عنوان
پایان نامه:

شبیه‌سازی فرایند نمک‌زدایی پراکنش در نرم­افزار فلونت
گمبیت  و بهینه سازی با الگوریتم ژنتیک

 

چکیده

پروسه
آب‌شیرین‌کن‌های پراکنشی DDD که مورد برسی قرار گرفت که دران آب گرم تبدیل به یک جریان بخار می‌شود
و بخار برای ایجاد آب مقطر دوباره سرد می‌شود گرچه پروسه تولید آب کمی پیچیده است
ولی نشان داده شد که زمانی که سیستم انرژی گرمایی هدر دهد می‌تواند آب مقطر با
هزینه کم تولید کرد. این تحقیق مربوط به یک تجزیه و تحلیل گذرا از آب شیرین کن
پراکنشی  (DDD) ، که در آن انرژی نیروگاه برق به عنوان منبع انرژی  برای تقطیر آب
دریا استفاده شده است. این فرایند در
تبخیر آب دریا را به یک جریان هوای خشک با استفاده از یک محفظه اواپراتور ، و سپس
متراکم کردن بخار برای تولید آب شیرین است. یک
چارچوب نظری دقیقی را برای این انتقال حرارت و جرم گذرا در طول تبخیر و میعان در
این کار در نظر گرفته شده است . تجزیه
و تحلیل متکی بر معادلات بقاء یک بعدی، برای بسته شدن  معادلات مورد نیاز است. معادلات بقاء با استفاده از یک روش عددی تفاضل محدود
برای پیش بینی آب و هوا / مخلوط
بخار و درجه حرارت اواپراتور حل شده  وسپس  نسبت رطوبت در اواپراتور و کندانسور حل
شده است تا بتواند عملکرد آب‌شیرین‌کن‌های DDD را مدل کند این تحلیل مورداستفاده قرار گرفت تا  پارامتری عملکرد آب‌شیرین‌کن‌های
DDD را در یک رنج وسیع از شرایط
عملکردی مورد ارزیابی قرار دهد.  شرایط بهینه برای عملکرد آب‌شیرین‌کن‌های DDD در دمای بالای ۵۰ درجه سانتی‌گراد و دمای پایین ۲۵ درجه سانتی‌گراد
و یک جریان kg/m²-s 1.5 تا بتوان نسبت دبی جرمی آب به هوا در دفیوزر ۱ و
همچنین در چگالنده نسبت آب شیرین تولیدشده به هوا برابر به ۲ و عملیاتی شدن پروسه  در
این شرایط باعث تولید آب تازه باراندمان ۰٫۰۴۵ و نرخ مصرف توان الکتریکیkW-h/kg_fw 0.0023 خواهد شد

و درنهایت یک
تحلیل اقتصادی اضافه شد به پروسه حل تا آب تولیدی از گرمای ازدست‌رفته نیروگاه‌های
برق باشد و درنتیجه از این ترم می‌توان ای مقطر با هزینه‌های خیلی کم در دست رس
داشت

 

 

Table of Contents

۱-                    فصل
اول. ۶

۱-۱-           مقدمه. ۷

۱-۲-                                 سطح تقاضا آب شیرین. ۸

۱-۳-                             روش‌های نمک‌زدایی. ۹

۱-۳-۱-                فرآیند
M.S.F. 10

۱-۳-۲-                فرآیند
MED.. 12

۱-۳-۳-                                   روش
اسمز معکوس.. ۱۳

۱-۳-۴-                      الکترودیالیز (DE) 15

۱-۳-۵-                                             آب‌شیرین‌کن‌های
ترکیبی. ۱۶

۱-۳-۶-                        برسی روش پراکنش.. ۱۸

۱-۴-                بیان مسئله. ۲۰

۱-۵-                                  ضرورت و اهداف
تحقیق. ۲۱

۱-۶-                               ساختار
پایان‌نامه. ۲۲

۲-                    فصل دوم ۲۳

۲-۱-           مقدمه. ۲۴

۲-۲-                                         مروری
بر پژوهشهای گذشته. ۲۷

۲-۳-                                       روش پراکنش
در نیروگاه‌ها ۳۸

۲-۴-                               نوآوری پژوهش حاضر. ۳۹

۳-                    فصل سوم ۴۱

۳-۱-                         بیان مسئله. ۴۴

۳-۲-                                           معادلات
حاکم بر مسئله. ۴۵

۳-۲-۱-                       تبخیرکننده ۴۶

۳-۲-۲-                 چگالنده ۵۳

۳-۳-                             الگوريتم
ژنتيك.. ۶۳

۳-۳-۱-                                                             اصول
پايه و معرفي الگوريتم ژنتيك.. ۶۴

۳-۳-۲-                                        اجزاي
الگوريتم ژنتيك.. ۶۶

۳-۳-۳-                                                                                       تفاوت
الگوريتم ژنتيك با ساير روش‌های بهینه‌سازی.. ۷۲

۳-۳-۴-                                    کلیت
الگویم ژنتیک… ۷۳

۳-۴-                                                                                       بهینه‌سازی
آب‌شیرین‌کن با استفاده الگوریتم ژنتیک… ۷۳

۳-۴-۱-            تابع هدف.. ۷۳

۳-۴-۲-                         ارائه
الگوریتم ۷۷

۳-۵-                               روش حل
عددی.. ۷۷

۴-                    فصل چهار. ۸۰

۴-۱-بخش اول برسی
و اعتبار دهی به کار حاظر. ۸۱

۴-۲-بخش دوم بهینه سازی موردی ابشیرین کن های
پراکنشی  …………………………………………………………….. …………………………………………………………….. ۸۴

۴-۳-تحلیل اقتصادی
۹۴

۴-۳-۱-حالت اول
اب شیرین کن مستقل. ۹۷

۴-۳-۲-حالت دوم
اب شیرین کن به صورت ترکیبی با نیروگاه ۹۸

۵-                    فصل پنجم ۱۰۰

۵-۱-                     نتیجه گیری.. Error!
Bookmark not defined.

۵-۲-                پیشنهادات.. ۱۰۲

 

 

نماد
های اندیسی

سطح (m2)	A
سطح مقطع از بسته بندی (m2)	Ac
سطح مقطع از بسته بندی (m2)	a
شوری (ppm)	C
عامل غلظت	CF
گرمایی ویژه (kJ/kg or J/kg)	Cp
ضریب نفوذ مولکولی  (m2/s)	D
قطر  (m)	d
ارتفاع حجم دیفرانسیل (m)	dz
شار ورودی  هوا  (kg/m2-s)	G
شتاب گرانشی (m/s2)	g
ارتفاع اواپراتور و کندانسور (m)	H
آنتالپی (kJ/kg)	h
گرمای نهان تبخیر (kJ/kg)	hfg
ضریب انتقال جرم (m/s)	k
شار جرمی آب (kg/m2-s)	L
وزن مولکولی بخار (kg/kmol)	Mv
دبی جرمی (kg/s)	m&
فشار کل (Pa or kPa)	P
ثابت گاز جهانی  (kJ/kmol-K)	R
دما (oC or oK)	T
ضریب انتقال حرارت (W/m2-K)	U
هوا / سرعت بخار (m/s)	v
حجم کنترل (m3)	V
لزجت دینامیکی (kg/m-s)	μ
چگالی (kg/m3)	ρ
کشش سطحی مایع (N/m)	σL
نسبت رطوبت	ω
رطوبت نسبی	Ф
عدد ناسلت	NuL
عدد پرانتل	PrL
عدد شروود	ShL
عدد اشمیت	ScL
عدد فرود	Fr
تعداد وبر	We
عدد رینولدز	Re
حداکثر ورودی گرمای ویژه (kJ/kg)	qmax
زمان بدون بعد	t*
دمای مایع بعد	TL*
درجه حرارت هوا بعد	Ta*
فاصله	z
فاصله بدون بعد	z*
آنتالپی مایع بدون بعد	ηL
گرمای نهان بدون بعد	ηfg
نتالپی بخار بدون بعد	ηV
بهره وری تولید آب شیرین	ηfw

زیرنویس

 

 

 

 

 

۱-
فصل اول

 

مقدمه

 

 

۱-۱-
مقدمه

با توجه به افزایش سرسام‌آور جمعیت جهان، تقاضا برای
مصرف آب به‌طور چشم‌گیری افزایش‌یافته است، به‌طوری‌که تأمین آب شرب امروزه به یکی
از معضلات اصلی کشورها تبدیل‌شده است. آب به‌طور یکنواخت در سراسر کره زمین
پراکنده نیست. اگرچه سه‌چهارم کره زمین را آب تشکیل داده است، اما فقط درصد کوچکی
از آن آب شیرین و قابل‌استفاده است.

۷۹
درصد آب‌های زمین در اقیانوس‌ها و دریاها جای دارد. از ۳ درصد باقیمانده، حدود ۲
درصد به‌صورت یخچال‌ها و یا یخ‌های نواحی قطبی تجمع یافته است. مابقی عمدتاً به‌صورت
آب‌های زیرزمینی هستند که دسترسی به آن‌ها گاهی غیرممکن است.

دریاچه‌ها
و رودخانه‌ها، بزرگ‌ترین منابع آب آشامیدنی دنیا را تشکیل می‌دهند که کمتر از ۶۱/۶
درصد از کل آب‌های زمین را شامل می‌شوند.

تهیه آب سالم یکی از مشکلات اساسی در کشورهای درحال‌توسعه
و توسعه‌نیافته هست. مقادیر آب موجود در این کشورها به میزان آب دریاچه­ها و
رودخانه­ها بستگی داشته و آلودگی آن‌ها و حتی آب دریاها توسط پساب‌ها و فاضلاب‌های
صنعتی ازجمله مشکلات اساسی در تهیه آب سالم می­باشد. برآورد شده است که افزایش رشد
جمعیت در طی سال‌های ۲۰۰۰ تا ۲۰۲۰ در آفریقا حدود ۵۶%، در آسیا ۲۵%، در آمریکا ۱۱%
و در اروپا ۲% زیر صفر باشد. بدیهی است که یک افزایش قابل‌توجه در جمعیت جهان
اساساً بیشتر در کشورهای درحال‌توسعه، به‌خصوص آفریقا و آسیا، متمرکز خواهد شد که
سبب کمبود شدید آب خواهد شد. کمبود آب به یک چالش جهانی مهمی که با سرعت زیادی رو
به افزایش است مبدل شده و عامل آن را افزایش جمعیت و تغییرات جوی می­دانند. چالش‌های
آب جهان در قرن ۲۱، کمبود آب، عدم دسترسی، بدتر شدن کیفیت آب و صلح و امنیت جهان می­باشد.
برای مقابله با آن آگاهی تصمیم‌گیرندگان ملت، افزایش تخصیص منابع مالی و مدیریت آب
می­تواند راهگشا باشد. با توجه به محدود بودن آب شیرین و مصرف سرانه آن (به‌طور
متوسط حدود ۲۶۶ لیتر برای هر نفر در جامعه شهری و ۹۶ لیتر برای هر نفر در جامعه
روستایی)، افزایش جمعیت و پیشرفت فنّاوری و با روش‌های بی‌رویه و نامناسب در مصرف
و بهره‌برداری از آن، آب شیرین موجود برای جمعیت جهان کافی نیست. هم‌اکنون بالغ‌بر
۳ / ۱ جمعیت جهان در مناطقی سکونت دارند که به خاطر کمبود آب تحت‌فشار قرار دارند.

