شیرین سازی خورشیدی با تبخیر سطحی، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

شرح پروژه (شیرین سازی خورشیدی)

هدف از مسأله حاضر، شبیه سازی عددی فرایند شیرین سازی (desalination) خورشیدی به کمک تبخیر سطحی (surface evaporation) با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) است.

یک دستگاه خورشیدی (solar still) ساده در این شبیه سازی طراحی شده است که از صفحات شیشه‌ای شیب‌دار تشکیل شده است. پرتوهای خورشیدی از شیشه عبور می‌کنند و به سطح آب در داخل سیستم می‌رسند. گرم شدن سطح آب باعث تبخیر سطحی می‌شود.

بخار تولید شده، مواد خالص و ناخالصی است که در انتهای سیستم ته نشین شده است. این بخار خالص به سطح داخلی شیشه شیب‌دار برخورد کرده و با از دست دادن گرما باعث چگالش می‌شود. شیب استفاده شده برای شیشه‌ها باعث می‌شود که قطرات آب مقطر روی سطح شیشه بلغزد و به سمت خروجی سیستم هدایت شود.

هندسه مدل حاضر با استفاده از نرم افزار دیزاین مدلر (Design Modeler) به صورت سه بعدی مدل سازی شده است. سپس مدل با استفاده از نرم افزار انسیس مشینگ (ANSYS Meshing) مش بندی شده است. شبکه بندی مدل از نوع با سازمان (structured) بوده و تعداد 938174 سلول ایجاد شده است.

روش‌های استفاده شده

در این شبیه سازی از سه فاز مختلف استفاده شده است. در حالت اولیه، سیستم با هوا پر می‌شود و آب تا یک سطح مشخص است. پس از شروع فرآیند حل، آب به تدریج از سطح تبخیر شده و بخار ایجاد می‌کند. بنابراین، برای تعریف سه فاز به طور همزمان، استفاده از مدل چندفازی (Multiphase Model) ضروری است.

مدل حجم سیال (VOF (volume of fluid)) برای تعریف مدل چندفازی استفاده شده است. این مدل چندفازی می‌تواند فازهای مختلف را به طور کامل از یکدیگر جدا کند و مرز مشخصی را بین فازها نمایش دهد. همچنین از آنجایی که مرز جداسازی بین دو فاز دارای حالت گذار یا انتقال تدریجی لایه نیست، از گزینه تند (sharp) برای مرز مشترک بین فازها استفاده شده است.

مایع آب به عنوان فاز اولیه (primary phase) مدل و هوا و بخار آب به عنوان فازهای ثانویه (secondary phase) مدل تعریف می‌شوند. هنگامی که از مدل چندفازی استفاده می‌شود، پارامتری به نام کسر حجمی (volume fraction) برای فازهای ثانویه مدل ارائه می‌شود تا معادلات انتقال آنها را حل کند.

از آنجایی که یک تغییر فاز بین فازهای آب و بخار رخ می‌دهد، یک فرایند انتقال جرم (mass transfer) بین این دو فاز تعریف می‌شود. این انتقال جرم براساس مکانیزم تبخیر-چگالش (evaporation-condensation) تعریف شده است. این مکانیزم با فرآیند تغییر فاز بین مایع و بخار سروکار دارد.

یک تابع تعریف شده توسط کاربر (UDF) میزان نرخ تبخیر (آب به بخار) را تعریف می‌کند. معادله استفاده شده در این تابع معادل نرخ تبخیر سطحی است. ویژگی تبخیر سطحی این است که فقط در  سطح آب اتفاق می‌افتد و در دمای کمتر از دمای اشباع امکان‌پذیر است. این در حالی است که جوشش یک پدیده حجمی است و فقط در دمای اشباع اتفاق می‌افتد.

نتایج

پس از پایان فرایند حل، کانتورها (contour) دما، فشار و کسر حجمی (volume fraction) هر فاز آب، هوا و بخار به دست آمده است. نتایج به درستی نشان می‌دهد که آب با گذر زمان از سطح شروع به تبخیر می‌کند. به همین دلیل سطح آب به مرور زمان کاهش می‌یابد.

علاوه براین، نتایج نشان می‌دهد که تغییر فاز لزوماً در دمای اشباع رخ نمی‌دهد. بنابراین، می‌توان گفت که مکانیزم تغییر فاز براساس تعریف تابع UDF به درستی کار کرده است.