وزارة التعليم العايل والبحث العاملي جامعة قاصدي مرباح ورقلة كلية الرياضيات وعلوم املادة قسم الفيزياء أطروحة الدكتوراه علوم يف الفيزياء الرقم الرتتييب:

النسخ

1 وزارة التعليم العايل والبحث العاملي جامعة قاصدي مرباح ورقلة كلية الرياضيات وعلوم املادة قسم الفيزياء أطروحة الدكتوراه علوم يف الفيزياء الرقم الرتتييب: الرقم التسلسلي: ختصص: فيزياء الطاقوية بعنوان: دراسة وحتسني أداء مقطر مشسي مقرتن)إحتباس حراري-فيلم شعريي( مبنطقة ورقلة ETUDE ET AMELIORATION DE LA PERFORMANCE D'UN DISTILLATEUR SOLAIRE COUPLE (SERRE- FILM CAPILLAIRE) DANS LA REGION D OUARGLA مقدمة من طرف: باحلاج حممد مصطفى نوقشت يوم: 2015/02/22 أمام اللجنة ستو نور الدين أستاذ جامعة قاصدي مرباح ورقلة رئيسا محودة مسعود أستاذ جامعة أمحد دراية أدرار ممتحنا بشكي مجال أستاذ حماضر أ جامعة قاصدي مرباح ورقلة ممتحنا بن موسى حسني أستاذ جامعة حاج خلضر باتنة ممتحنا رحومة فرحات أستاذ جامعة الوادي محة خلضر ممتحنا بوقطاية حمزة أستاذ جامعة قاصدي مرباح ورقلة مقررا السنة اجلامعية: 2016/2015

2 االعتراف بالجميل الحمد هلل والصالة على المبعوث رحمت للعالمين. تم بعون الرحمان إعداد هذه األطروحة على مستوى وحدة البحث في الطاقات المتجددة في المناطق الصحراوية بأدرار. الشكر موصول باألخص لألستاذ الدكتور "حمزة بوقطاية" لموافقته على اإلشراف بتأطيري مع حرصه بتقديم النصائح واإلرشادات والتوجيهات وتشجيعه لي طوال مدة إعداد هذه األطروحة. كما أنوه بالشكر الجزيل مناقشة هذه األطروحة وهم: لرئيس وأعضاء لجنة المناقشة على قبول ورقلة. رئيسا للجنة الدين بروفيسور بجامعة قاصد مرباح ستو نور األستاذ : المناقشة األستاذ : حمودة مسعود بروفيسور بجامعة أحمد دراية أدرار. مناقشا األستاذ : بشكي جمال أستاذ محاضر بجامعة قاصدي مرباح. مناقشا األستاذ : بن موسى حسين بروفيسور بجامعة الحاج لخضر باتنة. مناقشا األستاذ : رحومة فرحات بروفيسور بجامعة حمة لخضر الوادي. مناقشا وأود اإلعراب عن امتناني العميق لجميع من ساهم بشكل مباشر وغير مباشر في انجاز هذا العمل وأخص بالذكر أعضاء فريق "التقطير الشمسي" بن حمو محمد إلى باإلضافة بداية بالزميلين معريف ياسين زروقي موسى بجامعة قاصدي وحدة البحث بمخبر( LENREZA ) ومنڤار حسين. وكذلك أعضاء مرباح ورقلة. ويكون من سوء التقدير إهمال أفراد عائلتي الذين وقفوا معي ماديا ومعنويا إلتمام هذا العمل. واخص بالذكر أمي وأبي اللذان ال ينفكان برفع الدعاء لرب السماء لتوفيقي ولزوجتي التي استمددت منها الدعم بكل معانيه وأوالدي عبد القيوم و وسام. 2

3 الملخصات ملخص: في هذا العمل نبرز بالمحاكاة الرقمية فعالية مقطر شمسي مزدوج الغطاء الزجاجي غير المتناظر وذلك بإجراء تغير طفيف وهذا بإدراج خلية تكثيف تبرد بواسطة فيلم رقيق من الماء يسري بالخاصية الشعيرية بدل الغطاء الزجاجي الموجه نحو الشمال. نأخذ بعين االعتبار جميع االنتقاالت الحرارية والكتلية بغية تقدير كمية الماء المقطر الناتجة. لتقييم النموذج المقترح الحسابات الرقمية التي تم إجراؤها بغية الحصول على معامالت التصميم المثلى مثل معدل التدفق ماء التغذية درجة حرارة مياه الحوض باإلضافة لمعامل شكل خلية التكثيف تحت الظروف المناخية لمنطقة ورقلة جنوب الجزائر. النتائج الرقمية المتحصل عليها من هذه الدراسة تبين تفوق مثل هذا النموذج الذي بلغت فعاليته حوالي 50-70% وذلك مقارنة بالنموذج التقليدي البسيط في نفس الظروف المناخية. متوسط الناتج السنوي لهذا المقطر يبلغ.7kg/m 2 الزاوية المستحسنة لميل المقطر الشعيري 60 باإلضافة لمساحة الحوض غير المظللة لهما أثر جلي على النظام. يتناقص معدل التقطير بنسبة 7% كلما زاد سمك الماء في الحوض)من m إلى 0.025m(. وتأثير سرعة الرياح على الناتج يتراوح 53% كلما زادت هذه األخيرة)من 1m/s إلى.)7m/s الكلمات الدالة: الرقمية. الطاقة الشمسية التقطير الشمسي التكثيف الفيلم الشعيري المحاكاة Résumé: Dans ce travail, un modèle de simulation numérique est présenté, pour étudier la performance d un distillateur solaire à double pente non symétrique modifié par l intégration d une cellule de condensation, refroidir par un film capillaire d eau très mince, au lieu de la couverture de vitre orientée vers le nord. Les divers phénomènes de transfert de chaleur et de masse ont été considérés pour évaluer la production de distillat. Afin d apprécier le modèle développé, les calculs numériques ont été faits pour optimiser différents paramètres de conception, à savoir le débit et la température d alimentation de l eau saumâtre et le facteur de forme de cellule de condensation, sous les conditions climatiques de la ville d Ouargla, sud Algérien. Des résultats numériques sont également présentés dans cette étude, ces résultats montrent que la performance de la présente configuration est supérieure 50-70% de celle d un distillateur conventionnel dans les mêmes conditions météorologiques. La production moyenne annuelle de cet appareil est environs 7kg/m 2. L angle d inclinaison 60 et la surface de bassin sans l ombre ont un effet significatif sur la production de distillat. La masse du distillat 3

4 diminue à 7% lorsque l épaisseur d eau augmente (de m à 0.025m). L effet de la vitesse du vent sur la production total est de 53% lorsque la vitesse varie (de 1m/s à 7m/s). Mots clés: l énergie solaire, distillation solaire, condensation, film capillaire, simulation Abstract: In this work, a model of numerical simulation is presented, to study the performance of a solar distiller with double nonsymmetrical slope modified by the integration of a cell condensation cooled by capillary film of very thin water on the pane cover directed towards north. The various phenomena of transfer of heat and mass were considered to evaluate the distillate production. In order to appreciate the developed model, numerical calculations were made to optimize various parameters of design, namely the flow and the feeding temperature of brackish water and the form factor of condensations cell under the climatic conditions of the town of Ouargla city, Algerian south. Numerical results are also presented in this investigation; these results show that this configuration performance is higher 50-70% than that of a conventional distiller in the same meteorological conditions. The annual average production of this device is about 7kg/m 2. The tilt angle of 60 and the basin without shadow have a significant effect on distillate production. The mass of fresh water is reduced by 7% when the water depth in the basin changes from m tob0.025m. The effect of wind velocity is 53% when it varies from 1m/s to 7m/s. Key words: solar energy, solar distillation, condensation, capillary film, simulation 4

5 فهرس احملتويات ملخصات... فهرس المحتويات... الئحة األشكال... الئحة الجداول... الترميز والمصطلحات... توطئة عامة... الفصل األول: دراسة مرجعية 1. مقدمة مبدأ عمل المقطرات الشمسية... 3.التبادالت 1. الحرارية في المقطر الشمسي التقليدي االنتقاالت الحرارية الخارجية معامل الضياع الحراري العلوي معامل التبادل الحراري بالقاع والسطوح الجانبية االنتقاالت الحرارية الداخلية معامل اإلشعاع الداخلي معامل الحمل الحراري الداخلي معامل التبخير الداخلي العوامل المؤثرة في التقطير الشمسي تأثير ازدواجية أو أحادية ميالن الغطاء الزجاجي على معدل التقطير تأثير درجة حرارة المحيط تأثير اإلشعاع الشمسي تأثير سرعة الرياح تأثير السعة الحرارية للماء في الحوض تأثير زاوية ميل الغطاء الزجاجي بعض األنماط األخرى من المقطرات الشمسية الخالصة... الفصل الثاني:اإلشعاع الشمسي 2. مقدمة اإلشعاع الشمسي اإلحداثيات األرضية اإلحداثيات الفلكية للشمس االنحراف الشمسي الزاوية الزمنية...(ω) الزمن الشمسي المتوسط (TSM) والحقيقي...(TSV) المعادلة الزمنية( Et ) اإلحداثيات السماوية األفقية زاوية سمت الرأسي )اإلمالة( (a) االرتفاع الشمسي...(h) حساب اإلحداثية السلمية لإلشعاع اإلشعاع الشمسي الوارد لألرض ثابت الشمسي على مستوى الغالف الجوي اإلشعاع الوارد على سطح مائل... 5

6 اإلشعاع الشمسي المباشر صيغة Kasten لحساب مقدار اإلشعاع الشمسي الكلي الوارد اإلشعاع الشمسي المنتشر بالنسبة لمستوي أفقي 0 = i حساب مقدار األشعة الشمسية المنتشرة الخالصة... الفصل الثالث:المحاكاة العددية.1.3 مقدمة وصف الجهاز حساب المساحة الفعلية للحوض إنشاء المعادالت الطاقوية اإلشكالية الفيزيائية فرضيات وتسهيالت نظام المعادالت الطاقوية على مستوى الغطاء الزجاجي...)1( على مستوى الماء المالح في الحوض )2( على مستوى القاعدة السفلية للحوض )3( على مستوى السطح مكثف 4 -مبخر...)4( على مستوى السطح المكثف الثاني )5( المصفوفة الرياضية لمعادالت التوازن الطاقوية للمقطر المعدل العبارات التصحيحية المتعلقة بالمقطر الشمسي البسيط العبارات التصحيحية المتعلقة بالمقطر الشمسي بالفيلم الشعيري حساب الفعالية الكلية للمقطر المعدل مبدأ طريقة...Runge-kutta تطبيق طريقة Runge-kutta على جملة معادالت تفاضلية طريقة Runge-kutta من أجل زمن غير اختياري خوارزمية اختيار الزمن... h.6.3 الخالصة... الفصل الرابع:النتائج والمناقشات 4. مقدمة تغيرات شدة اإلشعاع الشمسي خالل السنة بداللة الزمن المحلي تأثير زاوية الميل على المساحة النشيطة لحوض التبخير تغيرات درجة حرارة المحيط ومختلف عناصر الجهاز بداللة الزمن منحنى تغيرات نواتج التقطير مع تغير شدة اإلشعاع الشمسي بعض المعامالت التي لها تأثير في عملية التقطير تأثير معامل االمتصاص اإلشعاعي على حوض التبخير تأثير كمية الماء المالح بالحوض على عملية التبخير تأثير سرعة تيارات الهواء على أداء الجهاز تأثير زاوية الميل على اإلنتاجية والمساحة الفعلية للحوض منحنى تغيرات معامالت الحرارية )بالتبخير بالحمل الحراري وباإلشعاع( منحنى تغير معامل التبخير بداللة الفرق في درجة الحرارة منحنى تغير معامل الحمل الحراري مع الفرق في درجة الحرارة معامل التبادل اإلشعاعي الداخلي بداللة الفرق في درجة الحرارة التسريبات الحرارية الخارجية تغيرات معدل كمية الماء )المتدفقة المقطرة والمصرفة( خالل مدة 6

7 التشميس النسب المئوية المساهمة في الناتج الكلي للتقطير دراسة إثباتيه للنموذج المنجز بالوضعية العمودية للصفيحة المعدنية بالمحاكاة العددية مقارنة بين شدتي اإلشعاع الشمسي المقاس والمحاكاة مقارنة بين درجتي حرارة المحيط الخارجي نظريا وتطبيقيا مقارنة بين نواتج التقطير من الناحية التجريبية والمحاكاة العددية... الفصل الخامس: األثر االجتماعي-االقتصادي 5. مقدمة اآلثار االجتماعية-االقتصادية األثر االجتماعي جرى أزمة المياه األثر االقتصادي اإلنتاجية التكلفة المادية للجهاز التكلفة السنوية لالستثمار) CAI ( التكلفة السنوية للصيانة وحق االنتفاع) CAME ( القيمة السنوية لالستهالك) VAA ( الخالصة الخالصة العامة... الملحقات... الملحق. A... الملحق. B... B. 1. اختبار تحقق من الصحة... المراجع... 7

8 أ 1 ب 1 أ 5 ب 5 ب 6 الئحة األشكال الفصل األول 18 الشكل تصنيف مختلف المقطرات الشمسية المتداولة الشكل إبراز مختلف االنتقاالت الحرارية الممكنة في جهاز التقطير الشكل رسم بياني لمقطر شمسي تقليدي مزدوج ميل الغطاء الزجاجي... الفصل الثاني 34 الشكل الحركة الظاهرية للشمس مع إبراز خط الطول الشكل اإلحداثيات السماوية األفقية الشكل اإلشعاع الشمسي المباشر الوارد لسطح مستقبل مائل بزاوية كيفية غير معين... الفصل الثالث 45 الشكل مقطع عرضي لجهاز التقطير الشمسي المعدل مع مكوناته األساسية الشكل. 2.a. 3. الزوايا واألبعاد المهمة التي يرسمها شعاع الشمسي الوارد على سطح حوض التبخير الشكل. 2.b. 3. إبراز الظل الذي يرسمه الجدران الجانبية الشكل. 3: 3. مظهر المساحة الفعلية لاللتقاط اإلشعاع الشمسي الملقى على الحوض الشكل يبرز مختلف االنتقاالت الحرارية الممكنة في المقطر المعدل الشكل مخطط الخوارزمية األساسي للمقطر المعدل... الفصل الرابع 65 الشكل. 4.. منحنى تغيرات شدة اإلشعاع الشمسي بداللة الزمن المحلي لنصف الثاني من السنة الشكل. 4.. منحنى تغيرات شدة اإلشعاع الشمسي بداللة الزمن المحلي لنصف األول من السنة الشكل منحنى تغيرات مساحة االلتقاط اإلشعاعي بداللة زاوية ميل الصفيحة مكثف 4 -مبخر الشكل منحنى تغيرات درجات حرارة عناصر الجهاز بداللة الزمن المحلي الشكل منحنى تغيرات نواتج التقطير خالل أشهر السنة بداللة تغيرات متوسط شدة اإلشعاع الشمسي الشكل. 4.. منحنى تأثير درجة حرارة الحوض بتغير معامل االمتصاص بداللة الزمن المحلي الشكل. 4.. منحنى تأثير معامل امتصاص الحوض لإلشعاع بداللة الزمن المحلي الشكل. 6 أ. 4. منحنى تأثير سمك الماء في الحوض على الناتج الكلي بداللة الزمن المحلي الشكل. 4.. منحنى تأثير سمك الماء في الحوض على درجة حرارة الماء في الحوض بداللة الزمن... 8

9 ب 8 ح 7 75 الشكل ج. منحنى تأثير سرعة الرياح على معامل التسريب الحراري الكلي للنظام الشكل. 4.. منحنى تأثير سرعة الرياح على نواتج التقطير بداللة الزمن المحلي الشكل خ. منحنى تأثير تغيرات معدل اإلنتاج الكلي بداللة تزايد سرعة الرياح الشكل أ. منحنى تأثير زاوية ميل المكثف 4 -مبخر على مساحة الحوض. 76 الشكل. 4.. منحنى تأثير زاوية ميل المكثف على مساحة الحوض الفعلية وإنتاجية الصفيحة المعدنية الشكل منحنى تغيرات معامل التبخير بداللة الفرق في درجة الحرارة. 78 الشكل منحنى تغيرات معامل الحمل الحراري الداخلي بداللة الفرق في درجة الحرارة الشكل منحنى تغيرات معامل اإلشعاع الداخلي بداللة فرق في درجة الحرارة الشكل التوزيع المئوي لنسبة التسريبات الحرارة على مستوى المقطر الشمسي الشكل منحنى تغيرات كال من تدفق مياه المصرفة المقطرة ومياه التزويد بداللة الزمن المحلي الشكل منحنى توزيع النسب المئوية المساهمة في عملية التقطير لكل من الغطاء الزجاجي الصفيحة المعدنية والصفيحة المكثفة الشكل مقارنة بين منحنى اإلشعاع الشمسي النظري والتجريبي بداللة الزمن المحلي الشكل مقارنة بين القيم العددية والتجريبية لدرجة حرارة الوسط بداللة الزمن المحلي الشكل مقارنة بين الكمية التجميعية المتحصل عليها تجريبيا وعدديا بداللة الزمن المحلي... الفصل الخامس 89 الشكل صورة تجسيدية لجهاز التقطير الشمسي المعدل الشكل تغيرات كلفة وحدة من الماء المقطر بداللة مدة حياة الجهاز... الملحق. B. 98 الشكل. B. 1. صفيحة في وضع عمودي الشكل. B. 2. صفيحة في وضع مائل الشكل. B. 3. الخلية في وضع مائل الشكل. B. 4. الخلية في وضع أفقي الشكل. B. 5. الخلية في وضع عمودي... 9

10 الئحة اجلداول الفصل األول جدول صيغ معامل الحمل في حالة تغيرات زاوية الميل للغطاء الزجاجي) )Cengel. جدول عرض مختلف نماذج من المقطرات الشمسية مع إبراز الفعلية الطاقوية لكل نموذج... الفصل الثاني جدول قيم معامل االضطراب ومعامل ارتفاع الماء المكثف... الفصل الثالث جدول قيم الزاوية الحرجة بداللة معامل الشكل... جدول قيم عدد Nusselt بداللة وضعيات وأبعاد خلية التقطير... الفصل الخامس جدول إعطاء السعر الوحدة لمجمل العناصر الداخلة في تركيب الجهاز... جدول تقدير التكلفة لمكونات الجهاز) 2013 Ranjan..K(....R جدول يبرز أثر مختلف المعامالت على سعر الوحدة من الماء المقطر) )Al-Kharabsheh. الملحق. B جدول. B. 1. إعطاء نسب خاصة بمقادير االمتصاص واالنتشار لإلشعاع الشمسي... جدول. B. 2. الخصائص الترمو-فيزيائية المستخدمة في هذه الدراسة... جدول. B. 3. عبارة عدد Nusselt ألشكال هندسية مختلف. جدول. B. 4. خصائص الخواء الجاف.. جدول. B. 5. خصائص الماء المالح... جدول..6. B خصائص الهواء الرطب.. 10

11 الرمز الرتميز واالصطالحات االصطالح االنتشارية الحرارية a α a زاوية سمت الرأسي Cp السعة الحرارية D c االنتشارية الكتلية d c المسافة البينية E البعد F الكسر Gg اإلشعاع الشمسي عدد غراشوف Gr االرتفاع H معامل االنتقال الحراري h االرتفاع الشمسي h معامل االنتقال الكتلي h m الحرارة الكامنة h f الطول L الكتلة M الكتلة المولية للهواء M a الكتلة المولية لبخار الماء M V التدفق الكتلي m رتبة اليوم في العام N j عدد نوسالت Nu الضغط P عدد برانتل Pr التدفق الحراري Q ثابت الغازات المثالية R عدد رايلي Ra نسبة R c المساحة S عدد شيروود Sh اإلشعاع الشمسي المباشر S i,γ درجة الحرارة T زمن الشمسي المتوسط TSM زمن الشمسي الحقيقي TSV Linke معامل االضطراب الجوي لالنك T L الزمن t معامل االنتقال الحراري U سرعة الرياح W s ارتفاع عن سطح األرض Z الرموز اإلغريقية االمتصاصية α معامل التمدد الحراري β االنبعاثية ε التوصيلية الحرارية λ اللزوجة الديناميكية μ اللزوجة الحركية ν وحدات دولية m 2 s -1 درجة J kg -1 K -1 m 2 s -1 m m بدون وحدة W m -2 بدون وحدة m W m -2 درجة K -1 m s -1 J kg -1 m kg kg kmol -1 kg kmol -1 kg m -2 s -1 - بدون وحدة Pa بدون وحدة W J K -1 mol -1 بدون وحدة بدون وحدة m 2 بدون وحدة W m -2 K min min بدون وحدة s W m -2 m s -1 km K -1 بدون وحدة K -1 بدون وحدة W m -1 Pa s m 2 s -1 K -1 11