نزدیک به ۵/ ۱. میلیارد نفر به آب آشامیدنی تمیز دسترسی
ندارند و حدود ۱۶ کشور دنیا با مشکل کمبود آب مواجه هستند میزان جهانی مصرف آب از
مرز ۳۶٬۰۰۰٬۰۰۰ مترمکعب
در روز در سال ۲٬۶۶۶
به رقم ۱۲۶٬۰۰۰٬۰۰۰ مترمکعب
در روز تا سال ۲۶۱۵ افزایش می­یابد. در حدود سال ۱۷۷۶ خشک‌سالی در آفریقای شمالی
بخشی از هند و مکزیک، شمال چین، قسمت‌های زیادی از خاورمیانه، بخش‌هایی از غرب امریکا
و در قسمت‌های شمالی و مرکزی آسیا اتفاق افتاد. مواجه‌شدن با بحران کم‌آبی، باعث
اختلال در اقتصاد این کشورها شد و کاهش منابع آب آشامیدنی و سلامتی انسان‌ها را به
مخاطره انداخت.

در مواردی که آب شیرین در منطقه نیست یا به‌اندازه کافی
نباشد و آب‌های موجود آن منطقه هم آن‌قدر شور باشد که نشود از آن استفاده کرد و
حمل و یا انتقال آب شیرین از محله‌ای دیگر به آنجا اقتصادی نباشد، تنها راهی که
برای تأمین آب به نظر می‌رسد همان نمک‌زدایی یا شیرین کردن، آب‌های شور است. فرآیند
نمک‌زدایی از ذخایر عظیم آب دریاها و آب‌های شور به یک منبع مهم و جدید تولید آب شیرین
تبدیل‌شده است.

 

۱-۲-
سطح
تقاضا آب شیرین

امر حیاتی این است که ما نمی‌توانیم
وابسته به آب شیرین نباشیم. کم بود آب معمولاً توسط شاخص تنش آب بیان می‌شود که به‌صورت
مقدار میانگین آب تازه به نسبت منابع آب موجود دراز مودت تعریف می‌شود شکل ۱–۱ نقشه‌ای
را از شاخص تنش آب در سرتاسر جهان نشان می‌دهد همان‌طور که نشان داده‌شده است
بسیاری از نقاط دنیا نمانند آسیای میانه و شمال چین و مناطق شمالی آفریقا و مناطق
مرکزی و غربی آمریکا مناطقی هستند که دچار کمبود آب هستند
هر
چه کشور در معرض کمبود آب باشد شاخص تنش آب بزرگ‌تر خواهد بود.

مناطقی
که دارای آب تازه‌ی کمی هستند یا منابع آبی خود را از بین می‌برند دارای شاخص تنش
آب بزرگ‌تر از یک هستند. شیرین کردن آب به‌صورت حذف نمک از آب دریا به‌منظور تولید
آب تازه تعریف می‌شود. در دهه‌های
اخیر تمایل برای حرکت به‌سوی فنّاوری‌هایی که بتوانند منابع آبی جدیدی تولید کنند افزایش‌یافته
است تا بتواند نیازهای موجود به ۤ را برطرف کند.
شیرین
کردن آب به‌طورکلی نیاز به انرژی زیادی دارد.
از
هر فنّاوری که استفاده کنیم انرژی حیاتی خواهد بود و زمانی که در هرکدام کمبود
ایجاد شود بحران آغاز خواهد شد.

 

 

 

آب‌شیرین‌کن
به‌عنوان حذف نمک از آب دریا یا آب‌شور به تولید آب شیرین تعریف‌شده است. در چند
دهه گذشته، گرایش به سمت استفاده از فنّاوری‌های آب‌شیرین‌کن برای کاهش کمبود آب
است به‌منظور ایجاد منابع جدید آب شیرین برای پاسخگویی به نیازهای آب ضروری شدت یافته
است. آب‌شیرین‌کن به‌طورکلی نیاز به مقدار زیادی از انرژی است. انرژی برای تولید
آب شیرین با استفاده از هر فن‌آوری آب‌شیرین‌کن ضروری است و زمانی که کمبود هر یک
وجود دارد، بحران به وجود می‌آیند.

۱-۳-
روش‌های
نمک‌زدایی

فن‌آوری نمک‌زدایی می‌توان بر اساس ساز و جدایی خود را
به آب‌شیرین‌کن حرارتی و آب‌شیرین‌کن غشاء است. فن‌های آب‌شیرین‌کن اغلب اعمال
اسمز معکوس (RO[1])، تقطیر
به کمک چندمرحله انبساط ناگهانی
(MSF^[2])، تقطیر
چند مرحلهاي به همراه لوله افقی و فیلم نازك انبساط (MED^[3])، الکترودیالیز (ED^[4]) و پراکنشی (DDD^[5]). جدول ۱ طبقه بندی کلی از روش‌ها
آب‌شیرین‌کن که بیشتر مورداستفاده را نشان می‌دهد.

 

۱-۳-۱-
فرآیند M.S.F

فرآیند
MSF در داخل محفظه‌ای به نام گرم‌کن،
محلول آب‌شور دریا گرم می‌شود. این کار عمدتاً از طریق چگالیده شدن بخار روي تعداد
لوله موازي که در داخل محفظه عبور کرده و درعین‌حال آب دریا را گرم می‌کنند، انجام
می‌شود. آب گرم شده دریا سپس به داخل محفظه‌ای دیگري که مرحله تبخیرکننده (تبخیرکننده)
نامیده می‌شود، جریان یافته و در آنجا غشاء در حدی تنظیم می‌گردد که آب بلافاصله
به جوش می‌آید، تغذیه ناگهانی آب گرم به داخل اتاقک باعث به جوش آمدن سریع آن می‌گردد.
درواقع آب به‌صورت انفجاري یا فلاشینگ به بخار تبدیل می‌گردد این تبدیل به فشار کنترل‌شده
در این مرحله بستگی دارد، زیرا فرآیند جوشش تا زمانی ادامه می‌یابد که آبسرد شود.
مفهوم تقطیر آب به کمک ظرفی که تحت‌فشار کاهش داده‌شده، کار می‌کند یک ابداع جدید
نیست، بلکه بیش از یک قرن است که کاربرد دارد. در دهه ۱۹۵۰، دستگاهی که از یک سري
طبقات STAGE با شیب فزاینده فشارهاي اتمسفري پایین‌تر تشکیل می‌شد
ابداع گردید در این دستگاه، آب تغذیه می‌توانست از یک مرحله‌به‌مرحله دیگر راه‌یافته
به‌طور مکرر و بدون افزودن حرارت به حالت جوش برسد.

معمولاً یک مجموعه آب‌شیرین‌کن MSF می‌تواند ۴ تا ۴۰ مرحله داشته باشد. بخار تولیدشده از
طریق فرآیند فلاش پس از چگالیدن روي لوله‌های مبدل حرارتی که در طول هر مرحله تعبیه‌شده‌اند،
به آب شیرین تبدیل می‌گردد. لوله‌ها به‌وسیله آب تغذیه ورودي که به گرم‌کن آب‌شور می‌رود
خنک می‌شود. با این کار آب تغذیه به‌نوبه خود گرم می‌شود، به‌نحوی‌که مقدار انرژي
حرارتی موردنیاز در گرم‌کن
آب‌شور جهت افزایش دماي آب دریا کاهش می‌یابد. از دهه ۱۹۵۰ دستگاه‌های آب‌شیرین‌کن
MSF به‌طور تجاري ساخته شدند. این دستگاه‌ها عموماً به‌صورت
واحدهایی با حدود ۵۰۰۰۰ تا ۶۰۰۰۰ مترمکعب در روز ساخته می‌شود.MSF معمولاً با حداکثر دماي تغذیه ۹۰ تا ۱۲۰ درجه سانتی‌گراد
(پس از گرم کردن آب‌شور) عمل می‌کند. یکی از عواملی که بر روي راندمان حرارتی واحد
تأثیر دارد و اختلاف بین دما از گرم‌کن
آب‌شور تا چگالنده در انتهای سرد دستگاه است.

در دستگاه‌های MSF چند گذر،۵۰ تا ۷۵ درصد آب‌شور غلیظ شده از آخرین
مرحله به آب تغذیه ورودي مخلوط می‌شود و به‌واسطه این فرآیند بازیافت حرارتی
افزایش و مقدار مواد لازم براي تصفیه مقدماتی کاهش می‌یابد. متأسفانه این عمل به
سبب افزایش غلظت نمک در چرخه آب‌شور، میزان خوردگی و تشکیل رسوب را افزایش می‌دهد و به
همین دلیل کنترل رسوب باید با دقت بیشتري صورت گیرد.

افزایش تعداد مراحل فرآیند MSF بازده کلی در بخش بازیافت حرارت را افزایش می‌دهد و البته در آن
صورت هزینه سرمایه‌گذاری نیز افزایش خواهد یافت. در این روش از گرمای محسوس براي تولید گرمای نهان تبخیر در هر بخش استفاده می‌شود.

فرآیند MSF این روزها مهم‌ترین نقش را
در تقطیر آب
دریا دارد، ولی اخیراً فرآیند MED با تبخیرکننده‌ی اسپري فیلم نازك به‌جای نوع لوله‌های غوطه-ور به
همراه کمپرسور حرارتی یا مکانیکی بخار پیشرفت چشمگیري یافته است و باعث کاهش تشکیل
رسوب و بهبود عملکرد ترمودینامیکی شده است.

 

۱-۳-۲-     فرآیند MED

فرآیند MED مدت زیادي است
که در تقطیر صنعتی مورداستفاده قرارگرفته است. یکی از کاربردهای معمول این فرآیند،
تبخیر شیره از نیشکر در تولید نمک با
استفاده از پدیده تبخیر می‌باشند.
فرآیند تقطیر چندمرحله‌ای اولین فرآیندي است که براي تولید مقادیر قابل‌توجهی آب
شیرین از آب دریا و در مقیاس تجاري به‌کاررفته شده است. در ۲۵ سال گذشته این
فرآیند ازلحاظ فنی پیشرفته‌ای قابل‌توجهی داشته است. در حال حاضر ۵% ظرفیت تولید
آب شیرین در جهان به این به این روش اختصاص دارد. فرآیند این دستگاه آب‌شیرین‌کن برپایِ
سیستم نمک‌زدایی تقطیري به روش چندمرحله‌ای به همراه چرخش بخار است؛ مانند شکل ۱-۳
هر واحد آب‌شیرین‌کن از چندین افکت و یک چگالنده
تشکیل‌شده
است. افکت‌ها مبدل‌های پوسته -لوله‌ای با آرایش افقی است.

اساس کار واحدهاي MED بدین‌صورت است که ابتدا بخار خروجی از نیروگاه‌های
بخار و یا بخاري که به‌واسطه سوزاندن زغال‌سنگ و یا سوخت‌های فسیلی دیگر حاصل‌شده
است وارد اولین مرحله می‌شود. این بخار از دما و فشار پایینی برخوردار است و از آن
به‌عنوان بخار اولیه نام‌برده می‌شود. هنگامی‌که آب تغذیه به اولین مرحله وارد می‌شود،
بر روی لوله‌های تبخیرکننده که در آن‌ها بخار اولیه جریان دارد پاشیده شده و بدین
ترتیب بخشی از آب تغذیه تبخیر وارد مرحله دوم می‌گردد. از این بخار به‌عنوان بخار
ثانویه نام‌برده می‌شود. بخار اولیه درون لوله‌های تبخیرکننده نیز براثر از دست
دادن حرارت خود چگالش یافته و به درون به ویلر برگشت داده می‌شود. همچنین آب‌شور
موجود در مرحله اول به‌وسیله یک پمپ به مرحله دوم واردشده و بخار ثانویه نیز که از
تبخیر آب تغذیه حاصل‌شده بود در مرحله دوم با انتقال گرماي نهان خود به آب‌شور
چگالش یافته و بخشی از آب‌شور را تبخیر
می‌کند
و تمام فرآیند فوق به تعداد مراحلی که وجود دارد تکرار می‌گردد و بدین ترتیب بخار
چگالش یافته از مرحله دوم به بعد به‌عنوان آب شیرین جمع‌آوری‌شده و تصفیه نهایی (براي
رساندن PH آب به سطح قابل‌قبول) بر روی آن
صورت می‌گیرد.

