تصميم وحدة تحلية تشتغل بالطاقات المتجددة وبالتحكم الديناميكي الحراري على الشواطئ الليبية

تصميم وحدة تحلية تشتغل بالطاقات المتجددة وبالتحكم الديناميكي الحراري على الشواطئ الليبية

Design of a Desalination unit, operates by renewable energies and

under  thermodynamic control,  on the Libyan shores.

 

 

د.عبدالله محمد الكلش	أ.فاطمة مولود الواعر
قسم الفيزياء / كلية العلوم / جامعة طرابلس	قسم الفيزياء / كلية العلوم / جامعة الزاوية

 

المستخلص :

 لا تزال قضية نقص مياه الشرب مستمرة عالمياً، حيث أن دول عديدة تعاني من الجفاف، وعلى أية حال فإن استخدام الطاقات البديلة المتاحة حديثاً قد جلب الضوء من جديد لهذه القضية. لذلك في هذه الدراسة صممت وحدة تحلية تعمل بالطاقات البديلة وتحث التحكم الديناميكي الحراري على الشواطئ الليبية وتحديداً في "منطقة مدينة سرت".

صممت وحدة التحلية هذه لملائمة وضيفتها، على شكل هرم مساحة قاعدته المستطيلة 1000m2 وبارتفاع 16m. طلي الحوض السفلي للوحدة باللون الأسود الذي يحتوي أيضاً على شبكة أنابيب للتسخين الكهروحراري. ولاستثمار استخدام الطاقة البديلة فقد أضيف للتصميم نظام تسخين شمسي لمياه البحر القادمة للوحدة من خلال مركزات اسطوانية. تبثث بالوحدة 9 مراوح تدار إما كهربياً أو باستخدام طاقة الرياح بحيث تسرع من عملية التكثيف، أيضاً تحتوي الوحدة على 6 مضخات لتعديل الضغط داخلها. 

تتميز منطقة الدراسة بوفرة مصادر الطاقة البديلة وهي: الطاقة الشمسية (بشدة إشعاع كلي 6.93 kw.h/m².day) وطاقة الرياح (بمتوسط سرعة رياح 4 m/s) وطاقة الأمواج البحرية (بمتوسط ارتفاع موجي 1m). لقد تم حساب الظروف التشغيلية للوحدة باستخدام قوانين الديناميكا الحرارية، وقد وجد أن مدى الضغط يجب أن يكون atm (0.7– 0.88) و درجة الحرارة المناظرة لذلك في المدى  C̊(91 - 97)، بحيث يكون معدل إنتاجية هذه الوحدة يساوي  7.33 l/m2.day .

 طبقا للدراسات السابقة، فقد أخد في الاعتبار التأثير السلبي للعوامل المؤثرة مثل الفقد الحراري، تغير الطقس، وكفاءة العدادات والأدوات المستعملة بالإضافة إلى نوعية المواد المستخدمة، التي في مجملها تؤثر على معدل الإنتاجية في حدود (10 – 14 %) كما هو منشور دولياً. وبالمقارنة بأقصى معدلات الإنتاج الموثقة عالمياً لهذا النوع من وحدات التحلية (4.1l/m2.day) فقد تم تحسينها إلى 56% تقريباً في هذه الوحدة.  وباختصار يمكن التوصية بشدة على تصميم مشروع لمحطة تحلية اقتصادية متكاملة تعمل بهذا النظام لتغذية القرى والمدن في منطقة الدراسة وفي المناطق المشابهة لها في الظروف.

 

المقدمة :

يعتبر استخدام الطاقة الشمسية من أقدم تقنيات تحلية مياه البحر، ففي هذه التقنية يتم الحصول على الماء المقطر من المياه المالحة والآسنة باستخدام الطاقة الشمسية المباشرة والمتوفرة في كل أنحاء العالم وبشدة إشعاع مختلفة دون تلــــــــوث للبيئة(Nebbia, 1966:129)، وفي عام 1872م قام المهندس الســـويدي كارلوس ويلسون(Carlos Wilson) بتصميم وإنشاء أول محطة تحلية شمسية للمياه كبيرة الحجم في تشيلي بمدينة Las Salinas وذلك لتزويد عائلات عمال منجم الملح الصخري ومنجم الفضة المجاور له بالماء العذب، وتمَّ استخدام ماء المنجم الشديد الملوحة (حوالي 140g/kg أو 140,000 ppm) كمصدر ماء لتغذية المحطة، وبُنيت المحطة على أرض بمساحة 7896m2 وصلت إنتاجيتها حوالي 22.70m3 من الماء العذب يومياً، أي بمـــــــــعدل2.87L/m2.day وعملت هذه المحطة حوالي 40 سنة حتى استنفذ المنجم نهائيا (Moustafa,1979:22.141)(Garg,1991;1)(Nassar,2002;185). 

 في سنة 1968م درس مورس وآخرين (Morse, et al.,1968) تأثيـــــــــــــــــــر التغير في درجة حرارة الجو على الإنتاجية  وقد وجدوا أن ارتفاع درجات حرارة الهواء الجوي (من26.7  إلىC ̊ 37.8) تسبب في زيادة الإنتاج بنسبة %11 بينما انخفاضها ( من 26.7 الى C̊ 15.6) يسبب انخـــــــفاض في الإنتــــــــــاج بنسبة %14 (Morse,1968;5.12). وفي بحث آخر أكد كوبر (Cooper, 1969) إنَّ انخفاض درجة حرارة الهواء الجوي يسبب في انخفاض الإنتاج بدرجة واضحة حتى لو كان السطوع الشمسي مثالي (Cooper,1969;12.313).