12 االنعكاسية R زاوية ميل الغطاء الزجاجي θ زاوية ميل الصفيحة مكثف 4 -مبخر φ الكثافة ρ ثابت ستيفان-بولتزمان σ زاوية سمت الرأسي γ زاوية سمت الشمسي γ s الفعالية η الدليل السفلي الوسط الخارجي a الحوض b بين الحوض والوسط الخارجي ba بين الحوض وطبقة الماء المالحة be الحمل الحراري c صفيحة مكثف 2 cs بين المكثف والوسط الخارجي csa بالتوصيل الحوض والوسط الخارجي dba التبخير e الفعال eff المكافئ eq الماء المالح e بين الماء المالح والغطاء الزجاجي ev بين الماء المالح والصفيحة مكثف 4 -مبخر ep يمثل المائع f اإلجمالي g المادة العازلة أسفل الحوض is الخليط m رسم المثلث على الحوض otr المساحة المظللة omb صفيحة مكثف 4 -مبخر p بين صفيحتي التكثيف pcs االنعكاس Ref اإلشعاع r الحالة البخارية للمائع V العطاء الزجاجي v بين الغطاء الزجاجي والوسط الخارجي va غالف السماوي ciel بدون وحدة درجة درجة kg m -3 W m -2 K -4 درجة درجة بدون وحدة 12

13 توطئة عامة: توفير الماء العذب في المناطق النائية والمعزولة في العالم أصبح من األمور الضرورية في وقتنا الحالي. مثال عن تلك المناطق الشرق األوسط وسط استراليا وصحراء اإلفريقية التي تمتاز بمنابع المياه المالحة. أسباب كثيرة وعديدة تخلق مشكل نقص المياه العذبة من بينها النمو السكاني والتطورات التي تشهدها عدة مجاالت منها الصناعية والزراعية والتي تتطلب توفير كميات هائلة من هذه المياه حتى ولو كان العثور على بعض هذه المياه بات أمرا صعبا لكنها تتميز بجودة منخفضة مع ملوحة زائدة ال تصلح لالستعمال المباشر لإلنسان وال لباقي المجاالت الحيوية. الماء هو مصدر الحياة لكنه موجود في كوكبنا على هيئات مختلفة دون تغير في الكمية اإلجمالية. في الواقع يحدث له تغيرات من حالة إلى أخرى )الدورة الطبيعية للماء(. في حين أن المياه المستخدمة تأتي من البحيرات واألنهار والمياه الجوفية. تمثل 97% نسبة مياه المحيطات التي نم العثور عليها على سطح الكرة األرضية والتي تمثل نسبة 2% موجودة في القطبين الشمالي والجنوبي( 2014.(Sellami, المياه العذبة المتوفرة تمثل 0.07% من مجموع الموارد ما يقارب من مليون كلم 3 ولكن توزيع هذه المياه غير متكافئ للغاية (2011.(Bechki, السؤال المطروح لماذا مع وجود هذه الكميات الهائلة من المياه غير أننا عاجزين عن استغاللها بالشكل المباشرة جوابا على هذا السؤال يجب أن نوضح إحدى الظواهر الطبيعية والمتمثلة في ظاهرة الحلول)األسموز( مفعول هذه الظاهرة يسري على جميع الكائنات الحية. وتعرف بانتقال المحاليل ذات التركيز القليل نحو المحاليل المركزة عبر أغشية نصف نفوذه. النباتات ال يمكنها امتصاص الماء المالح من التربة لوجود عائق االمتصاص وهو كمية الملح الزائدة مما يجعل العملية تتم باالتجاه العكسي أي يخرج الماء الموجود داخل الجذور نحو التربة. مما يترتب عن هذا موت المحتم للنبتة. لهذا السبب ال يمكننا استعمال مياه البحر أو المياه الجوفية مباشرة. تفسير هذه الظاهرة هو جواب عن السؤال المطروح أنفا. العديد من المناطق في العالم تصنف بأنها نائية وقاحلة تعاني من مشكل نقص وشح الموارد المائية الصالحة للشرب. هذا المشكل يتفاقم يوما بعد يوم نظرا لنقص الحاد في معدل التساقط األمطار الموسمية الجفاف الشديد جراء ارتفاع درجات الحرارة تزايد عدد 13

14 السكان في نطاق ضيق ومناطق جغرافية محددة. كل هذا وغيره يدعو للقلق من نشؤ حروب وصراعات حول ما تبقى من موارد مائية. الجزائر بلد غير مستثنى من هذا المشكل نظرا لشساعة الرقعة الجغرافية. وتمثل الصحراء ثلثي المساحة اإلجمالية يتوزع سكنها على مناطق نائية ومعزولة من المصادر الطاقوية االعتيادية وفكرة إنشاء محطات تحليه في هذه المناطق أمر في غاية الصعوبة كون تلك المناطق تفتقر ألدنى المستلزمات الحياتية كاالتصاالت الشبكة الكهربائية ذات الجهد العالي...الخ. هناك عدة حلول وتقنيات يمكن أن تساهم في حل مشكل تناقص المياه العذبة منها الطرق الكالسيكية المعروفة التي تستخدم الطاقة األحفورية كمصدر طاقوي لكنها مبعث قلق بالنسبة للطبيعة ويتمثل خطرها في انبعاث الغازات السامة التي لها تأثير سلبيا في البيئة مما ينعكس ذلك على الكائنات الحية والنباتات. نذكر على سبيل الذكر ال الحصر من بين هذه الطرق المسمومة تقنيات تحليه المياه باستعمال الوقود األحفوري كالبترول والغاز الطبيعي اليورانيوم...الخ التي تتسبب في ارتفاع درجات الحرارة مما ينعكس بالدرجة األولى على جل الظواهر الطبيعية كالدورة الطبيعية للماء تساقط غير المنتظم لألمطار الموسمية زوابع وموجات أعاصير قوية كالسونامي البديل الذي يفرض نفسه حاليا هو استخدام الطاقة الشمسية حيث تعتبر أصل جل الطاقات الموجودة مثل طاقة الرياح الطاقة المائية والنباتية هذه الشمس التي سخرت لنا الستفادة من مزاياها العديدة منذ عصور قديمة. فما مقدار الطاقة الشمسية التي تصل لألرض. يصل إلى سطح األرض حوالي نصف كمية الطاقة الشمسية القادمة من الشمس حيث يستقبل كوكب األرض ما يقارب 48% من اإلشعاعات الشمسية القادمة إليه على شكل إشعاعات منتشرة) 18% ( ومباشرة )30%( بينما 52% منها تختفي حسب اعتبارات) 2002 )Communay, القيم مدونة في الملحق. B وفيما يمكن ذكره عن تطبيقات استخدام الطاقة الشمسية ما يلي: في عملية التدفئة والتبريد التهوية في مجال الطهي الشمسي تجفيف المحاصيل الزراعية معالجة الماء تسخين الماء اإلضاءة الشمسية والتخطيط المدني والمعماري. جل هذه التقنيات وغيرها لها مزايا عديدة إما ايجابية أو سلبية من بين المزايا االيجابية أنها تستخدم األشعة الشمسية غير الناضبة كوقود حيوي. من ناحية تكاليف االنجاز لمثل هذه األجهزة ال تتطلب 14

15 تكاليف باهظة وأسعارها في متناول اإلنسان البسيط بينما عملية الصيانة ال تتطلب تكنولوجيات عالية غير أن األمر السلبي في هذه التقنيات يتمثل فقط في المردود الضئيل لكل 1m. 2 وبهذا يتطلب توفير الماء العذب تضافر جهود الباحثين في هذا المجال لتدارك العجز في تأمين هذه المادة الحيوية. أول ظهور واستعمال ألجهزة التقطير كان في الشيلي منذ 1870(2003 (Delyannis, ومن ذلك الوقت بدأت عمليات دراسة تطوير وتحسين لمردود وكفاءة هذا النموذج. هدفنا في هذه الدراسة يتمثل في تحسين كفاءة الجهاز أوال من خالل مضاعفة سطوح التكثيف من جهة ومن جهة ثانية تحقق من مبدأ إعادة االستفادة من الطاقة الضائعة جراء عملية التكثيف مرة أخرى. وبالتالي زيادة في كمية الماء المقطر المتحصل عليها. اخترت منطقة ورقلة )جنوب الجزائر( كمنطقة نموذجية الستخدام المعطيات الجغرافية للمساعدة على الدراسة. بينما أنجزت الحسابات الرقمية في وحدة البحث في الطاقات المتجددة في المناطق الصحراوية) URER MS ( بمدينة أدرار. هذا الهدف يرتكز أساسا على الخصائص الحرارية الخاصة بالمكثف والتي تمثل مفتاح كفاءة التقطير الشمسي. تحتوي هذه المخطوطة في األساس على خمسة فصول يتبعها ملحقات توضيحية. يتقدمها فصل أول يشتمل على نبذة وجولة في المراجع لسرد بعض األعمال ذات صلة بموضوعنا. يليها فصل ثاني نسرد فيه النموذج النظري لإلشعاع الشمسي المقترح والذي أخذ بالحسبان على أساس انسجامه لمعطيات الدراسة. أما عن الفصل الثالث فهو يحتوي على نمذجة النموذج وصياغته للصورة الرياضية حتى تسهل علينا معالجتها عدديا. ونختم بالفصل الرابع حيث نسرد فيه جميع النتائج الرقمية المتحصل عليها والتي تقرب الصورة االفتراضية للجهاز للوضعية الواقعية من خالل المعطيات المناخية والجغرافية لمنطقة الدراسة مع إبراز مصداقية النموذج الرقمي المقترح بإجراء وجه مقارنة للنتائج التجريبية مع ما يقابلها بالمحاكاة العددية والفصل الخامس يحدد التكلفة اإلجمالية لوحدة كيلوغرام من الماء المقطر الناتجة من هذا النموذج المقترح ليعطي فكرة واضحة على أساسها يمكن عرض هذا الجهاز ليستغل من طرف الهيئات المعنية. نختم هذه الفصول األربعة بخاتمة عامة نلخص فيها النتائج والتوصيات يختم بوضع قائمة اسمية لجميع المراجع. 15

16 الفصل األول الدراسة المرجعية 16

17 1. مقدمة: توفير مياه الشرب مشكلة رئيسية في متخلف مناطق العالم وخاصة في البلدان النامية وهذا جنبا لجنب مع الحاجة الماسة للغذاء والهواء. الماء ضرورة أساسية لإلنسان والكائنات الحية. يعتمد استغالل اإلنسان للمياه العذبة غالبا على األنهار والبحيرات وخزانات المياه الجوفية ولكن تلوث األنهار والبحيرات بسبب المخلفات الصناعية ومياه الصرف الصحي تسبب في ندرة المياه العذبة في العديد من البلدان والقرى القريبة من هذه البحيرات واألنهار. تشير االستطالعات إلى أن حوالي 79% من المياه المتاحة في األرض مالحة غير صالحة ال للشرب وال للسقي الزراعي. 1% فقط من هذه المياه هي الصالحة للشرب والباقي 20% غير المالحة مجمدة في القطبين الشمالي والجنوبي) 2001.)Kettab, نحن بصدد المساهمة الجدية في تعزيز المشاريع التي تهدف إلى توفير المياه الصالحة للشرب في المناطق النائية والصحراوية بجنوب الجزائر حيث يتكبد بعض السكان لقطع مسافات طويلة من أجل الحصول على قطرة ماء صالحة للشرب. تقطير المياه المالحة)مياه البحر مثال( أينما كانت متوفرة هي وسيلة متاحة للحصول على المياه العذبة. ومع ذلك فإن عمليات التقطير باألساليب التقليدية مثل التبخير متعدد التأثير) Multi-effet ( متعدد المراحل التبخر) Multi-flash ( التناضح العكسي) inverse )Osmose والكهربائي) Electrodialyse ( هي تقنيات تتطلب استخدام للطاقة بكثافة وهذه الطاقة يفتقر وجودها في تلك المناطق النائية. لذا والتقطير الشمسي هو البديل المناسب لهذه الظروف وهذا بسبب تقنيتها البسيطة. وعدم حاجتها لليد الماهرة ألعمال الصيانة وال الستهالكها للطاقة األحفورية الناضبة. على هذا النحو يمكن استخدامها في أي مكان دون وجود لمشاكل عويصة. يوضح الشكل تصنيف ألهم المقطرات الشمسية المنجزة من طرف كال من ( and Sodha, (1980, 1981); Tiwari and Rao, 1983; Tiwari 17

18 Malik, 1982 )Yadav, 1985; Tiwari, 1989; ويتم عرض تفاصيل بعض النماذج الحقا. التقطري الشمسي املقطر الشمسي النشط املقطر الشمسي غري النشط التقطري بدرجات حرارة عالية الليلي التقطري مقطر مشسي آحادي امليل مقطر مشسي ثنائي امليل باستعمال الدفيئة احلرارية باستخدام املركزات أو جممعات الشمسية متناظر غري متناظر الشكل تصنيف مختلف المقطرات الشمسية المتداولة مبدأ عمل المقطرات الشمسية: الشكل يبين مختلف عناصر التوازن الطاقوي وضياع الطاقة الحرارية في جهاز التقطير الشمسي التقليدي. يحتوي هذا الجهاز على حوض محكم الغلق بالعادة يشيد بواسطة الخرسانة أو األسمنت المجلفن أو من صفائح )مادة القالفانيز أو األلمنيوم مثال إلخ...( أو من ألياف البالستيك المقوى. مع الغطاء العلوي من مادة شفافة مثل الزجاج والبالستيك إلخ... واستعمل طالء أسود عند السطح الداخلي لقاعدة الحوض المستطيلة لزيادة كفاءة معدل امتصاص اإلشعاع الشمسي الوارد. وحتى نقلل من الضياع الحرارة المخزنة في الحوض خالل مدة التسخين ترتكز قاعدة الحوض على مادة أسفنجية ذات السمك المعتبر مع الخصائص فيزو-حرارية المواتية للعزل إلعطاء جودة في اإلحكام. نزود محيط قاعدة الحوض بإطار خشبي إلعطاء شكل أنيق للجهاز. تتم عملية تغذية-تنقية الحوض عن طريق أنابيب معدنية موصولة أسفله. وعليه مبدأ عمل الجهاز يتم على النحو التالي: ينتقل أغلب اإلشعاع الشمسي الوارد على الغطاء الزجاجي ( g )τ v G بعد أن ينعكس جزء منه ( g )ρ v G للوسط 18

19 الخارجي ويمتص كمية قليلة ( g (α v G بفعل عطالة الزجاج. كمية اإلشعاع التي تصل الحوض تطرأ عليها ما يحدث على مستوى الغطاء الزجاجي غير أن الحوض األسود يتميز كونه ال يمرر األشعة بل يمتص أكبر كمية لتتحول في النهاية إلى حرارة التي تعمل على تسخين طبقة الماء المالحة التي بدورها تنتج بخار الماء المتصاعد نحو سطوح التكثيف. وتوصل نهاية كل سطح تكثيف بقناة لتجميع الماء المقطر. توجد في األساس ثالثة أنماط النتقاالت الحرارية فهي اإلشعاع) Q( rij الحمل الحراري) Q( cij التبخير) Q( eij وهي تتم بين السطح الساخن i نحو السطح البارد.j الشكل إبراز مختلف االنتقاالت الحرارية الممكنة في جهاز التقطير 1: اإلشعاع الشمسي الوارد 2: المقدار الممتص 3: الكمية المنعكسة 4: االنتقال بالحمل 5: حوض التبخير 6: الغطاء الزجاجي 7: اإلطار الخشبي 8: المادة العازلة السفلية 9: االنتقال باإلشعاع 10: االنتقال بالحمل الحراري : 11 كمية اإلشعاع النافذة عبر الزجاج التبادالت الحرارية في المقطر الشمسي التقليدي: التبادل الحراري في أنظمة التقطير الشمسي باإلمكان تصنيفه من خالل المظهر الداخلي والخارجي للجهاز. االنتقاالت الحرارية الخارجية تتم عن طريق التوصيل والحمل الحراري باإلضافة لإلشعاع وهي مستقلة عن بعضها البعض هذه االنتقاالت الحرارية الخارجية مصدرها الغطاء الزجاجي والجوانب العازلة وكذا المادة العازلة تحت 19

20 الحوض نحو الوسط الخارجي. أما عن التبادالت الحرارية الداخلية فهي تتم بين سطح التسخين الذي يحتوي على المائع المراد تقطيره نحو السطوح التكثيف الباردة نسبيا في هذه الحالة يتزامن االنتقال الحراري بالحمل مع االنتقال الكتلي لبخار الماء دون ارتباط باالنتقال اإلشعاعي. الشكل يظهر التصنيف ألهم عناصر االنتقاالت الحرارية على مستوى المقطر الشمسي التقليدي االنتقاالت الحرارية الخارجية: معامل الضياع الحراري العلوي: على اعتبار سمك الغطاء الزجاج صغيرا نسبيا وال وجود لتدرج الغطاء في درجة حرارته)درجة حرارة موحدة(. التبادل الحراري بين بالعالقة حسب) 2008 )Sadineni, والوسط الخارجي يمكن وصفه التالية: (1.1) Q v = Q cva + Q rva حيث يعبر كال من Q cva و Q rva الحمل الحراري المتبادل بين الغطاء الزجاجي والمحيط الخارجي. واإلشعاع الحراري Q rva = h rva (T v T a و( Q cva = h cva (T v T a ) معامل التبادل الحراري بالقاع والسطوح الجانبية: يتم انتقال الحرارة من الحوض نحو الوسط الخارجي عبر المادة العازلة عن طريق التوصيل وبعد ذلك بالحمل واإلشعاع من القاع والسطوح الجانبية. والمعادلة )1990 )Dhiman, تكتب بالشكل التالي: (2.1) U b = [ 1 h cbe + 1 h h ] 1 نعرف كال من (3.1) 1 = 1 h h λ is E is + 1 h cba λ is يمثل h cbe معامل التبادل الحراري بالحمل بين الصفيحة الماصة والماء المالح في الحوض ويمثل معامل التوصيل الحراري للمادة العازلة. 20

21 االنتقاالت الحرارية الداخلية: نمط التبادالت الحرارية الداخلية تتم بين طبقة الماء المالحة في الحوض وسطوح التكثيف معامل اإلشعاع الداخلي: في هذه الحالة نعتبر سطح الماء المالح والغطاء الزجاج هي سطوح غير منتهية ومتوازية)هذا التقريب صالح في حالة زاوية ميل صغيرة للغطاء الزجاجي أما غير ذلك يلزم إدخال معامل الشكل (كما هو مبين في الملحق. A (. كمية الحراري المتبادلة باإلشعاع بين المستويين الالنهائيين والمتوازيين الماء-الزجاج يعطى حسب )2008 )Sadineni, بالشكل التالي: (4.1) Q rev = h rev S e (T e T v ) ونعرف معامل التبادل الحراري باإلشعاع بين الماء والغطاء الزجاجي حسب )2008 )Velmurugan, بالعالقة التالية: (5.1) h rev = ε e σ [(T e ) 2 + (T v ) 2 ](T e + T v ) معامل الحمل الحراري الداخلي: يحدث االنتقال الحراري بواسطة الحمل الحراري الطبيعي للهواء الرطب داخل المقطر الشمسي التقليدي والذي كان سببه تأثير طفو البخار في الهواء نظرا الختالف كثافة المائع. هذا يحدث بسبب تدرج في درجة حرارة المائع. كمية الحرارة المنتقلة من سطح الماء إلى الغطاء الزجاجي بواسطة الحمل الحراري في االتجاه التصاعدي من خالل المائع الرطب يمكن كتابتها على النحو التالي: (6.1) Q cev = h cev S e (T e T v ) ونعرف بالمقابل معامل الحمل الحراري انطالقا من عالقة العدد الالبعدي ل) Nessult (, Velmurugan (كما 2008( Nu = C (Gr Pr) n يلي: (7.1) h cev = Nu d b λ f 21