حداقل تعداد مراحل طراحی‌شده
براي انجام یک فرآیند MED به دماي آب
تغذیه وابسته است. بدین ترتیب که هرچه دماي آب تغذیه بیشتر و اختلاف آن با دماي
جوش آب کمتر باشد تعداد مراحل انجام فرآیند هم می‌تواند کمتر شود افزایش تعداد
مراحل سبب می‌شود که نسبت آب شیرین تولیدي به بخار مصرفی آن بازده حرارتی طرح نیز
افزایش یابد. البته در صورت افزایش تعداد مراحل، هزینه‌های سرمایه‌گذاری اولیه نیز
باید افزایش پیدا کند.

۱-۳-۳-
روش اسمز معکوس

فرآیند غشایی به شیوه‌های فیزیکی براي جداسازي حلال از نمک‌های محلول
در آن با استفاده از غشاهای نیمه‌تراوا اطلاق می‌شود. این فرآیندها در سال‌های
اخیر پیشرفته‌ای زیادي داشته است. سابقه استفاده از غشا براي صاف کردن به اوایل
قرن بیستم بازمی‌گردد. در دهه سوم قرن بیستم غشاها براي جداسازي، خالص‌سازی و یا غلیظ
سازی محلول‌ها به‌ویژه سیال‌های حاوي میکرواورگانیزم‌ها مورداستفاده قرارگرفته. سیر
تکاملی این پدیده با انجام پژوهش‌ها بر روي ساخت انواع غشاها و شناخت فرآیند در طی
زمان به‌گونه‌ای ادامه یافت که در حال حاضر این فرآیند یکی از شیوه‌های اصلی شیرین سازي آب محسوب می‌شود. فرآیندهاي غشایی بر اساس اندازه کوچک‌ترین
ذره که تحت تأثیر نیروي فشاري از غشا عبور
می‌کند
به نامه‌ای زیر نامیده می‌شوند.

الف میکروفیلتراسیون
(Micro
filtration)

ب‌)
اولترافیلتراسیون (Ultra filtration)

 (Nano filtration) پ)
نانوفیلتراسیون

 (Reverse osmosis) ت) اسمزمعکوس

در یک فرآیند غشایی به‌طورمعمول
دو فاز به‌وسیله فاز سوم که غشا می‌باشد از یکدیگر جدا گردیده‌اند. غشا تعیین‌کننده
پدیده انتقال جرم است. هرکدام از دو فاز به‌صورت محلولی از جزءهاي مختلف است که
برخی از این جزءهاي عبوري مخفی و دیگر از این جزءها تهی می‌گردد. دو ویژگی اصلی در
انتقال که توسط غشاء اعمال می‌شود عبارت هستند از:

۱-نفوذپذیري یا تراوایی (permeability)

۲-انتخاب‌گری یا گزینش پذیري (ectivitysel)

تمام
موادي که به‌عنوان غشاء عمل می‌نماید داراي ویژگی عبور مواد مختلف به‌طور انتخابی
هستند.

غشاها داراي
عمر زیادي می‌باشند. عمر مفید غشاهاي اولترافیلتراسیون بیش از دو سال و عمر مفید
غشاهاي اسمز معکوس بیش از پنج سال گزارش‌شده‌اند.

شناخت پدیده
اسمز معکوس نیازمند شناسایی خاصیت اسمزي است. به‌طورکلی انتقال جرم از یک محیط به
محیط دیگر در اختلاف غلظت یا به عبارت بهتر در اثر اختلاف‌پتانسیل شیمیایی به وجود
می‌آید. به‌عنوان‌مثال ظرف آبی را در نظر بگیرید که یک قطعه بلور نمک طعام به درون
آن انداخته می‌شود. در بخشی از ظرف که بلور نمک وجود دارد غلظت نمک زیاد و غلظت آب
ناچیز است و در بخش دیگر ظرف غلظت نمک صفر غلظت آب بسیار زیاد است. در اثر اختلاف
غلظت مولکول‌های بلور نمک، نفوذ به بخش دیگر را که آب است آغاز می‌نماید و از سوي
دیگر مولکول‌های آب نیز به بخش بلور نمک نفوذ می‌کند. این عمل تا یکسان شدن غلظت
آب و نمک در دو بخش ادامه می‌یابد.

خاصیت اسمزي
به عبور یک حلال از بخش محلول رقیق به بخش محلول غلیظ از درون یک غشاء نیمه‌تراوا
گفته می‌شود. تئوري اسمز معکوس با یک مثال در زیر آمده است.

در شکل ۱ -۴ یک لوله در آب غوطه‌ور
شده است همان‌طور که می‌بینید سطح آب داخل لوله و بیرون آن برابر است. در شکل
میانی لوله دهانه غوطه‌ور را با یک غشاء نیمه‌تراوا می‌پوشانیم و داخل آن را آب‌شور
می‌ریزیم، پس از چند لحظه سطح آب داخل لوله به علت حرکت آب شیرین به سمت آب‌شور
براي ایجاد تعادل بالا می‌رود. این عمل را خاصیت اسمزي و ارتفاع آب داخل لوله را
برابر فشار اسمز می‌نامند.

در اسمز معکوس
با ایجاد فشار مصنوعی به سمت آب‌شور، جریان آب را (که در حالت طبیعی از سمت شیرین
به سمت شور است) معکوس می-کنیم به‌طوری‌که آب خالص از غشاء عبور کرده و نمک‌ها در
سمت دیگر می‌مانند.

 

۱-۳-۴-
 الکترودیالیز (DE)

فرآیند الکترودیالیز به‌صورت تجاري از اوایل دهه ۶۰ یعنی حدود ۱۰ سال
قبل از R O به بازار عرضه شد. طراحی و ساخت
سیستم الکترودیالیز راه مؤثری براي کاهش هزینه در فرآیند نمک‌زدایی آب‌های کم‌نمک
ابداع کرد و در این زمینه موفقیت فراوانی به دست آورد.

فرآیند
الکترودیالیز به اصول کلی زیر بستگی دارد:

-اکثر نمک‌های محلول در آب، به شکل
یون بوده و به‌صورت مثبت (کاتیون) یا منفی (آنیون) باردار می‌گردند.

– آنیون‌ها به‌وسیله بار الکتریکی
مخالف الکترود، جذب آنان می‌شود.

-غشاءها را می‌توان طوري ساخت که به‌صورت
انتخاب‌شده عبور آنیون‌ها یا کاتیون‌ها را امکان‌پذیر کنند.

 

اجزاء محلول شده یونی در یک
محلول نمکی مثل سدیم +، کلر -، کلسیم ++و کربنات – در آب توزیع
و بخش می‌گردند و به‌طور مؤثر بارهاي منفرد خود را خنثی می‌کنند. وقتی الکترودها
به یک منبع جریان مستقیم مثل باطري متصل می‌گردند، در داخل یک ظرف حاوي محلول آب‌نمک
قرارگرفته، جریان الکتریکی از میان محلول (الکترولیت) عبور می‌کند. در این حالت یون‌ها سعی می‌کنند به سمت الکترود با بار مخالف حرکت کنند. که
در شکل ۱-۵ نشان داده شده است

شکل ۱-۵ روش الکترودیالیز

۱-۳-۵-
 آب‌شیرین‌کن‌های ترکیبی

امروزه
ترکیب آب‌شیرین‌کن‌های حرارتی و مکانیکی خصوصاً در دستگاه‌های تولید هم‌زمان توان
و حرارت بسیار موردتوجه قرارگرفته است.

 

۱-۳-۵-۱-
آب‌شیرین‌کن
ترکیبی OR_FSM

این سیستم از
ترکیب آب‌شیرین‌کن MSF با RO ساخته‌شده است. این ترکیب باعث می‌شود که آب‌شیرین‌کن RO با TDS نسبی بیشتري کار می‌کند لذا تعویض ممبران آن دیرتر
اتفاق میافتد. چنانچه از این طریق عمر مفید ممبران از ۳ به ۵ سال افزایش پیدا کند
هزینه تعویض ممبران حدود ۴۰% کاهش می‌یابد. ویژگی اصلی این شیرین کن‌ها انعطاف‌پذیری
در عملکرد، مصرف انرژي مخصوص کمتر، هزینه احداث کمتر و کوپلینگ بهتر با نیروگاه‌های
حرارتی جهت تولید همزنان توان و آب شیرین است.

آب‌شور در ابتداي ورود به سیستم
به دو قسمت تقسیم می‌شود. سهمی وارد RO و مابقی
وارد MSF می‌شود. محصول به‌دست‌آمده از MSF داراي خلوص بیشتري (TDS بیشتر) است. این دو محصول طوري باهم ترکیب می‌شوند که آب شیرین
نهایی داراي TDS کمتر از ۵۰۰ باشد. (استاندارد
سازمان جهانی سلامت (W.H.O

۱-۳-۵-۲-
آب‌شیرین‌کن
ترکیبی NF-MSF

یک
روش مناسب دیگر براي پیش‌تصفیه آب دریا استفاده از نانو فیلترها (NF) است. مزایاي این روش کاهش و خارج کردن سختی‌های یونی ۲+So42،Mg2+،Ca و-۳Hco از آب تغذیه است که رسوب زدگی در سطوح انتقال حرارت آب‌شیرین‌کن
را کاهش می‌دهد. این موضوع باعث می‌شود که ماکزیمم دماي آب‌شور در آب‌شیرین‌کن‌های
حرارتی و به‌تبع آن نسبت عملکرد افزایش یابد.

آب
دریا پس از تصفیه وارد NF می‌شود. در
آنجا پس از دفع بسیاري از سختی‌ها یونی وارد آب‌شیرین‌کن حرارتی MSF می‌گردد.

نتایج نشان می‌دهد
که با این روش می‌توان ماکزیمم دماي آب‌شور را به ۱۳۰ درجه افزایش داد و زمان موردنیاز
جهت رسوب‌زدایی از سطوح انتقال حرارت آب‌شیرین‌کن به ۱۲۰۰ ساعت افزایش می‌یابد.

 

۱-۳-۵-۳-
آب‌شیرین‌کن
ترکیبی NF-RO-MSF

آب دریا پس از تصفیه وارد NF می‌شود. در آنجا پس از دفع بسیاري از سختی‌های یونی
وارد آب‌شیرین‌کن مکانیکی RO می‌شود.
آب‌شور غلیظ شده (پساب خروجی) از RO وارد آب‌شیرین‌کن حرارتی MSF می‌شود و درنهایت محصول خروجی از RO و MSF باهم ترکیب‌شده و آب شیرین با TDS موردنظر حاصل می‌گردد.

نتایج نشان می‌دهد که با این روش ماکزیمم دماي آب‌شور به
۱۳۰ درجه افزایش می‌یابد و زمان موردنیاز جهت رسوب‌زدایی از سطح
انتقال حرارت آب‌شیرین‌کن به ۹۷۶ ساعت افزایش می‌یابد.

