كجزء من المهمة المستمرة لمشروع DESOLINATION لإزالة الكربون من عملية تحلية المياه، تم تحقيق إنجاز كبير في جامعة LUT: تم تحقيق التحقق التجريبي لطباعة ثلاثية الأبعاد heat exchanger. يوضح هذا الإنجاز أن التصنيع المضاف (المعروفة أيضًا باسم الطباعة ثلاثية الأبعاد) يمكن أن تعزز أداء المبادلات الحرارية المستخدمة في دورات ثاني أكسيد الكربون فوق الحرجة (sCO2) دورات برايتون, مما يمهد الطريق لأنظمة طاقة أكثر كفاءة.

في الآونة الأخيرة، حقق فريق مشروع DESOLINATION إنجازًا كبيرًا من خلال التحقق بنجاح من صحة الإعداد التجريبي الخاص بهم في جامعة لوس أنجلوس للتكنولوجيا. تضمنت عملية التحقق هذه عدة خطوات رئيسية:

1. التصميم: طور الفريق مخططًا للمبادل الحراري المطبوع ثلاثي الأبعاد، مع التركيز على تحسين شكله ووظيفته.
2. المحاكاة: استخدام أدوات مثل ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD), قام الفريق بمحاكاة أداء المبادل الحراري في ظل ظروف العالم الحقيقي.
3. التصنيع المضاف: طُبع المبادل الحراري باستخدام تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد المتقدمة، مما سمح بتصميم أكثر تعقيداً وفعالية.
4. التجميع: تم بعد ذلك تجميع الأجزاء المطبوعة في مبادل حراري يعمل بكامل طاقته.
5. الاختبار: كانت الخطوة الأخيرة هي اختبار المبادل الحراري للتأكد من قدرته على تحمل الضغوط ودرجات الحرارة المتوقعة في دورة برايتون sCO2.

ويبرهن الانتهاء بنجاح من هذه الخطوات على أن المبادلات الحرارية المطبوعة ثلاثية الأبعاد يمكن أن تعمل بفعالية في بيئات الضغط العالي ودرجات الحرارة العالية. ويمثل هذا الإنجاز خطوة مهمة نحو دمج هذه التصاميم المتقدمة في أنظمة الطاقة الشمسية المركزة في العالم الحقيقي.

دور المبادلات الحرارية في تحلية المياه وتوليد الطاقة

المبادلات الحرارية ضرورية في الأنظمة التي تحول الحرارة إلى طاقة قابلة للاستخدام. وفي مشروع DESOLINATION، تعتبر هذه المبادلات الحرارية من المكونات الرئيسية في sCO2 دورة برايتون, وهي عملية ديناميكية حرارية تستخدم الحرارة لتوليد الكهرباء. عند دمجها مع الطاقة الشمسية المركزة (CSP)-والتي تركز الطاقة الشمسية لإنتاج مستويات عالية من الحرارة- توفر هذه الأنظمة طريقة أكثر كفاءة لإنتاج الطاقة مع تقليل انبعاثات الكربون.

ومع ذلك، فإن إنشاء المبادلات الحرارية التي يمكنها التعامل مع الظروف القاسية التي تتطلبها دورات ثاني أكسيد الكربون ثنائي أكسيد الكربون برايتون (درجات حرارة تصل إلى 600 درجة مئوية وضغط حوالي 250 بار) يمثل تحديات كبيرة. وهنا يأتي دور التصنيع المضاف يأتي في.

مع تقدم مشروع تحلية المياه إلى الأمام، سيلعب التطوير والاختبار المستمر للمبادلات الحرارية المطبوعة ثلاثية الأبعاد دوراً حاسماً في إنشاء أنظمة طاقة أكثر استدامة وكفاءة. ومع كل مرحلة من مراحل المشروع، يقترب المشروع من تحقيق رؤيته المتمثلة في عالم تعمل فيه تحلية المياه بالطاقة النظيفة والمتجددة. ومن خلال الجمع بين التقنيات المتطورة مثل التصنيع الإضافي والعمليات الديناميكية الحرارية المتقدمة، يمهد مشروع تحلية المياه بالطاقة المتجددة الطريق لمستقبل أكثر اخضراراً وأمناً للمياه.