22 حيث قيم األعداد,n C تحدد حسب نمط وحركة المائع كما يلي: { n = 1 4, 104 < Gr < n = 1 3, < Gr < 10 7 )Tiwari, 2005( عدد الالبعدي ل Grashof (8.1) Gr = g d b 3 β T 2 ρ f ΔT μ f 2 )Tiwari, 2005( عدد الالبعدي ل Prandtl (9.1) Pr = μ f Cp f λ f تكتب عبارة ΔT فرق في درجة الحرارة على النحو التالي: (10.1) ΔT = ΔT + (P e P v ) (T e ) Ma P T Ma M V P e وعليه يكتب المعامل بالشكل التالي) 2010 :)Tsilingiris, (11.1) n h cev = C C f [ΔT + (P e P v ) (T e ) Ma P T ] P Ma M e V ويكتب المعامل الذي يختلف من مائع ألخر حسب الخصائص الترمو-فيزيائية لكل مائع على الشكل التالي) 2010 :)Tsilingiris, C f (12.1) C f = λ f d b [ g d 3 b β T 2 n ρ f Cpf ] μ f λ f معامل التبخير الداخلي: توجد عالقة بين الحمل الحراري وانتقال كتلة الهواء الرطب كما أشرنا سالفا وتكتب العالقة بينهما كما يلي) 2010 :)Tsilingiris, (13.1) h eev = h cev hf(t) Cp f M a M V P 0 (P 0 P(T e )) (P 0 P(T v )) 22

23 4. 1. العوامل المؤثرة في التقطير الشمسي: تأثير ازدواجية-أحادية ميالن الغطاء الزجاجي على معدل التقطير: يبين الشكل )1990 )Okek, طريقة توزيع اإلشعاع الشمسي الوارد على المقطر وكذا أهم االنتقاالت الحرارية الداخلية والخارجية التي يمكن أن تحدث خالل عملية التقطير. الغطاء الزجاجي الذي يستقبل اإلشعاع الشمسي الوارد له أكثر من دور من بين هذه األدوار كونه يحجز البخار داخل حيز مغلق ويلعب دور المكثف هذه الميزة الذي يؤدي لرفع درجة حرارته مما يقلل من عملية التكثيف وبالتالي معدل التقطير ينخفض بصورة ملحوظة. حتى مع ارتفاع درجة حرارة المياه في الحوض البد من وجود فرق كبير في درجتي حرارة بين الماء وسطح التكثيف هذا الفرق يولد انتقال للبخار وعليه إنتاج الماء المقطر. إن زيادة التوصيلية الحرارية للهواء المحصور بين الزجاج والماء سيؤدي حتما لتحسين أداء التقطير لهذا من الناحية االقتصادية وزيادة الكمية يستحسن مضاعفة مساحة الغطاء الزجاجي بحيث احد أوجهه يتجه نحو الجنوب لغرض تكثيف واستقبال اإلشعاع والوجه الثاني معد للتكثيف. بالنسبة لزاوية ميل الغطاء الزجاجي فإن) 1969 )Cooper, درس معدل إنتاج الماء التقطير بداللة تغيرات قيم مختلفة للزوايا حيث أثبت أن معدل التبخير يتناقص مع تغير الزاوية في المجال 45-0 ويرتفع عند الزاوية 60 وينخفض مرة أخرى بعد القيمة 75. معامل الحمل الحراري بين الزجاج والماء تختلف كتابة صيغة على حسب زاوية الغطاء الزجاجي كما هو مبين في الجدول

24 الشكل رسم بياني لمقطر شمسي تقليدي مزدوج ميل الغطاء الزجاجي. جدول. 1: 1. صيغ معامل الحمل في حالة تغيرات زاوية الميل للغطاء الزجاجي) 2006 )Cengel. 30 < 30 i نستبدل g بالقيمة (i) g cos من g يكتب دون تغير h أجل < 10 9 Ra c تأثير درجة حرارة المحيط: درجة حرارة الوسط المنخفضة تعمل على خفض درجة حرارة الغطاء الزجاجي وعليه الفارق) T( e T v في درجة الحرارة بين الماء والزجاج يرتفع وبالتالي يحصل ارتفاع في اإلنتاجية. عدة دراسات وبحوث أجريت لدراسة تأثير درجة حرارة الوسط على إنتاجية المقطر الشمسي كالنموذج النظري المقترح من طرف) 1982 )Malik, النتائج المتحصل عليها تثبت الزيادة الضئيلة بمقدار 3% من فعلية المقطرات الشمسية من أجل زيادة في درجة حرارة الوسط بمقدار Nafey, ( 5 C 2000 (.هذه النتيجة تتوافق مع األعمال المنجزة من طرف) Al-Hinai, 2002( والذي أكد بأن ارتفاع درجة حرارة الوسط بمقدار 10 C يؤدي لتحسين مردود الجهاز بحوالي 8.3%. 24

25 تأثير اإلشعاع الشمسي: يلعب اإلشعاع الشمسي دورا أساسيا في عملية التقطير. وعليه عدة بحوث أنجزت لدراسة أثر هذا المعامل في التقطير الشمسي تلك النتائج المتحصل عليها من طرف) 2000 )Safwat, و) 2012 )Rahbar, تثبت دون شك الزيادة المعتبرة من الماء المقطر الناتج بزيادة شدة اإلشعاع الشمسي. باإلضافة للتجارب المنجزة في منطقة بوسماعيل-الجزائر إلثبات أثر العوامل المناخية على المقطر الشمسي مزدوج الميل نتائجه أدلت على الزيادة في اإلنتاج بزيادة اإلشعاع الشمسي تأثير سرعة الرياح: هذا ما قام بإثباته) 1969 )Cooper, بحيث مردود التقطير يتزايد بمعدل 11.5% مع متوسط سرعة الرياح بين m/s بينما يزداد بنسبة 1.5% من أجل قيم لسرعة الرياح في المجال من 2.15m/s إلى غاية.8.8m/s وبالتالي على العموم السرعة الزائدة لرياح لها تأثير طفيف على معدل التقطير. التيارات الهوائية الماسحة للغطاء الزجاجي من فوق تودي النخفاض درجة حرارة الزجاج مما يتسبب في تسريع عملية التكثيف هذا يعني أن مردود التقطير يتزايد في حال كون سمك الماء في الحوض كبير نوعا ما. بينما ال يظهر هذا التأثير على الناتج اليومي في حالة السمك الصغير للماء. سرعة الرياح فوق قيمة معينة)حوالي )5m/s ليس لها تأثير كبير على المردود اليومي. في هذه الحالة سرعة الرياح المتزايدة تودي إلى زيادة في الحمل الحراري بين الغطاء الزجاجي والهواء المحيط لهذا السبب يحدث انخفاض محسوس لدرجة حرارة الزجاج بالتالي ارتفاع في فارق درجة حرارة بين الماء والغطاء الزجاجي وعليه زيادة معتبرة في الناتج اليومي من الماء المقطر. 25

26 تأثير السعة الحرارية للماء في الحوض: الدراسة التي قدمها) 1969 )Cooper. على تأثير تغيرات سمك الماء المالح في الحوض حيث وضح مدى التأثير البارز السيما في وجود العازل تحت الحوض وفي حال غيابه وعند السمك الصغير للماء ال يظهر أي تأثير. وجدت عدة دراسات سعت إلثبات تأثير سمك طبقة الماء في الحوض على اإلنتاج اليومي من الماء المقطر. النتائج المصرح عليها تؤكد تناقص مردود المقطر كلما زاد سمك الماء في الحوض. )2009a, Khalifa ( )2007, Phadatare ( )2007 Tiwari, ( )2005 Tiwari, )Tripathi and سعوا لدراسة تغيرات سمك طبقة الماء في المقطرات الشمسية على معامل انتقال الحراري والكتلي على أنماط من المقطرات الفعال منها وغير الفعالة تأثير زاوية ميل الغطاء الزجاجي: عموما إنتاجية المقطرات الشمسية تعتمد على زاوية ميل الغطاء الزجاجي بشكل كبير هذه الزاوية بدورها تعتمد على الوجهة الجغرافية للمقطر الشمسي باإلضافة لخط العرض منطقة تواجده. على أساس هذه االعتبارات سيستفيد المقطر عبر أيام السنة من كمية معتبرة من اإلشعاع الشمسي. التجارب المنجزة من قبل) 2005 )Tiwari, بخصوص دراسة تأثير زاوية إمالة الغطاء الزجاجي على أداء التقطير الشمسي. حيث تنبأ بزيادة معتبرة في الناتج تقارب 63% من المردود اليومي للمقطر بإمالة الغطاء الزجاجي لوحده. (2002 (Haini, أنجز دراسة نظرية الستقصاء تأثير زاوية الميل على نواتج التقطير. تبرز نتائج المحاكاة العددية بأن اإلنتاجية تتزايد في فصل الصيف مع تخفيض في زاوية ميل الغطاء الزجاجي لكن تنعكس النتيجة في فصل الشتاء. بعض األنماط األخر م المقطرات الشمسية:.5.1 توجد عدة أنواع من المقطرات الشمسية قام الباحثون بدراستها وتحسين أدائها نسرد منها على سبيل الذكر ال الحصر المقطرات شمسية أحادية زاوية ميل الغطاء الزجاجي مقطرات متعددة الفعل 26

27 مقطرات شمسية بفعل النسيج الفتيل الماص وتصميمات هجينة. تلك المقطرات المميزة بالنسيج المفتول الماص يغمس جزء منها داخل الخزان من أجل استفادة من عملية انتقال الماء بواسطة الخاصة الشعيرية. لكن) 2006 )Janarthanan, اعتبر تصميما جديدا لمقطر شمسي بالفيلم الشعيري. تم من خالل هذا العمل تحديد تأثير دمج كال من تدفق الماء المالح عبر النسيج وتدفق المياه عبر الغطاء الزجاجي وذلك العتبارات التالية الخاصية الشعيرية الجيدة وكذا العوامل المناخية وقوة االمتصاص اإلشعاعي. تم تطوير هذه النظرية عن طريق التجريب في الهند بتاريخ مارس أما) Fath and )Elsherbiny, 1993 أنجز تحليال لتأثير فعالية إدماج مكثف إضافي للمقطر الشمسي آحادي الميل وهو عبارة عن توصيل مباشر لخلية تكثيف المضللة يتم انتقال البخار إليها عن طريق فتحة أعلى الخلية. التجارب تمت بمقارنتها مع المقطر آحادي الميل حيث أكد زيادة بحوالي 70% من الناتج اليومي. عالوة على ذلك )2001 Harmim, )Boukar and أثبتوا تجريبيا مدى فعالية المقطر الشمسي العمودي بخاصية سريان ماء التبخير على سطح قماش إسفنجي. وأشاروا إلى أن معدل اإلنتاج يتضاعف بصورة تلقائية مع الظروف المناخية ودرجة حرارة لمنطقة صحراوية باإلضافة لدرجة حرارة الغطاء الزجاجي كما أظهرت الدراسة على مدى 4 أشهر بأن إنتاجية مثل هذا المقطر العمودي تتفاوت من 0.5 إلى 2.3kg/m 2 من مساحة القطعة األسفنجية. )2000 )Chaibi, أنجز دراسة عددية على البيت الزجاجي معد للزراعة مضافا إليه مقطر شمسي مائل في سقفه جهة اإلشعاع الشمسي حيث المقطر يتألف من مواد شفافة لإلشعاعات الواردة. من خالل النتائج المصرح إليها فعليه هذا النموذج المقترح يصلح استخدامه في المناطق ذات المناخ الجاف من أجل تكييف الظروف المناخية المساعدة لنمو النباتات في المناطق التي تفتقر للرطوبة وإنتاج الماء المقطر الستخدامه في عملية السقي. تقدر السعة اإلنتاجي المتحصل عليها من هذا النموذج حوالي (1-1.6) kg/m 2 J/ وبالتالي يعد هذا النموذج المقترح من األنظمة المكتفية ذاتيا إلنتاج المياه العذبة الستغاللها في ري المحاصيل الزراعية. 27

28 )2000 )Tanaka, أنجز دراسة تطبيقية لتصميم التركيبي بين خلية مستطيلة للتقطير ذات بعد بيني بين صفيحتين 5mm كما يحتوي على قطعة من النسيج مثبتة على اللوح الساخن للخلية مع مقطر شمسي آحادي الميل. أخلصت نتائجه النظرية على الزيادة التي فاقت التوقعات وهذا كلما زادت عدد الخاليا. نظريا يصل اإلنتاج المقطر المقترح أكثر من 15kg/m 2 d/ من أجل 10 خاليا ذات بعد بيني 5mm على اعتبار مقدار اإلشعاع الشمسي يصل 22.4MJ/m 2 d/ فكرة هذا التصميم ل) 1999 )El-Bahi, تأتي من ازدياد معدل البخار المحصور داخل المقطر الشمسي مما يولد ضغطا زائدا. ولتقليل من أثر هذه الظاهرة يفتح شق صغير لتمرير البخار لغرفة تكثيف ثانية معزز بمكثف إضافي وعاكس لإلشعاع مما يعطي له ميزة تحسين األداء للجهاز. يصل معدل اإلنتاج اليومي لهذا التصميم حوالي 7L/m 2 d/ حيث تنخفض فعاليته إلى غاية 70% حينما يعمل بإضافة المكثف لكن ترتفع إلى غاية 75% حالما نتخلى عن المكثف. الهدف الرئيسي من العمل الذي أنجزه )2011 )Zeroual, هو تعزيز المردود اليومي للمقطر الشمسي البسيط ذي ميلين للغطاء الزجاجي من جالل تحسين أداء المكثف. وقد تحقق ذلك عن طريق تبريد أحد سطوحه المكثفة. أجريت على إثر ذلك سلسلتين من التجارب في المجموعة األولى تم تبريد الغطاء الشمالي بالماء المنساب على كامل سطحه الخارجي لهذا تعززت اإلنتاجية بنسبة 11.8%. السلسلة الثانية تمثلت في خفض درجة حرارة الزجاج الشمالي وأكد ذلك من خالل وضع ظل متقطع على فترات )-12h00 14h00(. تعود نسبة التحسين بهذا اإلجراء حوالي 2.94%. )2010 )Bechki, أنجز عمال تجريبيا على المقطر الشمسي البسيط مزدوج ميل الغطاء الزجاجي بجنوب الجزائر. على أساس تظليل جزئي لفترات متقطعة لجانب من جوانب الغطاء الزجاجي لتخفيض من درجة حرارته وتحسين أداء التكثيف عليه. أجريت سلسلة من التجارب أولها تمثلت في تأثير الظروف المناخية على التقطير حيث يصل الناتج اليومي من الماء المقطر إلى 6.01L/m 2 d تم تحسين هذه القيمة في السلسلة الثانية وذلك بتعزيز قاعدة 28

29 المقطر وجوانبه من مادة عازلة إضافية من رمل محلي لمنطقة ورقلة. التجربة الثالثة عبارة عن محاولة تخفيض لدرجة الغطاء الزجاجي عن طريق التظليل في فترات متقطعة من مدة التشميس لغطاء الزجاجي الموجه نحو الشمال وعليه هذا اإلجراء أعطى تحسين بمقدار 12% من الناتج اليومي. النموذج المقترح من طرف )2001 )Bouchekima, هو تطوير وامتداد ألعمال سابقة منجزة من طرف الباحث (1987.)Ouahes, تم صياغة معادالت االنتقال الحراري والكتلي داخل خلية التقطير للمقطر الشمسي بالفيلم الشعيري كما أجريت عليه تجارب تحقيقيه إلثبات الزعم النظري. أثبتت النتائج التجريبية المتحصل عليها تفوق مثل هذا النموذج على النموذج التقليدي بالحوض األفقي. كما وجد من جهة أخرى بأن الشاش المستعمل في هذه التجارب يصلح لهذا الغرض والمتمثل في تجانس الفيلم الشعيري الرقيق للماء عبر كامل الصفيحة. األعمال التي أنجزها )2008 )Marif, تجريبيا على المقطر الشمسي بالفيلم الشعيري للماء على مستوى جامعة قاصدي مرباح ورقلة مخبر تطوير الطاقات الجديدة والمتجددة في المناطق الجافة والصحراوية. توضح جليا التوافق النظري مع القياسات التجريبية فيما يخص مقطر بطابق واحد والذي برهن على هذا التوافق الباحث )2014 )Zerrouki, وتحقيق مبدأ االستفادة من الطاقة الضائعة من كل طابق إلعادة تدويرها في الطابق الموالي. يصل معدل إنتاجية الجهاز بعدة طوابق إلى حوالي.2.10kg/m 2 التحقيق التجريبي المنجز من طرف )1988 )Ahmed, يهدف في األساس إلبراز أهمية ربط مكثف داخل مقطر شمسي بسيط أحادي الميل الناتج اليومي من الماء المقطر يتزايد بشكل ملحوظ من مقطر بسيط ال يحتوي مكثف إضافي يبلغ الناتج حتى 5.5kg/m 2 d/ إلى غاية 5.9kg/m 2 d/ في حال مقطر يحتوي على مكثف. ترتبط فعالية هذا الجهاز على تغيرات شدة اإلشعاع الشمسي حيث تبلغ 57%. 29

30 النموذج المقترح من طرف )2002 )Hassan, يتمثل في مقطر بسيط مزدوج الميل الوجه الموجه نحو الجنوب من الزجاجي بينما الوجه األخر يعتبر غطاء معدني ذي زعانف لزيادة معدل التكثيف. الفكرة البارزة في هذا التصميم تعبر عن محاولة تعزيز عملية التبخير بإضافة مكثف محسن. تم دراسة تأثير تبريد اللحظي للغطاء الزجاجي بالموازاة مع معامالت تشغيلية أخرى حيث وجد بأن لها تأثير ضئيل على نظام التقطير. 30

31 .6.1 الخالصة: في هذا الفصل قمنا بسرد مختلف النماذج والتصميم التي لها رابط صلة بالفكرة المجسدة من طرفنا ومن خالل النتائج االيجابية المتحصل عليها تجريبيا ونظريا والتي تفسر مدى فعالية وكفاءة عملية ربط وإقحام مكثفات إضافية)غير ناشطة( لمضاعفة نواتج التقطير لمقطرات شمسية تقليدية ذات مردود ضعيف. في الجدول يتم سرد ملخص عن تلك النماذج المذكورة سالفا وبيان مجمل العوامل والظروف المساهمة في نجاح فكرة التصميم. عرض مختلف نماذج من المقطرات الشمسية مع إبراز الفعلية الطاقوية لكل نموذج. جدول. 1. 2: الر قم الرقم المرجعي نوع اإلجراء مجال شدة اإلشعاع الشمسي (W/m 2 ) المردود اليومي من التقطير الفعالية الكلية % kg kg/m 2 /j 1 1.6kg/m 2 /j 15.4kg/m 2 /j 7L/m 2 /j 6.01kg/m 2 /j kg/m 2 /j kg/m 2 /j kg/m 2 /j نظري / تجريبي نظري / تجريبي تجريبي تجريبي نظري / تجريبي تجريبي تجريبي تجريبي تجريبي نظري Janarthanan, 2006 Fath, 1993 Boukar, 2001 Chaibi, 2000 Tanaka, 2000 El-Bahi, 1999 Bechki, 2010 Bouchekima, 2001 Ahmed, 1988 Hassan,