في سنة 1972م ذكر ساتكونانتنSatcunanathan)) أنَّ هناك درجة حرارة مثالية لسطح التكثيف لأعلى إنتاجية للمقطر تعتمد على المتغيرات الخاصة بالمقطر وما يحيط به ولم يذكر مقدار الزيادة في الإنتاجية في هذه الحالة(Satcunanathan,1973;14.353). في بداية سنة 1972م قام سليمانSoliman S.H)) بدراسة تأثير تبريد سطح التكثيف مع ثبوت درجة حرارة الماء الداخل للمقطر ووجد زيادة في إنتاجية المقطر عند زيادة سرعة الرياح فوق الغطاء الشفاف أو زيادة مساحة التعريض للرياح(Soliman,1972;13.403).

 وفي سنة 1973م أيضاً درس الباحث هانسون (H.P. Hanson) تأثير المسافة بين حوض المقطر والغطاء الشفاف وكذلك زاوية ميلان الغطاء على أداء المقطر، وقد وجد أنَّ تقليل حجم حيز الحوض يحسن في أداء المقطر وكذلك جعل ميلان الغطاء عمودي على مسار سقوط أشعة الشمس لتقليل انعكاس الأشعة الشمسية الساقطة على المقطر ويزيد الطاقة المستلمة في حوض المقطر(H.P,1973;353-363).  وفي دراسة متقدمة استنتج كوبر (Cooper, 1973) إن الإنتاج يزيد بمعدل %11.5 لمتوسط سرعة رياح من m/s (0 -2.15)، بينما لسرعة رياح من m/s (2.15–8.81) فإن الزيادة في الإنتاج ستكون فقط 1.5% (Cooper,1973;15.205).

وفي بحثين منفصلتين قدم كل من هاو Howe E.D,1974)) وجيري (Gary, 1976) دراسة عن تأثير العوامل الجوية (سرعة الرياح والإشعاع الشمسي ودرجة حرارة الجو) على الإنتاجية وكذلك تأثير العوامل التشغيلية (زاوية ميلان الغطاء الشفاف والعزل الحراري للمقطر وعمق ماء الحوض وطريقة التغذية) على أداء المقطر وقد كانت النتائج مشجعة لتأسيس أول قاعدة بيانات عن الشروط التشغيلية لمحطات التحلية بالطاقة الشمسية (Howe,1974;97-105)(Gary,1979;18.159).

وفي سنة 1978م قـــــــام كامراج (G. Kamaraj) بدراسة تأثــــير ربط عاكس لأشـــــعة الشمس بقـــــدر مســــاحة حوض المقطر وبزاوية معينة لتسليط أشعة إضافية إلى داخل قاعدة حوض المقطر وقد زادت الإنتاجية بمقدار %(50-60) عند استخدام مرآة عاكسة بينما زادت بمقدار %(25-30) عند استخدام عاكس من الألمونيوم(kamaraj,1978;2036-2042).  وفي سنة 1979م قام أيضاً كل من كامراج وزيتل (Kamaraj Netto D. and .zettl B. I .E)  بصنع مقطر خاص مكون من قسمين هما مجمع حراري شمسي لتسخين الماء فقط ثم تدخل المياه إلى حوض آخر ذو غطاء زجاجي معزول عن أشعة الشمس يستخدم للتكثيف فقط، مما أمكن التحكم في عملية تبريد الغطاء وبالتالي في درجة حرارة التكثيف(Kamaraj,1979;89-93).

وفي سنة 1980م استخدم سودها وآخرين (Sodha, et al.,1980) مقطر مزدوج الأحواض حيث بلغت إنتاجيته حوالي (3.16L/m2.dy) في الوقت الذي كانت إنتاجية المقطر السطحي التقليدي في نفس الظروف التشغيلية (2.041L/m2.dy) أي تحسين بنسبة تصل الى %53 تقريباً(Sodha,1980;20.23). درس الباحث عبد الجبار نعمة 1982م تأثير التفريغ الجزئي لحوض المقطر على أدائه، وقد صمم جهازين كل منهما يمثل مقطر شمسي، أحدهما يتم فيه تبريد سطح التكثيف مع تفريغ الحوض بينما الآخر معزول عن أشعة الشمس يتم فيه التكثيف بدون تفريغ الحوض وقارن بين الحالتين وقد وجد ان التفريغ وتبريد سطح المكتف يزيد في معدل الإنتاجية(نعمة، 1980)

في سنة 2003م عرض الباحث بورنيمينBornemenn)) في معرض علمي بكاليفورنيا بالولايات المتحدة الأمريكية خمسة أنواع من الزجاج المستخدم كأغطية للمقطرات البسيطة وأجرى عليها عدة اختبارات ولنفس السمك مع بقاء المتغيرات الأخرى ثابتة وعلى فرق درجة حرارة الجو مقداره   C̊4 ولمدة يومين وقد وجد أن زجاج النوافذ العادي المعروف يؤدي عملاً جيدا في المقطرات مقارنة بغيره لإمراره لأشعة الشمس بسهولة(Brian,2003;23809).  وفي سنة 2005م قام صباح طارق أحمد وآخرين بدراسة تأثير التسخين الأولي للمياه الداخلة إلى المقطر الشمسي أحادي الميل على إنتاجيته وأداءه وكذلك تأثير تبريد الغطاء الزجاجي، في مدينة بغداد لمقطر ماء مساحته 0.4m2 مربوط على التوالي مع سخان ماء شمسي منزلي مساحته 4m2 حيث لوحظ زيادة في إنتاجية المقطر بنسبة تتراوح ما بين %(3.5-5)، وفي حالة تبريد الغطاء بالهواء فإن الإنتاجية تزداد بمقدار يتراوح ما بين %(30-40)، أما في حالة تبريده بالماء يؤدي إلى زيادة الإنتاجية بمقدار يتراوح بين %(13.5-15)(أحمد، 2005).