يخطو مشروع DESOLINATION، الممول من برنامج Horizon 2020 التابع للاتحاد الأوروبي، خطوات ملحوظة في مهمته لإزالة الكربون من تحلية المياه. ويأتي أحد أكثر التطورات إثارة من خلال عملنا على تحسين المبادلات الحرارية للاستخدام في دورات ثاني أكسيد الكربون فوق الحرجة (sCO2) دورات برايتون. يمكن لهذه الابتكارات أن تحدث ثورة في كيفية توليد الطاقة من مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية. إليك نظرة فاحصة على كيفية ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD) تلعب دورًا رئيسيًا في هذا الجهد.

تصميم المبادلات الحرارية التي يمكن أن تعمل في ظل هذه الظروف القاسية ليس بالأمر الهين. ولضمان أفضل تصميم ممكن، تستخدم DESOLINATION ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD)-أداة كمبيوتر قوية تقوم بنمذجة كيفية تدفق السوائل وكيفية انتقال الحرارة في الأنظمة المعقدة.

يتيح التصميم التناوب التلقائي للغاز الطبيعي المسال لفريق المشروع (خاصةً TEMISTh) لمحاكاة أداء المبادل الحراري في بيئة افتراضية. ويشمل ذلك تحليل العوامل الرئيسية مثل:

• الكفاءة الحرارية: مدى كفاءة المبادل في نقل الحرارة من مائع إلى آخر.
• انخفاض الضغط: انخفاض الضغط الذي يحدث عندما يتدفق السائل عبر المبادل الحراري، والذي يمكن أن يؤثر على الأداء الكلي للنظام.
• القيود الميكانيكية الحرارية: الضغوط الهيكلية التي يجب أن يتحملها المبادل في درجات الحرارة والضغوط العالية.

وباستخدام CFD، يمكن للفريق إيجاد التوازن الأمثل بين الكفاءة الحرارية وانخفاض الضغط، مما يضمن أداء المبادل الحراري بشكل جيد مع الحفاظ على متانته.

اختبار واقعي في جامعة الملك سعود

بعد ضبط التصميم باستخدام CFD، ستكون الخطوة التالية هي الاختبار على أرض الواقع. يخطط الفريق لتشغيل هذه المبادلات الحرارية من أجل 4,000 ساعة في مصنع تجريبي في King Saud University. ستؤدي هذه الاختبارات إلى تقريب المشروع من مستوى الجاهزية التكنولوجية (TRL 7), مما يعني أن التقنية ستكون جاهزة للنشر في أنظمة العالم الحقيقي.

دور التصميم CFD: تحسين أداء المبادلات الحرارية

النتائج الأولية من هذه المحاكاة واعدة. ويعتقد الفريق أن تصاميمهم يمكن أن تدفع حدود ما هو ممكن للمبادلات الحرارية في دورات برايتون sCO2. وفي حال نجاح هذه الابتكارات، فإنها ستمهد الطريق لمزيد من الكفاءة الطاقة الشمسية المركزة (CSP) المحطات، حيث تتركز الطاقة الشمسية لتوليد مستويات عالية من الحرارة، والتي يمكن استخدامها بعد ذلك لإنتاج الكهرباء.

CFD: أكثر من مجرد أداة هندسية

بالإضافة إلى قدراتها التقنية، أثبتت تقنية CFD أيضًا أنها أداة تواصل قوية. حيث توفر عمليات المحاكاة التي ينشئها تمثيلات مرئية جذابة لكيفية تحرك الحرارة والسوائل عبر النظام، مما يسهل شرح العلم وراء المشروع لجمهور أوسع.

ومن خلال استخدام تقنية CFD لتصميم هذه المبادلات الحرارية المتطورة وتحسينها، يخطو مشروع تحلية المياه خطوة كبيرة نحو أنظمة طاقة أكثر استدامة وكفاءة، مما يقربنا من مستقبل يمكن فيه تشغيل تحلية المياه بالطاقة النظيفة والمتجددة.