32 الفصل الثاني اإلشعاع الشمسي 32

33 2. مقدمة: الطاقة الشمسية هي عبارة عن طاقة كهرومغناطيسية ناتجة عن األشعة المنبعثة من كوكب الشمس. بالرغم من المسافة الشاسعة بين األرض والشمس والتي تقدر بحوالي 150 مليون كيلومتر غير أن القدرة اإلشعاعية تصل إلى 1000W/m 2 تكون على شكل ضوء مرئي الذي يصل بعد 8 دقائق وحزمة ما تحت الحمراء. هذه اإلضاءة هي مصدر العديد من منابع الطاقة الحفرية المتحجرة منذ عصور جيولوجية مضت مثل الكربون البترول والغاز الطبيعي وباإلضافة للطاقات الطبيعية المتجددة المباشرة وغير المباشرة مثل طاقة الرياح وكذا الطاقة الناتجة بفعل الهيدروليكا. نصف الكرة األرضية يستقبل في كل لحظة طاقة تعادل.(Perrin, ( W على شكل إشعاعات شمسية ذات طول موجة تقريبا محصورا بين mµ 5 mµ 0.25 بينما 40% من هذه الطاقة الواردة تنتشر نحو الفضاء الخارجي بواسطة الغيوم وغازات الغالف الجوي. 2. اإلشعاع الشمسي: اإلحداثيات األرضية: كل نقطة من سطح األرض معلمة بإحداثيات هندسية خط الطول خط العرض واالرتفاع.( 1982 Perrin, (Bernard, 1980 et 1. خط الطول L: هي الزاوية التي يصنعها مستوى الزوال المار عبر المنطقة مع مستوى الزوال االفتراضي المار بخط غرينتش كمبدأ إحداثيات خط العرض Φ: الزاوية المشكلة بين قطر الواصل لمركز األرض مع مستوى خط االستواء. 3. ارتفاع المنطقة h: هي المسافة بين نقطة من األرض مع مستوى المتوسطي لسطح البحر عادة يحسب بوحدة المتر اإلحداثيات الفلكية للشمس: االنحراف الشمسي: األرض تدور حول الشمس عبر مسار إهليجي موجود ضمن مستوى يدعى " مستوى اإلهليجي". يمثل االنحراف الشمسي الزاوية التي يصنعها الناظم لهذا المستوى مع محور الدوران بالنسبة لألرض. يتغير على مدار السنة من خالل العالقة التالية: 33

34 (1.2) δ = cos (30 N m N jm ) N jm جوان وله قيمة دنيا 21 في يأخذ القيمة العظمى) ( ) ( عند 21 ديسمبر. حيث N m يمثل عدد شهور السنة يمثل رقم اليوم في الشهر. من أجل إيجاد أفضل تقريب لالنحراف الشمسي يستحسن استخدام نشر تايلور حتى الدرجة التوافقية الثالثة الدقة المتاحة هي من الدرجة الثانية حسب (2002 :(Communay, cos(0.984 N m ) cos(1.968 N m ) (2.2) δ = [ cos(2.952 N m ) sin(0.984 N m ) sin(1.968 N m ) sin (2.952 N m ) ] المستو العمودي الزوال( maxi h) شروق الشمس L δ S E O N غروب الشمس الشكل الحركة الظاهرية للشمس مع إبراز خط الطول الزاوية الزمنية :(ω) يمكن تحديدها من خالل دوران األرض حول محورها وتتعلق مباشرة بالزمن الحقيقي للشمس بالعالقة التالية: (3.2) ω = ( π ) (TSV 12) 12 حيث 12) 15(TSV (min) = 34

35 الزم الشمسي المتوسط (TSM) والحقيقي( TSV ): من أجل االنتقال من الزمن المحلي إلى الزمن المتوسط يفترض استعمال المعادالت التالية حسب.( 2013 Beckman, (Duffie et L TU + 15 (4.2) TSM = { ; ( ) TU L ; ( ) 15 حيث TU الزمن المحلي لخط الزوال المار عبر مخبر غرينتش.)Greenwich( )*( بالنسبة لخطوط الطول جهة الشرق )**( خطوط الطول جهة الغربية لخط غرينتش. (TSV) عبارة عن مجموع الزمن المتوسط مع معادلة التصحيح الزمني Et نعرفه كما يلي: (5.2) TSV = TSM + Et TSV يحسب بالدقيقة و Et المعادلة الزمنية )تقويم الزمن خالل السنين الكبيسة( المعادلة الزمنية :(Et) نفترض Et دورية خالل السنة يمكن حساب الحدود الثالثة األولى للدالة التوافقية حسب نشر سلسلة فوري (Duffie et (2013 Beckman, بالشكل التالي: Et(degré) = ( cos(x) [ s1n(x) cos(2 X) sin(2 X)) ] (6.2) على اعتبار X = (N j 1)( ) في غالب األحيان يمكن استعمال صيغة تقريبية وبسيطة كما يلي: (7.2) Et(min) = 9.9 sin [2 (N j ( ) + 100) 7.7 (N j ( ) 2)] 35

36 محيط تغيرات النقطة A P Z A 90 h المستوى العمودي h N المستوي T a S A P Z الشكل اإلحداثيات السماوية األفقية اإلحداثيات السماوية األفقية: نبين على الشكل أكبر مسار أفقي للقطر العمودي للقبة السماوية وخط الزوال اللذان يحدد موضع معين لنعتبر نقطة تنتمي للقبة السماوية )نذكر بأن العمودي على النقطة A يقع في نصف القوس ZAZ يمر على النقطة A محدود بالقطر (. ZZ النقطة تحدد بواسطة إحداثيتين سمت a واالرتفاع. h زاوية سمت الرأسي )اإلمالة( (a): سمت الرأسي a للنقطة A يقع بين المستوى العمودي على هذه النقطة والمستوى العمودي لالتجاه الجنوبي S الذي يعتبر مستوى مبدئي. سمت الرأسي للنقطة يأخذ نفس القيمة بالنسبة للقوس A بمعنى جزء من هذا القوس محصورة بين النقطتين S و A هذه الزاوية تنحصر ما بين ابتداء من الجهة الجنوبية S عكس الدوران األرض حول محورها ZZ )الشكل (. 36

37 االرتفاع الشمسي :(h) االرتفاع h للنقطة هي الزاوية A A ذات القطر المرئي للمالحظ بالنسبة لمستوى األفقي هذا االرتفاع يأخذ القيمة من 0-90 وذلك بالنسبة للمستوى األفقي كما أنه موجب القيمة فوق هذا المستوى وسالب القيمة تحته حساب اإلحداثية السلمية لإلشعاع: من خالل الحسابات المذكورة في الملحق. A ينتج لدينا اإلحداثية السلمية لإلشعاع الوارد على سطح التقاط كما يلي: (8.2) sin(h) = sin(δ) sin(φ) + cos(δ) cos(φ) cos (ω) اإلشعاع الشمسي الوارد لألرض: الغالف الجوي ال يسمح بمرور جميع األشعة الواردة من الشمس لكن معظمها ينعكس بفعل عدة عوامل. نذكر من بينها الذي تخترق الغالف الجوي: -األشعة المباشرة: هي األشعة التي يمكنها اختراق الغالف الجوي دون تعرضها ألية تغيرات. -األشعة المنتشرة: هي األشعة التي تنعكس بفعل جزيئات العائمة في الجو منها الصلبة أو السائلة. ليس لها منحى واتجاه معين. من هذه اإلشعاعات تنتج لدينا األشعة الكلية التي تمثل مجموع األشعة المباشرة والمنتشرة معا ثابت الشمسي على مستو الغالف الجوي: يمثل ثابت الشمسي قيمة تدفق الطاقة الشمسية التي تتلقاها وحدة متر مربع من مساحة على مستوى الغالف الجوي. في سنة 1980 أخذ هذا الثابت قيمة 2 Wm I 0 = 1367 )1980 )Bernard, حيث أنه ال يتغير على طول أيام السنة وذلك ألن المسافة الموجودة بين الشمس واألرض تقريبا ثابتة. المقدار التصحيحي للثابت يعطى بالشكل التالي: (9.2) I T S = cos ((N j 2)( 360 ))

38 يمكن اآلن استنتاج القيمة التصحيحية لثابت الشمس بالشكل التالي: (10.2) I c = I 0 I T S اإلشعاع الوارد على سطح مائل: اإلشعاع الشمسي المباشر: عبارة عن مسقط المركبة النظامية على السطح المائل حسب) 2002 :)Communay, (11.2) 1 I N = ρ I 0 I T S exp ( ) 6 sin(h+2) يكون لدينا: i هي زاوية (12.2) I D = I N cos (i) حيث: I N يمثل المركبة النظامية لإلشعاع المباشر و الورود لإلشعاع و ρ سماحية الرؤية) L albédo ( صيغة Kasten لحساب مقدار اإلشعاع الشمسي الكلي الوارد: يمكننا بهذه الصيغة حساب قيمة اإلشعاع المباشر والمنتشر وهي أكثر مالئمة من الصيغة السابقة وذلك بإدخال كال من معامل نقاوة الجو T L والمسار المرئي للغالف الجوي m h الذي يحسب بداللة االرتفاع الشمسي h وارتفاع عن مستوى سطح األرض للموقع :)Communay, )2002 بالكيلومتر عن طريق المعادلة التالية Z (13.2) m h = 1 (1 0.1 Z) sin (h) الصيغة السابقة صالحة شريطة أن يكون معامل االضطراب للغالف الجوي يأخذ الصيغة التالية: (14.2) T L = β A ln (ω) يمثل كال من β A معامل أنغيشتروم )l Angström( و ω ارتفاع الماء المكثف يأخذان القيم التالية حسب طبيعة الحالة الجوية كما هو مبين في الجدول التالي: 38

39 جدول قيم معامل االضطراب ومعامل ارتفاع الماء المكثف. سماء صافية سماء متوسطة سماء مضطربة β A 1 cm 2 cm 5 cm ω معامل االضطراب الجوي النك )Linke( يعرف كما يلي: (15.2) T L = T 0 + T 1 + T 2 كون T 0 يمثل االضطراب الخاص بامتصاص الغازات. كابدرو) CAPDEROU ( اقترح هذه الصيغة على الشكل: (16.2) T 0 = [ sin(i) ( 2 + sin(i) ) A he 0.2 Z ( A he ) ( 1 sin(h)) ] (17.2) A he = sin ( ) (N j 121) حيث T: 1 هو عبارة عن اضطراب الموافق المتصاص للغازات الغالف الجوي االنتشار الجزيئي. رايلي) Rayleigh ( أعط الصيغة التقريبية التالية: 39

40 Z خط الميل االعظمي (P) I sin h N i I الشعاع الناظم على المستوي (P) (H) x SUD i I cos h cos a ds γ a 0 u A h 90 i A I cos h N I cos h sin a مسقط الشعاع ألناظمي N على( P ) y EST (P) i Z i A 90 i 0 A N y الشكل اإلشعاع الشمسي المباشر الوارد لسطح مستقبل مائل بزاوية كيفية غير معينة (18.2) T 1 = 0.89 Z T: 2 يمثل االضطراب النسبي لالنتشار بواسطة الغبار الطائر في الجو مقترن بامتصاص طفيف يعطى بالشكل التالي: (19.2) T 2 = ( A he )0.63 Z صيغة Kasten تأخذ الشكل التالي: (20.2) I = (I 0 ) ext exp ( m h T L ) 0.9 m h +9.4 يمثل اإلشعاع الشمسي المباشر على سطح مائل عن األفق. (21.2) = I [cos(h) sin(i) cos(a γ) + sin(h) cos (i)] S i,γ 40

41 حيث 2 m (I 0 ) ext = 1353( cos (0.984 N j ) W يمثل ثابت الشمسي المتوسط السنوي بالنسبة لإلشعاع الشمسي المباشر على حدود طبقة الغالف الجوي. شدة اإلشعاع الكلية الواردة على سطح أفقي من األرض حيث = i 0 يمكن حسابه عن طريق العالقة التالية: (22.2) G 0 = [ T L ](sin(h)) T L اإلشعاع الشمسي المنتشر بالنسبة لمستوي أفقي 0 = i : الصيغ الشبه التجريبية التالية أنشئت من خالل القياسات لإلشعاع المنتشر بواسطة جزيئات غازات العائمة في الغالف الجوي باإلضافة إلى جزيئات الغبار. بالنسبة للمناطق المعتدلة المناخ وذات علو منخفض عن مستوى البحر يمكن استعمال العالقة التالية: (23.2) D 0 = C [sin(h)] 0.4 W m 2 = 187 C C باختالف حالة الجو حسب الترتيب التالي يختلف العدد = 125 C الجو متوسط و 87 = C الجو صاف. الجو عكر صيغ أخرى شبه تجريبية تسمح بحساب شدة اإلشعاع توجد الشمسي المنتشر من الفضاء نحو األرض حيث المعادلة التالية تأخذ T L بعين االعتبار قيمة معامل االضطراب الجوي D 0 = (I 0 ) (24.2) ext 25 [sin(h)] 1/2 [T L 0.5 [sin(h)] 1/2 ] حساب مقدار األشعة الشمسية المنتشرة: نفترض مستوي (P ( مستقبال لإلشعاع ينحني عن األفق بزاوية i حيث زاوية γ توجيه المستوي (P ( ليس لها اعتبار كبير باإلضافة النتشار اإلشعاع يكون موحد االتجاه. المستوي (P ( يستقبل من أجل ميل ثابت cte( )i = الشكل. : K جزء من األشعة المنتشرة للغالف الجوي نحو األرض. - K جزء من األشعة الشمسية المنتشرة من األرض نحو الفضاء. هذه األشعة تشبه الطاقة الكلية الواردة والتي تصل سطح األرض حسب التعريف التالي: K a 1 G 0 وهذا بإهمال فعل االرتدادات 41

42 المتكررة لألشعة. المستوي (P ( ذو ميل i بالنسبة للمستوي (H) يستقبل كليتا إشعاع شمسي منتشر بالشكل التالي: K D i = D حيث 0 + K a 1 G 0 1 cos (i) 1 + cos (i) K = ; K = ; K +K = شدة اإلشعاع الشمسي المنتشر المسلط على مستوي مائل بزاوية عن األفق تعطى بالعالقة التالية: (25.2) D i = 1+cos (i) 2 D cos (i) 2 a 1 G 0 يمكن اآلن حساب الطاقة الكلية التي تصل مستوي يميل عن سطح األرض بزاوية معينة وهي عبارة عن مجموع األشعة الشمسية المباشرة والمنتشرة من الفضاء نحو األرض: G i,γ = S (26.2) i,γ + D i 42

43 .8.2 الخالصة: في هذا الفصل قدمنا النموذج النظري الذي اعتمد في دراستنا على خلفية ذكر مجمل اإلحداثيات والزوايا التي تدخل في حساب وتقدير اإلشعاع الشمسي وهو النموذج األنسب واألقرب من حيث تقريب الصورة الواقعية من الواقع الرقمي. مع التذكير بأن هذا النموذج يعالج باألخص الحاالت التي يكون فيها الجو بدون سحاب وهو األمر الذي عليه حال منطقة الدراسة حيث يتوقع خالل أيام السنة أجواء صافية خالية من األمطار. مع أخذ بعين االعتبار حاالت تعكر الجو بالتيارات الهوائية الموسمية. 43

44 الفصل الثالث المحاكاة العددية 44

45 .1.3 مقدمة: التحويل الحراري لإلشعاعي الشمسي يمكن استخدامه في عدة مجاالت من بينها التقطير باستعمال الطاقة الشمسية الذي تبقى فاعليته ضعيفة مقارنة باألساليب الحديثة مثل األسموز العكسي والتقطير الغشائي...إلخ. لذا عدة دراسات نظرية وأخرى تجريبية تجرى لغرض تحسين مردود أجهزة التقطير الشمسية التقليدية. في هذه الحالة الدراسة العددية التي أجريناها على المقطر الشمسي التقليدي ذو ميلين بغرض تحسين أحد عناصره األساسية ونخص بالذكر سطح التكثيف الموجه نحو الشمال الجغرافي والمائل بزاوية تقدر بحوالي 60 هذه الزاوية تحصر مساحة الظل الذي يرسم ميالن إلى أقل مقدار على الحوض التبخير كما سنبينه الحقا وصف الجهاز: الشكل. 3. 1: مقطع عرضي لجهاز التقطير الشمسي المعدل مع مكوناته األساسية. يوصف الجهاز كما هو مبين في الشكل على أنه يتكون من العناصر األساسية التي تدخل في تكوينه وهو على النحو التالي: 1: الغطاء الزجاجي حيث يتميز بخاصية إمرار األشعة الشمسية دون 45

46 األشعة الحمراء كما نعتبره مكثف جيد لبخار الماء 2: طبقة الماء المالحة للتبخير في الحوض 3: حوض التبخير وهو عبارة عن صفيحة معدنية مطلية باللون األسود 4: الصفيحة مكثف 4 -مبخر تلعب دورين في آن واحد 5: مكثف 5 6: قطعة نسيج طبي بمثابة موزع تجانسي لمياه التغذية على كامل الصفيحة 7: اإلطار الخشبي المحاط بالجهاز 8: سند الذي يرتكز عليه الجهاز 9: قناة تجميع ماء التقطير الناتجة عن الغطاء الزجاجي 10: قناة لجمع ماء التقطير الناتج عن الصفيحة مكثف 4 -مبخر 11: قناة صرف المياه الشديدة الملوحة 12: قناة تجميع نواتج التقطير من المكثف 5 13: خزان ثانوي لتغذية المقطر بالفيلم الشعيري 14: مظلة شمسية لتظليل المكثف 5. نذكر في األخير بأن هذا الجهاز هو تركيب ودمج لجهازي تقطير ليعمال وفق لمبدأ االستفادة من الحصيلة الطاقوية الضائعة من أحدهما الستغاللها مرة أخرى. يتمثل مبدأ عمل هذا الجهاز فيما يلي حيث اإلشعاع الشمسي الوارد يلتقط على سطح الغطاء الزجاجي من تم يتجزأ إلى ثالثة أقسام غير متساوية. الجزء الذي ينعكس يمثل الكمية األقل بينما يمتص اللوح الزجاجي كمية بفعل العطالة الحرارية في حين يمرر الغطاء الزجاجي الكمية األكبر من الضوء. هذه األشعة التي تصل الحوض يحدث لها مثلما حدث على مستوى الزجاج غير أنه ال يوجد تمرير للضوء كون الحوض ماص لألشعة. يتلقى الماء المالح في الحوض حرارة نابعة عن الصفيحة المبخرة ليصل إلى حالة التبخر. بخار الماء المتصاعد يتكاثف على األسطح الباردة ليتحول إلى ماء مقطر. باإلمكان االستفادة من الحرارة الكامنة الناجمة من عملية التكثيف على مستوى المكثف 4 لتسخين فيلم رقيق من الماء المالح المنساب بواسطة قطعة النسيج الطبي. بخار الماء الناتج يغادر قطعة النسيج نحو المكثف 5. سنبين في هذه الدراسة فعالية ومردود الجهاز الجديد من حيث الزيادة في كمية الناتج اليومي والسنوي من الماء المقطر ومقارنة هذه الكمية مع األجهزة الشمسية التقليدية المعروفة. وعليه يرتكز مبدأ عمل الجهاز على مساحة سطح التقاط اإلشعاع الشمسي في 46

47 .ب 2 ب 2 الحوض كلما كانت هذه المساحة كبيرة وغير مظللة كلما تحصلنا على أعلى كمية بخار معتبرة. للحصول على هذه المساحة يجب أخذ بالحسبان زاوية ميل الصفيحة حساب المساحة الفعلية للحوض: يمثل الشكل أ والشكل. 3. أهم الزوايا والمساحات التي يرسمها ظل الصفيحة 4 على الحوض ومن تم يمكن استنتاج الصيغة المبسطة لمساحة الفعلية اللتقاط اإلشعاع الشمسي. مظلة شمسية θ z L p الصفيحة 4 حوض التبخير h φ L e L e2 L e1 الشكل أ. الزوايا واألبعاد المهمة التي يرسمها شعاع الشمسي الوارد على سطح حوض التبخير. θ z L p = 0.5m φ L r L e = 1m الشكل. 3. إبراز الظل الذي يرسمه الجدران الجانبية. 47

48 L e = 1m مساحة المثلث DGE )أنظر الشكل. 3( 3. S otr = 0.5 (L e L p cos (φ)) L p sin (φ) (1.3) tan (θ z ) مساحة المستطيل ABCD )أنظر الشكل. 3( 3. (2.3) S o = (L p cos(φ) L rcotan(φ)) L r (3.3) من الشكل: L r = L p sin(φ) وعليه يكتب L r العبارة النهائية للمساحة الفعلية تكتب من الشكل: (4.3) S eff = S b S o + S otr L p L r يمثل L e و قياسات كال من طول الحوض عرضه وارتفاع الصفيحة المكثف 4 -المبخر على شرط كون otr S b S o + S بحيث otr S omb = S o + S B L r = 1m A S o C G S otr D S eff F الشكل مظهر المساحة الفعلية لاللتقاط اإلشعاع الشمسي الملقى على الحوض. E إنشاء المعادالت الطاقوية: اإلشكالية الفيزيائية: تكمل اإلشكالية الفيزيائية في هذه الدراسة على مدى استغالل للحرارة المتسربة من خالل الغطاء الزجاجي الموجه نحو الشمال الجغرافي. ولتخفيض من هذه التسريبات أجرينا استبداال 48