۱-۳-۶-
برسی روش پراکنش

هرچند با توجه به روش‌های مختلف نمک‌زدایی ولی ما در این
پایان‌نامه می‌خواهیم از انرژی هدر رفت انرژی‌های اتلافی نیروگاه‌های برق استفاده
کنیم و با توجه به اینکه روش‌های بالا روش‌های قابل‌توجهی است ولی قیمت تمام‌شده آب
تولیدشده زیاد است که به گزارش سایت یوز تودی^[۶] ]۲[برگرفته از مقاله جیمز کلاستر[۷]]۳[نتایج کلی به‌صورت زیر ارائه شد

درروش
اسمز معکوس، پمپ‌های فشارقوی، آب‌نمک را از درون فیلترهای ریز عبور می‌دهند. این
فیلترها درواقع غشاهایی (ممبرین هایی) هستند که تنها به آب اجازه عبور داده و آلاینده‌ها
را جدا می‌نماید. در این روش هرچند که انرژی کمتری مصرف می‌شود مشکلاتی نظیر
انباشت مواد معدنی و انسداد فیلترها نیز وجود دارد. تهیه آب با استفاده از دو روش
مذکور، مقرون‌به‌صرفه نیست و انرژی زیادی مصرف می‌گردد مگر در مناطقی مانند
عربستان سعودی که منابع آب در دسترس اندک بوده و انرژی ارزان به دست می‌آید; ولی
درروش جدید کلاسنر و رنه می که
روش نمک‌زدایی پراکنش (DDD) نامیده
می‌شود از گرمای تلف‌شده نیروگاه‌های برق الکتریکی استفاده می‌گردد. در این روش،
آب‌شور توسط پمپ‌هایی از درون گرم‌کنی عبور داده‌شده و به بالاترین نقطه برج
پراکنش پاشیده می‌شود. سپس پمپ‌های
دیگری هوای گرم و خشک را از پایین برج به سمت بالا و در خلاف جهت جریان آب پمپاژ می‌کنند.
با برخورد آب در حال ریزش با هوای گرم، تبخیر صورت می‌گیرد و پمپ‌هایی، هوای اشباع‌شده
را به داخل دستگاه تقطیر رانده و درنهایت آب شیرین به دست می‌آید.

” جیمز کلاسنر پروفسور مهندسی مکانیک و هوافضا در
دانشگاه فلوریدا بر این باور است که این سیستم می‌تواند با بهره‌گیری از انرژی
گرمایی، آب خروجی سیستم خنک‌کننده نیروگاه‌ها را گرم کرده و انرژی تلف‌شده را برای
استفاده مهیا سازد. نیروگاه‌های حرارتی حدود ۳۹% آب مصرفی در آمریکا را استفاده می‌کنند.
برای تولید هر کیلووات ساعت الکتریسیته حدود ۲۵ گالن آب موردنیاز است؛ بنابراین مردم آمریکا به هنگام استفاده از چراغ‌های برق
و وسایل برقی به همان اندازه‌ی دوش گرفتن یا باغچه آب دادن، آب مصرف می‌کنند.

کلاستر[۸]
و می بر این نظرند که نخستین نمونه کارخانه DDD که
تقریباً روزانه ۵۰۰ گالن آب شیرین تولید می‌کند، با بهره‌گیری از گرمای تلف‌شده
حاصل از یک نیروگاه با میانگین ۱۰۰ مگاوات، می‌تواند ۵/۱ میلیون گالن آب شیرین در
روز تولید کند، به‌طوری‌که هزینه ۱۰۰۰ گالن آن حدود ۲ دلار و ۵۰ سنت است، درحالی‌که
این مقدار درروش تقطیر حدود ۱۰ دلار و درروش اسمز معکوس ۳ دلار است. اگرچه ایجاد
کارخانه‌های DDD برای تولید
بیش از ۵ میلیون گالن آب شیرین ظاهراً امری منطقی است اما کلاسنر بر این باور است
که طبق مطالعات و تحقیقات بازاریابی، کار کردن با تسهیلات کمتر برای ورود به
بازار، با موانع کمتری مواجه می‌شود. وی برآورد می‌کند که هزینه ساخت تولید
تاًسیساتی که بتواند ۱ میلیون گالن آب در روز تولید کند در حدود ۲ میلیون دلار
خواهد بود. نیروگاه‌ها می‌توانند کارخانه‌های DDD را در
کنار ایستگاه‌های برق خود بنا نمایند و از گرمای تلف‌شده آن برای تولید آب شیرین
بهره گیرند. وی می‌افزاید: صنایع دیگری نیز که گرمای اتلافی تولید کرده و مقدار
زیادی آب شیرین استفاده می‌کنند مانند تصفیه‌خانه‌ها، کارخانه‌های تولید کاغذ و خمیرکاغذ،
کارخانه‌های تولید مواد شیمیایی و مواد غذایی، می‌توانند بدین‌صورت عمل نمایند.
جیمز کلاسنر می‌گوید: برای جذب حداکثر گرما از آب‌خنک کننده، ضروری است که این
تاًسیسات در طراحی و ساخت نیروگاه لحاظ شود. درواقع این نیروگاه‌ها می‌توانند آب
شیرین تولیدی خود را به فروش رسانده و بدین ترتیب از سرمایه‌گذاری انجام شده سود
ببرند. کلاسنر بر این عقیده است که
برای استفاده از انرژی خورشیدی یا دیگر اشکال انرژی، باید کارخانه‌های کوچک‌تری که
در شهرهای کوچک و روستاها بسیار مفید واقع می‌شوند احداث نمود.

 

جدول
۱-۱. فن‌آوری آب‌شیرین‌کن رایج

 

۱-۴-
بیان
مسئله

 یک آب‌شیرین‌کن از نوع پراکنش^[۹] را
نشان می­دهد. اساس کار فرایند پراکنش به این صورت است که آب‌شور توسط پمپ‌هایی از
درون گرم‌کنی عبور داده‌شده و به بالاترین نقطه برج پراکنش پاشیده می‌شود. سپس پمپ‌های
دیگری هوای گرم و خشک را از پایین برج به سمت بالا و در خلاف جهت جریان آب پمپاژ می‌کنند.
با برخورد آب در حال ریزش با هوای گرم، تبخیر صورت می‌گیرد و درنتیجه هوای خشک
مرطوب و اشباع می‌شود. سپس پمپ‌هایی این هوای اشباع‌شده را به داخل دستگاه تقطیر
رانده تا رطوبت را از آن جدا و درنهایت آب شیرین تولید شود.

در این پایان­نامه، هدف شبیه‌سازی فرایند نمک‌زدایی
پراکنش در نرم­افزار فلونت گمبیت  شبی سازی کرده و در نهایت با الگوریتم ژنتیک در
متلب بهینه سازی می‌کنیم

 

 

۱-۵-
ضرورت
و اهداف تحقیق

بررسی‌ها نشان داده است که تاکنون تحقیقات مشابهی در رابطه با موضوع بهینه‌سازی اتلاف انرژی در تأسیسات پالایشگاهی با کمک الگوریتم فرا ابتکاری و با تأکید بر نمک‌زدایی از آب با استفاده از حرارت‌های هدر رفت از توربین‌ها، صورت نگرفته و لذا این پژوهش نوآور به‌حساب آمده است. با استفاده از الگوریتم‌های فرا ابتکاری نظیر الگوریتم ژنتیک، ) با توجه به ویژگی الگوریتمی آن در پیدا کردن مسیرهای میان‌بر با استفاده از خاصیت جهشی این الگوریتم به‌طوری‌که ممکن است طول مسیر و تعداد دفعات ردیابی مسیر بسیار کوتاه‌تر شود(فاکتورهایی مانند انتخاب بهترین حالت دسترسی به انرژی توربین‌ها، انتخاب زمان مناسب برای استفاده از انرژی، استفاده از حداکثر ظرفیت انرژی اتلاف شده در این الگوریتم رعایت شده و می‌توان به‌واسطه آن میزان کارایی انرژی در واحدهای پالایشگاهی به سطح قابل‌ملاحظه‌ای افزایش یابد.

۱-۶-
ساختار
پایان‌نامه

پایان‌نامه حاضر در پنج فصل تهیه و تدوین‌شده است که به‌صورت
مختصر به شرح آن پرداخته می‌شود:

فصل
اول: مقدمه و انواع روش­های نمک‌زدایی. فصل دوم: مطالعه برخی از پژوهش‌های مهم
گذشته و نوآوری پژوهش حاضر است فصل سوم: تعریف مسئله و معادلات حاکم بر مسئله است فصل
چهارم: روش حل عددی و اعتبارسنجی درنظر گرفته شده است فصل پنجم: نتایج و بررسی

 

 

 

 

 

 

 

 

۲-
فصل دوم

 

مروری بر پژوهش­های گذشته

 

 

۲-۱-
مقدمه

از
سال­ها پیش تحقیق و پژوهش بر روی نمک‌زدایی و روش­های مختلف آن وجود داشته است و به
دلیل اهمیت ویژه موضوع تحقیقات تاکنون ادامه داشته است که به برخی از آن­ها اشاره
می­شود.

۲-۲-
بازیاب
حرارت اتلافی بویلر نیروگاه حرارتی

در نیروگاه‌های حرارتی از قسمت بویلر حرارت زیادی
تلف می‌شود که به‌صورت گازهای خروجی از دودکش با دمای بالا و بدون استفاده وارد محیط‌زیست
می‌شود. در این قسمت به استفاده از این گازها برای آب‌شیرین‌کن پراکنشی پرداخته‌شده
است.

۲-۲-۱-
گازهای خروجی از دودکش  نیروگاه بخار

با توجه به
این موضوع که منبع تأمین حرارت در آب‌شیرین‌کن پراکنشی می‌تواند به‌صورت آب داغ،
بخار داغ با فشار مطلوب و امکان فرستادن مستقیم گازهای خروجی از دودکش نیروگاه‌های
بخار به داخل ژنراتور  آب‌شیرین‌کن پراکنشی به‌دلیل وجود مشکلاتی نظیر از بین بردن
لوله‌های ژنراتور و نشتی از احتمال کمی برخوردار است، در این پژوهش از داده‌های
پالایشگاه نیروگاه بخار اصفهان[۴] برای تولید آب داغ ورودی به ژنراتور استفاده شده
است. جدول (۲-۱) و جدول (۲-۲) به ترتیب درصدمولياجزايهوادرشرايط
(و) و درصد مولی اجزای گاز طبیعی بویلرها را نشان می‌دهند.

جدول ۲-۱٫ درصدمولياجزايهوادرشرايط ( و)

 

جدول ۲-۲٫ درصد مولی اجزای گاز طبیعی بویلرها

 

بالانس معادله‌ی سوخت در حالت شرایط هوای اضافی ۳۹%
و رطوبت نسبی ۶۰% به‌صورت زیر می‌باشد:[۲۹]

(۴۷٫۵%
CH4 +8.2% C2H6 + 8.6% C3H8 + 3.7% C4H10 +0.8% C5H12 + 28% H2 + 3.2% N2) + 2.933
(O2 + 3.7 N2 +0.09026 H2O) → ۱٫۰۸۵ CO2 + 2.323 H2O + 11.27 N2 +0.8784 O2

 

گاز‌های خروجی از دودکش با درصد مولی مشخص در
فراورده‌های معادله بالا ظاهر شده است. در ادامه طریقه‌ی استفاده از این گاز‌ها به
منظور استفاده در آب‌شیرین‌کن پراکنشی مورد بررسی
قرار گرفته است.