وفي سنة 2006م صمم محمد المدني عمار وآخرين منظومة مكونة من مقطر شمسي متعدد التأثير متصل بمجمع شمسي ذو سطح مستوي، حيث أعطت هذه المنظومة كمية من الماء المقطر في المتوسط 7L/m2.day تقريبا بكفاءة حوالي %60 للمجمع الشمسي (عمار، أبوفناس، مطراوي، 2006).

 وفي جامعة قاصدي مرباح بورڤلة بالجزائر قام ذوادي رشيدة في سنة (2010م) بدراسة مقطر شمسي مظلل جزئياً بفعل الاحتباس الحراري و للحصول على فعالية أكثر قام بالتبريد بالماء من الجهة الجنوبية، وكانت نسبة التحسين في الشمس(27.03% )، وفي الظل(14.09% ) (ذوادي، 2010).

في سنة (2013م) درس كل من جمال بوغالي وآخرين تأثير الصفيحة الماصة على فعالية المقطر الشمسي البسيط ذو الميل الواحد في منطقة ورقلة بالجزائر، واستنتجوا أنه باستعمال طبقتين من الرمل على الحوض مع طلاءه باللون الأسود تحسنت نسبة الإنتاجية إلى (10.98%) وأن سمك حبيبات الرمل (3mm) تقريباً (بوغالي، 2013). والجدير بالذكر فإن محاولات لتطوير هذه المقطرات مستمرة إلى يومنا هذا ومازالت الجهود تبدل في سبيل الوصول إلى أعلى كفاءة وأكبر إنتاجية وتقليل كلفة الماء المنتج من وحدات التحلية الشمسية. وكنتيجة لتلك الجهود ظهر العديد من التصاميم والنماذج النظرية المختلفة وحققت تقدما أكبر في هذا المجال إلا أنها ما تزال بعيدة عن التطبيق العملي (نصار،2006).

 

تصميم وحدة التحلية :

 

صُمـمت وحدة التحلية بحيث تعطي إنتاجية اقتصادية يمكن الاستفادة منها في التغذية بالمياه العذبة يومياً، ويمكن إقامة هذه الوحدة على الشواطئ الليبية وبالتحديد في مدينة سرت، للاستفادة من مصادر الطاقة البديلة المتوفرة فيها. وتقدر المساحة اللازمة لإقامة هذه الوحدة بحوالي 1000m2 تقريباً، بالإضافة إلى مبنى إداري، غرفة تشغيل وتحكم، مختبر تحليل ومعايرة، ورشة صيانة، وخزانات وممرات داخلية. تشتغل هذه الوحدة بالطاقات المتجددة وتحت التحكم الديناميكي الحراري لتحلية مياه البحر، ويوضح الشكل والجدول (1) المكونات الأساسية لوحدة التحلية وتتكون من أربع أجزاء رئيسة هي: (i) غرف التنقية والمعالجة، (ii) الخزان، (iii) غرفة توليد الطاقة و(iv) وحدة التحلية الرئيسة.

الشكل( 1 ) يوضح المكونات الأساسية  لوحدة التحلية

 

 

 

 

الجدول (1) يبين المكونات الأساسية لوحدة التحلية الموضحة بالشكل (1).

مكـونـــات وحـدة التحلـــية
ر.م	اسم الجزء الموضح بالشكل	ر.م	اسم الجزء الموضح بالشكل
1	المنصة البحرية ]غرفة التنقية والمعالجة(a) ومضخة الأمواج البحرية[	7	خزان المياه المحلاة
2	خزان علوي (حوض) للمياه المالحة	8	مجمع أو عاكس أسطواني
3	غرفة توليد الطاقة الكهرومائية	9	مجمع أو عاكس كروي مقعر
4	غرفة التنقية والمعالجة(b)	10	صمام للتحكم في ضخ المياه المحلاة
5	وحدة التحلية الرئيسية	11	أنبوب لترجيع (للشوائب والمياه المالحة للبحر)
6	غرفة تحكم لا سلكي في أقصى الشمال الشرقي للموقع	12	مروحة هوائية ذاتية الحركة

   

 

1. غرف التنقية والمعالجة : وتتم فيها تنقية المياه المالحة من كل العوالق والشوائب والمواد الضارة على مرحلتين الأولى(a) في المصب بالمنصة والثانية(b) قبل الدخول لوحدة التحلية كما هو موضح بالشكل(1). وتتكون غرفة التنقية والمعالجة (a) من شبكة حاجزة (فلاتر) توضع قبل المنصة الخراسانية أي عند مصب المياه المراد تحليتها، وتتكون هذه الشبكة عادة إما من الحديد المقاوم للصدأ أو البروبالين أو النايلون أو البوليستر، ويتم وضع عدة شبكات (فلاتر) بأحجام مختلفة تترتب من الأكبر إلى الأصغر حجماً، ووظيفة هذه الشبكات تتمثل في حجز العوالق الصلبة الكبيرة والتخلص من الكائنات الحية العالقة مع مياه البحر. كما يتم فيها إضافة نسبة معينة من الكلور في ماء البحر عند نقاط المآخذ، وهذه العملية تسعى لتحقيق عدة أهداف أهمها : قتل الأحياء الدقيقة التي تُسبب الأمراض الخطيرة للإنسان، ومنع أو الحد من دخول ونمو الأحياء الدقيقة التي تتغذى على المواد الكيميائية المضافة. ويمكن تنظيف هذه الفلاتر من حين إلى آخر وذلك بإزالة العوالق الموجودة بها وإرجاعها إلى البحر. أما مرحلة التنقية الثانية تتم بغرفة التنقية والمعالجة(b) وذلك عبر فلتر كبير يعرف بالفلتر الدَّوار، حيث يقوم بحجز كل العوالق الصغيرة المتبقية مثل الطحالب والفطريات، وتُرجع هذه العوالق مع جزء من المياه المالحة إلى البحر بينما تمر المياه المالحة المتبقية إلى وحدة التحلية الرئيسة حيث يتم تحليتها.
2. الخزان (حوض الترسيب) : بعد عملية التنقية(a) تندفع المياه المالحة بواسطة طاقة الأمواج البحرية إلى خزان علوي ارتفاعه (15m) تقريباً من مستوى سطح البحر ويسمى حوض الترسيب، وفيه يتم إضافة نسبة أخرى من الكلور للتخلص من الكائنات الدقيقة، كما تترسب به أيضاً بعض العوالق صغيرة الحجم وكذلك الأتربة والغبار التي يتعرض لها الخزان بفعل الظروف الجوية كونه مفتوح وغير مغطى ويمكن إرجاع كل ذلك  للبحر مرة ثانية. والجدير بالذكر فإنه توجد فتحتان أسفل كل حوض إحداهما في القاع لسحب المواد المترسبة والعالقة عند تنظيف الحوض وإرجاعه للبحر، والأخرى على ارتفاع نصف متر تقريباً لسحب الماء المالح المنقي من الشوائب والعوالق بفعل الجاذبية إلى وحدة التحلية الرئيسة عبر غرفة توليد الطاقة الكهرومائية تم غرفة التنقية والمعالجة(b).

