) )7(

تحليل قانون دوم ترموديناميک
برخي از پژوهشگرا نظير نارايا و همكارا ]11[ معادل هاي قانو دوم ترموديناميک را براي مبدل گرما و جرم اراي کردهاند .بر اساس پژوهش کرينگتو و سا ]12[ توليد نرخ آنتروپي حجمي را ميتوا ب صورت مجموع س مولف انتقال حرارت ،انتقال جرم و ترکيب انتقال حرارت و جرم بيا کرد. در اين معادل اولين جمل مربوط ب انتقال حرارت ،جمل دوم مربوط ب ترکيب انتقال حرارت و جرم و جمل سوم مربوط ب انتقال جرم ميباشد .
1078314-91634

Sgen  Tk2   T2  M M c2A2RDB T  xA  )1(
2RDAB   xA 2 M M x x cA B A B
محفظه رطوبت زدايي
در اين بخش براي تحليل قانو دوم براي محفظ رطوبتزدايي ک ب صورت يک مبدل گرمايي عمل ميکند، اين محفظ ب صورت يک حجم کنترل در نظر گرفت ميشود ک از يک سوي آ سيال سرد وارد حجم کنترل شده و بعد از انتقال حرارت با سيال گرم )بدو انتقال جرم( از سوي ديگر خارج ميشود .
براي اين حجم کنترل، معادل هاي پايستگي جرم و انريي با شمارههاي )5( و) 6( آورده شده است و اما قانو دوم ترموديناميک براي اين حجم کنترل ب صورت زير است:
Sgen m sc  2,c s1,c m sh  1,h s2,h  )9(
185179-397188

m cc p,c ln TT21,c,c m chp,h ln T1,h,h 0 T2
ضريب اثربخشي مبدل حرارتي را ميتوا ب صورت نسبت انتقال گرمايي واقعي ب انتقال حرارت بيشين تعريف کرد ک در آ انتقال گرمايي بيشين ب ازاي بيشترين اختلاف دما ب وجود ميآيد.
212976-87335

)12(  QQmax )11( Qmax  mcp min T2,h T1,c  )12( HCR m cm chc p,cp,h  CChc بنابراين نرخ توليد آنتروپي در مبدل هاي حرارتي تماس غيرمستقيم بدو انتقال جرم )محفظ رطوبت زدايي( فقط تابعي از نسبت ظرفيت گرمايي )HCR(، ضريب اثر بخشي مبدل) ( و نسبت دماي سيال گرم خروجي و دماي سيال سرد ورودي
280693918796

. ميباشد )T T2,h1,c (

محفظه رطوبت زني
براي يک مبدل حرارتي جريا ناهمسو همراه با انتقال جرم )محفظ رطوبت زني( ميتوا از معادل هاي مربوط ب برج هاي خنک کن براي محاسب نرخ توليد آنتروپي استفاده کرد.
Sgen  mw cp,w ln TTw,b2  )13(
185134-520500

ma  21cp,v ln

TTa,b2 
127672978278

a    w  Psat,w,2 sfg,o 
m  21Rln Ptotal 
07

GOR

GOR

1 7 4 3 5
m. f (m. w/m. a)

شکل 7ـ نمودار اعتبار سنجي نتايج عددی مقاله حاضر در شرايط
.Tw,7 = 47°C و Tw,7 = 07°C

75887-36097

m cap,a ln TTa,a,21 ma1cp,v ln TTa,a,21 
Smix,out Smix,in
در معادل بالا ،2Psat,w, و sfg,o ب ترتير ب فشرار اشرباع آب وتغيير آنتروپي تبخير در دماي آب خروجي از محفظ رطوبت زنر ي )Tb ( ميباشند .

روند حل
براي پيش بيني عملكرد سامان رطوبت زني و رطوبت زدايي بايد معادل هاي حاکم بر مسئل ب صورت همزما حل شوند .
براي اين کار از نرم افزار EES استفاده شده ]13[ ک از معادل هاي
حالت دقيق براي مدل کرد ويژگيهاي آب و هواي مرطوب استفاده ميکند ]12[. مقال ها و پژوهش هاي بسياري وجود دارند ]3, 4, 9, 14-17[ ک از نرم افزار EES براي حل معادل هاي



قیمت: تومان

دسته بندی : شیمی و مهندسی شیمی

دیدگاهتان را بنویسید