 

۲-۲-۲-
فرستادن مستقیم گاز خروجی از دودکش  به
داخل لوله‌های ژنراتور

فرستادن مستقیم گاز به داخل لوله‌های ژنراتوربنا به
دلایل زیر از امکان کمی برخوردار است:

۱) گازها حاوی مواد خطرناک و رسوب‌زا می‌باشندو
باعث نشتی لوله‌های ژنراتور می‌شوند.

۲) گازهای خروجی باید به‌صورت دائم و با دمای مد
نظر وارد لوله‌های ژنراتور شوند.

۳) نیاز به اطلاعات دقیق یک نیروگاه برای محاسبات
دقیق، طراحی‌ دستی یک مبدل و ساخت مبدل (با توجه به این موضوع که آیا ساخت مبدل
طراحی‌شده امکان‌پذیر هست یا نه) دارد.

 

۲-۲-۳-
فرستادن  گاز خروجی از دودکش  به داخل
مبدل حرارتی و تأمین آب داغ برای آب‌شیرین‌کن پراکنشی

یکی از راه‌های تأمین حرارت مورد نیاز برای آب‌شیرین‌کن
پراکنشی ، آب داغ می‌باشد. آب داغ ورودی به ژنراتور و خروجی از ژنراتور دارای دمای
مشخص [۵] می‌باشندو با توجه به معلوم بودن از تحلیل سیکل، مقدار دبی مورد نیاز آب داغ از رابطه‌ی زیربه‌دست
می‌آید:

 

تأمین آب داغ برای آب‌شیرین‌کن پراکنشی با توجه به
دمای بالای آب داغ ورودی به ژنراتور فشار بالا [۵] به‌علت هزینه‌ی زیاد بوجود آمده توسط گرم‌کن در سیستم طراحی‌شده
مقرون به صرفه نمی‌باشد.با توجه به شکل (۳-۳)
مسیر زیر برای تأمین آب داغ مورد نیاز برای ورود به آب‌شیرین‌کن پراکنشی طراحی شده
است:

 

 

همان‌طور که در شکل (۳-۳) مشاهده می‌شود در چرخه‌ی
اول گاز خروجی از دودکش نیروگاه بخار با دما، فشار و دبی مشخص وارد لوله و آب نیز
با دما، فشار و دبی معلوم وارد پوسته‌یمبدل حرارتی شده و تا دمایی که از تحلیل و
طراحی مبدل توسط نرم‌افزار ASPEN به‌دست می‌آید، گرم می‌شود. سپس از آن‌جا وارد گرم‌کن شده و به
دمای مد‌نظر برای وارد شدن به ژنراتور می‌رسد، آب داغ از ژنراتور با دمای مشخص
خارج شده و برای تأمین فشار از دست رفته، در طول مبدل حرارتی و ژنراتور وارد پمپ
می‌شود. آب داغ خروجی از پمپ در چرخه‌‌های بعدی وارد مبدل شده و با تبادل حرارت با
گاز،از مبدل با دمای معلومبیرون می‌آید. حال با عبور آب داغ از سنسور دمایی قبل
گرم‌کن، اگر دمای آب داغ برابر با دمای ورودی مدنظر به ژنراتور باشد گرم‌کن خاموش
و در غیر این‌صورت گرم‌کن روشن می‌شود و به دمای مد نظر می‌رساند.در ادامه به
معادلات حاکم بر مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله پرداخته می‌شود.

 

۲-۲-۴-
هزینه‌های مربوط به چرخه‌ی تأمین آب
داغ

برای تأمین آب داغ همان‌طور که ملزم به صرف هزینه‌هایی
هستیم، که در زیر به آن‌ها اشاره می‌شود.

الف) هزینه‌ی مربوط به مبدل: داده‌های مربوط به
طراحی مبدل را در نرم‌افزار HTFS+ Design SystemAspen وارد می‌کنیم و با توجه به رعایت
اصول طراحی مبدل، نرم‌افزار مبدل مد‌نظر را با قیمت مشخص به ما پیشنهاد می‌دهد.

ب) هزینه‌ی مربوط به گرم‌کن: برای محاسبه‌ی هزینه‌ی
گرم‌کن نیاز به داشتن اطلاعاتی شامل مقدار وات مصرفی در چرخه‌ی اول (برای گرم‌کردن
آب از یک دما تا دمای مطلوب برای ورود به ژنراتور)، زمان کار گرم‌کن در طی روز و
هزینه‌ی برق مصرفی، ضروری است. مقدار وات مصرفی برای یک گرم‌کن از معادله‌ی زیر
محاسبه می‌شود.

 

این مقدار در زمان کار گرم‌کن در طی یک روز بر حسب
ساعت ضرب شده و سپس برای محاسبه‌ی هزینه‌ی برق مصرفی در هزینه‌ی هر کیلو‌وات ساعت
برق صنعتی ضرب شده تا هزینه‌ی مربوط به گرم‌کن به‌دست آید.

ج) هزینه‌ی مربوط به پمپ: برای محاسبه‌ی هزینه‌ی
برق مصرفی توسط پمپ هم مشابه هزینه‌ی گرم‌کن عمل می‌کنیم،  مقدار وات مصرفی پمپ از
فرمول زیر محاسبه می‌شود:

۲-۲-۵-
 استراتژی تحلیل اقتصادی در پژوهش حاضر

در تحلیل اقتصادی به محاسبه‌ی هزینه‌ی آب‌شیرین‌کن
پراکنشی ، هزینه‌ی سالیانه‌ی تعمیرات و نگهداری، هزینه‌های مربوط به تآمین آب داغ
پرداخته شده است. با توجه به اینکه در آب‌شیرین‌کن پراکنشی مورد بررسی در تحقیق
حاضر تمام گرمای مورد نیاز برای ژنراتور آب‌شیرین‌کن پراکنشی از گازهای داغ قابل
تآمین می‌باشد.

 

 

۲-۳-
مروری
بر پژوهش­های گذشته

در سال ۲۰۰۶ لی[۱۰] و
همکاران فرایند نمک‌زدایی به روش پراکنش را مورد برسی قرار دادن که در آن آب گرم
در داخل یک جریان هوا با رطوبت کم، بخار می­شود و بخار در
چگالنده
برای تولید آب شیرین چگالیده می­شود. اگرچه فرایند پراکنشی که لی و همکاران ارائه
دادند دارای بازدهی تبدیل آب‌شور یه شیرین پایینی بود ولی آن­ها نشان دادند که این
روش می­تواند به تولید کم‌هزینه آب شیرین با استفاده از حرارت اتلافی منجر شود.
شکل شماتیک کار آن­ها در شکل
‏۲‑ نشان داده‌شده است. آن­ها عملکرد فرایند پراکنش در بازه گسترده­ای
از شرایط کاری را بررسی کردند و نتیجه گرفتند با اعمال شرایط کاری بهینه می­توان
به تولید راندمان آب شیرین ۰۳۵/۰ رسید ]۴. [

 

    در
سال ۲۰۰۸ نایت[۱۱]
و همکاران از روش نمک‌زدایی پراکنش برای تقطیر آب‌معدنی استفاده کردند. آن­ها از
گرمای اتلافی جریان آب برای نمک­زدایی استفاده کردند. آن­ها با استفاده از روش
عددی و آزمایشگاهی عملکرد برج نفوذ (تبخیرکننده) را به کمک گرمای اتلافی از جریان
آب بررسی کردند. شکل شماتیک کار آن­ها در شکل
‏۲‑۱ نشان داده‌شده است. آن­ها نتیجه گرفتند که فرایند تبخیر زمانی که آب‌وهوا
به‌عنوان ورودی برج نفوذ در نظر گرفته شوند بسیار ناکارآمد است]۷[.

 

 

 

 

 

 

۳-
فصل سوم

 

تعریف مساله معادلات حاکم بر مسئله

 

۳-۱-
مزایای
روش های عددی نسبت به سایر روش ها

معمولا سه روش زیر برای حل میدان های جریان به کار می
رود:

۱-    روش های آزمایشگاهی

۲-    روش های نظری

۳-    روش های عددی

روش
های عددی بر اساس اندازه گیری های  آزمایشگاهی ومعمولا بر اساس نظریه پی باکینگهام[۱۲]
استوار است]۲۰[. در این
روش با بی بعد سازی معادلات می توان به جای آزمایش بر روی یک مدل حقیقی با اندازه
گیری وشرایط خاص یک نمونه ی کوچکتر را آزمایش کرد وسپس با استفاده از قضیه ی پی
باکینگهام نتایج بدست آمده را به مدل اصلی تعمیم داد.

روش
های تحلیلی یا نظری بر مبنای حل معادلات حاکم در مکانیک سیالات و انتقال حرارت
ایجاد شده اند. در بیشتر موارد فرمول بندی قوانین پایه ی مکانیک سیالات و انتقال
حرارت به صورت معادلات دیفرانسیل پاره ای مرتبه دومی در می آیند که فقط دارای حل
دقیقی می باشند. چون معادلات حاکم در مکانیک سیالات مجموعه ای از معادلات
دیفرانسیل پاره ای غیر خطی وابسته را به وجود می آورند که با شرایط اولیه ومرزی
مختلف حل شوند ، بنابراین در بیشتر موارد حل تحلیلی معادلات مکانیک سیالات بسیار
محدود است و با اعمال شرایط مرزی این محدودیت ها بیشتر می شود ]۲۰[

 

۳-۲-
 اهداف اجرايی روش‌های CFD

ديناميک سيالات محاسباتی می‌تواند
مستقیمان به اهداف موردنیاز صنايع شيميايی کمک کند خصوصاً
کاربرد فن‌های محاسباتی می‌تواند سبب بهبود موارد زير شود]۲۰[

·  کوتاه
شدن
سیکل‌های
توسعه
محصول
– فرايند

· بهینه‌سازی
و کنترل
فرايندهای
موجود برای
بهبود
بازده
و
مصرف
انرژی

· طراحی
کارآمد
محصولات
و
فرایندهای
جديد

· بهبود
در
شرايط
سلامتی و ايمنی و زیست‌محیطی

از
مزایای CFD نسبت به سایر روش‌های آزمایشگاهی
می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

–
توانایی شبیه‌سازی و مدل‌سازی در شرایط
ویژه: به‌عنوان‌مثال بعضی از تحلیل‌ها که رسیدن به آن‌ها در شرایط آزمایشگاهی  بسیار خطرناک یا
مشکل‌ساز است می‌توان از طریق روش CFD آن را تحلیل نمود.

–
کم کردن زمان و هزینه هنگام طراحی
وسایل موردنیاز: هزینه‌ی انجام محاسبات CFD کمتر از هزینه انجام یک آزمایش وساطت آزمایش موردنیاز است .
همچنین در بسیاری از موارد شبیه‌سازی سرعت بیشتری نسبت به کار آزمایشگاهی دارد.

–
به دست آوردن اطلاعات کامل از سیستم
موردنظر :در بیان مسئله CFD  در هر نطقِ از جریان تمام پارامترهای موردنظر را می‌توان در نظر
گرفت ، اما درروش تجربی فقط در نقاط محدودی می‌توان اطلاعات
را به دست آورد]۲۲[

۳-۳-
روش‌های
حل  عددی

روش‌های حل عددی  CFDعبارت‌اند از:
تفاضل محدود[۱۳]، المان محدود[۱۴]،
حجم محدود[۱۵] و روش طیفی:

روش تفاضل محدود: در این
روش معادلات دیفرانسیل پاره‌ای در مکانیک سیالات و انتقال حرارت را به همان صورت
دیفرانسیلی در نظر گرفته و با استفاده از بسط تیلور این معادلات تقریب زده می‌شود
تا تبدیل به یک سری از معادلات جبری بنام معادلات تفاضل محدود شوند.