49 للغطاء الزجاجي بالمقطر الشمسي بالفيلم الشعيري. هذا األخير له ميزات عديدة كونه يقوم بتبريد المكثف 4 من جهة في حين الكمية الطاقوية الضائعة من عملية التبريد يمكن استغاللها مرة أخرى لتبخير فيلم رقيق من الماء المالح لنحصل على مرة ثانية على ماء مقطر فرضيات وتسهيالت: لمعالجة المسألة الفيزيائية يمكن وضع فرضيات تبسيطية التالية: 1. درجات الحرارة لمكونات الجهاز تؤخذ كدرجات نظامية وموحدة على جميع مساحة سطح التبادل الحراري. 2. نعتبر كتلة المائع ال تتغير مع درجة الحرارة. M i T = (ρ i V) T ct e 3. التبادالت الحرارية والكتلية مباشرة تتم بين سطوح التبخير نحو سطوح التكثيف. 4. نعتبر الحواجز الجانبية جدرانا كاظمة )عازلة( للحرارة. 5. التسريبات الحرارية في الحوض تتم اتجاه أسفل الحوض. 6. المنطقة المسدودة داخل المقطر نعتبرها تمتلئ تماما ببخار الماء المتصاعد من الحوض والضغط يساوي إلى الضغط الجوي تقريبا. 7. التدفق اإلشعاعي المنتشر منتظم في جميع االتجاهات. كما يمك إهمال كال م : 8. الحرارة المحسوسة المصحوبة للمياه التكثيف الخارج مع الماء المقطر. 9. اإلشعاعات المنعكسة والمتكررة داخل المقطر. 10. تسريبات بخار الماء من الجهاز نظام المعادالت الطاقوية: من خالل الفرضيات السابقة يمكن وضع معادالت التوازن الحراري لكل مستوى حراري بالشكل التالي: على مستو الغطاء الزجاجي :)1( بالنظر للشكل يتبين لنا التدفقات الحرارية التي يتبادلها الغطاء الزجاجي من الداخل والخارج للمقطر حيث يتلقى ثالثة 49

50 تدفقات صادرة من الحوض ويفقد بدوره تدفقين نحو الوسط الخارجي وتكتب المعادلة بالشكل التالي: (5.3) M v Cp v dt v dt = α v G v + [Q eev + Q cev + Q rev] [Q cva + Q rva] حيث يمثل كال من: التدفق الحراري بالتبخير بين طبقة الماء والغطاء الزجاجي Q التدفق الحراري بالحمل بين طبقة الماء والغطاء الزجاجي Q التدفق الحراري باإلشعاع بين طبقة الماء والغطاء الزجاجي Q التدفق الحراري بالحمل بين الغطاء الزجاجي والوسط الخارجي Q التدفق الحراري باإلشعاع بين الغطاء الزجاجي والمحيط Q eev cev rev cva rva اإلشعاع الشمسي املقدار اجملتاز التبخري احلراري املقدار املنعكس اإلشعاع احلراري احلمل احلراري التغذية منبع 2 ماء املقطر املياه املصروفة 3 يبرز مختلف االنتقاالت الحرارية الممكنة في المقطر المعدل. الشكل على مستو الماء المالح في الحوض )2(: تشكل طبقة الماء في الحوض وسط النتقال الحرارة بالحمل بين سطح المبخر والسطح الحر للماء. عند حساب عدد Nusselt للماء حيث يفوق نمط الحمل على التوصيل. المعادلة المعبرة عن التوازن تكتب بالشكل التالي: 50

51 (6.3) M e Cp e dt e dt = [α e τ v G eff + Q cbe [Q eev + Q cev + Q rev] [Q cep + Q rep + Q eep] ] ويمثل كال من: التدفق الحراري بالتبخير بين طبقة الماء والصفيحة المعدنية Q التدفق الحراري بالحمل بين طبقة الماء والصفيحة المعدنية التدفق الحراري باإلشعاع بين طبقة الماء والصفيحة المعدنية التدفق الحراري بالحمل بين صفيحة المبخرة والماء المالح G اإلشعاع الفعلي الوارد على المساحة غير المضللة Q eep cep Q rep Q cbe eff على مستو القاعدة السفلية للحوض )3(: نعتبر في هذه الحالة وجود طبقة عازلة أسفل الحوض متكونة من مادة مخصصة للعزل الحراري وطبقة خشبية سميكة لهذه نعتبر كال من المبخر والمادة العازلة والطبقة الخشبية عبارة عن جسم واحد يتبادل الحرارة مع الوسط الخارجي كما يلي: dt (7.3) M b Cp b b = α dt b τ e τ v G eff Q cbe [Q cba + Q rba] حيث تكتب صيغة معامل االنتقال الحراري بالحمل المتضمن داخل Q بين المبخر والماء بالعالقة التالية: عبارة التدفق الحراري c h cbe = Nu λ T 3 2 n e C = ( E n 1 e E e λ ) [β e g ΔT be d b ρ e Cp e ] e a وكذا ) e ΔT be = (T b T مذكورة في الملحق أما عن باقي.B d 3 b = (L e L r ) حيث 2 (L e +L r ) المعامالت فيزو-حرارية على مستو السطح مكثف 4 -مبخر :)4( الوجه الداخلي لهذا السطح يطل على الحوض ألنه يميل عن األفق بزاوية مقدرة ومحسوبة بشكل ال يسمح بتشكيل مساحة مضللة وعليه فهو ال يتعرض لألشعة المباشرة لكنه يتعرض بالمقابل لألشعة المنعكسة عن الحوض والتي تعمل في زيادة درجة حرارته. (8.3) M p Cp p dt p dt = [ α p R e τ v G eff + q e in q e out +[Q eep + Q rep + Q cep] + [Q cpcs + Q rpcs + Q epcs] ] 51

52 يمثل كال من Q و epcs Q epcs Q epcs التدفق الحراري بالتبخير بالحمل وباإلشعاع بين صفيحتي المقطر الشعيري على التوالي. ) e R e = (1 α e τ المقدار المنعكس عن الحوض بفعل االرتدادات المتكررة باالحتباس الحراري. كما يمثل كال من q e in) )q e ou, تدفق ماء التغذية للمقطر بالفيلم الشعيري والماء المنصرف منه ويعرفان كما يلي: q e out = m es Cp e S p (T p T a ) و q e in = m e Cp e S p (T a T p ) على مستو السطح المكثف الثاني )5(: البخار المتصاعد من الصفيحة السابقة يتكاثف ليتحول في النهاية إلى ماء مقطر الحرارة المفقودة عن طريق التكثيف تبدد نحو الوسط الخارجي وهو مقدار غير مهمل يمكن االستفادة منه مرة أخرى. dt (9.3) M cs Cp cs cs = [Q dt epcs + Q rpcs + Q cpcs] [Q ccsa + Q rcsa] التدفق الحراري بالحمل بين الصفيحة المكثفة والوسط الخارجي التدفق الحراري باإلشعاع بين الصفيحة المكثفة والمحيط Q ccsa Q rcsa المصفوفة الرياضية لمعادالت التوازن الطاقوية المعدل: للمقطر توضع المعادالت الطاقوية على أساس التشبيه بالقانون كيرشوف للعقد والذي ينص بأن المقادير الداخلة لعقدة تساوي تلك الخارجة منها. على هذا الطرح يمكن وضع جميع المعادالت باعتبار سطوح التبادل الحراري مثل العقد. 52

53 (10.3) [ dt v = ( 1 ) dt ρ v E v Cp v S b (h S cev + h rev + h cva + h rva ) T v + (h cev + h rev )T e [ v + (0)T b + S p (0)T S p + S ] p (0)T v S cs v +[F vsky G g + m ev hf v (T) + (h cva + h rva )T a ] ] [ S v (h S cev + h rev )T v (h cev + h rev + h cep + h rep + h cbe ) T e dt e = ( 1 [ b ) dt ρ e E e Cp e + (h cbe )T b + S p (h S cep + h rep )T p + S ] p (0)T v S cs v [ +[F ev G eff + m ev hf v (T) + m ep hf p (T)] ] dt b = ( 1 ) [ [Sv (0)T S v + (h cbe ) T e (h cbe + h cba + h rba )T b + S p (0)T b S p + S p (0)T v S cs ] v ] dt ρ b E b Cp b +[F be G eff + (h cba + h rba )T a ] dt p dt = ( 1 ρ p E p Cp p ) dt cs dt = ( [ [ 1 ) ρ cs E cs Cp cs S v S p (0)T v + S b S p (h cep + h rep ) T e + S b S p (0)T b (h cep + h rep + h cpcs + h rpcs + (m e m es)cp e )T p [ +(h cpcs + h rpcs )T cs ] +[F ep G eff + m pcs hf p (T) + (m e m es) Cp e T a ] ] S v (0)T S v + S b (0) T [ p S e + S b (0)T p S b + (h cpcs + h rpcs )T p p ] (h ccsa + h rcsa + h cpcs + h rpcs )T cs +[m pcs hf cs (T) + (h ccsa + h rcsa )T a ] ] ] العبارات التصحيحية المتعلقة بالمقطر الشمسي البسيط: صيغة الحرارة الكامنة للتبخير الواردة في العبارات السابقة تكتب من الشكل حسب (2004 :(Radhwan, (11.3) hf i (T) = ( T) 10 3 من يكتب معامل الحراري الخارجي بالحمل حسب )2012 )Kabeel, الشكل: (12.3) h cia = w s حيث: w s 5.0 m/s وجود الفضاء خارج المقطر يسمح بتبادل اإلشعاع الحراري المتولد من السطح الساخن ويعبر عنه بالعالقة التالية: (13.3) h riciel = σ ε s (T 2 i + T ciel )(T i + T ciel ) كونها التالية مع كون درجة حرارة القبة السماوية تأخذ الصيغة متعلقة بدرجة حرارة الوسط الخارجي كما يلي: (14.3) T ciel = T a 12 نأخذ بالحسبان عبارة درجة الحرارة الوسط الخارجي كما صرح عنها )Reicosky, 1989( 53

54 (15.3) T a = 0.5 (T max T min ) cos (π 14 TSV ) (T 12 max + T min ) أما فيما يتعلق بالتبادل الحراري اإلشعاعي داخل المقطر يتم بالصورة التي يعبر عنها )2008 )Velmurugan, ويكتب من الشكل: h rej = σ ε ej (T 2 e + T 2 j )(T e + T j ) (17.3) (16.3) { ε ej = 1 ( ) ε j ε e نعبر عن التوازن الكتلي بالصيغ التالية: بالنسبة للمقطر الشمسي البسيط m ev + m ep = ( ) [( h cev (P(T e ) P(T v )) hf v (T) ) + ( h cep (P(T e ) P(T p )) )] hf p (T) ويمثل m ev m ep التدفق الكتلي الناتج من سطوح التكثيف الغطاء الزجاجي والصفيحة المعدنية. من أجل زاوية ميل بين الغطاء الزجاجي والحوض في حدود 30 يمكن أخذ العبارة التصحيحية ل )Cengel, )2006 Jakob باعتبار سطحين متقابلين يشكالن حيز مغلق بحيث السطح الساخن يكون دوما لألسفل والزاوية الميل بالنسبة لألفق صغيرة بقدر كافي كما هو موضح في الشكل. B. 3.: { Nu = Ra0.25, 10 4 < Ra < 4 10 (18.3) 5 Nu = Ra 0.33, < Ra < 10 7 صيغة معامل الحمل الحراري األكثر مالئمة في حال المقطرات الشمسية من النوع باالحتباس الحراري التي تكون فيها قيمة زاوية الميل أقل من 30 ال تظهر في الصيغة التالية. (19.3) h cev = C λ m ( g ρ m β m T μ m a m ) 1/3 [(T e T v ) + T e [P(T e ) P(T v)] (M a M e ) M a P 0 P(T e ) (M a M e ) ]1/3 بينما في حالة زاوية الميل للصفيحة المعدنية مبخر-مكثف أقل من 90 وأكثر من 30 تكتب صيغة معامل الحمل وذلك باستبدال الحد بالحد الذي يعبر عن ميل g المعبر عن الجاذبية األرضية العمودية الصفيحة (φ) g cos بالشكل التالي: (20.3) h cep = C λ m ( g cos (φ) ρ m β m T μ m a m ) 1/3 [(T e T v ) + T e [P(T e ) P(T v)] (M a M e ) M a P 0 P(T e ) (M a M e ) ]1/3 C j e = λ m يتغير بداللة زاوية الميل ألحد d b للمقطر المعدل حيث يأخذ القيمة = e C v عند ( g ρ m βt m ) μ m a المعامل وجهي التكثيف 54

55 في زاوية الميل أقل أو تساوي 30 كما هي مصرح عليها في المرجع )2006 )Tiwari, بينما في حال الزوايا األكثر من ذلك يصبح يساوي = e القيم الفيزيائية للمعامالت ( m )ρ C p m, β T m, λ m, μ مدونة الملحق. B العبارات التصحيحية المتعلقة بالمقطر الشمسي بالفيلم الشعيري: توجد اختالفات معتبرة في ما يخص المقطر الشمسي بالفيلم الشعيري وعليه سنذكر المعامالت المتعلقة بالخلية في وضعيات لزوايا ميلها عن األفق. حيث معامل االنتقال الحراري بالحمل داخل الخلية يكتب من الشكل: h cpcs = Nu λ m (21.3) d c البعد البيني بين صفيحتين متقابلتين للمقطر d c حيث يمثل الشمسي الشعيري. لكن Nusselt في هذه الحالة يكتب على النحو التالي: (22.3) Nu(φ) = X 1 X 2 + X 3 في حال كون الخلية ذات طول أكبر X 3 X 2 و X 1 نعرف الحدود الثالثة صحيحة من أجل معامل الشكل وكذلك نسبيا من سمك الخلية والزاوية والعدد الالبعدي Rayleigh بحدود القيم التالية على التوالي:. Ra < 10 5 و 0 < φ < 70 H dc 12 (23.3) X 1 = 1 Gr Pr cos (φ) X 2 = Max [0; ( )] Gr Pr cos(φ) X { 3 = Max [0; (( 1780 (s1n(1.8 φ))1.6 Gr Pr cos(φ) 5830 ) 1/3 1)] بينما عند األطوال الصغيرة للخلية أي عند معامل الشكل H dc < 12 يمكن استخدام العالقة اآلتية شريطة كون زاوية ميل الخلية أقل من الزاوية الحرجة ( cr φ( < φ كما هو مبين في الجدول اسفله. 55

56 جدول. 3. 5: قيم الزاوية الحرجة بداللة معامل الشكل. H dc قيم الزاوية الحرجة φ cr قيم معامل الشكل > 12 جميع قيم العدد B( الملحق. )في 4. الجدول. B. نلخص في Nusselt الخاص بالوضعية الحرجة لالنتقال الحرارة بالحمل داخل خلية التقطير بالفيلم الشعيري كما هو مبين في األشكال. B.)1 2 و 3 ( )الجدول. B. 3. من الملحق. B(. وعليه يمكننا حساب نسبة البخار المنتقلة داخل الخلية المغلقة باعتبار وجود خليط هواء-بخار لهذا الصيغة المعبرة عن معامل التبخير من الشكل: (24.3) h cpcs h m = ( a ) ( 2 3 ) ρ m Cp m D cs نذكر أن الحد a D cs يمثل عدد لويس Le Sc = a Pr D cs ويكتب من الشكل: = Le من أجل مائع هواء- بخار يعطى معامل االنتشارية الجزيئية بالعبارة التالية حسب )1979 )Sacadura, شريطة مجال درجة حرارة تكون من : m( 2 )s/ وحدة هذا المعامل من الرتبة 90 C و 20 C D cs = ( 1 ) ( T m (25.3) P V )1.81 يمثل كال من T m درجة الحرارة المتوسطة لخلية التقطير بينما P V هو عبارة عن مجموع الضغط الجوي في معامل تصحيحي متعلق بدرجة T m داخل الخلية. خلية التقطير تتشبع ببخار الماء وبالتالي يتولد حركة هجرة لجزيئات البخار من المنطقة الساخنة نحو المنطقة الباردة لوجود اختالف في كثافة البخار العالقة المعبرة عن ذلك مأخوذة حسب) Tsilingiris, 2008( بالشكل التالي: 56

57 (26.3) ρ = (ρ p ρ cs ) = 1 R v ( P p T p P cs T cs ) حيث ويمثل كال من R ثابت الغازات المثالية و M R v = R V الوزن M v الجزيئي لبخار الماء. يعبر عن الكتلة المتجمعة من عملية التقطير بأنها ناتجة من وجود فرق في كثافة البخار مضروب في معامل مدى سرعة وحركة الجزيئات المائع من المنطقة األكثر تركيز نحو األقل منها تركيز. تكتب المعادلة بالنحو التالي: (27.3) m epcs = h m (ρ p ρ cs ) = h cpcs R v ρ m Cp m Le (2 3 ) ( P p T p P cs T cs ) حساب الفعالية الكلية للمقطر المعدل: يتركب هذا القسم من سطحي تكثيف هما على التوالي الغطاء الزجاجي والصفيحة المعدنية ويشتركان في حوض تبخير واحد يشمل الناتج اليومي من الماء المقطر على مجموع ما ينتج من الغطاء الزجاجي وذاك الذي يسترجع من الصفيحة المعدنية حسب العبارة التالية: (28.3) tc tl m DSS T = [(m eev + m eep) S b hf e (T e )] dt بينما نعبر عن الناتج اليومي للمقطر بالفيلم tc tl m DFC T = [m epcs S p hf p (T p )] dt الشعيري كما يلي: (29.3) وعليه في النهاية يمكننا جمع المردودين معا لنحصل على الناتج الكلي للمقطر المعدل والذي يعبر عن اتحاد لثالثة سطوح تكثيف تستغل نفس كمية الطاقة الواردة لحوض التبخير. m T = m DSS DFC (30.3) T + m T نعبر عن الفعالية الكلية للجهاز بالعالقة التالية: يمثل كال من (31.3) η = tc tl m T [ S eff G eff ] dt 100 η p η v و η cs عن الفعالية الخاصة بالغطاء الزجاجي الصفيحة المعدنية وصفيحة التكثيف للمقطر بالفيلم التوالي. الشعيري على 57

58 أجريت الدراسة العددية على مثل هذا النموذج تحت الظروف المناخية والجغرافية لمدينة ورقلة. متوسط كثافة اإلشعاع الشمسي الذي يقع على سطح أفقي في شهر يوليو حوالي W/m 2 بالمقابل تم استخدام نموذج )Capderou, 1987( Modèle de Capderou لحساب معدل اإلشعاع الوارد المباشر والمنتشر. كما يتم تطبيق صيغ Kasten( )La Formule de للتعبير عن مجموع الكلي لإلشعاع الملقى على المقطر الشمسي. لحظة وصول اإلشعاع الشمسي للغطاء الزجاجي يمتص ويعكس جزء صغير منه والجزء األكبر يعبر ليقع على سطح حوض التبخير وجود الغطاء الزجاجي المميز بخاصية االحتباس اإلشعاعي الحراري المنعكس عن الحوض والذي يرتد نحو السطوح المقابلة وباألخص الصفيحة المعدنية التي بدورها ترفع من درجة حرارتها. (32.3) G eff = (α e τ v + α e τ e τ v ) S eff G v حيث α eff = α e τ v + α e τ e τ v يمثل النسبة الفعلية التي الممتص من طرف الحوض وعليه المقدار المنعكس عن الحوض نحو الصفيحة المعدنية بالشكل التالي: (33.3) G Ref = (1 α eff ) α p S p G eff تمت كتابة على نسخة من Fortran Power station 4.0 برنامج لحل المعادالت غير الخطية المذكورة أعاله باستخدام طريقة Runge- )Simos, )1993 Kutta بافتراض درجات الحرارة االبتدائية النطالق البرنامج العددي مساوية لدرجة حرارة الوسط T a ويوضح الشكل رسم بياني لخوارزمية المسألة..5.3 مبدأ طريقة :Runge-kutta لتكن مسألة كوشي التالية: المبينة في dt { dt = f(t(t), t) (34.3) t [a, b] T(t 0 ) = T 0 لحل مثل هذه المسألة نطبق طريقة Runge-Kutta المخطط التالي لعدة مستويات طاقوية z كما يلي: 58