 

• غرفة توليد الطاقة الكهرومائية : في هذه الغرفة يتم توليد الطاقة الكهرومائية من خلال تدفق الماء المالح إليها بفعل الجاذبية من الخزان العلوي (الحوض) من على ارتفاع (h=8m)، لذلك يمكن استخدام نوعين من التوربينات هما: (1) عنفة فرنسيس، (2) عنفة كابلان الموضحتان بالشكل (2 أ، ب) على التوالي.

ii.	iii.	iv.	v.
( أ )عنفة فرنسيس		(ب) عنفة كابلان

 

الشكل (2) يوضح العنفات المستخدمة في التوربين المائي ( أ )عنفة فرنسيس و (ب) عنفة كابلان.

 

والتوربين هو جهاز ذو عضو دوار يسمى العنفة، يديره مائع (سائل أو غاز) متحرك، مثل الماء والبخار أو الهواء. في هذه الحالة يحول التوربين طاقة الوضع للماء إلى طاقة حركية دورانية تُستخدم لتحريك وتدوير الآلات. يَنقل التوربين الحركة الدورانية إلى الآلات الأخرى عن طريق محور للدّوران كما بالشكل (3) وبالتالي إلى مولد الطاقة الكهربية.

الشكل (3) مخطط توضيحي للتوربين المائي لتوليد الطاقة الكهرومائية

 

 

 

ويمكن حساب معدل التدفق بالأنبوب المتصل بالتوربين من العلاقة (1) كالآتي:  

 

 

حيث :ν : سرعة المياه في الأنبوب، A : مساحة مقطع الأنبوب (r²πA= )، حيث (r) نصف قطره الداخلي، و يمكن الحصول على سرعة  تدفق المياه في الأنبوب من العلاقة (2) على اعتبار أن عجلة الجاذبية (g = 9.8m/s²)  وارتفاع الحوض عن غرفة توليد الطاقة الكهرومائية (h=8m) كالأتي :

 

 

وحيث أن كثافة الماء المالح ρsw =1025kg/m³)) وكفاءة توربينات فرنسيس اوكابلان هي (%85= η) فإنه يمكن حساب القدرة الكهرومائية للتوربينة بأنصاف أقطار مختلفة = (r = 0.2, 0.4, 0.6,…1 m) من العلاقة (3):

 

وحدة التحلية الرئيسية :

وهي عبارة عن هيكل هرمي مغطى بإحكام بالزجاج العادي او البلاستك الشفاف بداخله حوض حراري أرضي وخزانين للمياه المحلاة، ومجموعة من المراوح والمخلخلات أو الشفطات الهوائية كما بالشكلين (4 ،5) وأن الأبعاد الهندسيةً المقترحة لوحدة التحلية موضحة بالجدول (2).

الجدول (2) يوضح الأبعاد الهندسية التي صممت على أساسها وحدة التحلية

ر.م	الأبعاد الهندسية لوحدة التحلية	المقدار	ر.م	الأبعاد الهندسية لوحدة التحلية	المقدار
1	الطول	50m	4	ارتفاع رأس هرم الغطاء	16m
2	العرض	20m	5	زاوية ميل الغطاء	60̊
3	ارتفاع خزان المياه المحلاة	1m	6	ارتفاع الماء المالح بالحوض	10cm

 

 

 

 

 

 

 

 

 الشكل (4) يوضح التركيب العام لوحدة التحلية

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

الشكل (5) يوضح الأبعاد الهندسية وزاوية ميل غطاء وحدة التحلية

    

 

 

 

 

 

 

 

وتحتوي وحدة التحلية على تسعة (9) مراوح تعمل إما بالطاقة الميكانيكية المباشرة للرياح أو بالطاقة الكهربية المتحصل عليها من مصادرها الجديدة والمتجددة ووظيفتها المساعدة في زيادة عملية التبريد وسرعة تكاثف بخار الماء وبالتالي زيادة الإنتاجية والكفاءة كما هي موضحة بالشكل (6).

أيضاً يوجد بوحدة التحلية عدد ست (6) شفاطات (مخلخلات) للهواء تساعد على تقليل وتعديل الضغط داخل وحدة التحلية لتعمل عند درجات حرارة أقل من (100̊C)، وذلك لتلافي التآكل السريع للمعادن المكونة للوحدة وترسب أملاح كربونات وسلفات الكالسيوم. وبوحدة التحلية يوجد خزانين لتجميع المياه المحلاة، بحيث يكونا على جانبي وحدة التحلية من الداخل وذلك لتجنب عملية الفتح والغلق أثناء التشغيل للحفاظ على معدل الضغط داخلها عند القيمة المحددة بغرفة التحكم، والأبعاد الهندسية لكل منهما (0.5mx1mx50m) أي أن مجموع سعتهما (50m³).

