کلمات کليدی:سیستم‌های تولید آب چگالشی، هوای گرم و مرطوب، خاک،آنالیز حساسیت، خنک‌کاری در طول شب فهرست مطالب صفحه1-مقدمه11-1وضعیت آب در جهان31-2طبقه‌بندی مصارف آب شیرین31-3وضعیت منابع و سرانه آب در ایران41-4مروری بر روشهای متداول شیرین سازی آب در کشور51-4-1نمک‌زدایی61-5تولید آب شیرین از رطوبت هوا121-5-1سیستم‌های تولید آب چگالشی141-5-2پژوهش‌های پیشین151-6اهداف پژوهش کنونی172-توصیف سیستم تولید آب چگالشی مورد مطالعه182-1ماهیت و رفتار بخار آب192-1-1مفاهیم اولیه ترکیبات جو192-1-2توزیع زمانی و مکانی رطوبت هوا212-1-3توزیع دما در خاک212-2انواع سیستم‌های تولید آب چگالشی222-2-1سیستم‌های تولید آب خوراکی222-2-2سیستم‌های تولید آب کشاورزی232-3دستگاه تقطیرکن خورشیدی242-4تشریح مدل مورد مطالعه243-معادلات حاکم بر مسئله، مدلسازی و اعتبارسنجی263-1معادلات حاکم273-1-1انتقال حرارت هوا273-1-2انتقال حرارت خاک293-2تحلیل جریان293-2-1شبکه‌بندی میدان حل313-2-2الگوریتم حل عددی323-3گسسته سازی معادلات حاکم333-3-1معادله انرژی خاک333-3-2معادله انرژی برای هوا343-4شرایط مرزی و اولیه363-4-1شرايط مرزي خاک363-4-2شرايط مرزي هوا373-4-3شرايط اوليه383-5فرآیند ترمودینامیکی در طول لوله383-6جنس لوله393-7بازده سيستم403-8فرضیات ساده سازی403-9تحلیل پایداری413-10خنک‌کاری در طول شب433-11 اعتبارسنجی مدل عددی443-11-1استقلال از شبکه443-11-2مقایسه با نتایج تحقیقات پیشین454-نتایج مدلسازی484-1تولید آب شیرین از سیستم‌های چگالشی در طول روز494-1-1دماي هوا در طول‌لوله494-1-2طول‌هاي كوتاه لوله504-1-3طول‌های بلند لوله514-1-4مقايسه انتقال حرارت جابه‌جايي و چگالشي544-1-5تاثیر سرعت ورودی554-1-6تاثیر دمای هوا554-1-7تاثیر رطوبت نسبی564-1-8 تاثیر دمای خاک574-1-9تاثير قطر لوله574-1-10تاثیر جنس لوله584-1-11تاثیر جنس خاک594-1-12آنالیز حساسیت604-1-13بازده سیستم614-2خنک‌کاری سیستم‌های چگالشی در طول شب624-2-1دمای هوا و خاک در طول لوله634-2-2میزان انتقال حرارت جابهجایی654-2-3کانتور دمای هوا و خاک در طول و زمان‌های مختلف664-3نتیجه گیری694-4پیشنهادهایی برای پژوهش‌های آینده71منابع..................................................................................................................................................................72 فهرست شکل صفحهشکل 1‑1 توزیع آب‌های شیرین3شکل 1‑2دستگاه آب‌شیرین‌کن موثر تک مرحله‌ای8شکل 1‑3تعادل یون‌های نمک و آب10شکل 1‑4فرآیند اسمز معکوس11شکل 1‑5 نمونه‌ای از دستگاه توليد آب از رطوبت هوا13شکل 2‑1 سیستم تولید آب چگالشی برای مصارف خوراکی22شکل 2‑2 سیستم تولیدآب چگالشی برای مصارف کشاورزی23شکل 2‑3 دستگاه تقطیرکن خورشیدی24شکل 2‑4 شماتیک سیستم مدلسازی شده25شکل 3‑1شماتیک سه بعدی از قرارگیری لوله در خاک29شکل 3‑2 شبکه اطراف لوله32شکل 3‑3 شماتیک سلول خاک برای گسسته‌سازی معادله انرژی33شکل 3‑4 شماتیک سلول هوا برای گسسته‌سازی معادله انرژی35شکل 3‑5 شماتیک کاهش دما در طول لوله39شکل 3‑6 مقدار آب تولید شده در 90 روز در حل عددی لیندبلام و همکارش46شکل 3‑7 مقدار آب تولید شده در طول‌های مختلف در حل عددی لیندبلام و نوردل46شکل 3‑8 مقدار آب تولید شده در 5 روز اول در حل تجربی یوسفی و همکارانش47شکل 4‑1 نمودار دمای هوای مرطوب در طول لوله در اولین ساعت کارکرد49شکل 4‑2 نمودار مقدار آب تولیدشده برای طول‌های کوتاه لوله در 12 ساعت کارکرد سیستم50شکل 4‑3 نمودار مجموع انتقال حرارت جابهجایی و چگالش برای طول‌های کوتاه51شکل 