 روش المان محدود: در این روش معادلات دیفرانسیل پاره‌ای در مکانیک
سیالات و انتقال حرارت به‌صورت انتگرالی نوشته می‌شوند و برای تبدیل فرم انتگرالی
به فرم معادلاتی جبری از توابع پیوسته چندتکه‌ای هم‌جوار (خطی یا درجه دوم)  برای تقریب کمیت‌های مجهول
استفاده می‌گردد.

روش حجم محدود: درواقع
نوعی از روش المان محدود است که در آن روش تقریب این انتگرال‌ها با روش المان
محدود متفاوت است. این روش بیشتر برای سیالات و انتقال حرارت مناسب است. نرم‌افزار
فلوئنت از این روش پیروی  می‌کند]۲۳.[

روش طیفی: درروش طیفی
مجهولات با استفاده از سری‌های  منقطع فوریه و یا سری‌های چندجمله‌ای تقریب می‌زند. این تقریب‌ها محلی نیستند ولی
برای تمام ناحیه محاسباتی معتبرند ]۲۴.[

 

۳-۴-
بیان
مسئله

 شکل ‏۳-۱ یک آب‌شیرین‌کن
از نوع پراکنش را نشان می‌دهد. اساس کار فرایند پراکنش به این
صورت است که آب‌شور توسط پمپ‌هایی از درون گرم‌کنی عبور داده‌شده و به بالاترین
نقطه برج پراکنش پاشیده می‌شود. سپس پمپ‌های
دیگري هواي گرم و خشک را از پایین برج به سمت بالا و در خلاف جهت جریان آب پمپاژ می‌کنند. با برخورد آب در حال ریزش با هواي گرم، تبخیر صورت می‌گیرد
و درنتیجه هواي خشک مرطوب و اشباع می‌شود. سپس پمپ‌هایی
این هواي اشباع‌شده را به داخل دستگاه تقطیر رانده تا رطوبت را از آن جدا و درنهایت
آب شیرین تولید شود.

در این پایان‌نامه، هدف شبیه‌سازی فرایند نمک‌زدایی
پراکنش در نرم‌افزار فلونت گمبیت است  با ۱ ملیون نود محاسباتی در  در هندسه با
استقرا شبکه لازم دست میابیم. و پس از شبیه‌سازی به بهینه‌سازی فرایند با استفاده
از الگوریتم ژنتیک در نرم‌افزار متلب پرداخته می‌شود.  

 

 

۳-۵-
معادلات
حاکم بر مسئله در حل
عددی

فرایند تبخیر
در درجه اول به آب ورودی، دمای هوا، رطوبت هوای ورودی و نسبت
جرمی آب به هوا بستگی دارد. بقای انرژی به یک حجم کنترل دیفرانسیل
اعمال‌شده است و تبخیرکننده در شکل زیر نشان داده شده است. محفظه
جاذب به طور کامل خیس نشده است، سطوح مرطوب و غیر مرطوب برجسته هستند.

نسبت سطح
مرطوب به کل سطح بستگی به میزان ترشوندگی سیال و حرکت سیال درون بستر دارد.

 

شکل ۳–۱ جریان مخالف درون تبخیرکننده

۳-۵-۱-
تبخیرکننده

به منظور
استخراج معادلات حاکم بر عملکرد تبخیرکننده در حالت گذرا فرضیات زیر را در نظر می‌گیریم.

هیچ تلفاتی از
تبخیرکننده به محیط وجود ندارد، بخارآب و هوا به‌عنوان گاز کامل در نظر گرفته‌شده
است. شکل ۳–۲ حجم کنترل
دیفرانسیلی محفظه جاذب را نشان می‌دهد که آب به سمت پایین سرازیر و هوا به سمت
بالا حرکت می‌کند.

جهت مثبت Z رو به بالا در
نظر گرفته‌شده است. انتقال گرما
از مایع به هوا در مرز مایع – بخار
و از مایع به محفظه جاذب در مرز مایع – جامد در
ارتباط است.

دلیل حرکت
گرما و جرم در مرز مایع – بخار،
وجود دما و گرادیان مزدوج در مایع و مخلوط هوا– بخار
است، بنابراین گرمای نهان و محسوس از فیلم مایع به دلیل انتقال حرارت هدایت و در
مرز مایع – جامد جریان حرارتی به دلیل انتقال
حرارت جابجایی است.

 

معادله بقای
جرم برای فاز مایع به شکل زیر اعمال می‌شود.

(۳–۱)

 

در رابطه فوق  دبی جرمی مایع، بخشی در بخار مایع،  که در آن  چگالی مایع، کسر حجمی مایع و  سطح مقطع است. با توجه به رابطه  معادله ۳–۱
پس از ساده‌سازی به معادله زیر تبدیل خواهد شد

 

 

کسر حجمی مایع
وابسته به پیکربندی محفظه و خواص فیزیکی گاز و دبی جرمی مایع است. با ثابت
در نظر گرفتن خواص فیزیکی گاز و دبی جرمی، کسر حجمی تقریباً ثابت در نظر گرفته می‌شود
بنابراین معادله فوق به شکل زیر ساده می‌شود.

همچنین
با اعمال بقای جرم به گاز رابطه زیر را خواهیم داشت.

که
در آن و به ترتیب دبی جرمی هوا و بخار هستند و جرم هوا– بخار در داخل حجم کنترل است که به‌صورت می‌توان
نوشت. کسر حجمی
مخلوط با کسر حجمی مایع و محفظه جاذب را می‌توان به‌صورت بیان کرد. کسر حجمی مایع تقریباً ثابت است همچنین میزان کسر
حجمی هوا–بخار درون حجم
کنترل بسیار ناچیز و قابل صرف‌نظر است. با در نظر گرفتن رابطه زیر و ثابت
بودن معادله فوق را می‌توان ساده کرد.

 

در
رابطه فوق چگالی مخلوط به‌صورت زیر تعریف می‌شود.

در
رابطه فوق و به ترتیب چگالی هوا و بخار هستند و با توجه به ثابت
بودن چگالی بخار و هوا چگالی مخلوط به سمت صفر میل می‌کند؛ بنابراین معادله ۳–۶ به شکل زیر ساده می‌شود.

 

برای مخلوط
بخار، هوا– آب رابطه بین نسبت
رطوبت به رطوبت نسبی () به شکل زیر
تعریف می‌شود.

در
رابطه ۳–۹ Psat(Ta) فشار
اشباع آب در دمای هوا Ta) ) است. زمانی که نسبت رطوبت سنجیده شود فشار کلی سیستم
ثابت در نظر گرفته می‌شود. با
استفاده از تعریف ضریب انتقال جرم و استفاده از آن درون حجم کنترل سمت راست رابطه ۳–۸ به‌صورت زیر نوشته می‌شود.

 

در رابطه فوق KG ضریب انتقال
جرم و aw به‌عنوان
سطح مرطوب محفظه جاذب در واحد حجم فضای اشغال‌شده تعریف می‌شود. با اعمال قانون گاز کامل به بخار رابطه ۳–۱۰ به شکل زیر نوشته خواهد شد.

 

در رابطه فوق Ti، دمای سطحی مایع–بخار
است. با ترکیب معادلات ۳–۸، ۳–۹ و ۳–۱۱ گرادیان نسبت
رطوبت در تبخیرکننده به‌صورت زیر بیان می‌شود.

 

که در رابطه
فوق G شار
جرمی هوا است. رابطه فوق
همان رابطه موردنیاز برای حالت‌پایا است. با توجه به نداشتن ذخیره‌سازی در
مرز بخار مایع–آب خواهیم
داشت.

 

در رابطه فوق UL و UG به ترتیب ضریب
انتقال حرارت مایع و گاز تعریف می‌شوند و درجه حرارت سطحی به‌کاررفته در رابطه فوق
به‌صورت زیر بیان می‌شود.

 

با به‌کارگیری
معادله بقای انرژی در اطراف آب، درون حجم کنترل خواهیم داشتش

 

hL و hfg به ترتیب آنتالپی
آب و حرارت نهان هستند. معادله
۳–۱۵ به شکل زیر قابل ساده‌سازی است.

 

در معادله فوق‌ترم
اول تغییر آنتالپی مایع در جهت Z را نشان می‌دهد. ترم دوم انتقال حرارت از طریق
تبخیر، ترم سوم انتقال حرارت جابجایی در محفظه جاذب، ترم چهارم انتقال حرارت
جابجایی در مخلوط گاز–بخار و ترم
آخر تغییرات انتقال حرارت گذرا را نشان می‌دهد. ترم
اول معادله رابطه ۳–۱۶
را می‌توان به شکل زیر نوشت.

 

با جایگذاری
رابطه ۳–۱۷ در
۳–۱۶ رابطه ۳–۱۸
حاصل خواهد شد.

 

در رابطه فوق
تغییرات دما برحسب زمان به شکل زیر قابل‌بیان است.

 

در رابطه فوق L جریان جرمی آب
و CPL گرمای
ویژه آب است.

با اعمال
قانون بقای انرژی به مخلوط هوا– بخار
خواهیم داشت.

 

معادله فوق را
به شکل زیر می‌توان بازنویسی کرد.

(۳–۲۱)

 

ترم اول و ترم
آخر معادله ۳–۲۱
را می‌توان به شکل زیر بازنویسی کرد.

(۳–۲۲)

 

(۳–۲۳)

 

گرمای ویژه
مخلوط هوا– بخار را می‌توان
به شکل زیر نوشت.

(۳–۲۴)

 

همچنین گرمای
نهان تبخیر برابراست با hfg(Ta)=hv(Ta)-hL(Ta)

با به‌کارگیری
روابط فوق در معادله ۳–۲۱
خواهیم.

(۳–۲۵)

 

با صرف‌نظر
کردن از انتشار انرژی درون محفظه جاذب، معادله بقای انرژی برای محفظه جاذب به شکل
زیر نوشته می‌شود.

 

(۳–۲۶)

 

 

(۳–۲۷)

 

با حل معادله دیفرانسیل
فوق توزیع دما یکنواخت در ارتفاع تبخیرکننده به دست می‌آید.

۳-۵-۲-
چگالنده

تفاوت عمده
بین تبخیرکننده و چگالنده در جریان جرمی و حرارت از مخلوط بخار– مایع به فیلم مایع است. حجم کنترل دیفرانسیلی در فرایند
معیان مستقیم در شکل ۳–۳
نشان داده‌شده است.

 

با اعمال بقای
جرم فاز مایع درون حجم کنترل خواهیم داشت

 

با ترکیب
معادله ۳–۲۸
و ۳–۲۹ به رابطه ۳–۳۰ می‌رسیم.

 

به همین ترتیب
با اعمال معادله بقای جرم سمت گاز (مخلوط
هوا– بخار) و ساده‌سازی معادله بقای جرم به شکل زیر ساده می‌شود.