59 K 1 = f(t 0, T 0 ) K 2 = f(t 0 + h a 21 K 1, t 0 + c 2 h ). (35.3).. z 1 K z = f(t 0 + h i=1 a zi K i, t 0 + c z h ) z { T = T 0 + h i=1 b i K i المعامالت b i a zi و c z هي عبارة عن ثوابت وعناصر المخطط الموضحة في مصفوفة Butcher أدناه. c 1 c 2 a 21 C 3... c z a c z1 b 1 a a z2 b 2... b a zz 1. b z تطبيق طريقة Runge-kutta على جملة معادالت تفاضلية: يمكن تطبيق هذه الطريقة على المقطر الشمسي المعدل بالكيفية التالية ليكن نظام المعادالت المحاكية للتوازنات الطاقوية في المقطر المعدل: dt { = f dt i(t(t), t) (36.3) t [t Ls, t Cs ] T(t Ls ) = T a T p T b T e حيث: T v ( تعبر عن مركبات مستويات الحرارية للمقطر T و t حيث.)T cs f i دالة لمتغيرين هما درجات الحرارة لعناصر المقطر T و الزمن i = 1, 2, 3, 4, 5 خوارزمية Runge-kutta من الرتبة 4 تكتب من النظام التالي: 59

60 (37.3) K 1 i = h f i (t n, T(t n )) K 2 i = h f i (t n + h 2, T(t n) + K 1 i 2 ) K 3 i = h f i (t n + h 2, T(t n) + K 2 i 2 ) K 4 i = h f i (t n + h, T(t n ) + K 3 i 2 ) T v (t n + 1) = T v (t n ) (K K K K 4 1 ) T e (t n + 1) = T e (t n ) (K K K K 4 2 ) T b (t n + 1) = T b (t n ) (K K K K 4 3 ) T p (t n + 1) = T p (t n ) (K K K K 4 4 ) { T cs (t n + 1) = T cs (t n ) + 1 (K K K K 5 4 ) طريقة Runge-kutta م أجل زم غير اختياري: من أجل حل مسألة واقعية يستحسن عموما اختيار زمن الحساب ثابت وهذا يعطي دقة كبيرة في النتائج. لكن كيف نختار تقسيم مناسب من أجل نقلص الخطأ بقدر كافي. تحقيقا لهذه الغاية يجب معرفة الخطأ المحلي Tol )الموصى عليه من طرف المستخدم(. لهذا نلجأ مباشرة للطريقة الثانية ل Runge-kutta مع ) 1+n T (tكتقريب عددي كما يمكن استعمال هذا الفرق كتقدير للخطأ المحلي. الفكرة في حساب الزمن هو تثبت من: (38.3) T(t n+1 ) T (t n+1 ) = 1 5 ( T i (t n+1 ) T i(t n+1 ) 6 i=1 T(t n+1 ) T (t n+1 ) < Tol 1+max( T i (t n+1 ), T i(t n+1 ) ) ) النشر التوافقي من الرتبة الرابعة للمقدار ) 1+n T(t 1+n ) T (t يعطى من الشكل التالي: T(t n+1 ) T (t n+1 ) = (T(t n+1 ) T(t 0 + h)) + (T(t 0 + h) T (t n+1 )) = O(h 4+1 ) + O(h 3+1 ) C h 4 60

61 (39.3).h opt 4 Tol = C h opt الزمن h األفضل يرمز إليه C = 0.9 Tol T(t n+1 ) T (t n+1 ) بتعويض الذي يمثل مقدار الخطأ نحصل: (40.3) h opt = 0.9 h 4 Tol T(t n+1 ) T (t n+1 ) خوارزمية اختيار الزم : h نختار زمن ابتدئي h. نحسب المقدارين ) 1+n t) و( 1+n T (t باستعمال طريقة المتداخلة ل Runge-kutta حسب المصفوفة أعاله ومن تم نحسب الفرق. (t n+1 ) T (t n+1 ) إذا كان الشرط C < Tol نحسب مجددا الزمن h في هذه الحالة نأخذ قيمة 4 10 =.Tol { h opt = h min(5, max(0.2, h opt )) t = t + h إذا كان h t Cs t فعليه h max = t Cs t نعيد الحساب من الخطوة 2 )يمثل t Cs زمن غروب الشمس(. وإال نهاية الشرط 3. إذا لم يتحقق الشرط: نلغي الزمن ويعوض ب ) max h = min (h opt, h ونستأنف من جديد الخطوة.2 نهاية الخوارزمية نلخص مجمل خطوات البرمجة العددية لحساب الناتج وفعالية المقطر الشمسي المعدل في المخطط 61

62 التالي: البداية إدخال املعلومات اخلاصة باملعامالت الرتمو-حرارية (t = t + t 0 ) اخلطوة األوىل للزمن ( i t( مع حساب زاوييت االحنراف و مست الرأسي. حساب شدة اإلشعاع امللقى على اجلهاز وكذا الفعال الوارد على احلوض. حساب درجات حرارة للعناصر التالية: ( g )T p ( )T b ( )T w ( )T و ( cs )T حساب املصفوفة بعد حساب كل املعامالت االنتقال احلراري املتعلقة بدرجة احلرارة حلساب درجات احلرارة خالل فرتة التشميس جيب أن يكون مقدار اخلطأ مع أخذ هذا شرط (ṁe-ṁwp) 0. (t) T (t) < Tol ال نستبدل ) opt (t = t + t مكان (t) نعم h max = h min(5, max(0.2, h opt )) t = t + h و t Cs t h نعم ال h = t Cs t أطبع النتائج العددية للناتج اليومي وكفاءة اجلهاز النهاية الشكل خمطط اخلوارزمية األساسي للمقطر املعدل 62

63 .6.3 الخالصة: في هذا الفصل العمل الذي أنجزنه يتمثل في وضع معادالت رياضية لتقريب الوصف الهندسي من الصورة الرقمية. لتسهيل معالجة المسألة بالدقة المتناهية. باإلضافة الختبار الطريقة الرياضية ال يت تساعدنا على حل جمل المعادالت التفاضلية من الدرجة األولى. في النهاية أمكننا ذلك من إنشاء خوارزمية تلخص المعالجة الرقمية التي تمت عن طريق برنامج حاسوبي يدعى.Fortran Power stat1on 4.0 تستغرق مدة المعالجة وإظهار النتائج بضع ثواني في أقل من 3 ثواني. وال يحتاج البرنامج مساحة تخزين كبيرة في ذاكرة الحاسوب مع التذكير بمميزات الحاسوب المستعمل في هذه الدراسة. Evaluation : 4,4 Indice de performance Windows Processeur : Intel Core((TM)) i3-2310m 2.10 GHZ 2.010GHZ Mémoire installée (RAM) : 2,00 Go Type du système : Système d exploitation 32 bits Stylet et fonction tactile : La fonctionnalité de saisie ou avec un stylet n est pas disponible sur cet écran 63

64 الفصل الرابع النتائج والمناقشات 64

65 4. مقدمة: في هذا الفصل نستعرض مجمل النتائج العددية التي تم الحصول عليها من خالل المحاكاة الرقمية على أساس المقطر الشمسي المعدل وهو مقطر شمسي يتميز كونه مزدوج الغطاء الزجاجي المتجه نحو شمال واألخر نحو الجنوب ونظرا الرتفاع درجة حرارة هذا األخير بالمقارنة بالطرف الثاني استوجب إيجاد حل لتخفيض درجته حتى يسمح بإعطاء مردود أفضل. ويكمل هذا الحل في استبدال هذا الطرف نهائيا بمقطر يمتاز بخاصية الفيلم الشعيري للماء وهو تركيب للصفيحتين متوازيتين ومتقابلتين بمسافة معينة. بهذا الفعل قد قمنا بعملية تبريد للمكثف الشمالي واستغاللنا مرة أخرى ذلك البخار المتصاعد جراء التبريد لتكثيفه مرة ثانية هذا يسمح لحصول على كمية من الماء المقطر من ثالث سطوح ممكنة. المحاكاة العددية تسمحنا بإيجاد الظروف والعوامل األساسية للتشغيل المثالي للمقطر المعدل. نشرع في البداية بإعطاء النتائج العددية المتحصل عليها في الوضعية التي يكون فيها كال الطرفين في وضعية مائلة بزاوية اخترت بعناية لتناسب الطرح النظري وذلك خالل يوم نموذجي لتميزه بكامل الشروط الضرورية والتي تدخل في المعطيات المواتية للدراسة الجيدة) 15 /جويلية على سبيل المثال ال الحصر( وهذا بوحدة البحث في الطاقات المتجددة بالوسط الصحراوي) URER MS (. أما في األخير نقوم بدراسة إثباتيه على أساس النتائج المتحصل عليها عدديا ومقارنتها بالنتائج التجريبية المنجزة من طرف)بالحاج 2008(. 65

66 تغيرات شدة اإلشعاع الشمسي خالل السنة بداللة المحلي:.1.4 الزم المنحنيات المرسومة في الشكل أ.- الشكل ب. تم إنشاؤها عن طريق نظام برمجي عددي لتقصي تغيرات شدة اإلشعاع الشمسي خالل سنة واحدة من خالل المعادلة (25.2) المذكورة في الفصل الثاني يمكننا رسم جميع المنحنيات بداللة الزمن المحلي للمنطقة. يتبين من خالل هذه المنحنيات أن الشهور التي تكون فيها شدة اإلشعاع قوية تبلغ ذروتها أزيد من 10 3 W/m 2 هذا المقدار له تأثير إيجابي على عملية التقطير. Irradiation solaire (W/m 2 ) Juillet ; Août ; Septembre Octobre ; Novembre ; Décembre Date: 15 éme jour = 60 w s = 1.0 m/s Temps (hr) الشكل أ. منحنى تغيرات شدة اإلشعاع الشمسي بداللة الزمن المحلي لنصف الثاني من السنة 66

67 Irradiation solaire (W/m 2 ) Juin ; Mai ; Avril Mars ; Février ; Janvier Date: 15 éme jour = 60 w s = 1.0 m/s Temps (hr) الشكل ب. منحنى تغيرات شدة اإلشعاع الشمسي بداللة الزمن المحلي لنصف األول من السنة إذ يعتمد تسخين الماء المالح في الحوض إلى غاية مرحلة التبخر أساسا على هذا العامل. هذه النتائج العددية تتوافق بشكل كبير مع تلك المستمدة من القياسات التجريبية ال يتعدى متوسط اإلشعاع الشمسي بفصل الشتاء 550W/m 2 عند 12h00-13h00 مقدار النقصان اإلشعاعي بينها وفصل الصيف يقدر حوالي 81% هذه النسبة تفسر بأن 19% من إجمالي األشعة الشمسية الواردة في فصل الشتاء غير كافية إلحداث فرق معتبر في درجة الحرارة بالنسبة لمختلف عناصر نظام التقطير هذا من جهة ومن جهة أخرى عامل درجة حرارة الوسط التي تنخفض أحيانا تحت 15 مما يفضي لتخفيض درجة النظام بكامله حتى في فترات الليل باإلضافة لمدة التشميس التي ال تتجاوز 10 ساعات في اليوم. وعليه لهذه األسباب وغيرها يمكن إظهار الفعلية الحقيقية ألنظمة التقطير الشمسية عند الفصول التي يبلغ متوسط اإلشعاع الشمسي ومدة التشميس أعلى قيم لها وعلى ضوء هذه النتيجة اعتمدنا بالخصوص في نتائجنا الرقمية على فصل الصيف المميز بطول مدة التشميس فيه والتي تبلغ أحيانا 13 ساعة في النهار كما أن درجة حرارة النظام ال تنخفض بشكل سريع في فترة الليل مما يسمح لتواصل عملية التقطير إلى غاية ساعات متأخرة من الليل. 67

68 2. 4. تأثير زاوية الميل على المساحة النشيطة لحوض التبخير: من خالل المعادلة (4.3) التي ذكرت في الفصل الثالث نستطيع رسم المنحنى الذي يعطي تغيرات مساحة الالقطة لألشعة بداللة تغيرات زاوية ميل الصفيحة مكثف 4 -مبخر. وبالتالي الزاوية التي يشكلها ميل الصفيحة مكثف 4 -مبخر لها أثر سلبي على فعالية سطح االلتقاط اإلشعاع الشمسي الوارد للحوض وهذا من خالل رسم ظل يحول دون وصول اإلشعاعات التي تعمل على رفع درجة حرارة ماء التبخير في الحوض. Surface active (m 2 ) 1,30 1,25 1,20 1,15 1,10 1,05 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 Date: 15 juillet w s = 1.0 m/s Temps (hr) = 20 ; = 30 = 40 ; = 50 = 60 الشكل منحنى تغيرات مساحة االلتقاط اإلشعاعي بداللة زاوية ميل الصفيحة مكثف 1 -مبخر. نالحظ من خالل الشكل بأن المنحنيات تثبت قيمتها العظمى عند القيمة 1m 2 من مساحة حوض التبخير عند زمن معين حسب كل فصل من فصول السنة فمثال عند الزاوية 20 = ø تأخذ المساحة الفعلية للحوض عند الزمن من 10h30 إلى غاية 13h15 القيمة 1m 2 بينما خارج هذا التوقيت يظهر أثر الظل جليا مما يفضي ذلك إلنقاص معدل التبخير ومن تم تناقص لمعدل التكثيف. لكن يختلف التفسير قليال عند الزاوية 60 =ø حيث يمكننا الحصول على مساحة أكبر في زمن أطول يمتد إلى غاية 8 ساعات وهذا يمثل ما حوالي 67% من المدة الفعلية لعمل المقطر الشمسي. كمية الطاقة اإلشعاعية 68

69 الملقاة على حوض التبخير تعتمد بشكل أساسي على رقعة االصطدام لألمواج الكهرومغناطيسية حتى يتسبب هذا الفعل برفع درجة حرارة المبخر وبالتالي تسخين لحظي لطبقة الماء المالح في الحوض. تبنى معظم المقطرات الشمسية بأحواض شبه خالية من آثار الظل سواء كان هذا من المقطر ذاته أو من العوامل المحيطة به تغيرات درجة حرارة المحيط ومختلف عناصر الجهاز بداللة الزم : المعادالت المدونة في المصفوفة (10.3) تمكننا من الحصول على المنحنيات الممثلة في الشكل وهي عبارة عن التغيرات المحتملة لدرجات حرارة كال من المحيط الخارجي وللمستويات الحرارية للجهاز. أول مالحظة من الشكل تبين مدى تطابق منحنى درجة حرارة الماء في الحوض مع درجة حرارة الصفيحة المبخرة هذا التطابق يرجع العتبارات سمك طبقة الماء في الحوض)التي تقدر ب 0.01m( يتباعدان كلما زاد سمك هذه الطبقة Température ( C) Date: 15 juillet = 60 ; w s = 1.0 m/s T v ; T e ; T b T p ; T cs ; T a Temps (hr) الشكل منحنى تغيرات درجات حرارة عناصر الجهاز بداللة الزمن المحلي وجود فرق في درجة الحرارة بين ماء الحوض وسطحي التكثيف)الغطاء الزجاجي والصفيحة مكثف 4 -مبخر( هو الذي يولد الحركة الطبيعية لصعود البخار أعلى الحوض. يبلغ هذا الفرق عند الغطاء الزجاجي والصفيحة مكثف 4 -مبخر 6.12 C-8.3 C على التوالي. في حين يبلغ 69

70 Iradiation mensuelle (W/m 2 ) هذا الفرق بين صفيحتي المقطر بالفيلم الشعيري حوالي 6.27 C هذه القيمة أعلى من تلك التي بين الحوض والصفيحة مكثف 4 -مبخر فهذا يعني الحصول على نواتج التقطير بكمية أوفر عند المكثف 5. كما أننا نالحظ بأن درجة حرارة الصفيحة مكثف 4 -مبخر أعلى بقليل من درجة حرارة الغطاء الزجاجي فعليه ارتفاع حرارة الصفيحة مكثف 4 -مبخر يقلل من عملية التقطير ألن الفرق في درجة الحرارة بينها وبين الحوض ضئيل مقارنة بالفارق الناتج عن الغطاء الزجاجي الذي يقارب 9 درجات مئوية في حين نلتمس هذا الفرق عند الصفيحة مكثف 4 -مبخر بحوالي 6 درجات مئوية. قد يعود هذا التفاوت في درجات الحرارة إلى أن هذا الجزء من المقطر غير معرض إلى التيارات الهوائية الخارجية أو على األرجح طبيعة المادة المستخدمة منحنى تغيرات نواتج التقطير مع تغير شدة اإلشعاع الشمسي: استنادا للمعادلتين (17.3) و (27.3) المسرودتين في الفصل الثالث باإلمكان تمثيل المنحنيات المبينة في الشكل والتي تعبر عن وجود عالقة طردية بين ارتفاع شدة اإلشعاع من جهة مع الزيادة في مردود التقطير من جهة أخرى. Production mensuelle (kg/m 2 ) = 60 ; w s = 1.0 m/s m ev (Vitrage); m ep (Plaque) m ecs (Condenseur); G g (mensuelle) Mois الشكل منحنى تغيرات نواتج التقطير خالل أشهر السنة بداللة تغيرات متوسط شدة اإلشعاع الشمسي

71 يصل متوسط الشهري لإلشعاع الشمسي معدل يفوق 500W/m 2 في فصل الصيف مع ارتفاع محسوس لدرجة حرارة المحيط تبلغ بينما ال يبلغ هذا المتوسط في فصل الشتاء سوى 200W/m 2 49 C مع تسجيل انخفاض في درجة حرارة الوسط ال تتعدى 25 C هذا التفاوت في درجة حرارة المحيط ال يعني على اإلطالق تأثيرها المباشر على عملية إنتاج الماء المقطر بل على العكس يحتفظ النظام على درجة حرارته التي تمكنه من مواصلة العمل حتى بعد فترات غياب قرص الشمس عن األفق. من خالل الناتج اإلجمالي اليومي تتوزع نسب نواتج التقطير الخاصة بالغطاء الزجاجي والمكثف 4 - المبخر على النحو المتتالي 34% و 24% حيث تدخل النسبة 10% في التفاوت في مساحة سطح التكثيف بينهما على اعتبار مساحة المكثف 4 -المبخر هي نصف مساحة الغطاء الزجاجي بينما تبلغ النسبة المتعلقة بالسطح المكثف 5 للمقطر بالفيلم الشعيري ما يقارب 42%. نفسر هذا التفاوت في النتائج بين سطوح التبادل الحراري لمدى تأثير الفرق المتولد في درجة الحرارة بين كل سطحين يتبادالن الحرارة فمثال الفرق الموجود في درجة الحرارة بين صفيحتي المقطر بالفيلم الشعيري أكبر قليال من ذلك الموجود بين الحوض والغطاء الزجاجي. ولهذا نحصل على المردود األوفر عند المقطر بالفيلم الشعيري بعض المعامالت التي لها تأثير في عملية التقطير: تأثير معامل االمتصاص اإلشعاعي على حوض التبخير: يعرف معامل االمتصاص اإلشعاعي على أنه مقدار نفاذية اإلشعاع في المادة وزيادة االمتصاص يعني زيادة في الطاقة الدخلية للجسم باألحرى رفع درجة حرارته. من خالل المعادلتين (7.3) و (30.3) يمكن رسم منحنى تغيرات درجة حرارة الحوض والناتج التجميعي اليومي بداللة قيم معامل االمتصاص. السطح المطلي باللون األسود له القدرة على امتصاص مقدار كبير من اإلشعاعات المنبعثة لهذا السبب يطلى الحوض المعد للتبخير باللون األسود غير البراق لتسريع عملية التسخين. 71