يوجد في الحوض الأرضي لوحدة التحلية نظام التسخين الكهروحراري المتكون من شبكة أنابيب خاصة مقاومة للتآكل وموصل جيد للحرارة عددها (18) أنبوب وبداخل كل أنبوب سلك مقاومة كهربية معزولة عنه وتبعد مراكز هذه الأنابيب عن بعضها البعض مسافة مقدارها (1m) وبطول (50m) كما هي موضحة بالشكل (4). ويغلف حوض وحدة التحلية بعازل حراري أسود اللون وذلك لتقليل الفقد من الطاقة الحرارية وزيادة نسبة الامتصاص للطاقة الشمسية. ويمكن حساب قدرة التسخين الكهروحراري من العلاقات الموضحة بالجدول (3).

    الجدول (3) يبين العلاقات الفيزيائية لحساب الطاقة الكهروحرارية اللازمة لتسخين المياه المالحة بالحوض الأرضي

المقاومة الكهربائية  Resistance ( R )	الطاقة)  Energy (u	القدرة)   (  p Power
(Ω)Ohm	(J) Joule	Watt (W)
(A):  مساحة مقطع السلك (m²) (ρ):  المقاومة النوعية   (Ω.m)	(L)  :   طول السلك (m) (I  ) :  شدة التيار الكهربي (A)	(t): زمن مرور التيار (s)

 

 

الشروط التشغيلية لوحدة التحلية :

لكل وحدة تحلية شروط تشغيلية ذات علاقة بكفاءتها ومعدل إنتاجها وفي مقدمة هذه الشروط نقطة الغليان، فدرجة حرارة الغليان لماء البحر تعتبر متحول أساسي في عملية التقطير (نصار،2006)، حيث أنَّ مياه البحر تغلي في الضغط الجوي العادي عند درجة (100.56̊C)، وهذا يعني ضرورة التسخين داخل وحدة التحلية لدرجة أعلى من 100̊C، إلاَّ أنَّ العمل بهذه الدرجة المرتفعة من الحــــرارة يسبب مشكلتين رئيسيتين هما: (ا) التــــآكـــــل الســـــريع للمعـــــــادن المكـــــونة للمحــــطة وتَكــــون أكاسيد لهذه المعـــــادن مثل أكاسيد الحديد. (ب) ترسيب أملاح كربونات الكالسيوم، سلفات الكالسيوم وغيرها من الأملاح الأخرى.  إنَّ بعض هذه الأكاسيد مثل أكسيد الماغنسيوم وأكاسيد الحديد تُكون على جدران المبادل الحراري طبقة عازلة تؤدي إلى عرقلة التبادل الحراري، وبالتالي إلى ضياع متزايد للطاقة كلما إزداد سمك هذه الترسبات (الكبة، 1982).

وحيث أن تغير بسيط في الضغط الجوي (ΔP = 0.1atm) مثلاً سوف يناظره تغير في درجة الحرارة مقداره (ΔT=4 ̊C)، وأن هذا التغير في درجة حرارة الغليان يُحدث زيادة في معدل إنتاجية وحدة التحلية ويُجنب حدوث عمليات التأكسد والترسيب للمكونات المعدنية بالوحدة.   إنَّ كمية حرارة التبخير تتغير قليلاً مع درجة الحرارة، وبالتالي يؤدي إلى تغير الضغط فهي تبلغ (522, 539 cal/g) عند  75 ,100) ̊C)، كما أن كمية حرارة تبخر ماء البحر هي نفس كمية حرارة تبخر الماء العذب تقريباً ولكن الحرارة النوعية لماء البحر (0.964 cal/g) أقل من الحرارة النوعية للماء العذب (0.998 cal/g) عند درجة C̊ 23، ، وتصل الحرارة النوعية لماء البحر إلى حوالي (cal/g  0.92) عند تركيز يبلغ ضعف التركيز الملحي الأصلي  (حجازي، مخيمر، 1996).

من الناحية العملية لا يمكن الحصول على ضغط أقل من (0.6atm) إلا بطرق تقنية متقدمة ومكلفة ولهذا فإن هذه الوحدة ستعمل تحت ضغط يتراوح مابين atm (0.7– 0.88)، وبالتالي ونتيجة لهذا الضغط المطبق عليها ستتغير درجة الحرارة ما بين  ̊C(91-97) على التوالي  والشكل (6) يوضح الظروف المناسبة لتشتغل وحدة التحلية.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

الشكل (6) يوضح الظروف التشغيلية من الضغط ودرجة الحرارة لمحطة التحلية المقترحة(الكبة،1982)

 

 و من خلال الشكل (6) نلاحظ أن درجة غليان الماء المالح داخل محطة التحلية تتراوح ما بين  C̊(91- 97) أي أنها محددة بالضغط المطبق على وحدة التحلية، وحيث أن مياه البحر الداخلة لوحدة التحلية  قادمة من المجمعات الشمسية الأسطوانية المكافئة تكون ساخنة ودرجة حرارتها حوالي  (̊C T= 97)، بحيث تمكث كميات المياه المالحة داخل أنابيب المجمعات الشمسية الأسطوانية المكافئة زمن مقداره ساعة وثلاثة عشر دقيقة (1:13h) تقريبا للوصول إلى هذه الدرجة من الحرارة، وعند انتقالها لداخل الحوض الحراري لوحدة التحلية ستفقد قدر من حرارتها ولكنها ستكون في ذلك المدي من درجات الحرارة والضغط المطبق.

