27727

مدلسازي و بهينه‌سازي سيستم غشايي براي برداشت آب

كارشناسي ارشد

تبديل انرژي - مهندسي مكانيك

1398

1401/07/09

دكتر سپهر صنايع

مكانيك

افزايش سريع جمعيت جهان و رشد اقتصادي منجر به كمبود جدي آب در بسياري از كشورها شده است. يكي از راه‌حل‌ها، برداشت آب از رطوبت هواي محيط است كه انرژي بسياري مصرف مي‌كند. يكي از تكنولوژي‌هاي موثر در كاهش انرژي مصرفي، استفاده از غشاء پليمري براي جداسازي بخار آب از هوا و سيس چگالش آن مي‌باشد. لذا در اين مقاله سيستمي پيشنهاد مي‌شود كه در مركز آن يك مدول فيبر توخالي و غشاء كامپوزيت پليمري PAN/PDMS قرار دارد و نيروي محركه سيستم از يك پمپ خلأ، يك چيلر و بازگشت بخشي از هواي كم رطوبت به مدول غشايي به عنوان هواي بازگشتي تشكيل مي‌شود. مدلسازي رياضي جديدي بر مبناي تغيير تراوش‌پذيري غشاء با فشار خلأ از روابط حاكم بر جداسازي غشايي بخار آب از هوا انجام شده است. نتايج پيش‌بيني‌شده توسط مدلسازي به خوبي با داده‌هاي تجربي ارائه شده توسط محققين ديگر سازگار است. اثرات نرخ جريان، دما و رطوبت هواي مرطوب ورودي، فشار پمپ خلأ و همچنين مساحت موثر غشاء بر عملكرد سيستم، بررسي شده است. نتايج مدلسازي نشان مي‌دهد كه با افزايش دما و رطوبت نسبي هواي ورودي و همچنين افزايش فشار پمپ خلأ، ميزان جذب رطوبت و درنتيجه نرخ توليد آب، افزايش مي‌يابد. همچنين، تاثير رطوبت نسبي هواي مرطوب ورودي بر نرخ توليد آب، كمتر از دما است. اما افزايش سرعت هواي مرطوب ورودي، ميزان تراوش جذب بخار آب توسط غشاء را كاهش مي‌دهد. در اين تحقيق همچينين براي اولين بار آناليز اقتصادي سيستم برداشت آب توسط غشاء، انجام شده و روابط هزينه براي تجهيزات مختص به اين سيستم و همچين هزينه مصرف انرژي مربوط به استفاده از پمپ خلأ، چيلر و كمپرسور هوا محاسبه گشته و در نهايت هزينه توليد هر كيلوگرم آب بدست آمده است. در انتها با بهينه‌سازي چندهدفه الگوريتم ژنتيك و تعريف نرخ توليد آب و هزينه ساليانه سيستم به عنوان دو تابع هدف، بهينه‌سازي كلي سيستم انجام گشته و مقدار بهينه پارامترهاي طراحي ارائه شده است. نتايج بهينه‌سازي نشان دادند سيستم پيشنهادي در حالت بهينه، نرخ توليد آب و بازده رطوبت‌زدايي به مراتب بيشتري را نسبت به سيستم‌هاي غشايي موجود دارد و از آنجايي كه در فشار خلأ پايين هم به خوبي كار مي‌كند مصرف انرژي را براي توليد آب كاهش مي‌دهد. در شرايط عملكرد بهينه، اين سيستم در هر ساعت 15.6 ليتر آب توليد مي‌كند و رطوبت زدايي سيستم برابر با 81% است. در حالت بهينه، اين سيستم ساليانه در حدود 17540 دلار هزينه دارد. با توجه به آناليز اقتصادي انجام شده، هزينه برداشت هر ليتر آب از اين سيستم برابر با 0.14 دلار خواهد بود.

1401/10/26

Modeling and optimization of membrane system for water harvesting

10/1/2023 12:00:00 AM

The rapid increase in world population and economic growth has led to serious water shortages in many countries. One of the solutions is to extract water from the humidity of the ambient air, which consumes a lot of energy. One of the effective technologies in reducing energy consumption is the use of polymeric membranes to separate water vapor from humid air and condensate it. In this thesis, a water harvesting system is proposed that has a hollow fiber module with a PAN/PDMS composite membrane as its center. the driving force of the system consists of a vacuum pump, a chiller, and a dry sweep air. A new mathematical model was established to describe the separation of water vapor from air using the governing relations. The results predicted by the model are in excellent agreement with the experimental data presented by other studies. The effects of feed air flow rate, temperature and humidity, vacuum pump pressure and effective membrane area on system performance have been investigated. The modeling results show that with the increase in temperature and relative humidity of the feed air, as well as the increase in the vacuum pressure, the water permeation rate increases, and as a result, the water production rate increases. Also, the effect of the relative humidity of the feed air on the water production rate is less than that of temperature. But increasing the feed air velocity reduces the amount of water vapor permeation through the membrane. In this work, for the first time, the economic analysis of the membrane water harvesting system has been done. the cost relations for the equipment specific to this system have been calculated and the production cost per kilogram of water has been obtained. Finally, with the help of genetic algorithm and defining water production rate and annual cost of the system as two objective functions, the overall optimization of the system has been done and the optimal value of the design parameters has been presented. Under optimal operating conditions, this system produces 15.6 kg of water per hour and costs about $17,540 annually. According to the economic analysis, the cost of producing one kilogram of water from this system will be equal to 0.14 dollars. In the optimal state, the water vapor removal rate of the system is equal to 81%.

غشاء الياف توخالي، , ،سيستم برداشت آب غشايي، , ،آناليز اقتصادي، , ،بهينه‌سازي با الگوريتم ژنتيك..

،Hollow fiber membrane , ،Membrane water harvesting system، , ،Economic analysis، , .Genetic algorithm optimization،

Pooya Rezvani

Sepehr Sanaye