Development of a solar distillation system for mediterranean contries

Abstract

VI ÖZET Su, yaşamın temel kaynağıdır. Gezegenimizin günümüzde karşı karşıya kaldığı bazı kısıtlılıklar ve çekişmeler sonucu, giderek de önem kazanmaktadır. Bugün dünyanın dörtte bir nüfusu, Dünya Sağlık Kuruluşu'nun (WHO) standartları çerçevesinde içme suyundan yoksundur. İnsan nüfusunun artması ve turizmin gelişmesi sonucu (özellikle, yıllık yağışın 150-500mm. olduğu kuru Akdeniz iklimi bölgesi olan Güney Akdenizde) taze içme suyuna gereksinim artmaktadır. Taze su kaynakları, Güney Avrupa, Kuzey Afrika, Orta Doğu'yu da içermek üzere, Akdeniz ülkelerinin günümüzde temel sorunu durumuna gelmektedir. Bu bölgelerin bazılarında (Kuzey Afrika ve Orta Doğu) çölleşme sürmektedir ve taze içme suyuna isteğin artmasına karşılık, sınırlı ve giderek zor bulunur su kaynakları önemli bir ikilemi ortaya koymaktadır. Bu ikilem, insan sağlığı, refah ve ekonomik gelişmeyi sınırlayan etkenlerden biridir; dahası, gelecekteki su kaynaklarıyla ilgili tartışmalardan kaçınmak için sorunları çabuk şekilde çözmede izlenecek politik yollan da engelleyici bir etken durumundadır. Günümüzde, artan gereksinimi karşılamak için su kaynaklan yönetiminde çeşitli teknolojiler kullanılmaktadır. Bunlar arasında, yeraltı su kaynaklarından yararlanma, yağmur suyundan yararlanma, atık suların temizlenerek kullanılması, büyük ölçekte su taşıma sistemleri kullanma ve deniz suyunun tuzdan arıtılarak kullanılması önemli yer tutan teknolojilerdir. Güney Akdeniz yöresindeki hemen tüm bölgelerde, yeterli miktarda taze su elde etmede, deniz suyunun tuzundan arıtılarak kullanılması yöntemi, tek seçenek olarak görünmektedir. Son yıllarda deniz suyu arıtım merkezlerinde tükenmez enerji kaynaklarının da kullanılması gündeme gelmiştir. Akdenizin güneyinde, güneş enerjisi boldur ve tükenmez bir enerji kaynağı olarak uygun bir seçenektir. Güneş enerjisinden yararlanarak, sınırlı büyüklükteki su arıtım birimleriyle, küçük topluluklar ve tek tek evler için, deniz suyundan yada atik sudan temiz su elde edilebilir. İmalatçı firmaların verileri incelendiğinde, deniz suyundan taze temiz su elde etmede en ucuz sistemin, güneş enerjili su damıtıcıları olduğu görülmektedir. Güneş enerjili damıtıcı, yapımı basit, bakımı karmaşık olmayan ve doğrudan temiz su elde edilebilen bir sistemdir.vu Bu çalışmadaki genel amaç, gelişmekte olan ülkelerde, köylerde kullanılabilecek, kolay bulunabilir malzemelerle yapılabilen verimli bir güneş enerjili damıtıcı tasarlamaktı. Bunun yanında, düzeneğin yapım tekniğinin ve bakımının da basit olması ve böylece sıradan insanlarca güvenilir ve kolay şekilde kullanılabilmesi de amaçlanmıştı. Bu amaca yönelik tasarlanan düzenek, bir buharlaştırıcı ve buna bağlı bir yoğuşturucudan oluşmuştur. Bu tasarıma göre yapılan güneş enerjili damıtıcıda, su buharının bir kısmı, buharlaştırıcı ile yoğuşturucu arasındaki yatay bir yarıktan, buharlaştırıcıdan yoğuşturucuya doğru çekilmekte ve yayınmaktadır. Yoğuşturucu, ortaya çıkan su buharınının bir kesrim buharlaştırıcıdan emmekte ve buharlaştırıcıyı daha düşük bir basınçta tutmaktadır. Bunun sonucu, buharlaşma hızı artmaktadır. Sistemin eki olan yoğuşturucuda, buharın yaklaşık %40 inin yoğuşması, cam örtünün iç yüzeyindeki ısı yükünü azaltmaktadır. Su ve cam örtü arasındaki sıcaklık farkındaki bu araş, daha çok buharlaşma ve yoğuşma hızına yol açmakta ve böylece toplam taze su üretimi, günde 6 l/m2 nin üzerine çıkmaktadır. Damıtıcının veriminin arttırılması ile ilgili olarak, düzenek üzerinde çeşitli değişiklikler denenmiş, her durum için deneysel olarak ölçülen sıcaklıklar, (tuzlu su (Tw), su buharı (Tv), cam örtü (Tg), yoğuşturucu (Tc0) ve çevre (Ta), damıtıcının değişik çalışma koşulları ve hesaplamalarla bulunan sonuçlarla karşılaştırılarak verim üzerindeki etkiler incelenmiştir. Damıtılan su miktarı, anlık güneş enerjisiyle ve çevre sıcaklığı ile doğru orantılı olarak artmış, su yükseldiğinin aramı ve tabandan olan ısı kaçaklarının artımıyla azalmıştır. Damıtıcıdaki su kapasitesinin azaltılması, buharlaşma hızını arttırmış ve böylece gözlemlenen yoğuşma daha erken başlamıştır. Yoğuşturucu, tüm deney koşullarında, gerekli ve beklenen şekilde, daha düşük sıcaklıkta kalmıştır. Yoğuşturucu ile birlikte çalışma durumunda, çıkıştaki araş 2 litre olmuş, damıtıcının yoğuşturucusuz çalıştırılma durumuna göre %44 bir yükselme gözlenmiştir. Cam örtünün eğimi olabildiğince az tutulduğunda düzeneğin ağırlığı ve maloluşu azaldığı gibi, yaz döneminde daha fazla bir temiz su üretimi sağlamaktadır. Cam örtünün çift camlı olarak yapılması durumunda üretim üzerinde olumlu bir etki gözlenmemiş, bunun yanında düzeneğin maloluşun ve ağırlığı artmıştır.vuı Geliştirilen güneş enerjili su damıtıcısının verimi (* %70) içme suyu sıkıntısı olan yörelerde bir evin gereksinimini sağlayacak denli yüksektir. Bu tür damıtıcıların seri üretimle üretilerek kullanılmaları durumunda, küçük topluluklara gerekli temiz suyun sağlanmasında yeterli olabileceklerdir. Tuz arıtımı yapan güneşli su damıtıcıları yüksek nitelikte içme suyu sağlayabilirler. Bu düzeneklerin kullanımıyla, suda eriyen katılar azaltılır ve yüksek nitelikteki damıtık suyun tadı, ters ozmos ile üretilen yada şişelerde satılan sulardan daha iyi olmaktadır.