72 a Date: 15 juillet = 60 ; w s = 1.0 m/s Température ( C) Tb( =0.80) Tb( =0.85) Tb( =0.90) Tb( =0.95) Tb( =1.00) Cumul de distillat (kg/m 2 /j) b Date: 15 juillet = 60 ; w s = 1.0 m/s abs = 0.80 abs = 0.85 abs = 0.90 abs = 0.95 abs = 1.00 Temps (hr) الشكل أ. منحنى تأثير درجة حرارة الحوض بتغير معامل االمتصاص بداللة الزمن المحلي Temps (hr) الشكل ب. منحنى تأثير معامل امتصاص الحوض لإلشعاع بداللة الزمن المحلي. عادة تضاف صبغة كيميائية لها معامل يدعى معامل االمتصاصية لهذا كلما كانت قيمة هذا المعامل كبيرة زادت نسبة االمتصاص لألشعة كما هو مبين في الشكل مقدار الزيادة في الناتج اليومي باالنتقال من قيمة صغرى لمعامل االمتصاص 0.85)25%( الموافقة ل 6.63kg/m 2 /j نحو قيمة عليا 1.00 الموافقة ل.8.30kg/m 2 /j وتفسر هذه النتيجة على أن اإلشعاعات الشمسية عبارة عن أمواج 72

73 ب 6 أ 6 كهرومغناطيسية وضوء الشمس ما هو في الحقيقة إال تركيب أللوان الطيف المتميزة بأطوال موجات مختلفة ما عدى اللون األسود. وبالتالي هذا األخير الوحيد الذي يمتص جميع ألوان الطيف. فعليه كلما كانت معدل اللون األسود كبير كان معدل امتصاصه لإلشعاع أكبر. فعليه ينصح من خالل هذه النتائج على استعمال األلوان شديدة السواد للمساحات الالقطة تأثير كمية الماء المالح بالحوض على عملية التبخير: يعرف المحتوى الحراري)االنثالبي( الذي يعتمد على الوزن المولي للمادة تحت الشروط النظامية بأنه الحرارة التي يمتصها الجسم أو يفقدها خالل التغير في الطور. تعتمد عملية تبخير الماء في أساسا على عدة عوامل من بينها سمك طبقة الماء الراكدة في الحوض كلما كانت هذه الطبقة صغيرة بقدر كافي حصلنا على كمية بخار معتبرة والعكس صحيح. وهذا ما يوضحه الشكل الشكل. 4.. اللذان تم الحصول عليهما من خالل المعادلتين (6.3) و (17.3) المذكورتين في الفصل الثالث. Cumul de distillat (kg/m 2 /j) Date: 15 juillet = 60 ; w s = 1.0 m/s Ee = m Ee = m Ee = m Ee = m Ee = m Temps (hr) الشكل أ. منحنى تأثير سمك الماء في الحوض على الناتج الكلي بداللة الزمن المحلي. 73

74 ب 6 أ Date: 15 juillet = 60 ; w s = 1.0 m/s Température ( C) T w (Ee = m) T w (Ee = m) T w (Ee = m) T w (Ee = m) T w (Ee = m) Temps (hr) الشكل. 4.. منحنى تأثير سمك الماء في الحوض على درجة حرارة الماء في الحوض بداللة الزمن المحلي. كما أننا نالحظ في الشكل ب. ازدياد في كمية الماء في الحوض تعطي الوقت األطوال لمدة التسخين لكن بالمقابل تبقى محتفظة بكمية من الحرارة)حرارة كامنة( خالل فترات الليل وعليه زيادة في مدة التقطير حتى عند غياب الشمس. العديد من البحوث في هذا المجال أنجزت) 2002 )Hinai. )Tiwari. )2006 لتأكيد التأثير السلبي لزيادة كمية الماء في الحوض. ويتمثل هذا التأثير في زيادة مدة وكمية الطاقة الالزمة لرفع درجة حرارة الماء إلى حالة التبخر ونلتمس ذلك جليا في معادالت الطاقوية التي تحتوي على المقدار الذي يعبر عن وجود عالقة عكسية بين حجم الماء المالح في الحوض وقياس درجة حرارة الماء. تقدر نسبة النقصان في المردود اليومي حوالي 7% كما هو مبين في الشكل أ تأثير سرعة تيارات الهواء على أداء الجهاز: جمع المعامالت الواردة في المعادالت (12.3) و (13.3) التي تصف التسريبات بفعل اإلشعاع والحمل الحراري نحو الوسط الخارجي والمذكورة في الفصل الثالث. الشكل. 4.. يبين منحنى تغيرات معامل التسريب الحراري الكلي للمقطر بداللة الزيادة في سرعة تيارات الهواء يمكن مالحظة بأن الزيادة في هذه السرعة تحدث زيادة في نسبة معدل التسريبات الحرارية الخارجية الصادرة من طرف 74

75 ب 7 ج 7 الغطاء الزجاجي الصفيحة المكثف 5 والقاعدة السفلية للحوض. هذه النسبة المرتفعة ليست في صالح عملية التقطير ألنها تعمل على تبريد الجهاز بالكامل مما يفضي النخفاض في درجات الحرارة مكوناته لهذا يتراجع مردود التقطير بشكل ملحوظ. تتعدى نسبة التسريبات الخارجية عند السرعة 7m/s القيمة 100W/m 2 C / بينما ال يتعدى القيمة 40W/m 2 C / عند القيم الصغرى لسرعة الرياح. يتبين من الشكل. 4.. بأن النتائج العددية المتحصل عليها في خصوص تأثير سرعة الرياح على النواتج التجميعية للماء المقطر حيثما زادت هذه السرعة ينقص بمقابلها معدل التقطير. لذا نسبة نقصان المردود تصل إلى حدود 53%. في هذا الخصوص تأثير سرعة الرياح على نظام التقطير بكامله تأثير سلبي باإلضافة لألثر االيجابي كما يشير إليه الشكل. 4.. والمتمثل في تبريد سطح التكثيف للغطاء الزجاجي مثال ومقارنته مع تبريد كامل للجهاز يالحظ أن معدل التقطير يتناقص بالنسبة للجهاز بينما يتزايد بالنسبة للغطاء الزجاجي هذا ما يفسر تسريع عملية التبادل الحراري بالحمل النابعة من الزجاج نحو الخارج. وتبرز السلبية في انخفاض المحسوس لدرجة حرارة النظام مما يفضي ذلك على زيادة في التسريبات الحرارية للوسط الخارجي مثل هذه النتيجة ذكرت من طرف كال من )1969 )Cooper, و) 2000 )Sebaii, حيث اشر من أجل سرعة رياح في المجال من 0 إلى 2.15m/s توجد زيادة في المردود بحدود 11.5% لكن يحدث العكس عند القيم من 2.15 إلى غاية 8.81m/s زيادة في حدود 1.5% فقط. ولهذا الغرض عادة تبنى أو توضع المقطرات الشمسية قريبة جدا من سطح األرض أين نعتبر هناك سرعة الرياح تقارب الصفر)الطبقة الحدية(. 75

76 Coefficient des Pertes à l'extérieur (W/m 2 / C) 150 H (w s = 1.0 m/s); H (w s = 2.0 m/s) 135 H (w s = 3.0 m/s); H (w s = 5.0 m/s) 120 H (w s = 7.0 m/s);date: 15 juillet; = Temps (hr) الشكل أ. منحنى تأثير سرعة الرياح على معامل التسريب الحراري الكلي للنظام. Cumul de distillat (kg/m 2 /j) Date: 15 juillet; = 60 w s = 1.0 m/s w s = 2.0 m/s w s = 3.0 m/s w s = 5.0 m/s w s = 7.0 m/s Temps (hr) الشكل ب. منحنى تأثير سرعة الرياح على نواتج التقطير بداللة الزمن المحلي. 7,0 6,5 6,0 Date: 15 juillet; = 60 Vent seule sur la vitre Vent sur le dispositif Masse distillat (kg/m 2 ) 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2, LA vitesse de vent (m/s) الشكل ج. منحنى تأثير تغيرات معدل اإلنتاج بداللة تزايد سرعة الرياح. 76

77 6. 4. تأثير زاوية الميل على اإلنتاجية والمساحة الفعلية للحوض: زاوية ميل مكثف 4 -مبخر لها تأثير سلبي على مردود التقطير للنظام كله ويرجع هذا لتشكل ظالل على حوض التبخير ومن تم إنقاص لفعالية مساحة االلتقاط اإلشعاعي. Cumul de distillat (kg/m 2 /j) Date: 15 juillet; w s = 1.0 m/s = 20 = 60 = Temps (hr) الشكل أ. منحنى تأثير زاوية ميل المكثف 1 -مبخر على مساحة الحوض. Cumul de distillat (kg/m 2 /j) 17,0 16,5 16,0 15,5 15,0 14,5 14,0 13,5 13,0 12,5 Date: 15 juillet; w s = 1.0 m/s 12, Angle d'inclinaison (deg) الشكل ب. منحنى تأثير زاوية ميل المكثف على مساحة الحوض الفعلية وإنتاجية الصفيحة مكثف 1 -مبخر. من خالل الشكل يتبين لنا بأن الزاوية األمثل تكون في حدود حيث ينحصر ظل الزوال لتظهر المساحة الكلية للحوض مما يتيح أعلى قيمة اللتقاط اإلشعاع الشمسي هذه النتيجة 77

78 أكدها) 1969 )Cooper, حيث قارن بين قيم زوايا الميل للغطاء الزجاجي من 0 إلى غاية 45 وجد نوع من استقرار في النتائج لكن عند حدود القيمة 60 يبلغ أعلى معدالته ثم يبدأ في االنخفاض بداية من الزاوية 70. الزوايا التي هي أقل من 90 تطبق عليها نفس عبارات الحمل الحراري في المعادلة (20.3) المذكورة في الفصل الثالث. بينما عند الزاوية 90 تماما نستعمل عبارة تصحيحية أخرى -ذكرت في جدول. B. 3. من الملحق. B - لمعامل الحمل الحراري. لهذا يالحظ ارتفاع المردود التقطير مرة ثانية منحنى تغيرات معامالت الحرارية )بالتبخير بالحمل الحراري وباإلشعاع(: منحنى تغير معامل التبخير بداللة الفرق في درجة الحرارة: يبين الشكل منحنى تغيرات معامل التبخير بداللة الفرق في درجة الحرارة بين حوض التبخير والغطاء الزجاجي مقدار االستحسان لقيمة معامل التبخير ألفضل زاوية ميل يكون على النحو 9% حيث يتجلى بوضوح تأثير زاوية ميل عند أخذ القيمة 60 للصفيحة مكثف 4 -مبخر. Ceofficient d'évaporation (W/m 2 / C) Date:15 juillet; w s = 1.0 m/s h eev (Vitre) h eep (Plaque) (Te-Tv) (Te-Tp) T ( C) الشكل منحنى تغيرات معامل التبخير بداللة الفرق في درجة الحرارة. 78

79 يعود عدم تطابق المنحنيين لعبارة المعامل المذكورة في الفصل الثالث المعادلة (20.3) حيث يختفي أثر مسقط شعاع الجاذبية األرضية في المحور العمودي شريطة أن تكون الزاوية 30 وهذا ما أكدته معظم المقاالت المنشورة مثل) 2005 )Tiwari, و) 2000.)Madhlopa, منحنى تغير معامل الحمل الحراري مع الفرق في درجة الحرارة: أنماط التبادل الحراري داخل المقطرات الشمسية عادة تكون مرتبطة بعضها بعضا فمثال يمكن صياغة معامل الحمل الحراري عن طريق حساب معامل التبخير أو العكس صحيح. والمالحظ في الشكل بأنه يتماشى تماما مع المنحنى في الشكل Coefficient convective (W/m 2 / C) 2,0 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 Date: 15 juillet; w s = 1.0 m/s h cev (Vitre) h cep (Plaque) (Te-Tv) (Te-Tp) T ( C) الشكل منحنى تغيرات معامل الحمل الحراري الداخلي بداللة الفرق في درجة الحرارة. هذه العالقة التي تربطهما مكتوبة في الفصل الثالث بوضوح وهي تفسر من جهة أخرى بأن حركة المائع)جزيئات البخار( تتعلق بحركة تيارات الهواء التي تشكل بدورها حلقات دائرية من المستوى الساخن نحو السطح البارد فنحصل بهذا المزيج على هواء رطب له خصائصه الفيزيائية كما سلف الذكر. 79

80 معامل التبادل اإلشعاعي الداخلي بداللة الفرق في درجة الحرارة: الجسم األكثر سخونة من غيره هو الذي يشع نحو األجسام الباردة نسبيا. نظرا الرتفاع درجة حرارة حوض التبخير خالل فترة التشميس يحدث عن هذا إصدار أشعة تحت الحمراء تنتقل بواسطة اإلشعاع نحو سطوح التكثيف غير أنه توجد ثالثة سطوح متقابلة ومن تم يستحسن استخدام معامل الشكل الذي يصف نمط التبادل اإلشعاعي بين أكثر من سطحين. Coefficient radiative (W/m 2 / C) 9,0 8,7 8,4 8,1 7,8 7,5 7,2 6,9 6,6 6,3 6,0 5,7 5,4 Date: 15 juillet; w s = 1.0 m/s h rev (Vitre) h rep (Plaque) (Te-Tv) (Te-Tp) T ( C) الشكل منحنى تغيرات معامل اإلشعاع الداخلي بداللة فرق في درجة الحرارة. من الشكل يمكن مالحظة المقدار اإلشعاعي من كال المكثفين يتعدى 7W/m 2 C / مقارنة بمنحنى الحمل الحراري. لهذا السبب هذا المقدار له أثر ملحوظ في عملية التقطير وال ينبغي أن ترتفع قيمه لحدود قصوى مما يؤثر سلبا على كفاءة الجهاز التسريبات الحرارية الخارجية: من المعلوم بأن أجهزة التقطير تعمل بالطاقة الشمسية التي تؤدي لرفع درجة حرارة النظام هذا االرتفاع يولد بدوره عملية تبديد للحرارة للوسط المحيط عن طريق اإلشعاع والحمل الحراري. في هذا الصدد يبين الشكل نسبة التوزيع للمستويات التي لها اتصال 80

81 مباشر بالوسط الخارجي للجهاز حيث يأخذ كال من الغطاء الزجاجي والمكثف 5 اإلضافي النسب األوفر ب 40% وهذا يفسر على أن قاعدة الحوض كلما كانت غليظة وسميكة ومتراصة بطبقات من مواد عازلة تقلل من التسريب كانت فعالية الجهاز أفضل بخالف سطوح التكثيف التي نسعى بتحسينها من أجل رفع معامل التسريب لغرض تسريع عملية التقطير. المكثف 2 40% الغطاء الزجاجي 40% الحوض 20% التوزيع المئوي لنسبة التسريبات الحرارة على مستوى المقطر الشمسي. الشكل تغيرات معدل كمية الماء )المتدفقة المقطرة والمصرفة( خالل مدة التشميس: من خالل المنحنى الممثل في الشكل يتبين بأن معدل تدفق ماء التغذية لخلية المقطر بالفيلم الشعيري تبقى على طول االختبار ثابتة لنسجل في نهاية اليوم الكمية التي استخدمت لعملية التقطير والتي تبلغ حوالي kg من إجمالي 81

82 Cumul de la masse (kg/m 2 /j) Date: 15 juillet = 60 ; w s = 1.0 m/s M Distillat M Entrée M Sortie Temps (hr) الشكل منحنى تغيرات كال من تدفق مياه المصرفة المقطرة ومياه التزويد بداللة الزمن المحلي. ما تم تقطيره والذي يقدر ب 56% تقدر حوالي 44%. وما صرف كمياه شديدة الملوحة النسب المئوية المساهمة في الناتج الكلي للتقطير: النسب المئوية للناتج اليومي اإلجمالي 14. الشكل. 4. يظهر من الماء المقطر حيث نلتمس 42% الناتجة من طرف المقطر بالفيلم الشعيري وهذا لعدة عوامل ساعدت للحصول على هذه الكمية. بينما من هذه الكمية بالنسبة للصفيحة 24% ال نحصل على سوى المكثف 4 -مبخر. 82

83 تقطير )الغطاء الزجاجي( %34 تقطير )مكثف 2 ( %42 تقطير )مكثف 1 - مبخر( %24 الشكل منحنى توزيع النسب المئوية المساهمة في عملية التقطير لكل من الغطاء الزجاجي الصفيحة المعدنية والصفيحة المكثفة. وهذا لسبب ارتفاع درجة حرارتها الناجمة من إطالل أحد وجهيها على حوض التبخير الذي يتعرض لعدة كميات طاقوية متبادلة بينه وبين الحوض والسبب الثاني لوجود خلية مستطيلة محكمة الغلق تعدى بمثابة طبقة عازلة. مما يتسبب كل ذلك على انخفاض معدل التكثيف على مستوى هذه الصفيحة. 83

84 دراسة إثباتيه للنموذج المنجز بالوضعية العمودية للصفيحة المعدنية بالمحاكاة العددية: في هذا الحالة سنقوم بدراسة بغرض استعمال برمجة عددية إلثبات والتحقيق من النتائج التجريبية التي تحصلنا عليها خالل فترة إعداد مذكرة الماجستير على مستوى مخبر )LENERZA( بجامعة قاصدي مرباح بورقلة بتاريخ: 2007/08/06. في البداية نتحقق من الظروف المناخية لمنطقة ورقلة جنوب الشرقي للجزائر النموذج المعين للدراسة يمكن مشاهدته في الملحقB )الشكل. 4.B.( مقارنة بي شدتي اإلشعاع الشمسي المقاس والمحاكاة: من خالل الشكل والشكل يمكن مالحظة أنه يوجد شبه تطابق بين المنحنيات بالنسبة لشدة اإلشعاع وكذا لدرجة حرارة الوسط بالنسبة للقيم ألمقاسه تجريبيا والمتحصل عليها عن طريق المحاكاة العددية وبواسطة المعادلة (25.2) من الفصل الثاني والمعادلة (15.3) من الفصل الثالث وهذا يستدعي القول بأن الحساب الرقمي مضبوط بشكل مقبول. نسب التقارب بين النظري والتطبيقي يكون على النحو المتوالي 19.42% و 9% Date: 06/08/2007 = 90 ; w s = 1.97 m/s Irradiation solaire (W/m 2 ) Simulation Expérimental Temps (hr) الشكل مقارنة بين منحنى اإلشعاع الشمسي النظري والتجريبي بداللة الزمن المحلي. 84

85 مقارنة بي درجتي حرارة المحيط الخارجي نظريا وتطبيقيا: فعليه من هذه النتائج يمكننا اإلشارة إلى أن الفرضيات والتسهيالت التي أخذت في الحسبان كانت صحيحة بقدر مقبول مع التنويه على أن القياسات التجريبية لإلشعاع الشمسي كانت تؤخذ بالحسبان فقط قياس اإلشعاع المباشر) direct.)rayonnement Date: 06/08/2007 = 90 ; w s = 1.97 m/s Expérimental Simulation 80 Température ( C) Temps (hr) الشكل مقارنة بين القيم العددية والتجريبية لدرجة حرارة الوسط بداللة الزمن المحلي. وعلى هذه االعتبارات توافق المنحنيين المقاس والرقمي بتلك الصورة. كما هو جدير بالتنبيه على أن نموذج )CAPEDROU( لحساب اإلشعاع الشمسي يقرب الصورة الرقمية للقياسات الملموسة في الواقع مقارنة بي نواتج التقطير م الناحية التجريبية والمحاكاة العددية: يبرز الشكل مدى تطابق بين منحنى النتائج التجريبية مع منحنى القيم المحاكاة العددية مع أخذ باالعتبار المعطيات المناخية للمنطقة وذلك بحساب متوسط سرعة الرياح التي تأثر على عملية التقطير والتي تبلغ حوالي 1.97m/s وعليه تبلغ نسبة التفاوت بين العملية التجريبية والنظرية حوالي 8%. 85

86 Total masse distillat (kg/m 2 /j) Date: 06/08/2007 = 90 ; w s = 1.97 m/s Simulation Expérimental Temps (hr) الشكل مقارنة بين الكمية التجميعية المتحصل عليها تجريبيا وعدديا بداللة الزمن المحلي. هذه النسبة تعطي تفسيرا لمدى تثبت النتائج التجريبية المتحصل عليها وكذا فعالية التمثيل الرقمي. 86