 

حال معادله
بقای انرژی را برای آب (۳–۳۲)، مخلوط هوا– بخار (۳–۳۳) و محفظه جاذب بسته اعمال (۳–۳۴) می‌کنیم. پس از عملیات ساده‌سازی معادله
بقای انرژی به شکل زیر نوشته می‌شود]۲۸[ ]۲۹.[

 

 

 

در طول فرایند میعان و فشار کلی ثابت نسبت رطوبت یک
است، نسبت رطوبت فقط به دمای محلی هوا بستگی دارد]۲۷.[

 

 

در رابطه فوق b,c,d عدد
ثابت هستند.

 b=0.0723669

C=2.78793×۱۰-۴

d= 6.76138×۱۰-۷

۳-۶-
حل
مدل در فلونت با تکیه بر دیدگاه‌های مدل‌های چند فازی

با توجه به سیالات موجود
در مخازن ونیز مواد تزریقی برای افزایش برداشت،
واضح است که یک جریان چند فازی به وجود می‌آید. فرایندهای به اجریان مای چند فازی
رژیم متفاوتی از جریان را بسته به شرایط عملیاتی و هندسه سیستم نشان می‌دهند.حتی جزئیات میکرو مدل در ابعاد چون طراحی محل ورودی
سیال تزریقی به مخزن می‌تواند اثر قابل‌توجهی بر ساختار جریان حاصله داشته باشد .
بنابراین بسیار ضروری است که برای طراحی مناسب، شناخت و فهم کافی از ابزار موردنظر
پیش‌بینی داشت تا نتایج شبیه‌سازی مناسبی از جریان چند فازی به دست آید]۲۵[ . دو رویکرد پایه‌ای برای مدل‌سازی جریان‌های چند فازی به نام دیدگاه
اولر[۱۶] ودیدگاه لاگرانژ[۱۷]
وجود دارد. در حالت اول چهار چوب اولر برای همه‌ی فازها (بدون محاسبه‌ی صریح لایه‌ی
مرزی بین دو فاز ) در حالت دوم چهارچوب اولر برای فاز پیوسته و چهارچوب لاگرانژ
برای همه‌ی فازهای پراکنده اعمال می‌شود]۲۵[.

۳-۶-۱-
دیدگاه لاگرانژ

در این روش تحلیل مسائل، بر اساس دیدگاه لاگرانژي بنانهاده شده است. این دیدگاه بر اساس تعقیب مسیر حرکت ذرات ماده هست. پس انتظار اینکه این روش قدرت بالایی در پیش‌بینی محل مرزهاي ماده و همچنین سرعت و جابجایی مواد داشته باشد، دور از منطق نیست. در حقیقت این روش ایدئال‌ترین روش براي به دست آوردن تاریخچه حرکت ماده در طول تحلیل است. براي استفاده از این روش محیط حل به‌صورت یک سري المان تقسیم‌بندی می‌شود. نقاط گره‌ای این المان‌ها به ماده متصل هستند و با تغییر شکل ماده تغییر مکان می‌دهند. به همین دلیل شکل هندسی المان‌ها در هنگام تحلیل دست‌خوش تغییر خواهد شد]۲۷[

روش لاگرانژي به دو صورت به‌روز رسان و ثابت فرمولی ته می‌شود. در هرکدام از این روش‌ها، دستگاه مختصات یا به‌روز می‌شود و یا در یک سیستم جهانی، ثابت خواهد بود. در مسائل دینامیکی که اغلب با تغییر فرم‌های بزرگ همراه است، در صورت استفاده از این روش باید دقت نمود؛زیرا با تغییر شکل بیش‌ازحد المان‌ها،اضلاع المان‌ها همدیگر را قطع می‌نمایند. بر این محدودیت باید تغییر و افزایش نسبت منظري المان را نیز افزود. این عامل باعث بی‌کیفیت شدن المان و پاسخ‌های بدون دقت و دور از واقعیت آن خواهد شد. ازاین‌رو همیشه در مسائلی که در آن‌ها ماده دچار تغییر فرم‌های بسیار بزرگ می‌شود، باید به طریقی بر این مشکل فائق آمد. به‌عنوان‌مثال استفاده از المان‌های بیشتر، یکی از راه‌حل‌های موجود است. البته باید خاطرنشان کرد که استفاده از این روش در مدل‌سازی جامدات بسیار گسترده هست؛ زیرا این دسته از مواد به دلیل ماهیت خود در بارگذاری‌ها،به نسبت دچار تغییر فرم کمتري خواهند شد]۲۸[.

۳-۷-
دیدگاه
اولر

این دیدگاه در مقابل دیدگاه لاگرانژي است؛ از دیدگاه اولري براي شبیه‌سازی حرکت ماده استفاده می‌شود. در
این
روش
ناظر
ساکن
بوده
و
ماده
از
کنار
آن
عبور
می‌کند. به عبارتی در این روش، شبکه‌بندی ماده در فضاي تحلیل ثابت بوده و این ماده است که در میان شبکه‌بندی اجازه عبور دارد. به
همین
دلیل
این
روش
محدودیت
روش
لاگرانژي
را
نداشته
و
در تغییر فرم‌های بسیار بزرگ به‌راحتی عمل می‌کند. این عامل باعث شده است که این روش در شبیه‌سازی حرکت سیالات به‌وفور مورداستفاده قرار گیرد. اکثر
فرمولاسیون
دینامیک سیالات محاسباتی بر مبناي این روش نوشته‌شده است. در این روش معادلات بقاي جرم ،تکانه و انرژي ارضا می‌شوند. درجات آزادي خروجی این روش، سرعت، فشار و دما هستند. جابجایی‌ها در این روش توسط انتگرال‌گیری از سرعت به دست می‌آیند. این
روش
به
خاطر ماهیت
ویژه
خود
در
پیش‌بینی
مرزهاي
ماده
دچار
ضعف
بزرگی
است؛به
همین
دلیل
اغلب براي
محاسبه
نیروها
و
فشارهاي
عمل‌کننده
بر
روي
سازه
مورداستفاده
قرار
می‌گیرد. از کاربردهای گسترده این روش، شبیه‌سازی مسائل برهم‌کنش سیال و سازه[۱۸] است]۲۹[

در نرم‌افزار
فلوئنت سه مدل چند فاز اولر مختلف وجود دارد: مدل حجمی سیال [۱۹]مدل مخلوط[۲۰]
و مدل اولر[۲۱]  هست.

۳-۷-۱-
مدل حجمی سیال

روش VOF بر این مبنا است که دو سیال در همدیگر هیچ نفوذی ندارد ولی دارای فعل‌وانفعال
باهم دیگر هستند. در این روش سطح مشترک فازها و تغییرات آن‌ها بازمان به‌دقت قابل‌بررسی
است. از دیگر مزایای روش این است که می‌تواند دو یا چند سیال غیرقابل امتزاج را با
حل یک مجموعه معادلات مدل نماید.در مدل حجمی مجموعه‌ای از معادلات به جریان‌ها اختصاص
داده می شود وکسر حجمی هریک از المان ها برای هر فاز بررسی می شود. از کاربردهای
این روش شامل حرکت حباب های بزرگ در فاز مایع و دنبال کردن پایا وناپایای هر سطح
مشترک گاز-مایع است. ورود در فضای خالی وجود ندارد ]۲۹[

۳-۷-۲-
مدل مخلوط

عمده‌ترین وسیله
بکار رفته در فرایند انتقال نفت و گاز خط لوله است. در مسیر حرکت سیال در لوله
اتفاقات گوناگونی روی می‌دهد که باعث به وجود آمدن مسائل ویژه‌ای در درون لوله می‌شود؛
اعم از ایجاد افت فشار ایجاد رژیم‌های حرکتی مختلف و به وجود آمدن جریان‌های حرکتی
گوناگونی که با توجه به خصوصیات سیال در حال حرکت می‌توان به آن‌ها دست‌یافت. مدل
مخلوط یک مدل چند فازی ساده است که می‌تواند برای مدل کردن جریان‌های چند فازی که
در آن‌ها فازها با سرعت مختلف حرکت می‌کنند موردبررسی قرار می‌گیرد. و همچنین این
روش برای مدل کردن جریان چند فازی جریان همگن مورداستفاده قرار می‌گیرد. این مدل می‌تواند
n فاز
را به‌وسیله حل معادله پیوستگی برای مدل مخلوط مدل نماید برای جریان‌های با تأثیرگذاری
کم و جریان‌های حبابی که جز حجمی گاز کم است و جریان مایع-مایع قابل‌استفاده است]۲۸[.این
مدل دارای محدودیت‌های زبر است:

–
برای جریان غیر گرانرو[۲۲] به کار نمی‌رود.

–
قابلیت شبیه‌سازی انجماد و ذوب را
ندارد.

–
این مدل به فازها اجاره‌ی نفوذ درون
یکدیگر را می‌دهد]۲۹[.

۳-۷-۳-
 مدل اولری

درروش اولری معادلات فاز پراکنده
همانند فاز سیال شبیه‌سازی می‌شوند.  در این مدل
معادلات حاکم بر جریان دو فاز در یک سیستم مختصات اویلری بیان می‌شوند و سپس
معادلات حاکم بر فاز پراکنده نظیر معادلات حاکم بر فاز سیال به‌طور مجزا
حل می‌شوند. فاز پراکنده به حجم کنترل‌هایی مجزا تقسیم‌شده که در هرکدام مقداری از
ذرات وجود دارند. سپس با استخراج معادلات انتگرالی جرم و ممنتم خطی و با احتساب
تمامی اثرات دینامیکی سیال پیوسته روی ذرات، فاز پراکنده نیز مانند فاز پیوسته حل
می‌گردد. این مدل دارای محدودیت‌های زیر است:

–
برای جریان غیر گرانرو به کار نمی‌رود.

–
قابلیت شبیه‌سازی انجماد و ذوب را
ندارد.

–
جریان
تناوبی با شدت‌جریان جرمی مشخص را نمی‌توان مدل کرد ]۲۸[.  

۳-۷-۴-
 انتخاب مدل چند فازی

اولین قدم در حل مسائل چند فازی انتخاب رژیم جریان است .به‌طورکلی
اگر رژیم جریانی که به بهترین نحو بیان‌گر سامانه‌ی چند فازی باشد، تعیین شود، می‌توان
مدل مناسبی برای مدل چند فازی  انتخاب کرد. برای جریان‌های چند فازی پیچیده که
شامل رژیم‌های جریان چندگانه است، می‌توان از جریانی که بخش عمده جریان را تشکیل می‌دهد
استفاده کرد و مدلی را انتخاب کرد که برای جریان مناسب‌تر باشد. اما درنهایت باید
دقت کرد که دقت نتایج به‌خوبی جریان‌هایی که تنها یک رژيم جریان دارند نیست ]۲۸[. در پژوهش حاضر سیال تزریقی  به
درون محیط متخلخل یک نوع نانو سیال است و از مدل مخلوط برای فرایند شبیه‌سازی
هیدرودینامیک فازها استفاده‌شده است. معادلات مربوط به پیوستگی،تکانه
و جز حجمی در مدل مخلوط چند فازی که توسط نرم‌افزار در هر تکرار حل می‌شود، در
ادامه توضیح داده می‌شود.