4‑4 کانتور دمای خاک و هوای مرطوب برای طول‌های مختلف لوله در آخرین ساعت کارکرد سیستم52شکل 4‑5 نمودار میزان آب تولیدشده برای طول لوله‌های بلند در 12 ساعت کارکرد53شکل 4‑6 نمودار دمای میانگین برای طول لوله‌های بلند در 12 ساعت کارکرد سیستم53شکل 4‑7 مقايسه انتقال حرارت جابه‌جايي و چگالشي در طول 15 متر54شکل 4‑8 طول لوله برای اشباع شدن هوای مرطوب54شکل 4‑9 تاثير سرعت ورودی هوای مرطوب بر میزان آب توليدي در طول 15 متر55شکل 4‑10تاثير دمای هوای ورودی بر میزان آب توليدي در طول 15 متر56شکل 4‑11تاثير رطوبت نسبی هوای ورودی بر میزان آب توليدي در طول 15 متر56شکل 4‑12 تاثير دمای خاک بر میزان آب توليدي در طول 15 متر57شکل 4‑13 نمودار تاثير قطر لوله بر میزان آب توليدي در طول 15 متر58شکل 4‑14 کانتور دمای خاک برای جنس‌های مختلف در آخرین ساعت کارکرد سیستم در ورودی لوله60شکل 4‑15 آنالیز حساسیت پارامترهای مختلف بر میزان آب توليدي در طول 15 متر61شکل 4‑16بازده سیستم‌های چگالشی بر اساس طول لوله62شکل 4‑17دمای خاک اطراف لوله و هوا برای اولین ساعت خنک‌کاری شب63شکل 4‑18 دمای هوا در اولین، سومین و ششمین ساعت بعد از خنک‌کاری64شکل 4‑19 دمای هوا در هشتمین، دهمین و دوازدهمین ساعت بعد از خنک‌کاری64شکل 4‑20 دمای خاک اطراف لوله در اولین، ششمین و دوازدهمین ساعت بعد از خنک‌کاری65شکل 4‑21 مقدار انتقال حرارت جابهجایی در طول شب برای 15 متر لوله65شکل 4‑22 کانتور دمای خاک و هوا در آخرین ساعت کارکرد سیستم در طول شب66شکل 4‑23 کانتور دمای خاک و هوا در ساعات مختلف کارکرد سیستم در ورودی لوله68 فهرست جدول صفحهجدول 1‑1 مصارف بخش‌های مختلف آب در کشورها4جدول 2‑1 درصد گازهای موجود در جو20جدول 3‑1 مقایسه روشهای مختلف حل31جدول 3‑2شرایط مرزی در اطراف استوانه37جدول 3‑3مشخصات هوای ورودی و هندسه مدل44جدول 3‑4 استقلال از شبکه در لوله 15 متری45جدول 3‑5 مقایسه پژوهش‌های انجام شده در زمینه سیستم‌های تولید آب چگالشی خوراکی47جدول 4‑1 ضريب انتقال حرارت هدايتي براي جنس‌هاي مختلف لوله58جدول 4‑2ضریب هدایت و پخش حرارتی انواع خاک و مقدار آب تولید شده59 فهرست علامتدمای میانگین زمین ()دامنه سالانه دمای سطح زمین ()زمان ()تاخير زماني ()میانگین ضریب هدایت گرماییضریب پخش هوا–آبشار حرارتيظرفیت گرمایی ویژه در حجم ثابتسرعتضریب جابهجایی جرمیضریب انتقال حرارت جابه جاییhآنتالپيhجرمmطولLقطرDرطوبت مطلقwظرفیت گرمایی ویژهCدما ()Tعدد ناسلتNuضريب افت فشارfعدد رينولدزReعدد پرانتلPrعدد لوئيسLeگرماي نهان تبخير آبLfگرماي انتقال يافته(J)Qطول سلول در جهت محور x(m)dxطول سلول در جهت محور y(m)dyطول سلول در جهت محور z(m)dzبازه زماني(s)tفشار(pa)Pمحيط(m)Pثابت جهاني گازRظرفيت گرمايي ويژه در فشار ثابت()مساحت(m2)Aحجم(m3)Vدبي آب برگشتي به درياMcwدبي آب شور ورودي به تبخيركنندهMfدماي آب دريا (ورودي به پيش‌گرمكن)Tcwغلظت آب شورXfدماي خروجي از پيش‌گرمكنTfدبي آب در مولد بخارMgدماي آب در مولد بخارTgدبي آب تغذيهMdدماي آب تغذيهTcدماي جوش آب تغذيهTbدبي آب شيرين توليد شده با استفاده از جداسازي نمكMdدماي آب شيرين توليد شده با استفاده از جداسازي نمكTdنيروFجرمmwگرمای نهان بخار ابLfظرفيت گرمايي ويژه خاكCsفاصله گره مركزي از گره شرقيPWفاصله گره غربي از گره مركزيEPفاصله گره جنوبي از گره مركزيSPفاصله گره مركزي از گره شماليPNفاصله گره پشتي از گره مركزيBPفاصله گره مركزي از گره جلوييPUرطوبت مخصوصwضریب انتقال حرارت کلیUسرعت ورودی هواCinسطح مقطع لولهAطول مدل خاك (m)Lبازدهηعدد انتشار