 

الحسابات والنتائج :

(أ) حساب الطاقات المتجددة المتاحة :  في هذه الدراسة تركزت الحسابات على الإنتاجية الممكنة لوحدات الطاقة المتجددة التي يمكن استخدامها في تغذية وحدة التحلية وبقية مكوناتها ومرافقها. حيث تم حساب طاقة الخلايا الشمسية نوع سيلكون أحادي التبلر (Mono-Crystalline) على أساس كفاءة الخلية (% 22) وهي الأكثر استخداما والمسجلة دولياً، بينما تم حساب طاقة المركزات الشمسية الاسطوانية  والكروية بكفاءة (57%)،  وحسبت الطاقة الربحية باستخدام توربين هوائي بكفاءة (59.3%) ونصف قطر (r=20m) ، بالإضافة إلى حساب القدرة الكهرومائية باستخدام المعادلات (1,2,3)، لعنفتي فرنسيس و كابلان بنصف قطر r = 0.5m))، على أساس أن كثافة الماء المالح (ρsw=1025kg/m³)، الارتفاع (h=8m)، كفاءة التوربينة (% 85=η)، وسرعة التدفق  ( 12.5m/s= ν) ، ويوضح الجدول ( 4 ) نتائج هذه الحسابات.

 

 

 

الجدول (4) يبين معدلات إنتاجية وحدات الطاقة المتجددة والمتاحة في منطقة الدراسة

المتوسطات اليومية لإنتاج وحدات مختلفة من الطاقة المتجددة نوع الطاقة المتجددة الوحدة المستخدمة الكفاءة % طاقة كل وحدة (KW.h) العدد الطاقة اليومية المنتجة (KW.h) خلايا شمسية (سليكونية أحادية التبلر) لوح شمسي 22% 0.2376 5 11.9 مجمعات شمسية كروية 57% 19.3 1 38.6 أسطوانية مكافئة 57% 41.3 1 41.3 طاقة ريحية توربينة هوائية( r =20m) 59.3% 31 1 31 طاقة كهرومائية توربينة مائية(r=0.5m) (فرنسيس او كابلان) 80% 44.36 1 44.36 مجموع الطاقة الكلية المنتجة يوميا (KW.h)157.17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 (ب) حساب الطاقة اللازمة للتسخين الكهروحراري بوحدة التحلية : وباستخدام العلاقات الرياضية المبينة بالجدول(4) تم حساب الطاقة الكهروحرارية اللازمة لتسخين المياه المالحة بحوض وحدة التحلية، تم ذلك على اعتبار أن زمن تشغيل الوحدة هو (t =10  h /day) وأن قيمة التيار الكهربي   (I=60A). ويوضح الجدول (5) النتائج المتحصل عليها.

نوع السلك	المقاومة النوعية (Ω.m) (ρ)	المقاومة الكهربائية (R) Ω	الطاقة  U  (J)	طاقة سلك واحد (W.h)	طاقة وحدة التحلية لساعة واحدة (لـ 18 سلك) (W.h)	طاقة وحدة التحلية لـ (10 ساعات) (KW.h)
حديد زهر	1.43×10-7	36.4	131040	36.4	655.2	6.55
حديد كهربائي	4.60×10-7	117.2	421920	117.2	2109.6	21.10
سبيكة نيكل - كروم	1.10×10-6	280.25	1008900	280.27	5044.9	50.45
ولأسباب فنية واقتصادية اقترح نوع السلك من سبيكة نيكل - كروم وبذلك تكون الطاقة الكلية للوحدة تساوي   KW.h 50.45

 الجدول (5) يوضح حساب الطاقة اليومية اللازمة للتسخين الكهروحراري بوحدة التحلية لأسلاك مختلفة النوع. حيث عدد اللفات   )لفة  (N=1000، نصف قطر اللفة (R = 0.032m)، نصف قطر السلك (r = 0.0005m)، والطول الكلي للسلك (L= 200m).

 

وقد اختيرت سبيكة النيكل- كروم لأسباب فنية واقتصادية في تصميم التسخين الكهروحراري للوحدة ، كما يجب الانتباه الى أن هذه الحسابات أخذت على أساس أن درجة حرارة الماء المالح الابتدائية هي (T=20 0C)  وهي المتوسط السنوي لدرجة حرارة الماء في الظروف العادية. إن هذا يعني ان تغذية وحدة التحلية مؤمنة حتى لو لم يتم تسخينها في المركزات الشمسية.

 (ج) حساب كميات المياه الداخلة لوحدة التحلية والمحلاة والفاقد منها للبحر : تعتمد حسابات كمية المياه على عدة عوامل أهمها : الكمية المتدفقة الى الخزان العلوي بفعل طاقة الامواج البحرية، والطاقة المتوفرة من مصادرها المتجددة والتي تم حسابها كما هو مبين في الجدول (6). كما أن كفاءة وحدة التحلية التي تمت على اساسها الحسابات (80%، وقد اخد في الاعتبار التأثير السلبي للعوامل المؤثرة على انتاجية وحدة التحلية ، مثل الفقد الحراري، تغير الطقس، وكفاءة العدادات والأدوات المستعملة بالإضافة إلى نوعية المواد المستخدمة ، التي في مجملها  تؤثر على معدل الإنتاجية في حدود (10 – 14 %) كما هو منشور دولياً.  ويوضح الجدول (6) نتائج هذه الحسابات.

 

الجدول(6) يوضح الموازنة بين المياه المالحة الداخلة لوحدة التحلية والمحلاة الناتجة من وحدة التحلية.

