شبیه سازی آب شیرین کن خورشیدی در فلوئنت

پیشرفت صنایع، افزایش جمعیت و کاهش منابع آبی، بشر را وادار به شیرین سازی آب دریاها نموده است. در سال­­‌هـای اخیـر تحقیقـات فراوانـی بــه منظــور توسعه­‌ی روش­‌ها و بهینــه­ سازی دستگاه ­های شیرین کننده‌­ی آب­‌های شور انجـام شده است. انسیس فلوئنت بسته‌ی نرم افزاری قدرتمندی برای شبیه‌سازی آب شیرین­‌کن­‌های خورشیدی می‌باشد. از توانایی‌­های نرم افزار انسیس فلوئنت برای بهبود عملکرد آب­ شیرین کن ­های خورشیدی و افزایش ظرفیت تولید آن­‌ها استفاده می­‌شود.

در آب شیرین­‌کن­‌های خورشیدی حرارت خورشید از سطح شیشه‌­ای بالای آب شیرین کن عبور کرده و به سطح آب موجود در کف دستگاه میرسد و این آب شور تبخیر می شود و  بخار حاصل به علت نیروهای بویانسی به طرف سطح بالای دستگاه حرکت کرده و در مجاورت سطح شیشه‌­ای، این بخار در اثر میعان به مایع تبدیل می شود و به سمت پایین حرکت می­کند و بعنوان آب شیرین از دستگاه خارج می شود.

به طور کلی با دو روش تقطیر و غشایی می­توان ﻧﻤﮏ و سایر مواد جامد موجود در آب شور را زدود و آب شیرین تولید کرد:

• شیرین‌­سازی آب به روش تقطیر:

ﺗﻘﻄﯿﺮ آب ﻣﺮﺳﻮم ﺗﺮﯾﻦ و ﺑﻬﺘﺮﯾﻦ روش ﺷﯿﺮﯾﻦﺳﺎزی آب درﯾﺎ اﺳﺖ و ﺳﻬﻢ ﺑﺰرﮔﯽ درﺻﻨﻌﺖ ﺷﯿﺮﯾﻦ ﮐﺮدن آب درﯾﺎ دارد. دراﯾﻦ ﻓﺮآﯾﻨﺪ از ﺗﺒﺨﯿﺮآب ﺷﻮر و ﭼﮕﺎﻟﺶ آن ﺑﻪ آب ﺧﺎﻟﺺ ﻣﯽرﺳﯿﻢ. ﻓﺮآﯾﻨﺪﻫﺎی ﺧﺎﻟﺺ ﺳﺎزی آب ﺑﻪ روش ﺗﻘﻄﯿﺮ ﻧﺴﺒﺖ ﺑﻪ ﻓﺮآﯾﻨﺪﻫﺎی ﻏﺸﺎﯾﯽ دارای ﮐﯿﻔﯿﺖ ﺑﺎﻻﺗﺮی اﺳﺖ. این روش هنگامی توجیه اقتصادی دارد که ﺑﺨﺎر ﺑﺎ اﻧﺮژی ﺣﺮارﺗﯽ ارزان (انرژی خورشید) قابل تولید باشد.

• شیرین­‌سازی آب به روش غشایی:

فرایندهای غشایی با استفاده از فرایندهای اسمز معکوس و غشای نیمه تراوا اقدام به جداسازی نمک از آب دریا می کنند. درﺣﺎل ﺣﺎﺿﺮ اﯾﻦ ﻓﺮآﯾﻨﺪ ﯾﮑﯽ از ﺷﯿﻮهﻫﺎی اﺻﻠﯽ ﺷﯿﺮﯾﻦﺳﺎزی آب ﻣﺤﺴﻮب ﻣﯽﺷﻮد. ﻓﺮآﯾﻨﺪﻫﺎی ﻏﺸﺎﯾﯽ ﺑﺮاﺳﺎس اﻧﺪازه ﮐﻮﭼﮑﺘﺮﯾﻦ ذره ﮐﻪ از ﻏﺸﺎ ﻋﺒﻮر ﻣﯽﮐﻨﺪ نامگذاری ﻣﯽﺷﻮﻧﺪ.

آب­ شیرین­ کن­‌ های خورشـیدی یا به لاتین Solar Desalination بـه دلیـل اسـتفاده از انـرژی پـاک خورشید و نداشتن هــیچ­گونــه آلــودگی، مــی­تواننــد بهترین جایگزین بـرای آب­ شـیرین­ کـن­ هـای متـداول باشـند.

به طور کلی سه رویکرد اصلی برای شبیه ­سازی­‌های آب­ شیرین­ کن ­های خورشیدی در نرم افزار انسیس فلوئنت وجود دارد:

شبیه­ سازی آب شیرین کن خورشیدی در فلوئنت با روش انتقال گونه (Species Transport):

در این روش مخلوط بخار و هوای موجود در سیستم با روش انتقال گونه مدل می­شود و در دامنه محاسباتی از ناحیه شامل آب شور صرف نظر شده و فقط سطح این آب بعنوان مرز پایینی  وارد محاسبات می شود و سطح بالایی نیز شیشه در نظر گرفته می شود. این روش نسبت به روش چند فازی زمان و هزینه محاسبات کم­تری دارد.

شبیه ­سازی آب شیرین کن خورشیدی با روش جریان­‌های چند فازی (Multiphase) در فلوئنت :

در این روش، شبیه سازی به صورت سه فاز آب، بخار آب و هوا انجام می‌شود و انتقال جرم از فاز مایع به بخار (فرآیند تبخیر) و از فاز بخار به مایع (فرآیند میعان) صورت می‌گیرد. این روش نسبت به روش انتقال گونه زمان و هزینه محاسبات بیشتر و در عوض دقت بالاتری دارد.

شبیه ­سازی آب شیرین کن با روش ترکیبی (Multiphase + Species Transport) در فلوئنت:

در این روش، شبیه سازی­ با استفاده‌ی همزمان هر دو مدل انتقال گونه و چند فازی انجام می­گیرد. این روش کاملترین روش برای شبیه سازی عددی آب شیرین­ کن­ های خورشیدی در نرم افزار انسیس فلوئنت است.

یکی از چالش­‌های اساسی برای شبیه­ سازی آب­ شیرین­ کن­ های خورشیدی، شبیه­ سازی پدیده­­‌های انتقال جرم تبخیر و میعان به صورت مدل چند فازی بوده و بهترین روش برای شبیه­ سازی پدیده‌­های میعان و تبخیر در نرم افزار انسیس فلوئنت استفاده از یو دی اف (UDF) برای تعریف سورس­‌های جرمی و حرارتی می­‌باشند که در فصل دوم دوره کدنویسی در فلوئنت به آموزش جامع این موضوع پرداخته شده است.