الأبحاث: تطبيق تقنية ألواح المبادلات الحرارية المسطحة في التقطير متعدد المؤثرات

أنجز معهد الكويت للأبحاث العلمية دراسة تسهم في خفض تكلفة إنتاج المياه عن طريق خفض كمية استهلاك الوقود وتحسين كفاءة محطات تحلية مياه البحر، وتقليل مساحاتها وخفض التكاليف المالية والبيئية لعمليات التحلية، باستخدام تقنية ألواح المبادلات الحرارية المسطحة في تطبيقات التقطير متعدد المؤثرات، وذلك برئاسة د. غادة النويبت، وبمشاركة كل من علي العدواني، محمد الطبطبائي، أحمد الصيرفي، يعقوب الفودري، صفية المقهوي، محمد صفر، عباس المسري، منصور الرغيب، وبتمويل من مؤسسة الكويت للتقدم العلمي. وكانت رئيس المشروع د. غادة النويبت من مركز أبحاث المياه في المعهد، قد صرحت بأنه بالمقارنة مع تقنية المبادلات الحرارية التقليدية من نوع حاويات الأنابيب المستخدمة حاليا في تطبيقات التقطير متعدد المؤثرات، لوحظ أن تقنية ألواح المبادلات الحرارية المسطحة تتمتع بمزايا كبيرة نظرا لأدائها الفائق في نقل الحرارة والقدرة على تجميع مسطحات كبيرة للانتقال الحراري داخل أحجام صغيرة. إذ تتكون أجهزة ألواح المبادلات الحرارية المسطحة من أكوام من الألواح المعدنية المموجة مسبقة التشكيل، والتي يتم ضغطها معا في إطار مع حواف محكمة الغلق بواسطة حشيات قابلة للضغط، وبالتالي تشكل سلسلة من الممرات الضيقة المترابطة التي يمكن أن تتدفق من خلالها السوائل المختلفة. ويعد توظيف استخدام تقنية ألواح المبادلات الحرارية المسطحة في عملية التقطير متعدد المؤثرات خطوة رئيسية لتطوير النظام المستخدم في تحلية مياه البحر، والتي تعد من مجالات التركيز الرئيسية للبحث العلمي ضمن إطار الخطة الاستراتيجية لمركز أبحاث المياه في المعهد. وبالتالي فإن هذا المشروع يعتبر بمثابة القاعدة الأساسية لمزيد من التطوير والتوطين لتقنية PHE- MED في دولة الكويت ومنطقة الخليج. وعن منهجية الدراسة أفادت د. النويبت أن تصميما وبناء وحدة اختبار مخبرية لتقنية PHE- MED تتكون من جزئيين: يتضمن الجزء الأول وحدة اختبار هيدروديناميكية مكونة من لوح مبادل حراري واحد يعمل عند درجات الحرارة والضغوط الجوية الطبيعية السائدة والمحيطة، ويتضمن الجزء الثاني وحدة متعددة الألواح تستخدم لاختبارات الديناميكا الحرارية واختبارات نقل الحرارة عند درجات حرارة تشغيل وضغوط مختلفة ولتكوينات هندسية مختلفة لألواح المبادل الحراري، إلى جانب القيام بتجارب مخبرية شاملة لاختبار ألواح المبادلات الحرارية المسطحة ذات التموجات ومواد البناء المختلفة وتحديد الظروف المثلى لتوزيع مياه البحر والحصول على أفضل تبلل لأسطح الألواح بأقل معدلات من التدفق، بالإضافة إلى تحديد معايير التشغيل لنظام PHE من حيث درجات الحرارة ومعدلات التدفق ومعدلات التبخر والتكثيف، وتراكيز ملوحة مياه البحر والتأثيرات المقابلة للتكوينات الهندسية للألواح. وفيما يخص أهمية الدراسة بينت د. النويبت أن المشروع البحثي قد حقق أهدافه المقترحة من خلال تطوير وتصميم وبناء وحدة اختبار مخبرية لألواح مبادلات حرارية مصممة خصيصا لفحص تطبيقات استخدام ألواح المبادلات الحرارية في تقنية التقطير متعدد المؤثرات المستخدمة في تحلية مياه البحر، لتكون بمثابة منصة لمزيد من التطوير للتقنية المستخدمة ولفحص تطبيقات ألواح المبادلات الحرارية في تقطير مياه البحر متعدد المؤثرات. علاوة على ذلك، أسهمت وحدة التجارب بإنشاء قاعدة معرفية مرجعية حول خصائص الأداء الهيدروديناميكي والديناميكي الحراري ونقل الحرارة لألواح المبادلات الحرارية في أنظمة تقطير مياه البحر متعددة المؤثرات في ظل الظروف السائدة. إذ نجح المشروع البحثي في وضع تصميم تصوري مستقبلي لنموذج تجريبي نمطي ووضع خارطة طريق لاختبار أنظمة التحلية بالتقطير متعدد المؤثرات القائمة على ألواح المبادلات الحرارية ليتم استخدامه في دولة الكويت. وحيث تردد صدى الدعوات للتحول من الوقود الأحفوري إلى الطاقة المتجددة حول العالم، وبرز التوجه نحو تحويل تحلية مياه البحر من مخطط توليد الطاقة والمياه التقليدي الذي يعتمد على الوقود الأحفوري إلى تحلية المياه المدفوعة بالطاقة المتجددة، ولا سيما الطاقة الشمسية، أصبح واضحاً أن هذا المشروع يحمل أهمية قصوى واستجابة وتوافقاً كبيراً مع هذا التحول، نظراً لأن التحلية بالتقطير متعدد المؤثرات والقائمة على ألواح المبادلات الحرارية يمكن أن تكون بالتأكيد أكثر تكيفا مع الأنظمة التي تعمل بالطاقة الشمسية. وأردفت د. النويبت أن نتائج الدراسة أثبتت أنه من المهم جدا عند تصميم المبادل الحراري أن يكون له أصغر حجم ممكن لمنطقة نقل الحرارة لتوفير أقصى معدل لنقل الحرارة مع أقل كمية ممكنة من مياه التغذية. في حين يعتبر اختيار تموج الألواح ونوعية مواد تصنيعها، العامل الأكثر أهمية عند تصميم ألواح المبادلات الحرارية، وتعتبر نسبة تدفق مياه التغذية إلى منطقة نقل الحرارة عاملاً مهما تجب مراعاته للترطيب الكامل، وكشفت الدراسة أن درجة الحرارة ليس لها تأثير كبير فعال على نسبة الترطيب في حال ثبات الضغوط. وأضافت د. النويبت أن استخدام الألواح المصنوعة من مادة التيتانيوم أدى بدوره إلى توفير نسب ترطيب أفضل من الألواح المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ وبغض النظر عن نوع التموج، وفيما يخص قيم التدفق المنخفضة مثل 85٪، توصى الدراسة باستخدام الألواح المصنوعة من مادة التيتانيوم ذات التموج البيضاوي لبناء هذه الألواح، حيث وجد أن نسبة الترطيب أعلى من 94٪. كما أظهرت النتائج أن الألواح ذات التموج البيضاوي تتمتع بأداء أكثر استقرارا وتوفر طبقة من الترطيب أكثر تماسكاً مقارنة بالألواح الأخرى المختلفة عند درجات الحرارة المتغيرة، وأن اختيار نظام الفوهة (nozzle) الصحيح له تأثير كبير على توزيع التدفق فوق الألواح، إذ يتأثر هذا النظام بالمتغيرات المختلفة مثل كمية تدفق مياه التغذية والمسافة بين اللوح والفوهة.