الفترة الزمنية	كمية المياه  المالحة الداخلة لوحدة التحلية	80% محلاة يُضخ لخزان التحلية	20% فاقد يُرجع للبحر
خلال دورة  Period((P=73min	(1.524m³/p )	(1.219m³/p )	(0.3048m³/p)
خلال يوم  day  (7P)	(10.67m³/day)	(8.536 m³/day)	(2.134 m³/day)
معدل الإنتاجية الإجمالي  =  8.536l/m2.dy
معدل الإنتاجية بعد الأخذ في الاعتبار التأثير السلبي للعوامل المؤثرة  =  7.336l/m2.dy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 وحدة المعايرة والتوصيف  :                       

 تنحصر مهمة هذه الوحدة في تحديد نسب المواد السامة  وقد تم تحديد نسب المواد السامة وفقاً للمواصفات الدولية على النحو  المبين بالجدول (7) (حجازي، 1996) وكذلك تحديد تركيز الفلوريدات في الماء التي تعتمد على درجة الحرارة السائدة في المنطقة كما هو موضح بالشكل (7)(حجازي، 1996)، ويمكن تطبيق  مواصفات منظمة الصحة العالمية لمياه الشرب، حيث تمكن العلماء في مجال المياه والصحة العامة من وضع مواصفات دقيقة للمياه الصالحة للشرب والاستهلاك البشري، وبعد مراجعتها صحياً وعلمياً تم اعتمادها في منظمة الصحة العالمية سنة (1984م) (سري، 1983)(نسيم، 2007)(العظمة، 2003)(عون، 2002).     

 

 

الجدول (7) يوضح المواد السامة وأعلى تركيز مسموح به في المياه العذبة

العنصر	الرمز	أعلى تركيز مسموح به (mg/L)	العنصر	الرمز	أعلى تركيز مسموح به (mg/L)
رصاص	Pb	0.05	سيانيد	CN	0.01
سيلينيوم	Se	0.01	كادميوم	Cd	0.01
زرنيخ	As	0.05	زئبق	Hg	0.001

 

الشكل(7) يوضح الحدين الأدنى والأعلى والمستوى المثالي لتركيز الفلور المسموح به دولياً

في المياه العذبة الصالحة للشرب وفقا لمعايير منظمة الصحة العالمية (حجازي،1996).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 المناقشة :

تعتمد وحدة التحلية هذه أساساً على الطاقات المتجددة بالإضافة إلى عملية التفريغ (خلخلة الهواء) باستخدام الشفاطات (المخلخلات)، وذلك لتقليل الضغط داخل الوحدة مما يساعد على غليان الماء عند درجات حرارة أقل من (C 100̊)، تستقبل وحدة التحلية يومياً كمية من المياه مقدارها ( 10.67m³/day)، عملياً يكون هذا على 7 فترات تقريباً، حيث في كل مرحلة يتم إدخال كمية من المياه المالحة مقدارها (1.524 m³) وهذه الكمية تدخل للمجمعات الشمسية الأسطوانية قبل دخولها  لوحدة التحلية في خط  أنبوبي يمر بمحور مركز شمسي اسطواني لتسخين كل هذه الكمية من المياه مع الأخذ في الاعتبار أن كل مرحلة تحتاج إلى زمن مقداره ساعة وثلاثة عشر دقيقة (1:13) تقريباً حتى تصل إلى(97 ̊C).

لقد صُممت هذه الوحدة بمميزات وخواص لتعمل بالطاقات المتجددة وبالتحكم الديناميكي الحراري، وبظروف تشغيلية محسوبة وهو ما أهلها لمعدل إنتاج من المياه المحلاة مقداره (7.33 l /m2.dy)، والجدير بالذكر فإن أفضل معدل إنتاجية لمحطات التقطير الشمسي عالمياً كان في تشيلي .dy) 4.01 l /m²) كما هو موضح بالجدول (8)(سري، 1983) .

 

    الجدول (8)  يوضح الإنتاجية اليومية لبعض المحطات الشمسية المسطحة وبغطاء زجاجي لتحلية ماء البحر في العالم

 

ر.م	البلد	الموقع	المساحة (m²)		الإنتاجية
					(l /day)	l /m².day
1	تشيلي	Quillagua	100	401		4.01
2	اليونان	Patmos	8600	26116		3.03
3	المكسيك	Natividad Isl.	95	379		3.98
4	اسبانيا	Las Marinas	868	2574		2.96
5	تونس	Mahdia	1300	4163		3.20
6	الهند	Haiti	223	757		3.39
7	الصين	Zhungjian	50	175		3.5
8	كولومبيا	Punta Canoa	400	1500		3.75

إن كل هذه المحطات تشتغل في الظروف العادية باستخدام غطاء زجاجي وبدون تحكم ديناميكي حراري (نسيم، 2007)(العظمة، 2003)، وهو ما تم أضافته في هذه الوحدة مع معالجة مشكلتي الطاقة والبيئة معاً، وبذلك تحسن معدل الإنتاجية فيها بحوالي (56%) وهو ما يجعلها الخيار الأمثل لإقامة مشاريع ضخمة  لمحطات تحلية تقام على هذه  الأساس لتغذية قرى ومدن بأكملها والمحافظة على بيئتها. 

 

Abstract:

Drinking water deficiencies is still a continuing global issue, as a consequence many countries suffer dehydration, however, the more recent use of alternative available renewable energies has brought a light to such issue. Therefore, in this study a desalination unit has been designed to operate by renewable energies and under thermodynamic control,  on the Libyan shores, specifically in the" Sirte city zone".

A desalination unit has been designed to fit its function, in the form of a pyramid  with a  rectangular base area of 1000m² and 16m height.  A black painted basin at the bottom of the unit contained a net of pipes for its thermoelectric heating,. To invest the renewable energy use an additional heating was added to the design, by warming the coming  sea water using a solar heating system through a cylindrical concentrator. Nine (9) fans operate either electrically or by wind energy were allocated to accelerate up the condensation process, also six (6) hydraulic pumps to adjust the pressure inside the unit.