Ill ABSTRACT Water is the source of all life. It is receiving increased attention amongst the different obvious shortages and challenges our plant currently faces. Today a quarter of the world population has no drinking water, which achieves the quality standards of the World Health Organization (WHO). Due to the large growth of the human population and tourist income (particularly in southern Mediterranean terrain, where the climate is dry Mediterranean zone, with low annual precipitation in the range of 1 50-500 mm) the demand for fresh water is increasing. Fresh water supplies are currently turning out to be one of the major constraints facing countries around the Mediterranean sea, including North Africa, the middle East, and the southern European regions. In some of these regions (North Africa and middle East) the desertification is continuing, and there is the dilemma of a generally increasing demand for fresh water versus finite resources with decreasing availability. Several technologies are currently available to face the increased demand on water resource management. These include amongst others, deep ground water mining, rain water harvesting, waste water reclamation and reuse, large scale water transportation systems, and desalination processes. Sea water desalination represents the only option to make direct use of sea water resources available in sufficient quantities in all regions of southern Mediterranean area. For some years however, renewable energy sources have been considered as an additional or alternative energy source for water desalination plants. Solar energy is one of the renewable abundant energies in South of the Mediterranean zone. It could be used to supply water desalination units of limited size to provide small communities and individual houses with distilled fresh water from sea water or brackish water. A comparison of the desalination equipment cost and the sea water treatment requirement as obtained from a survey of manufacturers data, shows that the conventional solar still considered to be the cheapest of all other desalination systems. The solar still is a direct collection system, it is very simple to construct and operate and it does not need a complex maintenance. In this study title general objective was the design of an efficient solar still thatIV could be made from local materials and can be installed in villages in developing countries. At the same time the techniques of construction and maintenance should be simplified to make the system reliable and easy to be maintained by simple people. The solar still designed and constructed in this study consisted of an evaporator and a condenser which was coupled to it through a horizontal slot. In the solar still (with minimum inclination of glass cover) developed in this work, water vapor was partially purging and diffusing from the evaporator to a condenser connected to the evaporator through a horizontal slot. The condenser sucks a fraction of the resulted water- vapor from the evaporator maintaining the latter at low pressure, consequently the rate of evaporation increased. Condensing about 40% of the resulted vapor at the added condenser, reduced the loaded heat on the inner surface of the glass cover. This increase of the water and glass cover temperature-difference contributed in more evaporation and condensation rate, hence the total fresh water productivity increased to more than 6 1/m2 per day. To increase the efficiency of the system different modifications were tried and applied. Among of these modifications were the operation of the system with condenser and without condenser, with reflector and without reflector and with single and double (inclined or parallel) glass cover/ covers. The experimentally recorded temperatures of the saline water Tw, water vapor Tv, glass cover Tg5 condenser Tco and ambient Ta, were compared for each different experiment conditions of the solar still operation, and to that equivalent temperatures obtained from the numerical calculations. From these comparisons the effects were also studied for efficiency. The distilled water increased with the increase of the incident solar energy and ambient temperature, and decreased with increasing the water depth and base heat losses. Decreasing the water capacity in the still basin increased the rate of evaporation and so the condensation observed at earlier time. The condenser maintained at low temperature degrees as required and expected. The increase in the output when the still operated with condenser was nearly 2 liters, and about 44% higher than the output of the still operated without condenser.Minimizing the glass cover inclination improve the weight and cost of the unit, and give larger fresh water production in summer season, while adding a second glass cover has no contribution on the distilled water quantities and raise the weight and cost of the solar still. the efficiency of the studied solar still was high enough (70%) for the solar still to be used for supplying a single house with fresh water in areas of drinking water shortage. These individual solar stills can be constructed in series to produce large quantities of fresh water for supplying small communities. The desalinating solar stills can provide drinking water of high quality. The dissolved solids were reduced and the high quality distilled water tastes good and more acceptable than that available in bottles or produced by reverse osmosis.