تقطیر غشایی شکاف هوا (AGMD)، اعتبار سنجی عددی مقاله

توضیحات

شرح پروژه تقطیر غشایی شکاف هوا (AGMD)

در این پروژه، به شبیه سازی تقطیر غشایی شکافت هوا (AGMD) توسط نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) پرداخته ایم. این شبیه سازی بر اساس داده های مقاله مرجع “Numerical investigation of air gap membrane distillation (AGMD): Seeking optimal performance.” اعتبار سنجی شده است.

محفظه این سیستم های تقطیر غشایی از 4 قسمت مختلف شامل فضای عبور جریان آب شور به عنوان تغذیه آب سیستم، فضای عبور جریان آب سرد و فضای شکاف هوا و فضایی برای ممبران یا فیلترها تشکیل شده است.

این سیستم بین هوا و آب گرم نصب می شود. مکانیسم کار این سیستم های تقطیر غشایی به این صورت است که جریان آب نمک گرم از یک طرف وارد محفظه آن و آب سرد از طرف دیگر وارد محفظه آن می شود. در نهایت این بخارات برای عبور جریان آب سرد با سطح سرد فضا برخورد کرده و با از دست دادن حرارت خود تقطیر شده و به آب شیرین خالص تبدیل می شوند.

فرض بر این است که جریان آب در داخل مدل دارای رینولدز برابر با 100 است و در نتیجه، سرعت ورودی جریان آب نمک گرم، جریان هوا و جریان آب سرد دارای سرعت ورودی 0.1 متر بر ثانیه است. جهت جریان آب نمک از چپ به راست و جهت جریان هوا و آب سرد از راست به چپ است. با توجه به مکانیزم عملکردی این سیستم، گرما از فضای مربوط به جریان آب نمک گرم به قسمت غشایی مدل منتقل می شود و سپس همان مقدار گرما از قسمت ممبران برای جریان هوا به فضا منتقل می شود.

مدل حاضر با استفاده از نرم افزار ANSYS Design Modeler در 2 بعد ترسیم شده است. این هندسه مستطیل شکل است و از چهار قسمت فضای جریان آب نمک گرم، فضای جریان آب سرد، شکاف هوا و غشاء به عنوان یک محیط متخلخل تشکیل شده است. مش بندی با استفاده از نرم افزار ANSYS Meshing انجام شده است و نوع مش ساختاریافته  است. تعداد سلول های محاسباتی 344400 می باشد و از شبکه لایه مرزی نیز استفاده شده است.

روش های استفاده شده

به طوری که غشاء به صورت فیلتر و شکاف هوا در فضای بین این دو جریان قرار می گیرد، آب تغذیه شور با عبور از سطح مشترک خود با غشای مجاور، گرمای خود را به محیط غشاء می دهد و به بخار خالص داخل غشا تبدیل می شود. سپس این بخار از محیط متخلخل عبور کرده و با دمای بالای خود وارد هوای شکاف هوا می شود. همچنین دمای ورودی آب نمک برابر با 15/348 کلوین و دمای ورودی هوا و آب سرد برابر با 15/298 کلوین است.

در فضای داخلی قسمت غشایی مدل، بخار آب به عنوان یک سیال جاری تعریف می شود. از آنجایی که فضای غشا فیلتر است، از مدل محیط متخلخل استفاده می شود که از ماده ای به نام PVDF با ضریب تخلخل 0.85 ساخته شده است. از این رو، دیوار رابط بین جریان آب نمک داغ و غشاء به عنوان یک هیت سینک با مقداری معادل -62122.815 W/m3 (طبق روابط 7 تا 9 مقاله) و دیواره رابط بین غشاء و جریان هوا به صورت یک منبع حرارتی با مقدار +62122.815 W/m3 تعریف می شود.

در مقاله حاضر، از چندین ماده مختلف برای تعریف آب نمک، آب خالص، بخار آب، هوا و نوعی غشاء (PVFD) استفاده شده است که خواص آن شامل چگالی، ظرفیت گرمایی ویژه، هدایت حرارتی و ویسکوزیته است.

نتایج شبیه سازی تقطیر غشایی شکاف هوا

در پایان فرآیند حل، نتایج کار حاضر با نتایج موجود در مقاله مرجع مقایسه و اعتبارسنجی شد. نتایج نشان داد که این شبیه سازی توسط نمودار شکل 12-c مقاله (در حالت رینولدز برابر با 100 و دمای آب سطحی برابر با 75 درجه سانتیگراد) اعتبارد ارد. بدین منظور دمای فله سیال در گذر فضای جریان آب نمک و دمای دیواره بالایی فضای غشا در سه مقطع مختلف شامل 0.05 متر، 0.10 متر و 0.15 متر به دست آمد برای بدست آوردن دما از دستور REPORT استفاده شد و همچنین در سه قسمت مذکور کانتور ها و نقاط ایجاد شدند.

مقایسه نتایج کار حاضر با مقاله در جدول زیر نشان داده شده است.

همچنین در انتهای شبیه سازی، کانتور های دو بعدی دما، فشار و سرعت به دست آمد.