تحلیل عملکرد برج خنک کن در دستگاه تقطیر خورشیدی 2

در دستگاه تقطیر خورشیدی برای تقطیر و تصفیه آب از انرژی خورشیدی استفاده می شود. انواع عمده این نوع دستگاه مخروطی شکل و مانند جعبه یا چاله است. نوع جعبه ای این دستگاه پیچیده و انواع چاله ای آن نسبتا ساده است. در دستگاه های تقطیر خورشیدی، آب ناخالص وارد ظرف مخصوصی شده در آنجا نور خورشید از پلاستیک شفاف عبور می کند و آب را تبخیر می کند. بخار آب در بالای دستگاه متراکم شده و آب حاصل از اطراف به پائین می چکد و در آنجا جمع آوری و خارج می شود. سیستم پاستوریزه خورشیدی برای ضد عفونی کردن آب با قراردادن آب در دمای بالای ۶۰ درجه سانتیگراد برای مدت معینی از تابش و انرژی خورشیدی استفاده می شود. توسط انرژی خورشیدی، ضد عفونی آب روش دیگری برای گند زدائی کردن آب با استفاده از نور خورشید است. برای وضوح مسأله، ظرف شفاف پرشده سه چهارم آب به مدت بیست ثانیه به شدت تکان داده شود. درب آن بسته و در مقابل نور خورشید قرار می گیرد. با تکان دادن ظرف هوارسانی به آب صورت می گیرد و ضد عفونی می شود. با تابش انرژی خورشید به داخل ظرف اشعه یو وی - آ UV - A ) باعث می شود اکسیژن محلول به شدت از خود واکنش نشان دهد. این نوع واکنش اکسیژن از

تولید مثل میکروارگانیزم ها جلوگیری می نماید. ضمن گرم شدن ظرف حاوی آب، موجودات زنده مضر نیز به کمک حرارت نابود می شوند. در بهره گیری از انرژی زمین گرمایی، آب موجود در بسترهای زیرسطحی که به عنوان آب سردکننده در چگالنده تأسیساتی قابل استفاده است، در نواحی آب و هوایی خشک و نیمه خشک، به مقدار قابل توجهی داغ است و حتی می تواند به ۷۰ درجه سانتیگراد برسد. بنابراین افزودن برج های خنک کن در سیستم های نمک زدا می تواند برای مشکل میعان در سردسازی چگالنده ها یک راه حل اساسی باشد. به عبارت دیگر، برج های خنک کن با مواد فیلم فشرده کاربرد گسترده ای در گرفتن و محو بارهای حرارتی بزرگ و انتقال این حرارت به اتمسفر دارند و در فرایندهای متعدد صنعتی همچون واحدهای مولد نیرو، پالایشگاه ها و صنایع پتروشیمی و سیستم های تهویه مطبوع ظهور می یابند. در حقیقت، نوع خاصی از فیلم فشرده به کار رفته در برج خنک کن به آن دلیل که فرایندهای انتقال حرارت و جرم را بین آب و هوا کنترل می کند، نقش مهمی در عملیات واحد صنعتی ایفا می نماید. عملکرد برج خنک کن، عموما توسط نسبت ( KaV / L ) بیان می گردد که در هندبوک اشری[۱] گزارش شده است. این کسر را نسبت مشخصه برج یا تعداد واحدهای انتقال (NTU) می نامیم. در اینجا V acK وL، به ترتیب ضریب انتقال جرم، مساحت سطح بر واحد حجم برج، حجم و نرخ شارش جرمی آب می باشند.

 پژوهشگران متعددی روی این موضوع از طریق تحلیل نظری و تجربی فرآیندهای انتقال حرارت و جرم تحقیق کرده اند. بدکرا و همکاران [۲] به صورت تجربی بر روی عملکرد یک برج خنک کن مکانیکی جریان ناهمسو با بستر آکنه مطالعه کردند که در آن بستر از مواد فیلمی فشرده استفاده می شد. نتایج تحقیق آنان به صورت مشخصات برج، دمای آب خروجی و بهره سیستم به عنوان توابعی از کمیت نسبی جریان آب به هوا، LG ارائه گردید. آنها اگرچه هیچگونه رابطه ای را در کارشان پیشنهاد ندادند، نتیجه گرفتند که عملکرد برج همزمان با افزایش نسبت LG کاهش می یابد. میلوسلاولویک و هیکیلا [۳] یک اندازه گیری تجربی را بر روی دو برج خنک کن پایلوت - مقیاس به منظور تحلیل عملکرد مواد پرکننده متفاوت برج خنک کننده صورت دادند. آنها هفت نوع پرکننده فیلمی جریان ناهمسو را آزمایش کردند و داده های افت فشار را به داده هایی همچون ضریب انتقال حرارت حجمی با نرخهای جریان آب و هوا نسبت دادند. محققان مزبور مدلی تئوریک را برای یک برج خنک کن بر اساس معادلات انتقال حرارت و جرم و با استفاده از ضرائب انتقال حرارت اندازه گیری شده، استخراج کردند. همچنین، آنها با استفاده

از دینامیک سیالات محاسباتی، چندین پدیده ی فیزیکی مانند توزیع جریان مابین مواد پرکننده و جریان هوای خارجی اطراف برج خنک کن را مورد تحلیل قرار دادند.