۳-۷-۵-
 معادلات حاکم بر سامانه

مدل مخلوط
معادلات پیوستگی، تکانه و انرژی را برای مخلوط فازها و معادله جزء حجمی را برای هر
یک از فازهای ثانویه حل می­کند [۳۰]. معادله
پیوستگی برای مخلوط به‌صورت زیر نوشته می­شود:

 

که،  سرعت متوسط جرمی است و به شکل زیر تعیین می­شود:

، چگالی مخلوط است و برابر است با:

    که، n، تعداد
فازها و ، جزء حجمی فاز k ام‌است.
معادله تکانه برای مخلوط به شکل زیر نوشته می­شود:

که، F، body
force یا نیروی وارده
از طرف میدان­های نیروی خارجی است. با توجه به اینکه میکرو مدل به‌صورت افقی در
نظر گرفته‌شده است، از نیروی گرانش صرف‌نظر شده است. فشار مخلوط از رابطه زیر
محاسبه می­شود:

و گرانروی مخلوط، ، برابر است با: 

، سرعت نفوذ فاز ثانویه kام‌است که از رابطه زیر به دست می­آید:

معادله جزء حجمی فاز ثانویه kآم از معادله
پیوستگی به‌صورت زیر حاصل می­شود:

معادلات (۳-۱)، (۳-۴) و (۳-۸)
با استفاده از روش حجم محدود برای میدان­های فشار، سرعت و جزء حجمی حل می‌شوند

۳-۸-
 ایجاد
شبکه توسط نرم‌افزار گمبیت

نرم‌افزار گمبیت می‌تواند در رشته‌های مختلف برای تولید
هندسه و شبکه بکار رود ،و از سری نرم‌افزارهای
رشته‌ی مهندسی
مکانیک که به‌طور
مستقیم در ارتباط با نرم‌افزار مشهور فلوئنت است. به‌طور
خلاصه می‌توان گفت که با استفاده از گمبیت ، تولید
هندسه و شبکه‌بندی انجام می‌گیرد و سپس در نرم‌افزار فلوئنت تحلیل‌ها
بر روی فایلی که از نرم‌افزار گمبیت حاصل‌شده
است، صورت می‌پذیرد. درواقع
فایل خروجی از گمبیت ورودی نرم‌افزار فلوئنت خواهد
بود.کاربرد عمده‌ی این نرم‌افزار این است،که می‌توان با آن شبکه‌هایی درست کرد که
توسط نرم‌افزار فلوئنت تحلیل شوند از مسائل انتقال حرارتی، تا تمامی مباحث
سیالاتی.مراحل کار در نرم‌افزار گمبیت به‌صورت زیر است:

۱-    تولید هندسه

–
با استفاده از امکانات نرم‌افزار

–
واردکردن هندسه از نرم‌افزارهای دیگر مانندCAD
 و تصحیح آن به کمک ابزارهای
تصحیح[۲۳]

۲-    ایجاد شبکه

–
با استفاده از ابزارهای تابع اندازه[۲۴]و
لایه‌های مرزی[۲۵]
می‌توان در برخی از نواحی که بیشتر مدنظر است، شبکه‌ی ریزتری را ایجاد نمود .بدون
استفاده از این ابزارها و به‌منظور تولید شبکه‌ی مناسب،با کل هندسه ایجادشده را
ریزتر نمود. این کار حجم محاسبات را بالابرده و باعث اتلاف زمان می‌شود.

–
شبکه کلی (سطوح و حجم‌ها)

۳-    بررسی صحت شبکه‌بندی

۴-    تعریف نواحی و شرایط مرزی

۵-    خروج شبکه از نرم‌افزار گمبیت برای خواندن آن در نرم‌افزاری
مانند فلوئنت

نرم‌افزار
گمبیت بر اساس کلید ماوس طراحی‌شده است.با استفاده از صفحه‌کلید و ماوس،کار در این
نرم‌افزار ساده‌تر است. عملکرد ماوس در گمبیت، در مورد منوها و پنجره‌ها فقط مربوط
به کلیدهای چپ و راست ماوس است و به صفحه‌کلید ارتباط ندارد. بعضی از عملکردهای
ماوس در گمبیت فقط با کلید سمت چپ است.کلید سمت راست فقط برای باز کردن پنجره‌ها و
منوهای اصلی است  ]۳۱[.

۳-۹-
الگوريتم
ژنتيك

الگوريتم ژنتيك بر پايه کروموزوم‌ها و تكامل طبيعي آن‌ها
بناشده است. در اين روش برخلاف
روش‌های تحليلي و سعي و خطا به‌جای كار كردن بر روي يك جواب بهينه بر روي چند
جـواب كـه آن را جمعيـت می‌نامند كار می‌شود. درنتیجه فضاي جواب مسئله به‌صورت
مؤثرتري جستجو می‌شود. در اين فصل به‌طور واضح به معرفي كلي الگوريتم ژنتيك به‌عنوان يك
روش حل مسـئله بـراي به دست آوردن جواب دقیق‌تر و تفاوت اين روش با روش‌های مورداستفاده
می‌پردازیم.

به‌طور خلاصه الگوريتم ژنتيك را می‌توان چنين توصيف كرد:

الگوريتم ژنتيك يك الگوريتم رياضي است كه در آن‌یک
مجموعه از اشياء رياضـي، كـه غالباً به‌صورت رشته‌هایی از كاراكترها با طول ثابت
هستند (كروموزوم) بر
پايه نظريه تكامل داروين، يعني بقاي نسـل برتـر (بقاي نسل برتر با توجه به عامل
سازگاري اولين بار در سال ۱۸۵۹
توسط داروين عنوان شد)، با اسـتفاده از اعمال مختلف
ژنتيكي، نسل جديد را ايجاد می‌کنند كه با توجه به معياري كه وجـود دارد، ميـانگين
برتـري

اعضاء در نسل جديد نسبت به نسل قبل بالاتر است. در ميان روش‌های
بهینه‌سازی الهام گرفته از طبيعت جاندار، الگوريتم ژنتيك از تكامل يافتن آن‌ها بـه
شـمار می‌رود. اصول اوليه الگوريتم ژنتيك توسط جان هلند از دانشگاه ميشيگان
آمريكا در سـال ۱۹۶۲ ارائـه شـد. براي
به‌کارگیری الگوريتم ژنتيك ابتدا پارامترهاي مسئله به‌صورت رشته‌های باينري كد می‌شوند. هر جواب با يك برازندگي متناظر است كه كيفيت جواب
را نسبت به ساير اعضاي جمعيت مشخص می‌نماید. هر
چه برازندگي جواب بيشتر باشد، بخت آن براي بقاء و تولیدمثل بيشتر و در نسل‌های
بعدي بيشتر ظاهر می‌شود. يك الگوريتم ساده از سه عملگر
انتخاب، جای‌جایی و جهش تشکیل‌شده است. هر
رشته از صفر و یک‌ها، صورتي كد شده از جواب مسئله‌ی بهینه‌سازی را تشكيل می‌دهد. الگوريتم ژنتيك با استفاده از عملگرهای جابجایی و
جهش، نسل بعدي را از نسل حاضر پديد می‌آورد. اين
چرخه تا جايي كه شرط توقف برآورده شود، ادامه می‌یابد.

تابع برازندگي: در حل تمامي مسائل بهینه‌سازی، تعيين يك معيار
بهينگي مناسب ضروري است. تابع هدف، يعني تابعي كه قرار است بهينه
شود، وسيله لازم براي ارزيابي هر رشته را فـراهم می‌آورد. ايـن
تابع به هر رشته مقداري عددي را تخصيص می‌دهد كه كيفيت آن را در مقايسه با ساير رشته‌ها
مشخص می‌کند. هر چه كيفيت رشته جواب بالاتر باشد، مقدار برازندگي جواب بيشتر
است.

انتخاب: انتخاب
روندي است كه در آن تک‌تک رشته‌ها متناسب با تابع برازندگي خود كپي می‌شوند ساده‌ترین
روش استفاده از چرخ رولت است، كه در آن هر رشته از جمعيت، متناسب با مقدار
برازندگي خود، قطاعي از چرخ را به خود اختصاص می‌دهد. با
هـر بـار چـرخش چـرخ موردنظر، كانديـدايي انتخاب می‌شود.

جابجايي: عمل جابجايي در دو مرحله انجام می‌شود: ابتدا اعضا به‌صورت تصادفي براي جفت‌گیری انتخاب می‌شوند،
سپس هر جفت رشته از محل تصادفي بریده‌شده و تکه‌های بعد از برش، با يكـديگر جابجا می‌شوند.

[۲۸] Y. Li, J.F. Klausner, R. Mei, J. Knight, Direct
Condensation in Packed Beds, Int. J. Heat and Mass Transfer, 49 (2006) 4751-4761.

[۲۹]
C.A.X. Marques, C.H. Fontes, M. Embirucu, R.A. Kalid, Efficiency control in a
commercial counter flow wet cooling tower, Energy Conversion and Management,
۵۰-۱۱ (۲۰۰۹) ۲۸۴۳-۲۸۵۵٫

[۳۰] X. Onda K., Takechi H., and Okumoto Y., Mass Transfer
Coefficients Between Gas and Liquid Phases In Packed Columns, J. Chem. Eng.
Jpn., 1 (1968) 56-62.

[۳۱]
Y. Li, J.F. Klausner, R. Mei, J. Knight, Direct Condensation in Packed Beds,
Int. J. Heat and Mass Transfer, 49 (2006) 4751-4761.

 [۳۲] ۱۹۹۱-۲۰۰۵ National Solar Radiation Database, http://rredc.nrel.gov/solar/old_data/nsrdb/1991-2005/

[۳۳] H.M. Ettouney, H.T. El-Dessouky
R.S. Faibish and P.J.
Gowin, Evaluating the economics of desalination, Chem. Eng. Prog., (2002) 32–۳۹٫

[۳۴] Survey
by the NUS Consulting Group, based on the municipal water price as of July 1, 2002 in U.S.

[۳۵] M. Ahmed, A. Arakel, D. Hoey, M.R. Thumarukudy, M.F.A.
Goosen, M. Al-Haddabi and A. Al-Belushi, Feasibility of salt production from
inland RO desalination plant reject brine: a case study, Desalination 158
(۲۰۰۳) ۱۰۹–۱۱۷٫

[۳۶] M. Ahmed, W.H. Shayya, D. Hoey and J. Al-Handaly,
Brine disposal from reverse osmosis plants in Oman and the United Arab Emirates.
Desalination 133 (2001) 135–۱۴۷٫

[۳۷] S. A, Kalogirou. Seawater desalination using renewable
energy sources (2005).

[۳۸] Concentrating Solar Power Resource Maps, national
renewable energy laboratory, http://www.nrel.gov/gis/images/map_csp_us_10km_annual_feb2009.jpg

[۳۹] M. Farid, A. Al-Hajaj, Solar desalination with a
humidification-dehumidification cycle, Desalination, 106 (1995) 427-429.

[۴۰] N. Nawayseh, M. Farid, A. Omar, S. Al-Hallaj, A.
Tamimi, A simulation study to improve the performance of a solar
humidification-dehumidification desalination unit constructed in Jordan,
Desalination, 109 (1997) 277-284. 143

[۴۱] S. Al-Hallaj, M.M. Farid, A.R. Tamimi, , Solar
Desalination with A Humidification- Dehumidification Cycle: Performance of the
Unit, Desalination, 120-3 (1998) 273-280.

[۴۲] H. Muller-Holst, M. Engelhardt, W. Scholkopf,
Small-Scale Thermal Seawater Desalination Simulation and Optimization of System
Design, Desalination 122-3 (1999) 255-262.

[۴۳] Y. J. Dai, H. F. Zhang, Experimental investigation of
a solar desalination unit with humidification and dehumidification,
Desalination, 130 (2000) 169-175.

[۴۴] J. Orfi, M. Laplante, H. Marmouch, N. Galanis, B.
Benhamou, S. Ben Nasrallah and C.T. Nguyen, Experimental and theoretical study
of a humidification-dehumidification water desalination system using solar
energy, Desalination, 168 (2004) 151-159.

[۴۵] Sandeep Parekh, M. M. Farid, J. R. Selman, Said
Al-hallaj Solar desalination with a humidification-dehumidification technique —
a comprehensive technical review, Desalination, 160 (2004) 167-186.

[۴۶] J.F. Klausner, Y. Li, M. Darwish, R. Mei, Innovative
Diffusion Driven Desalination Process, J. of Energy Resources Tech, 126-3
(۲۰۰۴) ۲۱۹-۲۲۵٫