دراسة استقصائية في منظومة تحلية المياه بالطاقة الشمسية باستخدام مواد متغيرة الطور والانابيب الحرارية

رسالة ماجستير

اسم الباحث : يُمنى صباح حسين

اسم المشرف : حيدر جليل كامل ; احمد عبدالهادي أحمد

الكلمات المفتاحية :

الكلية : كلية الهندسة

الاختصاص : علوم الهندسة الكهربائية

سنة نشر البحث : 2022

تحميل الملف : اضغط هنا لتحميل البحث

المستخلص

تعتمد تكنولوجيا الطاقة الشمسية على الطاقة الشمسية النظيفة كمصدر للطاقة الحرارية لتسخين المياه المالحة. الطاقة الشمسية متوفرة ومتجددة وصديقة للبيئة. نظرًا لأن أنظمة تحلية المياه بالطاقة الشمسية تعتمد على كثافة الإشعاع الشمسي ، فإن إنتاجيتها منخفضة.لذلك يتم استخدام طرق فعالة إضافية لتسخين المياه المالحة وتخزين الطاقة الحرارية. و من الأجهزة التي تستخدم كمصدر إضافي للتسخين (مجمعات الطاقة الشمسية والمرايا) . لتخزين الحرارة ، يتم استخدام مواد متغييرة الطور لضمان استمرار عملية التقطير بعد غروب الشمس. تناولت الرسالة موضوع تصميم وتنفيذ نظام شمسي جديد بغطاء زجاجي خماسي الأوجه. حيث تبلغ مساحة الحوض (75 * 75) سم ، وارتفاعه (10) سم. كما تم استخدام خزان خارجي (75 * 75 * 25) لتخزين مواد تغيير الطور. والذي يعمل أيضًا كمكثف خارجي لتكثيف البخار المار من خلاله , ويتم توصيل الخزان الخارجي بغطاء التقطير من خلال أنبوب نحاسي معزول. كذلك يتم نقل الحرارة من مواد تغيير الطور إلى حوض التقطير عبر أنابيب حرارية تتكون من (70 أنبوبًا).

بالاضافة الى ذلك تم استخدام (PVP + PAA) كمادة جديدة لتغيير الطور بنسب خلط لم يتم استخدامها سابقًا ، وتم خلطها بالماء كسائل أساسي.

حيث تم إجراء العديد من التجارب العملية على النظام الجديد خلال الفترة (من نهاية شهر أكتوبر إلى بداية شهر نوفمبر) 2020.

أظهرت النتائج العملية تحسنًا في إنتاجية المقطر الشمسي ذو الشكل الجديد حيث أنه يوفر مساحة أكبر لتكثيف البخار. كما يسمح بدخول الأشعة الشمسية من جميع الاتجاهات لأطول فترة ممكنة خلال اليوم. حيث بلغ الإنتاج اليومي للمياه النقية لمنظومة التقطير الجديدة بدون مواد تغيير الطور ( 4.2) لتر في اليوم الواحد.

ساهمت مواد تغيير الطور الجديد في زيادة ساعات عمل المقطر (3-4) ساعات بعد غروب الشمس. عندما تمت إضافة (30جم PVP لكل 3 لتر من الماء) إلى المنظومة ، زاد الإنتاج اليومي بنسبة 45 % ليصل إلى 6.09 لتر/ يوم. عند استخدام (25 جم من PVP و 5 جم من PAA لكل 3 لتر من الماء) ارتفع حجم الإنتاج بنسبة 70٪ ليصل إلى (7.14) لتر/ يوم. كما نود ان نشير الى انه تم تحقيق أكبر كمية منتجة من المياه النقية عند خلط (20 جم PVP مع 10 جم PAA لكل 3 لتر من الماء) ، حيث وصل إلى (7.98) لتر/ يوم ، وبنسبة زيادة قدرها 90٪.

فيما يخص التحليل الرياضي العددي تم تصميم نموذج ثلاثي الأبعاد باستخدام برنامج SolidWorks 2021. وأجريت محاكاة للنظام باستخدام برنامج (Ansys 2021).

لوحظ وجود تقارب بين قيم درجة الحرارة العددية والتجريبية مع معدل تباين مابين (4 إلى 9) درجة مئوية . وكانت أعلى نسبة خطأ 7.4٪. ممايدل على أن السلوك الحراري للدراسات التجريبية والرقمية كان متقارب.

An Investigation of a Solar Desalination System with Phase Change Materials and Heat Pipes

Abstract

Solar energy is abundant, renewable and environmentally friendly. It is available in most parts of the world throughout the year. Since solar water desalination systems depend on the intensity of solar radiation, their productivity is low, still additional effective methods are used to heat saline water and store thermal energy. Solar collectors are devices , which used as another source for heating saltwater.Phase change materials are used to ensure that the distillation process continues after sunset.
In the present work, a new five-faceted glass-lid solar still has been designed and implemented. The basin area is (75 × 75) cm, and the height is (10) cm. An external tank (75×75×25) was used to store the phase change materials, and which is connected to the distillation lid through an insulated copper tube. Heat is transferred from the phase change materials to the distillation trough via heat pipes (70 tubes).
(Polyvinylpyrrolidone ,and Polyacrylic Acid) were used as a new phase change material in mixing ratio (30 g per 3 liters of water), and which were mixed with water as a base liquid.
Several practical experiments were conducted on the new system for the period from the end of October to the beginning of November 2020.
The practical results were showed an improvement in the distiller’s productivity with the new shape as it provides a larger space of condensation of steam. It also allows the entry of solar radiation from all directions for the longest possible period during the day. The new distillation system’s daily pure water production (without phase change materials) reached to 4.2 litres per day.
The new phase change materials is contributed to increasing the working hours of the distiller (3-4) hours after sunset. If only (PVP 30 gm per 3 liters of water) was added to the distillation system, daily output increased by 45 percent to obtaine to 6.09 liters/day. While added (25 gm of PVP and 5 gm of PAA per 3 liters of water), the production volume arrived to (7.14 liters per day) with an increase of 70%. The most significant daily yield was achieved during added (20 gm PVP with 10 gm PAA per 3 liters of water), and reached to 7.98 liters per day, with increasing close to 90% increase.
A three-dimensional model was designed through using the SolidWorks 2020 software. While, simulation of the system was carried out using the (Ansys 2021) software.
The numerical and experimental temperature values agreed with a maximum variation range of (4 to 9) oC. The highest percentage error was found as 7.4%. As a result, the thermal behavior of the experimental and numerical studies was close.