در راستاي xdxعدد انتشار در راستاي ydyعدد انتشار در راستاي zdzعدد موج در راستاي xPعدد موج در راستاي yqعدد موج در راستاي zRدامنه موجUn علامت يونانیضریب پخشگرماییچگالی ()رطوبت نسبیزاويه فاز در راستاي xزاويه فاز در راستاي yزاويه فاز در راستاي z بالانويسپیمایش در زمانn زيرنويسخاکهواaبخار آبvآبwلولههواvانتقال حرارات کلtotانتقال حرارت جابهجاییانتقال حرارت چگالشیماكزيممmaxمينيممminداخلinبيرونoutگره شرقيEگره غربيWگره شماليNگره جنوبيSگره پشتBگره روبروUگره مركزيPگره شرقيeديوار غربيwديوار شماليnديوار جنوبيsديوار پشتbديوار روبروuموقعيت گره در راستاي xiموقعيت گره در راستاي yjموقعيت گره در راستاي zk آب منشأ حيات و سر‌چشمه زندگياست. يکي از راه‌هاي توسعه کشورها استفاده بهينه از منابع طبيعي خدادادی می‌باشد. از منابع بسيار مهم و حياتي که در زندگي روزمره انسان‌ها، کشورها و تداوم توليدات نقش فوق‌العاده دارد، منابع آبي است. آب ماده حیاتی است که به‌طور یکنواخت در سطح کره زمین موجود نیست وبسیاری از نقاط مختلف کره زمین با کمبود آب مواجه هستند. آب از دو بعد اقتصادی و بهداشتی دارای اهمیت است زیرا به حرکت درآورنده‌ی چرخ صنعت و رونق‌بخش فعالیت‌های کشاورزی می‌باشد. همچنین، آب سالم تضمین‌کننده سلامت انسان است.در دو دهه‌ی اخیر، به ویژه سال‌های پایانی قرن بیستم، آب به عنوان موضوعی مهم در کانون مباحث و مذاکرات بین المللی قرار گرفته است. پدیده‌های ناشی از نحوه بهره‌برداری و مدیریت منابع آب، به بالاترین رده‌های تصمیم‌گیری در سطوح ملی، منطقه‌ای و بین المللی رسیده است. کشورهای در حال توسعه، سهم زیادی از جمعیت جهان را به خود اختصاص داده‌اند. در اواخر قرن بیستم در این کشورها کمبود آب به یکی از مسائل مهم تبدیل شده است. به دلیل شرایط اقلیمی، بخش وسیعی از مساحت آن‌ها به‌طور طبیعی از کمبود بارندگی رنج می‌برند. بسیاری از مشکلات بهداشتی کشورهای در حال توسعه، عدم برخورداری از آب آشامیدنی سالم است. بدون تأمین آب سالم، سلامت و رفاه جامعه به خطر می‌افتد [1].با توجه به رشد روز‌افزون جمعيت جهان و ثابت بودن منابع آبي مي‌توان نتيجه گرفت که معضل کمبود آب به مشکل بزرگی در آینده تبديل خواهد شد. در نتيجه بايد راه‌کارهاي جديد و مطمئني براي حفظ منابع آبي در دسترس و همچنين توليد و تصفيه آب شیرین در پيش گرفته شود. بر اساس گزارش منتشر شده از موسسه پاسيفيک اوکلند کاليفرنيا [2] در صورت عدم اتخاذ تصميمي پيشگيرانه بيش از 76 ميليون نفردر سال 2020 در اثر بيماري‌هاي ناشي از آب‌هاي آلوده جان خود را از دست خواهند داد و بيماري‌هاي ناشي از آب‌هاي آلوده بيش‌تر از ايدز سلامت جامعه جهاني را تهديد مي‌نمايد. لذا استفاده از فن‌آوري‌ها و راه‌کارهاي نوين جهت تهيه آب شيرين امري ضروري محسوب مي‌گردد.حجم آب‌های زمین در حدود 1.386 میلیارد کیلومتر مکعب است که حدود 70 درصد از کره زمین را پوشانده است. بخش اندکی از آب‌هاي موجود براي مصارف بهداشتي و کشاورزي قابل استفاده می‌باشد. آب اقيانوس‌ها، درياها و اغلب درياچه‌ها به علت شوري بيش از حد و داشتن املاح معدني، براي مقاصد بهداشتي، کشاورزي و صنعتي غير قابل استفاده است [1 و 3].تنها 5/2 درصد از کل آب‌های جهان، شیرین می‌باشد که بيش‌تر آن‌ها به صورت يخ و برف در کوهستان‌ها و قطب‌ها واقع شده‌اند. انسان آب شيرين مورد نياز خود را از رودخانه‌ها، درياچه‌ها و آب‌هاي زيرزميني تأمين مي‌نمايد. آب در دسترس برای بشر حدود 11میلیون کیلومتر مکعب است [1 و 3]. توزیع آب‌های شیرین در شکل (1-1) نشان داده شده است [4].