 گوشاشی و میسندنه [۴] به صورت تجربی مشخصات افت فشار و انتقال جرم را در انواع متعددی از فیلم های فشرده راه راه شامل فیلم فشرده موجدار نرم و سخت در برج های خنک کن اتمسفری تحلیل نمودند. آزمایش ها در یک ناحیه آزمون مقطعی با جریان ناهمسو به ابعادm 15 /0mx15 / 0 و فیلم فشرده ای به ارتفاع6/1 متر انجام شده بود.از داده های تجربی آنها، رابطه ای مابین ضریب انتقال جرم فیلم فشرده و افت فشار پیشنهاد شد.

 از طرف دیگر، تحلیل ارائه شده توسط جابر و وب [۵] نشان می دهد که چگونه می توان تئوری طراحی مبدل حرارتی را در برج های خنک کن به کاربرد. این نویسندگان بیان داشته اند که تعاریف تأثیر پذیری ع و NTU در توافق خوبی با دستهای می باشند که برای طراحی مبدل حرارتی استفاده شدند و در تمام شرایط عملیاتی برج خنک کن قابل اعمال هستند.

 چندین مدل ریاضی دیگر برای نسبت دادن فرآیندهای انتقال حرارت و جرم که در برجهای خنک کن مرطوب رخ می دهند وجود دارد؛ نظیر مواردی که توسط خان و همکارانش [۶] و کلوپرز و کرو گر[7] بحث و پیشنهاد شدند.

 هدف اصلی این مقاله تحقیق در باب عملکرد حرارتی یک برج خنک کن مرطوب با جریان مخالف می باشد که با دو نوع از مواد فیلم فشرده پر شده است.

ضرائب انتقال

در یک برج خنک کن جریان مخالف، فرآیند شامل یک تماس مستقیم مابین یک فاز گاز (هوا) است که در حال حرکت به سمت بالا و یک فاز مایع (فیلم آب) می باشد که به سمت پایین جریان دارد.

انتقال حرارت و جرم به مکانیزم همرفتی بین هوا و فیلم آب رخ میدهد. جهت استخراج معادلات اولیه انتقال حرارت و جرم، رعایت فرضیاتی در دیدگاه کلان ضروری است [۳]. شایان ذکر است که تعیین ضرائب انتقال حرارت و جرم به کار رفته در این معادلات ساده شده، پیچیدگی های فراوانی در پی دارد. همچنین قابل توجه است که دانستن مقدار دقیق سطح موجود برای انتقالات حرارت و جرم دشوار است. چرا که این سطح از فیلم آب در حال سقوط تشکیل شده و به نوبه خود شامل سطح قطرات آب جدا از هم می باشد. مقدار انتقال حرارت و جرم شدیدا وابسته به نوع فیلم فشرده به کار رفته در برج خنک کن و نرخهای جریان آب و هوا می باشد. ضریب انتقال جرم غالبا به شکل زیر نمایش داده می شود [۱]: که C و n ثابتهای تجربی هستند و مختص طراحی یک برج ویژه می باشند. بهره برج به صورت زیر محاسبه می شود [۲] که و دماهای ورودی و آب هستند. دمای حباب مرطوب هوای ورودی است.

نتایج تجربی

 مقیاس پایلوت یک واحد خنک کن آب با سطح مقطع 9/0 *9/0 متر مربع و ارتفاع4/1 متر در نظر گرفته شود.

یک تصویر از برج خنک کن در شکل ۱ نشان داده شده است. برج به یک فن در پایین برج مجهز است تا بدینوسیله هوا را در میان بستر بدمد. نرخ جریان هوا در ترازهای مختلف با کمک یک مقطع هوای ورودی قابل تنظیم ثابت نگه داشته می شود. چندین نرخ جریان برابر با ۵۰۰، ۲۵۰،1500، ۱۰۰۰ و۲۰۰۰ متر مکعب بر ساعت نسبت داده شده است.

یک توزیع کننده آب قطره ای در بالای فیلم فشرده به کار می رود تاآب را با فرمت یکنواختی توزیع کند. شکل ۲، مشخصات چینش فیلم فشرده را نشان میدهد. ارتفاع این فیلم، که توسط ورق با ده صفحه می افتد، ۱۰ سانتیمتر می باشد. برج خنک کن مزبورشامل ۱۲ طبقه فیلم فشره به ترتیب مشروح ساخنه شده است.درآب به صورت پیوسته از طریق سطح این فیلم ها جریان یافته و در یک حوضچه آب جمع آوری می شود. سپس امکان گردش در برج خنک کن عملی می گردد.

علاوه بر این، برج خنک کن شامل یک مخزن حوضچه ای به ابعاد9/0*5/0*9/0 متر مکعب  است  که آن به خروجی  به درون آن وارد شده و سپس به سمت چگالنده می رود. بعد از آن به شبکه توزیع آب نزدیک شده تا توسط نازل ها به قطرات کوچک تبدیل شود.

 دمای هوای واب ورودی وخروجی و نرخ های جریان آب توسط هایگرومتر یک تجهیزه سنجش رطوبت هوا ( رطوبت سنج) جن کاه در بخشهای مختلف تقطیر کننده خورشید اندازه گرفته می شود. این متغییر های اندازه گیری شده امکان ارزیابی  ضرائب  انتقال حرارت و جرم در برج خنک کن را فراهم  می آورند.