The study zone characterized by an abundance of alternative renewable energy sources, namely solar energy (total radiation intensity 6.93kw.h/m².day) and wind power (an average wind speed of 4m/s) and marine waves energy (an average height of 1m).  The operating conditions of the unit were calculated using a thermodynamic laws,  it was found that the pressure should be  in the range of (0.7- 0.88 atm ) and the corresponding  temperature is (91 - 97C̊).  Therefore, the productivity rate of this unit was found 7.33 l/m2.day. 

In accordance with the literature, the negative impact of  the effective factors have been taken into account, such as,  heat loss, change weather, and the efficiency of used meters  and tools, as well as the quality of used materials which was reported to be around 10 – 14 %. In contrast, the maximum rate of productivity record internationally of this type of desalination units (4.1l/m2.day), was improved up to almost 56% approximately in this unit.

Finally, and in summary, It is strongly recommended to design an integrated economic desalination plant working with this system to feed villages and towns at this study zone or in similar conditions.

 

 

المــــراجــع :

• الكبة، إلياس، فاضل، سهيل، (1982)، مبادئ الطاقة الشمسية وتطبيقاتها، (ط2) جامعة الموصل، العراق.
• العظمة، معن، (2003)، مبادئ تحلية المياه المالحة، المركز العربي للتعريب والترجمة والتأليف والنشر، دمشق، سوريا.
• أحمد، صباح، عباس، خليل، (2005)، تحسين تقطير المياه باستخدام سخان ماء شمسي منزلي. مجلة الهندسة والتكنولوجيا، المجلد 26، العدد 5.
• بوغالي، جمال، بوقطاية، سعاد، بوشكيمة، بشير، (2013)، دراسة تجريبية لتأثير الصفيحة الماصة على فعالية المقطر الشمسي البسيط ذو الميل الواحد، بحث بجامعة ورقلة، الجزائر.
• حجازي، خالد، مخيمر، سامر، (1996)، أزمة المياه في المنطقة العربية: الحقائق والبدائل الممكنة، المجلس الوطني للثقافة والفنون والآداب، الكويت.
• ذوادي، رشيدة، (2010)، دراسة مقطر شمسي ذي مكثف مظلل جزئياً بفعل الإحتباس الحراري الشمسي في المناطق القاحلة، رسالة ماجستير، جامعة قاصدي مرباح بورڤلة، الجزائر.
• سري، سمير، (1983)، الطاقة الشمسية عالمياً وعربياً، منشورات منظمة الأقطار العربية المصدرة للبترول، الكويت.
• عمار، محمد المدني، أبو فناس، إسماعيل، مطراوي، قاسم، (2006)، دراسة نظرية لأداء منظومة تقطير المياه بالطاقة الشمسية، قسم الهندسة الميكانيكية، جامعة مصراته، ليبيا.
• عون، أحمد إمحمد محمد، (2002)، الماء من المصدر إلى المكب، إصدارات الهيئة العامة للبيئة، طرابلس، ليبيا.
• نسيم، ماهر جورجي، (2007)، تحليل وتقويم جودة المياه، منشأة دار المعارف بالإسكندرية – مصر.
• نصار، ياسر فتحي، (2006)، هندسة الطاقة الشمسية: التطبيقات الحرارية الفعالة (ط1) دار الكتب الوطنية، بنغازي، ليبيا.
• نعمة، عبد الجبار، (1980)، تقطير المياه بواسطة الطاقة الشمسية تحت ظروف التفريغ الإبتدائي، رسالة ماجستير، قسم هندسة المكائن والمعدات في الجامعة التكنولوجية.
• G., Menozzi. G, Acque. D, (1966), A Short History of Water Desalination Proceedings of International Symposium on Desalination ,Milano, p. 129.
• Moustafa, S.M.A., Brusewitz, G.H., Farmer, D.M., Solar Energy, 22, 141 (1979). Direct Use of Solar Energy for Water Desalination.
• Garg, H. P., First Exposition and Symposium for New and Renewable Energy Equipment,Tripoli-Libya, 1 (1991). Solar Desalination Technique.  
• Y. F, and Salem. A. A.(2002), Progression of solar Desalination Systems: Arabic Experience Dubai International Conference on Water, Dubai, p 185. 
• Morse, R. N. and Read, W. R., Solar Energy,12, 5 (1968). A Rational Basis for the Engineering Development of a Solar Still.
• Cooper , P . I ,Solar Energy, 12 ,313 (1969), Digital Simulation of Transient Solar Still Processes.
• Satcunanathan, S. and Hansen, H. P., Solar Energy, 14, 353 (1973). An Investigation of Some of the Parameters Involved in Solar Distillation.
• Soliman, S. H., Solar Energy, 13, 403 (1972). Effect of Wind on Solar Distillation.
• P. Hansen (1973), an investigation of some of the parameters involved in solar distillation solar energy, vol.14 p.p. 353-363.
• Cooper, P.I., Solar Energy, 15, 205 (1973). The Maximum Efficiency of Single – Effect Solar Stills.
• Howe E. D. and Tiemat B . W.(1974), Twenty years of work on solar distillation at the .U.O. California , solar energy vol.16, P.P.97-105.
• Gary, H. P .and Mann,H. S.,Solar Energy , 18, 159 (1976). Effect of Climatic, Operational and Design Parameters on the year Round Performance of Sloped and Double Sloped Solar Still Under Indian and Arid Zone Conditions.
• Kamaraj . mini solar still for rural applications, (1978) sun man Kinds future source of energy proc .of the int. solar society congress vol .3 p .p .2036-2042 , India.
• Kamaraj – Netto D. and .zettl B. I .E proceeding of the solar desalinates workshop Saudi Arabian, national center for science and technology and us department of energy, p . p .89-93 (1979).
• Sodha, M.S., Nayak, J.K., Tiwari, G.N., Kumar, A., Energy conservation and Management, 20, 23 (1980). Double Basin Solar Still.
• Brian J.Bornemenn, (2003) solar water distillation, California state science fair, project No.23809.