87 الفصل الخامس الدراسة االجتماعي- االقتصادي 87

88 5. مقدمة: في هذا الفصل نذكر بأثر تكلفة إنشاء جهاز تقطير شمسي على الجانب االجتماعي واالقتصادي. هناك العديد من العوامل التي تؤخذ بالحسبان والتي قد تؤثر على معايير التكلفة وعلى اختيار التقنية لتحليه الماء. المعايير الرئيسية لتقدير تكاليف أنظمة التقطير صغيرة الحجم فهي ال تختلف كثيرا عن تلك األنظمة على نطاق واسع. قدمت العديد من الدراسات ذات الصلة ووجد أن تكلفة اإلنتاج لتحليه المياه والتي تعتمد بشكل أساسي على الظروف الجغرافية وكذا توفر المعدات المناسبة الستخدامها في المنطقة. وميزة استخدام المصادر الطاقة النظيفة تكمل في زيادة تكاليف االستهالك. ومع ذلك التقطير الشمسي ال يزال واحد من أكثر التقنيات المالئمة الستعمالها في المناطق النائية والصحراوية. ويعود هذا نظرا لإلنتاج الضئيل للمقطرات الشمسية مقارنة بباقي التقنيات المعهودة حاليا إال أننا ال نستغني عن هذه التقنية وذلك بمحاولة تحسين أداءها ورفع كفاءة إنتاجيتها والتشجيع من أجل استغاللها في المناطق النائية التي تفتقر أساسا لبدائل الطاقة الشمسية. الدراسة.1.5 االجتماعية-االقتصادية: األثر االجتماعي الناجم ع أزمة المياه: إن نصف سكان العالم في الوقت الحالي يعيشون في قرى ومدن ويتوقع أن يصل هذا العدد إلى ثلثي مطلع 2050 ونتيجة لذلك ستزداد الحاجة لتوفير ضروريات الحياة. وبما أن الماء يشكل المصدر األساسي الستمرار الحياة ألي مخلوق وللنشاطات البشرية االقتصادية واالجتماعية. وتعد الزراعة والصناعة المستهلكان األكبر لمصادر المياه 70% توجه نحو القطاع الزراعي بينما 90% يوجه للصناعة ويتكفل الباقي للمتطلبات اليومية. يقود ما سلف ذكره إلى أن هناك استنزاف كمي ونوعي للموارد الطبيعية واستغاللها بكميات تفوق معدل تجددها الطبيعي. وحتى يتمكن اإلنسان من توفير جو المعيشي المستقر واألمن ال بد من توفر مصدر سليم ودائم لمنابع المياه الصالحة للشرب لسد احتياجاته اليومية وفي الكثير من 88

89 المناطق كان البحث عن الماء هو الذي يدفع بالكثير للنزوح وتحمل مشاقة الترحال للظفر عليه. إن أثر اإلنسان في خلق األزمات والصراعات حول نضوب منابع المياه يتمثل في ازدياد حاجاته الغذائية والزراعية باإلضافة لتطور جانب الصناعة كل هذا وذاك يتطلب توفير بصورة واسعة موارد مائية دائمة ومستمرة. لتحقيق ذلك يجب وضع إستراتيجية هادفة ألجل العقالنية في تسير الموارد المائية األثر االقتصادي: جميع المواد المكونة للجهاز ترتكز على األسعار في األسواق العالمية والمحلية. يتأثر النمط االقتصادي على عدم االستقرار في التحويالت المادية على مدار الزمن وحتى نجد نموذج تقريبي الذي من خالله نقرب الصورة الواقعية من الصورة المحاكاة العددية يجب األخذ بالحسبان هذه العوامل التي تدخل في حساب التكلفة التقريبية للماء المحلى عن طريق جهاز التقطير اإلنتاجية: من خالل تقدير الناتج اإلجمالي من الماء المقطر من طرف جهاز التقطير الشمسي يمكن تقدير تكلفة الماء المحلى. وهذا خالل مدة زمنية معينة ولتكن على تقدير خالل 1 سنة. يحسب الناتج اليومي من الماء المقطر بواسطة العالقات المذكورة في الفصل الثالث وهي بينما خالل السنة نأخذ العالقة و( 30.3 ) (29.3) (28.3) المعادالت التالية: (1.5) m A = n i=1 m T حيث يمثل n رقم الشهر في السنة. التكلفة المادية للجهاز: الجهاز المدروس هو تركيب لمقطرين شمسيين متصلين مباشرة كما هو موضح في الشكل يتمثل حساب تكلفة المادية للجهاز مرورا بحساب سعر كل عنصر داخل في تركيبه. في 89

90 الجدول يعطى فيه سعر الوحدة لمختلف مكونات الجهاز حسب السعر المتداول في األسواق المحلية. تعطى العالقة المعبرة عن تكلفة الجهاز السنوية حسب )2003 )Saleh, بالشكل المرسوم وفق) 2012 :)SolidWorks, 0.99 m 0.50 m 1.00 m 1.00 m الشكل صورة تجسيدية لجهاز التقطير الشمسي المعدل مع األبعاد المحتملة. التكلفة اإلجمالية السنوية) CAT ( = تكلفة االستثمار السنوية) CAI ( + تكلفة الصيانة واالستغالل السنوية) CAME ( - القيمة االستهالكية السنوية) VAA ( جدول إعطاء السعر الوحدة لمجمل العناصر الداخلة في تركيب الجهاز. الثمن)دج( نمط المادة العنصر زجاج الغطاء قالفانيزي الصفيحة مكثف 4 -مبخر قالفانيزي الصفيحة مكثف قالفانيزي صفيحة الحوض بوليستران العازل الخشب الصندوق فوالذ المسند 90

91 التكلفة السنوية لالستثمار) CAI (: ليكن CC عبارة عن التكلفة المادية للجهاز وFRC يعبر عن معامل انتعاش المال المودع وعليه تحسب التكلفة السنوية لالستثمار بالعبارة التالية: (2.5) CAI = CC FRC حيث يكتب FRC بالعبارة التالية: (3.5) FRC = r(1+r)n (1+r) n 1 ويمثل n البنكية. المدة االفتراضية لحياة الجهاز. و% r يمثل نسبة الفائدة التكلفة السنوية للصيانة وحق االنتفاع) CAME (: الصيانة الدورية للجهاز مطلوبة لضمان بقاء عناصره سليمة من التلف. يجب تنظيف جميع مكوناته من الشوائب التي تعلق عليه واستبدال إن أمكن ما تعطل. وعليه تكلفة الصيانة واالستغالل السنوي للجهاز يمكن اعتبارها كنسبة 15% من التكلفة المادية للجهاز. ومع ذلك فهي ليست عالية كثيرا. كما يتم إهمال الضريبة السنوية ورسوم التأمين)إن وجدت( باإلضافة لتكلفة المياه المالحة القيمة السنوية لالستهالك) VAA (: ليكن S القيمة االستهالكية للجهاز. ويمكن اعتبارها كنسبة للتكلفة االبتدائية للجهاز بينما تكتب قيمة االستهالك السنوي بالعبارة التالية: (4.5) VAA = S FAF حيث FAF يمثل معامل االستهالك األساسي ويعطى بالعالقة التالية: (5.5) FAF = r [(1+r) n 1] 91

92 تقدير التكلفة لمكونات الجهاز باالستناد العتبارات) 2013.)Ranjan, المساحة )m 2 ( جدول. 5. 2: العنصر الغطاء الصفيحة مكثف 4 - مبخر نمط المادة الزجاج فوالذ ڤالفانيزي فوالذ ڤالفانيزي فوالذ ڤالفانيزي بوليستيران الخشب فوالذ عادي الوزن) kg ( سعر الوحدة )دج( التكلفة )دج( الصفيحة مكثف 5 صفيحة الحوض العازل الصندوق المسند المجموع لواحق أخرى & العمل اليدوي التكلفة المادية للجهاز CC القيمة االستهالكية S )تمثل 25% من تكلفة المواد المستعملة( تحسب وحدة التكلفة للتر الواحد من الماء المقطر بالعالقة التالية: (6.5) C u = CAT m A يبرز مختلف المعامالت المؤثرة على سعر الوحدة من الماء المقطر) 2003.)Saleh, جدول. 5. 3: Cu(DA/L) CAT(DA) CAME(DA) )15% من )CAI VAA(DA) CAI(DA) FAF FRC مدة حياة n )العام( الناتج السنوي )L(mA الفائدة.r%

93 ,0 4,5 4,0 3,5 Cu (DA/L) 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 A5 B10 C15 A5 B10 C15 A5 B10 C15 r (%) الشكل تغيرات كلفة وحدة من الماء المقطر بداللة مدة حياة الجهاز. من خالل النتائج المدونة في الجدول نستنتج سعر الوحدة من الماء المقطر يتغير ما بين 4-1 دج ويرتبط هذا السعر بنسبة الفائدة الذي يتماشى مع أسعار السوق كذلك مرتبط بمدة حياة المواد المستعملة في التركيب. هذه المواد المفترضة لها مدة حياة تتغير على الترتيب) 5 سنوات لفوالذ القالفانيزي 10 سنوات لأللمنيوم 15 سنة للنحاس(. توافق الزيادة في التكلفة نسبة النقصان في تكاليف إنشاء جهاز تقطير. من خالل المنحنى المبين في الشكل نالحظ بأن مدة حياة الجهاز تقدر 15 سنة يقابلها نسبة الفائدة بحدود 5% وناتج سنوي على تقدير 1650 لتر يوافق كل هذا تكلفة إنتاجية بحدود.)1506DA/m 3 (1.50DA/L على حسب االعتبارات السابقة حينما نقارن تكلفة إنتاج الماء المحلى عن طريق الطاقة الشمسية المباشرة مع مثيالتها من التقنيات التي تستعمل الطاقة الناضبة الملوثة للبيئة نجذ بأن سعر التكلفة اإلنتاجية اليومية عالية جدا U$/m 3 بينما يتراوح سعر تكلفة اإلنتاجية للمتر مكعب من الماء المحلى مثال لتقنيتين )األسموز العكسي OR و التقطير متعدد المراحل )MSF ما يقارب U$/m 3 93

94 .2.5 الخالصة: استعرضنا في هذا الفصل سعر تكلفة المتر مكعب من الماء المقطر الناتجة من المقطر المعدل ومقارنتها مع تلك المتعلقة ببعض التقنيات المتداولة حاليا لتحليه المياه حيث تبين من خالل المقارنة أن التكلفة كبيرة نسبيا لكن احتياجات الطاقة مجانية وصديقة للبيئة بالرغم من هذا بإمكانها أن تلبي متطلبات تجمع سكاني صغير في مناطق نائية حيث ال تتوفر على طاقات بجهد عالي. 94

95 6. الخالصة العامة: الدراسة النظرية التي أجريت على مثل هذا المقطر الشمسي سبقتها دراسة تجريبية على نفس النموذج لكن باعتبار الطرف في هذه الحالة بوضعية الزجاجي الشمالي( المستبدل)الغطاء عمودية. توصلنا على ضوء النتائج النظرية المتحصل عليها بأن مثل المجرب يسمو على ذلك النموذج المقترح من طرفنا هذا النموذج بالوضعية العمودية. وجه االختالف بينهما يكمل في تعرض سابقا الحرارة الكامنة وهما النموذج بالوضعية العمودية لمصدرين طاقوين لتلقيه ألشعة شمسية خالل فترات من النهار. للتكثيف باإلضافة هذان المصدران يرفعان درجة حرارة الصفيحة مكثف 4 -مبخر مما يثبط من خالل المنحنيات والنتائج يمكن فإنه فعل التكثيف. وعليه استخالص ما يلي: 1. نظرا للعالقة الوطيدة بين شدة اإلشعاع وزيادة المردود فإن إبراز فعالية المقطر تظهر إال في الشهور التي تكون فيها شدة اإلشعاع فوق.600W/m 2 بينما في الشهور التي تقل عن تلك القيمة يمكن في هذه الحالة االستعانة بالمركزات الشمسية لمضاعفة شدة اإلشعاع. 2. مساحة االلتقاط اإلشعاعي بالغة األهمية في المقطرات الشمسية لهذا ينصح بإنشاء هذه المقطرات مع الحرص بعدم ظهور بقع مظللة. يجب البحث عن صبغة لها القدرة على زيادة معدل االمتصاص اإلشعاعي في الحوض 3. عملية التبخير في المقطرات الشمسية ليست تسخينا حتى الغليان لهذا كمية الماء المالحة في الحوض البد أن تتوافق مع درجة حرارة التبخير. كلما كانت طبقة الماء في الحوض صغيرة كلما حصلنا على بخار ماء بكمية أكبر ومدة تسخين أقل ما يمكن. والعكس صحيح. 4. سرعة الرياح لها تأثير سلبي على نظام التقطير فكلما زادت قوتها زادت بالمقابل تسريبات الحرارية الخارجية. لهذا يرجى تعزيز العزل الحراري ألنظمة التقطير. 95

96 5. من خالل هذه الدراسة أمكننا تقدير الزاوية األنسب لميل سطح التكثيف المستبدل للمقطر المعدل وهي بحدود 60 حيث نحصل على مردود جيد من جهة ومن جهة أخرى نتفادى ظهور مساحات مظللة على مستوى الحوض. 6. يثبت البرنامج الرقمي المعد من طرفنا مدى نجاحه في توافقه مع النتائج التجريبية. 7. أظهر التحليل االقتصادي لهذا الجهاز الذي إذا تم اعتمده في منطقة صحراوية مثل ورقلة بأن سعر 1 كلغ من الماء المقطر المنتجة يكون بحدود 1.50 دج على أساس 15 سنة كمدة حياة لهذا الجهاز وفائدة سنوية على تقدير 5%. 96

97 الملحقات الملحق. A نذكر في هذا الملحق بعض العبارات والعالقات التي نحتاجها الستكمال جميع العبارات المأخوذة باالعتبار في الحسابات الرقمية. عبارة معامل الشكل لثالث سطوح متقابلة وتشكل حيزا مغلقا كما هو مصرح عليه في الفصل الثالث. (1. A) f ve = L v+l e L v 2L v f vv = f ee = f pp = 0 حيث العبارات التصحيحية للزاوية الزمنية) a (. (2. A) sin(a ) = (sin(a) cos(δ)) sin (h) وبالتالي: (3. A) tan(a ) = sin(a) [sin( ) cos(a) cos( )tan (δ)] نأخذ باالعتبار الثوابت التالية بالحسبان: C 1 = { 1 si a < a ew 1 si non (4. A) 1 si ( δ) 0 C 1 = { 1 si non { 1 si a 0 C 1 = { 1 si non على النحو التالي: a ew وعليه نعرف الثابت (5. A) cos (a ew ) = tan(δ) /tan( ) كما يلي: نستنج في األخير عبارة الزاوية الزمنية المصححة a s (6. A) a s = C 1 C 2 a + C 3 ( 1 C 1 C 2 )

98 الملحق. B: في هذا الملحق نسرد بعض الجداول الخاصة بالمعامالت الترمو- فيزيائية الداخلة في الحسابات العددية. إعطاء نسب خاصة بمقادير االمتصاص واالنتشار لإلشعاع الشمسي. جدول. B. 1. المقدار المنتشر مقدار االمتصاص 8% نحو الفضاء الخارجي 12% الغيوم 26% السحب المكثفة 6% غازات الغالف الجوي جدول. B. 2. الخصائص الترمو-فيزيائية المستخدمة في هذه الدراسة. المعامالت المقطر الشمسي البسيط المقطر بالفيلم الشعيري E e (m) E p (m) E v (m) S b (m 2 ) S p (m 2 ) S v (m 2 ) ρ v (kg. m 3 ) ρ b (kg. m 3 ) ρ p (kg. m 3 ) λ b (W. m 1. K 1 ) λ iso (W. m 1. K 1 ) Cp v (kj. kg 1. K 1 ) Cp b (kj. kg 1. K 1 ) Cp p (kj. kg 1. K 1 ) m b (kg) m e (kg) α v α e α p α b ε v ε e ε p ε b w s (m. s 1 ) 98

99 في الجدول التالي يمكن تلخيص مجمل األشكال الهندسية مع أخذ بعين االعتبار الوضعيات الممكنة لزاوية الميل بالنسبة لألفق وأهم العبارات التصحيحية المأخوذة في الحسبان. )Pr قيم عدد Nusselt العدد Nusselt بداللة وضعيات وأبعاد خلية التقطير. Ra h شرط على ( cr φ شرط على ) و 90 < φ < 180 φ cr < φ < 90 0 < φ < φ cr H dc ( H dc < 10 H dc > 10 جدول. B. 3. Nu(φ) = 1 + [Nu φ=90 1] sin (φ) Nu(φ) = Nu φ=90 (sin(φ)) 1/4 Nu(φ) = [ Nu φ=90 (sin(φ)) 1/4 ] Nu φ=0 Nu(φ) = X 1 X 2 + X 3 أما في حالة الخلية العمودية المغلقة بمعنى )90 = φ( يوصى باستعمال العبارات التالية: 10 3 < Pr < Pr ( Pr Ra h) ( d 3 c H ) > Pr < 10 5 Ra h < < Pr < < Ra h < < Pr < < Ra h < < H d < 2 c 2 < H d < 10 c 10 < H d < 40 c 1 < H d < 40 c Pr Nu(90 ) = 0.18 ( Pr Ra h) Pr Nu(90 ) = 0.22 ( Pr Ra h) φ φcr Nu(90 ) = 0.42 Ra h 1/4 Pr ( H d c ) Nu(90 ) = 0.46 Ra h 1/3 ( d c H ) 0.13 ( d 0.09 c H ) 0.3 جدول. B. 4. عبارة عدد Nusselt ألشكال هندسية مختلفة. الشكل الهندسي مع اعتبار T c < T h األبعاد مجال كال من Ra العالقة الموصى عليها 1/4 Nu(90 ) = 0.59 Ra V 1/3 Nu(90 ) = 0.1 Ra V Ra V < 10 9 Ra V < 10 9 Nu(90 ) = [ Ra V 1/6 (1 + ( Pr )9/16 ) 8/27 ] 2 Ra V < 10 9 H الشكل. B. 1. صفيحة في وضع عمودي. 99

100 g نستبدل المقدار (φ) g cos في عبارة Ra مكان Ra V < 10 9 H الشكل. B. 2. صفيحة في وضع مائل. Nu(φ) 1780 (sin(1.8 φ))1.6 (1 ) Gr Pr cos(φ) 1780 = (1 Gr Pr cos(φ) ) + 1/3 Gr Pr cos(φ) (( ) 1) [ 5830 ] Ra < 10 5 H dc الشكل. B. 3. الخلية في وضع مائل. Nu(0 ) = ( ) Ra h 1/3 + ( Ra h 18 1) Pr Nu(90 ) = 0.18 ( Pr Ra h) ( d c H ) 0.13 Ra h < 10 8 Pr ( Pr Ra h) > H dc الشكل. B. 4. الخلية في وضع أفقي. Pr Nu(90 ) = 0.22 ( Pr Ra h) 0.28 ( d c H ) 0.09 Ra h < Nu(90 ) = 0.42 Ra 1/4 h Pr ( H 0.3 ) d c 10 4 < Ra h < 10 7 H dc Nu(90 ) = 0.46 Ra h 1/ < Ra h < 10 9 الشكل. B. 5. الخلية في وضع عمودي. اختبار تحقق م الصحة:.1.B تمثل هذه الصورة العمل التجريبي المنجز في مخبر الطاقات الجديدة والمتجددة بالمناطق النائية والصحراوية( LENREZA ) على مستوى جامعة قاصدي مرباح بتاريخ 2007/08/06 هذا العمل يندرج في إطار إعداد مذكرة الماجستير. وعلى هذا األساس تم تعديل في النموذج 100

101 وتحسين كفاءته على أساس المحاكاة العددية)أنظر الشكل. 6.B.(. الخصائص الهندسية للجهاز مدونة في الجدول. 5.B. التالي: جدول. 5.B : الخصائص الهندسية والحرارية للجهاز. المكثف 4 2 المبخر الغطاء المعامالت الزجاجي الكتلة الحجمية) )kg/m التوصيلية الحرارية) W/m/ C ( الحرارة النوعية) J/kg/ C ( االمتصاصية اإلمرارية السمك) m ( اإلنبعاثية المساحة) )m المسافة الفاصلة) m ( زاوية االنحناء) ( 101